專利名稱：倒平面雪崩光電二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例總體涉及光學器件，并且更具體地但是不排它地涉及 光探測器。
背景技術(shù)：
隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長率正趕上電話業(yè)務(wù)，對于快速和有效的基于 光的技術(shù)的需求日益增長，推動了對光纖光通信的需求。在密集波分復用
(DWDM)系統(tǒng)中在相同光纖上進行的多光通道傳輸提供了簡單的方式來 使用由光纖光學器件提供的空前的容量(信號帶寬)。系統(tǒng)中通常使用的光 學部件包括波分復用(WDM)發(fā)送器和接收器，諸如衍射光柵、薄膜濾 光器、光纖布拉格光柵、陣列波導光柵的光學濾光器，光分/插復用器和激 光器。光電二極管可以用作光探測器以通過將入射光轉(zhuǎn)換為電信號來探測 光?？梢詫㈦娐否罱又凉馓綔y器以接收表示入射光的電信號。然后電路可 以根據(jù)期望的應用來處理電信號。雪崩光探測器提供內(nèi)部電增益并且因此 具有適合于非常微弱的光信號探測的高靈敏度。
參照以下附圖描述本發(fā)明的非限制性的和非窮舉的實施例，其中，遍 及各個視圖，類似的參考數(shù)字指類似的部件，除非另外指明。
圖1是示例根據(jù)本發(fā)明的教導的在系統(tǒng)的吸收層和半導體基底層之間 具有倍增層的倒平面雪崩光探測器的橫截面視圖的范例的圖示。
具體實施例方式
公開了用于倒平面雪崩光探測器(APD)的方法和設(shè)備。為了提供對 本發(fā)明的徹底的理解，在以下描述中提出了許多具體細節(jié)。然而，對本領(lǐng) 域技術(shù)人員來說，不必采用具體細節(jié)來實施本發(fā)明是明顯的。在其它實例中，為了避免使本發(fā)明不清楚，不詳細描述公知材料和方法。
整個說明書中引用的"一個實施例"或"實施例"意指結(jié)合實施例描 述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。從而，整 個說明書中多個地方出現(xiàn)的短語"在一個實施例中"或"在實施例中"不 必全指相同實施例。此外，可以在一個或多個實施例中以任何合適的方式 組合特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。另外，應當理解，同此提供的附圖是用于對 本領(lǐng)域技術(shù)人員的解釋目的，并且附圖不必按比例繪制。此外，應當理解， 根據(jù)本發(fā)明的教導，在此公開中描述的參雜濃度、厚度以及材料等的具體 范例是用于解釋目的，并且可以使用其它參雜濃度、厚度以及材料等。
圖l是總體示例根據(jù)本發(fā)明的范例的包括倒平面雪崩光探測器(APD) 101的系統(tǒng)102的橫截面視圖的圖示。在示例的范例中，將光或光束124從 光源139引導至APD 101。取決于具體應用，光束124可以源自光源139 或可以是從光源139反射的。在一個范例中，可以可選地將光束124直接 從光源139引導或聚焦至APD 101，或可以穿過光學元件137將其引導至 APD101。
在圖l中描繪的范例中，應當注意，為解釋目的，光或光束124示例 為從"頂部"引導至APD 101。然而，在另一范例中，應當理解，根據(jù)本 發(fā)明的教導，光或光束124可以從"頂部"或"底部"引導至APD101。
應當理解，在多種應用和配置中，可以使用一個或多個APD 101。例 如，取決于具體應用，應當理解，在電信中，可以單獨地采用APD 101來 例如探測以低功率光束124編碼的信號。在另一范例中，APD 101可以是 用于感測圖像等的以陣列或格柵布置的多個APD中的一個。例如，以格柵 布置的陣列APD可以用于感測圖像，類似于互補金屬氧化物半導體 (CMOS)傳感器陣列等。
在一個范例中，光學元件137可以包括透鏡或其它類型的折射或衍射 光學元件，使得利用包括光束124的照明將圖像引導或聚焦在APD 101的 陣列上。光束124可以包括可見光、紅外光和/或跨可見至紅外光譜的波長 的組合等。例如，在一個范例中，APD 101對波長在約1.0^im-1.6^im范圍 內(nèi)的光束124敏感。
在示例的范例中，APD 101功能上是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電二
7極管和以增益來倍增探測的信號的放大器的組合。如所示，APD 101包括 半導體基底層103、鄰近半導體基底層設(shè)置的倍增層107以及鄰近倍增層 107設(shè)置的吸收層109，使得倍增層107設(shè)置于半導體基底層103和吸收層 109之間。在示例的范例中，半導體基底103和倍增層107均包括第一類型 的半導體材料，諸如硅，而吸收層109包括第二類型的半導體材料，諸如 鍺或鍺-硅合金材料。
在范例中，可以將外部偏壓V+在接觸部121和122之間施加至APD 101。在多個范例中，外部偏壓V+的典型電壓值可以大于或等于20伏。在 其它范例中，應當理解，根據(jù)本發(fā)明的教導，對外部偏壓V+，可以使用其 它電壓值。如范例中所示，接觸部121經(jīng)由n+摻雜的第一類型半導體區(qū) 111耦接至倍增層107，而接觸部122經(jīng)由p+摻雜的第二類型半導體區(qū)113 耦接至吸收層109。根據(jù)本發(fā)明的教導，n+摻雜區(qū)111和p+摻雜區(qū)113 有助于改善接觸部121和122至APD 101的歐姆接觸。
如在圖1中示例的范例中所示，n+摻雜區(qū)111限定在表面123上或在 倍增層107的與吸收層109相反的側(cè)上。換句話說，n+摻雜區(qū)111限定在 表面123上，表面123在倍增層107的與半導體基底層103相同的側(cè)上。 根據(jù)本發(fā)明的教導，為了到達(access)倍增層107的表面123處的n+摻 雜區(qū)111，將n+摻雜區(qū)111限定在被限定在半導體基底103中的開口 117 內(nèi)。
在圖1中所示的范例中，就電場強度來說，APD 101功能上包括兩個 區(qū)——一個在吸收區(qū)109中，其中利用施加至APD 101的外部偏壓V+產(chǎn)生 低電場。在一個范例中，存在于吸收層109中的低電場是約100kV/cm。另 一電場區(qū)在倍增層107中，其中，根據(jù)本發(fā)明的教導，通過包括在APDIOI 的區(qū)中的摻雜濃度來產(chǎn)生高電場。在一個范例中，倍增層107中存在的高 電場是約500kV/cm。
在操作中，引導光束124穿過吸收層109的頂面119并進入吸收層109。 如果光束124的入射光子的能量等于或高于低電場吸收層109內(nèi)的半導體 材料(例如鍺/鍺-硅合金)的帶隙能量，則通過該光子在吸收層109中初始 地光生自由電荷載流子或電子-空穴對。圖1中作為空穴131和電子133示 例了這些光生電荷載流子。根據(jù)本發(fā)明的教導，通過將外部偏壓V+施加至APD 101而在吸收層 109中導致低電場，將空穴131加速朝向耦接至吸收層109的接觸部122， 而將電子133加速朝向接觸部121，從電子吸收層109出來進入倍增層107。
作為吸收層109中的低電場的結(jié)果，電子133和空穴131被注入到倍 增層107中的高電場中，隨著電子133和空穴131的注入，它們被分開。 隨著電子133獲得足夠的動能并與倍增層中的半導體材料中的其它電子碰 撞，發(fā)生了碰撞電離，導致附加的電子-空穴對，示為在倍增層109中產(chǎn)生 的空穴131和電子133，導致至少部分電子-空穴對成為光電流的部分。根 據(jù)本發(fā)明的教導，該碰撞電離鏈導致載流子倍增。雪崩倍增繼續(xù)發(fā)生，直 到電子133移出APD 101的有源區(qū)而到達接觸部121。
在圖1中示例的范例中，應當理解，吸收層109是未經(jīng)刻蝕的并且因 此是完全平坦的。相反，范例中所示例的半導體基底層103的部分在APD 101的制造過程中被去除，以到達倍增層107的表面123。通過這樣做，可 以在倍增層107的表面123上注入n+摻雜區(qū)111。在一個范例中，n+摻 雜區(qū)111用于側(cè)向限定倍增層107。在一個范例中，可以將包括接觸部121 的金屬層經(jīng)由開口 117耦接至n+摻雜區(qū)。
圖l還示例可以在APD 101中包括保護環(huán)結(jié)構(gòu)115，其在示例的范例 中示出為浮置保護環(huán)，其具有設(shè)置于倍增層的表面123上的、圍繞n+摻雜 區(qū)111的n+摻雜半導體材料。在另一范例中，應當理解，保護環(huán)結(jié)構(gòu)115 可以不必如圖1中示例的那樣浮置，而是替代地，可以耦接至已知的電位。 在多個范例中，根據(jù)本發(fā)明的教導，保護環(huán)結(jié)構(gòu)115有助于避免或降低倍 增層107中的提前邊緣擊穿。
在一個范例中，APD 101的制造可以開始于低摻雜的硅層。在一個范 例中，此低摻雜的硅層可以例如是硅基底。在另一范例中，此低摻雜的硅 層可以是絕緣體上硅(SOI)晶片或硅之上或上面外延生長的硅層。在圖1 中所示的范例中，此低摻雜的硅層示出為倍增層107。圖1中所示的范例示 出了 SOI晶片的掩埋氧化物層，其示例為&02層105。圖1中，SOI晶片 的硅基底層示例為硅基底層103。根據(jù)本發(fā)明的教導，在不使用SOI晶片的 范例中，則不包括Si02層105。在一個范例中，倍增層107的摻雜濃度相 對低，諸如例如為1E15cm-3。在一個范例中，倍增層107的厚度在約0.2|im-lpm的范圍中。實際上，如果倍增層107太薄，則增益將太低，并 且如果太厚，則APD101的器件帶寬將太低。
繼續(xù)該范例，然后在倍增層107上外延生長包括鍺材料的吸收層109。 在一個范例中，給鍺吸收層109選擇lpm的厚度。然而，在其它范例中， 可以增大鍺吸收層109的厚度以提高響應率或降低其厚度以提高探測器速 度。在一個范例中，鍺吸收層109的摻雜濃度也是相對低的，諸如例如 1E15cm-3。
在范例中，然后使用例如離子注入、擴散工藝或另外的合適的技術(shù)在 鍺吸收層109中或在其頂面119上形成頂部p+摻雜區(qū)113。在一個范例中， p +摻雜區(qū)113具有相對高的摻雜濃度，諸如例如大于5E19cm-3，以提供與 接觸部122的好的歐姆接觸。應當注意，在圖l中^f示例的范例中，p+摻 雜區(qū)定位于頂面119上，但是在另外的范例中，p+慘雜區(qū)113也能夠是外 延生長在吸收層109上的層，在該情況下，p+摻雜區(qū)113將不側(cè)向地定位 在吸收層109的頂面119上。
繼續(xù)示例的范例，然后可以使用標準的拋光技術(shù)來將硅基底層103減 薄至例如約80pm或更小的厚度。在一個范例中，硅基底層103的最終厚度 應當小，以促進隨后的處理步驟，但是硅基底層103的最終厚度也應當足 夠厚，以保持魯棒的。實際上，如果晶片太薄，其將變得太易碎和破裂。
如圖1中所示，根據(jù)本發(fā)明的教導，然后使用例如濕或干刻蝕將器件 有源區(qū)以下的區(qū)域刻蝕掉，以形成開口 117，如果可應用的話，用于暴露或 提供穿過硅基底層103和Si02氧化物層105而至倍增層107的表面123的 通路。在范例中，開口 117應當足夠大，以容許發(fā)生隨后的處理步驟。在 不使用SOI晶片并且因此不包括Si02層105的范例中，根據(jù)本發(fā)明的教導， 于是硅基底層103是硅層，該硅層被刻蝕用來限定用于暴露或提供至倍增 層107的表面123的通路的開口 117。
繼續(xù)該范例，然后使用離子注入、擴散或另外的合適的技術(shù)穿過開口 117而在倍增層107的表面123上限定n+摻雜區(qū)111。在范例中，使用n +摻雜區(qū)111有助于提供至硅外延倍增層107的電連接。 一旦形成n+摻雜 區(qū)111，就可以使用金屬化層或其它合適的技術(shù)穿過開口 117將接觸部121 耦接至n+摻雜區(qū)。在一個范例中，為了避免倍增層中的提前邊緣擊穿，也
10可以如所示的穿過開口 117在表面123中限定保護環(huán)結(jié)構(gòu)115。在多個范例 中，能夠使用數(shù)個技術(shù)來避免邊緣擊穿，諸如圖1中所示的浮置保護環(huán)結(jié) 構(gòu)115。在另外的范例中，根據(jù)本發(fā)明的教導，可以將另外的接觸部耦接至 保護環(huán)結(jié)構(gòu)115，以將保護環(huán)結(jié)構(gòu)連接至已知的電位。在一個范例中，可以 使用雙注入或擴散或其它合適的技術(shù)來穿過開口 117來形成保護環(huán)結(jié)構(gòu) 115，如所示。
應當理解，因為如上述刻蝕了硅基底層103來產(chǎn)生開口 117，所以APD 101不是完全平坦的器件。然而，應當注意，被刻蝕來限定開口 117的硅基 底層103的區(qū)對APD 101的器件性能不是關(guān)鍵的，所以降低了作為刻蝕的 結(jié)果的對APD 101的性能的負面影響。另外，APD 101不需要在諸如表面 123的暴露的刻蝕的表面上沉積鈍化層。
如上述的通過刻蝕來提供開口 117，提供了至倍增層107的表面123的 完全的通路，這使得在注入或擴散n+摻雜區(qū)111和保護環(huán)結(jié)構(gòu)115時能夠 實現(xiàn)精確的控制。實際上，利用由開口 117提供的完全的通路，根據(jù)本發(fā) 明的教導，精確地限定倍增層107的表面123上的APD 101的此區(qū)以防止 邊緣擊穿和剪裁APD 101的豎直電場輪廓是可能的。
本發(fā)明的示例實施例的以上描述，包括在摘要中描述的，不是意在窮 舉或限定于所公開的精確形式。然而，于此描述本發(fā)明的具體實施例以及 針對本發(fā)明的范例是用于示例目的，多種等同的改進和修改是可能的，如 本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的。實際上，應當理解，根據(jù)本發(fā)明的教導，提供 的任何具體波長、尺寸、材料、時間、電壓、功率范圍值等是用于解釋目 的，并且在其它實施例中也可以采用其它值。
根據(jù)上述詳細描述，能夠?qū)Ρ景l(fā)明的實施例作出這些修改。以下權(quán)利 要求中使用的術(shù)語不應解釋為限制本發(fā)明于在說明書和權(quán)利要求中公開的 具體實施例。相反，該范圍應當完全由以下權(quán)利要求來確定，應當根據(jù)已 確立的對權(quán)利要求進行解釋的原則來解釋這些權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1、一種設(shè)備，包括半導體基底層，包括第一類型的半導體材料；倍增層，鄰近所述半導體基底層設(shè)置，且包括所述第一類型的半導體材料；吸收層，鄰近所述倍增層設(shè)置，且包括第二類型的半導體材料，使得所述倍增層設(shè)置于所述吸收層和所述半導體基底層之間，其中，光耦接所述吸收層以接收和吸收光束；以及所述第一類型的半導體材料的n+摻雜區(qū)，限定在所述倍增層的與所述吸收層相反的表面處，其中，在所述倍增層中生成高電場，以倍增響應于對在所述吸收層中接收的所述光束的所述吸收而光生的電荷載流子。
2、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中，在貫穿所述半導體基底層限定的 開口內(nèi)限定所述n+摻雜區(qū)，以到達所述倍增層。
3、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中，第一類型的半導體包括硅，而所 述第二類型的半導體材料包括鍺或鍺-硅合金。
4、 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述倍增層包括硅。
5、 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述吸收層包括外延生長在所述 倍增層之上的鍺層。
6、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，還包括在所述倍增層的與所述吸收層相 反的所述表面處的所述n+摻雜區(qū)周圍限定的保護環(huán)結(jié)構(gòu)。
7、 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述保護環(huán)結(jié)構(gòu)是包括n+摻雜 類型的半導體材料的浮置保護環(huán)。
8、 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述保護環(huán)結(jié)構(gòu)耦接至已知的電位。
9、 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括分別耦接至所述吸收層和倍增區(qū) 中的所述n+摻雜區(qū)的第一和第二接觸部，以接收外部偏壓而在所述吸收層 中產(chǎn)生低電場。
10、 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，還包括在所述吸收層中的、耦接至所 述第一接觸部的p+摻雜區(qū)。
11、 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括設(shè)置于所述半導體基底層和所 述倍增層之間的絕緣體上硅晶片的氧化物層。
12、 一種方法，包括將光束引導到包括第一類型的半導體材料的吸收層中； 吸收所述光束的至少一部分以在所述吸收層中光生電子-空穴對； 將電子從所述吸收層中加速出來而進入設(shè)置于所述吸收層和半導體基 底層之間的倍增層中，所述倍增層和所述半導體基底層包括第二類型的半 導體材料，所述倍增層包括在所述倍增層的與所述吸收層相反的且鄰近所 述半導體基底層的表面處限定的n+摻雜區(qū)；以及利用所述倍增層中的高電場來倍增所述吸收層中的光生電子。
13、 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括在耦接至所述吸收層中的？+ 摻雜區(qū)的第一接觸部和耦接至在所述倍增層的與所述吸收層相反的所述表 面處限定的所述n+摻雜區(qū)的第二接觸部之間施加外部偏壓，以在所述吸收 層中產(chǎn)生低電場來將所述電子從所述吸收層中加速出來而進入倍增層中。
14、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，施加所述外部偏壓包括到達貫 穿所述半導體基底層限定的開口內(nèi)的所述n+摻雜區(qū)，以將所述外部偏壓施 加至所述n+摻雜區(qū)。
15、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，倍增所述吸收層中的所述光生 電子包括利用所述倍增層中的所述高電場來使所述電子發(fā)生碰撞電離。
16、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，第一類型的半導體包括鍺或鍺 -硅合金，而第二類型的半導體材料包括硅。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述倍增層包括硅，而所述吸 收層包括在所述硅之上外延生長的鍺。
18、 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括利用在所述倍增層的與所述吸 收層相反的所述表面處的所述n+摻雜區(qū)周圍限定的保護環(huán)結(jié)構(gòu)來降低所 述倍增層中的邊緣擊穿。
19、 一種系統(tǒng)，包括一個或多個雪崩光探測器，所述一個或多個雪崩光電探測器的每一個 包括半導體基底層，包括第一類型的半導體材料；倍增層，鄰近所述半導體基底層設(shè)置，且包括所述第一類型的半導 體材料；吸收層，鄰近所述倍增層設(shè)置，且包括第二類型的半導體材料，使 得所述倍增層設(shè)置于所述吸收層和所述半導體基底層之間，其中，光耦 接所述吸收層以接收和吸收光束；所述第一類型的半導體材料的n+摻雜區(qū)，限定在所述倍增層的與 所述吸收層相反的且鄰近所述半導體基底層的表面處，其中，在所述倍 增層中生成高電場，以倍增響應于對在所述吸收層中接收的所述光束的 所述吸收而光生的電荷載流子；以及 光學元件，用于將光束引導到所述一個或多個雪崩光探測器上。
20、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述光學元件包括透鏡。
21、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，在貫穿所述半導體基底層限定的開口 內(nèi)限定所述n+摻雜區(qū)，以到達所述倍增層。
22、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，第一類型的半導體包括硅，而 所述第二類型的半導體材料包括鍺或鍺-硅合金。
23、 如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述倍增層包括硅。
24、 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中，所述吸收層包括外延生長在所 述倍增層之上的鍺層。
25、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個雪崩光探測器 還包括在所述倍增層的與所述吸收層相反的所述表面處的所述n+摻雜區(qū) 周圍限定的保護環(huán)結(jié)構(gòu)。
26、 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個雪崩光探測器 還包括分別耦接至所述吸收層和倍增區(qū)中的所述n+摻雜區(qū)的第一和第二 接觸部，以接收外部偏壓而在所述吸收層中產(chǎn)生低電場。
27、 如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個雪崩光探測器 還包括在所述吸收層中的、耦接至所述第一接觸部的p+慘雜區(qū)。
全文摘要
公開了一種雪崩光探測器。根據(jù)本發(fā)明一方面的設(shè)備包括半導體基底層，包括第一類型的半導體材料。所述設(shè)備還包括倍增層，包括所述第一類型的半導體材料，鄰近所述半導體基底層設(shè)置。所述設(shè)備還包括吸收層，包括第二類型的半導體材料，鄰近所述倍增層設(shè)置，使得所述倍增層設(shè)置于所述吸收層和所述半導體基底層之間。光耦接所述吸收層以接收和吸收光束。所述設(shè)備還包括所述第一類型的半導體材料的n+摻雜區(qū)，限定在所述倍增層的與所述吸收層相反的表面處。在所述倍增層中生成高電場，以倍增響應于對在所述吸收層中接收的所述光束的所述吸收而光生的電荷載流子。
文檔編號H01L31/107GK101490856SQ200780026939
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者A·波沙爾, M·邁克爾 申請人:英特爾公司