CN102460735A - 侧壁光电检测器 - Google Patents

侧壁光电检测器 Download PDF

Info

Publication number
CN102460735A
CN102460735A CN2010800287410A CN201080028741A CN102460735A CN 102460735 A CN102460735 A CN 102460735A CN 2010800287410 A CN2010800287410 A CN 2010800287410A CN 201080028741 A CN201080028741 A CN 201080028741A CN 102460735 A CN102460735 A CN 102460735A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
film
semiconductor film
wall
sidewall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2010800287410A
Other languages
English (en)
Inventor
M·T·莫尔斯
M·J·帕尼西亚
O·多森姆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Intel Corp
Original Assignee
Intel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Intel Corp filed Critical Intel Corp
Publication of CN102460735A publication Critical patent/CN102460735A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/132—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by deposition of thin films
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4202—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details for coupling an active element with fibres without intermediate optical elements, e.g. fibres with plane ends, fibres with shaped ends, bundles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PIN type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12061—Silicon
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12123—Diode
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4215—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical elements being wavelength selective optical elements, e.g. variable wavelength optical modules or wavelength lockers

Abstract

公开了用于集成光子器件的侧壁光电检测器及其制造方法。实施例包括在具有足够大面积以容纳多模光纤的光斑大小的衬底半导体特征的侧壁上形成的p-i-n膜层叠。实施例包括通过波导耦合到第二侧壁光电检测器的第一侧壁光电检测器，该第一侧壁光电检测器具有被调节成吸收入射至第一侧壁的光的第一波长且使光的第二波长穿过到第二侧壁光电检测器的i层，该第二侧壁光电检测器具有被调节成吸收第二波长的i层。

Description

侧壁光电检测器
技术领域
本发明的实施例属于集成光学组件(IOC)的领域且尤其涉及光电检测器。
背景
光学(光子)组件中的进步正在实现电和光器件互连的会聚(convergence)。第一代会聚I/O模块很可能基于10Gb/s 850nm垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和III-V光电检测器，但之后的各代预期会移至1310nm载波波分复用(CWDM)配置从而以较低成本实现较高的数据率，诸如40Gb/s和100Gb/s。
为了在各代之间提供兼容性，会聚I/O接收器理想上应能够有效地检测850nm和1310nm两频带。因为预期光将经由多模光纤来提供从而降低封装成本，所以850nm和1310nm光均在同一点引入。一般而言，基于硅的光学方案在III-V技术上是优选的，因为硅提供显著的成本节省。然而，因为硅吸收850nm的光，所以可能从某些会聚I/O应用中排除基于硅的方案。
附图简述
在说明书的结论部分中具体指出并明确要求了本发明的实施例。然而，关于组织和操作方法两者的本发明的实施例连同其目标、特征和优点一起通过在阅读附图时参考以下详细描述可被最好地理解，在附图中：
图1示出根据实施例的侧壁光电检测器的立体图；
图2示出根据实施例的一对光耦合侧壁光电检测器的横截面图；
图3示出根据实施例的经由光解多路复用器光耦合的侧壁光电检测器的俯视图；
图4A示出根据实施例的在制造一对光耦合侧壁光电检测器期间形成的结构的横截面图；
图4B示出根据实施例的在制造一对光耦合侧壁光电检测器期间形成的结构的横截面图；
图4C示出根据实施例的在制造一对光耦合侧壁光电检测器期间形成的结构的横截面图；以及
图4D示出根据实施例的在制造一对光耦合侧壁光电检测器期间形成的结构的横截面图。
详细描述
在本文中参考附图描述了侧壁光电检测器的实施例、其制造和在集成光学组件中的应用。一般而言，侧壁光电检测器包括设置在衬底的形貌特征的侧壁上的p型和n型膜层及其间的固有膜层，在文本中上述膜层的组合称为p-i-n膜层叠。在一个实施例中，硅上锗p-i-n侧壁光电检测器形成在硅深沟槽的侧壁上。侧壁光电检测器的有效面积取决于有效侧壁的表面面积，且能够检测入射到不与衬底的顶面正交的有效侧壁上的光。在另一个实施例中，p-i-n膜层叠形成在多个侧壁表面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膜层叠包括固有或“i层”成分，其被调谐成提供对诸如850nm之类的第一入射辐射波长具有高响应度的第一侧壁光电检测器；而第二p-i-n膜层叠包括“i层”成分，其被调谐成提供对诸如1310nm之类的第二入射辐射波长具有高响应度的第二侧壁光电检测器。在特定实施例中，第一和第二光电检测器经由光波导耦合在一起，使得通过第一光电检测器的光波长(例如，1310nm)传导至第二光电检测器以供检测，允许分离检测从光斑大小入射到第一侧壁的多个光波长。
然而，可在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下或结合其他已知方法、材料和装置实施具体实施例。例如，尽管在基于硅的系统的背景下描述侧壁光电检测器，但本文描述的侧壁光电检测器和技术可容易地适用于其他集成光学组件，诸如但不限于光分/插滤光器、信号调节器等。在以下的描述中，阐述了很多特定细节，诸如特定材料、尺寸和材料参数等，以提供对本发明的透彻理解。在其它情形中，对众所周知的光学设计和VLSI制造技术并未进行详细描述以免不必要地混淆本发明。本说明书中对“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或特性被包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各个地方，短语“在实施例中”的出现不一定都指代本发明的同一实施例。而且，特定特征、结构、材料或特性可按照任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。还应理解可在不互斥的情况下组合特定实施例。
在本文中使用的术语“在...上方”、“在...下方”、“在...之间”和“在...上”指的是一个部件相对其它部件的相对位置。如此，例如，置于另一个部件上方或下方的一个部件可直接与另一部件接触或者可具有一个或多个中间部件。此外，置于多个部件之间的一个部件可直接接触两个部件，或者可具有一个或多个中间部件。相反，第一部件在第二部件上是与该第二部件亲密接触。另外，假设相对于多个部件共用的衬底执行操作而不考虑衬底或部件的绝对取向，来提供一个部件相对于其它部件的相对位置。
图1描绘示例性侧壁光电检测器100的立体图。有效沟槽侧壁105被诸如p-i-n膜层叠121之类的光电二极管膜层叠覆盖，该p-i-n膜层叠121具有设置在衬底101的形貌特征的一部分上的掺杂层110A、固有或i层120A以及互补掺杂层130A。p-i-n膜层叠121可沉积在衬底101的形貌特征上方，其中n型或p型层直接置于衬底101的侧壁上(即，形成p-i-n或n-i-p层叠)。p-i-n膜层叠121内的各层的厚度和成分取决于所选的衬底材料以及给定波长所需的响应度。尽管在本发明的某些实施例中可采用III-V材料，但在特定实施例中，p-i-n膜层叠121仅包括掺杂或固有的IV族材料。在一个这样的实施例中，p-i-n膜层叠121包括硅、锗及其合金。
在实施例中，p-i-n膜层叠的掺杂层110A和互补掺杂层130A各自具有小于0.8μm的膜厚。掺杂层110A和互补掺杂层130A可以是以本领域中已知的适当n型或p型掺杂剂种类掺杂的外延硅(例如，基本为单晶)或其合金。掺杂层110A还可以是衬底101的顶部外延层104的掺杂区。在特定实施例中，互补掺杂层130A和掺杂层110A中的至少一个包括至少60原子百分比的硅和余下的锗以形成SiGe电极半导体层。已经发现添加高达约40原子百分比的锗能改进主要为锗的i层和光电二极管的p型/n型掺杂层之间的界面。在锗添加到p型/n型层的情况下，该界面变得更平滑且还可减少外延i层120A中的缺陷。p-i-n膜层叠121的沉积选择性还会受到向掺杂层110A引入锗的影响，所以在特定的实施例中，掺杂层110A是硅，而互补掺杂层130A是硅锗合金。
在所述实施例中，p-i-n膜层叠121置于衬底101中形成的深沟槽的侧壁上。侧壁光电检测器100包括有效沟槽侧壁105，该有效沟槽侧壁105限定取决于有效沟槽侧壁宽度W和有效沟槽侧壁高度H的检测器侧壁面积。一般而言，有效沟槽侧壁105具有足够大的面积，以容纳入射到有效沟槽侧壁105且具有光斑大小的光，该光斑大小可约为300-700μm2(即，直径为20-30μm)或甚至更大。在实施例中，有效沟槽侧壁105基本正交于衬底101的顶表面，且有效沟槽侧壁高度H和有效沟槽侧壁宽度W介于10μm至30μm之间。在特定实施例中，有效沟槽侧壁高度H和有效沟槽侧壁宽度W两者均约为20μm，以提供约为300μm2的侧壁检测器面积。
在所述的实施例，p-i-n膜层叠121的大部分设置在有效沟槽侧壁105上方，且p-i-n膜层叠121的较小面积设置在非侧壁衬底表面上，诸如在埋置绝缘体层103上或衬底101的顶面上。如此，对于给定的光斑大小109侧壁光电检测器100的总电容可减小。侧壁光电检测器100包括设置在衬底101的顶面上的电极125和135，以将掺杂层110A和互补掺杂层130A电耦合至检测电路。当然，电极125和135设置在有效沟槽侧壁105上方和/或绝缘体层103上方的p-i-n膜层叠121的各部分上方的替换实施例也是可能的。
本文所述的侧壁光电检测器一般可应用于对于薄膜光电检测器所已知的任何材料系统。例如，衬底101可由适用于集成光学组件制造的任何材料构成。在一个实施例中，衬底101是由单晶材料构成的块衬底，该单晶材料可包括但不限于硅、硅锗或诸如磷化铟之类的III-V化合物半导体材料。在另一个实施例中，衬底101包括块层102，且顶部外延层104形成在块层102上。在具体实施例中，块层102由单晶体材料构成，该单晶体材料可包括但不限于硅或III-V化合物半导体材料，而顶部外延层104由单晶体层构成，该单晶体层可包括但不限于硅、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通过诸如二氧化硅、氮化硅或氧氮化硅之类的中间绝缘体层103与块层102分离(例如，用于形成绝缘体上硅衬底)。
在另一个实施例中，界面层(未描绘)可设置在掺杂层110A和互补掺杂层130A中的任一个和i层120A之间。界面层可以是线性或其它方式的递变层，从而使半导体膜成分从i层120A转变至掺杂或互补掺杂层之一或两者。例如，在i层120A为至少80原子百分比的锗且p型层和n型层基本为硅(即不多于40原子百分比的Ge)的情况下，中间界面层可使Si-Ge成分从掺杂/互补掺杂层的成分递变至i层的成分。
在实施例中，侧壁光电检测器是穿过光电检测器。如图1所示，入射到有效沟槽侧壁105的光包括多种能量，诸如hv1和hv2等。在实施例中，侧壁光电检测器100检测入射到有效沟槽侧壁105的光的某些能量，同时使入射光的某些其它能量穿过。例如，侧壁光电检测器100可在hv1能带具有高响应度，而在hv2能带具有低响应度，使得入射的hv2光的大部分如图所示地沿a-a’方向穿过p-i-n膜层叠121并进入衬底101的形貌特征。在特定实施例中，侧壁光电检测器100包括配置成在850nm处的响应度大于在1310nm的响应度的p-i-n膜层叠。因此在光进入顶部外延层104之前检测到原本会被顶部外延层(在其上形成有效沟槽侧壁105)吸收的850nm光(即，入射光被检测到)。然而穿过侧壁光电检测器100的光进入顶部外延层104，在该顶部外延层104处光会被较少地吸收(例如，在1310nm硅或某些硅锗合金吸收相对较少)。
在实施例中，侧壁光电检测器100包括具有与衬底半导体膜不同的晶格常数的外延生长半导体(例如，具有可基本上为单晶的种子衬底的结晶度)的i层120A。作为一个示例，其中顶部外延层104是硅，i层120A是硅和锗的合金(SiGe)，该硅和锗的合金具有比顶部外延层104大的晶格常数(在松弛时)。可通过调节i层120A厚度内的硅锗比来从顶部外延层104的带隙减小i层120A的带隙，并由此增加侧壁光电检测器100对特定光波长的响应度。
可基于应用选择硅和锗的百分数。例如，在i层120A在850nm下吸收的一个实施例中，SiGe i层120A的硅含量小于约20原子百分比，且可优选地在约10至15原子百分比之间。在i层120A在1310nm下吸收的另一个实施例中，i层120A基本为纯锗。还可基于应用和性能要求(例如，响应度等)选择i层120A的厚度，其中示例性850nm和1310nm实施例具有介于约1.5μm和约3.0μm之间的i层120A。对于侧壁光电检测器100检测入射光的第一波长并使光的第二波长穿过的实施例，i层120A的成分和厚度可被调节，以提供在第一波长处的响应度显著高于在第二波长处的响应度。
在实施例中，其上方形成侧壁光电检测器100的形貌特征是光波导。如图1所示，无效沟槽侧壁106和107与有效沟槽侧壁105不平行以形成光波导108.与有效沟槽侧壁105不同，无效沟槽侧壁106和107未被p-i-n膜层叠覆盖，而是被诸如二氧化硅之类的提供良好指数对比的材料(未示出)包覆，其中光波导是硅。如此，穿过侧壁光电检测器100的hv2光于是可经由光波导108传导到衬底101的其它区域。
如图所示，示例性光波导108具有约等于有效沟槽侧壁宽度W的肋或脊宽度和约等于有效沟槽侧壁高度H的肋高度，使得侧壁光电检测器100具有约等于光波导108的横截面积的检测面积。然而，在可选实施例中，光波导108可具有不等于有效沟槽侧壁宽度W的肋宽度或不等于有效沟槽侧壁高度H的肋高度(例如，波导宽度或高度可沿a-a’方向为锥形或成格栅状等)。
在实施例中，第一和第二侧壁光电检测器形成在光波导的侧壁上。第一和第二侧壁光电检测器可被设计成检测相同波长。或者，可针对在第一和第二波长处的峰值响应度来调节第一和第二侧壁光电检测器，并将其置于同一波导的不同侧壁上或第一和第二波导的侧壁上(例如，光解多路复用器的下游等)。在一个实施例中，置于波导的第一侧壁上的第一侧壁光电检测器检测入射到第一侧壁的光的第一波长(例如，850nm)，使入射到光波导的入射光的第二波长(例如，1310nm)穿过，该光波导将穿过的光传导至置于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示出一对光耦合侧壁光电检测器的横截面图。如图所示，侧壁光电检测器100置于基本上如参考图1所述的衬底中形成的光波导250的第一侧壁上。第二侧壁光电检测器270以类似方式置于光波导250的第二侧壁上，且光波导250在其间跨越任意距离255。如进一步示出的，光波导250被包覆层240覆盖，例如，该包覆层240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可包括第二p-i-n膜层叠，该p-i-n膜层叠包括i层，该i层的带隙与侧壁光电检测器100的i层的带隙不同，以吸收不同于侧壁光电检测器100的光波长。在一个这样的实施例中，第一和第二光电检测器两者均包括锗，且i层120A的硅含量大于第二侧壁光电检测器270中i层的硅含量以使在1310nm处的响应度低于在850nm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层的锗浓度大于i层120A的锗浓度以使在1310nm处有相对较大的响应度。在侧壁光电检测器100在850nm下进行吸收且第二侧壁光电检测器270在1310nm下进行吸收的一个实施例中，SiGe i层120A的硅含量小于20％且在一个这样的实施例中为至少10原子百分比，而第二侧壁光电检测器270的SiGe i层具有小于10原子百分比的硅且可基本上为纯锗。在另一个实施例中，侧壁光电检测器100的i层膜厚度等于第二光电检测器中的i层膜厚度，且每个均在约1.5μm至约3.0μm之间。
在另一个实施例中，第二侧壁光电检测器270包括在p-i-n膜层叠上的反射器(未示出)以使第二侧壁光电检测器上的一部分第二波长光返回。包括这一反射器改进对第二波长的响应度，同时减少载波的传播时间以用于更快的检测器。一般而言，反射器可以是本领域中已知的任何类型，诸如由沉积在p-i-n膜层叠上的两种或更多种介电材料的交替层构成的四分之一波长反射器、由在p-i-n膜层叠上生长的半导体层构成的布拉格反射镜等。在特定的实施例中，反射器是p-i-n膜层叠上形成的金属层(即，覆盖有效侧壁)。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示出具有根据实施例的经由光解多路复用器光耦合的侧壁光电检测器的示例性会聚I/O芯片300的俯视图。如所示，侧壁光电检测器100耦合到光波导250，该光波导250将穿过侧壁光电检测器100的光传导至阶梯衍射光栅355，以将穿过侧壁光电检测器100的光波长光学多路分解。衍射波长然后从阶梯衍射光栅355经由光波导250传送至第二侧壁光电检测器270以及侧壁光电检测器371、372、373等。在特定实施例中，侧壁光电检测器100被配置成在诸如850nm之类的较短标称波长下提供较高响应度，而侧壁光电检测器270和31-373被配置成在诸如约1310nm之类的较长标称波长下提供较高响应度。
如所示，侧壁光电检测器100良好地适合于与边缘照明的大面积光源耦合。与通常用于边缘照明应用的波导光电检测器配置相比，侧壁光电检测器100不需要仔细设计的波导来引导入射光。相反，侧壁光电检测器100用作有助于边缘照明的非常大面积水平定向的检测器。除光损耗降低外，对于非常高的带宽，不需要光斑大小减小，因为包括i层的锗即使以相对大的检测器面积(例如300μm2)也可提供高带宽。
图4A、4B、4C和4D示出根据实施例的在制造一对光耦合侧壁光电检测器期间形成的中间结构的横截面图。图4描绘衬底中形貌特征的形成。例如，光波导250可形成在衬底101的层中。在一个实施例中，光波导250利用基于等离子体的蚀刻工艺通过各向异性蚀刻形成，具有基本垂直侧壁的沟槽形成在衬底101中。在特定实施例中，沟槽终止在限定有效沟槽侧壁高度H的深度处的诸如绝缘层103之类的底停止层上。因此当沟槽申请可以是大约20μm时，沟槽宽度优选地相对较窄以促进平面处理。例如，沟槽宽度可以是大约3-5μm。然而，在不需要平面处理的其它实施例中，沟槽宽度可约为几百微米。在利用沟槽蚀刻限定光波导250之后，可利用本领域中已知的任何间隙填充或平面化工艺用诸如二氧化硅等包覆材料基本上填充沟槽。
如图4A所示，其上要形成侧壁检测器的有效沟槽侧壁未被包覆，而无检测器侧壁(例如，无效沟槽侧壁106和107)被包覆层240包覆。可利用例如本领域中已知的任何图案化和蚀刻技术去除包覆层240来实现选择性包覆，或通过形成限定随后将被包覆的无效侧壁(例如，无效沟槽侧壁106和107)的第一沟槽、沉积包覆然后在包覆无效侧壁之后限定不会被包覆的有效侧壁(例如，有效沟槽侧壁105)来实现选择性包覆。
如图4B所示，掺杂层110A形成在有效沟槽侧壁(即，光波导250的有效侧壁)上作为p-i-n膜层叠的一部分。在一个这样的实施例中，掺杂层110A包括在波导250的有效侧壁上外延生长的硅或硅锗合金。如进一步描绘的，第二掺杂层110也形成在光波导250的第二有效侧壁上。在一个这样的实施例中，掺杂层110A和第二掺杂层110两者同时外延生长为相同厚度和成分。
在掺杂层110A形成之后，i层120A可外延生长在掺杂层110A上。在掺杂层110A和衬底主要为硅的特定实施例中，至少利用锗源使i层120A生长至足够的厚度，从而使i层的带隙相对于衬底的带隙减小，以提供本文其它部分描述的光学特性。如图4B进一步描绘的，第二i层120也形成在第二掺杂层110上。在一个这样的实施例中，i层120A和第二i层120同时外延生长为相同厚度和成分。然后利用最终外延生长形成互补掺杂层130A和130以实现本文的其它部分描述的成分并完成第一和第二光电检测器的p-i-n膜层叠。
在实施例中，以一核素对i层120A和第二i层120中的至少一个进行注入，以修改生长的p-i-n膜层叠的光学性质。在i层主要为锗的一个实施例中，以硅对锗外延层进行注入以修改i层的光学性质(例如，调节侧壁光电检测器100的响应度)。在替换实施例中，以锗对硅i层进行注入以修改i层的光学性质。利用注入调节检测器的光学性质特别有优势，因为单个外延工艺可用于形成i层120A和第二i层120，且不需要沉积和剥离牺牲层。在同时形成i层120A和120两者之后，然后可通过使用掩模注入或高角注入来选择地修改i层120A或第二i层120之一的光学性质。
图4C进一步描绘有利的高角注入实施例，其中衬底倾斜约50-60度使得i层120A接收注入核素流量，而通过光波导250的遮蔽保护第二i层120免受注入流量的影响。尽管在示例性实施例中，在形成互补掺杂层130A和/或130之后执行i层注入，但i层注入也可在形成互补掺杂层之前。取决于有效沟槽侧壁高度H，用于接收注入核素的光波导250端部的深沟槽可能需要显著宽于以包覆填充的限定无检测器侧壁(例如，无效沟槽侧壁106和107)的沟槽。例如，在有效沟槽侧壁高度H约为20至30μm的实施例中，限定有效沟槽侧壁105的深沟槽具有约100μm的宽度尺寸(沿垂直于有效沟槽侧壁105的方向向量测量)以允许对基本整个有效沟槽侧壁的注入。
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，将硅以高角注入至i层120A以达到至少10原子百分比的硅，从而使在1310nm下的响应度低于在850nm下的响应度。在高角硅注入期间被光波导250遮蔽的第二i层120保持为如所生长的接近纯锗，因此维持1310nm下的高响应度。锗被注入到硅i层且第二硅i层被遮蔽的替换实施例也是可能的，尽管注入锗可能较困难且可能需要相对较大剂量的锗来调节可接受性能的响应度(例如，超过30原子百分比)。
在光学性能调节注入之后，热退火激活注入核素以修改第一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，执行600至850℃温度范围内的退火，以使侧壁光电检测器100的1310nm透射率增加至显著高于第二侧壁光电检测器270的水平。在退火期间，可预期i层120A和第二i层120中硅和锗的某些扩散。然而，i层120A中的硅浓度分布曲线将指示注入。例如，硅浓度分布曲线可以是i层120A的膜厚度的非线性函数。相反，被遮蔽而未受硅注入影响的第二i层120所沉积的锗将仅在i层120的界面上具有增加的硅浓度(例如，扩散混合)，且i层厚度的大部分保持基本为纯锗。
在利用常规制造技术完成图4D所描绘的结构之后，例如将电极(未描绘)耦合到侧壁光电检测器100和270的p-i-n膜层叠，光耦合的侧壁光电检测器件用于检测光的多个波长(例如，hv1和hv1)。
因此，已公开了光学组件集成中侧壁光电检测器、制造方法和应用。尽管用对结构特征和方法动作专用的语言描述了本发明，但可以理解，所附权利要求书中定义的发明不必限于上述具体特征或动作。所公开的特定的特征和动作仅被理解为所要求保护的发明的特别好的实现以便示出而非显示本发明。

Claims (20)

1.一种光子器件，包括：
衬底半导体膜，其中形成基本垂直的沟槽侧壁；
设置在所述沟槽侧壁上方的第一p-i-n膜层叠；以及
耦合至所述p-i-n膜层叠的p型和n型层的一对电极，以在所述沟槽侧壁上形成第一光电检测器。
2.如权利要求1所述的光子器件，其特征在于，所述第一p-i-n膜层叠包括第一i层半导体，所述第一i层半导体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所述的光子器件，其特征在于，所述第一i层半导体膜的带隙比所述衬底半导体膜的带隙窄以吸收第一光波长并使大于所述第一光波长的第二光波长基本穿过。
4.如权利要求3所述的光子器件，其特征在于，所述衬底半导体膜主要包括硅晶格原子，且其中所述第一i层半导体膜包括具有至少10原子百分比的硅的硅锗合金。
5.如权利要求2所述的光子器件，其特征在于，所述沟槽侧壁上的光电检测器面积至少为300μm2，且所述第一i层半导体膜的膜厚度介于约1.5μm至约3.0μm之间。
6.如权利要求2所述的光子器件，其特征在于，还包括：
形成于所述衬底半导体膜中的第二沟槽侧壁；
设置在所述第二沟槽侧壁上方的第二p-i-n膜层叠，其中所述第二p-i-n膜层叠包括第二i层半导体膜，所述第二i层半导体膜的带隙不同于所述第一i层半导体膜的带隙，以吸收第二光波长；以及
耦合到所述第二p-i-n膜层叠的第二对电极，以在所述第二沟槽侧壁上形成第二侧壁光电检测器。
7.如权利要求6所述的光子器件，其特征在于，还包括：光波导，所述光波导形成在所述衬底半导体膜中并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来自所述第一侧壁光电检测器的包括所述第二波长的光光学地耦合到所述第二侧壁光电检测器。
8.如权利要求6所述的光子器件，其特征在于，所述衬底半导体膜基本为硅，所述第一i层半导体膜包括硅锗合金，所述硅锗合金的硅含量大于所述第二i层半导体膜的硅含量，且其中所述第一i层半导体膜具有与所述第二i层半导体膜基本相同的膜厚度。
9.如权利要求8所述的光子器件，其特征在于，所述第一i层半导体中的硅浓度分布曲线是第一i层半导体膜厚度的非线性函数，且其中第二i层半导体基本为纯锗。
10.如权利要求6所述的光子器件，其特征在于，还包括在所述第二p-i-n膜层叠上方的反射器层，以将所述第二光波长反射回所述第二p-i-n膜层叠。
11.一种系统，包括：
如权利要求1所述的光子器件；以及
光耦合于所述第一侧壁光电检测器的下游的光解多路复用器。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括：
光耦合到光解多路复用器的下游的多个长波长侧壁光电检测器，其中每个长波长侧壁光电检测器还包括：
形成于所述衬底半导体膜中的第二沟槽侧壁；
设置在所述第二沟槽侧壁上方的第二p-i-n膜层叠，其中所述第二p-i-n膜层叠包括第二i层半导体膜，所述第二i层半导体膜的带隙不同于所述第一i层半导体膜的带隙，以吸收所述第二光波长；以及
耦合到所述第二p-i-n膜层叠的第二对电极，以在所述第二沟槽侧壁上形成具有主要检测器面积的第二侧壁光电检测器。
13.一种形成光子器件的方法，所述方法包括：
将具有基本垂直侧壁的第一沟槽蚀刻入衬底半导体膜；
在第一沟槽侧壁上方形成第一p-i-n膜层叠；以及
形成耦合至所述第一p-i-n膜层叠的p型和n型层的第一对电极以在第一沟槽侧壁上形成具有主要检测器面积的第一光电检测器。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，形成所述第一p-i-n膜层叠还包括：
在所述第一沟槽侧壁上方形成第一导电类型的第一掺杂半导体层；
在掺杂半导体层上外延生长第一i层半导体膜，所述第一i层半导体膜具有与所述衬底半导体膜不同的晶格常数；以及
在所述第一i层半导体膜上方形成与所述第一导电类型互补的第二导电类型的第二掺杂半导体层。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
将具有基本垂直侧壁的第二沟槽蚀刻入所述衬底半导体膜；
在第二沟槽侧壁上方形成第二p-i-n膜层叠，所述形成包括在所述第二沟槽侧壁上方外延生长第二i层半导体；以及
形成耦合到所述第二p-i-n膜层叠的第二对电极，以在所述第二沟槽侧壁上形成第二光电检测器。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，基本与所述第一沟槽同时蚀刻所述第二沟槽，且其中形成所述第二p-i-n层叠还包括：
基本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上方形成所述第一掺杂半导体层；以及
基本与外延生长所述第一i层半导体膜同时地在所述第一掺杂半导体层上外延生长所述第二i层半导体。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，形成所述第一p-i-n层叠还包括：
在所述第一沟槽侧壁暴露于注入核素流量的情况下执行高角注入，以将核素注入到所述第一i层半导体膜，同时所述第二沟槽侧壁被遮蔽免受注入核素影响以防止向所述第二i层半导体膜注入核素。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括，执行激活注入核素的热退火，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。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括在衬底半导体中形成波导以光耦合所述第一和第二光电检测器。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，形成第一掺杂层还包括：外延生长具有至少60原子百分比的递变或恒定硅浓度的硅锗合金。
CN2010800287410A 2009-06-30 2010-05-13 侧壁光电检测器 Pending CN102460735A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/495,665 US8278741B2 (en) 2009-06-30 2009-06-30 Sidewall photodetector
US12/495,665 2009-06-30
PCT/US2010/034755 WO2011008330A1 (en) 2009-06-30 2010-05-13 Sidewall photodetector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102460735A true CN102460735A (zh) 2012-05-16

Family

ID=43379751

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010800287410A Pending CN102460735A (zh) 2009-06-30 2010-05-13 侧壁光电检测器
CN2010102210557A Active CN101937938B (zh) 2009-06-30 2010-06-30 侧壁光电检测器

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010102210557A Active CN101937938B (zh) 2009-06-30 2010-06-30 侧壁光电检测器

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8278741B2 (zh)
EP (1) EP2449600A4 (zh)
JP (1) JP5678047B2 (zh)
KR (1) KR101464817B1 (zh)
CN (2) CN102460735A (zh)
BR (1) BRPI1009639A2 (zh)
TW (1) TWI411120B (zh)
WO (1) WO2011008330A1 (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8625937B2 (en) * 2011-06-30 2014-01-07 Intel Corporation Multimode optical coupler
US9117946B2 (en) 2013-01-15 2015-08-25 International Business Machines Corporation Buried waveguide photodetector
US9229164B2 (en) 2013-04-23 2016-01-05 Globalfoundries Inc. Butt-coupled buried waveguide photodetector
GB2513367A (en) * 2013-04-25 2014-10-29 Bae Systems Plc Improvements in and relating to sensitivity time control for radars
US9748307B2 (en) 2014-11-13 2017-08-29 Artilux Inc. Light absorption apparatus
US9799689B2 (en) 2014-11-13 2017-10-24 Artilux Inc. Light absorption apparatus
FR3054894A1 (fr) * 2016-08-03 2018-02-09 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Dispositif integre photonique a compacite amelioree
FR3078827B1 (fr) * 2018-03-07 2022-04-01 St Microelectronics Crolles 2 Sas Photodiode en germanium
US11075307B2 (en) * 2019-07-18 2021-07-27 International Business Machines Corporation Compact electro-optical devices with laterally grown contact layers
US11199672B1 (en) * 2020-06-15 2021-12-14 Globalfoundries U.S. Inc. Multiple waveguide coupling to one or more photodetectors

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003152216A (ja) * 2001-11-16 2003-05-23 Anritsu Corp 半導体受光素子
US20060186503A1 (en) * 2005-02-23 2006-08-24 Georgia Tech Research Corporation Edge viewing photodetector
CN1856860A (zh) * 2003-05-29 2006-11-01 应用材料股份有限公司 埋置式波导检测器

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62266503A (ja) * 1986-05-14 1987-11-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光複合機能素子
US5206920A (en) * 1991-02-01 1993-04-27 Siemens Aktiengesellschaft Integrated optical arrangement for demultiplexing a plurality of different wavelength channels and the method of manufacture
JPH1140823A (ja) * 1997-05-22 1999-02-12 Fujitsu Ltd 光検出器モジュール
JPH11103088A (ja) * 1997-09-26 1999-04-13 Furukawa Electric Co Ltd:The 半導体導波路型受光素子
JPH11238902A (ja) * 1998-02-19 1999-08-31 Nec Corp 半導体光検出装置及び半導体光検出装置の製造方法
JP2000019336A (ja) * 1998-07-06 2000-01-21 Japan Aviation Electronics Ind Ltd 光分波器
US6785447B2 (en) * 1998-10-09 2004-08-31 Fujitsu Limited Single and multilayer waveguides and fabrication process
US6232626B1 (en) 1999-02-01 2001-05-15 Micron Technology, Inc. Trench photosensor for a CMOS imager
US6207975B1 (en) * 1999-03-23 2001-03-27 Trw Inc. Angle cavity resonant photodetector
FR2791810B1 (fr) * 1999-03-31 2001-06-22 France Telecom Procede de fabrication d'une heterostructure planaire
US7006719B2 (en) * 2002-03-08 2006-02-28 Infinera Corporation In-wafer testing of integrated optical components in photonic integrated circuits (PICs)
US6985646B2 (en) * 2003-01-24 2006-01-10 Xponent Photonics Inc Etched-facet semiconductor optical component with integrated end-coupled waveguide and methods of fabrication and use thereof
US7129488B2 (en) * 2003-12-23 2006-10-31 Sharp Laboratories Of America, Inc. Surface-normal optical path structure for infrared photodetection
JP2005203757A (ja) * 2004-01-12 2005-07-28 Sharp Corp 赤外線光検出用垂直光路構造
TWI237905B (en) 2004-04-08 2005-08-11 Powerchip Semiconductor Corp Manufacturing method of photodiode
JP2007027463A (ja) * 2005-07-19 2007-02-01 Fujitsu Ltd 半導体受光素子
US7741172B2 (en) * 2005-08-10 2010-06-22 Icemos Technology Ltd. Positive-intrinsic-negative (PIN)/negative-intrinsic-positive (NIP) diode
US7880204B2 (en) * 2006-10-02 2011-02-01 Massachusetts Institute Of Technology System and method for providing a high frequency response silicon photodetector
US8030684B2 (en) * 2007-07-18 2011-10-04 Jds Uniphase Corporation Mesa-type photodetectors with lateral diffusion junctions

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003152216A (ja) * 2001-11-16 2003-05-23 Anritsu Corp 半導体受光素子
CN1856860A (zh) * 2003-05-29 2006-11-01 应用材料股份有限公司 埋置式波导检测器
US20060186503A1 (en) * 2005-02-23 2006-08-24 Georgia Tech Research Corporation Edge viewing photodetector

Also Published As

Publication number Publication date
CN101937938B (zh) 2012-11-28
TWI411120B (zh) 2013-10-01
US20100327381A1 (en) 2010-12-30
KR20120027343A (ko) 2012-03-21
EP2449600A4 (en) 2017-12-27
TW201115772A (en) 2011-05-01
WO2011008330A1 (en) 2011-01-20
EP2449600A1 (en) 2012-05-09
JP5678047B2 (ja) 2015-02-25
BRPI1009639A2 (pt) 2016-03-15
JP2012531038A (ja) 2012-12-06
CN101937938A (zh) 2011-01-05
US8278741B2 (en) 2012-10-02
KR101464817B1 (ko) 2014-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102460735A (zh) 侧壁光电检测器
CA2776048C (en) System having light sensor with enhanced sensitivity
CN105122469B (zh) 半导体受光元件及其制造方法
JP5232981B2 (ja) ＳｉＧｅフォトダイオード
CA2749973C (en) Optical device having light sensor employing horizontal electrical field
JP7429084B2 (ja) マイクロストラクチャ向上型吸収感光装置
CN109477936A (zh) 集成结构以及其制造方法
US9279936B2 (en) Optical device having light sensor with doped regions
US8723125B1 (en) Waveguide end-coupled infrared detector
CN102957091A (zh) 张应变半导体光子发射和检测装置和集成的光子学系统
CA2771346A1 (en) Optical device having light sensor employing horizontal electrical field
CN102427093B (zh) 横向PIN结构Ge量子点近红外探测器及其制作方法
CN102569513A (zh) 一种波导光探测器及其制备方法
WO2018100157A1 (en) Waveguide optoelectronic device
WO2015003084A1 (en) Controlling the composition of electro-absorption media in optical devices
CN110729373A (zh) 基于Ge波导的GeSn红外光电探测器及其制造方法
US10942315B2 (en) Reducing back reflection in a photodiode
KR20120069127A (ko) 아발란치 포토다이오드의 제조방법
WO2011098797A2 (en) Opto-electronic device
CN105932077A (zh) 硅红外检光器的结构及其制作方法
JPH06296007A (ja) 光導波管およびミラーを合体した構造体の形成方法、およびこの方法によって得られた構造体
US11227960B2 (en) Multifunctional metamaterial-based optical device
KR101554290B1 (ko) 애벌란치 포토다이오드
FR2681146A1 (fr) Dispositif optoelectronique a guide optique et a photodetecteur integres et procede de realisation d&#39;un tel dispositif.
US20190019902A1 (en) Silicon waveguide integrated with germanium pin photodetector

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120516