低電壓光電檢測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例一般地涉及單片式光電檢測(cè)器，更具體地涉及雪崩光電檢測(cè)器 (APD)〇
[0002] 背景
[0003] 光集成電路（PIC)在諸如光通信、高性能計(jì)算以及數(shù)據(jù)中心之類的應(yīng)用中可作為 光數(shù)據(jù)鏈路而起作用。對(duì)于移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)，PIC也是用于迅速更新移動(dòng)設(shè)備或使移動(dòng)設(shè)備 與主機(jī)設(shè)備和/或云服務(wù)（其中無(wú)線鏈路的帶寬不足）迅速同步的有前途的I/O。這樣的 光鏈路利用包括光發(fā)射機(jī)和/或光接收機(jī)的光I/O接口，光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)中的至少一 個(gè)利用光電檢測(cè)器（典型地為光電二極管）。
[0004] 雪崩光電二極管（APD)是一種類型的光電二極管，因?yàn)樗鼈兛赏ㄟ^(guò)光電半導(dǎo)體材 料內(nèi)的載流子倍增機(jī)制提供信號(hào)增益，所以在需要高靈敏度的應(yīng)用中尤其有用。這樣的應(yīng) 用包括光纖通信、激光測(cè)距以及單光子水平檢測(cè)和成像等等。增益一帶寬積是光電檢測(cè)器 中的關(guān)鍵度量，并且因?yàn)橄拗圃鲆嬉粠挿e的一個(gè)重要性質(zhì)是光電材料的有效k比（krff)， 所以最有前途的多種Aro設(shè)計(jì)中的一些已經(jīng)采用了硅。keff是空穴與電子碰撞電離系數(shù)之 比，而且低krff是Aro所期望的。硅具有〈〇. 1的優(yōu)秀的keff，然而，硅遭受近紅外帶中的低 吸收率，而近紅外帶被許多光應(yīng)用（例如光纖電信）所使用。鍺和許多III-V材料系統(tǒng)的 確具有在這樣的波長(zhǎng)上的良好的響應(yīng)性，然而這些材料中的krff如此之高，使得它們迄今為 止被認(rèn)為不適用于APD應(yīng)用。例如，InP的keff是0. 4-0. 5，Ge的k eff是0. 8-0. 9。此外，將 Ge或III-V材料單片地集成在硅襯底上是成本高的而且技術(shù)上困難的。例如，通常需要昂 貴的外延處理。
[0005] 限制光電檢測(cè)器（具體而言是APD)的性能的另一問(wèn)題是高暗電流。類似于過(guò)度 噪聲的高暗電流會(huì)限制檢測(cè)器的靈敏度。在基于硅的APD中通常實(shí)現(xiàn)毫微安范圍內(nèi)的暗電 流，而例如基于Ge的APD中的暗電流會(huì)是數(shù)十或數(shù)百微安。暗電流可具有多個(gè)來(lái)源，包括 由費(fèi)米能級(jí)釘扎表面態(tài)和晶體缺陷引起的熱離子發(fā)射和陷阱輔助的隧穿，其中晶體缺陷例 如來(lái)源于晶格失配的晶體缺陷（例如Ge與Si之間的4%失配）。
[0006] 高工作偏置也仍然是將硅CMOS電路和光子電路集成在單個(gè)芯片上的PIC的障礙。 諸如用于感測(cè)光電二極管輸出的模擬電路之類的基于硅的電路典型地針對(duì)3. 3V電源而設(shè) 計(jì)。然而，本領(lǐng)域中描述的AH)通常需要顯著更高的偏壓，因此通常超出即便是芯片上系統(tǒng) (SoC)技術(shù)的工作范圍。
[0007] 因此，允許低電壓工作且在近紅外波長(zhǎng)中具有足夠的增益一帶寬積的實(shí)用的光電 檢測(cè)器設(shè)計(jì)和制造工藝將是有利的。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 通過(guò)示例方式而非限制性方式在所附附圖中示出本文中所描述的資料。為說(shuō)明簡(jiǎn) 單和清楚起見(jiàn)，附圖中所示出的元件不一定是按比例繪制的。例如，為了清楚起見(jiàn)，可將一 些元件的尺寸相對(duì)于其他元件擴(kuò)大。此外，在被認(rèn)為合適的情況下，在多個(gè)附圖之間重復(fù)多 個(gè)附圖標(biāo)記以指示對(duì)應(yīng)或類似的元件。在附圖中：
[0009] 圖1A是根據(jù)實(shí)施例的波導(dǎo)耦合的金屬一半導(dǎo)體一金屬（MSM)光電檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的 平面圖；
[0010] 圖1B是根據(jù)實(shí)施例的沿著圖1A中描繪的圖1A中示出的b-b'線的該MSM光電檢 測(cè)器的橫截面圖；
[0011] 圖1C是根據(jù)實(shí)施例的沿著圖1A中描繪的c-c'線的該MSM光電檢測(cè)器的橫截面 圖；
[0012] 圖2A是根據(jù)實(shí)施例的波導(dǎo)耦合的p-i-n光電檢測(cè)器的平面圖；
[0013] 圖2B是根據(jù)實(shí)施例的沿著圖2A中描繪的b-b'線的該p-i-n光電檢測(cè)器的橫截 面圖；
[0014] 圖2C是根據(jù)實(shí)施例的沿著圖2A中描繪的c-c'線的該p-i-n光電檢測(cè)器的橫截 面圖；
[0015] 圖3和4是示出根據(jù)實(shí)施例的制造 MSM或p-i-n光電檢測(cè)器的方法的流程圖；
[0016] 圖5A、5B、5C、ro、5E、5F和5G是根據(jù)實(shí)施例的在制造 MSM檢測(cè)器時(shí)在某些操作之 后沿著圖1A中示出的b-b'線的橫截面圖；
[0017] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的采用包括具有波導(dǎo)耦合的低電壓光電檢測(cè) 器的PIC的光接收機(jī)模塊的移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)和數(shù)據(jù)服務(wù)器機(jī)器；以及
[0018] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電子計(jì)算設(shè)備的功能框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 現(xiàn)在參考所附附圖描述一個(gè)或超過(guò)一個(gè)實(shí)施例。雖然具體描繪和討論了特定配置 和安排，但應(yīng)當(dāng)理解這樣做僅僅是出于說(shuō)明性目的。相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可采 用其他配置和安排而不背離本說(shuō)明書的精神和范圍。對(duì)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明顯的是， 也可在本申請(qǐng)?jiān)敿?xì)描述的內(nèi)容以外的各種其他系統(tǒng)和應(yīng)用中采用本申請(qǐng)所描述的多種技 術(shù)和/或安排。
[0020] 在以下詳細(xì)描述中參考附圖，附圖形成詳細(xì)描述的部分并且示出示例性實(shí)施例。 此外，應(yīng)當(dāng)理解也可利用其它實(shí)施例，并且也可作出結(jié)構(gòu)或邏輯的改變而不背離要求保護(hù) 的主題的范圍。還應(yīng)當(dāng)注意到，例如上、下、頂、底等等方向和指代可僅用于便于描述附圖中 的特征，不旨在限制要求保護(hù)的主題的應(yīng)用。因此，不應(yīng)當(dāng)以限制的意義來(lái)看待以下詳細(xì)描 述，并且要求保護(hù)的主題的范圍由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物來(lái)限定。
[0021] 在以下描述中，陳述了眾多細(xì)節(jié)，然而對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明顯的是，可不利用 這些特定細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)施本發(fā)明。在一些實(shí)例中，以框圖形式而不是詳細(xì)地示出已知的方法和 設(shè)備，以避免模糊本發(fā)明的各實(shí)施例。說(shuō)明書中通篇對(duì)"實(shí)施例"或"一個(gè)實(shí)施例"的引用意 指結(jié)合該實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。 因此，在本說(shuō)明書通篇中各處出現(xiàn)的短語(yǔ)"在實(shí)施例中"或"在一個(gè)實(shí)施例中"不一定指代 本發(fā)明的同一實(shí)施例。此外，可在一個(gè)或超過(guò)一個(gè)實(shí)施例中按照任何合適的方式組合特定 特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性。例如，只要與第一實(shí)施例和第二實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的特定特征、結(jié)構(gòu)、 功能或特性不相互排斥，就可將第一實(shí)施例與第二實(shí)施例組合。
[0022] 如在本發(fā)明的說(shuō)明書和所附權(quán)利要求書中所使用，單數(shù)形式的"一（a，an) "和"該 (the)"旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文明確另有指示。還將理解，本申請(qǐng)中使用的術(shù)語(yǔ) "和/或"指代且涵蓋多個(gè)關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)目中的一個(gè)或超過(guò)一個(gè)項(xiàng)目的任何和所有可能的組 合。
[0023] 可在本申請(qǐng)中使用術(shù)語(yǔ)"耦合的"和"連接的"及其衍生詞來(lái)描述部件之間的功能 或結(jié)構(gòu)關(guān)系。應(yīng)當(dāng)理解，這些術(shù)語(yǔ)并不旨在作為彼此的同義詞。相反，在特定實(shí)施例中，可以 使用"連接的"來(lái)指示兩個(gè)或更多個(gè)元件彼此直接物理地、光學(xué)地和/或電氣地接觸。"耦合 的"可用于指示兩個(gè)或更多個(gè)元件彼此之間直接或間接（在它們之間具有其它中介元件） 物理地、光學(xué)地或電氣地接觸，和/或兩個(gè)或更多個(gè)元件共同作用或彼此相互作用（例如， 如同按照因果關(guān)系）。
[0024] 本申請(qǐng)中使用的術(shù)語(yǔ)"在…上方"、"在…下方"、"在…之間"和"在…上"指的是一 個(gè)部件或材料層相對(duì)其它部件或材料層的相對(duì)位置，其中這樣的物理關(guān)系是值得關(guān)注的。 例如在材料層的情境下，置于另一個(gè)層上方或下方的一個(gè)層可與該另一個(gè)層直接接觸或者 可具有一個(gè)或超過(guò)一個(gè)中介層。此外，置于兩個(gè)層之間的一個(gè)層可直接接觸這兩個(gè)層，或者 可具有一個(gè)或超過(guò)一個(gè)中介層。相反，"在第二層上"的第一層與該第二層直接接觸。在部 件組裝件的情境下進(jìn)行類似的區(qū)分。
[0025] 如下文更詳細(xì)描述，可將低電壓光電二極管結(jié)構(gòu)設(shè)置在波導(dǎo)內(nèi)，該波導(dǎo)在PIC芯 片的區(qū)域上方橫向地延伸。包含適用于近紅外應(yīng)用的半導(dǎo)體器件層（諸如Ge)的該低電壓 光電二極管結(jié)構(gòu)設(shè)置在適用于集成電路的襯底半導(dǎo)體（諸如Si)上方。在器件層形成于電 介質(zhì)層上方的示例性實(shí)施例中，去除電介質(zhì)層以暴露半導(dǎo)體器件層的表面，并且在高場(chǎng)區(qū) 之內(nèi)形成鈍化層以作為電介質(zhì)層的替代。電介質(zhì)層的替代可提供減少暗電流以提高光電二 極管靈敏度（即增益一帶寬積）的益處。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，通過(guò)在金屬一半導(dǎo)體一金 屬（MSM)架構(gòu)中將電極隔開，或通過(guò)在p-i-n架構(gòu)中將互補(bǔ)摻雜區(qū)域隔開，以提供足以在一 距離上引發(fā)碰撞電離的場(chǎng)強(qiáng)，該距離不顯著大于比載流子為了獲得足夠能量以用于碰撞電 離而必須行進(jìn)的距離大一個(gè)數(shù)量級(jí)的距離，由此通過(guò)受控的雪崩增益來(lái)改善靈敏度。
[0026] 參考作為一個(gè)實(shí)施例的不例的圖1A，低電壓光電二極管結(jié)構(gòu)101包含設(shè)置在襯底 105上方的圖案化的半導(dǎo)體器件層115。一般地，光電二極管結(jié)構(gòu)101是金屬一半導(dǎo)體一金 屬（MSM)結(jié)構(gòu)，其中金屬電極13U132的多個(gè)對(duì)與器件層115形成一連串的肖特基二極管。 金屬電極131是多個(gè)第一電極之一，多個(gè)第一電極在襯底105的區(qū)域內(nèi)親合至器件層115。 所有這些第一電極例如通過(guò)布線金屬141耦合在一起，以承受第一電勢(shì)（例如Vs)。類似地， 電極132是多個(gè)第二電極之一，多個(gè)第二電極耦合至器件層115并與第一電極相間錯(cuò)雜，以 獲得在相鄰的電極對(duì)之間的電極間距S。類似地，多個(gè)第二電極例如通過(guò)布線金屬142耦合 在一起，以承受第二電勢(shì)（例如接地）。在僅采用一層金屬化的實(shí)施例中，電極對(duì)131、132 形成跨越器件層115的相對(duì)的縱向邊延伸的指狀結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)布線金屬141、142。
[0027] 器件層115是光電半導(dǎo)體材料，使得在暴露于比半導(dǎo)體的帶隙更大的能量的電磁 輻射時(shí)，產(chǎn)生電荷載流子（電子一空穴對(duì)），并被收集為通過(guò)工作偏置Vs來(lái)驅(qū)動(dòng)的光電流。 在多個(gè)實(shí)施例中，器件層具有除硅之外的半導(dǎo)體，且在一個(gè)有利實(shí)施例中，器件層115是 Ge，不過(guò)它也可以是任何IV族合金（例如SiGe、SiGeC等等），或具有在期望的光波長(zhǎng)下的 吸收率的III-V族合金系統(tǒng)（例如GaAs、InP、InAs等等）。作為示例，在另一示例性實(shí)施 例中，器件層115是InGaAs，類似于Ge，InGaAs也在近紅外中吸收。在有利的MSM實(shí)施例 中，器件層115是基本純凈的（未合金），具有本征水平的均勻摻雜。例如，在示例性的Ge 實(shí)施例中，雜質(zhì)水平低于l〇17/cm3。在其它實(shí)施例中，器件層115至少是多晶的，有利地是基 本單晶的。一般而言，在更長(zhǎng)程的結(jié)晶度下可預(yù)期有更高的量子效率和更低的暗電流。在 其它實(shí)施例中，器件層115具有相對(duì)于襯底層110中的晶體結(jié)構(gòu)的晶向外延的晶向（即，器 件層115的晶面與襯底層