包括能独立控制的吸收区电场和倍增区电场的器件制造技术

一种器件包括第一区、倍增区、第二区和吸收区。第一区与第一端子关联，并且第二区与第二端子关联。第一区通过倍增区与第二区间隔开。吸收区被设置在倍增区上并与第三端子关联。基于第一端子、第二端子和第三端子，倍增区电场相对于吸收区电场能独立控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
光电探测器件可以使用基于高掺杂且高工作电场和电压的复杂架构。电荷区可以形成垂直布置的串联过渡层结构的一部分，该结构使用非常高的击穿电压，这导致了高工作电压的使用。此外，串联结构的各个层与被非常精确地限定和控制相关联，这导致需要特别的掺杂或其他技术以获得可行的结构。雪崩光电二极管是高度灵敏的光电探测器，其通过雪崩倍增具有内部增益。传统上，雪崩光电二极管被用于长距离光通信；对于给定的数据传输速率，它们可以提供比例如PIN二极管好10倍的灵敏度。APD可以使用正常入射光并可以使用波导结构来耦合入射光。对于诸如Ge或量子点等的具有较低吸收效率的材料，可能需要长吸收长度/尺寸来提供足够的量子效率。作为长的长度/大尺寸的结果，传统的APD体积可能庞大，并且具有高暗电流、低量子效率和低带宽。此外，对于片上光互连应用来说，大的器件尺寸和高功耗可能是特别不利的。此外，传统APD可以使用分离的吸收电荷倍增(SACM)设计，由于每个区域的串联布置，SACM设计可能导致高击穿电压(对于GeSi APD，通常>25V)。附图说明图1是根据示例的包括倍增区的器件的侧视框图。图2是根据示例的包括倍增区的器件的侧视框图。图3是根据示例的环形器件的俯视框图。图4是根据示例的包括倍增区的器件的侧视框图。图5A是示出根据示例的掺杂浓度的器件的侧视框图。图5B是根据示例的暗电流作为N-Si电极上的偏压的函数的图表。图5C-5F是示出根据示例的电场强度作为N-Si上的偏压的函数的器件侧视框图。图6是根据示例的基于对光电二极管的偏置的流程图。具体实施方式这里描述的诸如用于探测光的雪崩光电二极管(APD)的示例器件，可以针对低击穿电压利用三个端子，并且利用谐振增强(例如，基于微环)以有效增加光吸收路径同时维持小尺寸，以实现高量子效率、低暗电流、低击穿电压和低功耗。在不使用现有的诸如分离的吸收电荷倍增(SACM)设计的APD结构的情况下，并且在不需要关联的高驱动电压(例如，对于SACM锗硅(GeSi)器件大于25伏特)和关联的复杂制造过程(诸如精确的电荷层掺杂控制)的情况下，可以获得益处。这里描述的示例器件可以具有小形状因子、低功耗(例如，大约5-12伏特的工作电压)、低成本，并且可以被用于光电平台上的片上光互连以及其他高带宽、小串音和低功耗的应用。此外，示例器件可以基于互补金属氧化物半导体(CMOS)制造技术而制造，并且与其可兼容。图1是根据示例的包括倍增区130的器件100的侧视框图。器件100进一步包括与第一端子112关联的第一区110，以及与第二端子112关联且通过倍增区130与第一区110间隔开的第二区120。吸收区132被设置在倍增区130上，并且与第三端子134关联。倍增区电场140与倍增区130关联，并且吸收区电场142与吸收区132关联。器件100可以基于吸收光并产生电信号来探测光。吸收区132用于吸收光子并产生电载流子，并且倍增区130用于使产生的载流子雪崩倍增，并且将载流子扫到第一区110和/或第二区120。器件100可以使用第一端子112、第二端子122和第三端子134，例如通过独立控制吸收区电场142和倍增区电场140，来影响载流子的产生和/或倍增。吸收区电场142可以独立于倍增区电场140被控制，以将载流子从吸收区132移动至倍增区130。倍增区电场140可以被调节为超过载流子的碰撞电离阈值，这可以导致倍增区130中的雪崩倍增，同时维持低于击穿电压水平。吸收区电场142的强度可以低于倍增区电场140的强度。因此，器件100示出两个并行可控的电场，使得能够基于通过第一端子112、第二端子122和第三端子134的驱动电压，实现吸收区132和倍增区130的独立且分离控制。吸收区电场142可以很低，以将光生电载流子驱动到倍增区130。倍增区电场140可以在第一区110和第二区120之间横向延伸，以分离载流子和/或触发雪崩倍增来探测电流。可以基于端子针对吸收区132和倍增区130实现能独立控制的电场，而不需要在一区域内的多个分离的掺杂层。因此，不像基于SACM的设计，区域不需要使用被精确控制的掺杂来修改以创建电荷层。器件100可以针对倍增区基于诸如硅的材料，并且针对吸收区基于诸如锗的材料，而不需要例如精心生长与区域关联的多层Ⅲ-V族结构。硅提供诸如与Si CMOS工艺兼容的好处，以及其低于其他Ⅲ-V族材料的碰撞电离系数(k值)(例如，Si是0.02，而InGaAlAs是0.2)。此外，在本申请提供的示例中，载流子不需要穿过势垒行进到倍增区130。比较而言，对于现有的低偏压的SACM APD，电场可以基于偏压而建立在倍增区中。然后，根据表达式dQ＝CdV(其中dQ是电荷的改变，C是电容，并且dV是电压的改变)，偏压的大部分落在电荷层上以补偿在可用区域中掺杂的电荷。因此，SACM APD中，在平衡电荷层之后，倍增区电场可以开始渗入吸收区。在SACM APD的吸收区中没有电场时，光生载流子不会行进到倍增区以供收集。因此，SACM APD需要非常高的电压来工作。例如，对于GeSi APD来说，使用这个方案的高工作电压可以是25-30V。因此，例如，与SACM APD相比，在本申请的示例中可以实现以非常低的工作电压和/或击穿电压(例如，近似10伏特)工作。此外，击穿电压可以依赖于第一区110和第二区120之间的距离。例如，通过将第一区110和第二区120之间的距离缩减到几百纳米，增益倍增可以通过仅施加几伏特而发生。因此，可以实现小尺寸、高量子效率、低暗电流、低击穿电压和低功耗的适合片上光互连应用的器件。器件100可以利用谐振增强来有效增大与吸收区132关联的光吸收路径，同时保持器件尺寸很小(在几微米之内)。例如，器件100可以包括基于微环谐振腔的吸收区132和/或其他区域/特征。其他几何形状和/或类型的谐振腔也是可能的，例如基于法布里-珀罗反射器和其他技术的非环形和/或直线形谐振器。第一区110、第二区120、倍增区130、和其他区域/元件可以通过使用适当的材料对硅衬底进行掺杂例如选择性掺杂来形成。在示例中，第一区110可以被指定为p掺杂，并且第二区120可以被指定为n掺杂，然而p掺杂和n掺杂区可以互换或以其他方式形成。器件100可以由各种材料形成，诸如硅(Si)、锗(Ge)、SiGe、各种氧化物和其他材料(例如，用于端子的金属)。在示例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种器件包括：与第一端子关联的第一区；与第二端子关联并通过倍增区与所述第一区间隔开的第二区；以及设置在所述倍增区上并与第三端子关联的吸收区；其中基于所述第一端子、所述第二端子和所述第三端子，倍增区电场相对于吸收区电场能独立控制。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种器件包括：
与第一端子关联的第一区；
与第二端子关联并通过倍增区与所述第一区间隔开的第二区；以及
设置在所述倍增区上并与第三端子关联的吸收区；
其中基于所述第一端子、所述第二端子和所述第三端子，倍增区电场相对于吸收
区电场能独立控制。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述倍增区和所述吸收区被成形为谐振腔，
以提供谐振增强和沿所述谐振腔的具有比所述器件的线性尺寸更大的有效长度的光吸
收路径。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述光吸收路径用于实现基于沿所述光吸收
路径的多个往返的光吸收。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述倍增区电场用于基于所述第一区和所述
第二区之间的间隔距离在所述倍增区中产生放大的雪崩效应。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述倍增区是与碰撞电离系数关联的未掺杂
本征材料。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一区、所述倍增区的第一部分、以及
所述第二区作为波导谐振结构被设置在衬底中，并且所述倍增区的第二部分作为缓冲
层被设置在衬底上。
7.根据权利要求6所述的器件，其中所述吸收区和所述倍增区的所述第二部分被
设置在所述倍增区的所述第一部分上。
8.根据权利要求1所述的器件，进一步包括波导，用于基于耦合系数将来自所述
波导的光精密地耦合入所述倍增区中，以形成基于谐振波长的谐振增强。
9.根据权利要求1所述的器件，进一步包括设置在所述吸收区和所述倍增区之...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志宏，马科斯·菲奥伦蒂诺，查理斯·M·圣托里，彭真，梁迪，雷蒙德·G·博索雷，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国;US