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TW201334200A - 波導累崩光偵測器 - Google Patents

波導累崩光偵測器 Download PDF

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TW201334200A
TW201334200A TW101140313A TW101140313A TW201334200A TW 201334200 A TW201334200 A TW 201334200A TW 101140313 A TW101140313 A TW 101140313A TW 101140313 A TW101140313 A TW 101140313A TW 201334200 A TW201334200 A TW 201334200A
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waveguide
photodetector
insulating trench
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microns
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TW101140313A
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TWI489638B (zh
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yi-min Kang
zhi-hong Huang
Han-Din D Liu
Yuval Saado
Neil Yun-Chung Na
Original Assignee
Intel Corp
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Publication date
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Abstract

本發明說明了由在端頭以波導耦合的光偵測器構成之裝置。在本發明之實施例中，該等光偵測器是在端頭被耦合到一波導的累崩光二極體。該波導包含接近該被耦合的光偵測器之一絕緣溝槽。在本發明之實施例中，該等累崩光二極體是矽／鍺累崩光二極體。

Description

波導累崩光偵測器
本發明之實施例係大致有關光通訊及資料傳輸、光互連、光偵測器(photodetector)、累崩光二極體(avalanche photodiode)、矽光子學、及積體電路。
使用基於光的技術之資料傳輸及通訊提供了諸如較高的資料傳輸速率等的勝過基於導電體的標準系統之優點。雷射可被用來產生可在其上將資料編碼及傳輸的光(電磁輻射)。雷射產生的光可以是諸如電磁頻譜(electromagnetic spectrum)的紅外線、可見光、紫外線、或X射線區域中之電磁輻射。基於矽的光學裝置通常使用紅外線區域中之光。對於高資料傳輸速率而言，資料被使用複數個波長的光編碼、然後被多工化在一起、被傳送到一輸入裝置、被解多工、且在一光偵測器上被偵測。光資料傳輸適用於諸如個人電腦、伺服器、及資料中心的內部及附近，而且也適用於更長距離的資料傳輸及通訊活動。
波導光偵測器可提供高速光通訊鏈路中理想的高頻寬及高反應率(responsivity)特性。然而，已發現在相同的水平面上與一半導體波導成單晶整合(monolithically integrated)之波導光偵測器(亦即，端頭耦合式光偵測器)會有裝置性能退化的問題。已發現裝置性能退化的原因是在波導/光偵測器界面上形成之載子溢流路徑(carrier leakage path)。本發明之實施例提供了能夠減少該載子溢流路徑的效應之裝置。根據本發明的實施例之裝置能夠減少該載子溢流路徑，而不會累及該裝置的光學性能。
累崩光二極體(Avalanche Photodiode；簡稱APD)是靈敏的半導體光偵測器。APD被用於諸如長程光纖通訊、雷射測距儀(laser rangefinder)、以及單一相片電平偵測及成像等的需要高靈敏度之應用。自矽及鍺形成的APD可提供能夠偵測近紅外線(near-infrared)光信號之裝置。在一矽/鍺分離式吸收、電荷、增益(Separate Absorption Charge Multiplication；簡稱SACM)APD中，鍺提供了近紅外線波長上之高反應率，而矽能夠在低雜訊下放大所產生的光載子(photocarrier)。可形成APD及SACM APD的其他材料包括諸如砷化銦鎵(InGaAs)、磷砷化銦鎵(InGaAsP)、及磷化銦(InP)等的包含來自週期表的III及V族(3A及5A族)的元素及其組合之材料。
第1A-B圖示出被耦合到一矽波導的一末端區域之一累崩光二極體。第1A圖示出通過第1B圖的1-1線之一側視圖。在第1A-B圖中，一基材105上設有一耦合層110，該耦合層110將累崩光二極體115在電氣上連接到 第一電接點120及121。該基材是一絕緣材料，或包含與耦合層110接觸之一絕緣層。第二電接點125連接到累崩光二極體115。電接點120、121、及125被用來利用諸如打線接合(wire bonding)或覆晶接合(flip-chip bonding)等的技術而將累崩光二極體115電氣上連接到一單石光偵測器電路(圖中未示出)或一獨立的接收器積體電路晶片(圖中未示出)。該光偵測器115直接接觸波導135的一末端。入射光130進入波導135，行進到光偵測器115，且被光偵測器115轉換為一電信號。將一鈍化層140插入第二電接點125與波導135之間。(為了顧及圖式的清晰，第1B圖中省略了鈍化層140。)提供了波導135中之一絕緣溝槽145，用以阻擋通過波導135的以及第二電接點125與第一電接點120及121之間的漏電流。
在第1B圖中，電接點120及121鄰接將電接點120及121在電氣上連接到光偵測器115之耦合層110。耦合層110在可供選擇採用之情形下額外地包含內接觸區155及156，該等內接觸區155及156被插入於電接點120及121與耦合層110之間，且將電接點120及121在電氣上連接到該耦合層。係由諸如矽等的材料構成耦合層110，且係由諸如矽等的材料構成接觸區155及156。
在本發明之實施例中，絕緣溝槽145之尺寸d2係介於(且包括)0.05微米與0.5微米之間，介於(且包括)0.1微米與0.5微米之間，或介於(且包括)0.1微米與 0.4微米之間；及/或尺寸d3係與波導135的寬度相同，或大於波導135的寬度。尺寸d1係大致上是小的，且可根據用於絕緣溝槽145的絕緣材料之選擇，而小到製造公差(manufacturing tolerance)所容許的程度，但是較大的值也是可接受的。在本發明之實施例中，d1係介於(且包括)0.005微米與0.5微米之間。一般而言，d1是長度，且是平行於光信號傳播通過該波導且進入該累崩光二極體的方向之一尺寸；d2是深度，且是平行於該波導與該累崩光二極體間之一界面之一尺寸；以及d3是絕緣溝槽145之寬度。一般而言，絕緣溝槽145的該等尺寸之其他值也是可能的，如至少部分地根據所採用的該光偵測器的尺寸及類型以及該光偵測器的層結構所決定。一般而言，d2是影響到光損失及電絕緣的一尺寸。如果d2是淺的，則電絕緣將是較差的，但是光衰減將是較小的。如果d2是深的，則電絕緣將是較佳的，但是光衰減將是較大的。
可由諸如波導中之一質子植入區、二氧化矽(SiO2)、氮化矽、氮氧化矽(silicon oxynitride)、或由另一絕緣材料構成的區域等的絕緣材料構成絕緣溝槽145。可由諸如矽構成波導135。係由諸如鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、及/或另一導電材料等的導電材料構成電接點120、121、及125。
在本發明之實施例中，光偵測器115是由矽及鍺構成之一APD。第2圖示出一矽/鍺累崩光二極體之一結構。矽/鍺光偵測器包括不同的層、層成分、層深度、及摻雜 濃度(doping concentration)之其他設計也是可能的。亦可將由不同的材料構成之APD或其他光偵測器用於本發明之實施例。在第2圖中，由其中包括諸如高摻雜濃度的p型鍺構成的一P+接觸層205、由諸如未被摻雜的鍺構成的一吸收區210、由諸如p型矽構成的一電荷層215、由諸如未被摻雜的矽構成的一增益區220、以及由高摻雜濃度的n型矽構成的一N+接觸層225之各材料層構成一矽/鍺APD，且層230是諸如二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiN)、氮氧化矽層、或其他絕緣材料層等的一高電阻層。在替代實施例中，可使關於第2圖而述及的APD結構之摻雜類型顛倒，因而將p型區改變為n型區或作出相反的改變。所選擇的實施例可取決於被選擇建構該累崩光二極體被整合到的系統中之其他組件的材料類型。此外，在本發明之實施例中，接觸層225是與第1A-B圖中之耦合層110相同的層。各被摻雜的材料層也可以是非同質的，且係由諸如具有不同的摻雜濃度之各材料層所構成。
第3圖示出關於第1A-B圖而述及的一漏電流路徑。已發現一漏電流路徑存在於其中包含在端頭上被耦合到半導體波導的光偵測器之結構。據信，對波導之非故意的背景摻雜(background doping)可讓該波導的導電性變成足以提供第3圖所示之一漏電流路徑。在第3圖中，一基材305上設有一光偵測器310，該光偵測器310與一波導315的一末端接觸。耦合層320係介於基材305與光偵測器310之間。一第一電接點325與光偵測器310有電氣接 觸，且是以箭頭330示出的通過光偵測器310的一所需電流路徑之一部分。亦發現存在以箭頭335示出之一不想要的漏電流路徑。透過裝置模擬發現：根據第1A-B圖之一被設計的絕緣溝槽145能夠實質上阻擋該漏電流路徑，且同時也可讓光自波導315進入光偵測器310。
第4圖提供了在端頭上被耦合到一矽波導的一矽/鍺APD的模擬電流-電壓(I-V)特性之一圖形。圖形上的資料顯示了在端頭上被耦合到波導的一APD在沒有第1A-B圖所示的絕緣溝槽145時(標示為"Si WG(無照射光)/(有照射光)"之線)以及設有1微米長的二氧化矽(SiO2)溝槽(根據第1A-B圖)時的一例子。該等二氧化矽溝槽之深度為自0.3微米改變到0.5微米(標示為"蝕刻="0.3微米-0.5微米(無照射光)/(有照射光)"之線)。插圖繪出了接近崩潰的I/V特性，而顯示：當二氧化矽溝槽的深度增加時，崩潰電壓(breakdown voltage)將增加。在該矽波導中設有0.5微米深度的溝槽時，崩潰電壓將增加大約1.6伏特。增加的裝置崩潰電壓是漏電流路徑被阻擋的一重要指示。係使用Sentaurus公司供應的技術電腦輔助設計(Technology Computer Aided Design；簡稱TCAD)模擬軟體繪出該等資料。
第5圖示出用來將一入射光信號轉換為一電信號的一光收發器(optical transceiver)之一實施例。例如，第5圖所示之該光收發器係適用於作為光學資料傳輸系統(optical data transmission system)、電腦系統、計算裝 置、及第6圖所示系統之一部分。然而，請注意，第5圖所示之該光收發器只是部署本發明所述的光偵測器裝置的許多可能方式中之一種方式。此外，其他的組態對於該光收發器內之該等組件也是可能的。在第5圖中，板505上設有該光收發器系統之該等組件。一光信號經由波導510進入該收發器。波導510是諸如一光纖。波導510在可供選擇採用之情形下在光學上被耦合到一透鏡區515，該透鏡區515將至少一維度上的入射光束聚焦。透鏡區515在光學上被耦合到一解多工區520，該解多工區520能夠將一入射光束分割成一些資料運載成分波長。該等成分光束被導引到與一些光偵測器525耦合的一些波導(圖中未示出)。在該實施例中，示出了四個光偵測器525，但是其他數目的光偵測器也是可能的。在本發明的一實施例中，光偵測器525是在端頭上被耦合到一波導之累崩光二極體，且該波導包含諸如關於第1A-B圖而述及的絕緣溝槽等的一絕緣溝槽。該等四個光偵測器525之輸出進入轉換模組530，該轉換模組530將來自該等光偵測器525之信號(電流信號)轉換為可被其他裝置使用之信號(被放大之電壓信號)。在本發明之實施例中，轉換模組530是一轉換阻抗放大器(Trans-Impedance Amplifier；簡稱TIA)。該TIA將來自每一光偵測器之電流信號轉換為一電壓信號，且放大該電壓信號。增益被稱為轉換阻抗增益。在可供選擇採用之情形下係在一半導體晶片上建構透鏡區515、解多工區520、光偵測器525、及轉換模組 530，然後將該半導體晶片封裝(被封裝之半導體晶片535)而包含耦合器540，該耦合器540將來自轉換模組530之輸出電子信號耦合到板505。轉換模組530將來自每一光偵測器525的每一電信號轉換為一獨立的信號，而該等獨立的信號中之每一獨立的信號經由耦合器540而輸出。在該實施例中，板505包含在電氣上被耦合到一些電連接器550之一些金屬走線545。該等金屬走線545被耦合到與板505連接的一輸入耦合器(圖中未示出)。該輸入耦合器耦合到耦合器540，且傳送來自該轉換模組的四個(在本例子中)電信號，因而每一信號被傳送到該等走線545中之一走線。電連接器550是諸如插頭或插座。電連接器550能夠連接到一計算系統的其他元件。用來將光信號轉換為電信號的單元之其他組態也是可能的。例如，其他組態可包括各種波導、分歧器(splitter)、光柵(grating)、環、以及光偵測器525之前的任何可能的被動裝置。
第6圖以示意圖示出用來將資料輸入到一計算系統的一系統。在第6圖中，一計算系統600包含被安裝在一板610上之光接收器插頭插座605，該光接收器插頭插座605係經由光波導615而在光學上被連接到一光收發器620。雖然第6圖中示出一個光接收器插頭插座605，但是其他的數目也是可能的。光接收器插頭插座605能夠耦合到一光插頭(圖中未示出)，且在可供選擇採用之情形下也包括傳輸電力及/或輸入電氣資料的能力。光接收器 插頭插座605在可供選擇採用之情形下符合諸如通用序列匯流排(Universal Serial Bus；簡稱USB)、火線(firewire)、高解析多媒體介面(High Definition Multimedia Interface；簡稱HDMI)、小型電腦系統介面(Small Computer System Interface；簡稱SCSI)、周邊組件高速互連(Peripheral Component Interconnect express；簡稱PCIe)、及序列周邊介面匯流排(Serial Peripheral Interface bus；簡稱SPI)等的一資料傳輸標準。光收發器620能夠將入射光信號轉換為電信號。在本發明的一實施例中，光收發器620包含在端頭上被耦合到一波導的至少一累崩光二極體，且該波導包含諸如關於第1A-B圖而述及的一絕緣溝槽。在可供選擇採用之情形下，光收發器620也包含一光解多工器(圖中未示出)。光信號進入光收發器620，被一透鏡聚焦到尺寸較小的一波導，且被光偵測器偵測。在可供選擇採用之情形下，該光信號先被解多工，然後才被該光偵測器偵測。來自該光偵測器之電信號在可供選擇採用之情形下被放大，且被傳輸到電腦子系統625。電腦子系統625是諸如收斂輸入/輸出(CIO)路由器(用於將光信號及電信號轉換為一輸入/輸出之收斂輸入/輸出(converged input/output))、平台控制中心(platform controller hub)、晶片組、控制不同類型的資訊且將不同類型的資訊傳送進出一中央處理單元(Central Processing Unit；簡稱CPU)之晶片組、處理器、及/或記憶體裝置。經由 光收發器620而輸入的資料被傳送到一或多個處理器。計算系統是諸如伺服器、電腦、可攜式計算裝置、電話、掃描器、相機、監視器、遠端記憶體裝置、高解析度電視(High Definition Television；簡稱HDTV)、或電視。該等波導光偵測器也適用於其他的光通訊鏈路。例如，光收發器可被用於處理器與記憶體間之通訊，且有可能提供比電互連通常所能實現的資料速率更高之資料速率。
電腦、可攜式計算裝置、或包含處理器的其他裝置通常具有包括一處理器之一處理系統，該處理器在通訊上被耦合到諸如隨機存取記憶體(Random Access Memory；簡稱RAM)、唯讀記憶體(Read Only Memory；簡稱ROM)等的一或多個揮發性或非揮發性資料儲存裝置、諸如序列先進技術連接(Serial Advanced Technology Attachment；簡稱SATA)或小型電腦系統介面硬碟機等的大量儲存裝置、及/或能夠存取諸如軟碟、光學儲存器、磁帶、快閃記憶體、條形記憶卡(memory stick)、唯讀光碟(CD-ROM)、及/或數位視訊光碟(Digital Video Disk；簡稱DVD)等的媒體之裝置。術語ROM代表諸如可抹除可程式唯讀記憶體(Erasable Programmable ROM；簡稱EPROM)、電氣可抹除可程式唯讀記憶體(Electrically Erasable Programmable ROM；簡稱EEPROM)、快閃唯讀記憶體(ROM)、及/或快閃記憶體等的非揮發性記憶體裝置。該處理器亦可在通訊上被耦合到諸如視訊控制器、SCSI控制器、網路控制器、通用 序列匯流排(USB)控制器、及輸入裝置等的額外的組件。可使用其中包括USB、無線區域網路(Wireless Local Area Network；簡稱WLAN)、射頻(Radio Frequency；簡稱RF)、衛星、微波、電機及電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronic Engineers；簡稱IEEE)802.11、藍牙(Bluetooth)、光學、光纖、紅外線、纜線、及雷射之各種有線或無線短距離協定進行該電腦系統的各元件、額外的處理器、及/或電力使用監視器間之通訊。
一般而言，積體電路晶片也被稱為微晶片、矽晶片、或晶片。通常在一半導體晶圓直徑為諸如300毫米的薄矽圓盤)上建構複數個IC晶片，且在處理之後，切割該晶圓，而產生一些個別的晶片。可在一積體電路晶片上建構根據本發明的實施例之波導光偵測器，而該積體電路晶片尤其包含用來接收及放大該等光偵測器的輸出之電子裝置。
在其上建構根據本發明的實施例的裝置之基材是諸如矽晶圓或絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator)基材等的半導體晶圓。矽晶圓是通常被用於半導體處理工業的基材，但是本發明之實施例並不與所使用基材的類型相依。亦可由鍺、銻化銦(indium antimonide)、碲化鉛(lead telluride)、砷化銦(indium arsenide)、磷化銦(indium phosphide)、砷化鎵(gallium arsenide)、銻化鎵(gallium antimonide)、及/或單獨的或與矽、二 氧化矽、或其他絕緣材料結合的其他III-V族材料構成該基材。可在該基材的表面上建構一或多個漸變折射率透鏡(graded-index lens)以及相關聯的光學裝置及電子裝置。此外，該基材在可供選擇採用之情形下設有能夠執行或協助諸如資料輸入、自光形式轉換至電子形式的資料轉換、資料處理、資料輸出、及/或資料儲存等的計算功能的性能之一些電子裝置。
能夠使用半導體製造技術中習知的標準半導體處理技術建構本發明之實施例。有利之處在於：能夠使根據本發明的實施例之裝置與基於矽的半導體裝置整合，且能用利用基於矽的半導體製造技術製造根據本發明的實施例之裝置。
熟悉相關技術者當可了解：對本發明揭示所作的修改及變化是可能的，且對所示及所述的各組件所作的替代是可能的。在本說明書中提及"一個實施例"或"一實施例"時，意指以與該實施例有關之方式述及的一特定特徵、結構、材料、或特性被包含在本發明的至少一實施例中，但是不必然表示該特定特徵、結構、材料、或特性存在於每一實施例。此外，可在一或多個實施例中以任何適當的方式結合該等實施例中揭示的該等特定特徵、結構、材料、及特性。可包含各種額外的層及/或結構，且/或可在其他實施例中省略所述之特徵。
105,305‧‧‧基材
110,320‧‧‧耦合層
115‧‧‧累崩光二極體
120,121‧‧‧第一電接點
125‧‧‧第二電接點
135,315,510,615‧‧‧波導
130‧‧‧入射光
140‧‧‧鈍化層
145‧‧‧絕緣溝槽
155,156‧‧‧內接觸區
205‧‧‧P+接觸層
210‧‧‧吸收區
215‧‧‧電荷層
220‧‧‧增益區
225‧‧‧N+接觸層
230‧‧‧高電阻層
310,525‧‧‧光偵測器
515‧‧‧透鏡區
520‧‧‧解多工區
530‧‧‧轉換模組
535‧‧‧被封裝之半導體晶片
540‧‧‧耦合器
545‧‧‧金屬走線
550‧‧‧電連接器
600‧‧‧計算系統
505,610‧‧‧板
605‧‧‧光接收器插頭插座
620‧‧‧光收發器
625‧‧‧電腦子系統
第1A-B圖是被耦合到一矽波導的一累崩光二極體之橫斷面示意圖。
第2圖示出適用於本發明的實施例的一累崩光二極體之一結構。
第3圖示出在包含一累崩光二極體及一波導的一結構中之一漏電流路徑。
第4圖示出包含在端頭上被耦合到一矽波導的一矽/鍺累崩光二極體的裝置的模擬電流-電壓特性之一圖形。
第5圖以示意圖示出用來將一入射光信號轉換為一電信號之一裝置。
第6圖以示意圖示出具有光學資料輸入能力之一計算系統。
105‧‧‧基材
110‧‧‧耦合層
115‧‧‧累崩光二極體
125‧‧‧第二電接點
135‧‧‧波導
130‧‧‧入射光
140‧‧‧鈍化層
145‧‧‧絕緣溝槽

Claims (18)

  1. 一種裝置，包含：一基材，該基材包含一半導體波導及一光偵測器，其中該光偵測器在端頭上被耦合到該波導，且該光偵測器能夠將自該波導接收的光信號轉換為電信號，且其中該波導包含一絕緣溝槽，該絕緣溝槽包含一絕緣材料區，且該絕緣溝槽接近該光偵測器。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該光偵測器包含矽及鍺。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該光偵測器是一累崩光二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該波導包含矽。
  5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該絕緣溝槽包含該波導中之一質子植入區、二氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該絕緣溝槽具有一長度，其中該長度是平行於該光信號傳播通過該波導且進入該累崩光二極體的方向之一尺寸，且該長度係介於(且包括)0.005微米與0.5微米之間。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該絕緣溝槽及該波導具有一深度，其中該深度是平行於該波導與該累崩光二極體間之一界面之一尺寸，該絕緣溝槽及該波導之該深度係相互平行，且該絕緣溝槽之該深度係介於(且包 括)0.05微米與0.5微米之間。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該絕緣溝槽及該波導具有一深度，其中該深度是平行於該波導與該累崩光二極體間之一界面之一尺寸，該絕緣溝槽及該波導之該深度係相互平行，且該絕緣溝槽之該深度係介於(且包括)0.1微米與0.4微米之間。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，額外地包含被耦合到該累崩光二極體之電接點，其中該累崩光二極體包含一分層結構，一第一電接點被設置在該累崩光二極體的一第一末端層上，一第二電接點及一第三電接點被設置在自該累崩光二極體的該第一末端層對向的一第二末端層延伸出之一接觸層上。
  10. 一種裝置，包含：一處理器及一光學資料輸入模組，其中該處理器可在操作上被耦合到該光學資料輸入模組且能夠自該光學資料輸入模組接收資料，其中該光學資料輸入模組能夠將被輸入到該光學資料輸入模組之光信號轉換為電信號，且其中該光學資料輸入模組包含：一基材，該基材包含一半導體波導及一光偵測器，其中該光偵測器在端頭上被耦合到該波導，且該光偵測器能夠將自該波導接收的光信號轉換為電信號，且其中該波導包含一絕緣溝槽，該絕緣溝槽包含一絕緣材料區，且該絕緣溝槽接近該光偵測器。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該光偵測器 包含矽及鍺。
  12. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該光偵測器是一累崩光二極體。
  13. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該波導包含矽。
  14. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該絕緣溝槽包含該波導中之一質子植入區、二氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽。
  15. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該絕緣溝槽具有一深度，其中該深度是平行於該波導與該累崩光二極體間之一界面之一尺寸，且該深度係介於(且包括)0.05微米與0.5微米之間。
  16. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該絕緣溝槽具有一深度，其中該深度是平行於該波導與該累崩光二極體間之一界面之一尺寸，且該深度係介於(且包括)0.1微米與0.4微米之間。
  17. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該絕緣溝槽具有一長度，其中該長度是平行於該光信號傳播通過該波導且進入該累崩光二極體的方向之一尺寸，且該長度係介於(且包括)0.005微米與0.5微米之間。
  18. 如申請專利範圍第10項之裝置，額外地包含被耦合到該累崩光二極體之電接點，其中該累崩光二極體包含一分層結構，一第一電接點被設置在該累崩光二極體的一第一末端層上，一第二電接點及一第三電接點被設置在自 該累崩光二極體的該第一末端層對向的一第二末端層延伸出之一接觸層上。
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