专利名称：用于检测入射光的光检测器及方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体器件，更确切地涉及用于检测入射光的光检测器。
背景技术：
使用硅(Si)来制造集成电路(IC)是很成熟的技术。自从IC发展的早期，硅就在电子学领域占据支配地位，成为制作和集成各种电子器件，尤其是诸如双极型和金属氧化物半导体(MOS)晶体管的固态晶体管的最广泛使用的材料。因此，与其他可选技术相比，硅技术已经显著地进步了。从而，Si基IC比其他技术有很多优势。例如，Si基IC能够相对容易地使用已经成熟的半导体工艺进行制造。此外，密度极高的电子器件能在Si基IC上制作。
对Si基IC的偏好使得人们期望以这种材料制作例如光电二极管和光电晶体管的光敏器件，从而光敏器件和驱动这些器件的支持电路能够被集成。但是，由于Si的带隙，在Si上制作的光敏器件不能很好地工作来检测波长大于850nm的光，并且由于带隙的间接性质而效率略低。不幸的是，对于较长的距离，长于850nm的波长，例如980nm或1300nm对光纤器件有利，因为在这些较长的波长，衰减和色散效应较低。此外，较长的波长允许单模工作。
在多篇美国专利中，描述了对波长大于850nm的光敏感的Si基光电二极管。这些Si基光电二极管器件使用锗(Ge)来吸收波长较长的光子，例如1300nm的光子。与带隙为1.1eV的Si不同，Ge的带隙为0.67eV。于是，Ge能被用来更有效地吸收1300nm的光子。例如，被授权给Sugiyama等的美国专利No.6,075,253描述了一种半导体光电检测器，该半导体光电检测器在Si衬底上形成的凹槽中，包括夹在n型Ge层和p型Ge层之间的光吸收Ge单晶层。所述的半导体光电检测器在凹槽中还包括在p型Ge层上的p型层。Sugiyama等的半导体光电检测器被描述为对波长为1000nm或更长的光敏感。
对传统的Si基Ge光电二极管所担心的是当它们被用于光检测器时，它们对较长波长的光的灵敏度也许对于某些应用是不够的。此外，传统的Si基Ge光电二极管也许需要比其他类型的光电二极管更复杂的制作工艺，这会转化为制造成本的增加。
考虑到这些担心，需要一种利用Si基Ge光敏器件的用于检测入射光的光检测器和方法，其能够使用标准的SiGe制作工艺制作，并具有检测诸如980nm或1300nm的较长波长的光的高度灵敏度。
发明内容
一种用于检测入射光的光检测器和方法利用了一对光敏器件，其中，光敏器件之一被有选择地暴露于入射光，以产生能被用来测量入射光强度的差分电流信号。该光敏器件可以是具有能够将诸如980nm或1300nm的较长波长的光转换为电流的硅锗(SiGe)吸收区的光电晶体管。该SiGe光电晶体管可以被制作在硅衬底上。因此，该SiGe光电晶体管和光检测器的其他电子元件能被集成到单一的半导体结构中。使用由光敏器件产生的差分电流，该光检测器能以增加的灵敏度和低的噪声检测诸如980nm或1300nm的波长长于850nm的入射光。
根据本发明，一种光检测器包括差分对光电晶体管，其中，一个光电晶体管被不透明层屏蔽于入射光。每个光电晶体管可以包括由硅锗合金形成的吸收区，该吸收区使得光电晶体管能对诸如980nm或1300nm的波长较长的光敏感。此外，该硅锗吸收区允许使用标准的硅锗制作工艺将光电晶体管制作在硅衬底上。该光检测器还包括能为光电晶体管提供高阻抗电压和差分跨导倒数增益的跨导倒数放大器。
在入射光存在时，被暴露的光电晶体管响应入射光产生输出电流信号，而被屏蔽的光电晶体管产生参考电流信号。该输出和参考电流信号被跨导倒数放大器和作为差分放大器工作的光电晶体管放大。这些经过放大的信号然后能被用来检测入射光。
结合附图，举例示出了本发明的原理，本发明的其他方面和优点将从下面详细的描述中变得清楚。
图1是根据本发明的示例性实施例的光检测器的示意图；图2是包括在图1的光检测器中、暴露于入射光的SiGe光电晶体管的平面版图；图3是图2的SiGe光电晶体管的横截面视图；图4是包括在图1的光检测器中的SiGe光电晶体管的横截面视图，该光电晶体管被不透明的金属层覆盖来将光电晶体管屏蔽于入射光。
图5是根据本发明的示例性实施例的测量入射光的方法的流程图；图6是根据本发明示例性实施例的检测入射光的方法的流程图。
具体实施例方式
参考图1，示出了根据本发明的示例性实施例的光检测器100。该光检测器利用其中仅有一个光电晶体管暴露于入射光的差分对硅锗(SiGe)光电晶体管102和104来产生差分电流，该差分电流被放大两倍并转换为差分电压信号。差分电压信号能被用来测量入射光的强度。SiGe光电晶体管能被制作在Si衬底上，从而该光电晶体管和光检测器的其他Si基电子元件能集成在单一的半导体结构中。使用差分对SiGe光电晶体管，光检测器能以增加的灵敏度和低的噪声对诸如980nm或1300nm的波长长于850nm的光进行检测。
如图1所示，光检测器100包括跨导倒数放大器106、偏置双极型晶体管108和差分对SiGe光电晶体管102和104。该跨导倒数放大器工作来为SiGe光电晶体管提供高的阻抗电压。该跨导倒数放大器具有与SiGe光电晶体管电连接，用于提供高的电流增益和偏置的输入端110和112。该跨导倒数放大器还具有输出端114和116，用于输出源于SiGe光电晶体管102和104所产生的差分电流的差分电压信号。
跨导倒数放大器106包括一对双极型晶体管118和120、电阻122、124、126和128以及电流源130。电阻122和124被分别连接到电源电压VDD和双极型晶体管118和120。晶体管118的集电极被连接到电阻122，而晶体管118的发射极被连接到电流源，该电流源接地。同样地，晶体管120的集电极被连接到电阻124，而晶体管120的发射极被连接到电流源。晶体管118和120的基极分别被连接到输入端110和112。晶体管118的基极也被连接到电阻126，而电阻126以并联反馈结构连接到晶体管118的集电极。同样地，晶体管120的基极被连接到电阻128，而电阻128被连接到晶体管120的集电极。
跨导倒数放大器106的工作在电子学领域是熟知的，因此在这里就不详细地描述了。该跨导倒数放大器工作来放大由SiGe光电晶体管102和104所产生的差分电流，以在输出端114和116上生成差分电压信号。因此，该跨导倒数放大器为SiGe光电晶体管102和104所产生的差分电流提供了差分跨导倒数增益。在输出端114上的差分电压信号对应于由SiGe光电晶体管102所产生的差分电流，而输出端116上的差分电压信号对应于由SiGe光电晶体管104所产生的差分电流。
如上所述，光检测器100的SiGe光电晶体管102和104工作，响应入射光来产生差分电流。构建光检测器以使仅有SiGe光电晶体管102暴露于入射光。另一个SiGe光电晶体管104则被屏蔽于入射光，如下所述。因此，只有SiGe光电晶体管102所产生的差分电流包括作为吸收入射光的结果而产生的电流，即光生电流。由于SiGe光电晶体管104被屏蔽于入射光，由SiGe光电晶体管104所产生的差分电流不包括任何光生电流，因此能被用作测量由SiGe光电晶体管102所产生的差分电流中的光生部分的参考。由SiGe光电晶体管102所产生的差分电流在这里被称为光相关基极电流(photo-related base current)；而由SiGe光电晶体管104所产生的差分电流在这里被称为参考基极电流，这可以是标称值。由SiGe光电晶体管102和104所产生的两个差分电流之间的差异是对入射光强度的量度。
SiGe光电晶体管102和104被配置为差分放大器。因此，由SiGe光电晶体管产生的差分电流被该光电晶体管放大。SiGe光电晶体管102和104的发射极都被连接到偏置晶体管108，而晶体管108接地。该偏置晶体管响应施加到其基极上的CONTROL信号，为SiGe光电晶体管提供偏置电流。SiGe光电晶体管102和104的基极被配置成接收REF1和REF2信号，它们对由每个光电晶体管所传导的电流量进行控制。在该示例性实施例中，REF1和REF2信号是同样的，从而由SiGe光电晶体管102所产生的光相关基极电流和由SiGe光电晶体管104所产生的参考基极电流之间的仅有的差值是由光电晶体管102上的入射光所造成的光生电流。SiGe光电晶体管的集电极被连接到跨导倒数放大器106的输入端110和112，跨导倒数放大器106对经过放大的由SiGe光电晶体管102和104所产生的差分电流进一步放大，并且在输出端114和116上产生差分电压信号。
在这里将SiGe光电晶体管102和104图示和描述为双极型晶体管。但是，SiGe光电晶体管可以是其他类型的光电晶体管，例如光敏场效应管(FET)。在结构上，两个SiGe光电晶体管是相同的。因此，仅有SiGe光电晶体管102在这里被详细地描述。图2示出了SiGe光电晶体管102的平面版图，而图3示出了该SiGe光电晶体管的横截面视图。如图所示，SiGe光电晶体管102包括n型集电极区202，p型基极区204和n型发射极区206。虽然图示了五个n型发射极区，该SiGe光电晶体管可以包括更少或更多个n型发射极区。如图3所示，集电极区202形成在Si衬底302上。基极区204形成在集电极区中，同样地，发射极区206形成在基极区中。发射极区形成在基极区中，从而发射极区确定了拉长的区域，如图2所示。从而，基极区包括对应的由基极区确定的、在基极区之间以及在最外面的基极区和集电极区之间的拉长部分。
如图3所示，SiGe光电晶体管102还包括SiGe合金层304，这被用作能吸收波长长于850nm，例如1300nm的光的光子吸收层。截止波长将是该SiGe层确切成分的函数。该SiGe层能由低温外延有选择地沉积在集电极区202上。例如，该SiGe层可以在大约630摄氏度下生长到大约0.1微米厚。该SiGe光电晶体管的其他部分可以使用传统的半导体制作工艺进行制作。
SiGe光电晶体管102还包括集电极金属条208，基极金属条210和发射极金属条212，它们位于各自对应的区域上。这些金属条提供导电区来电气接触SiGe光电晶体管的各个区。但是，基极和发射极金属条阻止光到达光电晶体管的SiGe层304，在SiGe层304吸收光，并且生成电荷载流子对来产生电流。为了增加能到达SiGe层的光的量，在该SiGe光电晶体管中由基极和发射极金属条占据的共同面积减少了。与传统的双极型晶体管不同，发射极金属条212并不沿着各自的发射极区206的整个长度延伸，如图2所示。发射极金属条的延伸短于各自的发射极区长度的一半。在示例性实施例中，发射极金属条的延伸短于各自的发射极区长度的四分之一。此外，该SiGe光电晶体管仅在最外面的发射极区和集电极区之间包括两个基极金属条210。传统的双极型晶体管还包括在发射极区之间的基极金属条。因此，该SiGe光电晶体管102的由基极和发射极金属条占据的面积显著地减少，以增加能够到达SiGe层304用于光电转换的光的量。该结构将在基极和发射极接线端具有增大的寄生电阻。但是，由于速度并不是主要的关注之处，所以这是一个好的折衷方案。
如上所述，SiGe光电晶体管104在结构上与SiGe光电晶体管102相同。但是，如图4所示，该SiGe光电晶体管104由不透明的金属层402所覆盖，该不透明金属层402将该光电晶体管屏蔽于入射光。对该不透明的金属层加工图案，以便只有SiGe光电晶体管102被暴露。SiGe光电晶体管104的各个金属条208、210和212由绝缘层404与不透明的金属层电绝缘，该绝缘层404可以是SiO2层。由于不透明的金属层，光检测器100上的任何入射光仅能到达SiGe光电晶体管102。因此，由SiGe光电晶体管104产生的基极电流信号不受入射光影响。即，SiGe光电晶体管104的基极电流信号不包括任何来自吸收入射光产生的电流的贡献。
光检测器100可能不适合作为前端检测器，因为SiGe光电晶体管102的灵敏度对于这样的应用可能是不够的。但是，该光检测器能很好地起到用于测量光纤器件的激光器的连续性能的监测器件的功能。例如，这样的光检测器的阵列可以被制作在单一的硅芯片上，并被连接于激光器的阵列来一个一个单独地检测激光器的性能。将该光检测器用作监测器件使得得以对激光器老化的工作状况进行补偿，这将增加光纤器件的有用的工作寿命。
参考图5的流程图描述光检测器100的工作。在方框502，高阻抗电压通过跨导倒数放大器106被提供给差分对SiGe光电晶体管102和104。高阻抗电压被施加到光电晶体管的集电极。此外，偏置电流由偏置双极型晶体管108提供给SiGe光电晶体管。接下来，在方框504，入射光被光检测器所接收。由于SiGe光电晶体管104被不透明的金属层402所覆盖，入射光仅能被SiGe光电晶体管102接收。这样，在方框506，差分基极电流由SiGe光电晶体管102和104产生。接下来，在方框508，差分基极电流由起到差分放大器功能的SiGe光电晶体管102和104放大。在方框510，经过放大的差分电流被跨导倒数放大器106进一步放大，并被转化为在输出端114和116上的差分电压信号。
在示例性实施例中，由跨导倒数放大器106提供的高阻抗电压使得SiGe光电晶体管102和104的Vce电压足够高，以使光电晶体管接近或进入雪崩区工作。因此，光相关基极电流信号和参考基极电流信号之间的差值被最大化。此外，因为工作于雪崩或击穿状态的器件表现出较低的噪声，所以噪声降低了。
参考图6，描述根据本发明示例性实施例的检测入射光的方法。在步骤602，在第一光电晶体管接收入射光。该入射光可以是波长长于850nm的光。在示例性实施例中，第一光电晶体管是具有SiGe合金的光子吸收层的Si基光电晶体管。接下来，在步骤604，由第一光电晶体管响应入射光产生输出电流信号。在步骤606，由第二光电晶体管产生参考电流信号，该第二光电晶体管被屏蔽于入射光，从而参考电流信号不受入射光影响。在示例性实施例中，第二光电晶体管在结构上与第一光电晶体管相同。输出电流信号和参考电流信号是提供入射光差分电流检测的差分信号。
虽然对本发明的特定实施例进行了描述和图示，但是本发明并不局限于这样描述和图示的特定形式或配置。本发明的范围由这里所附的权利要求及它们的等同物所确定。
权利要求
1.一种光检测器，包括第一光电晶体管，包含锗，被配置成响应入射光产生输出电流信号；第二光电晶体管，与所述第一光电晶体管电耦合，所述第二光电晶体管被配置成产生参考电流信号；和不透明层(402)，位于所述第二光电晶体管上方，来阻止所述入射光到所述第二光电晶体管，因而所述参考电流信号不受所述入射光影响，所述输出电流信号和所述参考电流信号提供对所述入射光的检测。
2.如权利要求1所述的光检测器，其中，所述第一光电晶体管包括包含所述锗的吸收区。
3.如权利要求2所述的光检测器，其中，所述第一光电晶体管的所述吸收区包含硅锗合金。
4.如权利要求3所述的光检测器，其中，所述第一光电晶体管的所述吸收区的厚度大约为0.1微米。
5.如权利要求1所述的光检测器，还包括硅衬底，所述第一和第二光电晶体管被制作在所述硅衬底上。
6.如权利要求1所述的光检测器，其中，所述第一和第二光电晶体管中的至少一个包括在第二导电区中的拉长的多个第一导电区和多个耦合到所述拉长的多个第一导电区的导电条，每个所述导电条的延伸长度短于对应的第一导电区长度的一半。
7.如权利要求1所述的光检测器，其中，所述第一和第二光电晶体管中的至少一个包括在第二导电区中的拉长的多个第一导电区和至少一个有选择地耦合到所述第二导电区的导电条，从而由所述拉长的多个第一导电区确定的所述第二导电区的拉长部分中的一些没有耦合到所述至少一个导电条。
8.如权利要求1所述的光检测器，还包括连接到所述第一和第二光电晶体管，用于提供高阻抗电压和差分跨导倒数增益的跨导倒数放大器。
9.一种检测入射光的方法，包括在包含锗的第一光电晶体管接收所述入射光；和由所述第一光电晶体管响应所述入射光产生第一信号；和由第二光电晶体管产生第二信号，所述第二光电晶体管被屏蔽于所述入射光，从而所述参考电流信号不受所述入射光影响，所述第一和第二信号提供对所述入射光的检测。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一信号的所述产生包括在所述第一光电晶体管的吸收区将所述入射光的一部分转换为电流，所述吸收区包含所述锗。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一和第二光电晶体管中的至少一个被制作在硅衬底上。
12.如权利要求9所述的方法，还包括使用包括所述第一和第二光电晶体管的差分放大器放大所述第一和第二信号。
13.如权利要求12所述的方法，还包括提供足够的电压到所述第一和第二光电晶体管，从而所述第一和第二光电晶体管接近或进入雪崩区工作。
14.如权利要求12所述的方法，还包括使用跨导倒数放大器放大所述第一和第二信号。
15.一种光检测器，包括硅基衬底；制作在所述硅基衬底上的第一和第二光敏器件，所述第一和第二光敏器件被配置成产生差分电流信号，所述第一光敏器件包括包含锗的吸收区；和不透明层，位于所述第二光敏器件上方，用于有选择地将所述第二光敏器件屏蔽于所述入射光，从而所述差分电流信号中的一个是由所述第一光敏器件响应所述入射光产生的，所述差分电流信号提供对所述入射光的检测。
16.如权利要求15所述的光检测器，其中，所述吸收区包含硅锗合金。
17.如权利要求15所述的光检测器，其中，所述第一和第二光敏器件中的至少一个包括光电晶体管。
18.如权利要求17所述的光检测器，其中，所述光电晶体管包括在第二导电区中的拉长的多个第一导电区和耦合到所述拉长的多个第一导电区的多个导电条，每个所述导电条的延伸长度短于对应的第一导电区长度的一半。
19.如权利要求17所述的光检测器，其中，所述光电晶体管包括在第二导电区中的拉长的多个第一导电区和至少一个有选择地耦合到所述第二导电区的导电条，从而由所述拉长的多个第一导电区确定的所述第二导电区的拉长部分中的一些没有耦合到所述至少一个导电条。
20.如权利要求17所述的光检测器，还包括连接到所述光电晶体管来提供高阻抗电压和增益的跨导倒数放大器，从而所述光电晶体管能接近或进入雪崩区工作。
全文摘要
一种用于检测入射光的光检测器和方法利用了一对光敏器件，在该一对光敏器件中，一个光敏器件被有选择地暴露于入射光来产生能被用来测量入射光强度的差分电流信号。该光敏器件可以是具有能够将诸如980nm或1300nm的波长较长的光转换为电流的硅锗(SiGe)吸收区的光电晶体管。该SiGe光电晶体管可以被制作在硅衬底上。
文档编号H01J40/00GK1503378SQ0315033
公开日2004年6月9日 申请日期2003年7月25日 优先权日2002年11月25日
发明者格雷厄姆·麦克雷·弗劳尔, 格雷厄姆 麦克雷 弗劳尔 申请人:安捷伦科技有限公司