用于短红外光谱范围的基于锗的焦平面阵列制造技术

本发明专利技术公开一种包括金字塔形状的硅(Si)基和锗光电二极管(Ge photodiode)的光检测结构以及制造所述光检测结构的方法。所述硅基具有宽的面向入射光的金字塔底部和较窄的金字塔顶部，所述锗光电二极管形成于所述硅基的所述金字塔顶部、并且可操作来检测短波红外范围的光。如前所述的光检测结构可以在空间上重复设置，并制成设于硅上的锗光电检测器的焦平面阵列(focal plane array)。

Germanium-based focal plane arrays for short infrared spectra

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于短红外光谱范围的基于锗的焦平面阵列相关申请本申请要求2018年1月9日提交的美国临时申请62615198的优先权，其全文内容通过引用以其整体结合到本说明书中
本说明书所披露的实施例大体上关于一种处于短波红外(shortwaveinfrared,SWIR)光谱范围里的焦平面阵列(focalplanearrays,FPAs)，特别是关于一种形成基于锗(Ge)探测器的FPAs的方法。
技术介绍
运行在SWIR(通常定义为在大约1000-2500nm波长之间)范围的成像系统由于各种原因越来越吸引人们的注意。例如，与可见光范围相比，SWIR范围内的光对诸如雾和沙尘这样的极端天气条件更不敏感。而且，SWIR波长范围对于人眼来说是不可见的。另外，用眼安全的法规允许使用SWIR范围内的高能有源照明源。这些优势，结合不同于用于SWIR的热成像图像对比机制相似于可见光范围的、因而允许使用传统的图像识别算法的事实，使得就成像目的而言SWIR范围是可见光范围的一个有吸引力的替代方案。SWIR范围里已知的FPAs典型地是使用InGaAs材料系统制造。尽管基于InGaAs的FPAs的性能包线具有吸引力，这样的FPAs成本昂贵，阻碍了其在许多消费市场的应用。因此，就存在对低成本高性能的SWIR光电检测器和基于硅和其它组IV材料的FPAs、以及制造这样的SWIR光电检测器和FPAs的方法的需求，并且也有利的。
技术实现思路
本说明书中描述的实施例关于用于检测SWIR范围内的光的低成本、高性能的光检测结构，以及用于制造此结构的方法。在示例性实施例中，提供包括金字塔形状的硅基(Si)和锗(Ge)光电二极管的光检测结构，硅基具有宽的面向入射光的金字塔底部和窄的金字塔顶部，所述锗光电二极管形成于硅金字塔顶部，其中锗光电二极管可操作来检测SWIR范围内的光。在本专利技术的示例性实施例中，所述锗光电二极管包括p-n结。在本专利技术的示例性实施例中，所述锗光电二极管包括p-i-n结。在本专利技术的示例性实施例中，本说明书上下文所描述的光检测结构进一步包括设置于所述金字塔底部和所述入射光之间的微透镜。在本专利技术的示例性实施例中，本说明书上下文所描述的光检测结构进一步包括设置于所述金字塔底部和所述微透镜之间的抗反射层。在本专利技术的示例性实施例中，所述金字塔底部是大约10x10平方微米(μm2)的正方形。在本专利技术的示例性实施例中，所述金字塔底部是大约20x20μm2的正方形。在本专利技术的示例性实施例中，所述金字塔顶部是大约1x1μm2的正方形。在本专利技术的示例性实施例中，所述金字塔顶部是大约介于1x1μm2到10x10μm2的正方形。在本专利技术的示例性实施例中，在空间上重复提供本说明书上下文中所描述的光检测结构，以提供复数个形成在相应的硅金字塔顶部上的锗光电二极管，以形成FPA。附图说明本说明书中所披露的非限制性实施例可参阅以下说明书附图来进行描述。在不同图示中等同的结构、元件或部件通常以相同数字进行标注。所述图示和说明书旨在阐明和澄清本专利技术的实施例，而不应被认为是以任何方式对本专利技术进行限制。在所述图示中：图1示意的是本专利技术锗基光敏感结构的实施例的侧视图；及图2示意的是制造本专利技术锗基FPA的方法的主要步骤。具体实施方式在本说明书的以下描述中，将给出具体细节以供充分理解。然而，本领域技术人员会理解本说明书中所披露的本专利技术不使用这些具体细节亦可实施。在其它情形里，没有描述众所周知的方法以免使本说明书所披露的本专利技术不清楚。应理解，本说明书所披露的本专利技术的某些特征出于清楚说明的目的在不同实施例中进行了描述，这些特征也可以组合在单个的实施例中。相反地，为简要说明将本专利技术的不同特征在单个的实施例中进行描述，这些特征也可以在不同实施例中单独或以任何合适的组合提供。图1是本专利技术锗基光敏感(PS)结构的实施例的侧视图，标为100。结构100包括在掺硅基板(晶圆)104上生长的锗吸收介质的层102、包括一体形成于所述硅晶圆上的硅金字塔108的光收集结构106、填充在相邻金字塔108之间的间隙里的绝缘氧化物112、和导电性接触体114，接触体114用于将一个或多个锗光电检测器(以下也称为“锗光电二极管”或简单地称为“锗二极管”)120与外界进行电性连接。图1还显示了蚀刻到所述硅基板里的生长晶种116，用以支持所述锗层的晶体生长(crystallinegrowth)并卡住螺纹错位(trapthreadingdislocations)(未显示)。所述卡住螺纹错位防止错位蔓延到位于所述晶种上方的所述锗层里面，因而改善所述锗层的质量。所述晶种受位于其各侧面(除了底面)上的薄氧化物层118的保护。这样的作法是确保所述锗晶体生长从所述晶种的底部开始。更详细地，每个硅金字塔108形成为具有位于晶圆104上的大的基部“B”。所述基部可具有正方形的形状，其示例性尺寸是10x10μm2或更大，例如大至20x20μm2。所述金字塔顶部的正方形形状和尺寸是示例性的，其它形状(例如长方形)或尺寸也是可能的。锗二极管120(例如，具有p-n或p-i-n的结构)形成在所述金字塔的窄的顶部上。每个金字塔收集撞击在所述大的基部(B)上的光，并将所述光限定到所述锗二极管的更小尺寸上。例如，所述锗二极管具有从大约1μm到几μm(例如，大约2、3、4和甚至10)的侧向尺寸。所述锗层的厚度h可以是大约1μm或更大，并被选择为使得能大量吸收SWIR光(例如，在1500nm波长上吸收大于30％)。由于所述锗二极管的尺寸相比所述硅金字塔基部的尺寸是小的，将大大减小与所述吸收介质的量成比例的暗电流分量(darkcurrentcomponent)。微透镜110的阵列可选地放置在所述金字塔下面以进一步提高光收集效率。可选地可以增加抗反射层(AR)122以减少撞击到FPA上的光的反射。在实施过程中，光通过每个硅金字塔108传播，硅金字塔108在SWIR波长范围是透明的。当光到达所述硅金字塔顶部时，将穿透进入到锗二极管120里。由所述锗层吸收的光产生电子穴对(electron-holepairs)，其被所二极管结构分开，在反向偏置的应用下(undertheapplicationofreversebias)或者甚至没有以现有方式偏置，导致提供光检测(photodetection)的有用的光电流(photocurrent)。包括一个硅金字塔的结构可以认为是单个的“有源像素(activepixel)”，硅金字塔在顶部具有锗二极管并被氧化物包围。所述结构可以在空间上重复设置许多次，以提供由此形成所述FPA的光敏感晶圆的有源像素阵列。图2示意的是制造本专利技术锗基FPA的方法的主要步骤。在步骤202，提供具有{100}晶体平面定向(crystallographicplaneorientation)的硅晶圆作为启动材料，所述硅晶圆最好是双重抛光的。所述晶圆提供有薄的氧化物(～10nm氧化物厚度)，来保护所述硅的表面不受随后的光刻工艺(lithographyprocess)的影响。在步骤204，执行光刻和蚀刻工艺以在所述硅中界定对准标记。在步骤206，界定金字塔图案掩膜(pyramidpatternmask)，例如，通过将第一薄氮化硅层(siliconni本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光检测结构，包括a)金字塔形状的硅基，具有宽的面向入射光的金字塔底部和较窄的金字塔顶部；以及b)锗光电二极管，形成于所述硅基的所述金字塔顶部上，其中所述锗光电二极管可操作来检测短波红外范围(SWIR)的光。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2018.01.09 US 62/615,1981.一种光检测结构，包括a)金字塔形状的硅基，具有宽的面向入射光的金字塔底部和较窄的金字塔顶部；以及b)锗光电二极管，形成于所述硅基的所述金字塔顶部上，其中所述锗光电二极管可操作来检测短波红外范围(SWIR)的光。2.如权利要求1所述的光检测结构，其中所述锗光电二极管包括p-n结。3.如前述权利要求1所述的光检测结构，其中所述锗光电二极管包括p-i-n结。4.如前述权利要求1所述的光检测结构，其中所述金字塔底部是大约10x10μm2的正方形。5.如前述权利要求1所述的光检测结构，其中所述金字塔顶部是大约1x1μm2的正方形。6.如前述权利要求1所述的光检测结构，其中所述金字塔底部是大约10...

【专利技术属性】
技术研发人员：乌利尔·利维，乌拉罕·巴卡尔，俄梅尔·卡帕奇，
申请(专利权)人：趣眼有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL