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用于硅基光子集成电路的具有凹角镜的低电压雪崩光电二极管制造技术

技术编号:13924545 阅读:145 留言:0更新日期:2016-10-28 04:04
一种低电压APD布置在PIC芯片的硅器件层内横向地延伸的波导的端部。APD布置在共同定位于波导端部处的反转凹角镜上方,以通过来自波导的内反射将光耦合到APD的底侧。在示例性实施例中,通过结晶蚀刻,在硅器件层中形成45°‑55°的面。在实施例中,APD包括硅倍增层、在所述倍增层上方的锗吸收层,以及布置在吸收层上方的多个欧姆触点。上覆的光反射金属膜将多个欧姆触点互连,并且将在欧姆触点周围传输的光返回到吸收层,以用于更大的检测器响应率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请与申请号为12/567,601、名称为“VERTICAL MIRROR IN SILICON PHOTONIC CIRCUIT”以及申请号为13/536,723、名称为“INVERTED 45DEGREE MIRROR FOR PHOTONIC INTEGRATED CIRCUITS”的美国专利申请有关,并且与申请号为PCT/US2011/067934、名称为“AVALANCHE PHOTODIODE WITH LOW BREAKDOWN VOLTAGE”的PCT申请有关。
本专利技术的实施例总体上涉及光子集成电路(PIC),并且更具体地涉及通过镜面光耦合到波导的雪崩光电二极管(APD)。
技术介绍
在诸如但不限于光通信、高性能计算、和数据中心的应用中,单片集成光子电路是有用的以作为光数据链路。同样,对于移动计算平台,PIC是一种用于在无线链路具有不足带宽的情况下更新移动设备或使移动设备与主机设备和/或云服务进行快速同步的有前途的I/O。这种光链路利用了包括光发射器和/或光接收器的光I/O接口,光发射器和/或光接收器中的至少一个利用光检测器(通常为光电二极管)。雪崩光电二极管(APD)在期望高灵敏度的应用中是有用的。这些应用包括长距离光纤通信、激光测距仪、和单光子级检测及成像、以及其他应用。混合硅/锗(Si/Ge)APD架构提供了目标针对近红外光信号的有前途的应用。在Si/Ge分离式吸收、电荷及倍增(SACM)APD中,Ge提供在近红外波长下的高响应率,而Si用于以低噪声放大光生载流子。另外,由于Si/Ge APD架构与CMOS技术更兼容,所以与III-V材料系统中的APD对应部分相比,Si/Ge基APD具有降低成本的可能。因此,Si/Ge APD是在近红外光谱中需要高灵敏度的价格敏感市场(例如,用于服务器和消费电子设备的光链路)的有前途的候选。然而,高工作偏压和高封装成本仍是这种PIC的障碍。本领域中的Si/Ge APD通常要求显著大于12V,并且因此通常超过了服务器、台式计算机、移动设备等的操作间距。APD的封装占据了接收器模块的70%。许多这样的模块封装方案依赖于光纤与通向APD的波导的边缘耦合。取决于波导的尺寸,这种主动对准通常是低效的且不适于大量制造。附图说明本专利技术的实施例是通过示例的方式而不是通过限制的方式示出的,并且能够通过参考下面结合附图考虑的具体实施方式而更全面地理解,在附图中:图1A是根据本专利技术的实施例的具有耦合凹角镜(REM)波导的Si/Ge APD的光子集成电路(PIC)的平面图;图1B是根据本专利技术的实施例的具有耦合REM波导的Si/Ge APD的PIC的平面图;图1C是根据本专利技术的绝缘体上硅(SOI)实施例的图1A中描绘的PIC的剖视图;图2A是根据实施例的被配置为用于顶侧照明的具有耦合REM波导的Si/Ge APD的PIC的平面图;图2B是根据实施例的被配置为用于边缘照明的具有耦合REM波导的Si/Ge APD的PIC的平面图;图2C是根据实施例的具有耦合REM波导的Si/Ge APD和光波长解多路复用器的PIC的平面图;图3A和3B是示出用于制造具有耦合REM的Si/Ge APD的PIC的方法的流程图;图4是根据本专利技术的实施例的布置在移动计算平台或数据服务器中的光接收器模块的功能框图,该光接收器模块包括具有耦合REM波导的Si/Ge APD的PIC;并且图5是根据本专利技术的实施例的图4中所示出的电子设备的功能框图。具体实施方式在以下描述中阐述了许多细节,然而,对于本领域技术人员而言显而易见的是,可以在不具有这些具体细节的情况下来实施本专利技术。在一些实例中,以框图形式示出了公知的方法和设备,而不是详细地示出,以避免模糊本专利技术。在该说明书中全篇提及“实施例”或“一个实施例”意为结合实施例描述的特定的特征、结构、功能、或特性被包含在本专利技术的至少一个实施例中。因此,在本说明书全篇各处出现短语“在实施例中”或“在一个实施例中”不一定是指本专利技术的同一实施例。此外,特定的特征、结构、功能、或特性可以任何适合的方式在一个或多个实施例中组合。例如,第一实施例可以在两个实施例相关联的特定的特征、结构、功能或特性相互不冲突的情况下与第二实施例结合。如在本专利技术的说明书和所附权利要求书中所使用的,除非上下文明确指出,否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在同样包含复数形式。还将理解的是,如本文所使用的术语“和/或”是指且涵盖相关联的列出项中的一个或多个的任意以及全部可能的组合。术语“耦合”和“连接”及其衍生词可以在本文中用来描述组件之间的功能或结构关系。应当理解的是,这些术语不意在作为彼此的同义词。相反,在特定实施例中,“连接”可用来表示两个或更多个元件彼此直接物理、光或电接触。“耦合”可用来表示两个或更多个元件彼此直接或间接地(在它们之间有其他的中间元件)物理、光或电接触,和/或两个或更多个元件彼此配合或交互(例如,成因果关系)。如本文所使用的术语“在…上方”、“在…下方”、“在…之间”和“在…上”是在这种物理关系是值得注意的情况下指出一个组件或材料层相对于其他组件或层的相对位置。例如,在材料层的上下文中,布置在另一层上方或下方的一层可以其它层直接接触或者可以具有一个或多个中间层。此外,布置在两层之间的一层可以与两层直接接触或者可以具有一个或多个中间层。对比而言,在第二层“上”的第一层是与该第二层直接接触。在组件装配的上下文中做出类似区分。本文所描述的是包括低电压APD的PIC的实施例,该低电压APD布置在波导的端部处,该波导在PIC芯片的硅器件层内横向地延伸的。APD布置在共同定位于波导端部处的反转凹角镜上方以通过来自波导的内部反射将光耦合到到APD的底侧。在示例性实施例中,通过结晶蚀刻在硅器件层中形成45°-55°的面。在实施例中,APD是包括硅倍增层、在倍增层上方的锗吸收层的Si/Ge APD。在实施例中,到APD端子中的一个的多个欧姆触点布置在吸收层上方。在实施例中,上覆的光反射金属膜将多个欧姆触点互连并且将在欧姆触点周围传输的光返回到吸收层,以用于实现二次吸收以及针对给定检测器带宽的更大的检测器响应率。图1A是根据本专利技术的实施例的具有耦合凹角镜(REM)波导的Si/Ge APD的光子集成电路(PIC)101的平面图。PIC 101包括横向地延伸穿过基板105的器件层的光波导110。波导110与结晶端面130端接,该结晶端面130在器件层的晶质平面之后。一般地,端面130充当反转镜以将由波导横向传播的光向上重新引导至Si/Ge APD 120的底侧(或背侧)。在实施例中,Si/Ge APD 120包括在波导110的端部上方磊晶生长的层,以实现允许超低工作电压(例如,~8.5V或以下)的精确厚度以及掺杂规格。部分地通过在APD要检测的辐射带(例如,1.3μm、1.5μm、850nm等)内具有良好反射率的顶面接触架构的方式,实现了低电压、以及高带宽响应率产品。顶部镜边缘131在图1A中可见,且其在沿图1A中所示的a-a’线的图2C的剖视图中进一步可见以作为镜面130的边缘。如图本文档来自技高网...
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【技术保护点】
一种光子集成电路(PIC),其包括:光波导,其在晶质硅器件层中横向地延伸并且在与所述器件层的顶面成凹角的端面处终止;以及雪崩光电二极管(APD),其布置在所述波导上方,所述APD包括n型硅区,其嵌入在所述器件层中或者布置在所述器件层上;硅i层,其布置在所述n型硅区上方;p型硅层,其布置在所述i层上方;晶质锗层,其布置在所述p型硅层上方;以及p型掺杂半导体层,其布置在所述锗层上方,其中所述凹角的端面的至少一部分凹陷到所述n型硅层的至少一部分以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光子集成电路(PIC),其包括:光波导,其在晶质硅器件层中横向地延伸并且在与所述器件层的顶面成凹角的端面处终止;以及雪崩光电二极管(APD),其布置在所述波导上方,所述APD包括n型硅区,其嵌入在所述器件层中或者布置在所述器件层上;硅i层,其布置在所述n型硅区上方;p型硅层,其布置在所述i层上方;晶质锗层,其布置在所述p型硅层上方;以及p型掺杂半导体层,其布置在所述锗层上方,其中所述凹角的端面的至少一部分凹陷到所述n型硅层的至少一部分以下。2.如权利要求1所述的PIC,其中所述APD还包括:多个第一金属触点,其布置在所述p型掺杂半导体层上方或者与所述p型掺杂半导体层电耦合,其中介电材料被布置在所述多个第一金属触点中的相邻的第一金属触点之间;以及金属片,其布置在所述介电材料...

【专利技术属性】
技术研发人员:Y·亢HD·D·刘A·刘
申请(专利权)人:英特尔公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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