光子混合器器件的制作方法

1.本发明涉及光子器件。更具体地，它涉及光子混合器器件。


背景技术：

2.电流辅助光子解调器(capd)是也能够对入射光信号和参考电信号进行无噪声相乘的一种光电检测器器件。因此，它能够估计这些信号之间的相关性函数。
3.capd的总体思想在图1中示出并且在us6987268b2中公开。在该示例中，光电检测器内置在低掺杂的p型衬底(标记为“p
‑”
)中。capd由形成在两个p区域(标记为“p ”)之间并在紧邻p区域的两个n区域(标记为“n ”)之间的衬底电阻器组成。
4.当将电压源连接到这些p 区域时，多数空穴电流将流过衬底电阻器，从而产生逐渐的电压降，并且因此在硅衬底中产生电场。从顶部或底部入射到该器件上的光被衬底吸收，从而形成电子空穴对。光电子沿着电场线朝着具有较高的电势的p区域漂移，从而在p区域周围形成电子池。
5.这些光电子因为由高掺杂的p区域与低掺杂的p衬底之间的掺杂差异产生的势垒而无法穿透到p区域中。
6.可以通过在p掺杂区域附近放置n掺杂区域来排空该电子池。因此，可以将由光生作用产生的少数载流子电子电流与有助于在衬底中产生电漂移场的多数空穴电流分开测量。由于此类分离，多数衬底电流不产生额外的热或散粒噪声影响。通过改变连接到p区域的电压源的极性，光电流的流动可以被引导到一个n区域或另一个n区域。
7.使用此类capd，解调速度高达千兆赫兹的传感器应该是可行的。但是，由于传感器中的非理想性，无法获得这些速度。
8.因此，需要一种光子混合器器件，其中改善了这些非理想性，使得可以实现更高的解调速度。


技术实现要素：

9.本发明的实施例的目的是提供良好的光子混合器器件。
10.以上目的由根据本发明的方法和器件来实现。
11.在第一方面，本发明的实施例涉及一种用于将入射光信号与参考电信号相乘的光子混合器器件。该光子混合器器件包括：
12.‑
具有第一导电性类型的半导体衬底，
13.‑
具有第二导电性类型的两个检测器区域，该第二导电性类型与第一导电性类型不同，
14.‑
具有第一导电性类型的两个偏置区域，这两个偏置区域具有比半导体衬底的掺杂浓度更高的掺杂浓度，每个偏置区域位于各个检测器区域中的一个检测器区域附近，其中可以通过在偏置区域之间施加电压偏置而在半导体衬底中形成电场，
15.‑
与衬底和偏置区域隔离开的两个偏置电极，其中每个偏置电极仅部分或完全局
部地覆盖各个偏置区域中的一个偏置区域的外边缘。
16.发明人发现，在偏置区域之间的静电势中存在电荷袋。此外，发现这些电荷袋存在于偏置区域的外边缘下方。本发明的实施例的优点在于，可以通过在偏置电极上施加偏置电压来减少这些电荷袋。当第一导电性类型为p型时，应施加负偏置电压，而当第一导电性类型为n型时，应施加正偏置电压。
17.入射在光子混合器器件的正面或其背面的光在衬底中被吸收，从而产生电子空穴对。由于偏置电极仅局部地覆盖相应偏置区域的外边缘，因此光子乘法器的光敏区域的主要部分未被偏置电极覆盖。因此，由于偏置电极的面积比光敏区域小，所以量子效率不受到偏置电极的显著不利影响。
18.此外，本发明的实施例的优点在于，仅偏置区域的外边缘被偏置电极覆盖。如果整个表面都被覆盖，则这将导致功耗增加和光信号损失。
19.在第二方面，本发明的实施例涉及一种飞行时间系统，其包括根据本发明的实施例的光子混合器器件。
20.在第三方面，本发明的实施例涉及一种使用根据本发明的实施例的光子混合器器件将光信号与参考电信号相乘的方法。
21.在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的那样。
22.根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
23.图1示出了现有技术的电流辅助光子解调器的示意图。
24.图2示出了根据本发明的实施例的光子混合器器件的顶视图和侧视图的示意图。
25.图3示出了根据本发明的实施例的飞行时间系统的示意图。
26.图4示出了受电荷袋问题影响的capd器件在50mhz下的相位眼状图。
27.图5示出了覆盖有多晶硅电极的capd的相位眼图，该多晶硅电极覆盖capd的整个表面。
28.图6示出了根据本发明的实施例的具有环形多晶硅电极的capd传感器的相位眼图。
29.权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
30.在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。
具体实施方式
31.将就具体实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺度和相对尺度不对应于对本发明的实施的实际缩小。
32.说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，
而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的顺序不同的顺序来进行操作。
33.此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等等用于描述性目的并且不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的取向不同的取向进行操作。
34.要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的手段；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“包括装置a和b的设备”的范围不应当被限定于仅由组件a和b构成的设备。它意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是a和b。
35.贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。
36.类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个发明性方面的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，此种公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征中。因此，具体实施方式之后所附的权利要求书由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
37.此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。
38.在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，要理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
39.在第一方面，本发明的实施例涉及一种用于将入射光信号与参考电信号相乘的光子混合器器件100。图2中示出了此类器件的示例性实施例的顶视图和侧视图的示意图。
40.根据本发明的实施例的光子混合器器件包括：
41.‑
具有第一导电性类型的半导体衬底110，
42.‑
具有第二导电性类型的两个检测器区域130a、130b，该第二导电性类型不同于第一导电性类型，
43.‑
具有第一导电性类型的两个偏置区域120a、120b，这两个偏置区域120a、120b具有比半导体衬底110的掺杂浓度更高的掺杂浓度，每个偏置区域位于各个检测器区域中的一个检测器区域附近，其中可以通过在偏置区域之间施加电压偏置而在半导体衬底110中
形成电场，
44.‑
与衬底、检测器以及偏置区域隔离的两个偏置电极140a、140b，其中每个偏置电极仅部分或完全局部地覆盖各个偏置区域120a、120b中的一个偏置区域的外边缘。第一偏置电极140a局部地覆盖第一偏置区域120a的外边缘，而第二偏置电极140b局部地覆盖第二偏置区域120b的外边缘。
45.检测器区域130a、130b是第一检测器区域130a和第二检测器区域130b，并且偏置区域是第一偏置区域120a和第二偏置区域120b。第一偏置区域120a位于第一检测器区域130a附近，而第二偏置区域120b位于第二检测器区域130b附近。在偏置区域附近具有检测区域允许排空通过在偏置区域之间施加偏置电压而形成的电子池。偏置区域与相邻检测区域之间的距离的范围可以例如在0到2μm之间。例如，可以是0.3μm。
46.在本发明的实施例中，第一偏置区域120a可以包围第一检测器区域130a，而第二偏置区域120b可以包围第二检测器区域130b。
47.衬底110(具有例如1e13 cm
‑3的掺杂浓度)可以是在下面的衬底150(具有例如1e17 cm
‑3的掺杂浓度)上生长的外延层。衬底110(具有例如1e13 cm
‑3的掺杂浓度)可例如为硅衬底。检测器区域和偏置区域例如可以具有1e17 cm
‑3的掺杂浓度。
48.在下面的段落中，将进一步详细地解释本发明及其优点。
49.因此，首先分析图1中的光子混合器器件的操作。流过n区域的电流对应于施加到p区域的光信号与同相和异相电信号的乘积。因此，可以对该电流进行积分，从而得到相关信号：
[0050][0051]
其中，c
φ
是针对施加到p区域的光信号o(t)与电信号m(t)之间的相移φ的相关样本，δt是信号m(t)相对于引起相移φ的所发射的光信号的时间延迟，t
int
是积分时间，t
tof
是飞行时间。
[0052]
此类光子混合器器件可用于tof距离测量。在此类测量期间，至少3个相关样本c
φ
可能被采集。在实践中，通常使用4个样本来产生同相分量i＝c0°
‑
c
180
°
和正交分量q＝c
90
°
‑
c
270
°
。在该情况下，可以发现由飞行时间t
tof
引起的相移φ
tof
为：
[0053][0054]
capd的速度由光电子到达n区域所花费的平均时间t限定。平均光电子路径d与器件尺寸d近似成正比，而平均电场强度e(假设对p区域施加恒定电压)则与器件尺寸d成反比。因此，平均速度与器件尺寸的平方d2近似成反比。
[0055]
为了提高capd速度，应该最小化器件尺度。如果器件在近红外(nir)波长下操作，则可以使用光信号限制来减小capd的垂直尺度。
[0056]
可以优化capd的布局以减小平均光电子路径d。例如，通过如图2所示将p区域和n区域放置器件的中心，与图1所示的线性布局相比，平均光电子行进路径可以减少高达1/2。
[0057]
图2示出了衬底110中的偏置区域120a、120b和检测器区域130a、130b。在该示例中，衬底110是在衬底150上生长的具有第一导电性类型的外延层110。偏置区域具有第一导电性类型，而检测器区域具有第二导电性类型。每个偏置区域围绕检测器区域中的一个检
测器区域。隔离层170存在于衬底110上，在具有第一导电性类型的周围阱160与具有第一导电性类型的偏置区域之间、并且在检测器区域与偏置区域之间。
[0058]
例如，对于图2中所示的由1v电压源偏置的15μm器件，其电子检测时间可以近似计算为：
[0059][0060]
如果内部电势沿着光电子行进路径朝向n区域是单调的，并且电场(v＝d)沿着光电子行进路径是恒定的，则上述计算合理地估计平均光电子检测时间。
[0061]
然而，在实践中，该假设并不总是成立。
[0062]
首先，在近红外(nir)光的情况下，光信号可以深入到其中电场较弱的衬底110中。为了克服该影响，为nir波长设计的capd器件通常需要额外的负偏置底部电极以产生垂直电场分量。另一种选择可以是使用光信号限制。实际上，没有光学限制的capd在850nm下的典型速度在几百mhz范围内。
[0063]
其次，发明人注意到，关于静电电势的单调性的假设在实际的器件中可能不成立，从而导致电荷袋的形成，这降低了器件性能。由于sti固定正电荷的影响，连接到较高电压的偏置区域120(p区域)周围的电势可能具有局部最大值。硅场氧化物界面(si/氧化物界面)具有正的表面态电荷，该电荷可以根据技术条件按顺序变化。该电荷的第一来源通常是带正电的界面本身。除此之外，在氧化物的生长期间，一些正电荷可能粘在该界面附近的氧化物中。
[0064]
发明人注意到，正电荷使能量带弯曲，从而在偏置区域120(p区域)周围形成电荷袋。当这些电荷袋形成时，光电子将以局部最大电势结束并在那里形成电荷池。当偏置区域120之间的电压反向时，以局部最大电势累积的电子将结束在错误的检测器区域130中。因此，电荷袋使传感器的解调能力变差。如果偏置区域之间的场是单调的而没有电荷袋，则将获得改善的操作，这将引起所有光电子在偏置区域120之间的电压反转之前漂移至正确的收集器130(检测器区域之一)。
[0065]
capd器件的功耗由衬底掺杂限定。为了使功耗最小化，优选地使用非常低的、接近于固有的掺杂水平。发明人注意到，对于低掺杂水平，电荷袋可以延伸深入硅中，从而不利地影响capd解调性能。
[0066]
图4示出了受电荷袋问题影响的capd器件在50mhz下的相位眼状图。图4中的实曲线与由于对于施加到偏置区域120(在该示例中为p区域)的光脉冲信号(具有20ns重复周期的5ns脉冲序列)与电方波信号之间的不同相移，光电流流过检测器区域130(在该示例中为n区域)而产生的光信号相对应。曲线顶部的标记代表暗信号。两个检测器区域130a、130b之间的平均电流限定capd量子效率。眼睛张开度是衡量capd解调能力的度量。对于高性能解调器，相位眼图中的眼睛应完全张开，其中光信号达到暗电平。从图4可以看出，受电荷袋问题影响的基本capd器件无法完全解调光信号：可实现的解调对比度在50％的范围内。对于理想的capd器件，当方波被施加到偏置区域120a、120b时，并且当在光子混合器器件的背面或正面同时施加光信号以及方波信号时，并且当这两者处于同相时，所有光电子被一个检测器区域检测到，而没有光电子被另一检测器区域检测到。
[0067]
通过模拟，发明人发现电荷袋是导致传感器操作变差的原因，并且发现这些电荷袋位于偏置区域120a、120b的外边缘处。在出现电荷袋问题的情况下，即使当偏置区域上的光信号和方波同相时，仍有一些光电子将到达另一个触点。如图4所示，这将导致眼睛变窄。
[0068]
发明人发现，通过提供分别仅局部地覆盖相应偏置区域120a、120b中的一个偏置区域的外边缘的偏置电极140a、140b，并且通过提供偏置电压，可以移除电荷袋，并且发现其结果是，即使电极未在整个传感器上延伸，眼睛开口也可被加宽。
[0069]
图5示出了覆盖有多晶硅电极(以
‑
3v偏置)的capd的相位眼图，该多晶硅电极覆盖capd的整个表面。与没有多晶硅电极的capd器件相比，该器件的解调性能得到显著改善，从而得到约90％的解调对比度。
[0070]
但是，此种结构具有显著缺点。首先，多晶硅电极显著降低了器件的量子效率，该多晶硅电极在氧化硅与硅之间产生了2个光学边界。在该情况下，可能由于反射而损失超过30％的光功率。对于窄光谱带宽光源，由于光边界处的相长干涉和相消干涉产生过多的光谱纹波，因此光功率损失将取决于波长。
[0071]
在图2的示例中，偏置电极140a、140b是形状为环形的多晶硅电极。这些偏置电极仅放置在电荷袋所在的偏置区域120(在该示例中为p区域)的边缘周围。如果该环形电极被负偏置，则电荷袋被移除。由于相较于光敏区域，环形电极的面积很小，因此不对量子效率造成不利影响。
[0072]
偏置电极仅局部存在于偏置区域的外边缘上方的附加优点在于，当对这些电极进行偏置时，偏置电压仅局部存在于偏置区域的外边缘上方。因此，避免了电流增加。
[0073]
在图2的示例中，第一导电性是p型。在该情况下，应施加负偏置电压来减少电荷袋。然而，本发明不限于此。替代地，第一导电性类型可以是n型。在该情况下，应施加正偏置电压来减少电荷袋。在本发明的实施例中，诸如例如在图2中所示，通过浅沟槽隔离(sti)区域170将偏置电极140a、140b与衬底110隔离开。
[0074]
图6示出了根据本发明的实施例的具有环形多晶硅电极(以
‑
3v偏置)的capd传感器的相位眼状图。该相位眼状图示出环形capd相较于基本型和多晶硅覆盖型变体的优越性能。
[0075]
此外，本发明的实施例的优点在于，与偏置电极完全覆盖光子混合器器件的光子混合器器件相比，其功耗降低了。负偏置的多晶硅电极在隔离层170下方产生空穴累积层。在完全覆盖的capd的情况下，此类累积层在整个光敏区域下方产生，从而导致p区域之间的电流消耗更高。
[0076]
偏置电极可以例如是多晶硅电极或金属电极。本发明的实施例的优点在于也可以使用金属电极。这是可能的，因为偏置电极仅局部地覆盖相应偏置区域的外边缘。
[0077]
偏置电极的总表面可以例如小于光子混合器器件的光敏区域的10％。在本发明的实施例中，在参考光子混合器器件的光敏区域的情况下，参考的是光可以穿透其而到达衬底110的区域。
[0078]
偏置电极可以例如具有环形形状或正方形形状。检测器区域和偏置区域的尺寸主要由所使用的技术限定。偏置区域的尺寸应选择得尽可能小，使得电流消耗最小。偏置电极可以与偏置区域重叠。它们应越过偏置区域的外边缘，使得它们覆盖电荷袋，并在偏置它们时可以将电荷袋移除。偏置电极可以例如具有形状为环形的环的形式。环形环的外直径可
以为1μm。
[0079]
根据本发明的实施例的光子混合器器件100可以包括控制器180。在图3中示意性地绘制了包括此类控制器180的光子混合器器件的示例。该控制器被配置成用于：
[0080]
‑
在偏置区域120a、120b之间施加参考电信号作为偏置电压，并且用于
[0081]
‑
当第一导电性类型为p型时，在偏置电极140a、140b上施加负偏置，或者当第一导电性类型为n型时，在偏置电极140a、140b上施加正偏置。
[0082]
此外，控制器180包括与两个检测器区域130a、130b连接的电流测量器件182，并且适于测量由光子混合器器件生成的光生电流。
[0083]
在第二方面，本发明的实施例涉及飞行时间系统200。在图3中示意性地示出此类飞行时间系统的示例。飞行时间系统包括根据本发明的实施例的光子混合器器件100，以及被配置成用于生成经调制的光信号的光源210。光子混合器器件100被定位成用于接收光信号，并且飞行时间系统被配置成用于生成参考电信号。在本发明的实施例中，飞行时间系统被配置成用于基于所测量的光生电流来计算参考信号与所接收的光信号之间的时间延迟。在本发明的实施例中，入射光信号可以是所生成的光信号的反射版本。
[0084]
在第三方面，本发明的实施例涉及一种用于将光信号与参考电信号相乘的方法。该方法包括：
[0085]
‑
提供根据本发明的实施例的光子混合器器件100，
[0086]
‑
发射经调制的光信号，使得其入射到光子混合器器件上，
[0087]
‑
在两个偏置区域上提供参考信号，当第一导电性类型为p型时，与此同时在偏置电极140a、140b上施加负偏置，或者当第一导电性类型为n型时，与此同时在偏置电极140a、140b上施加正偏置。参考信号可以作为偏置电压施加在两个偏置区域上。
[0088]
在本发明的实施例中，经调制的光信号在其入射到光子混合器器件上之前被反射。通过基于所测量的光生电流来确定参考信号与所接收的光信号之间的时间延迟，可以获得到在其上反射光信号的物体的距离。在本发明的实施例中，参考信号和光信号是同步的。在本发明的实施例中，参考信号和光信号同时开始，但是可以具有不同的参数，如基本频率、形状和幅度。