具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管的制作方法
【專利摘要】具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管。一示例包括襯底；位于襯底上的硅層，硅層包括正摻雜區(qū)域、負摻雜區(qū)域和正摻雜區(qū)域與負摻雜區(qū)域之間的吸收區(qū)域，吸收區(qū)域在其晶體結構中包括缺陷；以及與正摻雜區(qū)域和負摻雜區(qū)域電通信以接收偏置電位的多個接觸。
【專利說明】具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管

【背景技術】
[0001]傳統(tǒng)上，計算機中的電子部件和其他電器之間的信號由銅導線或者其他金屬互連來承載。數(shù)字電子器件的速度增加已經(jīng)使這種類型的信號承載達到其極限，即使在單個集成電路芯片上的部件之間也是如此。光信號可承載遠多于金屬導體中的傳統(tǒng)電信號的數(shù)據(jù)，并且這已經(jīng)導致對集成電路芯片規(guī)模的光通信器件的需求。因為硅廉價并且與硅CMOS部件制造兼容，所以對于芯片上和芯片內的光信號，硅光子器件都已經(jīng)受到廣泛關注。高效的硅光學調制器、濾波器和波導已經(jīng)直接建造在硅襯底上。由于倍增增益，雪崩光電二極管(APD)比PIN光電二極管靈敏十倍或者更高，因此對于硅芯片之間的低功率、高敏感度數(shù)據(jù)鏈接來說非常引人注目。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0002]附圖沒有按比例繪制。附圖通過示例示出公開內容。
[0003]圖1是具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管的示例的透視圖。
[0004]圖2是具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管的另一示例的透視圖。
[0005]圖3A是具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的環(huán)形諧振器雪崩光電二極管的示例的俯視圖。
[0006]圖3B是沿圖3A的線B-B截取的剖視圖。
[0007]圖3C類似于圖3B，但是示出具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域以及單獨的雪崩倍增區(qū)域的環(huán)形諧振器雪崩光電二極管的示例。
[0008]圖4A到圖4G是制造具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管的方法的示例的剖視圖。
[0009]圖5A到圖5E是制造具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管的方法的另一示例的剖視圖。

【具體實施方式】
[0010]附圖和說明書中使用了說明性示例和細節(jié)，但是可存在并且可建議其他配置。參數(shù)如電壓、溫度、尺寸以及部件值是近似的。方向術語如上、下、頂部和底部僅為了方便用于指示部件相對于彼此的空間關系，并且除非另有指示，相對于外軸線的方向并不是嚴格的。為了清楚起見，一些已知的方法和結構不會被詳細描述。權利要求限定的方法可包括除列出的那些步驟之外的步驟，并且除了如權利要求自身指示外，各步驟可以以給出的順序以外的另一順序執(zhí)行。
[0011]硅APD可與其他硅光子器件和CMOS器件一起制造在單個硅襯底中，并且這使它們對于芯片之間的通信鏈接來說非常引人注目。但是，硅具有1.1電子伏特m的帶隙，并且因此在光和近紅外(1270到1740納米(nm))波長處基本上是透明的。因為硅不能吸收足夠的入射光信號，所以為了以這些波長操作，硅AH)需要在它們的吸收區(qū)域中包括例如鍺或者銦鎵砷化物(InGaAs)的其他材料。包括這種材料導致更復雜的制造序列，并且增加成本。此外，APD的噪聲指數(shù)部分地由雪崩倍增區(qū)域中的k值(空穴碰撞電離率與電子碰撞電離率的比例)確定。如果具有k值=0.02(比大多數(shù)其他材料更好)的硅可以被用于雪崩倍增區(qū)域，則可獲得出色的噪聲指數(shù)。另外，由除了硅之外的材料制成的Aro需要遠高于12伏特或較低的操作電壓來操作其他數(shù)字電路，因此需要比APD能在僅12伏特的電位操作時所需要的電源更復雜的電源。存在對以12伏特或者較低的操作電位在近紅外波長提供高增益和良好噪聲性能的全硅APD的需求。
[0012]圖1示出具有缺陷輔助的本征硅吸收區(qū)域的APD的示例。缺陷輔助的吸收區(qū)域提供具有良好增益和噪聲性能的全硅APD。將缺陷輔助的吸收區(qū)域限制在小于約500nm的寬度，使得APD能夠以12伏特或者較低的電位操作。
[0013]在圖1的這個示例中，襯底100被氧化層102覆蓋。氧化層上的硅層包括正摻雜區(qū)域104、負摻雜區(qū)域106以及正摻雜區(qū)域與負摻雜區(qū)域之間的吸收區(qū)域108，吸收區(qū)域在其晶體結構中具有缺陷。在該示例中，缺陷輔助的吸收區(qū)域還可用作APD的雪崩培增區(qū)域。在一些示例中，這些缺陷是離子誘導的。接觸110和112分別與正摻雜區(qū)域104和負摻雜區(qū)域106電通信，用來接收偏置電位。
[0014]由于硅在近紅外波長是透明的，因此由硅制成的吸收區(qū)域在近紅外波長通常是低效的。但是，該缺陷輔助的吸收區(qū)域的晶體結構的誘導缺陷足以改變硅的光學特性，使得其在這些波長不是完全透明的，因此可有效的作為APD的吸收部分。
[0015]在橫跨正摻雜區(qū)域104和負摻雜區(qū)域106的反向偏置電位的影響下，電場穿過缺陷輔助的吸收區(qū)域而在這些區(qū)域之間延伸，導致吸收區(qū)域108中的電子如箭頭114所指示向負摻雜區(qū)域106遷移，并且空穴如箭頭116所指示向正摻雜區(qū)域104遷移。當電場高于碰撞電離閾值時，缺陷輔助的吸收區(qū)域還用作雪崩倍增區(qū)域，這使得光生載流子效應倍增，并且在正摻雜區(qū)域和負摻雜區(qū)域兩端產(chǎn)生輸出信號。缺陷輔助的吸收區(qū)域108具有小于大約50nm的寬度118，以使器件能以不大于12伏特的電位運行。
[0016]在本示例中，以p+_1- n+(p〈sup>+〈/sup>-1-n〈sup>+〈/sup>)結構制造 APD?？赏ㄟ^外推來自于單位增益光響應的光電流來計算雪崩增益。由于硅的0.02的低k值，該器件具有低噪聲指數(shù)。擊穿電壓由缺陷輔助的吸收區(qū)域108的寬度118確定，寬度118也是正摻雜區(qū)域和負摻雜區(qū)域之間的距離。通過將該距離縮減到大約400nm，實現(xiàn)了約5伏特的低擊穿電壓。
[0017]圖2給出了具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的APD的另一示例。如之前的示例中，襯底200被氧化層202覆蓋。氧化層上的硅層包括正摻雜區(qū)域204、負摻雜區(qū)域206以及正摻雜區(qū)域與負摻雜區(qū)域之間的本征硅雪崩倍增區(qū)域208。接觸210和212分別與正摻雜區(qū)域204和負摻雜區(qū)域206電通信，用來接收反向偏置電位，并在本征Si區(qū)域216中建立大的橫向電場。
[0018]缺陷輔助的硅吸收區(qū)域214布置于摻雜區(qū)域204和206之間的雪崩倍增區(qū)域208的一部分216上，并且不與摻雜區(qū)域204和206接觸。缺陷輔助的硅吸收區(qū)域214在其晶體結構中具有缺陷；在一些示例中，這些缺陷是離子誘導的。電接觸218與缺陷輔助的吸收區(qū)域214電通信，用來接收偏置電位，在一些示例中，該偏置電位相對于正摻雜區(qū)域204是負的。
[0019]如之前的示例中，由于正摻雜區(qū)域204和負摻雜區(qū)域206兩端的反向偏置，電場穿過雪崩倍增區(qū)域208在這些區(qū)域之間延伸，導致電子如箭頭220所指示向負摻雜區(qū)域206遷移，并且空穴如箭頭222所指示向正摻雜區(qū)域204遷移。通過使缺陷輔助的吸收區(qū)域214相對于正摻雜區(qū)域204負向偏置，所產(chǎn)生的光載流子將被從缺陷輔助的吸收區(qū)域214傳輸?shù)窖┍辣对鰠^(qū)域208。通過接近于雪崩擊穿電壓操作，實現(xiàn)了最大倍增增益。在一些示例中，因為具有晶體結構缺陷的缺陷輔助的吸收區(qū)域214與雪崩倍增區(qū)域208分開，所以這種結構與圖1的示例中的結構相比，導致甚至更低的暗電流和更少的散射損耗。
[0020]圖3A和圖3B給出具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的環(huán)形諧振器雪崩光電二極管的示例。襯底300上具有氧化層302。氧化層上的硅層中形成線性光波導304。硅層中形成圓形的第一電摻雜區(qū)域306，并且其被硅層中形成的環(huán)形缺陷輔助的吸收區(qū)域308包圍。吸收區(qū)域308在其硅晶體結構中包括多個缺陷，這些缺陷在一些示例中是離子誘導的。該缺陷輔助的吸收區(qū)域308還作為雪崩倍增區(qū)域。缺陷輔助的吸收區(qū)域308的一部分310與波導304是光接收關系。硅層中的第二電摻雜區(qū)域312部分地環(huán)繞吸收區(qū)域。接觸314和316分別與第一電摻雜區(qū)域306和第二電摻雜區(qū)域312電通信，用來接收即將施加于電摻雜區(qū)域的反向偏置電位。
[0021]光束可如箭頭318所指示傳播入波導的一端，并且如箭頭320所指示從另一端傳出。光的一部分被缺陷輔助的吸收區(qū)域310接收。
[0022]在一些示例中，第一電摻雜區(qū)域306是正摻雜，并且第二電摻雜區(qū)域312是負摻雜。在其他示例中是相反的。
[0023]在前面的示例中，缺陷輔助的吸收區(qū)域308還包括雪崩倍增區(qū)域。圖3C中示出具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的環(huán)形諧振器雪崩光電二極管的另一示例。在該示例中，襯底326上的硅層324中形成圓形的第一電摻雜區(qū)域322。區(qū)域322被形成在硅層324中的環(huán)形雪崩倍增區(qū)域328包圍。硅層中的第二電摻雜區(qū)域330部分地環(huán)繞倍增區(qū)域328。接觸332和334分別與第一電摻雜區(qū)域322和第二電摻雜區(qū)域330電通信，用來接收即將施加于電摻雜區(qū)域的反向偏置電位。環(huán)形的缺陷輔助硅吸收區(qū)域336疊在雪崩倍增區(qū)域328的一部分338上，并且既不與摻雜區(qū)域322接觸也不與摻雜區(qū)域330接觸。缺陷輔助的吸收區(qū)域336在其硅晶體結構中包括多個缺陷，在一些示例中，這些缺陷是離子誘導的。如之前的示例中，缺陷輔助的吸收區(qū)域336的一部分與類似于波導304的波導(未示出)是光接收關系。缺陷輔助的吸收區(qū)域336上形成接觸340。
[0024]圖4A至4G中示出了制造具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管的方法。在一些示例中，該方法以在絕緣體上硅(SOI)襯底402上形成硅層400開始?？梢晕g刻硅層400以定義中心區(qū)408，該中心區(qū)408突出于側面區(qū)412的表面410和側面區(qū)416的表面414之上。中心區(qū)408可從表面410和414突出250nm，如箭頭A所指示。側面區(qū)412和416厚約200nm至2微米(μ m)之間，如箭頭B所指示。在一些示例中，中心區(qū)408不突出于側面區(qū)之上。
[0025]如圖4C所示，側面區(qū)412如箭頭C所指示被正摻雜，以定義P+區(qū)域418。在一些示例中，側面區(qū)412通過大約119CnT3的硼注入來實現(xiàn)。在一些示例中，P+區(qū)域418延伸至側面區(qū)412的邊緣420，但是在本示例中，P+區(qū)域418僅向邊緣420部分延伸，在邊緣420和P+區(qū)域418之間留下未摻雜區(qū)域422。
[0026]相似地，側面區(qū)416如箭頭D所指示被負摻雜，以定義N+區(qū)域424，例如通過大約119CnT3的磷注入。在一些示例中，N+區(qū)域424延伸至側面區(qū)416的邊緣426，但是在本示例中，N+區(qū)域424僅向邊緣426部分延伸，在邊緣426和N+區(qū)域424之間留下未摻雜區(qū)域428。P+區(qū)域418和N+區(qū)域424分開大約400nm至I μ m,如箭頭E所指示。
[0027]在一些示例中，如圖4D所示,側面區(qū)412的一部分如箭頭F所指示被重正摻雜以在P+區(qū)域418中并且鄰近表面410定義淺P++區(qū)域430，例如通過超過102°cnT3的硼注入。
[0028]側面區(qū)416的一部分如箭頭G所指示被重負摻雜以在N+區(qū)域424中并且鄰近表面414定義N++區(qū)域432，例如通過超過102°cm_3的磷注入。
[0029]在中心區(qū)408的晶體結構中誘導結構缺陷，例如如箭頭H所指示，通過硅離子轟擊在中心區(qū)408形成缺陷輔助的硅吸收區(qū)域434。在本示例中，缺陷輔助的吸收區(qū)域434還作為雪崩倍增區(qū)域。
[0030]如圖4E和4F所示，鈍化層436 (例如二氧化硅)沉積在前述結構上。穿過鈍化層從表面438至P++區(qū)域430蝕刻開口。在開口中沉積導電材料以形成從P++區(qū)域430至表面438的導體440和442。接觸444放置于導體上，這在接觸444和P++區(qū)域430之間建立電通路。相似地，穿過鈍化層從表面438至N++區(qū)域432蝕刻開口。在開口中沉積導電材料以形成從N++區(qū)域432至表面438的導體446和448。接觸450放置于導體上，這在接觸450和N++區(qū)域432之間建立電通路。在一些示例中，接觸444相對于接觸450被正向偏置到12伏特。
[0031]在一些示例中，可以在每個接觸和其對應的摻雜區(qū)域之間僅使用一個導體。
[0032]在一些示例中，導電材料可接觸P+區(qū)域418和N+區(qū)域424，而不是P++區(qū)域430和N++區(qū)域 432。
[0033]在一些示例中，可以蝕刻缺陷輔助的吸收區(qū)域434以形成波導。
[0034]如圖4G所示，在一些示例中，雪崩倍增區(qū)域452可制造在缺陷輔助的吸收區(qū)域434和P+區(qū)域418之間。相似地，雪崩倍增區(qū)域可形成在缺陷輔助的吸收區(qū)域434和N+區(qū)域424之間。
[0035]圖5A至圖5E中示出制造具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管的方法的另一個示例。在本示例中，該方法以在絕緣體上娃襯底(SOI) 502上形成娃層500開始。娃層可厚約200nm至2 μ m之間，如箭頭A所指示。
[0036]硅層500的一部分如箭頭B所指示被正摻雜以定義P+區(qū)域504。在一些示例中，這是通過大約119CnT3的硼注入實現(xiàn)的。在一些示例中，P+區(qū)域504延伸至硅層500的邊緣506，但是在本示例中，P+區(qū)域504僅向邊緣506部分延伸，在邊緣506和P+區(qū)域504之間留下未摻雜區(qū)域508。
[0037]相似地，硅層500的另一個部分如箭頭C所指示被負摻雜以定義N+區(qū)域510，例如通過大約119CnT3的磷注入。在一些示例中，N+區(qū)域510延伸至硅層500的邊緣512，但是在本示例中，N+區(qū)域510僅向邊緣512部分延伸，在邊緣512和N+區(qū)域510之間留下未摻雜區(qū)域514。P+區(qū)域504和N+區(qū)域510被寬約400nm至I μ m的本征區(qū)域516分開,如箭頭D所指示。
[0038]如圖5B所示,在一些示例中,P+區(qū)域504的一部分如箭頭E所指示被重正摻雜，以在P+區(qū)域504中并且鄰近硅層500表面520定義淺P++區(qū)域518，例如通過超過102°cm_3的硼注入。
[0039]相似地，N+區(qū)域510的一部分如箭頭F所指示被重負摻雜，以在N+區(qū)域510中并且鄰近表面520定義N++區(qū)域522，例如通過超過102°cm_3的磷注入。
[0040]同時，參考圖5C，在硅晶圓524的一部分的晶體結構中誘導結構缺陷，例如如箭頭G所指示通過硅離子轟擊，以形成缺陷輔助的硅吸收區(qū)域526。然后，如圖所示，硅晶圓524被晶圓鍵合到硅層500，其中缺陷輔助的硅吸收區(qū)域526覆蓋本征區(qū)域516的一部分。本征區(qū)域516可作為雪崩倍增區(qū)域。
[0041 ] 可從表面528至P++區(qū)域518形成開口，在開口中沉積導電材料，以形成從P++區(qū)域518至表面528的導體530。接觸532放置于導體上。相似地，從表面528至N++區(qū)域522形成開口，并且在開口中沉積導電材料，以形成從N++區(qū)域522至表面528的導體534。接觸536放置于導體上。
[0042]在一些示例中，從表面528至缺陷輔助的硅吸收區(qū)域526形成開口，在開口中沉積導電材料以形成導體538，并且接觸540放置于導體上。P++區(qū)域518可相對于N++區(qū)域522被負向偏置，并且吸收區(qū)域526可以以P++區(qū)域和N++區(qū)域之間的中間電位偏置。
[0043]具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管以高量子效率以近紅外波長操作。由于這些光電二極管避免了對使用其他材料例如鍺或者其他II1-V化合物的任何需求，因此其制造是經(jīng)濟的。導致極低噪聲指數(shù)的硅光電二極管的低k值使得硅成為制造雪崩光電二極管的幾乎理想的材料。
【權利要求】
1.一種具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管，所述光電二極管包括: 位于襯底上的硅層，所述硅層包括正摻雜區(qū)域、負摻雜區(qū)域以及所述正摻雜區(qū)域與所述負摻雜區(qū)域之間的吸收區(qū)域，所述吸收區(qū)域在所述吸收區(qū)域的晶體結構中包括缺陷；以及 與所述正摻雜區(qū)域和所述負摻雜區(qū)域電通信以接收偏置電位的接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中所述硅晶體結構中的缺陷包括離子誘導的缺陷。
3.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中所述吸收區(qū)域的至少一部分包括雪崩倍增區(qū)域。
4.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，并且進一步包括位于所述正摻雜區(qū)域和所述負摻雜區(qū)域之間的本征硅雪崩倍增區(qū)域。
5.根據(jù)權利要求4所述的光電二極管，其中所述吸收區(qū)域疊在所述雪崩倍增區(qū)域上。
6.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，并且進一步包括位于所述吸收區(qū)域和所述摻雜區(qū)域之一之間的雪崩倍增區(qū)域。
7.根據(jù)權利要求1所述的光電二極管，其中所述正摻雜區(qū)域包括重摻雜部分，并且所述負摻雜區(qū)域包括重摻雜部分。
8.一種具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的環(huán)形諧振器雪崩光電二極管，所述光電二極管包括: 位于襯底上的娃層； 形成在所述硅層中的線性光波導； 位于所述娃層中的圓形的第一電摻雜區(qū)域； 位于所述硅層中的包圍所述第一電摻雜區(qū)域的環(huán)形吸收區(qū)域，所述吸收區(qū)域在所述吸收區(qū)域的硅晶體結構中包括缺陷，所述吸收區(qū)域的一部分與所述波導是光接收關系； 位于所述硅層中的部分地環(huán)繞所述吸收區(qū)域的第二電摻雜區(qū)域；以及 與所述第一電摻雜區(qū)域和所述第二電摻雜區(qū)域電通信以接收反向偏置電位的接觸。
9.根據(jù)權利要求8所述的光電二極管，其中所述硅晶體結構中的缺陷包括離子誘導的缺陷。
10.根據(jù)權利要求8所述的光電二極管，其中所述吸收區(qū)域包括雪崩倍增區(qū)域。
11.根據(jù)權利要求8所述的光電二極管，并且進一步包括位于所述第一電摻雜區(qū)域和所述第二電摻雜區(qū)域之間的本征硅雪崩倍增區(qū)域，并且其中所述吸收區(qū)域布置于所述雪崩倍增區(qū)域上。
12.—種制造具有缺陷輔助的硅吸收區(qū)域的雪崩光電二極管的方法，所述方法包括: 在硅層中形成用于摻雜的第一區(qū)域和第二區(qū)域以及所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域之間的本征雪崩倍增區(qū)域； 摻雜所述第一區(qū)域以形成正摻雜區(qū)域； 摻雜所述第二區(qū)域以形成負摻雜區(qū)域； 在所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域之間的吸收區(qū)域中誘導結構缺陷；以及 形成與所述正摻雜區(qū)域和所述負摻雜區(qū)域的電接觸。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述本征區(qū)域包括所述吸收區(qū)域。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述吸收區(qū)域布置于所述本征區(qū)域上。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，并且進一步包括對所述正摻雜區(qū)域的一部分和所述負摻雜區(qū)域的一部分進行重摻雜。
【文檔編號】H01L31/107GK104247046SQ201280072708
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年7月25日 優(yōu)先權日:2012年7月25日
【發(fā)明者】黃志宏, 查理斯·M·圣托里, 馬科斯·菲奧倫蒂諾, 雷蒙德·G·博索雷 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責任合伙企業(yè)