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具有锥形波导结构的光电探测器制造技术

技术编号:13781021 阅读:83 留言:0更新日期:2016-10-04 16:55
用于利用锥形波导结构来提供光到光电探测器的高效定向的技术和机制。在实施例中,半导体器件的锥形结构包括大致单晶硅。隐埋氧化物在锥形结构的单晶硅下方并且邻接锥形结构的单晶硅,并且多晶Si被设置在隐埋氧化物之下。在对半导体器件的操作期间,光在锥形结构中被重定向并且经由锗光电探测器的第一侧被接收。在另一个实施例中,定位在锗光电探测器的远侧上的一个或多个镜结构可以提供将光的一部分反射回锗光电探测器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例总体上涉及光电路,并且更具体地,涉及具有锥形波导的光电探测器电路。
技术介绍
锗光电探测器(PD)的速度通常受到其接触区域的电阻-电容(RC)特性以及由PD生成的载流子从本征Ge区迁移到n-掺杂或p-掺杂的接触区域的相关联的渡越时间的影响。尽管存在缩小PD以获得提高的速度的一般兴趣,但提供足够大的区域以用于在PD内的充分光吸收的需求抵消了这一兴趣。Ge PD沿着行进光的方向的尺度——例如波导Ge PD的长度——通常与PD的p-i-n结的面积以及可用于捕获光的区域直接相关。如果该尺度过小,则PD响应率受到影响。因此,该PD尺度受最小要求值的限制,该最小要求值通常是波长相关的。此外,在与波导相关联的Ge PD的情况中,PD尺寸减小通常受到减小用于与Ge PD输入相耦合的Si波导尺度的附加需求的限制。对Si波导尺度的这样的缩放使得光的耦合更具挑战性并且可能增加波导的损耗。至少出于这些原因,光电探测器缩放提出了提高光学通信的速度的挑战。连续世代的光技术在数据速率方面持续缩放,越来越期望提供高效和灵敏的光电探测的结构和制造技术。附图说明通过示例而非限制的方式,在附图的图中示出了本专利技术的各种实施例,并且,在附图中:图1A-1M是每个示出了根据实施例的用于制造半导体器件的过程的相应阶段的要素的截面图。图2是示出了根据实施例的用于制造半导体器件的方法的要素的流程图。图3是示出了根据实施例的用于检测光信号的计算机系统的元件的功能框图。图4是示出了根据实施例的用于检测光信号的移动设备的元件的功能框图。具体实施方式本文论述的实施例以不同方式提供了用于利用波导结构对光进行高效的定向以用于在光电探测器区域中吸收的技术和/或机制。根据实施例,利用由不同的相应的尺度的输入和输出表征的锥形波导结构,可以实现在光电探测器输入处的改进的光耦合。半导体器件的锥形结构可以包括大致单晶的硅。尽管这样的硅在本文被称为“单晶”,但本领域普通技术人员将认识到,然而可能存在低水平的晶体缺陷——例如,作为不完全的外延生长过程的产物。锥形结构的厚度可以沿半导体器件的长度而下降。可替代地或者除此之外,锥形结构的宽度可以沿半导体器件的长度而下降。在实施例中,第一隐埋氧化物(BOX)可以位于这样的锥形结构的单晶硅(单晶-Si)下方并且邻接所述单晶硅。第一BOX还可以形成其中设置有额外的单晶硅的沟槽。Ge PD中的锗被设置在这样的沟槽上方,以接收利用锥形结构定向的光。例如,Ge PD可以至少延伸到在波导下方的第一BOX的顶部表面的深度,由此降低光在Ge PD下方被定向的可能性。一个或多个镜结构可以被设置在与充当Ge PD的输入的侧面相对的Ge PD的侧面。一个或多个镜结构可以提供到Ge PD中的光的双程返回。一个或多个镜结构可以提供两种材料的不同的相应的折射率,以充当布拉格光栅反射器,布拉格光栅反射器例如包括交错布置的Si部和SiO2部的周期结构——例如,包括两个周期的SiO2的周期结构。在一些实施例中,多晶硅(多晶-Si)可以被设置在第一BOX下方——例如,其中第二BOX被设置在多晶-Si下方。这样的多晶-Si可以提供改进的应力响应特性——例如与厚的氧化物沉积相比。某些的实施例包括制造这样的半导体器件的过程。在实施例中,锥形
结构的制造包括在绝缘体上硅(SOI)晶片上生长单晶-Si外延(EPI)。一个或多个凹槽可以被刻蚀或者以其他方式形成在这样的单晶-Si EPI中——例如,其中,这样的凹槽提供镜结构、对准结构和/或类似结构的形成。在实施例中,设计的波导结构可以被刻蚀或者以其他方式形成在单晶-Si EPI中。这样设计的结构可以包括锥形结构,并且在一些实施例中,包括要位于Ge PD下方的沟槽Si。在形成这样设计的波导结构之后,可以执行氧化物沉积以形成第一BOX。在一些实施例中,SOI晶片的一部分可以被研磨、分裂或者以其他方式被移除以使设计的波导结构暴露,以进行额外的沉积、掺杂和/或其他制造工艺。图1A-1M示出了根据实施例的用于制造光电探测器件的过程的各种阶段的截面视图。由图1A-1M表示的过程示出了其中在SOI衬底上形成设计的Si结构的工艺的一个示例,其中,BOX结构邻接这样的Si结构以提供到Ge PD中的光的高效的定向。现在参照图1A,可以制备晶片102以用于利用各种添加和/或减除的制造工艺来形成波导和光电探测器结构。晶片102可以包括体硅的衬底,其包括、或者被注入、或者以其他方式被处理以包括阻挡层104。阻挡层104可以是SiGe层或者可以是H注入层,例如,这是为了利于在后续工艺中移除晶片102的一部分。在实施例中,阻挡层104是使用已知的绝缘体上硅(SOI)晶片制造工艺形成的。在阶段100a,可以在晶片102的表面中形成一个或多个凹槽。通过示例而非限制的方式,可以在晶片102中刻蚀一个或多个凹槽(由示例性的凹槽108表示)以提供一个或多个光反射(或者“镜”)结构的后续形成。在实施例中,凹槽108到晶片102中的深度在要在凹槽108附近形成的Ge PD的厚度的量级上——例如至少等于Ge PD的厚度。通过示例而非限制的方式,凹槽108可以具有这样的深度,其至少与最终要邻接凹槽108的波导结构的深度相同,尽管这样的深度可以根据特定于实现的细节而改变。然而,特定的实施例在该方面不受限制,还可以在晶片102中刻蚀或者以其他方式来形成凹槽106。凹槽106可以至少部分充当对准结构,例如,以辅助半导体器件的后续定位。现在参照图1B,可以在晶片102上生长单晶Si外延110。单晶-Si EPI110的生长可以根据常规外延生长技术进行调整,其并不限于特定的实施
例。这样的常规生长技术的细节在本文中不做论述以避免使特定实施例的细节模糊。在单晶-Si EPI 110的生长之前,凹槽106、108中的一些或全部可以被填充有氧化物或其他合适的材料以充当生长掩膜。如在图1C的阶段100c中所示的,可以执行对单晶-Si EPI 110的干法刻蚀和/或其他这样的工艺,以选择性地形成使凹槽106、108中的一些或全部暴露的图案114、116。这样的处理还可以移除凹槽106、108中的一些或全部氧化物或其他掩膜材料,尽管特定实施例在该方面不受限制。现在参照图1D,示出了阶段100d,其中,以各种方式从单晶-Si EPI 110形成出结构。这样的结构中的一些或全部可以通过选择性减除工艺来形成,其例如可以根据一种或多种常规光刻和刻蚀技术进行调整。例如,这样的结构可以包括从单晶-Si材料的表面128延伸的锥形结构120。在实施例中,锥形结构120可以通过执行台面刻蚀以及进一步应用灰度光刻/刻蚀来形成侧面122、124而从单晶-Si EPI 110形成。锥形结构120可以被配置为有利于半导体器件收集光并且将光定向到光电探测器区域中的操作。通过示例而非限制的方式,锥形结构可以延伸到表面128上方高达数十微米(例如60微米)的高度。可替代地或者除此之外,锥形结构120的侧面122、124可以具有85°和45°的相应角度,如从与表面128正交的线测量得到的。然而,这样的高度和角度值仅仅是示出了一个实施例,并且可以根据特定于实现的细节变化。本文档来自技高网
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<a href="http://www.xjishu.com/zhuanli/59/CN105981184.html" title="具有锥形波导结构的光电探测器原文来自X技术">具有锥形波导结构的光电探测器</a>

【技术保护点】
一种半导体器件,包括:单晶硅区域,其包括用于接收光的锥形结构;第一隐埋氧化物区域,其在所述第一隐埋氧化物区域的第一侧处与所述锥形结构相邻,所述第一隐埋氧化物区域将所述光朝着所述锥形结构的第一端重定向;多晶硅区域,其在与所述第一侧相对的所述第一隐埋氧化物区域的第二侧处与所述第一隐埋氧化物区域相邻;以及光电探测器,其与所述单晶硅区域相邻,所述光电探测器被耦合,以经由所述第一端来接收所述光并且基于所述光来生成电信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体器件,包括:单晶硅区域,其包括用于接收光的锥形结构;第一隐埋氧化物区域,其在所述第一隐埋氧化物区域的第一侧处与所述锥形结构相邻,所述第一隐埋氧化物区域将所述光朝着所述锥形结构的第一端重定向;多晶硅区域,其在与所述第一侧相对的所述第一隐埋氧化物区域的第二侧处与所述第一隐埋氧化物区域相邻;以及光电探测器,其与所述单晶硅区域相邻,所述光电探测器被耦合,以经由所述第一端来接收所述光并且基于所述光来生成电信号。2.根据权利要求1所述的半导体器件,其中,沟槽结构是至少部分地通过朝向所述多晶硅区域的所述第一隐埋氧化物的凹槽来形成的,其中,所述光电探测器的底侧邻接设置在所述沟槽结构中的硅。3.根据权利要求2所述的半导体器件,其中,所述光电探测器延伸到所述沟槽结构的顶部。4.根据权利要求1和2中的任一项所述的半导体器件,所述半导体器件还包括用于接收来自所述光电探测器的所述光的部分的一个或多个镜结构,所述一个或多个镜结构将所述光的所述部分朝着所述光电探测器反射回来。5.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的半导体器件,所述单晶硅区域已经在其中形成了第一波导沟槽和第二波导沟槽,其中,所述光朝着所述第一波导沟槽与所述第二波导沟槽之间的所述光电探测器被定向。6.根据权利要求5所述的半导体器件,其中,在所述光电二极管处的所述第一波导沟槽与所述第二波导沟槽之间的第一距离小于在所述锥形结
\t构处的所述第一波导沟槽与所述第二波导沟槽之间的第二距离。7.根据权利要求1、2、4和5中的任一项所述的半导体器件,其中,所述光电探测器包括锗光电二极管。8.根据权利要求7所述的半导体器件,其中,所述锗光电二极管包括:第一瓣部,其包括p-掺杂的锗;第二瓣部,其包括n-掺杂的锗;以及所述第一瓣部与所述第二瓣部之间的颈部,所述颈部包括本征锗。9.一种制造半导体器件的方法,所述方法包括:形成单晶硅区域,包括:在包括隐埋阻挡层的晶片上生长单晶硅外延;以及对所述单晶硅外延进行刻蚀以形成所述单晶硅区域的锥形结构;在所述单晶硅区域上设置氧化物材料以形成与所述锥形结构相邻的第一氧化物区域;在所述第一氧化物区域上形成多晶硅区域;在形成所述多晶硅区域之后,从所述晶片移除部分以使所述单晶硅区域暴露,所述部分包括所述隐埋阻挡层;以及形成与所述单晶硅区域相邻的光电探测器。10.根据权利要求9所述的方法,其中,沟槽结构是至少部分地通过朝向所述多晶硅区域的所述第一氧化物区域的凹槽来形成的,其中,所述光电探测器的底侧邻接设置在所述沟槽结构中的硅。11.根据权利要求10所述的方法,其中,所述光电探测器延伸到所述沟槽结构的顶部。12.根据权利要求9和10中的任一项所述的方法,其中,形成所述单晶硅区域还包...

【专利技术属性】
技术研发人员:B·文森特A·费沙利
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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