[发明专利]硅光子检测器

说明书

技术领域

本发明一般关于一种半导体装置与半导体过程的领域。在一态样中，本发明关于一种用于在讯息处理系统感测或使用光线的方法或设备。

背景技术

使用光线的光学光子电流以提供高带宽、低功率以及高速率讯息转换，但关于讯息过程用于现有的集成电路之接口，光线讯息必须转换入射的电子讯息，且与集成电路兼容。先试着开发光子检测器，结果光子检测器所生产使用的材料性质或光子检测器的设计有遇到功能上的问题。例如，以硅为基础的光检测器在能量1.1eV下的充电转换光线是非常低效(如比约1050nm更大的波长)，因为关连到硅有间接绷带。额外的，习知电荷耦合组件(CCD)、互补式金氧半导体(CMOS)或双极性互补金氧半导体(BJT)光检测器相对缓慢(因为必须充电与放电或回复固有的遥控时间)，需要太多的空间(因为低效检测器必须有大的活动面积)，缺乏内在增益，以及不能用检测中红外线光(因为在光波长1100nm上检测到的效率接近零)。然而，因为透光的硅主体允许光学信号穿过硅衬底，其要求整合第一光学将于1500nm(如约0.8eV)左右进入硅芯片。更详之，电信产业在许多方面有完善的高带宽1500nm光的电信，但有使用别种半导体聚合Ш-V材料(如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP))，对于现有的互补式金氧半导体(CMOS)不具有容易与廉价的整合。

因此，需要一种改良的集成电路光子检测器装置、方法及系统，其满足各种于上述发明所发现的习知问题，尽管需了解此相关技术段落的说明并不打算提供作为承认其叙述的内容为背景技术，其中，本领域的技术人员在审阅本发明应用以及参阅附图及其说明之后即能清楚明了传统解决问题和技术的各种限制和缺点。

发明内容

广义来说，揭露一种小型硅基光学检测器，用于利用具有浮体的绝缘体上半导体检测可见光和中红外光，该浮体有效捕捉来自检测光的多余载体，当读取该检测器时，其增强了漏极电流。在光子检测模式中，该绝缘体上半导体检测器晶体管的栅极、漏极及源极端保持在第一固定电压(例如：Vss)，以至于该浮体绝缘体上半导体检测器晶体管本体收集由具有波长达到至少1500nm的入射光的光子所导致的电荷。在读取模式中，为了增进装置灵敏度同时提供良好增益，可通过将该漏极与栅极端提升至所选择的第二固定参考电压(Vref)或者近乎未照光的晶体管阈值电压(Vt)，而在源极端读取该本体内的多余电荷。这些在该本体内的多余载体(NMOS的电洞与PMOS的电荷)将继续留在该本体中，但将静电耦合至晶体管沟道，其造成在读取模式中降低该阈值电压并因而增强漏极电流。在重置模式中，通过将该栅极电压设定为该第一固定电压(例如：Vss)以及将该漏极端的电压降低至负电压而在该本体中逐渐扩散以移除该本体电荷。在此方式中，该光学检测器将该光子转换为具有增益的电子信号。在选择的实施例中，可以标准CMOS工艺来制作所揭露的光学检测器以整合为用于任何硅光学光子应用的检测器，包含时钟分配与讯息转换。在选择的实施例中，可利用多个平行堆迭的绝缘体上半导体光学检测器的架构来增加该光学检测器的效率。额外的或替代的，可利用设置有数个晶体管在光束路径中的架构来增加该光学检测器的速度，而该光束路径被交替地设定为检测模式、读取模式、及重置模式以增加检测速度。

于一选择的示范实施例，揭露一种浮体光子检测器及方法。所揭露的浮体光子检测器包含形成在衬底上的半导体上绝缘体层(例如形成在埋藏绝缘体层上的单晶硅层)。在该半导体上绝缘体层中，配置有漏极区、源极区及分隔开该源极与漏极区的浮体区。该浮体光子检测器亦包含配置以至少大幅覆盖该绝缘体上半导体层的浮体区并通过栅极介电质与该浮体区绝缘。因为这个结构，该浮体光电晶体管于第一光源未照射该浮体区时具有第一相对高阈值电压，而于该第一光源照射该浮体区时管具有第二相对低阈值电压。于操作中，当施加第一相对低参考电压于该栅极电极与源极和漏极区时，该浮体区捕捉该第一光源的多余载体，以至于当施加相对高参考电压于该栅极电极与漏极区而该源极区维持在该第一相对低参考电压时，可检测多余电荷为增强漏极电流。在选择的实施例中，该源极和漏极区为n型源极和漏极区，而该浮体区为局部空乏的p型浮体区，导致构成n型或NMOS光电晶体管。在其它实施例中，该源极和漏极区为p型源极和漏极区，而该浮体区为n型浮体区，导致构成p型或PMOS光电晶体管。使用恰当的掺杂与设计，当具有波长达到至少1500nm的第一光源照射浮体区时，该浮体光电晶体管具有该第二相对低阈值电压。

附图说明