带有集成加热器的GE/SI雪崩光电二极管及其制作方法

摘要

提供了一种带有集成加热器的Ge/Si雪崩光电二极管的新颖结构及其制作方法的各种不同的实施例。在一方面，在顶面硅层或者硅基板层上形成掺杂区，以起到电阻的作用。当环境温度降低到某个点时，将自动触发温度控制回路并沿着加热器施加适当的偏置，因此，Ge/Si雪崩光电二极管的结合区的温度被保持在优化的范围以内，以保持该雪崩光电二极管的高灵敏度水平以及低误码率水平。

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2014年2月21日提交的第61/966,353号美国临时专利申请和 2015年1月26日提交的第14/605,524号美国非临时专利申请的优先权，该美 国专利申请被通过引用的方式合并于此。

技术领域

本发明涉及光子器件。更具体地，本发明涉及一种雪崩光电二极管的集成 结构及其加热器。

发明背景

因受益于载流子倍增原理而产生的更高灵敏度，雪崩光电二极管(APDs) 被广泛用于光纤通信。与PIN光电二极管(PD)相比，传统的III-VAPD接收 器提供大于6dB的灵敏度改善，数据速率达到10Gb/s。然而，由于k-因子，即 碰撞电离系数的比例较大的缘故，基于InP的APDs表现出有限的增益带宽积和 高倍增噪声。已经证实：基于硅(Si)的APDs是用于高速通信应用的最佳设备， 其中锗(Ge)被用作吸收材料。Ge材料是间接带隙材料。当受到拉伸应变时， GeL-波段和Γ-波段均缩小，但直接的Γ-波段缩小得更快并变成直接带隙材料， 对更长的波长的入射光的Ge吸收系数因此增加。此外，Ge材料可被用在C-波 段应用(大约1500nm或者1550nm)和光纤到户(FTTH)应用(大约1577nm) 的APDs中。典型的C-波段应用适用于工业标准，其中工作温度从-40℃到85℃ 变动，而FTTH应用的工作温度范围通常从-20℃到75℃。在大约1550nm和1577nm 的波长，Ge材料吸收系数对温度敏感，而且当工作在低温环境而不是室温下的 时候，GeSiAPD的灵敏度下降严重。

一种保持低温时GePD性能的方法是在6针的晶体管轮廓(TO)-头座的顶 面上安装30Ω电阻，如图1所示。当在该晶体管上施加3.3V偏置电压时，在该 电阻中产生的热量能加热该TO-头座并使TO温度随着消耗功率而增加大约十几 度。因此，能够改善Ge/SiAPDs的灵敏度性能，以满足特定的要求。由于在电 阻和Ge/SiAPD芯片之间存在几百微米的间隙，需要通常为十几秒的时间周期 来从该电阻经由TO-头座传递热量到Ge区，如图1所示。结果，对实际应用而 言，这种方法的效率和响应速度过低。

发明内容

在一方面，一种装置可以包括基板、至少一个顶面被照亮(top-illuminated) 的Ge/Si雪崩光电二极管，以及至少一个加热器。该至少一个顶面被点亮的Ge/Si 雪崩光电二极管可被形成在基板的第一侧面上。该Ge/Si雪崩光电二极管可包 括第一Si层、第二Si层、电荷层、Ge层以及掺杂层。可以第一类型掺杂剂掺 杂该第一Si层。该第二Si层可起到倍增层的作用，非故意地掺杂，或可以浓 度低于5E17cm^-3的第一类型掺杂剂轻微地掺杂，或以浓度低于5E17cm^-3的第二类 型掺杂剂轻微地掺杂。可以第二类型掺杂剂掺杂该电荷层。Ge层可起到吸收层 的作用，为非故意地掺杂，或可以浓度低于5E17cm^-3的第一类型掺杂剂轻微地掺 杂，或以浓度低于5E17cm^-3的第二类型掺杂剂轻微地掺杂。可以第二类型掺杂剂 掺杂该掺杂层。该至少一个加热器可被集成在基板之中或之上。当环境温度在 阈值温度以下时，控制回路自动响应，并施加偏置于其上，该至少一个加热器 可被设置成增加该结构的温度，以保持Ge/Si雪崩光电二极管结构的灵敏度水 平。

在另一方面，一种装置的制作方法可以包括：在绝缘体上硅结构(SOI)基 板的第一侧面上形成Ge/Si雪崩光电二极管，该SOI基板包括顶面Si层、Si基 板层，以及布置在该顶面Si层和Si基板层之间的掩埋氧化层(BOX)；在该SOI 基板的顶面Si层上执行第一蚀刻工艺；在该SOI基板的BOX层上执行第二蚀刻 工艺，直到该Si基板层暴露该SOI基板的Si基板层的一部分为止；在该SOI 基板上形成至少一个集成加热器；沉积用于绝缘的介电层；执行介电层蚀刻工 艺以制作一个或多个触点；执行自对准(salicide)硅化物工艺；执行金属沉 积工艺；以及执行金属蚀刻工艺。

在又一方面，一种装置的制作方法可以包括：在绝缘体上硅结构(SOI)基 板的顶面Si层上形成Ge/Si雪崩光电二极管，该SOI基板进一步包括该顶面Si 层下面的掩埋氧化层(BOX)；在该顶面Si层的一部分上执行离子注入工艺，以 形成被第一类型掺杂剂掺杂的区域中的至少一个集成加热器的阻性组件；沉积 用于绝缘的介电层；执行介电层蚀刻工艺，以制作一个或多个触点；执行自对 准硅化物工艺；执行金属沉积工艺；以及执行金属蚀刻工艺。

附图的简要描述

附图用来提供对本发明的进一步理解，并被包括于且构成说明书的一部分。 附图说明本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。为了更好 地呈现被说明主题的某些特征，附图未必依照比例。

图1示出用于Ge/SiAPD的常规的6针TO-头座解决方案。(a)安装有Ge/Si APD芯片和电阻加热器的TO-头座；(b)Ge/SiAPD芯片。

图2示出根据本发明的实施例的带有至少一个被集成于其中的加热器的 Ge/Si雪崩光电二极管。

图3示出根据本发明的另一个实施例的带有至少一个被集成于其中的加热 器的Ge/Si雪崩光电二极管。

图4示出根据本发明的又一个实施例的带有至少一个被集成于其中的加热 器的Ge/Si雪崩光电二极管。

图5示出根据本发明的实施例的安装有集成于Ge/SiAPD的加热器的6针 TO解决方案的设计。

优选实施例的详细描述

示例实施方式

为了解决前述问题，本发明提供了一种带有集成加热器的雪崩光电二极管 及其制作方法。

图2示出根据本发明的实施例的包括带有被集成于其中的至少一个加热器 的Ge/Si雪崩光电二极管204的装置200的截面图。如图2所示，Ge/Si雪崩光 电二极管204包括至少一个形成于基板210的顶面上的集成加热器，该基板可 为绝缘体上硅结构(SOI)基板。基板210可包括硅基板层、掩埋(BOX)层， 以及顶面Si层，BOX层被布置于硅基板层和顶面Si层之间。

在制作工艺方面，首先，在顶面Si层上形成台面结构的Ge/Si雪崩光电二 极管204，随后沉积至少一个阻性组件以起到至少一个加热器205的作用。该至 少一个加热器205的至少一个阻性组件可以具有大约10～50Ω的阻值。在一些 实施方式中，该至少一个加热器205可包括金属或TaN。通过另一离子注入工艺 可形成以第二类型(例如，p型)掺杂剂掺杂的掺杂阱，以防止电流扩散到基板 210。然后，在该至少一个加热器205和Ge/Si雪崩光电二极管204上可形成钝 化层。该钝化层还可起到该台面结构的Ge/Si雪崩光电二极管的抗反射层的作 用。最后，在垫开窗工艺之后，可在该至少一个加热器205和Ge/Si雪崩光电 二极管204的顶面分别形成导电垫(例如，铝垫)。

当环境温度降低到某个点，例如，在阈值温度以下时，可以自动触发温度 控制回路，以在该至少一个加热器205上施加适当的偏置电压，即，激活或打 开该至少一个加热器205。因此，Ge/Si雪崩光电二极管204的结合区的温度可 被有效且快速地增加。温度被保持在优化的范围以内，以保持Ge/Si雪崩光电 二极管204的高灵敏度水平以及Ge/Si雪崩光电二极管204的低误码率水平。

图3示出根据本发明的实施例的包括带有被集成于其中的至少一个加热器 的Ge/Si雪崩光电二极管304的装置300的截面图。如图3所示，Ge/Si雪崩光 电二极管304包括至少一个形成于绝缘体上硅结构(SOI)基板310的掩埋氧化 (BOX)层302之下的Si基板层301的顶面上的集成加热器。SOI基板310可包 括硅基板层301、BOX层302，以及顶面Si层303，BOX层302被布置于硅基板 层301和顶面Si层303之间。

在制作工艺方面，首先，在顶面Si层303上形成台面结构的Ge/Si雪崩光 电二极管304。然后，通过离子注入工艺在硅基板层301中形成第一类型(例如， n型)掺杂剂掺杂的掺杂区，以起到至少一个加热器305的作用。该至少一个加 热器305可包括具有大约10～50Ω的阻值的阻性组件。在一些实施方式中，该 至少一个加热器305可包括金属或TaN。在该至少一个加热器305和Ge/Si雪崩 光电二极管304上可形成钝化层。该钝化层还可起到该台面结构的Ge/Si雪崩 光电二极管的抗反射层的作用。最后，在垫开窗工艺之后，可在该至少一个加 热器305和Ge/Si雪崩光电二极管304的顶面分别形成导电垫(例如，铝垫)。

当环境温度降低到某个点，例如，在阈值温度以下时，可以自动触发温度 控制回路，以在该至少一个加热器305上施加适当的偏置电压，即，激活或打 开该至少一个加热器305。因此，Ge/Si雪崩光电二极管304的结合区的温度可 被有效且快速地增加。温度被保持在优化的范围以内，以保持Ge/Si雪崩光电 二极管304的高灵敏度水平以及Ge/Si雪崩光电二极管304的低误码率水平。

图4示出根据本发明的实施例的包括带有被集成于其中的至少一个加热器 的Ge/Si雪崩光电二极管404的装置400的截面图。如图4所示，Ge/Si雪崩光 电二极管404包括至少一个形成于绝缘体上硅结构(SOI)基板310的掩埋氧化 (BOX)层402之下的Si基板层401的顶面上的集成加热器。SOI基板310可包 括硅基板层401、BOX层402，以及顶面Si层403，BOX层402被布置于硅基板 层401和顶面Si层403之间。

在制作工艺方面，首先，在顶面Si层403上形成台面结构的Ge/Si雪崩光 电二极管404。然后，通过离子注入工艺在顶面Si层403中形成第一类型(例 如，n型)掺杂剂掺杂的掺杂区，以起到至少一个加热器405的作用。该至少一 个加热器405可包括具有大约10～50Ω的阻值的阻性组件。在一些实施方式中， 该至少一个加热器405可包括金属或TaN。在该至少一个加热器405和Ge/Si雪 崩光电二极管404上可形成钝化层。该钝化层还可起到该台面结构的Ge/Si雪 崩光电二极管的抗反射层的作用。最后，在垫开窗工艺之后，可在该至少一个 加热器405和Ge/Si雪崩光电二极管404的顶面分别形成导电垫(例如，铝垫)。

当环境温度降低到某个点，例如，在阈值温度以下时，可以自动触发温度 控制回路，以在该至少一个加热器405上施加适当的偏置电压，即，激活或打 开该至少一个加热器405。因此，Ge/Si雪崩光电二极管404的结合区的温度可 被有效且快速地增加。温度被保持在优化的范围以内，以保持Ge/Si雪崩光电 二极管404的高灵敏度水平以及Ge/Si雪崩光电二极管404的低误码率水平。

图5是包括6针TO-头座521、TO-帽522以及带有集成加热器523的Ge/Si 雪崩光电二极管的封装的截面图。该6针TO-头座521可安装有至少一个被集成 于Ge/Si雪崩光电二极管的加热器。该至少一个加热器的阻性组件的电极可与 该6针TO头座521的一个引脚相连接，且该阻性组件的另一个电极可与大地或 该6针TO-头座521的主体相连接。

精选特征的亮点

据此，本发明的显著特征在如下：

在一方面，一种装置可以包括基板、至少一个顶面被点亮的Ge/Si雪崩光 电二极管，以及至少一个加热器。该至少一个顶面被点亮的Ge/Si雪崩光电二 极管可被形成在基板的第一侧面上。该Ge/Si雪崩光电二极管可包括第一Si层、 第二Si层、电荷层、Ge层以及掺杂层。可以第一类型掺杂剂掺杂该第一Si层。 该第二Si层可起到倍增层的作用，为非故意地掺杂，或可以浓度低于5E17cm^-3的第一类型掺杂剂轻微地掺杂，或以浓度低于5E17cm^-3的第二类型掺杂剂轻微地 掺杂。可以第二类型掺杂剂掺杂该电荷层。Ge层可起到吸收层的作用，为非故 意地掺杂，或可以浓度低于5E17cm^-3的第一类型掺杂剂轻微地掺杂，或以浓度低 于5E17cm^-3的第二类型掺杂剂轻微地掺杂。可以第二类型掺杂剂掺杂该掺杂层。 该至少一个加热器可被集成在基板之中或之上。当环境温度在阈值温度以下时， 控制回路自动响应并施加偏置于其上，该至少一个加热器可被设置成增加该结 构的温度，以保持Ge/Si雪崩光电二极管结构的灵敏度水平。

在一些实施方式中，该至少一个加热器可包括阻性组件。

在一些实施方式中，该阻性组件可通过离子注入被制作，该离子注入可形 成以第一类型掺杂剂掺杂的掺杂区。

在一些实施方式中，该至少一个加热器可包括以第二类型掺杂剂掺杂的掺 杂阱。

在一些实施方式中，第一类型的掺杂剂可为n-型掺杂剂，而第二类型的掺 杂剂可为p-型掺杂剂。

在一些实施方式中，该基板可包括绝缘体上硅结构(SOI)基板、大体积的 Si基板，或者碳化硅(SiC)基板。

在一些实施方式中，该Ge/Si雪崩光电二极管可包括波导结构。

在一些实施方式中，该Ge/Si雪崩光电二极管可进一步包括一个或多个电 极，且该至少一个加热器可包括一个或多个不同于且与该Ge/Si雪崩光电二极 管的一个或多个电极分离的电极。

在一些实施方式中，该基板可包括Si层和与该Si层相邻且在该Si层之下 的BOX层。该至少一个加热器可被形成在基板中，以与该基板的BOX层相邻且 在该基板的BOX层之下。

在一些实施方式中，该基板可包括Si层和与该Si层相邻且在该Si层之下 的BOX层，且其中该至少一个加热器被形成于该基板的Si层中。

在一些实施方式中，该至少一个加热器可包括金属或TaN。

在一些实施方式中，该装置可进一步包括在其中包含Ge/Si雪崩光电二极 管的封装结构，且该封装结构可为晶体管轮廓(TO)型的或者蝴蝶型的。

在一些实施方式中，该封装结构可为TO型的，且该封装结构可包括安装有 被集成于Ge/Si雪崩光电二极管中的至少一个加热器的6针TO-头座。

在一些实施方式中，该至少一个加热器的阻性组件的电极可与该6针TO头 座的一个引脚相连接，且该阻性组件的另一个电极可与大地或该6针TO-头座 521的主体相连接。

在一些实施方式中，该装置可进一步包括温度控制回路，其被设置成响应 于下降到阈值温度以下的环境温度而被触发，以使用至少一个加热器，使雪崩 光电二极管的温度保持在一定范围内。

在另一方面，一种装置的制作方法可以包括：在绝缘体上硅结构(SOI)基 板的第一侧面上形成Ge/Si雪崩光电二极管，该SOI基板包括顶面Si层、Si基 板层，以及布置在该顶面Si层和Si基板层之间的掩埋氧化层(BOX)；在该SOI 基板的顶面Si层上执行第一蚀刻工艺；在该SOI基板的BOX层上执行第二蚀刻 工艺，直到该Si基板层暴露该SOI基板的Si基板层的一部分为止；在该SOI 基板上形成至少一个集成加热器；沉积用于绝缘的介电层；执行介电层蚀刻工 艺以制作一个或多个触点；执行自对准硅化物工艺；执行金属沉积工艺；以及 执行金属蚀刻工艺。

在一些实施方式中，在SOI基板中形成至少一个集成加热器的过程中，该 方法可在Si基板层的区域内执行包括离子注入工艺的操作，在该区域中Si基 板层以上的BOX层的一部分被第二蚀刻工艺移除，以在以第一类型掺杂剂掺杂 的区域中形成至少一个集成加热器的阻性组件。

在又一方面，一种装置的制作方法可以包括：在绝缘体上硅结构(SOI)基 板的顶面Si层上形成Ge/Si雪崩光电二极管，该SOI基板进一步包括该顶面Si 层下面的掩埋氧化层(BOX)；在该顶面Si层的一部分上执行离子注入工艺，以 形成被第一类型掺杂剂掺杂的区域中的至少一个集成加热器的阻性组件；沉积 用于绝缘的介电层；执行介电层蚀刻工艺，以制作一个或多个触点；执行自对 准硅化物工艺；执行金属沉积工艺；以及执行金属蚀刻工艺。

补充注释

尽管在上面公开了一些实施例，但是他们并不意在限制本发明的范围。对 本领域技术人员而言显而易见的是：能够在不背离本发明的范围或精神的前提 下，对本发明的已公开实施例做出各种不同的修改和变化。鉴于以上，本发明 的范围将被下面的权利要求及其等价物定义。