具有弯曲吸收区的雪崩光电二极管器件的制作方法

1.本公开涉及光电探测器，尤其涉及雪崩光电探测器，并针对用于光通信、光感测或量子通信的应用。本公开提出了一种雪崩光电二极管(apd)器件，具体而言，分离式吸收电荷倍增(sacm)apd器件，以及一种用于制造该apd器件的方法。本公开所提出的apd器件可以是具有弯曲吸收区的横向sacm apd器件。


背景技术：

2.在以上给出的apd器件(例如，用作用于光通信、光感测或量子通信的光电探测器)的技术领域中，接收器灵敏度和工作数据率是关键性能要求，因为它们确定光通信链路的功耗。apd器件由很大的潜力来满足这些要求，并由此实现允许高工作数据率的灵敏接收器。
3.apd器件通常在两个器件架构中实现。第一个器件架构是标准引脚形式，并且也被称为引脚apd器件。第二个器件架构是p /p-/n 形式，这也被称为sacm apd器件。在标准引脚apd器件中，由于雪崩效应而导致的光吸收和载流子倍增发生在二极管的本征区中。然而，在sacm apd器件中，二极管的吸收区和倍增区被电荷区(例如，p /p-/n 二极管的p型掺杂区)隔开。虽然标准引脚apd器件对于低工作电压是有潜力的，但sacm apd器件具有更高灵敏度并且能以更高的速度工作。由此，sacm apd器件对于光互连、光通信、局部光量子计算、量子通信、太赫兹通信、太赫兹成像、或传感是更有吸引力的。
4.影响接收器灵敏度的两个参数是apd器件的暗电流和增益带宽积。准确地说，具有低暗电流、高增益和高带宽的apd器件将是理想的。然而，表面照明和波导集成式雪崩光电二极管始终具有暗电流和带宽之间的折衷。具有较低暗电流的器件也具有较低带宽(对于固定增益而言)。暗电流和带宽之间的折衷是缩放器件性能以用于将来系统目标的瓶颈。
5.因此，需要在增加(或至少不减少)带宽的同时允许较低暗电流的sacm apd器件的新器件构思。


技术实现要素：

6.本公开进一步基于关于sacm apd器件的以下考虑事项。常规地，sacm apd器件以垂直形式实现，这需要吸收区上的专用的外延生长堆叠或接触部。具有专用外延生长堆叠的这一垂直sacm apd器件由于外延复杂性而难以集成到现有的硅光子平台中。此外，垂直设计还需要吸收区上的接触方案，这可能是个良率问题。此外，外延生长堆叠限制了设计器件的自由度，因为每一项设计都需要专门的外延研究和外延分割。
7.不同的器件设计的示例是横向sacm apd器件10，如图1所示。apd器件10包括半导体层13(例如，硅)，其中形成第一接触区11(例如，p型掺杂区)、第二接触区12(例如，n型掺杂区)、电荷区16(例如，p型掺杂区)和倍增区17(或放大区，例如本征区)以及第一区15(例如，本征区)。吸收区14(例如，锗)被形成在第一区15上。在第一接触区11上(特别是在第一接触区11的高掺杂区11a上)提供第一接触部18(例如，金属接触部)，并且在第二接触区12
上(特别是在第二接触区12的高掺杂区12a上)提供第二接触部19(例如，金属接触部)。
8.在sacm apd器件10中，在吸收区14中吸收光，并且由于在接触部18和19之间施加反向偏压而产生的电场分隔光生载流子，且一种类型的载流子(通常是电子)移动至倍增区17。高反向偏压还允许倍增区17中的载流子雪崩。电荷区16被用来分别对吸收区14和倍增区17中的电场进行控制/平衡，并由此保护吸收区14中的典型的低带隙半导体材料(例如，锗)免受倍增区17中所需的高电场的影响。
9.对于这一横向sacm apd器件形式，设计者能够使用专用掩模来容易地设计二极管。然而，该sacm apd器件也受到上述暗电流和带宽之间的折衷的影响(对于固定增益)。
10.为了克服这些问题，发明人分别标识出了示例性横向sacm apd器件10中的暗电流和降低的速度(带宽降低的结果)的源头。这两个源头都与apd器件10的电荷区16有关。
11.具体而言，从图2(a)中可以看到，对于倍增区17的固定宽度wm＝0.2μm，暗电流取决于电荷区16的宽度wc。具体而言，更宽的电荷区16减小吸收区44(通常包括锗)中的电场并因此由于吸收区材料中的缺陷而导致更低的暗电流(箭头指示)。然而，如可以从图2(b)中看到的，与此同时，更宽的电荷区16也减小了apd器件10的带宽(箭头指示)，这是因为由于吸收区44中的更低电场而增加了载流子运送时间，并由此降低了速度。
12.图3同样以俯视图(b)以及沿俯视图中的虚线的横截面(a)示出了图1的apd器件10。此外，图3指示在apd器件10中，具体在倍增区17中、吸收区14中、以及第一区15中的电场线。发明人发现电荷载流子将需要运送的最长距离是大约600nm的对角线长度，这降低了apd器件10的速度。此外，吸收材料的所有界面，即吸收材料/氧化物界面(氧化物可覆盖空吸收材料表面)和吸收材料/半导体界面，以及大块缺陷暴露于电场。另外，电场轮廓是跨吸收区14不均匀的，如可以在仿真中看到。这导致跨吸收区14的非均匀载流子速度和载流子运送时间。
13.即，标识出的apd器件10中的暗电流和降低的速度的贡献者是：1)长载流子运送时间；2)非均匀电场分布；以及3)暴露于所施加的电场的界面和大块缺陷。
14.鉴于以上提及的缺点和考虑事项，本发明的实施例的目标是提供一种改进的apd器件以及一种用于制造该apd器件的方法。具体而言，目标是提供具有低暗电流、高增益和高带宽的apd器件。为此，目标是消除横向sacm apd器件10中的以上标识出的贡献者1)、2)和3)。
15.该目标由在所附独立权利要求中提供的本发明的各实施例来实现。这些实施例的有利实现在从属权利要求中被限定。
16.具体而言，本发明的实施例允许缩短载流子运送长度(并由此缩短运送时间)，而不改变吸收区的宽度和厚度。此外，本发明的实施例允许减少吸收区的暴露于电场的界面的数量。此外，本发明的实施例允许提供跨吸收区的更均匀的电场分布。
17.本公开的第一方面提供了一种apd器件，包括：在半导体层中形成的第一接触区和第二接触区；在半导体层上形成的吸收区，其中该吸收区至少部分地形成在半导体层的第一区上，其中该第一区被布置在第一接触区和第二接触区之间；在半导体层中被形成在第一区和第二接触区之间的电荷区；以及在半导体层中被形成在该电荷区和第二接触区之间的放大区；其中该吸收区在半导体层上是弯曲的。
18.由于apd器件的至少吸收区的弯曲部分，载流子运送时间被缩短。由此，可使用更
宽的电荷区，这减小了暗电流，同时至少能维持(或甚至增加)apd器件的带宽。此外，该弯曲部分允许向吸收区提供导致更均匀的电场以及暴露于电场的更少界面的掺杂分布。这进一步减小暗电流和/或增加带宽。
19.在该apd器件的一实现形式中，该吸收区的弯曲部分具有平行于半导体层的层平面的半径。
20.在该apd器件的一实现形式中，该吸收区的弯曲部分具有范围在1-10μm，特别是范围在2-5μm内的半径。
21.已确定在该弯曲部分的这个半径范围内，最佳结果是可达到的。具体而言，该弯曲部分将吸收区中的光模从中心移位至边缘，并由此给予提供掺杂分布的空间。
22.在该apd器件的一实现形式中，第一接触区和第二接触区和/或电荷区和/或放大区在半导体层的层平面中是弯曲的。
23.这提供了具有低暗电流和高带宽的特别高效的apd器件，并且还便于该apd器件的加工。
24.在该apd器件的一实现形式中，放大区和/或第一和第二接触区和/或电荷区的弯曲部分与吸收区的弯曲部分同心。
25.在该apd器件的一实现形式中，该吸收区包括并排布置的本征部分和掺杂部分。
26.吸收区的该掺杂分布允许减少吸收区的暴露于电场的吸收材料/氧化物界面的数量。这导致更低的暗电流和更高的器件带宽。此外，这还允许获得吸收区中的更均匀的电场分布。掺杂分布由吸收区的弯曲部分来实现。
27.在该apd器件的一实现形式中，该吸收区被部分地形成在第一接触区上，其中本征部分被形成在第一区上且掺杂部分被形成在第一接触区上。
28.在该apd器件的一实现形式中，该吸收区的上表面由掺杂部分形成。
29.在该apd器件的一实现形式中，该吸收区的掺杂部分具有与第一接触区相同的导电类型，具体而言是p型。
30.在该apd器件的一实现形式中，该吸收区包括锗，具体而言包括本征锗和掺杂锗。
31.本征锗可提供吸收区的本征部分，而掺杂锗提供掺杂部分。
32.在该apd器件的一实现形式中，该吸收区被形成在半导体层的凹部中，具体而言在跨越第一区和第一接触区的一部分的凹部中。
33.在该apd器件的一实现形式中，该放大区的宽度在0.05-1μm的范围内；并且/或者该电荷区的宽度在0.05-0.3μm的范围内。
34.具体而言，可形成比图1所示的示例性apd器件更宽的电荷区。
35.在该apd器件的一实现形式中，该放大区由半导体层的本征区形成。
36.在一实现形式中，该apd器件进一步包括：在第一接触区上形成的第一接触部以及在第二接触区上形成的第二接触部。
37.第一接触部和第二接触部(例如，金属接触部)可用于跨apd器件中所形成的横向二极管施加偏压。
38.第一方面的apd器件及其实现形式可以是横向sacm apd器件。
39.apd器件40可以是横向sacm apd器件。
40.注意，在本公开中，相对于apd器件的层或区的术语“上方”或“上”可以意指这些层
或区是垂直布置的，即沿着apd器件的形成/生长方向布置。同一层中的术语“相邻”或“之间”可以意指这些层或区是横向布置的，即垂直于apd器件的生长方向布置。横向可以在层的平面中或者平行于层的平面(例如，半导体层的平面)。在各附图中，垂直方向是从附图的底部到顶部，而横向方向是从左到右和/或进到附图的平面中。
41.本公开的第二方面提供了一种用于形成apd器件的方法，其中该方法包括：在半导体层中形成第一接触区和第二接触区；在半导体层上形成吸收区，其中该吸收区至少部分地形成在半导体层的第一区上，其中该第一区被布置在第一接触区和第二接触区之间；在半导体层中在第一区和第二接触区之间形成电荷区；以及在半导体层中在该电荷区和第二接触区之间形成放大区；其中该吸收区在半导体层上是弯曲形成的。
42.第二方面的方法实现与第一方面的器件相同的优点，并且可通过如上所述的用于第一方面的器件的相应实现来扩展。
附图说明
43.上述各方面和实现(本发明的实施例)参照所附附图来在以下具体实施方式中解释：
44.图1示出了示例性apd器件。
45.图2示出了合区对示例性apd器件的暗电流和带宽的影响。
46.图3示出了示例性apd器件中的电场分布。
47.图4示出了根据本发明的实施例的apd器件。
48.图5示出了根据本发明的实施例的apd器件。
49.图6示出了示例性apd器件的吸收区(不具有显著弯曲部分)以及根据本发明的实施例的apd器件的吸收区(具有显著弯曲部分)中的光模。
50.图7示出了吸收区中的光模取决于该吸收区的弯曲部分半径的移位。
51.图8示出了根据本发明的实施例的apd器件中的电场分布。
52.图9示出了根据本发明的实施例的方法。
具体实施方式
53.图4示出了根据本发明的实施例的apd器件40。具体而言，图4(b)示出了apd器件40的俯视图，图4(a)示出了apd器件40的沿着图4(b)中的虚线的横截面。
54.该apd器件40包括在半导体层43中形成的第一接触区41和第二接触区42。半导体层43可以是硅层，例如可以是绝缘体上硅(soi)衬底的顶层。第一接触区41可以是p型掺杂区，而第二接触区42可以是n型掺杂区。
55.该apd器件40进一步包括形成在半导体层43上的吸收区44，其中该吸收区44至少部分地形成在半导体层43的第一区45上，其中该第一区45被布置在第一接触区41和第二接触区42之间。第一区45可以是半导体层43的本征区。吸收区44可包括锗，具体是本征和/或掺杂锗。
56.此外，apd器件40包括在半导体层43中被形成在第一区45和第二接触区42之间的电荷区46，并且包括在半导体层43中被形成在电荷区46和第二接触区42之间的放大区47(或倍增区47，这些术语在本公开中是等价的)。电荷区46可以是半导体层43的掺杂区，例如
可以具有与第一接触区41相同的导电类型，例如可以是p型掺杂的。放大区47可以是半导体层43的本征区。
57.apd器件40可以是横向sacm apd器件，因为吸收区44、电荷区46和倍增区47被横向形成在第一接触区41和第二接触区42之间。放大区47的宽度wm可以在0.1-1μm的范围内，并且电荷区46的宽度wc可以在50-300nm，特别是在100-200nm的范围内。
58.吸收区44在半导体层43上是弯曲的，例如，如图4(b)所示。具体而言，吸收区44的弯曲部分可具有平行于半导体层43的层平面的半径。该半径可以在1-10μm的范围内，特别是可以在2-5μm的范围内。吸收区44的弯曲部分可缩短载流子运送长度，而无需改变吸收区44的宽度和厚度。吸收区44的宽度wa可以在300-700nm，特别是在450-550nm的范围内或大约500nm。吸收区44的厚度ta可以在200-400nm的范围内，特别是大约300nm。
59.除了吸收区44之外，第一接触区41和/或第二接触区42和/或电荷区46和/或放大区47也可分别在半导体层43的层平面中被弯曲。作为示例，图4示出第一接触区41和第二接触区42和电荷区46和放大区47是弯曲的。
60.图5示出了根据本发明的实施例的构建在图4所示的实施例上的apd器件40。具体而言，图5(b)示出了apd器件40的俯视图，图5(a)示出了apd器件40的沿着图5(b)中的虚线的横截面。图4和图5中的相同的元件示出了相同的附图记号并且可被同样地实现。
61.具体而言，在图5所示的实施例中，第一接触区41和第二接触区42和电荷区46和放大区47全都在半导体层43的层平面中弯曲。由此，如在图5所示的额实施例中示例性地示出的，放大区47以及第一和第二接触区41和42和电荷区46的弯曲部分全都与吸收区44的弯曲部分同心。图5的apd器件40具有附加的弯曲区，如下所述。
62.具体而言，apd器件40可包括在第一接触区41上提供，特别是在第一接触区41的高掺杂区41a上提供的第一接触部48。apd器件40还可包括在第二接触区42上提供，特别是在第二接触区42的高掺杂区42a上提供的第二接触部49。第一和第二接触部48和49允许对横向地形成在半导体层42中的二极管施加偏压。第一接触部48和/或第二接触部和/或第一接触区41的高掺杂区51和/或第二接触区42的高掺杂区42a可以是弯曲的。在图5中，所有这些区都是弯曲的，特别是具有与区41、42、46和47相同的弯曲部分。
63.图5中进一步示出吸收区44包括并排布置的本征部分44a和掺杂部分44b。吸收区44的掺杂部分44b可具有分别与第一接触区41和电荷区46相同的导电类型。具体而言，掺杂部分44b可以是p型掺杂，如同第一接触区41和电荷区47。在此情形中，第二接触区42是n型掺杂的。放大区47可以是本征的(本公开中的本征还可被称为非故意掺杂(nid))。吸收区44被部分地形成在第一区45上并且被部分地形成在第一接触区41上。由此，本征部分44a被形成在第一区45上，且掺杂部分44b被形成在第一接触区41上。此外，吸收区44的上表面由掺杂部分44b形成。吸收区44的空表面(例如，上表面)可被氧化物覆盖。本征部分44a以及掺杂部分44b可以是弯曲的，如图所示。
64.吸收区44的掺杂分布可使得吸收区44中的电场更均匀。掺杂部分44b，尤其是在它形成吸收区44的上表面时，可进一步减少吸收区44的暴露于电场的吸收材料/氧化物界面的数量。
65.图6示出了不同的示例性吸收区中的光模的仿真。具体而言，图6(a)示出了apd器件10的示例性吸收区14中的光模，即没有显著的弯曲部分(在此假定非常大并由此是非显
著的100μm弯曲部分半径)。图6(b)和6(c)示出了根据本发明的实施例(即具有弯曲部分，特别是具有5μm(b)和2μm(c)的弯曲部分半径)的apd器件40的示例性吸收区44中的光模。可以看到半径越小，光模移位离开吸收区44的中心就越强。对于笔直的吸收区14(或没有显著弯曲部分)，光模位于吸收区14的中心。对于具有5μm和2μm的弯曲半径的弯曲吸收区44，光模朝吸收区44的边缘移动。这开放了吸收区44中的区60，这允许添加掺杂以改进吸收区44中的光场分布。具体而言，掺杂部分44b可被形成在其中光模不是显著的区60中，并且本征部分44a可由于吸收区44的弯曲部分而被形成在该光模主要所处的位置。
66.图7示出了吸收区44中的光模取决于该吸收区的弯曲部分(箭头指示)的移位。在此情形中，吸收区44宽度wa是500nm且由锗制成。特别可以从图7中看到峰值光模在吸收区44的弯曲部分半径从100μm降至2μm时朝吸收区44的边缘移位超过100nm。在此，假定500nm宽的吸收区44。在这一吸收区44中，光模覆盖大约300-400nm的光。这给予100-200nm的空间(图6中的区60)以供向吸收区44添加掺杂，即用于形成掺杂部分44b。
67.图8示出了根据本发明的实施例的如图5所示的apd器件40中的电场分布。apd器件40的一个好处是电荷区46可以变得比示例性apd器件10更宽。这可以完成，因为在具有弯曲的吸收区44以及吸收区44的掺杂分布(即，本征部分44a和掺杂部分44b)的情况下在吸收区44中实现与示例性apd器件10的吸收区14相比更均匀的电场分布。此外，由于存在于示例性apd器件10中的两个(本征)吸收区和/或氧化物界面被掺杂覆盖，即在那里不存在电场。因此，apd器件40中的暗电流减少，同时带宽增加(或至少维持)。
68.图9示出了根据本发明的实施例的方法90。方法90是用于形成apd器件40，如图4、5或8所示。方法90在流程图中示出并且包括在半导体层43中形成第一接触区41和第二接触区42的步骤91。此外，该方法包括在半导体层43上形成吸收区44的步骤92，其中该吸收区44至少部分地形成在半导体层43的第一区45上，其中该第一区45被布置在第一接触区41和第二接触区42之间。吸收区44弯曲地形成在半导体层43上。此外，方法90包括在半导体层43中在第一区45和第二接触区42之间形成电荷区46的步骤93。此外，方法90包括在半导体层43中在电荷区46和第二接触区42之间形成放大区47的步骤94。
69.总之，本发明的上述实施例提供了若干优点。例如，apd器件40是易于实现的，因为它与具有掩模层的设计相兼容，不像需要专用外延以供实现堆叠的其他apd器件(垂直)。此外，apd器件40具有比apd器件10更少的暗电流以及增加或相同的带宽。
70.本发明的实施例，特别是apd器件40和方法90，可用于实现雪崩光电探测器、光电探测器以及单光子雪崩光电探测器，这些探测器全都可以受益于对暗电流与器件带宽折衷的改进。这些器件通常用于诸如光互连、光通信、局部光量子计算、量子通信、太赫兹通信、太赫兹成像、传感等应用。