CN101937938B - 侧壁光电检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了侧壁光电检测器。用于集成光子器件的侧壁光电检测器及其制造方法被公开。一个实施例包括形成在衬底半导体特征的侧壁上的p-i-n膜堆叠，其具有大得足以容纳多模光纤的斑点大小的面积。一个实施例包括通过波导被耦合到第二侧壁光电检测器的第一侧壁光电检测器，所述第一侧壁光电检测器具有的i层被调节成吸收入射到第一侧壁的光的第一波长，并且将光的第二波长传递到具有被调节成吸收第二波长的i层的第二侧壁光电检测器。

Description

侧壁光电检测器
技术领域
本发明的实施例处于集成光学元件(IOC)的领域，并且更具体地涉及光电检测器。
背景技术
光学(光子(photonic))元件中的进步正在实现电气和光学器件互连的会聚。第一代会聚I/O模块将很可能基于10Gb/s 850nm垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和III-V光电检测器，但是后续几代预计会转到1310nm载波波分复用(CWDM)配置以便以较低的成本实现较高的数据速率，例如40Gb/s和100Gb/s。
为了提供跨代的兼容性，会聚I/O接收机理想地应该能够高效地检测850nm和1310nm频带这二者。因为预计将经由多模光纤来提供光以用于降低封装成本，所以850nm和1310nm这二者的光将在相同点被引入。一般地，硅基的光解决方案相对于III-V技术更可取，这是因为硅提供了显著的成本节约。然而，由于硅吸收850nm光，所以硅基的解决方案可能会排除一些会聚I/O应用。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种光子器件。所述光子器件包括：衬底半导体膜，其具有形成于其中的基本上垂直的沟槽(trench)侧壁；布置在所述沟槽侧壁之上的第一p-i-n膜堆叠；以及一对电极，其被耦合到所述p-i-n膜堆叠的p型和n型层以在所述沟槽侧壁上形成第一光电检测器。
根据本发明的第二方面，提供一种系统。所述系统包括：上述的光子器件；以及光解复用器，其被光学耦合到第一侧壁光电检测器的下游。
根据本发明的第三方面，提供一种形成光子器件的方法。所述方法包括：将具有基本上垂直的侧壁的第一沟槽蚀刻到衬底半导体膜中；在所述第一沟槽侧壁之上形成第一p-i-n膜堆叠；以及形成第一对电极，所述电极被耦合到所述第一p-i-n膜堆叠的p型和n型层以在第一沟槽侧壁上形成具有大部分检测器面积的第一光电检测器。
附图说明
本发明的实施例在说明书的结束部分被特别指出并且明确地要求保护。然而，本发明的实施例，就组织和操作方法连同其目的、特征和优点而言，通过参考利用附图阅读时的下列详细描述会被最好地理解，在附图中：
图1示出根据一个实施例的侧壁光电检测器的等距视图；
图2示出根据一个实施例的一对光学耦合的侧壁光电检测器的横截面视图；
图3示出根据一个实施例的经由光解复用器而光学耦合的侧壁光电检测器的平面视图；
图4A示出根据一个实施例的在制造一对光学耦合的侧壁光电检测器期间所形成的结构的横截面视图；
图4B示出根据一个实施例的在制造一对光学耦合的侧壁光电检测器期间所形成的结构的横截面视图；
图4C示出根据一个实施例的在制造一对光学耦合的侧壁光电检测器期间所形成的结构的横截面视图；以及
图4D示出根据一个实施例的在制造一对光学耦合的侧壁光电检测器期间所形成的结构的横截面视图。
具体实施方式
在此参考附图来描述侧壁光电检测器的实施例、它们的制造和在集成光学元件中的应用。一般地，侧壁光电检测器包括p型和n型膜(film)层，其间存在本征膜层，该组合在此被称为p-i-n膜堆叠(film stack)，其被布置在衬底中的地形特征的侧壁之上。在一个实施例中，硅上锗p-i-n侧壁光电检测器被形成在硅深沟槽的侧壁上。侧壁光电检测器的有源(active)面积取决于有源侧壁的表面面积，并且能够检测入射到与衬底的顶面不垂直的有源侧壁的光。在另一个实施例中，p-i-n膜堆叠被形成在多个侧壁表面上以形成多个侧壁光电检测器。在一个这样的实施例中，第一p-i-n膜堆叠包括本征层或者说“i层”组成(composition)，其被调节成向第一侧壁光电检测器提供对入射辐射的第一波长(例如850nm)的高响应度，而第二p-i-n膜堆叠包括i层组成，其被调节成向第二侧壁光电检测器提供对入射辐射的第二波长(例如1310nm)的高响应度。在一个特定实施例中，第一和第二光电检测器经由光波导被耦合在一起，使得第一光电检测器所传递的一个波长的光(例如1310nm)被引导到第二光电检测器以供检测，从而允许对来自入射到第一侧壁的斑点大小的光的多个波长的单独检测。
然而，可以在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下，或者与其他已知的方法、材料和设备相结合来实践特定实施例。例如，当在硅基系统的上下文中描述侧壁光电检测器时，在此所描述的侧壁光电检测器和技术可以容易地适于其他集成光学元件，例如但不限于光分插滤波器、信号调节器等等。在以下描述中，阐述了许多特定细节，例如特定的材料、尺寸和材料参数等等以提供对本发明的透彻理解。在其他实例中，没有特别详细地描述公知的光学设计和VLSI制造技术，以免不必要地使本发明晦涩难懂。在整个说明书中对“实施例”的提及意味着，结合该实施例所描述的特定的特征、结构、材料或特性被包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的不同地方出现的短语“在一个实施例中”不一定是指本发明的相同实施例。此外，特定的特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式被组合在一个或多个实施例中。还应当理解，在不互斥的情况下可以组合多个特定实施例。
在此所使用的术语“在...之上”、“在...之下”、“在...之间”和“在...上”指的是一个构件相对于其他构件的相对位置。因而，例如，被布置在另一构件之上或之下的一个构件可能与该另一构件直接接触，或者可能具有一个或多个居间构件。此外，被布置在构件之间的一个构件可能与这两个构件直接接触，或者可能具有一个或多个居间构件。相比之下，“在第二构件上”的第一构件与该第二构件密切接触。另外，一个构件相对于其他构件的相对位置是在假设操作是相对于为构件所共有的衬底而执行并且不考虑衬底或构件的绝对定向的情况下提供的。
图1描绘了一个示例性侧壁光电检测器100的等距视图。有源沟槽侧壁105被光电二极管膜堆叠覆盖，例如p-i-n膜堆叠121，其具有被布置在衬底101的地形特征的一部分之上的掺杂层110A、本征层或者说i层120A以及补充掺杂层130A。p-i-n膜堆叠121可以被沉积在衬底101的地形特征之上，其中n型或p型层被直接布置在衬底101的侧壁上(即，以便形成p-i-n或n-i-p堆叠)。p-i-n膜堆叠121内各个层的厚度和组成取决于所选择的衬底材料以及对于(一个或多个)给定波长所期望的响应度。尽管III-V材料可以被用于本发明的一些实施例中，但是在特定实施例中p-i-n膜堆叠121仅仅包括掺杂或本征族IV材料。在一个这样的实施例中，p-i-n膜堆叠121包括硅、锗及其合金。
在一个实施例中，p-i-n膜堆叠的掺杂层110A和补充掺杂层130A均具有小于0.8μm的膜厚度。掺杂层110A和补充掺杂层130A可以是外延硅(例如基本上为单晶)，或者是其合金，其中掺杂了本领域已知的适当的n型或p型掺杂物质(species)。掺杂层110A还可以是衬底101的顶部外延层104的掺杂区域。在一个特定实施例中，补充掺杂层130A和掺杂层110A中的至少一个相对于锗的平衡包括至少60at.％的硅以形成(一个或多个)SiGe电极半导体层。已经发现添加最多到约40at.％的锗改善了在主要为锗的i层与光电二极管的p型/n型掺杂层之间的界面。通过向p型/n型层添加锗，该界面变得更平滑，并且还可以减少外延i层120A中的缺陷。p-i-n膜堆叠121的沉积的选择性还可能受到将锗引入到掺杂层110A的影响，所以在一个特定实施例中，掺杂层110A是硅，而补充掺杂层130A是硅锗合金。
在所描绘的实施例中，p-i-n膜堆叠121被布置在形成于衬底101中的深沟槽的侧壁上。侧壁光电检测器100包括限定了检测器侧壁面积的有源沟槽侧壁105，所述检测器侧壁面积取决于有源沟槽侧壁宽度W和有源沟槽侧壁高度H。一般地，有源沟槽侧壁105具有的面积大得足以容纳入射到有源沟槽侧壁105的具有斑点大小109的光，所述斑点大小可以约为300-700μm2(即20-30μm直径)乃至更大。在实施例中，有源沟槽侧壁105基本上垂直于衬底101的顶面，其具有在10与30μm之间的有源沟槽侧壁宽度W和有源沟槽侧壁高度H。在一个特定实施例中，有源沟槽侧壁高度H和有源沟槽侧壁宽度W这二者都为大约20μm以提供大约300μm2的侧壁检测器面积。
在所描绘的实施例中，p-i-n膜堆叠121的大部分被布置在有源沟槽侧壁105之上，而p-i-n膜堆叠121的较小区域被布置在非侧壁衬底表面上，例如在掩埋的绝缘体层103或衬底101的顶面上。因而，对于给定斑点大小109，可以减小侧壁光电检测器100的总电容。侧壁光电检测器100包括电极125和135，所述电极125和135被布置在衬底101的顶面上以将掺杂层110A和补充掺杂层130A电耦合到检测电路。当然，将电极125和135布置在有源沟槽侧壁105之上和/或在布置在绝缘体层103之上的p-i-n膜堆叠121部分之上的可替换的实施例也是可能的。
在此所描述的侧壁光电检测器通常适用于已知用于薄膜光电检测器的任何材料系统。例如，衬底101可以由适合于集成光学元件制造的任何材料组成。在一个实施例中，衬底101是由单晶材料组成的大块衬底，所述材料可以包括但不限于硅、硅锗、或III-V化合物半导体材料(例如磷化铟(InP))。在另一个实施例中，衬底101包括大块层(bulk layer)102，其中在大块层102之上形成顶部外延层104。在一个特定实施例中，大块层102由单晶材料组成，所述单晶材料可以包括但不限于硅或III-V化合物半导体材料，而顶部外延层104由单晶层组成，所述单晶层可以包括但不限于硅、硅锗合金、或III-V化合物半导体材料。在另一个实施例中，顶部外延层104通过居间绝缘体层103而与大块层102分离，所述绝缘体层103例如是二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅层(例如以便形成绝缘体上硅衬底)。
在另外的实施例中，界面层(未描绘)可以被布置在i层120A与掺杂层110A和补偿掺杂层130A中的任何一个之间。界面层可以是递变层，用于以线性或其他方式使半导体膜组成从i层120A过渡到掺杂或补充掺杂层之一或二者。例如，在i层120A为至少80at.％的锗并且p型层和n型层基本上为硅(即不多于40at.％的锗)的情况下，居间界面层可以使Si-Ge组成从掺杂/补充掺杂层的Si-Ge组成递变到i层的Si-Ge组成。
在一个实施例中，侧壁光电检测器是穿越型光电检测器。如图1中所示，入射到有源沟槽侧壁105的光包括多个能量，例如hv1和hv2等。在一个实施例中，侧壁光电检测器100检测入射到有源沟槽侧壁105的光的一些能量而同时使入射光的一些其他能量通过。例如，侧壁光电检测器100可以在hv1能带具有高响应度而在hv2能带具有低响应度，使得入射hv2光的很大一部分沿所示的a-a′方向通过p-i-n膜堆叠121并且进入衬底101的地形特征。在一个特定实施例中，侧壁光电检测器100包括被配置成在850nm处具有比在1310nm处更大的响应度的p-i-n膜堆叠。因此，可能会以其他方式被其上形成有源沟槽侧壁105的顶部外延层104吸收的850nm光在光进入顶部外延层104之前被检测到(即入射光被检测到)。然而，通过侧壁光电检测器100的光进入顶部外延层104，其中它在较小的程度上被吸收(例如硅或一些硅锗合金在1310nm处吸收相对较少)。
在一个实施例中，侧壁光电检测器100包括外延生长的半导体的i层120A(例如具有可能基本上为单晶的种子衬底的结晶度)，其具有与衬底半导体膜不同的晶格常数。作为一个例子，在顶部外延层104是硅的情况下，i层120A是硅和锗的合金(SiGe)，其(在松弛时)具有比顶部外延层104更大的晶格常数。i层120A的带隙可以通过调整在i层120A的厚度内硅与锗的比率而相对于顶部外延层104的带隙被减小，并且由此增大侧壁光电检测器100对特定光波长的响应度。
硅和锗的份额可以基于应用来选择。例如，在其中i层120A将在850nm处吸收的一个实施例中，SiGe i层120A的含硅量小于大约20at.％，并且可以优选地处于大约10％和15％at.之间。在i层120A将在1310nm处吸收的另一个实施例中，i层120A基本上是纯锗。i层120A的厚度还可以基于应用和性能要求(例如响应度等等)来选择，其中示例性的850nm和1310nm实施例具有处于约1.5μm和约3.0μm之间的i层120A。对于其中侧壁光电检测器100将检测入射光的第一波长并且使第二波长的光通过的实施例，i层120A的组成和厚度可以被调节成在第一波长处提供比在第二波长处显著更高的响应度。
在一个实施例中，其上形成侧壁光电检测器100的地形特征是光波导。如图1中所描绘的那样，无源(passive)沟槽侧壁106和107不平行于有源沟槽侧壁105以形成光波导108。与有源沟槽侧壁105不同，无源沟槽侧壁106和107没有被p-i-n膜堆叠覆盖，而是可以以提供良好折射率对比度(contrast)的材料(未描绘)包覆，所述材料例如是二氧化硅，其中光波导是硅。因而，通过侧壁光电检测器100的hv2光然后可以经由光波导108被引导到衬底101的其他区域。
如所示，示例性光波导108具有近似等于有源沟槽侧壁宽度W的肋或脊宽度和近似等于有源沟槽侧壁高度H的肋高度，使得侧壁光电检测器100具有近似等于光波导108的横截面面积的检测面积。然而，在一个可替换实施例中，光波导108可以具有不等于有源沟槽侧壁宽度W的肋宽度或不等于有源沟槽侧壁高度H的肋高度(例如波导宽度或高度可以沿a-a′方向递减或递变，等等)。
在一个实施例中，在(一个或多个)光波导的侧壁上形成第一和第二侧壁光电检测器。第一和第二侧壁光电检测器可以被设计成检测相同的波长。可替换地，第一和第二侧壁光电检测器可以被调节成用于第一和第二波长的峰值响应度，并且被布置在相同波导的不同侧壁上或者在第一和第二波导的侧壁上(例如光解复用器的下游，等等)。在一个实施例中，布置在波导的第一侧壁上的第一侧壁光电检测器将检测入射到第一侧壁的光的第一波长(例如850nm)，使入射光的第二波长(例如1310nm)通过并进入光波导，所述光波导将所通过的光引导到布置在波导的第二侧壁上的第二侧壁光电检测器以检测光的第二波长。
图2示出一对光学耦合的侧壁光电检测器的横截面视图。如所示，侧壁光电检测器100被布置在形成于衬底中的光波导250的第一侧壁上，基本上正如参考图1所描述的那样。第二侧壁光电检测器270以类似方式被布置在光波导250的第二侧壁上，其中光波导250跨越其间的任意距离255。如进一步所示，以包覆层240来覆盖光波导250，所述包覆层240例如可以是二氧化硅，其中光波导250是硅或硅锗。
第二侧壁光电检测器270可以包括第二p-i-n膜堆叠，所述第二p-i-n膜堆叠具有与侧壁光电检测器100的i层的带隙不同的带隙以吸收与侧壁光电检测器100的光波长不同的光波长。在一个这样的实施例中，第一和第二光电检测器这二者都包括锗，其中i层120A具有比第二侧壁光电检测器270中的i层的含硅量更大的含硅量以便在1310nm处具有低于在850nm处的响应度，而第二侧壁光电检测器270具有外延i层，该外延i层具有比i层120A的锗浓度更大的锗浓度以便在1310nm处具有相对更大的响应度。在其中侧壁光电检测器100将在850nm处吸收并且第二侧壁光电检测器270将在1310nm处吸收的一个实施例中，SiGe i层120A的含硅量小于20％，并且在一个这样的实施例中是至少10at.％，而第二侧壁光电检测器270的SiGe i层具有小于10at.％的硅并且可以基本上是纯锗。在另一实施例中，侧壁光电检测器100中的i层膜厚度等于第二光电检测器中的i层膜厚度，其中每一个都在大约1.5μm与大约3.0μm之间。
在另一实施例中，第二侧壁光电检测器270包括在p-i-n膜堆叠之上的反射器(未描绘)以返回第二侧壁光电检测器之上的一部分第二波长光。包含这样的反射器改进了对第二波长的响应度，同时减少了载波的渡越时间以实现更快的检测器。一般地，反射器可以是本领域中已知的任何类型，例如由沉积在p-i-n膜堆叠之上的两种或更多种介电材料的交替层组成的四分之一波长反射器、由在p-i-n膜堆叠之上生长的半导体层组成的布拉格反射镜、等等。在一个特定实施例中，反射器是在p-i-n膜堆叠之上形成的金属层(即覆盖有源侧壁)。在一个这样的实施例中，金属反射器层还用作电极125和135之一。
图3示出根据一个实施例的具有经由光解复用器而光学耦合的侧壁光电检测器的示例性会聚I/O芯片300的平面视图。如所示，侧壁光电检测器100被耦合到光波导250，所述光波导250将通过侧壁光电检测器100的光引导到阶梯衍射光栅355以对侧壁光电检测器100所传递的光波长进行光学解复用。衍射的波长然后经由光波导250从阶梯衍射光栅355被传送到第二侧壁光电检测器270以及侧壁光电检测器371、372、373等等。在一个特定实施例中，侧壁光电检测器100被配置成在较短的标称波长(例如850nm)处提供较高的响应度，而侧壁光电检测器270和371-373被配置成在较长的标称波长(例如大约1310nm)处提供较高的响应度。
如所示，侧壁光电检测器100非常适合于与边缘照明的大面积光源耦合。与典型的用于边缘照明应用的波导光电检测器配置形成对比，侧壁光电检测器100不需要精心设计的波导来导引入射光。更确切地说，侧壁光电检测器100用作有利于边缘照明的极大面积水平定向的检测器。除了光损耗的降低，对于极高的带宽而言光斑点大小减小是不需要的，这是因为包含i层的锗能够甚至以相对较大的检测器面积(例如300μm2)提供高带宽。
图4A、4B、4C和4D示出根据一个实施例的在制造一对光学耦合的侧壁光电检测器期间所形成的中间结构的横截面视图。图4描绘了衬底中地形特征的形成。例如，可以在衬底101的一层中形成光波导250。在一个实施例中，通过利用基于等离子的蚀刻工艺将具有基本上垂直的侧壁的沟槽非均质地蚀刻到衬底101中来形成光波导250。在一个特定实施例中，沟槽终止于基础(underlying)停止层，例如绝缘体层103，其在深度上限定了有源沟槽侧壁高度H。因此沟槽深度可以约为20μm，而沟槽宽度优选地相对较窄以促进平面处理。例如，沟槽宽度可以约为3-5μm。然而在其中不希望平面处理的其他实施例中，沟槽宽度可以约为几百微米。在利用沟槽蚀刻限定了光波导250之后，可以基本上用包覆材料(例如二氧化硅等等)、使用本领域中已知的任何间隙填充或平面化工艺来填充沟槽。
如图4A中进一步示出的，其上将形成侧壁检测器的有源沟槽侧壁没有被包覆，而非检测器侧壁(例如无源沟槽侧壁106和107)被包覆层240包覆。选择性包覆可以通过例如使用本领域中已知的任何构图和蚀刻技术除去包覆层240来实现，或者通过形成用于限定随后将被包覆的无源侧壁(例如无源沟槽侧壁106和107)的第一沟槽、沉积包覆、然后在无源侧壁被包覆之后限定将不被包覆的有源侧壁(例如有源沟槽侧壁105)来实现。
如图4B中所示，掺杂层110A被形成在有源沟槽侧壁(即光波导250的有源侧壁)上以作为p-i-n膜堆叠的一部分。在一个这样的实施例中，掺杂层110A包括在波导250的有源侧壁上外延生长的硅或硅锗合金。如进一步所描绘的，还在光波导250的第二有源侧壁上形成第二掺杂层110。在一个这样的实施例中，掺杂层110A和第二掺杂层110这二者被同时地外延生长到相同的厚度和组成。
在形成掺杂层110A之后，i层120A可以被外延生长在掺杂层110A上。在其中掺杂层110A和衬底主要是硅的特定实施例中，至少使用锗源使i层120A生长到足够的厚度，从而相对于衬底的带隙减小i层的带隙以提供本文别处所描述的光学特性。如图4B中进一步描绘的，还在第二掺杂层110上形成第二i层120。在一个这样的实施例中，i层120A和第二i层120这二者被同时地外延生长到相同的厚度和组成。然后可以利用最终的外延生长来形成补充掺杂层130A和130以实现本文别处所描述的组成并且完成p-i-n膜堆叠以用于第一和第二光电检测器。
在一个实施例中，i层120A和第二i层120中的至少一个被植入物质以修改所生长的p-i-n膜堆叠的光学性质。在其中i层将主要是锗的一个实施例中，锗外延层被植入硅以修改i层的光学性质(例如调节侧壁光电检测器100的响应度)。在可替换的实施例中，硅i层被植入锗以修改i层的光学性质。利用植入来调节检测器光学性质是特别有利的，这是因为单个外延过程可以被用来形成i层120A和第二i层120这二者，并且无需沉积和剥去牺牲层。在同时形成i层120A和120这二者之后，i层120A或第二i层120之一的光学性质然后可以通过使用掩蔽植入或高角度植入而被选择性地修改。
图4C进一步描绘了有利的高角度植入实施例，其中衬底被倾斜大约50-60度，使得i层120A接收植入物质通量，而通过光波导250的遮蔽来保护第二i层120免受植入通量的影响。虽然在该示例性实施例中i层植入是在形成补充掺杂层130A和/或130之后执行的，但是i层植入也可以在形成补充掺杂层之前。取决于有源沟槽侧壁高度H，在光波导250末端的用于接收植入物质的深沟槽可能需要显著宽于限定了用包覆填充的非检测器侧壁(例如无源沟槽侧壁106和107)的沟槽。例如，在其中有源沟槽侧壁高度H约为20到30μm的一个实施例中，限定了有源沟槽侧壁105的深沟槽具有约为100μm的宽度尺寸(当沿着垂直于有源沟槽侧壁105的方向向量测量时)以允许植入基本上整个有源沟槽侧壁。
在采用锗外延i层120A和锗外延第二i层120的一个实施例中，以高角度将硅植入i层120A中以达到至少10at.％的硅以便在1310nm处具有低于在850nm处的响应度。在高角度硅植入期间被光波导250遮蔽的第二i层120在生长时保持几乎纯锗，并且因此在1310nm处保持高响应度。其中锗被植入硅i层中而第二硅i层被遮蔽的可替换实施例也是可能的，尽管可能更难植入锗并且可能需要相对较大剂量的锗以调节响应度来用于可接受的性能(例如超过30at.％)。
在光学性质调节植入之后，热退火激活了植入物质以修改第一i层半导体膜相对于第二i层半导体膜的光学性质。在一个这样的实施例中，在600与850℃之间的温度范围执行退火以将侧壁光电检测器100的1310nm透射率提高到显著高于第二侧壁光电检测器270的1310nm透射率的水平。在退火期间，在i层120A和第二i层120这二者中预计会发生硅和锗的一定扩散。然而，i层120A中的硅浓度分布图(profile)将会指示植入。例如，硅浓度分布图可以是i层120A的膜厚度的非线性函数。相比之下，第二i层120的沉积锗(其被遮蔽以免于硅植入)将仅仅在i层120与保持基本上纯锗的i层厚度的大部分(例如扩散混合)的界面处具有增大的硅浓度。
在利用常规制造技术完成图4D中所描绘的结构例如以便将电极(未描绘)耦合到侧壁光电检测器100和270的p-i-n膜堆叠时，光学耦合的侧壁光电检测器器件能够起到检测多个光波长(例如hv1和hv2)的作用。
因此，已经公开了侧壁光电检测器、制造方法以及在光学元件集成中的应用。尽管已经以特定于结构特征或方法动作的语言描述了本发明，但是应该理解，在所附权利要求中限定的本发明不一定限于所描述的特定的特征或动作。所公开的特定的特征和动作应该仅仅被理解为要求保护的本发明的特别合适的实施方式，其被提供以致力于说明本发明而非限制本发明。

Claims (18)

1.一种光子器件，包括：
衬底半导体膜，其具有形成于其中的基本上垂直的第一和第二沟槽侧壁；
第一侧壁光电检测器，包括布置在所述第一沟槽侧壁之上的第一p-i-n膜堆叠，以及一对电极，其被耦合到所述第一p-i-n膜堆叠，其中所述第一p-i-n膜堆叠包括第一i层半导体膜，所述第一i层半导体膜具有吸收入射到第一沟槽侧壁的第一波长的光并使第二波长的光通过的带隙；以及
第二侧壁光电检测器，包括布置在所述第二沟槽侧壁之上的第二p-i-n膜堆叠，和耦合到所述第二p-i-n膜堆叠的第二对电极，其中所述第二p-i-n膜堆叠包括第二i层半导体膜，所述第二i层半导体膜具有的带隙不同于所述第一i层半导体膜的带隙以吸收第二波长的光。
2.如权利要求1中所述的光子器件，其中，所述第一i层半导体具有的晶格常数不同于所述衬底半导体膜的晶格常数。
3.如权利要求2中所述的光子器件，其中，第一i层半导体膜具有窄于所述衬底半导体膜的带隙以吸收所述第一光波长并且基本上使所述第二光波长通过，所述第二光波长大于所述第一光波长。
4.如权利要求3中所述的光子器件，其中，所述衬底半导体膜主要包括硅晶格原子，并且其中所述第一i层半导体膜包括硅锗合金，所述硅锗合金具有至少10at.％的硅。
5.如权利要求2中所述的光子器件，其中，所述沟槽侧壁上的光电检测器面积至少为300μm2，并且第一i层半导体膜的膜厚度在1.5μm与3.0μm之间。
6.如权利要求1中所述的光子器件，还包括：光波导，其被形成在所述衬底半导体膜中并且跨越所述第一和第二侧壁光电检测器之间的距离的至少一部分以将包括第二波长的光从所述第一侧壁光电检测器光学耦合到所述第二侧壁光电检测器。
7.如权利要求1中所述的光子器件，其中，所述衬底半导体膜基本上为硅，第一i层半导体膜包括硅锗合金，所述硅锗合金具有的含硅量大于所述第二i层半导体膜所具有的含硅量，并且其中第一i层半导体膜具有基本上与所述第二i层半导体膜相同的膜厚度。
8.如权利要求7中所述的光子器件，其中，所述第一i层半导体中的硅浓度分布图是第一i层半导体膜厚度的非线性函数，并且其中第二i层半导体基本上是纯锗。
9.如权利要求1中所述的光子器件，还包括所述第二p-i-n膜堆叠之上的反射器层，用于将所述第二光波长反射回到所述第二p-i-n膜堆叠。
10.一种系统，包括：
如权利要求1中所述的光子器件；以及
光解复用器，其被光学耦合到第一侧壁光电检测器的下游。
11.如权利要求10中所述的系统，还包括：
多个长波长侧壁光电检测器，其被光学耦合到所述光解复用器的下游，其中每个所述长波长侧壁光电检测器还包括：
所述第二沟槽侧壁；
所述第二p-i-n膜堆叠；以及
所述第二对电极。
12.一种形成光子器件的方法，所述方法包括：
将具有基本上垂直的侧壁的第一沟槽蚀刻到衬底半导体膜中；
在所述第一沟槽侧壁之上形成第一p-i-n膜堆叠；以及
形成第一对电极，所述电极被耦合到所述第一p-i-n膜堆叠的p型和n型层以在第一沟槽侧壁上形成具有大部分检测器面积的第一光电检测器，其中形成所述第一p-i-n膜堆叠进一步包括：
在所述第一沟槽侧壁之上形成第一传导类型的第一掺杂半导体层；
在所述掺杂半导体层上外延地生长第一i层半导体膜，所述第一i层半导体膜具有吸收入射到第一沟槽侧壁的第一波长的光并使第二波长的光通过的带隙；以及
在所述第一i层半导体膜之上形成第二传导类型的第二掺杂半导体层，作为对所述第一掺杂半导体层的补充，该方法还包括：
将具有基本上垂直的侧壁的第二沟槽蚀刻到所述衬底半导体膜中；
在所述第二沟槽侧壁之上形成第二p-i-n膜堆叠，其中形成所述第二p-i-n膜堆叠包括在所述第二沟槽侧壁之上外延地生长第二i层半导体，所述第二i层半导体吸收具有第二波长的光；以及
形成第二对电极，所述第二对电极被耦合到所述第二p-i-n膜堆叠以在所述第二沟槽侧壁上形成第二光电检测器。
13.如权利要求12中所述的方法，其中所述第一i层半导体膜具有的晶格常数不同于所述衬底半导体膜的晶格常数。
14.如权利要求12中所述的方法，其中，所述第二沟槽基本上是与所述第一沟槽同时蚀刻的，并且其中形成第二p-i-n堆叠进一步包括：
基本上与在所述第一沟槽侧壁上形成所述第一掺杂半导体层同时地在所述第二沟槽侧壁之上形成所述第一掺杂半导体层；以及
基本上与外延地生长第一i层半导体膜同时地在所述第一掺杂半导体层上外延地生长所述第二i层半导体。
15.如权利要求12中所述的方法，其中，形成第一p-i-n膜堆叠进一步包括：
执行高角度植入，其中所述第一沟槽侧壁被暴露于植入物质通量以将物质植入所述第一i层半导体膜中，而所述第二沟槽侧壁被遮蔽以免于植入物质通量从而防止将物质植入所述第二i层半导体膜中。
16.如权利要求15中所述的方法，进一步包括执行热退火，所述热退火激活植入物质以修改所述第一i层半导体膜相对于所述第二i层半导体膜的带隙。
17.如权利要求16中所述的方法，进一步包括在衬底半导体中形成波导以便光学耦合所述第一和第二光电检测器之间的包括第二波长的光。
18.如权利要求14中所述的方法，其中，形成第一掺杂层进一步包括：
外延地生长硅锗合金，所述硅锗合金具有至少60at.％的递变的或不变的硅浓度。
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