水平入口半導體光檢測器的制作方法

專利名稱：水平入口半導體光檢測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光檢測器，特別是水平入口光檢測器，例如金屬-半導體-金屬(m-s-m)檢測器，p-i-n檢測器和水平入口分離式吸收和倍增(SAM)雪崩檢測器等。
硅(Si)雪崩光二極管(APD)工作在模擬模式時具有很低噪聲的雪崩增益，因而在短波長下最好采用Si材料，此時Si是一個在短波長下的很好的吸收體。工作在蓋革(Geiga)模式下的Si雪崩檢測器目前是短波長下最好的甚低電平光檢測器，此時Si是一種很好的光吸收體。商用Si單個光子雪崩檢測器(SPAD)可提供約300皮秒的時間分辨率，而且有報導稱已做出室溫下30皮秒時間分辨率的實驗室器件。為獲得如此短的時間分辨率的高速特性，一個重要因素被認為是采用小型結構，一般是1μm厚的光吸收層和5μm的橫截面長度。
通訊業目前感興趣的是通常用來檢微弱信號的工作在模擬模式的雪崩光二極管，以及用于光波長在1.3μm至1.55μm量級的量子保密術(在該波長下Si是一種差的光吸收器)的SPAD檢測器。在這些波長下，銦鎵砷化物/磷化銦(InGaAs/InP)結構能提供較好的光吸收。用這些材料制成的檢測器的缺點是，APD產生噪聲大的雪崩增益，而SPAD檢測器目前需要低溫冷卻以消除無照的脈沖并提供300Ps時間分辨率量級的最好的速度特性。CdHgTe材料系和AlGaSb系也是用來在較長波長下進行低噪聲雪崩檢測的可選材料，但也許需要冷卻以抑制暗電流。
對于很高速的檢測器，需要減小吸收區的厚度來降低躍遷時間。此外，為使電容小應該讓吸收區的橫截面積盡可能小。這使得用來吸收光的半導體體積很小，因而量子效率低。被檢測的光的波長接近材料的吸收限時，這個問題就顯得很突出，因為這時吸收變弱。
為使以Si為基礎的結構在1.3μm至1.55μm波長量級(即超出Si的吸收限)下仍有良好的電性能，可以利用檢測器中的有應變的硅鍺(SiGe)合金窄縫吸收層(epi層)來吸收光。采用較高濃度的Ge可以使應變SiGe吸收閾值延伸至1.3μm以外。另外，為克服SiGe在1.3μm左右波長下光吸收差的問題，可以采用水平入口的波導形狀。采用水平入口可以讓入射光通過比較長的SiGe長度(103μm量級)，而在光電流的方向SiGe光吸收層的厚度仍能保持很小(1μm左右)，以使這類檢測器高速運行。不過，SiGe層是漏電流的一個重要來源，因此SiGe層的體積越大，漏電流就越大。此外，對于SPAD檢測器而言，大的水平橫截面積將導致雪崩建立時間產生離散，同時將產生與之相關的不穩定性。還有，之所以希望這類檢測器的水平橫截面積小，是為了減小電容，從而降低與檢測器有關的RC常數，這對有效抑制此類檢測器中的雪崩過程是很重要的。
使用Si以外的半導體材料制成光檢測器時，若其工作在接近吸收限時，也會產生和上面說的與Si同樣的問題。
本發明提供一種能克服上面討論過的問題的光檢測器設計。
根據本發明第一方面，本發明首先提供一種水平入口半導體光檢測器，它包含一個水平光吸收層，用來把光線轉換成光電流，此吸收層被構型為能將光約束在層內，形成耳語廊(whisperinggallery)傳播模。通過激發低損耗、全內含反射的耳語廊傳播模，射入檢測器的光將重復地傳過光吸收層的體積。這樣，當采用在光電流流動方向很薄而且水平橫截面較小的光吸收層時，光吸收層的有效吸收系數將會增大。根據本發明制成的器件可以將光響應向長波長延伸，或增加本質上為弱吸收體的材料的有效吸收系數。因此，由于入射光重復地通過光吸收層周圍而使有效吸收系數很高，按本發明制造的檢測器在保持高量子效率的同時，還可以很快而且電容量低。
由本發明提供的光學約束可以和其它的特性結合在一起，其中一個特別有用的應用是將Si雪崩光電二極管的響應向較長波長延伸。例如，據估算，含有可高達50％的Ge的應變SiGe層可以吸收長于1.55μm波長的光。這意味著如結合由本發明的耳語廊模提供的高光學約束度而采用一個外加電場，則可以制成工作于重要的1.55μm波長的高效檢測器。
如果該光吸收層的折射率比它上面和下面的材料都高，則此層有一種波導效應，而將光在垂直方向約束在吸收層附近的范圍內。SiGe的折射率比Si高，故滿足這個要求。通常光吸收層的禁帶較小，往往具有比周圍材料更高的折射率。然而在某些情況下，通過增添低折射率的包層來增加在光吸收層附近的垂直約束可能有好處。例如，鋁鎵砷化物(AlGaAs)包層就經常用在以GaAs為基礎的波導結構中。
在一種優選結構中，把光檢測器構型成具有一個波導段和一個光約束段，它們被設置成能使波導段將光耦合進檢測器并將光傳送至光約束段，以圍繞該光約束段激發耳語廊模。在這種裝置中，波導段將光對光限制部分以一個比邊界臨界角更大的邊界角傳至光限制段。因此，傳至光約束段的光圍繞光約束段邊界周邊作重復的內全反射，使得光按耳語廊模圍繞光約束段重復地傳播。優選地使把光約束段具有圓柱形外邊界，同時波導段把光相對于此圓柱形外邊界基本上沿切線注入光約束段。后者對激發強而持久的耳語廊傳播模是一種好的結構。
對于直徑只有幾個波長的小型結構，采用具有多邊形橫截面代替圓截面來的光約束段可能有些好處。彎曲厲害的波導面可能引起輻射損耗，故用多邊形結構的幾個平面邊代替圓柱結構的彎曲邊可以使約束度得到改善。
在一種優選實施裝置中，檢測器包括一個縱向波導段和一個圓柱形光約束段。如果把光約束結構做成環狀或環形從而減小檢測器的水平橫截面，則可以改善這種結構。因為耳語廊模將圍繞光約束結構的周邊傳播，因而這是可能的。
為減小波導段和光約束段之間的接口尺寸，可以把波導段做成錐形。這可以降低離開光約束段周邊的約束光在波導段和光約束段之間交界處的散射量。設計這種光斑尺寸轉換器的技術已經很成熟，而且目前3維錐體也可以做，這樣就很容易將光耦合至按本發明制成的檢測器內。
根據一種特定的優選實施裝置，水平光吸收層是光約束段的一層。這樣光就可通過波導段耦合至檢測器內，波導段將光線耦合至光約束段，因而也就耦合至光吸收層。這樣耦合至光約束層的光線圍繞光約束層以耳語廊傳播模傳播并轉換成光電流。
在另一種沒有展示這種損耗機制的優選實施裝置中，一種由折射率小于光吸收層折射率的材料制成的波導可以用于本發明的檢測器中，以通過瞬息(evanescent)耦合將光耦合至光吸收層內，并在其中激發耳語廊傳播模。
在采用瞬息耦合的第一實施裝置中，水平光吸收層可以在光約束段上面或下面垂直地生長，而且其折射率比光約束段的折射率高，因此光是通過瞬息耦合從光約束段垂直地耦合至水平光吸收層。在這個實施裝置中，光約束層和光吸收層具有公共的周邊，它們的周邊形狀相同而且相互對齊。
在第二個采用瞬息耦合的優選實施裝置中，制造波導段和光約束段的材料的折射率比光吸收層的折射率低，而且光約束段延伸至光吸收層周邊附近，以通過瞬息耦合在光吸收層內激勵耳語廊模。
當使用瞬息耦合時，低折射率的波導段和光約束段可以是一種聚合物波導，或一種氮化物波導(例如由Si3N4構成的波導)。
上面討論的光檢測器可以是一種p-i-n檢測器。或者，具有上述特性的光檢測器可以是一種分離式吸收和倍增雪崩檢測器。在后一情況下，光吸收層可以位于雪崩層的垂直上方。雪崩層可以與光吸收層有同樣的橫截面形狀，或者可以把光吸收層做成雪崩層上的臺面形狀，以將光電流注入雪崩區的中心(此處電場最強)。這將減少檢測器的不穩定性。若雪崩區和光吸收層具有相同的橫截面，則可采用新的摻雜方式以降低雪崩區的表面場。更常用的方法是將雪崩區的側面做成斜面等形狀，以降低表面場。
該檢測器可以是以硅為基礎的，而且包含一個硅鍺光吸收層，它可以吸收波長為1.3μm左右的光。或者檢測器是一個基于砷化鎵(GaAs)的檢測器，它包含一個InGaAsN光吸收層，該層可吸收波長為1.3μm左右的光。
下面將參照各附圖來描述本發明，這些圖中

圖1是一個包含光子瓶結構的光檢測器的透視示意圖，它具有按本發明的圓柱形光約束段。
圖2是沿圖1的A-A線通過水平面的一個橫截面。
圖3a至3c為圖1和圖2的光檢測器的模擬計算結果，表示在不同的模擬時間步長下入射光脈沖的場強分布情況。
圖4是一個包含光子瓶結構的光檢測器的透視示意圖，它具有按本發明的環形光約束段。
圖5為沿圖4的光檢測器的A-A線通過水平面的一個橫截面。
圖6為圖4和圖5的光檢測器的模擬計算結果，表示在不同的模擬時間步長下入射光脈沖的場強分布情況。
圖7是圖1，2，4，5中光檢測器的進一步模擬結果，表示對于SPAD的環形或圓柱形(RAI＝0)光約束段的不同內徑，檢測器場貯能隨時間的衰減情況。
圖8是一個與圖1和圖4類似但具有錐形波導段的光檢測器。
圖9是一個與圖1和圖4類似但具有聚合物波導的光檢測器，它通過從低折射率聚合物至高折射率半導體的耦合將光傳送至光吸收層內。
圖10a至10d是圖9的光檢測器的模擬結果，表示在不同的模擬時間步長下入射光脈沖的場強分布情況。
圖11是圖9的光檢測器的進一步模擬結果，表示在模擬過程中介質(包括聚合物和半導體)，SiGe吸收層及周圍大氣內的貯存的場能隨時間的變化情況。
圖12是按本發明的一種p-i-n檢測器。
圖13是圖1所示光檢測器的另一種形式，其中在結構的下部安裝了一個波導，且圓柱體不吸收光。
p-i-n和m-s-m(金屬-半導體-金屬)檢測器使用得很廣，而本發明由于增大了有效吸收系數，可以把它們的工作范圍延伸至更接近于用在這些檢測器的吸收材料的吸收限。這種思想也可用于采用Franz-Keldysh效應的新型檢測器中，在該檢測器中的光學吸收可在反偏壓二極管的高電場區內延伸至更長的波長。如能同時通過光約束增強有效吸收，則后一種類型器件的應用可以大大增加。其它可能的應用包括與雪崩光二極管的雪崩增益相結合的新型光約束結構。當這種結構是一個簡單的p-i-n或m-s-m二極管，其結構處于“i”區內并被加上反向偏壓以產生雪崩倍增，而且形狀做成可以增加光約束，則可以把吸收區和雪崩區結合在一起。也可以在分離式吸收和倍增器件中把吸收區和雪崩區分開。
圖1是一種光檢測器的示意透視圖，它包括一個光子瓶結構，該結構具有本發明的圓柱形光約束段。光約束結構由一個半導體層支撐，對于p-i-n檢測器，這一層將用來制造下接觸片。對于SAM APD，可以將雪崩區做在這個層內。圖2是沿圖1的光檢測器的AA線通過水平面的橫截面。在圖2的下半部，支撐光約束結構的半導體層已被做成SAM APD的雪崩區。圖1和圖2中支撐層的多余部分將被刻蝕掉。那時圖2將代表沿任何線(通過將從線圍繞中心旋轉至與波導的接合點而得到)的縱向剖面。
圖1和2所示的結構是按本發明的光子瓶SPAD(2)的一個例子，它是一個分離式吸收和倍增雪崩光電二極管(SAM APD)。該SPAD(2)包括一個重摻雜P+接觸區(4)，一個硅和硅鍺(SiGe)多量子井結構(8)的重摻雜N+接觸區(6)，后者用來吸收光。需要的話，可在P+接觸區(4)和SiGe多量子井結構(8)之間放置一個硅隔離層(10)。層(12)是一層摻雜硅，用來把垂直電場從吸收區(8)的低值轉變成雪崩區(14)的高值。在SiGe層(8)上、下的硅層(10，16)將光在垂直方向約束在SiGe層(8)之內。如圖1和2所示，雪崩區(14)是傾斜的，以降低表面場強。層(16)是多量子井結構(8)和雪崩區(14)之間另一個硅隔離層。需要的話，可把層(12)置于上臺面內。
由于SPAD(2)的吸收臺面面積小于雪崩區(14)的面積，光電流將流入雪崩區的中心區(即遠離雪崩區的傾斜邊緣處)，那里的電場最強。這將減少雪崩電流上升時間的不穩定性。此外，在雪崩電流開始上升時，強電場區內雪崩過程中過大的噪聲將會減小。
SPAD(2)的上部臺面包括隔離層(16)的上部，多量子井結構(8)，隔離層(10)，和P+接觸區(4)，它被構型成如圖1所示的光子瓶結構，它包含一段不長的縱向波導(18)，它終止于一個圓柱形段(20)。入射光從端面(22)進入波導(18)。此光沿著波導(18)傳播并基本上沿切線注入圓柱段(20)并被捕集(trap)在圓柱部分之內，成為耳語廊型模，從而圍繞圓柱結構的圓周區域重復地傳播。
耳語廊模(有時叫做與形貌有關的諧振)是一種高角動量電磁模式，它對應于以掠入射從圓柱內表面經重復內全反射而被約束在圓柱段(20)內，并滿足環繞內圓周表面后的一個相位條件的光子。為激發這些耳語廊模，必須讓光在超過約束內圓周表面處的材料界面的臨界角的條件下耦合進圓柱段(20)，以實現內全反射。因此，光子瓶SPAD(2)被構型成具有波導(18)其基本上沿著圓柱段(20)的內圓周表面的切線方向。
SiGe/空氣界面的臨界角是一個15°左右的角，因此光約束結構的內圓周表面不一定要是圓水平橫截面，而可以是一個多角形水平橫截面。另外，光是否切向注入并不重要，盡管必須對內圓周約束面以一個大于臨界角的角度注入，以激發耳語廊模。
光將通過端面(22)水平地進入SPAD(2)，將沿著波導段(18)前進，然后圍繞圓柱光約束段(20)傳播。這樣入射光就可以被約束在圓柱段(20)內的SiGe層(8)體積內，以產生光電流。此光電流沿垂直方向流動并被雪崩區(14)倍增，以產生適當的電流輸出。光約束圓柱結構(20)具有顯著增加SiGe層(8)的有效吸收長度的作用。因而SiGe層(8)所占的體積很小。由于光是水平進入SPAD(2)而且是圍繞圓柱段(20)重復傳播，所以層(8)可以是一個縱向很薄的層(約1μm量級)，而同時還能提供一個足夠長的有效吸收長度，以使在低入射光水平下能產生可檢測到的光電流。這使得按本發明的SPAD(2)比起現有的以Si/SiGe為基礎的檢測器(工作于1.3μm左右的波長)更快而且量子效率更高。此外，層(8)的水平橫截面積很小，這可以降低漏電流并減小在倍增過程中的不穩定性。
曾經通過分析在SPAD(2)內傳播的光脈沖的光學位置對SPAD(2)的工作進行過模擬，所用的方法是三維有限差分時間域(FDTD)模擬法。因而可以通過脈沖在介質內的時間演進來研究約束，還可以提供有關通過表面及來自波導與圓柱體的接口處的散射的寄生損耗的信息。關于這類模擬的進一步詳情可從下列書藉中找到A.Taflove著的“Computational Electrodynamics，The Finite-Difference Time-Domain Method”，1995年Artech House出版；Karl S.Kunz和Raymond J.Lubbersn著的，“The FiniteDifference Time Domain Method for Electromagnetics”，1993年CRC Press出版。這種模擬首先從注入一個高斯脈沖至波導(18)的頸部開始。脈沖在SPAD(2)介質內的時間演進可以用基于Yee算法的標準FDTD技術(詳見K.S.Yee，1996，IEEE Trans Antennasand Propagation 14，302)和二階Mur吸收邊界(詳見G.Mur，1981，IEEE Trans Electromagnetic Compatibility 23，1073-1077)來模擬。脈沖被均勻地注入波導(18)頸部內的一個垂直平面上，采用的是以下形式的調制余弦波的高斯包絡E(t)∝θ-α(t-t0)cos[ω(t-t0)]，t≥0式中E(t)＝脈沖在時間t的電場幅值α＝脈沖寬度t0＝脈沖取峰值的時間ω＝相應于1.3μm自由空間波長的頻率t＝時間。
模擬從t＝0開始，t0的值應該這樣來設定使得脈沖幅值從t＝0時的10-6升至t＝t0時的1。然后，所產生的脈沖就可按照麥克斯韋方程傳播。SPAD(2)的空間結構是用一個立方網格來模擬的，這將使對SPAD(2)圓柱結構(20)的模擬產生階梯形誤差。網格的尺寸應選得使網格立方體的邊約為介質中光波長的十分之一，而且在被模擬的圓柱曲線邊緣上將有一些從圓柱體(20)來的寄生弱輻射損耗，實現上看不見該現象。因而預計模擬的結果將比實際情況更糟，而且將給由SPAD(2)光子瓶結構提供的SiGe層(8)的有效吸收系數的增加一個較低的限制。
耳語廊模在附圖3a，3b和3c中給予說明，這些是對光通過圖1和2所示的光子瓶SPAD(2)的SiGe層(8)傳播的計算機模擬結果。圖3a至3c所示的圖表示取自圓柱中間一個水平面的光子瓶的平面視圖。在圖3a至3c中，波導(18)和圓柱體(20)的邊緣由實線表示，環繞的方形邊界是Mur吸收層(見上)。圖3a和3b繪出了在不同的模擬時間步長數下，在SPAD(2)邊界內場強大于0.9倍平均場強的模擬網格點，而圖3c繪出了在不同的模擬時間步長數下，場強大于0.1倍平均場強的模擬網格點。模擬中所用的每個時間步長Δt為10-16秒。
圖3a表示一個輸入高斯光脈沖如何沿著波導(18)和圍繞圓柱體(20)的周邊傳播。它顯示了與此脈沖擴展成許多耳語廊型模有關的色散效應。在圖3a中，在時刻t＝500×10-16秒，可以看見一個光脈沖在波導(18)內正要在區域(24)處進入圓柱體(20)。在時刻t＝1500×10-16秒，可見此光脈沖到了區域(26)，大約圍繞圓柱體(20)的約束內圓柱表面傳播了1/4的路程。在時刻t＝2500×10-16秒，可見此脈沖到了區域(28)，大約圍繞圓柱體(20)的約束內圓柱表面傳播了一半的路程。在時刻t＝3500×10-16秒，可見此光脈沖到了區域(30)，已經圍繞圓柱體(20)的約束內圓柱表面傳播了3/4以上的路程。可以看出，此脈沖色散成一些圍繞圓柱體(20)傳播的耳語廊型模。圖3b表示注入脈沖在圍繞圓柱體(20)一周以后的情況，在時刻t＝4500×10-16秒，脈沖已到了區域(32)，同時可看到在波導(18)和圓柱體(20)的接口處產生了散射，脈沖的一部分從區域(32)處的主脈沖分裂出來，并帶著垂直于圓柱體(20)內圓周表面的分量傳播。這個散射效應代表著光脈沖約束的損耗機制。脈沖帶著某些色散繼續圍繞圓柱體(20)傳播，在t＝5500×10- 16秒時刻到達區域(34)，在t＝6500×10-16秒時到達區域(36)。圖3c表示主脈沖環繞圓柱體三圈以后的場強分布，并繪出了在t＝12000×10-16秒時場強大于0.1倍平均值的網格點。應指出，在圓柱體(20)中心附近幾乎沒有什么場強，因此在圖4和5的實施例中示出了一種環形光約束結構的改進設計。
圖4為一種包括光子瓶結構的光檢測器的示意透視圖，它具有一個按本發明的環形光約束段。此光約束結構由一個半導體層支撐，而且在p-i-n型檢測器中將用這一層來制造下面的接觸層。在SAMAPD中，可把雪崩區做在此層內。圖5為沿圖4的光檢測器的AA線通過水平面的剖面圖。圖5的下半部，即半導體層支撐的光約束結構已做成SAM APD的雪崩區。圖4中支持層的多余部分將被刻蝕掉。這樣圖5將代表沿通過將AA線圍繞中心旋轉至與波導的接合點而得到的任何線的縱向剖面。圖5中中心腔體(38)終止于雪崩區的上面。也可以把此腔體延伸穿過雪崩區，后一種結構對于大直徑的光約束結構可能更好。
計算機模擬指出，耳語廊模中的能量是處于朝向圓柱體的圓周邊的位置。因此考慮一種環狀結構可能更好，在該結構中圓柱體的中心部分被刻蝕掉。通過減小水平橫截面面積，這些器件可能會改善SPAD器件的不穩定性和時間分辨率，同時也會降低電容。通過減小窄隙吸收材料的體積，這類結構還應當會降低體漏電流，不過以增加表面漏電流作為代價。
圖4和5為另一種類似于圖1和2的按本發明的SPAD(2’)結構，其中相似的部件以類似帶撇(’)的數字表示，所不同的是用環形體(21)代替圓柱體(20)，也即中心腔體(38)是形成在圖1和2的圓柱體(20)內。對于一種外徑D為9μ，內徑d為0.4D的環形結構(21)，圖6表示一個輸入光脈沖如何沿著波導(18’)和圍繞環形體(21)周邊傳播。圖6中，在時刻t＝1000×10-16秒，當沿切向從波導(18’)注入區域40中的環形體(21)時可看見一個光脈沖。在時刻t＝3000×10-16秒，光脈沖到了區域(42)，已經圍繞環形體(21)的約束內圓柱面傳播了大約2/3的路程。通過采用環形結構檢測器上臺面的水平橫截面積將大大減小，這將改善時間分辨率并減小電容量。此外，環形結構中SiGe層(8)的體積減小了，這將使與此層有關的體漏電流相應減小，不過以相應增加表面漏電流為代價。
現在回到模擬實驗上來，一個高斯脈沖在SPAD結構(2’)中的平均場貯能<F2>定義為結構中所有網格點上電場模量的平方的總和。圖7繪出了一個環形結構SPAD器件(2)中<F2>值與時間的關系，器件的外徑D為9μm，變化的內徑(圖4和5中的d或圖7中的RAI)分別為0μm，0.4D和0.75D。d＝0μm的曲線就是圖1和2的SPAD結構(2)的曲線。對于較小的內徑(d，RAI)值，圖7的曲線對中心腔體(38)的存在不敏感，這表明圖4和5的環形結構(21)對于光約束是有用的。還應指出，模擬中采用立方體網格將會在模擬環形體(21)的彎曲內外圓周表面時引起階梯形誤差。這種不光滑將在模擬中造成輻射損耗，而實際上這點不會發生，所以圖7中看到的對于大的內徑(d，RAI)，例如RAI＝7.5D，貯能的跌落至少部分是與這個作用有關的，因為內圓周面的表面積增加了。假設貯存的場能<F2>近似隨時間按指數變化，即e-t/τ(τ為壽命)，則從圖7可估算出在圖4和5所示結構中脈沖的衰減時間(即不吸收光來產生光電流)為τ＝5×10-12秒，這相當于0.5mm Si內的衰減長度。這是一種與通過約束結構邊界的損耗有關的寄生衰減，它只與折射率有關，而且對于Si和SiGe幾乎是一樣的。然而，這個0.5mm衰減長度是由一個外徑D為9μm的環形結構提供的，這就證明當把SiGe層(8)做成具有一個頸部或波導段(18，18’)的光子瓶結構和一個圓柱形或環形段(20，21)時，其吸收系數是增加了。應該指出，在此模擬中，沒有圍繞SiGe層傳播的光被吸收。
為了使波導段(18)和光吸收層(8)的光約束段(20，21)之間接口處的散射減至最小，可以把波導(18，18’)做成錐形(如圖8所示)，以便使它與圓柱或環形段(20，21)的圓柱外表面接合部分盡可能小，而不會由于成錐形產生太大的反射損耗。當對波導段(18，18’)的輸入是來自光纖時，需要把波導段(18’，18’)設計成在光切向注入圓柱或環形部分(20，21)之前，讓光從光纖開始聚集成一個很小的斑點。
對于圖4的環形結構，其主要的寄生損耗來自由于彎曲而引起的通過介質/空氣界面的輻射，以及表面不光滑及來自波導和環形結構間的接口的散射。圖9所示為另一個可能性，此時波導(18)用聚合物或氮化物波導(44)代替，而且使用階式折射率，或瞬息耦合，來將光從聚合物波導(44)耦合到光約束段(20，21)的圓柱形或環形結構內。該波導有一個縱向部分(44a)(光通過端面(44c)耦合到其中)和一個環形部分(44b)，后者圍繞著光約束段(20，21)的圓柱形或環形結構。聚合物波導(44)被淀積在一個鈍化氧化物層上。氧化物層(43)的厚度應大于0.4μm左右，以便與襯底(45)的耦合最小(詳情請參見Slegert等，1998，IEEE Journal of Selected Topicsin Quantum Electronics，4，970-74)。在波導(44)的環形部分(44b)內光波導模將通過瞬息耦合耦合到圍繞圓柱形或環形光約束段(20，21)的周邊的耳語廊模(由于后者具有較高的折射率)。也可以把波導(44)的縱向部分(44a)做成錐形以使入射光聚集起來。
采用聚合物波導可以把波導的設計和環形結構的設計分開，因而可做成例如三維錐體。
圖9的光檢測器內的波導(44)也可以用Si3N4來制作，其折射率介乎SiO2和Si之間。
如果把聚合物或Si3N4結構(44)淀積在一個SiO2水平層(43)上，它的折射率(n)必須介乎SiO2(n＝1.447)和Si(n＝3.4)之間。聚合物或氮化物直接與光約束段(20，21)的垂直壁接觸，因此聚合物或氮化物(44b)中以耳語廊模傳播的能量將傳遞給較高折射率半導體(20，21)內的耳語廊模，并被約束在其中。也可以在圓柱體(20，21)和波導(44)之間設置一層對光透明的材料(如SiO2)。若此界面層的折射率低于波導材料的折射率，則它的厚度必須足夠薄，以使光瞬息耦合至內圓柱體(20，21)內的耳語廊模。采用聚合物或氮化物可以獨立設計波導元件和半導體檢測器。同時還能消除波導(44)和半導體檢測器中約束結構(20，21)的接口，后者是產生寄生損耗的一個來源。
圖9的光檢測器的工作已如上述經過模擬計算(所不同的是聚合物波導和圓柱體的半徑是以自由空間波長為單位而不是以μm來計量的)，其結果示于圖10a至10d和圖11。圖10a表示一個輸入高斯光脈沖如何沿著聚合物波導(44)傳播，以及它是怎樣耦合至圓柱體(20)的。圖10a中，在時刻t＝500×10-16秒，光脈沖主要處于波導(44)的區域(50)。在時刻t＝1500×10-16秒，光脈沖可在區域(52)見到，其已經圍繞波導(44)的約束內圓柱表面傳播了大約1/3的路程，而且大部分光已耦合到圓柱體(20)。圖10b中，在時刻t＝2500×10-16秒，光脈沖可在區域(54)見到，其已經繞著波導(44)和圓柱體(20)的約束內圓柱表面傳播了2/3左右的路程。圖10c中，在時刻t＝4500×10-16秒，光脈沖在圍繞波導(44)和圓柱體(20)的約束內圓柱表面一整圈后在區域(56)彌散開來。圖10d表示注入脈沖在t＝7000×10-16秒時的狀態。圖10a至10d的圖形表示場強從低折射率的外聚合物(44)轉變至高折射率的Si/SiGe內圓柱體(20)的情形。這表明光的傳遞很快，看來不會限制器件的速度。聚合物是直接和圓柱體相接觸，所以能量可傳遞給高折射率的材料。根據這些圖形看出，在Si/SiGe層內的約束情況好象比上面討論過的原先的一些結構要好。圖11表示根據模擬，介質(包括聚合物和半導體)(44)內，和圓柱體(20)的SiGe吸收層內，以及環繞波導的空氣內的貯存的場能如何隨時間變化。它表示出SiGe層內的光約束情況，這種約束將增加SiGe層的有效吸收率。SiGe吸收層內貯能的寄生衰減非常小，在圖中看不見。這表明在這種結構中輻射損耗被大大地減小了。
如圖1，2，4，5，8和9所示，SPAD(2，2’)的上部是作為一個臺面形成在雪崩區(14，14’)的上面，因此在吸收層(8，8’)內產生的光電流將流入遠離邊緣(14a，14b)的雪崩區(14，14’)的中心區域(那兒的電場最強)。這將降低雪崩過程的不穩定性，而且對于吸收層(8，8’)表面漏電流小的場合特別有用。
圖1，2，4，5，8和9所示的光子瓶SPAD也可采用以砷化鎵或磷化銦為基礎的材料結構，而不用以硅為基礎的材料結構形成。這樣SPAD(2，2’)可以形成一個重摻雜P+接觸區(4，4’)，一個重摻雜N+接觸區(6，6’)，場轉換層(12，12’)和隔離層(10，10’，16，16’)，它們都是具有鎵砷氮化物的多量子井結構(8，8’)的砷化鎵，可以用來吸收光。這種檢測器適合于吸收能量稍高于氮化物層禁帶的光。
圖12表示一種按本發明的p-i-n檢測器，類似的部件以類似的數字加上”來標識。p-i-n檢測器具有的光子瓶結構與圖1和4所示的SPAD上臺面類似，帶一個波導段(18”)和一個光約束結構(20”，21”)。p-i-n檢測器包括一個P+摻雜GaAs層(60)，一個InGaAsN晶格匹配層(62)，一個n+摻雜GaAs層(64)，一個頂部金屬接觸片(66)和一個底部金屬接觸片(68)，此檢測器是生長在一個GaAs半絕緣襯底(70)上。波導段(18”)形成有一個隔離凹槽(72)，其通過把P+層蝕刻掉就可以形成凹槽。如果把波導(18”)的長度做得很短以使其中的光吸收盡可能小，就不一定要有這個隔離凹槽(72)。若頂部接觸片(66)是一個肖特基(Shottky)接觸片，那么層(60)的P摻雜水平將很低，此時也不需要有這個隔離凹槽(72)。如若圖12的檢測器是利用Franz Keldysh效應來工作的，則在波導(18”)內沒有吸收，這時把電場加到圓柱或環形部分(20”，21”)，僅僅是為了誘發吸收。也可以在這種結構的吸收層上面和下面包括低折射率AlGaAs覆蓋層以改善縱向約束。
也可以不用波導(18”)而采用一個聚合物或氮化物波導將光耦合進光約束段(20”，21”)，其方式和上面討論過的有關圖9的SPAD的類似。利用本發明，一個帶鋁鎵砷化物(AlGaAs)覆蓋層的GaAsp-i-n檢測器可以工作在比一般適用的更長的波長上。這樣就可以把p-i-n與GaAs雪崩區結合起來，其方式和上面說過的對SiGe/Si的方法幾乎一樣。人們對摻N的GaAs也很感興趣，摻入4％的N可以得到禁帶為1eV的應變材料，而GaAs的禁帶是1.4eV。GaAsN應變層被夾在各GaAs層之間(與對于SiGe/Si的方法類似)，光約束結構可以按照本發明來制作。類似地，摻NinGaAs層可以按晶格與GaAs匹配，同時通過改變In和N的百分數，可以預期將檢測器的響應擴展到1.3μ和1.5μ。此外，可以應用根據本發明的光約束結構的新材料系統和結構正在不斷發展。將Franz Keldysh效應(將吸收限向高電場推移)與增加由本發明的光約束結構提供的有效吸收相結合即是一個例子。在本發明的情況下，電場將被加到上面討論過的結構的圓柱形檢測部分上。
上述Si/Ge結構可以采用標準的Si生長技術制造，它包括半導體層的最初外延生長和后續處理(包括光刻(lithography)和刻蝕)。類似地，上面所述以GaAs為基礎的結構可以采用標準的GaAs生長技術來制造。
對圖1和2所示的另一種補充的具體實施結構如圖13所示，其中類似的部分用類似的數字表示。在圖1和2的實施裝置中，波導(18)和圓柱體(20)兩者都包含吸收材料，而且在波導中的吸收是一種不希望有的損耗來源。這種損耗機構在圖13的實施裝置中被除掉了，因為波導(46a)和圓柱體的下部(46b)不吸收光。在圓柱體下部(46b)以上是圓柱體的上部，它由一種折射率比較高的光吸收材料(8)制成。圓柱的上部可以用外延等方法生長出來。
注入波導(46a)的端面(46c)的光被捕集在圓柱下部的耳語廊模中，并被很快傳送到圓柱上部的高折射率材料中的耳語廊模，在那里被光吸收層(8)所吸收。
權利要求
1.一種水平入口半導體光檢測器(2)，包括一個水平光吸收層(8)，其用于將光轉換成光電流，該層被構型為將光以耳語廊傳播模約束在其中。
2.按權利要求1所述的檢測器，其中檢測器被構型成具有一個波導段(18)和一個光約束段(20，21)，它們安排成由波導段將光耦合到檢測器內并將光傳送至光約束段，從而圍繞光約束段激發耳語廊傳播模。
3.按權利要求2所述的檢測器，其中波導段(18)對光約束段邊界以一個比邊界臨界角大的角度，將光傳送到光約束段(20，21)內。
4.按權利要求2或3所述的檢測器，其中光約束段(20，21)具有一個圓柱形外邊界。
5.按權利要求4所述的檢測器，其中波導段(18)相對于圓柱形外邊界基本上以切向將光注入到光約束段(18)。
6.按上述任一項權利要求所述的檢測器，包括一個縱向波導段(18)和一個圓柱形光約束段(20)。
7.按上述權利要求1-5中任一項所述的檢測器，包括一個縱向波導段(18)和一個環形光約束段(21)。
8.按權利要求2至7所述的檢測器，其中波導段(18)制成錐形，以減小波導段和光約束段(20，21)之間的接口尺寸。
9.按上述任一項權利要求所述的檢測器，其中水平光吸收層(8)處于第二光約束段(20，21)內的一個層。
10.按權利要求1所述的檢測器，其中波導(18，20，44，46)是用折射率比光吸收層(8)的折射率低的材料制成的，它被用來通過瞬息耦合將光耦合到光吸收層內，并在其中激發耳語廊傳播模。
11.按權利要求1至8和10中任一項所述的檢測器，其中水平光吸收層(8)垂直地位于光約束段(46b)的上面或下面，其折射率比光約束段的折射率高，光通過瞬息耦合從光約束段垂直地耦合到水平光吸收層內。
12.按權利要求2至5和10中任一項所述的檢測器，其中波導段(44a)和光約束段(44b)是用折射率比光吸收層(8)的折射率低的材料制成的，而且光約束段圍繞光吸收層的周邊伸展，以通過瞬息耦合在光吸收層中激發耳語廊模。
13.按權利要求10至12中任一項所述的檢測器，其中波導段(44a，46a)和光約束段(44b，46b)是由聚合物制成的。
14.按權利要求10-12任一項所述的檢測器，其中波導段(44a，46a)和光約束段(44b，46b)是用氮化物制成的。
15.一種按上述任一項權利要求所述的分離式吸收和倍增雪崩檢測器。
16.一種按上述任一項權利要求所述的p-i-n光檢測器。
17.一種按上述任一項權利要求所述的硅基檢測器，包含一個硅鍺光吸收層。
18.一種按上述任一項權利要求所述的雪崩檢測器，具有一個雪崩區，其中的光吸收層(8)是以一個臺面的形式形成在雪崩區(14)的中央部分之上。
19.一種按上述權利要求2至18中任一項所述的雪崩檢測器，其中波導段的水平寬度小于光約束段的水平寬度。
20.一種按權利要求19所述的雪崩檢測器，其中波導段的水平寬度小于光約束段的水平寬度的1/8。
全文摘要
一種水平入口半導體光檢測器(2)，包括一個水平光吸收層(8)，用來將光轉換成光電流，該層的形狀使得光被約束在其中成為耳語廊傳播模。檢測器制成有一個第一波導段(18)和一個第二光約束段(20，21)，它們被設置成使得波導段將光耦合進檢測器內，并將光傳送至光約束段，從而圍繞光約束段激發耳語廊傳播模。光吸收層可以是光約束段的一部分，或者是光被耦合進光約束段內，也可以通過瞬息耦合將光從光約束段耦合進光吸收層內。在光吸收層內激發出耳語廊模大大地增加了光吸收層的有效吸收系數。
文檔編號H01L31/0232GK1443312SQ0181307
公開日2003年9月17日 申請日期2001年5月18日 優先權日2000年5月20日
發明者D·C·W·赫爾伯特, D·R·維特, E·T·R·基德利, R·T·卡林, W·Y·梁, D·J·羅賓斯, J·M·赫頓 申請人:秦內蒂克有限公司