CN104854443B

CN104854443B - 光电传感器

Info

Publication number: CN104854443B
Application number: CN201380056723.7A
Authority: CN
Inventors: B.雅科比; V.M.拉夫奇夫; T.格里勒; P.伊尔西格勒; S.斯古里迪斯; U.黑德尼希; T.奥斯特曼
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: US20140061677A1; DE112013004299T5; WO2014032793A1; US9417186B2; DE112013004299B4; CN104854443A

Abstract

本公开的一些实施例涉及具有实现在单个硅集成芯片上的硅波导的红外（IR）光电传感器。IR传感器具有半导体衬底，所述半导体衬底具有沿着辐射输入导管与辐射输出导管之间的长度延伸的硅波导。辐射输入导管将辐射耦合到硅波导中，而辐射输出导管将辐射从硅波导耦合出。硅波导以单模将IR辐射从辐射输入导管运送到辐射输出导管。当辐射由硅波导运送时，形成从硅波导向外延伸以与定位在辐射输入导管与辐射输出导管之间的样品相互作用的渐逝场。

Description

光电传感器

背景技术

电子传感器测量物理量，并且将测量到的物理量转换为被提供给电子仪器（例如集成芯片处理器）的信号。在近些年，使用传感器的区域的数目已经剧烈扩展。例如，可以在各种应用中发现传感器，诸如化学剂检测单元、医疗诊断设备、工业过程控制、污染监测、汽车等。

诸如例如中红外（IR）传感器之类的红外传感器测量从具有绝对零度之上的温度的物体发射的在电磁频谱的红外（IR）部分的辐射。中红外频谱覆盖具有在大约2~25μm的范围内的波长的电磁辐射。通过测量MIR频谱的改变，传感器能够测量例如样品的化学性质或温度的改变。

附图说明

图1 A是所公开的红外（IR）光电传感器的一些实施例的俯视图的框图。

图1B到1C图示了图1A的红外（IR）光电传感器的横截面视图。

图2是具有被集成到波导中的发射器的IR传感器的一些实施例的横截面视图。

图3A到3B图示了具有被集成到波导中的发射器的IR传感器的一些附加的实施例的横截面视图。

图4图示了具有在波导的平面之外的发射器的IR传感器的一些附加的实施例的横截面视图。

图5是具有一个或多个硅脊型（rib）波导的IR传感器的一些实施例的三维视图。

图6是具有一个或多个硅脊型波导的IR传感器的一些可替换的实施例的三维视图，所述一个或多个硅脊型波导位于硅衬底的背侧中的一个或多个腔之上。

图7A到7B图示了图6的硅衬底的背侧的一些实施例的俯视图。

图8图示了具有多个电介质层的IR传感器的一些可替换的实施例的横截面视图，所述多个电介质层被配置成提供硅波导与位于下面的衬底之间的光隔离。

图9A图示了具有光子晶体波导的IR传感器的一些实施例的俯视图。

图9B图示了具有光子晶体波导的IR传感器的一些实施例的横截面视图。

图10是具有光子晶体波导的IR传感器的一些可替换的实施例的俯视图。

图11图示了具有光子晶体波导的IR传感器的更详细的实施例的俯视图。

图12是形成具有硅波导的IR传感器的示例方法的流程图。

具体实施方式

现在参照附图来描述所要求保护的主题物，其中同样的附图标记贯穿始终被用来指代同样的元件。在下面的描述中，为了解释的目的，陈述无数特定的细节，以便提供所要求保护的主题物的透彻理解。然而，可能显而易见的是，没有这些特定细节也可以实践所要求保护的主题物。

通过使用在电磁频谱的红外区的辐射（即，具有为大约2~25μm波长的辐射）来执行红外频谱法（spectroscopy）。许多当代传感器使用电磁频谱的红外区来测量流体和/或气体样品的性质。这样的传感器生成IR辐射，当使得所述IR辐射与样品接触时，所述IR辐射与样品反应以引起IR辐射的改变（例如，衰减）。传感器接着测量IR辐射频谱的改变以确定样品的性质。

IR辐射频谱中的样品的特征吸收的测量（其表示了作为特定物质的化学指纹）示出了在是针对该物质的特性的特定波长处的较强的吸收。通过将物质暴露于宽带IR辐射，并且在辐射已经通过或部分穿透样品之后确定频谱中的吸收，可以使用该特征。

在近些年，随着在其中使用传感器的区域的数目已经增加，传感器研究已经经历了密集的增长。当传感器被放置到更多各种应用中时，针对传感器设备的挑战变得更加复杂。一个这样的挑战是形成兼容于硅基技术并且与硅基技术集成的传感器。通过将传感器集成到硅基技术中，传感器可以例如容易地与其他部件（诸如处理器、存储器等）一起被制造到单个集成芯片上。

本公开涉及包括实现在单个集成芯片上的硅波导的光电传感器。在一些实施例中，IR传感器包括被配置成生成辐射的辐射源以及被配置成测量辐射的一个或多个性质的辐射检测器。硅波导（即由硅制成的光波导）沿着辐射源和辐射检测器之间的长度延伸。硅波导被配置成以单模从辐射源向辐射检测器运送辐射。被运送的辐射形成从硅波导向外延伸的渐逝场，以与在渐逝场的适当位置定位的样品相互作用。当渐逝场与样品相互作用时，由硅波导引导的辐射根据样品的一个或多个特性被衰减（例如，特别地，辐射在对应于引导的一个或多个波的波长的波长区中被吸收）。辐射检测器被配置成接收经衰减的MIR辐射，并且根据经衰减的MIR辐射来确定样品的一个或多个特性。

图1A是公开的红外光电传感器（IR传感器）的一些实施例的俯视图100的框图。

IR传感器包括辐射输入导管104、相互作用体积（volume）106、以及辐射输出导管108。半导体衬底102包括沿着辐射输入导管104与辐射输出导管108之间的长度延伸的硅波导110。将要领会的是，在各种实施例中，半导体衬底102可以具有变化的特征。例如，硅衬底可以包括微结构（例如，形成所谓的光子晶体的孔的有规律的图案）、硅波导102与位于下面的硅衬底之间的其他材料（例如氮化硅）的层、和/或位于在硅波导102下延伸的衬底的背侧上的腔。

辐射输入导管104被配置成，从被配置成发射辐射114的辐射源104a耦合红外（IR）辐射到位于半导体衬底（例如，硅衬底）102上的硅波导（即由硅制成的波导）110中。在一些实施例中，辐射114包括中红外（MIR）辐射（例如，具有在从大约2μm到大约25μm的电磁频谱的中红外区中的波长的电磁场），而在其他实施例中辐射可以包括不同的波长（例如，近红外辐射，具有在750nm和1mm之间的波长）。在各种实施例中，辐射源104a可以包括被集成到半导体衬底102中的辐射源（即，被设置在半导体衬底102内的辐射源104a），或者位于半导体衬底102外部的外部辐射源（即，激光器）（即，与硅波导110连通的分离的部件）。

硅波导110与相互作用体积106相交，所述相互作用体积106包含要被分析的样品112（例如液体、气体等）。硅波导110被配置成，以低的衰减程度从辐射输入导管104向辐射输出导管108运送辐射114。当辐射114被运送通过相互作用区时，它与样品112相互作用，这引起在特征波长处是独特的衰减。当辐射114与样品112相互作用时，辐射114的频谱改变，导致具有定义样品112的一个或多个特性的频谱的经衰减的辐射114’。

辐射输出导管108被配置成从硅波导110耦合红外（IR）辐射到辐射检测器108a。在一些实施例中，辐射检测器108a包括被集成到半导体衬底102中的辐射检测器，而在其他实施例中，辐射检测器108a包括外部辐射检测器。辐射检测器108a被配置成接收经衰减的辐射114’，并且根据其测量经衰减的辐射114’的一个或多个特性。例如，在一些实施例中，辐射检测器108a被配置成测量经衰减的辐射114’的强度。通过测量经衰减的辐射114’的强度，辐射检测器108a可以由于在所选择的频率处的衰减来确定样品112的一个或多个特性。

图1B图示了图1A的IR传感器的沿着第一方向的横截面视图116的框图。

如在横截面视图116中所示，IR传感器包括半导体衬底102。在一些实施例中，半导体衬底102包括可选地具有n型或p型掺杂剂浓度的晶体硅衬底（例如，具有<100>晶体取向）。缓冲层120位于半导体衬底102之上。硅波导110被包括在位于缓冲层120之上的硅层122内。缓冲层120被定位以将半导体衬底102与硅波导110分离。例如，在一些实施例中，缓冲层120被定位在硅层122之下，所述硅层122包括在沿着硅波导110的长度从辐射输入导管104到辐射输出导管108延伸的区域中的硅波导110。

缓冲层120包括具有不同于（例如大于）半导体衬底102的折射指数的材料。例如，在一些实施例中，缓冲层120可以包括具有比硅衬底（n=3.45079）更低的折射指数的氮化硅（例如SiN₃）层（n=1.98）或者非晶碳层（n≈2.3）。缓冲层120与半导体衬底102的折射指数的差提供了硅波导110与位于下面的半导体衬底102之间的光隔离。在一些实施例中，缓冲层120包括单个层，而在可替换的实施例中，缓冲层120包括多层不同的材料（例如，两个不同的材料），其借助于干涉效应，实现在指定波长处的光绝缘。在一些实施例中，为了改进硅波导110与半导体衬底102之间的光隔离，半导体衬底102可以包括一个或多个背侧腔。背侧腔包括在硅波导110之下的区，在其中硅衬底202已经被移除，如下面更详细所述。

将硅波导110与半导体衬底102光绝缘防止由硅波导引导的辐射114进入半导体衬底102中并使得IR传感器发生故障（例如，如果半导体衬底102包括硅衬底，那么辐射114将从硅波导110自由传播到硅衬底，阻止硅波导110合适地操作）。

图1C图示了沿着图1A的IR传感器的第二方向的横截面视图118的框图。虽然横截面视图118将硅波导110图示为位于缓冲层120的顶上的脊型波导，将要领会的是，硅波导110不限于这样的波导结构。例如，在一些其他实施例中，硅波导110可以包括设置在硅层内的光子晶体波导。此外，虽然被图示为具有基本上是正方形的横截面，但是所公开的硅波导110不限于这样的横截面形状。

如在横截面视图118中所示，硅波导110的一个或多个表面暴露于周围环境。通过将硅波导110的一个或多个表面暴露于周围环境，样品112与硅波导110直接接触。虽然辐射114一般被包含在硅波导110内，但是辐射114的小的渐逝场从硅波导110向外延伸到硅波导110的周围的区域中。渐逝场与样品112相互作用，所述样品112将以渐逝场内的特定频谱轮廓来吸收辐射114，使得在辐射检测器108a处接收到的经衰减的辐射114’具有指示了样品112的一个或多个特性的频谱。

图2是具有红外辐射（IR）源206和被集成到硅波导204中的IR检测器210的IR传感器的一些实施例的横截面视图200。IR源206和IR检测器210被沿着平面设置，所述平面沿着硅波导204的长度延伸，从而使得IR传感器能够在单个集成芯片上被容易地制造。

在一些实施例中，IR源206包括电阻元件。在各种实施例中，电阻元件可以包括多晶硅电阻器、薄膜电阻器、或一些其他类似的电阻元件。电阻元件被配置成从电流源（未示出）接收电流。当电流流动穿过电阻元件时，热能作为宽带红外频谱从电阻元件被耗散。在一些实施例中，滤波元件被定位在电阻元件与硅波导204之间，从而以下面的方式来对宽带红外频谱进行滤波：提供由硅波导204运送的窄带红外辐射。在一些实施例中，滤波元件包括被配置成对从电阻元件发射的宽带辐射进行滤波的光子晶体波导。

在一个特定的实施例中，电阻元件包括扩散电阻器，其具有位于具有第二掺杂类型的衬底内的具有第一掺杂类型的掺杂区208。在一些实施例中，扩散电阻器的掺杂区208包括位于n型硅波导内的p型阱。在其他实施例中，扩散电阻器的掺杂区208在硅波导204的平面外的位置处被集成在衬底内。

由电阻元件生成的IR辐射由硅波导204从IR源206引导到被集成在硅波导204内的IR检测器210。在一些实施例中，IR检测器210包括针孔（pin）二极管。针孔二极管可以包括水平的针孔二极管，其具有了具有第一掺杂类型（例如，p型）的第一掺杂区212以及具有第二掺杂类型（例如，n型）的第二掺杂区214。可替换地，针孔二极管可以包括垂直的管脚，其具有由硅波导204的硼掺杂形成的底部p层、由硅波导204的锑掺杂形成的顶部n层、以及包括锗量子点和未掺杂硅的有源本征层。

图3A图示了具有IR源206以及被集成到硅波导204中的IR检测器210的IR传感器的一些附加的实施例的横截面视图。

硅波导204包括定位在IR源206与相互作用体积106之间的耦合结构302。耦合结构302包括材料，所述材料具有被优化以实现红外辐射从IR源206到硅波导204中的高效耦合的折射指数。所选的折射指数允许从IR源206发射的辐射被高效传输到相互作用体积106，同时提供防止到相互作用体积106的热传导的热绝缘。在一些实施例中，耦合结构302可以包括空气或真空的区域。

虽然用具有被集成到硅波导204中的IR源206的IR传感器来图示耦合结构302，但是将要领会的是，在可替换的实施例中，耦合结构302可以被实现在IR传感器中，所述IR传感器具有放置在靠近硅波导204的附近（例如，在波导的平面外）的IR源。

在一些实施例中，耦合结构302包括了包括两个或更多个不同材料的多个分离的层。例如，图3B图示了具有耦合结构302的IR传感器的横截面视图304，所述耦合结构302包括从硅波导204的顶表面延伸到位于下面的缓冲层120的多个分离的层302a、302b和302c。在这样的实施例中，耦合结构302的分离的层302a、302b和302c生成由IR源206生成的辐射中的干涉，从而导致IR源206与硅波导204之间的光阻抗匹配。

图4图示了IR传感器的一些附加的实施例的横截面视图400，所述IR传感器具有位于硅波导406的平面之外的集成的IR源402以及集成的IR检测器。

IR源402被配置成生成具有显著红外频谱的电磁场408（例如，电磁场具有从大约2μm到大约25μm在中红外区中或者在大约750nm到1mm之间的近红外区中的波长）。电磁场408的IR频谱通过位于硅波导406的第一端处的第一耦合元件410来被耦合到硅波导406。第一耦合元件410被配置成将电磁场408转换成具有由硅波导406引导的经引导的模式的IR辐射。在一些实施例中，第一耦合元件410包括具有在硅波导406的顶表面中的多个周期性布置的腔的光栅耦合器。在其他实施例中，第一耦合元件410可以包括例如被配置成将IR辐射耦合到硅波导406中的棱镜。

在一些实施例中，IR源402沿着硅衬底202的背侧被设置，并且借助于硅衬底202的背侧中的第一腔412来与硅波导406连通。第一腔412从硅波导202的背侧垂直延伸到缓冲层120，并且改进电磁场408到硅波导406的传输。

为了测量经衰减的IR辐射，第二耦合元件416位于硅波导406的与第一端相对的第二侧处。第二耦合元件416被配置成将从硅波导406 出来的IR辐射414朝着IR检测器404耦合。在一些实施例中，IR检测器404沿着硅衬底202的背侧被设置，并且借助于硅衬底202的背侧中的第二腔418来与硅波导406连通。在一些实施例中，IR检测器404可以关于第二耦合元件416位于一个角度，使得第二耦合元件416的角耦合特性来执行IR辐射414的频谱分离。

图5是具有一个或多个硅脊型波导504的IR传感器的一些实施例的三维视图500。

一个或多个硅脊型波导504在缓冲层120（例如，包括一个或多个分离的层）的顶表面之上延伸，所述缓冲层120可以借助于粘附层502（例如，SiO₂）来被连接到硅衬底202，所述粘附层被配置成改进缓冲层与硅衬底之间的粘附。各自的硅脊型波导504包括从缓冲层120的顶表面垂直朝外延伸的硅鳍状物。在一些实施例中，硅脊型波导504被弄皱成具有沿着波导的顶表面设置的多个脊506。波导的起皱的部分包括光栅耦合器，其使得IR辐射能够被耦合到硅脊型波导504中或者从硅脊型波导504被耦合出。

在一些实施例中，IR传感器包括多个硅脊型波导504a和504b，其被彼此平行地设置并且被分离开允许波导同时与样品112相互作用的距离。通过增加与样品112相互作用的硅脊型波导504的数目，增加了IR传感器的灵敏度。例如，包括与样品112相互作用的两个硅脊型波导504a和504b的IR传感器将具有比具有与样品112相互作用的单个硅脊型波导504a或504b的IR传感器更大的灵敏度。

将要领会的是，所公开的波导的尺寸控制波导的操作。例如，通过适当地调谐硅脊型波导504的宽度w和高度h₁，可以获得波导操作的期望的频谱范围。例如，可以调整硅脊型波导504的高度h₁，以改变IR传感器的灵敏度（例如，较小的高度h₁提供了渐逝场和样品112的较强的相互作用）。使所公开的硅波导的尺寸变化还可以使由波导传输的辐射的波长变化。例如，为了在5μm附近的MIR辐射的波长处执行样品的分析，针对操作波长可以形成具有2μm宽度以及600nm高度的硅脊型波导。

在一些实施例中，选择所公开的IR传感器的尺寸，使得一个或多个硅脊型波导504包括支持一个横向电（TE）模式以及一个横向磁（TM）模式（例如，基模TE₀₀和TM₀₀）的单模Si波导（WG）。单模波导避免了由于硅波导壁上的不完整性（imperfection）而引起的损耗，所述硅波导壁上的不完整性引起所携带的能量在不同模式当中的重新分布。

发明人已经领会，从所公开的硅波导到位于下面的硅衬底的泄漏可能会本征地使所公开的硅波导中的IR辐射衰减，从而导致漏的波。为了防止这样的泄漏并且实现所公开的硅波导与位于下面的硅衬底之间的高隔离程度，可以使用相对厚的缓冲层。然而，在形成具有大的厚度（例如，大于大约1μm）的缓冲层方面，处理困难可能发生。

因此，在一些实施例中，所公开的硅波导中的IR辐射与位于下面的硅衬底之间的光隔离可以通过移除硅波导下面的硅衬底来提供。例如，图6是具有一个或多个硅脊型波导602的IR传感器的一些可替换的实施例的三维视图600。

硅脊型波导602被定位在包括硅衬底202和粘附层502的衬底的顶表面上。与顶表面相对的衬底的背侧包括定位在硅脊型波导602之下的一个或多个背侧腔604。一个或多个背侧腔从衬底的背侧垂直延伸到位于硅脊型波导602之下的缓冲层120。在硅脊型波导602之下具有一个或多个背侧腔604使得硅脊型波导由包括缓冲层120的薄膜支撑。在一些实施例中，薄膜包括缓冲层120，所述缓冲层120具有以低于波导的折射指数的折射指数为特征的单个材料（例如硅）。例如，在一些实施例中，薄膜包括低折射指数Si₃N₄膜。

在一些实施例中，一个或多个背侧腔606沿着硅衬底202的背侧在平行于硅脊型波导602的方向上横向延伸。在一些实施例中，单个背侧腔沿着硅脊型波导602的长度延伸，而在其他实施例中，一连串背侧腔沿着硅脊型波导602的长度延伸。背侧腔604的这样的取向有效地将硅衬底202从硅脊型波导602之下移除，从而通过防止由硅衬底202引起的IR辐射的衰减来提供IR辐射沿着波导的高效传播。

图7A到7B图示了硅衬底的背侧的俯视图700和706的一些实施例。如在图7A的俯视图700中所示，衬底内的背侧腔包括硅衬底202的背侧中的基本上正方形的腔702。在一些实施例中，正方形腔702被定向以提供沿着硅脊型波导602a的长度延伸的一连串正方形腔702a到702d。在这样的实施例中，邻近的正方形腔702之间的未刻蚀的区域形成硅横梁704，其提供对于硅脊型波导602之下的薄膜的结构支撑。在各种实施例中，硅横梁704可以具有等于硅衬底202的厚度的厚度或者小于硅衬底202的厚度的厚度（即，小于腔702的厚度的厚度）。

在其他实施例中，后侧腔可以包括六边形腔708（具有六边形的形状），如在图7B的俯视图706中所示。在一些实施例中，六边形腔708被定向以提供沿着硅脊型波导602a的长度延伸的一连串六边形的腔708a到708d。在这样的实施例中，在邻近的六边形腔708之间的未刻蚀的区域形成硅横梁710，所述硅横梁710提供对于硅脊型波导602a之下的薄膜的结构支撑。在各种实施例中，硅横梁710可以具有等于硅衬底202的厚度的厚度或者小于硅衬底202的厚度的厚度。与沿着波导的长度延伸的单个背侧腔或者沿着波导的长度延伸的一连串正方形腔（例如，如在图7A中所示）相比，六边形腔708提供了支撑硅脊型波导602a的膜的更大的结构支撑。

在还有其他的实施例中，位于所公开的硅波导之下的半导体衬底的区可以包括包含微腔的周期性穿孔的多个背侧腔。例如，位于所公开的硅波导之下的半导体衬底的区可以由圆孔穿孔，所述圆孔提供沿着半导体衬底的背侧周期性定位的微腔的阵列。微腔具有小于硅波导的宽度的直径，使得多于一个的微腔可以沿着硅波导的宽度被定位。微腔具有从半导体衬底的背侧延伸到缓冲层的深度，以致从硅波导之下移除硅衬底。通过从硅波导之下移除硅衬底，微腔减少了从硅波导到半导体衬底的辐射的泄漏。

图8图示了IR传感器的一些可替换的实施例的横截面视图800，所述IR传感器具有包括定位在硅波导802与位于下面的硅衬底202之间的多个电介质层804到810的缓冲层120。多个电介质层804到810被配置成提供硅波导802与硅衬底202之间的高的光隔离程度。

在一些实施例中，多个电介质层804到810一个在另一个的顶上地被设置，使得多个电介质层804到810形成在其处满足不同折射指数的多个界面。在一些实施例中，选择多个电介质层804到810，以具有形成布拉格反射镜（即电介质反射镜）的厚度和折射指数，其防止来自硅波导802的IR辐射到达硅衬底202。

将要领会的是，各自的电介质层804到810的厚度和/或材料可以依赖于要被反射的辐射的波长和/或反射率的程度来变化。在一些实施例中，可以选择多个电介质层804到810，以反射对应于在硅波导802中呈现的辐射的辐射的窄带。在一些实施例中，多个电介质层804到810可以包括例如氟化镁或二氧化硅中的一个或多个。

图9A图示了具有一个或多个光子晶体波导的IR传感器的一些实施例的俯视图900。

光子晶体波导包括半导体衬底上的硅层902中的多个腔906。腔906沿着在IR源908和IR检测器910之间延伸的波导的长度沿着光子晶体波导区904的相对侧横向设置。在各种实施例中，腔906可以包括硅层902中的圆形孔，而在其他实施例中，腔906可以包括硅层902中的其他形状。

布置腔906，以允许在IR频谱之外的波长在硅层902内自由传播，但是防止在IR频谱的期望的部分内的波长传播到光子晶体波导区904外。例如，如果IR源908输出宽带信号，那么腔906将阻挡IR辐射的窄带，使得窄带将不漏出到光子晶体波导区904的左边和右边。相反，辐射的窄带将沿着光子晶体波导区904被引导作为IR辐射912。在一些实施例中，根据具有相等的彼此间隔的周期性图案来布置腔906。

在一些实施例中，腔906可以被配置成从光子晶体波导区904滤除不想要的波长，使得红外频谱的子集由波导引导。在其他实施例中，光子晶体波导区904可以进一步包括耦合元件（例如，光栅耦合器），其被配置成将期望的波长耦合到波导中。耦合元件可以被用来改进由腔906执行的滤波。

图9B图示了具有一个或多个光子晶体波导的IR传感器的一些实施例的横截面视图914。

如在横截面视图914中所图示，腔906从硅层902的顶表面延伸到深度d，所述深度定义了光子晶体波导的高度。在一些实施例中，腔906从硅层902的顶表面延伸到位于下面的缓冲层120。样品112位于硅层902的顶部上，使得样品与光子晶体波导的顶表面相接触。附加地，样品112可以填充腔906中的一个或多个，以沿着其侧中的一个或多个来接触波导。在一些实施例中，硅衬底202可以进一步包括如上所述的一个或多个背侧腔。

图10是具有光子晶体波导的IR传感器的一些可替换的实施例的俯视图1000。光子晶体波导包括波导区1002内的一个或多个波导腔1004，所述波导区1002沿着在IR源908和IR检测器910之间延伸的波导的长度被设置在腔906之间。波导腔1004可以被选择，以具有以下尺寸：所述尺寸操作来改变/调谐由IR源908生成的IR辐射912的一个或多个引导特性（例如传播模式）。在一些实施例中，波导腔1004可以进一步被配置成操作为耦合元件，所述耦合元件协助将IR辐射耦合到波导区1002中。

在一些实施例中，波导腔1004从硅层902的顶表面延伸到小于周围的腔906的深度的深度。在其他实施例中，波导腔1004可以可替换地或附加地具有比周围的腔906更小的半径。在一些实施例中，腔906以第一周期性间隔被设置在硅层902内，而波导腔1004以大于第一周期性间隔的第二周期性间隔被设置在硅层902内。

图11图示了具有光子晶体波导的IR传感器的更多详细实施例的俯视图1100。光子晶体波导包括硅层1102内的多个腔1104，其定义了被配置成运送IR辐射的波导区。第一耦合器区1106a位于波导区的第一端，而第二耦合器区1106b位于波导区的第二端。第一耦合器区1106a包括多个波导腔1108a，其共同被配置成将IR辐射耦合到波导区中。波导腔1108a以朝着波导区的中心具有更窄的宽度的逐渐变细的布局来设置。逐渐变细的布局促进了倾斜地或正交地入射IR辐射的耦合，并且集中了所收集的通过波导区运送的辐射。第二耦合器区1106b包括多个波导腔1108b，其共同被配置成提供来自波导区的IR辐射。波导腔1108b以与第一耦合器区成镜像的逐渐变细的布局来设置（即，朝着波导区的中心具有更窄的宽度）。

图12是形成具有硅波导的IR传感器的示例方法1200的流程图。

将要领会的是，虽然方法1200在下面被图示和描述为一连串动作或事件，但是这样的动作或事件的所图示的次序不以限制性的意义被解释。例如，一些动作可以以不同的次序和/或与除了本文中图示和/或描述的那些动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。此外，可以不要求所有图示的动作以实现本文中的公开的实施例的一个或多个方面。同样，本文中所描绘的动作中的一个或多个可以以一个或多个分离的动作和/或阶段被执行。

在1202，提供半导体衬底。在一些实施例中，半导体衬底包括硅衬底（例如，具有<100>取向的单晶硅）。在各种实施例中，可以用n型或p型掺杂剂浓度来掺杂硅衬底，或者可以不掺杂。在其他实施例中，半导体衬底可以包括具有外延层的硅衬底。

在1204，在半导体衬底上形成缓冲层。可以通过使用物理气相沉积（例如，蒸发、溅射等）来在半导体衬底上形成缓冲层。在一些实施例中，缓冲层可以包括氮化硅或者非晶碳层。在一些实施例中，形成缓冲层包括以如下的方式在衬底的表面上连续沉积多个电介质层（在1206）：所述方式形成具有IR辐射的高反射率的布拉格反射镜。

在1208，在缓冲层之上形成硅波导。在各种实施例中，硅波导可以包括硅脊型波导或光子晶体波导。

在一些实施例中，在1210，通过在缓冲层上形成硅层来形成硅波导。通过使用物理气相沉积来沉积硅层，可以形成硅层。在1212，硅层被选择性遮掩。在一些实施例中，通过形成定义一个或多个硅波导的第一遮掩层来选择性地遮掩硅层。在一些实施例中，第一遮掩层包括借助于旋涂工艺形成在硅层的表面上的图案化的光刻胶层。接着旋涂的光刻胶通过对于光源（例如UV光）的选择性暴露以及随后的显影来进行图案化。在1214，选择性地刻蚀硅层，以根据第一遮掩层来形成波导。

在1216，IR源被提供与硅波导的第一端连通。在一些实施例中，IR源被配置成发射包括中红外（MIR）辐射或近红外辐射的辐射。在一些实施例中，IR源包括通过用掺杂剂选择性注入硅层来形成的扩散电阻器（在1218）。掺杂剂可以包括p型掺杂剂（例如，硼、镓等）或者n型掺杂剂（例如，磷、砷等）。在一些实施例中，n型掺杂剂以具有大约10¹²~10¹⁷cm^-3的范围的剂量被注入到p型衬底中。

在1220，IR检测器被提供与硅波导的第二端连通。在一些实施例中，IR检测器包括pin二极管，其通过选择性注入具有第一和第二阱的硅层来形成（在1222），所述第一和第二阱具有不同的掺杂剂类型。

在1224，在一些实施例中，用保护层来选择性遮掩衬底的背侧。保护层形成位于硅波导之下的开口。在各种实施例中，保护层可以包括对应于1226的所选择的刻蚀工艺的硬掩模（例如SiN）。

在1226，在一些实施例中，选择性地刻蚀衬底的背侧，以从硅波导下移除半导体衬底。半导体衬底可以被刻蚀到从半导体衬底的背侧延伸到缓冲层的深度。在一些实施例中，通过使用深反应离子刻蚀（例如Bosch刻蚀工艺）来刻蚀半导体衬底的背侧。在其他实施例中，衬底经受电化学控制的刻蚀（ECE）工艺，在其中衬底被浸没在刻蚀剂中（例如KOH池）。

将要领会到的是，对于本领域的技术人员，基于说明书和所附附图的阅读和/或理解，等同的替换和/或修改可以发生。本文中的本公开包括所有这样的修改和替换，并且一般不意图从而被限制。例如，虽然本文中提供的图被图示和描述为具有特定的掺杂类型，但将要领会到的是，可以利用可替换的掺杂类型，如本领域普通技术人员将领会的那样。

此外，虽然关于数个实现中的仅仅一个，可以已经公开了特定的特征或方面，但是这样的特征或方面可以与其他实现的一个或多个其他的特征和/或方面相组合，如可以是期望的那样。此外，就术语“包括”、“具有”、“具有了”、“拥有”和/或其变形在本文中被使用而言，这样的术语意图在意思上是开放性的，像“包含”一样。同样，“示例性”仅仅意味着意指例子，而不是最佳的。同样将要领会的是，为了理解的容易和简单的目的，本文中描绘的特征、层和/或元件用相对于彼此的特定尺寸和/或取向来图示，以及实际的尺寸。

Claims

1.一种红外辐射IR光电传感器，包括：

半导体衬底，其包括沿着辐射输入导管与辐射输出导管之间的长度延伸的硅波导，所述辐射输入导管被配置成将辐射耦合到所述硅波导中，而所述辐射输出导管被配置成耦合来自所述硅波导的辐射，其中，所述硅波导被配置成以单模将所述辐射从所述辐射输入导管运送到所述辐射输出导管，以形成从所述硅波导向外延伸以与样品相互作用的渐逝场；

缓冲层，具有连续地接触所述硅波导的在所述辐射输入导管与所述辐射输出导管之间的下表面的平坦上表面；以及

被配置为将来自辐射源的辐射耦合到所述硅波导内的耦合元件，其中，所述耦合元件包括多个分离的层，所述多个分离的层包括不同材料并且从所述硅波导的上表面垂直地延伸到所述缓冲层并且在沿着所述硅波导的长度水平延伸的方向上堆叠。

2.根据权利要求1的IR光电传感器，还包括：

辐射源，其被配置成生成辐射，所述辐射在所述辐射输入导管处被耦合到所述硅波导中；以及

辐射检测器，其被配置成测量所述辐射的一个或多个特性，所述辐射在所述辐射输出导管处从所述硅波导被耦合。

3.根据权利要求2的IR光电传感器，其中，

所述辐射检测器包括针孔二极管。

4.根据之前权利要求中任一权利要求的IR光电传感器，其中所述缓冲层定位在所述半导体衬底与所述硅波导之间，其中，所述缓冲层将所述辐射与所述半导体衬底光隔离。

5.根据权利要求4的IR光电传感器，其中，

所述缓冲层包括氮化硅层或非晶碳层。

6.根据权利要求4的IR光电传感器，还包括：

一个或多个背侧腔，所述一个或多个背侧腔在所述硅波导之下垂直定位，并且从所述半导体衬底的背侧垂直延伸到所述缓冲层。

7.根据权利要求6的IR光电传感器，其中，

所述一个或多个背侧腔包括六边形形状。

8.根据权利要求6的IR光电传感器，

其中，所述一个或多个背侧腔包括多个微腔，所述多个微腔从所述半导体衬底的背侧延伸到所述缓冲层并且具有小于所述硅波导的宽度的直径；并且

其中，所述多个微腔沿着所述半导体衬底的背侧以周期性的图案被设置。

9.根据权利要求1至3中的任一权利要求的IR光电传感器，其中，

所述辐射源包括了包括在所述硅波导内的电阻元件。

10.根据权利要求4的IR光电传感器，其中，

所述硅波导包括脊型波导，所述脊型波导包括位于所述缓冲层之上的硅鳍状物。

11.根据权利要求2的IR光电传感器，其中，

所述硅波导包括光子晶体波导，所述光子晶体波导具有位于所述缓冲层上的硅层内的多个腔，其中，所述多个腔在光子晶体波导区的相对的侧上被横向设置，所述光子晶体波导区被配置成将所述辐射从所述辐射源运送到所述辐射检测器。

12.根据权利要求11的IR光电传感器，其中，

所述光子晶体波导包括沿着所述光子晶体波导区的长度定位的一个或多个波导腔。

13.一种红外辐射IR光电传感器，包括：

红外辐射IR源，其被配置成生成具有在电磁频谱的红外区中的波长的IR辐射；

红外辐射IR检测器，其被配置成测量IR辐射的一个或多个性质；

硅衬底；

位于所述硅衬底之上并且具有第一折射指数的缓冲层；

位于所述缓冲层之上并且具有不同于第一折射指数的第二折射指数的硅波导，其中，所述硅波导具有在IR源与IR检测器之间延伸的长度；以及

被配置为将来自所述IR源的辐射耦合到所述硅波导内的耦合元件，其中，所述耦合元件包括多个分离的层，所述多个分离的层包括不同材料并且从所述硅波导的上表面垂直地延伸到所述缓冲层并且在沿着所述硅波导的长度水平延伸的方向上堆叠，

其中，一旦将所述IR辐射从所述IR源运送到所述IR检测器，所述硅波导就生成从所述硅波导向外延伸以与样品相互作用的渐逝场。

14.根据权利要求13的IR光电传感器，其中，

所述硅波导包括光子晶体波导，所述光子晶体波导具有位于所述缓冲层上的硅层内的多个腔，其中，所述多个腔在光子晶体波导区的相对的侧上被横向设置，所述光子晶体波导区被配置成将所述IR辐射从所述IR源运送到所述IR检测器。

15.根据权利要求14的IR光电传感器，还包括：

一个或多个背侧腔，所述一个或多个背侧腔在所述硅波导之下垂直定位，并且从所述硅衬底的背侧垂直延伸到所述缓冲层。

16.根据权利要求15的IR光电传感器，其中，

17.根据权利要求13所述的IR光电传感器，其中，

18.一种形成具有硅波导的IR传感器的方法，包括：

提供半导体衬底；

将缓冲层沉积到所述半导体衬底上，其中所述缓冲层提供与所述半导体衬底的光隔离；

在所述缓冲层上形成硅波导；

提供与所述硅波导的第一端连通的中红外辐射IR源；

提供与所述硅波导的第二端连通的IR检测器，所述硅波导的第二端与第一端横向相对；以及

形成从所述硅波导的上表面垂直地延伸到所述缓冲层并且在沿着所述硅波导的长度水平延伸的方向上堆叠的耦合元件，其中所述耦合元件包括包含不同材料的多个分离的层。

19.根据权利要求18的方法，其中形成硅波导包括：

将硅层沉积到所述缓冲层上；

选择性地遮掩所述硅层，以定义所述硅波导；以及

选择性地刻蚀经遮掩的硅层。

20.根据权利要求18或19的方法，还包括：

用保护层选择性地遮掩所述半导体衬底的背侧，所述保护层具有定位在所述硅波导之下的一个或多个开口；以及

刻蚀所述半导体衬底的背侧，以从所述硅波导之下移除所述半导体衬底。