TW201340355A - 具有低崩潰電壓之突崩光二極體 - Google Patents
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Abstract
具有低崩潰電壓特徵的Si/Ge吸收、電荷及增加(SACM)突崩光二極體(APD)包含吸收區及增加區，增加區具有各種具有特定厚度及摻雜濃度的層。光波導導引紅外線及/或光訊號或能量至吸收區中。造成的光產生載子被掃入i-Si層以及/或用於突崩增加之增加區中。突崩光二極體(APD)具有徹底小於12V的崩潰偏壓以及大於10GHz的操作頻寬，因而適用於消費性電子裝置、高速通訊網路、等等。
Description
實施例大致上關於光二極體，更特別地，關於具有低崩潰電壓特徵的矽/鍺(Si/Ge)分開吸收、電荷及增加(SACM)突崩光二極體(APD)。
突崩光二極體(APD)主要用在需要高靈敏度的應用中。這些應用特別包含長距離光纖通信、雷射測距儀、及單光子等級偵測以及成像。SiGe突崩光二極體提供執行以近紅外線光訊號為目標之有前景的應用。在Si/Ge分開吸收、電荷及增加(SACM)突崩光二極體中，鍺(Ge)在近紅外線波長供應高響應，而矽(Si)用以低雜訊地放大產生的光載子。
此外，應用CMOS技術至SiGe為基礎的突崩光二極體的製造相對於其III-V族突崩光二極體之對應體，其能夠確定地降低價格。突崩光二極體(APD)因較高的成本限制而傳統上以高階市場為目標，所以，SiGe突崩光二極體(APD)是在近紅外線光譜中要求高靈敏度的低階市場之確定候選產品。
但是，單有價格降低不足以實現突崩光二極體的廣泛應用。最大的障礙是突崩光二極體的操作要求高偏壓，在習知技藝中，遠在例如伺服器、桌上型電腦產品及其它消費性電子產品等現代電子產生內可見之最大可取得偏壓
12V之外，其才能操作。
因此，期望降低Si/Ge突崩光二極體的操作偏壓、或崩潰電壓，以致於它們能被成功地併入於消費性電子產品、高速通訊網路、等等之中。
現在將詳細參考本發明的實施例，其實例顯示於附圖中。在下述詳細說明中，揭示眾多具體細節以助於能完整瞭解本發明。但是，應瞭解，具有此技藝一般技術者可以沒有這些細節，仍能實施本發明。在其它情形中，未詳述習知的方法、程序、組件、電路、及網路，以免模糊實施例的態樣。
將瞭解，雖然此處使用第一、第二等詞以說明不同的元件，但是，這些元件不應被這些詞所限定。這些詞僅用以區別一元件與其它元件。舉例而言，在不悖離本發明的範圍之下，第一層可被稱為第二層，類似地，第二層可稱為第一層。
於此本發明的說明中使用的術語僅是為了說明特定實施例，而非要限定本發明。如同本發明的說明及後附的申請專利範圍中所使用般，除非文中清楚地另外表示，否則，單數形式的「一(a)」、「一(an)」、及「定冠詞(the)」也包含複數形式。也將瞭解，此處所使用的「及/或」係意指及涵蓋一或更多相關連的列出項目中之一或更多的所有可能組合。又將瞭解，「包括」及/或「分詞的
包括」當用於本說明書中時係指明陳述的特點、整數、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但未排除一或更多其它特點、整數、步驟、操作、元件、組件、及/或其群組的存在或增加。
圖1顯示根據本發明的實施例之突崩光二極體(APD)100的剖面視圖。APD 100是Si/Ge分開吸收、電荷及增加(SACM)低電壓突崩光二極體(LVAPD)。為了一致性但非限定，此處所述的突崩光二極體將簡稱為APD 100。將瞭解，此處所述的APD 100的各式層及組件不一定依比例繪製，而是以清楚地顯示各組件之方式顯示。
APD 100包含基底105。n型摻雜矽(n+ Si)層110配置在基底105上。本質矽(i-Si)層115配置在n+ Si層110的至少一部份上。在i-Si層115的頂上，配置p型摻雜矽(p Si)層120。n+ Si層110、i-Si層115、及p Si層120形成載子增加區122。
在某些實施例中，p Si層120的厚度T120是20奈米(nm)。在某些實施例中，p Si層120的厚度T120約20nm，或者，換言之，接近20 nm。在某些實施例中，p Si層120的摻雜濃度在2×1018 cm-3至3×1018 cm-3之間。在某些實施例中，p Si層120的摻雜濃度在約2×1018cm-3至3×1018 cm-3之間，換言之，在接近2×1018 cm-3至3×1018 cm-3之間。
在某些實施例中，i-Si層115的厚度T115是在0.07
至0.13微米(μm)之間。在某些實施例中，i-Si層115的厚度T115是在約0.07至0.13μm之間，或者，換言之，在接近0.07至0.13μm之間。在某些實施例中，i-Si層115的厚度T115是100 nm。在某些實施例中，i-Si層115的厚度T115是約100 nm，或者，換言之，接近100 nm。在某些實施例中，i-Si層115的摻雜濃度小於5×1015 cm-3。在某些實施例中，i-Si層115的摻雜濃度小於約5×1015 cm-3，或者，換言之，小於接近5×1015 cm-3。
本質鍺(i-Ge)層125配置在至少部份p Si層120上。p型摻雜鍺(p+Ge)層130配置在i-Ge層125上。p+Ge層130及i-Ge層125形成吸收區132。鈍化層145配置在p+Ge層130、p Si層120、及n+Si層110等各層的至少一部份上。第一金屬接點135配置在p+Ge層130上，第二金屬接點140配置在n+Si層110上。
光波導155將紅外線、近紅外線、及/或光訊號或能量150導入吸收區132。舉例而言，特別是對於高速操作，可以使用經由波導155進入吸收區132之光訊號衰減耦合及對接混合或衰減。在某些實施例中，進入的紅外線及/或光訊號或能量首先被收集在i-Ge層125及/或吸收區132中，而結果的光產生載子被掃入i-Si層115及/或用於突崩增加的增加區122。替代地、或增加地，將紅外線及/或光訊號或能量，從相對於APD 100的層之頂部160或底部165，導入APD 100。
不同的摻雜層控制APD的內部電場，以致於APD
100正確地作用。除了接近100 nm厚的i-Si層115之外，如上詳述所示般，p Si電荷層120高度地摻雜並製成特別地薄，以將APD操作偏壓抑制在12V之下。p+Ge層130、i-Ge層125、及n+Si層110等各層的厚度、以及基底105的厚度並非如此關鍵的，它們也不要求特定的層厚度以便可由此處揭示的發明態樣操作。如同此處所述般，pSi層120及i-Si層115等各層的厚度及摻雜濃度對於取得低偏壓電壓及高性能是更重要的。
APD 100具有與其相關的崩潰偏壓。較佳地，崩潰偏壓是8.5V或大約8.5V。在某些實施例中，崩潰偏壓小於12V或大約12V。APD 100也具有與其相關連的頻寬。較佳地，操作頻寬是10GHz或大約10 GHz。在某些實施例中，操作頻寬大於8 GHz。在某些實施例中，操作頻寬大於10 GHz。於下更詳細地說明APD 100的模擬、測量、及性能特徵。
圖2顯示圖1的APD之理想的內部電場分佈圖。例如APD的頻寬及靈敏度等性能態樣是視其內部電場輪廓或分佈而定。在Ge吸收區132之內的電場確保光產生的載子快速地漂移出來以取得高頻寬，但保持足夠低以避免在Ge材料內穿隧或突崩增加。此外，侷限在Si增加區122之內的高電場提供突崩增益以取得高靈敏度。電場輪廓是靈敏的且視各層的摻雜程度而定。舉例而言，如上所述般，電場輪廓是靈敏的且視p Si層120及i-Si層115的摻雜濃度而定。
圖3顯示圖1的APD的模擬暗電流及光電流的圖。
圖4顯示圖1的APD的測量的暗電流及光電流的圖。現在參考圖3及4。
在各圖中顯示暗電流(例如圖3的305及圖4的405)及光電流(例如圖3的310及圖4的410)。光電流相當於照明下的APD電流。評估及使用模擬結果以決定較佳的或其它情形的最佳層厚度以及摻雜濃度。測量值確認APD 100的操作特徵及性能。
圖5顯示根據本發明的實施例之二樣品APD的測量頻寬圖。測得的崩潰偏壓，或是換言之，操作偏壓約為8.5V，這是良好地在消費性電子產生的目標12V之下。在圖5中，觀察在1550 nm雷射照明下之APD 100的光響應。頻寬測量顯示APD 100能夠在超過10 GHz的頻寬操作，並在12V之下的電壓操作。此處揭示的APD的實施例可以併入於很多應用中，例如長通信距離的光纖通信、雷射測距儀及單光子位準偵測和成像等應用。此外，SiGe APD提供以近紅外線光訊號為目標之有前景的應用。
如同此處所述的APD 100的發明態樣使得Si/Ge APD技術能夠利用於消費性電子產品之內，由於操作電壓及成本限制，這是APD傳統上難以進入的市場。此處揭示之本發明的實施例能用於各式各樣的要求低電壓之高速度及高靈敏光接收器矽光子系統。
雖然已說明特定實施例，但是，將瞭解本發明的實施
例不限於這些實施例。此處所述的發明概念可以用於高速通訊系統，舉例而言，包含10 G位元/秒或更高的通訊網路。此處所述的突崩光二極體可包含在一般電腦、平板電路、智慧型手機、超薄筆記型電腦、伺服器、等等之中。此處所述的實施例提供輕巧、高性能及高頻響應之具有低崩潰偏壓特徵的APD。
在不悖離後述申請專利範圍揭示的本發明的原理之下，可以作出其它變化及修改。
100‧‧‧突崩光二極體
105‧‧‧基底
110‧‧‧n型摻雜矽層
115‧‧‧本質矽層
120‧‧‧p型摻雜矽層
122‧‧‧載子增加區
125‧‧‧本質鍺層
130‧‧‧p型摻雜矽(p+ Ge)層
132‧‧‧吸收區
135‧‧‧第一金屬接點
140‧‧‧第二金屬接點
145‧‧‧鈍化層
155‧‧‧波導
160‧‧‧頂部
165‧‧‧底部
在圖式中，以舉例說明的方式而非限定之方式，顯示本發明的實施例，其中，類似代號意指類似的元件。
圖1顯示根據本發明的實施例之突崩光二極體(APD)的剖面視圖。
圖2顯示圖1的突崩光二極體理想的內部電場分佈圖。
圖3顯示圖1的突崩光二極體的模擬暗電流及光電流圖。
圖4顯示圖1的突崩光二極體的測量的暗電流及光電流圖。
圖5顯示根據本發明的實施例之二樣品突崩光二極體之測量的頻寬圖。
100‧‧‧突崩光二極體
105‧‧‧基底
110‧‧‧n型摻雜矽層
115‧‧‧本質矽層
120‧‧‧p型摻雜矽層
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125‧‧‧本質鍺層
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135‧‧‧第一金屬接點
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145‧‧‧鈍化層
155‧‧‧波導
160‧‧‧頂部
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Claims (24)
- 一種突崩光二極體，包括：基底；n型摻雜的矽(n+ Si)層，配置在該基底上；本質矽(i-Si)層，配置在部份該n+ Si層上；p型摻雜的矽(p Si)層，配置在該i-Si層上；本質鍺(i-Ge)層，配置在部份該p Si層上；以及p型摻雜的矽(p+ Ge)層，配置在該i-Ge層上，其中，該i-Si層的厚度在約0.07至0.13微米(μm)之間。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，其中，該p Si層的厚度約為20奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，其中，該i-Si層的厚度約為100 nm。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，其中，該i-Si層的摻雜濃度小於5×1015 cm-3。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，其中，該p Si層的摻雜濃度在約2×1018 cm-3至3×1018 cm-3之間。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，又包括：鈍化層，配置在部份該p+ Ge層、該p Si層、及該n+ Si層上；第一金屬接點，配置在該p+ Ge層上；以及 第二金屬接點，配置在該n+ Si層上。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，具有與其相關的崩潰偏壓，其中，該崩潰偏壓小於12伏特(V)。
- 如申請專利範圍第7項之突崩光二極體，其中，該崩潰偏壓約為8.5伏特。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，具有與其相關的操作頻寬，其中，該操作頻寬約為10 GHz。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，又包括：約8.5伏特的崩潰偏壓；以及大於8 GHz的操作頻寬。
- 如申請專利範圍第10項之突崩光二極體，其中，該操作頻寬大於10 GHz。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，其中，該p+ Ge層及該i-Ge層形成吸收區。
- 如申請專利範圍第12項之突崩光二極體，又包括波導，配置成導引光能量至該吸收區中。
- 如申請專利範圍第1項之突崩光二極體，其中，該p Si層、該i-Si層、及該n+ Si層形成載子增加區。
- 一種電子裝置，包括：電路，具有預定的操作電壓，該電路包含突崩光二極體，該突崩光二極體包含：基底； n型摻雜的矽(n+ Si)層，配置在該基底上：本質矽(i-Si)層，配置在部份該n+ Si層上；p型摻雜的矽(p Si)層，配置在該i-Si層上；本質鍺(i-Ge)層，配置在部份該p Si層上；以及p型摻雜的矽(p+ Ge)層，配置在該i-Ge層上，其中：該i-Si層的厚度在約0.07至0.13微米(μm)之間；以及該突崩光二極體的崩潰偏壓是在該電路的該操作電壓之下。
- 如申請專利範圍第15項之電子裝置，其中，該電路的預定操作電壓是12伏特。
- 如申請專利範圍第15項之電子裝置，其中，該突崩光二極體的崩潰偏壓約為8.5伏特。
- 如申請專利範圍第15項之電子裝置，其中，該p Si層的厚度約為20奈米(nm)。
- 如申請專利範圍第1項之電子裝置，其中，該i-Si層的厚度約為100 nm。
- 如申請專利範圍第1項之電子裝置，其中，該i-Si層的摻雜濃度小於5×1015 cm-3。
- 如申請專利範圍第1項之電子裝置，其中，該p Si層的摻雜濃度在約2×1018 cm-3至3×1018 cm-3之間。
- 一種突崩光二極體，包括： 本質矽(i-Si)層，具有約0.07至0.13微米(μm)之間的厚度以及小於約5×1015 cm-3的摻雜濃度；以及p型摻雜矽(p Si)層，具有約20 nm的厚度以及在約2×1018 cm-3至3×1018 cm-3之間的摻雜濃度。
- 如申請專利範圍第22項之突崩光二極體，其中，該P Si層配置在該i-Si層上。
- 如申請專利範圍第22項之突崩光二極體，其中，該i-Si層具有約100奈米的厚度。
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