静电放电防护结构

摘要

提供了用于基于光子平台的光电二极管系统的静电放电防护结构。具体地，本申请提供了光电二极管组件，该光电二极管组件包括：光电二极管(如Si或SiGe光电二极管)；波导(212)(如硅波导)；以及防护结构，其中，该防护结构包括二极管，该防护结构围绕Si或SiGe光电二极管的全部周围或基本上全部周围延伸并且允许来自硅波导(212)的光传播到Si或SiGe光电二极管中。

权利要求

1.一种光电二极管组件，包括：

光电二极管, 包括p掺杂区域、n掺杂区域以及位于所述p掺杂区域与所述n掺杂区域之间的本征区域，其中，三个区域位于不同平面；

波导，所述波导与所述光电二极管通信；

静电放电防护结构，围绕所述光电二极管，与所述p掺杂区域、所述n掺杂区域、所述本征区域中的至少一个区域位于不同平面，其中，所述静电放电防护结构为二极管结构，所述静电放电防护结构包括与所述波导对准的开口；

导电桥，用于将所述开口两侧的静电放电防护结构电连接。

2.根据权利要求1所述的光电二极管组件，其特征在于，所述静电放电防护结构为下面几种结构中的任意一种：横向结二极管防护环，绝缘体上硅（SOI）栅控二极管防护环和双阱场效应二极管防护环。

3.根据权利要求1或2所述的光电二极管组件，其特征在于，所述静电放电防护结构包括用于传输电荷的重掺杂硅p区域。

4.根据权利要求1所述的光电二极管组件，其特征在于，所述开口与所述波导至所述光电二极管的入口对应。

5.根据权利要求4所述的光电二极管组件，其特征在于，所述开口和所述入口在与所述波导的平面垂直的方向上对应。

6.根据权利要求4或5所述的光电二极管组件，其特征在于，所述开口的数量为两个。

7.根据权利要求4或5所述的光电二极管组件，其特征在于，所述开口中填充在由所述光电二极管检测到的光的波长处光学透明的材料。

8.根据权利要求1所述的光电二极管组件，其特征在于，所述光电二极管的电流传输方向与所述静电放电防护结构的电流传输方向存在夹角。

9.根据权利要求1所述的光电二极管组件，其特征在于，所述静电放电防护结构与所述波导共面，所述静电放电防护结构的开口包括在由所述光电二极管检测到的光的波长处光学透明的结构。

10.根据权利要求1所述的光电二极管组件，其特征在于，所述静电放电防护结构与所述波导不共面，所述静电放电防护结构包括以下中至少之一：所述静电放电防护结构设置在与所述波导的平面平行的平面中，并且与所述波导充分隔开，使得所述静电放电防护结构减少吸收在由所述光电二极管检测到的光的波长处的光；以及所述静电放电防护结构的开口包括在由所述光电二极管检测到的光的波长处光学透明的结构。

11.根据权利要求1所述的光电二极管组件，其特征在于，所述光电二极管包括Si、SiGe、III‑V族材料或其组合。

12.根据权利要求1所述的光电二极管组件，其特征在于，所述静电放电防护结构包括Si、Ge、SiGe、III‑V族材料或其任何组合。

13.根据权利要求1所述的光电二极管组件，其特征在于，所述波导包括硅波导。

说明书

静电放电防护结构

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请是国际申请日为2016年10月27日，申请号为“201680078090.3”的中国申请的分案申请，其中，在先的中国申请通过引用结合在本分案申请中。

技术领域

[0003] 本申请属于光子学领域。更具体地，本申请涉及光电二极管及其制造方法和用途。

背景技术

[0004] 光电二极管（Photodiode，PD）是能够将光转换为电流或电压的半导体光电探测器。最常用的光电探测器是正型‑负型（p‑n）光电二极管、正型‑本征型‑负型（p‑i‑n）光电二极管和雪崩光电二极管。

[0005] 在p‑n PD的p‑n结处或在p‑i‑n光电二极管的本征区或i区处吸收的光子生成一对电流载流子——价带中的空穴和导带中的电子，上述一对载流子朝向相应的p掺杂区域和n掺杂区域漂移。入射光生成光电流，其中电压输出单调地依赖于入射光的量。雪崩光电二极管在其最简单的形式下是施加有非常高的反向偏置电压的p‑i‑n二极管。更高级的雪崩光电二极管包括被称为倍增层的附加层，在倍增层中，电流载流子通过被称为碰撞电离的过程而倍增。

[0006] 由于其简单性、紧凑性和易于操作，PD已经广泛用于消费电子设备例如光盘播放器、烟雾探测器以及DVD播放器和电视机中的用于遥控的接收器。PD经常用于科学和工业以及各种医疗应用中的光功率的精确测量。在光通信系统中，PD用于将光信号转换为电信号。

[0007] 来自相邻物体（如人体）的静电放电（Electrostatic discharge，ESD）是电子集成电路（electronic integrated circuit，IC）和光电子器件故障的主要原因。对于IC和非硅基光电子部件，ESD已经被充分地研究和标准化。具体地，已经报道了诸如激光二极管、发光二极管和InGaAs光电二极管的非硅光电子部件的ESD灵敏度。

[0008] 为了保护光电二极管免受ESD影响，电子制造商控制空气湿度，提供接地的地面和台面，并且引入特殊的封装过程和材料。这些措施实施起来很昂贵，而且并非完全有效，有时难以检测到残留的ESD损害。此外，如果不采取类似的预防措施，则ESD可能在客户现场处损坏PD。

[0009] 对于基于光学平台的系统例如具有共封装（非单片）驱动电路的硅光子（silicon photonics，SiPh），先前的公开指出应该包括ESD保护。然而，迄今为止，这些公开没有提供如何实现针对SiPh的ESD保护的指导；此外，这些公开没有公开或建议包括ESD保护的任何光子元件的设计或制造。

[0010] 因此，需要针对SiPh系统的ESD保护。

[0011] 上述信息被提供以用于形成申请人认为可能与本发明相关的已知信息的目的。没有任何承认必然意在，也不应当被解释为：任何上述信息都构成本发明的现有技术。

发明内容

[0012] 本申请的目的是为硅光电二极管系统提供静电放电保护。

[0013] 根据本申请的一个方面，提供了一种光电二极管组件，该光电二极管组件包括：光电二极管；与该光电二极管通信的波导（如硅波导）；以及防护结构，其中，该防护结构围绕光电二极管的基本上全部周围延伸并且包括二极管，其中，当防护结构与波导共面时，防护结构包括以下中至少之一：

[0014] 间隙；以及

[0015] 在能够由光电二极管检测到的光的波长处基本上光学透明的结构，以及

[0016] 其中，当防护结构与波导不共面时，适用以下中至少之一：

[0017] 防护结构设置在与波导的平面平行的平面中，并且与波导充分隔开，使得防护结构基本上不吸收在能够由光电二极管检测到的光的波长处的光；

[0018] 防护结构包括间隙；以及

[0019] 防护结构包括在能够由光电二极管检测到的光的波长处基本上光学透明的结构。

[0020] 在一些实施方式中，光电二极管是垂直PIN二极管。在其他实施方式中，光电二极管是PN横向结二极管。

[0021] 在一些实施方式中，上述光电二极管组件的光电二极管由Si、SiGe、III‑V族材料或其任意组合构成。

[0022] 在一些实施方式中，上述光电二极管组件的防护结构包括PIN或PN横向结二极管、P+/N阱（或N+/P‑阱）垂直结、齐纳二极管或其组合。例如在防护环包括设置成与波导至光电二极管中的入口对应的一个或两个孔的情况下，防护结构可选地是连续的防护环或不连续的防护环。

[0023] 在一些实施方式中，防护结构由Si、Ge、SiGe、III‑V族材料或其任意组合构成。

附图说明

[0024] 为了更好地理解如本文中描述的申请以及本申请的其他方面及另外的特征，参考以下结合附图使用的描述，其中：

[0025] 图1示意性地描绘了包括两个监测光电二极管的集成硅光子开关单元；

[0026] 图2描绘了包括ESD防护结构的垂直PIN光电二极管的一个实施方式，该ESD防护结构是具有一个或两个孔的横向PIN二极管防护环，其中，图2A是垂直PIN PD的横截面图；图2B是PIN PD的一个实施方式和防护环的电连接图；图2C是PIN PD的另一个实施方式与包括保护二极管的组合的防护环的电连接图；图2D是单向的PIN PD的俯视图；图2E是双向的PIN PD的俯视图；

[0027] 图3描绘了如图2所示的结合在垂直PIN光电二极管中的层；

[0028] 图4描绘了垂直PIN光电二极管的一个实施方式，该垂直PIN光电二极管包括作为具有一个或两个孔的横向PN结二极管防护环的ESD防护结构，其中，图4A是具有横向防护环二极管的垂直PIN PD的横截面图；图4B是与保护二极管并联连接的PD的电连接图；图4C是单向的PIN PD的俯视图；图4D是双向的PIN PD的俯视图；

[0029] 图5描绘了包括作为SOI栅控二极管的ESD防护结构的垂直PIN光电二极管的一个实施方式，其中，图5A是垂直PIN PD的横截面图；图5B是垂直PIN PD与SOI栅控二极管防护结构的电连接图；图5C是单向PIN PD的俯视图；图5D是双向PIN PD的俯视图；

[0030] 图6描绘了包括作为双阱场效应二极管的ESD防护结构的垂直PIN光电二极管的一个实施方式，其中，图6A是垂直PIN PD的横截面图；图6B是垂直PIN PD与双阱场效应二极管防护结构的电连接图；图6C是单向PIN PD的俯视图；图6D是双向PIN PD的俯视图；

[0031] 图7描绘了垂直PIN光电二极管的一个实施方式，该垂直PIN光电二极管包括作为“BOX下”基板二极管的ESD防护结构，其中，图7A是垂直PIN PD的横截面图；图7B是垂直PIN PD的电连接图；图7C是单向PIN PD的俯视图；图7D是双向PIN PD的俯视图。

具体实施方式

[0032] 除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与如本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

[0033] 如说明书和权利要求中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个（a）”、“一个（an）”和“该（the）”包括复数指代。

[0034] 如本文中使用的术语“包括”将被理解为意味着下面的列表是非穷尽的，并且适当时可以包括或可以不包括任何其他附加的合适项，例如一个或更多个其他特征、部件和/或成分。

[0035] 术语“ESD”在本文中用于指代静电放电。

[0036] 术语“PD”在本文中用于指代光电二极管或光电检测器，这两个术语可以交换使用。

[0037] 本文中使用术语“GS”来指代用于提供针对ESD的保护的防护结构，例如防护环或防护元件的组合。

[0038] 在本文中使用术语“SiPh”来指代硅光子。

[0039] 在本文中使用术语“SOI”来指代绝缘体上硅技术。

[0040] 在本文中使用术语“BOX”来指代埋置氧化物层。

[0041] 尽管下面提供的附图和描述尤其在相对位置方面描绘和描述了具有p型区域和n型区域的光电二极管结构，但是如本领域技术人员容易理解的，当所有p型区域和n型区域都被交换（注意，在每个结构中，所有区域都必须被交换，而不仅仅是一部分被交换）时，每个结构将以等同的方式起作用。通过示例，参照如所示的图2a，顶层是p+/i/n+/i/p+，底层是p ++/ p+/p++。合适的替代方案是以下结构：顶层是n+/i/p+/i/n+，底层是n++/n+/n++。

[0042] 光电二极管（PD）是SiPh管芯中的对ESD最敏感的元件之一。PD可能由于在结边缘处局部集中的电场而经受提前击穿。为了耐受高ESD电压，可以将PD设计成包括高电场均匀分布在结上的结构。PD也可能由于结上的高电场而经受击穿。解决该问题的一种方法是：设计与PD并联的保护二极管，其允许高电流放电或电压钳位（即，ESD分流）。

[0043] 在硅光子PD中成功地应用诸如防护环的防护结构（guard structure，GS）受光与GS区域的相互作用的限制。SiPh器件在Si通常透明且Ge强烈吸收的波长范围内操作。由于Ge是在SiPhs操作所在的波长范围内的光的强吸收体，因此Ge适合作为光电检测材料。然而，因为Ge是光的强吸收体，所以在防护结构中在光进入器件的位置处具有Ge区域可能是不利的，原因在于：在防护结构内吸收的光不会产生光检测的电流，因此PD的响应度会降低。更一般地，期望以以下方式配置防护结构：这些结构不干扰光检测以及光到光电检测器的传播，同时仍然可操作成减轻由ESD导致的击穿。

[0044] 当PD在所有侧面上被防护环结构围绕时，光可以从顶部或底部发送至PD而不遇到防护环。然而，当光通过与防护环平行且共面的波导被路由至PD时，防护环在波导与PD之间形成屏障。此外，即使当防护环相对于波导处于分离但平行的平面中时，防护环的附近也可能干扰通过穿过防护环的下方或上方的波导的光传播。本发明旨在提供避免或减轻这些困难的防护结构。这将允许在有限的平面区域内制造PD、防护结构和波导，这对于使用光刻（或增层）技术在晶片或其他结构上的制造是期望的。

[0045] 在第一方法中，防护结构和波导设置在平行但间隔开的平面中。在一个实施方式中，该间隔足够大以使得防护结构的光吸收受到限制。在替代方案中，防护结构包括至少一个孔，所述至少一个孔被设置成对应于从波导到PD的光传播的路径，从而减少防护结构的光吸收。在该方法中，GS可以例如在波导上方，并且可以与PD共面。可替选地，GS可以在波导下方，如在掩埋氧化物层之下。

[0046] 在第二方法中，防护结构和波导在同一平面中。在该方法的大多数实施方式中，防护结构包括至少一个孔，所述至少一个孔被布置成允许光从波导到PD中的传播。在替代实施方式中，防护结构不包括孔。在这样的实施方式中，防护结构的全部或一部分由在能够由PD检测的光的波长处不吸收光或仅最低限度地吸收光的半导体材料制成。在防护结构的仅一部分由在PD所需的波长处不吸收光或仅最低限度地吸收光的半导体材料制造的情况下，该部分被设置成对应于波导至光电二极管中的入口。

[0047] 在一些实施方式中，包括在防护结构中的一个或更多个孔中的每个孔包括电连接在孔的任一侧上的防护结构的光学上不吸收的半导体材料。

[0048] 在防护结构包括孔的实施方式中，可选地包括桥结构，该桥结构电连接在孔的任一侧上的防护结构。当防护结构设置在集成电路的层上时，桥结构可以包括：第一过孔，其将孔的第一侧上的防护结构连接至集成电路的第二层；第二过孔，其将孔的第二侧上的防护结构连接至所述第二层；以及导电迹线，其形成在所述第二层上以电连接第一过孔和第二过孔。

[0049] 在SiPh系统中，用于制造GS的可用光学材料是电介质（如二氧化硅和氮化硅）和IV族材料（具体地，Si、Ge以及SiGe的各种组分，包括由Si、Ge和SiGe构成的量子阱）。与III‑V族材料（即，InP/InGaAs/InGaAsP/InGaAlAs/GaAs/GaAlAs材料家族）类似，可以通过改变量子阱几何形状和/或SiGe组分来改变带隙。然而，与Si或Ge本身相比，SiGe和量子阱制造更复杂，特别是对于集成光子学所需的大面积且厚的层。III‑V材料可以是晶格匹配的，并且可以生长具有很少缺陷的复杂多组分结构。然而，Si、Ge和SiGe材料不能被晶格匹配，因此，生长具有很少缺陷的复杂多组分结构有挑战。构造包括PD的有用SiPh电路的IV族材料的最小数量是两个：用于波导芯的Si和用于PD的Ge。

[0050] 本申请提供了可应用于集成SiPh PD保护的ESD防护结构（guard structure，GS）。本申请的GS围绕要保护的硅PD的全部或基本上全部的周围延伸，并且被配置成允许至PD的本征区中的光传播，在PD的本征区中，光被转换为光电流。GS通常形成环形状。PD可以至少部分地与GS位于相同的平面中，在这种情况下，环围绕PD的至少一部分。可替选地，PD可以位于GS的平面的上方或下方，同时仍然靠近GS。在这种情况下，环的开口与PD对准。光经由位于与包括GS的第二平面区域平行（并且可以共面）的第一平面区域中的波导传播至PD。GS可以包括与波导对准的孔，使得波导穿过孔的下方或上方。孔用于减轻当光通过穿过孔的下方或上方的波导传播时GS对光的干扰。

[0051] 如本领域技术人员容易理解的，当涉及GS对光传输的干扰时，重要的是确保GS对能够由PD检测的波长处的光是透明的或部分透明的。重要的是确保GS不吸收或最低限度地吸收进入PD的感兴趣的波长（或信号波长）处的光。如上所述，这通过适当地选择用于制造GS的材料或通过在GS中包括一个或更多个孔来实现。不一定考虑GS对非信号波长下的光的吸收。

[0052] 如本文中关于GS所使用的，术语“开口”是指由环的弯曲内侧壁限制的环形状的内部。因此，例如，开口与字母“O”的内部对应。术语“孔”是指从外侧壁延伸到内侧壁的在GS环侧壁中的中断。因此，例如，孔与将“O”形环变换成“C”形结构的结构对应。

[0053] 在一个实施方式中，GS是围绕要保护的硅PD的整个周围延伸的防护环。在该实施方式的一个示例中，防护环设置在与波导充分隔开的平面中，以使GS在光传播中的干扰最小化。在替代示例中，GS的全部或一部分由适当掺杂的硅（Si）、锗（Ge）或硅/锗（SiGe）形成，使得防护环不吸收输入光或吸收最小量的光，从而允许至PD的本征区中的光传播。

[0054] 其中保护二极管特别地允许来自硅波导的光的传播的电保护二极管（或防护结构）和光电二极管的组合可能特别适合用在光电二极管是Si或Si/Ge的情况。

[0055] 如本领域技术人员容易理解的，除了硅或锗以外的材料也可以用于构造PD和/或GS。例如，III‑V族材料可以单独使用，或者与硅和/或锗组合使用。

[0056] 在一个实施方式中，GS是与波导共面的防护环，并且GS包括允许至PD的本征区中的光传播的孔。硅波导在孔处与环相交，从而避免环的光吸收。在一个示例中，孔包括例如环的未掺杂硅区域。

[0057] 根据PD布局，GS可以具有一个或两个孔，或者可以由一个或两个单独的掺杂半导体区域配置。具有一个孔的防护环（类似C形状）可以被设计成用于单向PD。具有两个孔的环或具有两个单独元件的GS可以被设计成用于双向PD。在GS包括至少两个孔或由单独的半导体区域构成的实施方式中，GS被认为是“不连续的”。

[0058] 在一些实施方式中，GS是不连续的并且可以包括围绕光电二极管布置的两个、三个或更多个电保护二极管，例如以形成单独二极管的环形形状。电保护二极管可以弯曲成弓形形状。波导可以通过二极管之间的间隙、在二极管之间的间隙上方或下方行进。在一些实施方式中，可以使用位于间隙上方或下方的导电桥或者使用位于间隙内的光学透明的半导体桥来电连接GS二极管。注意，在这些情况下，GS是电连续的，但是由于GS内的二极管的不连续性质，在本文中仍然被称为“不连续”。

[0059] 在GS不连续的实施方式中，可以例如通过与GS部分互连的接触、过孔和金属（例如，铝或铜）或掺杂多晶硅部分在GS部分之间引入电连接以创建桥。在该实施方式中，集成的SiPh波导在孔处与GS相交。金属桥可以以一定距离位于光波导区域上方或下方，在所述距离处，波导中的光不与金属显著地相互作用。这是期望的，原因是金属强烈地吸收光。掺杂多晶硅可以靠近光波导区域，使得波导中的光确实与掺杂多晶硅相互作用。然而，掺杂多晶硅是光的弱吸收体，因此，该掺杂多晶硅是基本透明的区域。一般而言，桥材料与来自波导的光相互作用越小，桥就可以越靠近波导设置（假设对于GS可以吸收的光的量具有给定的公差）。在极端情况下，桥对于相关波长下并且可以穿过波导的光是非常（或几乎完全）透明的。

[0060] 如上所述，在所有实施方式中，不一定跨光进入区域包括桥（例如，金属或掺杂多晶硅桥）。相反，防护结构可以在没有桥的情况下包括孔。当防护结构包括单个孔时，即使没有桥接，其仍然是连续的。当防护结构包括多个孔时，防护结构的每个单独部分可以作为单独的保护二极管操作，并且GS是不连续的。然而，无论存在的孔的数量如何，由桥提供的电连接通常在整个GS中提供改善的电荷分布，这可以提高GS的有效性。

[0061] 在一些实施方式中，可以使用位于半导体防护结构的上方或下方（例如在包括导电迹线的光子集成电路的平面上）并且使用过孔连接至防护结构的导电桥部分（通常为金属迹线）来提供防护结构的多个部分之间的电连接。

[0062] 目前提供的GS可以保护不同配置的PD，包括PIN垂直结PD和PIN横向结PD。

[0063] 本申请的GS可以包括一个或更多个二极管。具体的二极管结构可以根据要保护的PD的结构或应用而变化。如下面更详细地描述的，GS可以被配置为PIN或PN横向结二极管、P+/N阱（或N+/P‑阱）垂直结、齐纳二极管、SOI栅控二极管、双阱场效应二极管、BOX下二极管或其他组合。这些二极管类型对于本领域技术人员是已知的，但是之前没有被应用于本文中描述的GS。

[0064] 保护二极管将电连接至PD，以保护PD免受放电电流影响，从而增加器件对ESD事件的鲁棒性。GS通过以下操作来提供针对ESD事件的保护：（i）将ESD从PD中分流；以及/或（ii）对来自ESD的电磁场进行整形以避免ESD事件期间PD处的强梯度或者增强场均匀性，从而抑制ESD事件导致的击穿。GS限定PD以基本上避免与由ESD事件引起的不期望的电场局部增强相关联的尖角和相关特征。

[0065] GS可以形成在硅层中，以及/或者形成在锗层中。上述掺杂可以在Si或Ge（或两者）中。

[0066] 硅波导具有包括全厚度的硅的硅芯以及不具有硅的完全蚀刻区域。在一些实施方式中，可能存在包括较薄硅层的部分蚀刻区域。如此，可以提供硅带或硅脊形波导。锗可以沉积在硅芯的顶部上，或者沉积在硅的部分蚀刻区域上或完全蚀刻区域的二氧化硅上。

[0067] 本文中描述的片上ESD保护GS可以简化SiPh PD的当前替代方案的制造和处理要求。本GS允许应用保护，以增强SiPh PD对ESD事件的鲁棒性。如本文中描述的具有GS的集成SiPh PD的设计和制造与适用于硅光子的CMOS技术兼容。可以成功使用大节点尺寸工艺（例如，0.13 um）。

[0068] 现在参照附图来提供本GS和包括本GS的系统的具体实施方式的更多细节。应当注意的是，附图仅仅是示意性表示，并非旨在描绘本发明的具体参数。附图旨在仅描绘本发明的典型和示例性方面，并非旨在进行限制。

[0069] 附图和以下描述涉及要保护的PD是垂直PIN PD的具体实施方式。然而，容易理解的是，下面和附图中描述和示出的各种GS同样适用于其他PD（如SiPh PD，包括PIN横向结PD）的保护。

[0070] 图1示出了包括光开关单元110和两个监测光电二极管120的硅光子开关单元100的示例。输入光进入光开关110并且在输出波导处输出。输出光的一部分在两个监测光电二极管120处被捕获。如本文中所述，将GS结合至监测光电二极管120中降低了系统对ESD事件的敏感性。如上所述，本GS可以被结合至PIN PD中，例如但不限于Si PIN PD、Se/Ge PIN PD、InGaAs PIN PD、SOI上Ge型横向PIN PD、硅波导短暂对接耦接至本征Ge的SOI上Ge。这样的PIN PD可以是集成SiPh开关单元（如图1所示）的一部分，或者可以结合在需要光监测的其他系统中。

[0071] 图2描绘了具有垂直PIN PD的GS的实施方式。在该示例中，GS是PN横向结二极管防护环。

[0072] 图2A是描绘集成在诸如SOI管芯的SiPh单元中的具有垂直PIN配置的Ge‑PD 200的横截面图，Ge‑PD 200包括硅层210，硅层210包括在埋置氧化物（buried oxide，BOX）层220上制造的硅波导212。垂直PIN PD 200包括p+区域230、n+区域235以及位于p+区域与n+区域之间的本征Ge区域240。围绕垂直PIN PD 200的重掺杂硅p++区域250用于在SiPh单元内传导电荷。垂直PIN PD 200由GS即防护环260保护。如图2A所示，防护环260是设置在Ge层中的p+/i/n+横向结二极管，其中防护环260与PIN PD 200共享n+区域235，并且另外包括p +区域237。也就是说，n+区域235形成PIN PD 200和GS两者的一部分。如本领域技术人员容易理解的，图6A所示的结构的替代方案是如下类似配置：存在仅形成防护环的一部分的附加n+区域以及仅形成垂直PIN PD的一部分的单独的n+区域。例如，这两个单独的n+区域可以并排放置。

[0073] 图2B示意性地示出了包括阴极对阴极并联连接的垂直PIN PD 200和防护环260（作为保护二极管）的电路。三箭头代表从硅波导传播的入射光子。为了确保最佳操作，防护环260的反向电压击穿阈值可以被配置成：小于PIN PD 400的击穿电压，但高于PIN PD 200的偏置电压。

[0074] 其他连接也是可以的，例如，阴极对阳极，对于例如将存在于太阳能电池中的PIN PD 200用于“光伏”领域的情况。通过示例，图2C示出了垂直PIN PD 200与包括保护二极管的组合的防护环261的替代连接布局。更具体地，该示例使用用于在正ESD电压和负ESD电压两者下保护垂直PIN PD 200的防护环261，该防护环261包括具有与图2A所示的防护环260中使用的具有相同设计的保护二极管的组合。该电路包括三个并联支路：包括光电二极管200的第一支路；包括由防护环形成的第一ESD保护二极管的第二支路，该第一ESD保护二极管与光电二极管阴极对阴极连接；以及包括由防护环形成的另外两个串联连接的ESD保护二极管的第三支路，上述另外两个串联连接的ESD保护二极管分别与光电二极管阳极对阴极以及阴极对阳极连接。在电路的一个支路中存在串联连接的两个保护二极管的这种配置提供比光电二极管的反向偏置操作电压高的该分支的阈值电压。这保护光电二极管免受高电压的影响，该高电压的极性与光电二极管的反向偏置电压的极性一致。具有一个保护二极管的另一支路保护PD免受极性与PD的正向偏置电压一致的电压影响。该电路配置针对正电压和负电压两者提供ESD保护。

[0075] 图2D是具有防护环260并且被配置成用于通过包括单个孔262来进行单向光输入的垂直PIN PD 200的俯视图，其中单个孔262与到PD的光路对准。在该实施方式中，孔262包括在孔262的两侧上电连接至防护环的金属桥264，然而，如本领域技术人员容易理解的，该桥是可选的。金属桥包括远离防护环和光路延伸的一对过孔（或柱）。每个过孔的第一端连接至防护环，而过孔的与第一端相对的第二端通过导电材料如金属迹线耦接。因而，连接至孔的两侧的导电材料位于远离光路处。

[0076] 孔262配置的存在减少光与防护环260的掺杂环的可能的相互作用。因此，光能够穿过防护环260或者沿着防护环260至PD 200，同时避免在形成防护环的Ge的掺杂区域中的吸收。在该示例中，孔可选地包括对具有能够由PD检测到的光的波长的光而言光学透明的或基本上光学透明的材料。孔被设置成使得具有对于PD感兴趣的波长的光从波导传递至PD。应当注意的是，由于防护环260与波导212不在同一平面中，因此虽然防护环260具有孔可能是有益的，但是防护环260不必具有孔。

[0077] 垂直PIN PD 200的层在图3中示出，并且与标准垂直PIN PD的层类似，包括具有波导212的底部硅层210，在底部硅层210上层叠有掺杂p+ Si区域230，随后是重掺杂p++ Si区域250、本征Ge层240、具有掺杂p+ Ge层237的掺杂n+ Ge层235、用于接触的金属过孔470以及用于布线的金属区域480。为了简单起见，图3中未示出金属桥264。

[0078] 图2E是具有防护环260并且被配置成用于通过包括两个孔262a和262b来进行双向光输入的垂直PIN PD 200的俯视图。在该实施方式中，每个孔262a和262b可选地被金属桥264跨越。该配置减轻光与防护环260的掺杂环的相互作用，并且光能够双向地穿过防护环
260或者沿着防护环260至PD 200而没有在掺杂Ge中被吸收。此外，在该示例中，一个或两个孔可选地包括在能够由PD检测到的光的波长处光学透明或基本上光学透明的材料。孔被设置成沿着通过波导的光路延伸，因此具有对于PD感兴趣的波长的光从波导传递至PD。应当注意的是，由于防护环260与波导212不在同一平面中，因此虽然防护环260包括孔可能是有益的，但是防护环260不必包括孔。

[0079] 图4描述了GS的另一实施方式。在该示例中，GS是PN横向结二极管防护环。

[0080] 图4A是描绘集成在诸如SOI管芯的SiPh单元中的垂直PIN PD 300的横截面图，垂直PIN PD 300包括在埋置氧化物（buried oxide，BOX）层320上制造的具有波导312的硅层310。垂直PIN PD 300包括p+区域330、n+区域335以及位于p+区域与n+区域之间的本征Ge区域340。围绕垂直PIN PD 300的重掺杂硅p++区域350用于在SiPh单元中传导电荷。垂直PIN PD 300由作为防护环360的GS保护。如图4A所示，防护环360是PN横向结二极管，形成在硅层中并且形成在与波导的平面平行的平面中。防护环360包括p++/p+掺杂硅区域350/366和n++/n+掺杂硅区域369/368。

[0081] 图4B示出了表示垂直PIN PD 300与防护环360阴极对阴极并联连接的电气示意图。三箭头代表从硅波导传播的入射光子。

[0082] 图4C是具有防护环360并且被配置成用于通过包括单个孔362而进行单向光输入的垂直PIN PD 300的俯视图。在该实施方式中，孔362包括金属连接364（使用接触和过孔），金属连接364是可选的。金属连接或桥包括远离防护环和光路延伸的一对过孔（或柱）。每个过孔的第一端连接至防护环，而过孔的与第一端相对的第二端通过导电材料如金属迹线耦接。因而，连接至孔的任一侧的导电材料位于远离光路处。

[0083] 包括孔的配置确保光与防护环360的掺杂环没有相互作用并且光能够穿过环至PD 300而不在掺杂Si中被吸收。如图4C所示，在该示例中，防护环360包括被对准成与通过波导
312的光路一致的孔362。然而，由于防护环360与波导312不在同一平面中，因此虽然防护环
360包括孔可能是有益的，但是防护环360不必然包括孔。

[0084] 图4D是具有防护环360并且被配置成用于通过包括两个孔362a和362b而进行双向光输入的垂直PIN PD 300的俯视图。在该实施方式中，孔362a和362b各自包括金属连接364（使用接触和过孔）。该配置确保光与防护环360的掺杂环没有相互作用并且光能够双向传递至PD 300而不在防护环360的掺杂Si中被吸收。如图4D所示，在该示例中，防护环360包括沿着通过波导的光路设置的两个孔。然而，由于防护环360与波导不在同一平面中，因此虽然防护环360包括孔可能是有益的，但是防护环360不必然包括孔。

[0085] 垂直PIN PD 300的层与图3所示的层类似，使得垂直PIN PD 300包括硅层310、掺杂p+ Si区域330、重掺杂p++ Si区域350、本征Ge层340、掺杂n+ Ge层335、用于接触的金属过孔370和用于布线的金属区域380。

[0086] 图5至图7各自描绘了当前描述的GS的替代实施方式。如图5至图7所示，包括PD和GS的整体结构使用桥和/或外部电路结合不同部分之间的连接。

[0087] 图5描绘了GS的另一个实施方式。在该示例中，GS是SOI栅控二极管。

[0088] 图5A是描绘集成在SiPh单元中的垂直PIN PD 400的横截面图，垂直PIN PD 400包括在BOX层420上制造的具有硅波导412的硅层410。垂直PIN PD 400包括p+区域430、n+区域435以及位于p+区域与n+区域之间的本征Ge区域440。围绕垂直PIN PD 400的重掺杂硅p++区域450用于在SiPh单元内传导电荷并且形成GS的一部分。垂直PIN PD 400由作为防护环
460的GS保护。防护环460是SOI栅控二极管，设置在硅层410中并且包括栅极470、N阱或P阱
472、n+区域474和重掺杂p++区域450。在这种结构中，没有良好的接触。栅极470位于N阱或P阱472上方，并且用作阻挡结构以将n+区域474与重掺杂p++区域450分离并防止由p‑n结区域之上的硅化而导致的电短路。

[0089] 图5示意性地示出了包括阴极对阴极并联连接的垂直PIN PD 400和防护环460（作为保护二极管）的电路。三箭头代表从硅波导传播的入射光子。

[0090] 图5C是具有防护环460并且被配置成用于通过包括单个孔462而进行单向光输入的垂直PIN PD 400的俯视图，单个孔462与通过硅波导的光路对准。在该实施方式中，孔462包括电连接至孔462的两侧上的防护环的金属桥464，然而，该桥是可选的。如上所述，金属桥包括远离防护环和光路延伸的一对过孔（或柱）。每个过孔的第一端连接至防护环，而过孔的与第一端相对的第二端通过导电材料如金属迹线来耦接。因而，连接至孔的两侧的导电材料位于远离光路处。

[0091] 孔462配置的存在降低光与防护环的掺杂环相互作用的可能性。因此，光能够穿过防护环460至PD 400，而在形成防护环的Si的掺杂区域中的吸收的机会较小。在该示例中，孔可选地包括对能够由PD 400检测到的光而言光学透明或基本上光学透明的材料。

[0092] 图5D是具有防护环460并且被配置成用于通过包括两个孔462a和462b而进行双向光输入的垂直PIN PD 400的俯视图。在该实施方式中，每个孔462a和462b可以被金属桥464跨越。该配置减少或消除光与防护环460的掺杂环的相互作用，并且光能够双向地穿过环至PD 400而不在掺杂的Ge中被吸收。此外，在该示例中，一个或两个孔可选地包括对具有能够由PD检测到的光的波长的光而言光学透明或基本上光学透明的材料。

[0093] 垂直PIN PD 400的层与图3所示的层类似，使得垂直PIN PD 400包括硅层410、掺杂的p+ Si区域430、重掺杂的p++ Si区域450、本征Ge层440、掺杂的n+ Ge层435、用于接触的金属过孔470和用于布线的金属区域480。

[0094] 图6示出了当前描述的GS的另一个实施方式。在该示例中，GS是双阱场效应二极管防护环。图6A是描绘了集成在SiPh单元中的垂直PIN PD 500的横截面图，垂直PIN PD 500包括在BOX层520上制造的具有硅波导512的硅层510。垂直PIN PD 500包括p+区域530、n+区域535以及位于p+区域与n+区域之间的本征Ge区域540。围绕垂直PIN PD 500的重掺杂硅p++区域550用于在SiPh单元内传导电荷并且形成防护环560的一部分。垂直PIN PD 500由作为在硅层510中制造的防护环560的GS来保护。如图6A所示，防护环560是Si中的双阱场效应二极管防护环。防护环560包括n阱区域590、p阱区域592、n+区域594、p++区域550和N‑多氧化物栅极596。

[0095] 防护环560包括具有相同长度并且设置在二极管结构的中间区域中的两个阱（590和592）。N‑多氧化物栅极596设置在两个阱（590和592）上方，通过施加适当的栅极偏压，允许根据需要在阱中形成反转。位于阱区域（栅极偏置接触）上方的栅极与二极管的n阱或p阱之间的电接触通过多晶硅栅极。这意味着没有阱的直接连接。

[0096] 图6B示意性地示出了包括阴极对阴极并联连接的垂直PIN PD 500和防护环560（作为保护二极管）的电路。三箭头代表从硅波导传播的入射光子。

[0097] 图6C是具有防护环560并且被配置成用于通过包括单个孔562来进行单向光输入的垂直PIN PD 500的俯视图，单个孔562与到PD的光路对准。在该实施方式中，孔562包括电连接至孔562的任一侧上的防护环的金属桥564，然而，该桥是可选的。金属桥包括远离防护环和光路延伸的一对过孔（或柱）。每个过孔的第一端连接至防护环，而过孔的与第一端相对的第二端通过导电材料如金属迹线来耦接。于是，连接至孔的任一侧的导电材料位于远离光路处。

[0098] 孔562配置的存在减轻光与防护环560的掺杂环的相互作用。因此，光能够穿过防护环560至PD 500，而基本上没有在形成防护环的Si的掺杂区域中的吸收。在该示例中，孔可选地包括对具有PD的操作的波长的光而言光学透明或基本上光学透明的材料。

[0099] 图6D是具有防护环560并且被配置成用于通过包括两个孔562a和562b而进行双向光输入的垂直PIN PD 500的俯视图。在该实施方式中，每个孔562a和562b可以被金属桥564跨越。该配置使防护环560的掺杂环的光吸收能够被减少或消除，使得光能够双向地穿过环至PD 500而不在形成防护环的Si的掺杂区域中被吸收。

[0100] 垂直PIN PD 500的层与图3所示的层类似，使得垂直PIN PD 500包括硅层510、掺杂的p+ Si区域530、重掺杂的p++ Si区域550、本征Ge层540、掺杂的n+ Ge层535、用于接触的金属过孔570和用于布线的金属区域580。此外，在该示例中，一个或两个孔可选地包括对具有能够由PD检测到的光的波长的光而言光学透明或基本上光学透明的材料。

[0101] 图7示出了GS的另一个实施方式。在该示例中，GS是“BOX下”基板二极管防护环。也就是说，GS的半导体部分被设置在第一平面区域中，光电二极管设置在第二平面区域中，波导设置在位于第一平面区域与第二平面区域之间的第三平面区域中。图7A是描绘了集成在SiPh单元中的垂直PIN PD 600的横截面图，该垂直PIN PD 600包括在BOX层620上制造的具有硅波导612的硅层610。垂直PIN PD 600包括p+区域630、n+区域635以及位于p+区域与n+区域之间的本征Ge区域640。围绕垂直PIN PD 600的重掺杂硅p++区域650用于在SiPh单元内传导电荷。垂直PIN PD 600由作为防护环660的GS来保护。如图7A所示，防护环660是“BOX下”基板二极管。防护环660包括n阱区域690、n+区域692、p+区域694以及两个BOX区域696和698。如果需要，该结构可以帮助缓解热累积问题。

[0102] 图7B示意性地示出了包括阴极对阴极并联连接的垂直PIN PD 600和防护环660（作为保护二极管）的电路。三箭头代表从硅波导传播的入射光子。

[0103] 图7C是具有防护环660并且被配置成用于通过包括在防护环中形成在波导下方位置并且与波导对准的单个孔662进行单向光输入的垂直PIN PD 600的俯视图。在该实施方式中，孔662包括电连接至孔662的任一侧上的防护环的金属桥664。金属桥是可选的。金属桥包括远离防护环和光路延伸的一对过孔（或柱）。每个过孔的第一端连接至防护环，而过孔的与第一端相对的第二端通过导电材料如金属迹线来耦接。于是，连接至孔的任一侧的导电材料位于远离光路处。

[0104] 孔662配置的存在减少光与防护环660的掺杂环的相互作用。因此，光能够穿过防护环860至PD 800，而在形成防护环的掺杂Si区域中的吸收较少。在该示例中，孔可选地包括对具有能够由PD检测到的波长的光而言光学透明或基本上光学透明的材料。此外，应当注意的是，由于防护环660与波导612不在同一平面中，因此虽然防护环660包括孔可能是有益的，但是防护环660不必然包括孔。

[0105] 图7D是具有防护环660并且被配置成用于通过包括两个孔662a和662b而进行双向光输入的垂直PIN PD 600的俯视图。在该实施方式中，每个孔662a和662b可选地被金属桥664跨越。该配置减轻光与防护环660的掺杂环的相互作用，因此光能够双向地穿过环至PD 
600而不在掺杂的Ge中被吸收。此外，在该示例中，一个或两个孔可选地包括对具有能够由PD检测到的波长的光而言光学透明或基本上光学透明的材料。此外，应当注意的是，由于防护环660与波导612不在同一平面中，因此虽然防护环660包括孔可能是有益的，但是防护环
660不必然包括任何孔。

[0106] 垂直PIN PD 600的层与图3所示的层类似，使得垂直PIN PD 600包括硅波导层610、掺杂的p+ Si区域630、重掺杂的p++ Si区域650、本征Ge层640、掺杂的n+ Ge层635、用于接触的金属过孔670和用于布线的金属区域680。

[0107] 本说明书中提到的所有公开、专利和专利申请指示本发明所属领域的技术人员的技术水平，并且通过引用并入本文中，达到与如同每个单独的公开、专利或专利申请被明确且单独地指示为通过引用并入本文中相同的程度。

[0108] 由此描述了本发明，明显的是，可以以许多方式改变本发明。这些改变不被视为背离本发明的精神和范围，并且如对本领域技术人员而言将是明显的所有这些修改都意在包括在所附权利要求的范围内。