CN111106190A - 波导结构及包含波导结构的光电子元件 - Google Patents

波导结构及包含波导结构的光电子元件 Download PDF

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Abstract

一种波导结构包括第一表面，其具有第一宽度；第二表面，其具有第二宽度，第二表面在第一表面对侧；以及侧壁表面，其连接第一表面和第二表面。第一宽度大于第二宽度。

Description

波导结构及包含波导结构的光电子元件
交互参照相关申请
本专利申请案主张2018年10月25日所申请的美国临时专利申请号No.62/750,798、2018年12月23日所申请的美国临时专利申请号No.62/784,534、2019年4月25日所申请的美国临时专利申请号No.62/838,319及2019年5月31日所申请的美国临时专利申请号No.62/854,987的利益，于文中将其并入作为参考。
技术领域
本发明实施例是有关波导结构及包含波导结构的光电子元件及其制造方法。
背景技术
随着光探测器的操作速度提高，侦测孔径开始由于性能限制而缩减，最后将限制所捕捉到的总光量。如此所减少的输入光量将影响光探测器的响应度，并限制光探测器的性能。
发明内容
依据本申请内容的第一态样，提供一种波导结构。波导结构包括第一部份，其具有带第一宽度的第一表面、带第二宽度的第二表面、及连接第一表面和第二表面的侧壁表面。第一表面配置成接收入射光学信号。第二表面在第一表面对侧。第一宽度大于第二宽度。
在本申请内容的另一态样中，提供一种光电子元件。光电子元件包括元件基板，包含第一表面及在第一表面对侧的第二表面；光敏区，其与元件基板的第一表面相邻；以及波导结构，其在元件基板和光敏区上方。波导包括第一部份，包括第一表面，其带第一宽度；第二表面，其带第二宽度；以及侧壁表面，其连接第一表面和第二表面。第二表面在第一表面对侧。第一宽度大于第二宽度。
在本申请内容的又一态样中，提供一种光电子元件。光电子元件包括元件基板，其具有第一表面及在第一表面对侧的第二表面；光敏区，其与元件基板的第一表面相邻，光敏区具有感测孔径；以及波导结构，其在感测孔径上方。波导结构包括第一部份，其包括第一表面，其带第一宽度；第二表面，其带一第二宽度；以及侧壁表面，其连接第一表面和第二表面。第二宽度大于第一表面与第二表面之间的最小距离乘以(tan(2θ)-tan(θ))，其中θ是元件基板的第一表面的法向量与侧壁表面之间的一角度。
在本申请内容的又一态样中，提供一种波导结构。波导结构包括第一部份，其包括第一表面，其具有第一宽度；第二表面，其具有第二宽度；以及侧壁表面，其连接第一表面和第二表面。第二宽度大于T(tan(2θ)–tan(θ))，其中T是第一表面与第二表面之间的最小距离，且θ是第一表面的法向量与侧壁表面之间的角度。
在本申请内容之又一态样中，提供一种波导结构。波导结构包括一第一部份，其具有一第二表面以及一与第二表面连接的侧壁表面，第一部份具有一最大宽度以及一最小宽度；以及一光学构件位于第一部份上，且与侧壁表面连接，其中第一部份的最小宽度大于T(tan(2θ)–tan(θ))，其中T是第一部分之厚度，且θ系第二表面的法向量与侧壁表面之间的角度。
在本申请内容的又一态样中，提供一种光电子元件。光电子元件包括元件基板，其具有第一表面及在第一表面对侧的第二表面。光电子元件更包括光敏区，其与元件基板的第一表面相邻，光敏区具有感测孔径；以及波导结构，其在感测孔径上方。波导结构包括第一部份，其包括：第一表面，其具有一第一宽度(W1)；第二表面，其具有一第二宽度，第二表面在第一表面对侧；以及侧壁表面(109C)，其连接第一表面和第二表面，其中第二宽度大于T(tan(2θ)–tan(θ))，其中T是第一表面与第二表面之间的最小距离，且θ是第一部份的第二表面的法向量与侧壁表面之间的角度。
在本申请内容的又一态样中，提供一种波导结构。波导结构包括基底部份，其包括第一区；以及第二区，其围绕第一区，其中第一区包括第一折射率，且第二区包括第二折射率，其与第一折射率不同。
在本申请内容的又一态样中，提供一种光电子元件。光电子元件包括光感测单元，其包括光敏区；两个载子控制端子，其电耦合到光敏区；两个载子收集端子，其电耦合到光敏区；以及波导结构，其在光感测单元上方。波导结构包括基底部份，其包括第一区；以及第二区，其围绕第一区，其中第一区包括第一折射率，且第二区包括第二折射率，其与第一折射率不同。基底部份包括一孔径，其具有第一宽度。两个载子控制端子之间的第二宽度大于第一宽度。
在本申请内容的又一态样中，提供一种光电子元件。光电子元件包括光敏区，其配置成吸收光子并从所吸收的光子产生光载子，其中光敏区包括感测孔径；以及波导结构，其在光敏区上方。波导结构包括底座层；以及光学构件，其在底座层上。
在本申请内容的又一态样中，提供一种光电子元件。光电子元件包括光敏区，其配置成吸收光子并从所吸收的光子产生光载子；光学结构，其在光敏区上方；以及光学构件，其在光敏区与光学结构之间。
在本申请内容的又一态样中，提供一种光电子元件。光电子元件包括光敏区，其配置成吸收光子并从所吸收的光子产生光载子；波导结构，其在光敏区上方。波导结构包括倾斜侧壁，其在光敏区上方。波导结构更包括反射层，其在倾斜侧壁上。
在本申请内容的又一态样中，提供一种制造光电子元件的方法。制造方法包括形成光敏区于元件基板上；形成介电层环绕光敏区；形成电连接于介电层中；以及形成波导结构于光敏区上方。形成波导结构的步骤包含形成倾斜侧壁。波导结构包含位于光敏区上方的倾斜侧壁。波导结构更包含位于倾斜侧壁上的反射层。
附图说明
当与所附图式结合进行时，随着所申请内容之前述态样及许多附带优势藉由参照下列实施方式变得更好理解，同样将变得更容易了解，其中：
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图1和图2例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图3例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图4A和图4B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图5A和图5B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图6A和图6B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图7A和图7B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图8A和图8B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图9A和图9B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图10A和图10B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图11A例示在光电子元件的光敏区上方的导电图案的俯视图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图11B、图11C、图11D、及图11E例示在各种制造过程期间从图11A的AA'切开的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图11F例示在光电子元件的光敏区上方的导电图案的俯视图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图12A和图12B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图13A和图13B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图14A和图14B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图15A和图15B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图16A和图16B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图17A和图17B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图18A和图18B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图19例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图20例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图21例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图22例示每个光电子元件皆具有波导结构的光电子元件阵列的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图23例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，第图24A例示具有波导结构的光电子元件的俯视图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图24B例示图24A的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图25例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图26例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图27A至图27F例示光电子元件的光敏区的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图28例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图29例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图30例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图30A至图30E例示在各种制造过程期间图30的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图31例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图32例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图32A至图32D例示在各种制造过程期间图32的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图33例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图34例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图35例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图35A至图35D例示在各种制造过程期间图35的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图36例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图37例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图37A至第图37E例示在各种制造过程期间第三十七图的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图38A例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图38B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图38C例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图38D例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图39A例示光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图39B例示光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图39C例示光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图39D例示光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图40A例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图40B例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图40C例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图40D例示具有波导结构的光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图41A例示光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图41B例示光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图41C例示光电子元件的剖面图。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图41D例示光电子元件的剖面图。
具体实施方式
例如「在…上方」(above)、「顶部」(top)、及「底部」(bottom)等的空间描述是相对于该等图示中所示的定向指出，除非另外指定。应可理解，文中所使用该等空间描述是仅为了例示的目的，且文中所说明该等结构的实际实作可以任何定向或方式进行空间设置，只要所揭示内容的具体实施例的这些优点不会被这样的设置偏离。
在本申请所揭示内容中，用语「锗硅(germanium-silicon，GeSi)」指称GexSi1-x，其中0<x<1。用语「本质」(intrinsic)指称无故意添加掺杂物的半导体材料。
光学通讯应用中，与操作频宽一般低于25GHz的光二极管的感测孔径相比，为了维持像素性能(例如调变速度)，操作频宽一般高于25GHz的光二极管的感测孔径较小。因此，需要光二极管有效捕捉入射光学信号到感测孔径中。
本申请所揭示内容提供改进光电子元件中的整体光收集效率的波导结构。在一些具体实施例中，波导结构配置成将入射光学信号朝向指定方向局限和输送。在一些具体实施例中，波导结构配置成收集入射光学信号(例如入射光束)的发散、准直、收敛或任何轮廓(profile)。波导结构提供与光电子元件的光敏区的可靠三维对准。
飞时测距(Time-of-flight，TOF)感测器的光敏区可能包括周期性掺杂区。在一些具体实施例中，对于TOF上的透镜阵列系统，两种损耗会在这样的周期性结构中发生。透镜与像素之间的几何形状不匹配可归因于第一损耗。由于透镜的形状可为截锥(truncatedcone)，且像素的形状可能为四边形，因此像素的边缘或角落部份可能未被透镜覆盖。在TOF感测器的光敏区中，周期性掺杂区所引致的衍射光可归因于第二损耗。在透镜故意设计成具有较大聚焦角度的TOF感测器中，这样的衍射损耗可能更严重。较大聚焦角度设计用于将入射光聚焦在更小许多的光学窗(例如10μm×10μm入射光区至4μm×4μm光学窗)中，以便维持每个像素的调变速度。
本申请所揭示内容也提供可提升像素的光学效率的波导结构。在一些具体实施例中，波导结构包括至少两种材料，其沿着横向方向或横过底层周期性掺杂区的方向穿插设置。带有或未带有光学构件的波导结构能够收集自朝向光敏区传播而来的入射光。在一些具体实施例中，波导结构可能包括一光学构件。提供本申请所揭示内容的光学构件，以改变入射光的轮廓或/并引导入射光。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图1例示具有波导结构101的光电子元件10的剖面图。光电子元件10可为光探测器，包括但不限于一标准PIN光探测器、雪崩光探测器(Avalanche photodetector，APD)、临界耦合光探测器(Critically-coupledphotodetector，CCPD)、共振腔光探测器(Resonance cavity photodetector，RCEPD)、及金属萧基金属光探测器(Metal-Schottky-metal photodetector，MSMPD)。光电子元件10包括一元件基板100；一光敏区103，其与元件基板100相邻；以及一波导结构101，其在元件基板100和光敏区103上方。在一些具体实施例中，元件基板100支撑光敏区103。在一些具体实施例中，光电子元件10包括一操作频宽，其不小于25GHz，例如，40GHz或100GHz。
元件基板100可能为可制造光敏区103的任何合适基板。在某具体实施例中，元件基板100提供用于磊晶成长光敏区103的表面。在一些具体实施例中，元件基板100包括一半导体材料。在一些具体实施例中，元件基板100包括一III-V族半导体材料。III-V族半导体材料可能包括，但不限于，砷化镓(GaAs)、砷化铝(AlAs)、磷化铟(InP)、砷化镓铟(InGaAs)、锑化镓(GaSb)、砷化铟(InAs)、或锑化铟(InSb)。在一些具体实施例中，元件基板100包括一IV族元素。在一些具体实施例中，元件基板100是由单一材料构成，举例来说，元件基板100可能为硅基板。在一些具体实施例中，元件基板100包括多种材料，举例来说，元件基板100包括一绝缘材料及一半导体材料。在某具体实施例中，元件基板100包括二氧化硅(SiO2)及硅(Si)。在一些具体实施例中，元件基板100包括一多层堆叠。在一些具体实施例中，元件基板100包括一厚度，其不小于100μm。
元件基板100包括一第一表面100A；以及一第二表面100B，其在第一表面100A对侧。相较于元件基板100的第二表面100B，光敏区103更接近第一表面100A。在一些具体实施例中，第一表面100A在光敏区103与第二表面100B之间。
一般来说，光敏区103会接收光学信号，并将光学信号转换为电信号。在一些具体实施例中，光敏区103会吸收光学信号中的光子并产生电子电洞对。光敏区103经过选择，以在所需波长范围具有高吸收系数。在一些具体实施例中，光敏区103配置成吸收峰值波长在不小于800nm的不可见波长范围内(例如850nm、940nm、1050nm、1064nm、1310nm、1350nm、或1550nm)的光子。在一些具体实施例中，不可见波长范围不大于2000nm。在一些具体实施例中，光敏区103的材料与元件基板100的材料不同。在一些具体实施例中，光敏区103包括一半导体材料。在一些具体实施例中，光敏区103包括一III-V族半导体材料。III-V族半导体材料可能包括，但不限于，GaAs、AlAs、InP、InGaAs、GaSb、InAs、或InSb。在一些具体实施例中，光敏区103的材料的带隙(bandgap)小于元件基板100的材料的带隙。举例来说，在一些具体实施例中，光敏区103包括InGaAs，且元件基板100包括InP。在一些具体实施例中，光敏区103包括一半导体材料，其包括一IV族元素，举例来说，锗(Ge)、Si、或锡(Sn)。在一些具体实施例中，光敏区103包括SixGeySn1-x-y，其中0≦x≦1、0≦y≦1。在一些具体实施例中，光敏区103包括Ge1-aSna，其中0≦a≦0.1。在一些具体实施例中，光敏区103包括硅化锗(GeSi)，其中锗和硅的组成成分可能针对指定制程或应用而选择。在一些具体实施例中，光敏区103的材料为本质。在一些具体实施例中，光敏区103是由本质锗构成。
在一些具体实施例中，光电子元件10更包括一第一接触区(未显示)及一第二接触区(未显示)，其将光敏区103夹在中间。在一些具体实施例中，第一接触区形成在元件基板100中。在一些具体实施例中，第一接触区与光敏区103于垂直方向重叠。在一些具体实施例中，第一接触区在元件基板100的第一表面100A下面。在一些具体实施例中，第二接触区在光敏区103上。第一接触区为第一导电类型，且第二接触区为与第一导电类型不同的第二导电类型。在一些具体实施例中，第一接触区为n型。在一些具体实施例中，第二接触区为p型。在一些具体实施例中，第二接触区包括半导体材料。在一些具体实施例中，当光敏区103包括锗时，第二接触区包括非晶硅，其用于减少暗电流。在一些具体实施例中，第二接触区包括一p型非晶硅层；以及一p型锗层，其在p型非晶硅与光敏区103之间。在一些具体实施例中，第一接触区包括一第一掺杂物，其具有不小于1E18cm-3的一第一峰值掺杂浓度。在一些具体实施例中，第二接触区包括一第二掺杂物，其具有不小于1E18cm-3的一第二峰值掺杂浓度。
光电子元件10更包括电连接105，其形成以透过电耦合到第一接触区和第二接触区电耦合到光敏区103。电连接105配置成传输光敏区103中所产生的电子信号。
在一些实作中，光敏区103设计成依要侦测的光子的波长及光敏区103的材料而定具有厚度t。当光敏区103包括锗并设计成吸收峰值波长不小于800nm的光子时，光敏区103的厚度不小于0.1μm。在一些具体实施例中，光敏区103包括锗，并设计成吸收峰值波长在800nm至2000nm之间的光子，光敏区103的厚度在0.1μm至2.5μm之间。在一些具体实施例中，光敏区103的厚度为了更高的量子(quantum)效率而在1μm至2.5μm之间。在一些具体实施例中，光敏区103可能使用全面性磊晶、选择性磊晶、或其他适用技术生长。在一些实作中，光敏区103为台面(mesa)。换言之，光敏区103包括一宽度，其小于元件基板100之一宽度。在一些具体实施例中，光敏区103设计成具有形状。举例来说，依入射到光敏区103的表面上的光学信号的空间轮廓而定，光敏区103的俯视图视之为圆形、正方形、或矩形。在一些具体实施例中，光学信号入射到光敏区103的表面上，而未传播穿越元件基板100。在一些具体实施例中，光敏区103设计成具有用于接收光学信号的侧向尺寸WAP的感测孔径。举例来说，光敏区103可能从俯视图视之具有圆形形状，其中侧向尺寸WAP可在1μm至50μm的范围内。在某具体实施例中，侧向尺寸WAP可在10μm至30μm的范围内。在一些具体实施例中，感测孔径位于光敏区103的光学信号接收表面。在一些具体实施例中，光敏区103可能为如图1中所例示的台面以外的形式。如图27A至图27F中所示，部分或完全嵌入元件基板100中的光敏区103可在本申请所揭示内容的具体实施例中实行。
波导结构101包括一第一部份101A，其与光敏区103的感测孔径垂直对准；以及一第二部份101B，其围绕第一部份101A。第一部份101A可能是由能使光学信号在第一部份101A内进行全内反射的材料构成。在一些具体实施例中，文中所提及的光学信号包括任何偏振之光，例如线性偏振、圆形偏振、椭圆形偏振。在一些具体实施例中，第一部份101A包括一材料，其在光学信号的峰值波长下具有在1.4至1.9之间的一折射率。在一些具体实施例中，第一部份101A可包括或是由聚合物材料或介电材料构成。聚合物材料包括，但不限于，环氧树脂、聚亚酰胺。介电材料包括，但不限于，Si、SiO2、Si3N4、或其类似物。在一些具体实施例中，波导结构101和光敏区103位于元件基板100的同一侧。在一些具体实施例中，第二部份101B包括围绕第一部份101A之一上部部分的周围空气。
如图1中所示，光电子元件10更包括一介电层107围绕光敏区103及波导结构101之一部份。介电层107包括介电材料，其包括，但不限于，Si、SiO2、Si3N4。在一些具体实施例中，介电层107的材料与第一部份101A的材料不同。在一些具体实施例中，第一部份101A包括一第一表面109A，其配置成接收入射光学信号；一第二表面109B，其实质上平行于第一表面109A，并在第一表面109A对侧；以及一侧壁表面109C，其连接第一表面109A和第二表面109B。在一些具体实施例中，相较于元件基板100的第二表面100B，第一部份101A的第二表面109B更接近第一表面100A。在一些具体实施例中，侧壁表面109C可为从第一部份101A的第二表面109B的法向量倾斜的表面。在一些具体实施例中，侧壁表面109C可为从元件基板100的第一表面100A的法向量倾斜的表面。在一些具体实施例中，侧壁表面109C可为平面。在一些具体实施例中，角度θ在侧壁表面109C与元件基板100的第一表面100A的法向量之间。在一些具体实施例中，角度θ在侧壁表面109C与第一部份101A的第二表面109B的法向量之间。在一些具体实施例中，侧壁表面109C可为曲面。从光电子元件10的剖面图示之，角度θ在侧壁表面109C的最大曲率的切平面与于元件基板100的第一表面100A的法向量之间。在一些具体实施例中，从光电子组件10的剖面图示之，角度θ在侧壁表面109C的最大曲率的切平面与于第一部份101A的第二表面109B的法向量之间。在一些具体实施例中，角度θ可依各种设计考虑因素(例如第一部份101A的厚度T)而定为大于0°且不大于约40°。
第一部份101A的第二表面109B设计成具有形状。举例来说，从俯视图来看的第一部份101A可能依入射光学信号201的空间轮廓而定为圆形、正方形、或矩形。第二表面109B的形状可能与接收光学信号的光敏区103的表面的形状相同或不相同。举例来说，从俯视图来看的第二表面109B的形状可能为圆形或椭圆形，然而从俯视图来看的光敏区103的表面的形状可能为四边形。
一般来说，第一表面109A的第一宽度W1大于第二表面109B的第二宽度W2。第一部份101A的第二宽度W2可等于或小于光敏区103的感测孔径的侧向尺寸WAP。在一些具体实施例中，第二宽度W2被视为第一部份101A的最小宽度。在一些具体实施例中，第一宽度W1被视为第一部份101A的最大宽度。宽度是沿着实质上平行于第一表面100A的方向定义。在一些具体实施例中，第一部份101A之厚度T被视为第一部份101A之具有最小宽度的部位以及第一部份101A之具有最大宽度的部位之间的最小距离。参照图2，第二宽度W2的设计规则在于考虑第一部份101A的厚度T或第一表面109A与第二表面109B之间的最小距离，以及角度θ。在一些具体实施例中，第二宽度W2设计成比厚度T乘以(tan(2θ)-tan(θ))宽。第二宽度W2如此设计使得从第一表面109A的周边进入的光学信号201可到达波导结构101的第一部份101A的第二表面109B，并因此由底层光敏区103的感测孔径捕捉。尽管从俯视图视角来看未显示，具有文中所说明波导结构101的具体实施例的光电子元件，其与没有文中所说明波导结构101的比较性范例的光电子元件相比，具体实施例的光电子元件的第一表面109A相关联的有效光学侦测区域大幅扩展。在一些具体实施例中，与第一表面109A相关联的有效光学侦测区域大于光敏区103的感测孔径。第一部份101A的厚度T越大，则可导致越大的有效光学侦测区域。与没有文中所说明波导结构101的比较性范例的光电子元件相比，具有文中所说明波导结构101的具体实施例的光电子元件，其进入光电子元件的光敏区103的感测孔径的光学信号的传输速率从约57.2％提高至约97.8％。
依据本申请所揭示内容的某具体实施例，图3例示光电子元件40的剖面图。光电子元件40与光电子元件10的不同之处在于，光电子元件10中的波导结构101的第一部份101A为独立式结构，然而光电子元件40中的波导结构101的第一部份101A被第二部份101B围绕。在一些具体实施例中，第二部份101B包括一介电层107'围绕波导结构101的第一部份101A。
在一些具体实施例中，为能使光学信号在第一部份101A内进行全内反射，介电层107'的折射率小于第一部份101A的折射率。在一些具体实施例中，第一部份101A的折射率与介电层107'的折射率之间的差异不小于0.3。在一些具体实施例中，第一部份101A的折射率与介电层107'的折射率之间的差异在0.3至1之间。在一些具体实施例中，波导结构101的第二部份101B可包括介电材料，其与半导体制造过程相容，举例来说，与介电层107相容。在一些具体实施例中，第一部份101A的侧壁表面109C与折射率小于第一部份101A的折射率的介电层107'接触。
在一些具体实施例中，图4A中的光电子元件40A与光电子元件10相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A上方。在一些具体实施例中，光学构件101A'定位在第一部份101A的第一表面109A上方。在一些具体实施例中，光学构件101A'可为透镜，其配置为将来自各个方向的入射光学信号朝向光敏区103的感测孔径聚焦。在一些具体实施例中，透镜可透过喷墨印刷、回流操作(reflow operation)、灰阶微影(gray scalelithography)、或其他合适的透镜形成方法形成。在一些具体实施例中，光学构件101A'包括一材料，其可依据各种设计需求，例如穿透率，而为任何合适的材料。于在一些具体实施例中，光学构件101A'的材料与波导结构101的第一部份101A相同。在一些具体实施例中，光学构件101A'和第一部份101A为一体成型。在一些具体实施例中，光学构件101A'和第一部份101A之间并未具有可见的介面，即，第一部份101A并未具有第一表面109A。
在一些具体实施例中，图4B中的光电子元件40B与光电子元件40相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图5A中的光电子元件50A与光电子元件40相似，除了反射层501定位在第一部份101A与第二部份101B之间。在一些具体实施例中，反射层501可为金属层，其配置成将入射到其表面上的光学信号反射。在一些具体实施例中，金属层包括金属，其包括，但不限于，铜、铝、或钨。在一些具体实施例中，反射层501可为改进在波导结构101的第一部份101A与第二部份101B的介电层107'之间的边界处的光学反射率的界面材料。在一些具体实施例中，反射层501与介电层107'及波导结构101的第一部份101A接触。依各种设计要求而定，反射层501可能布置或未布置在介电层107'的顶部表面上方。在一些具体实施例中，图5B中的光电子元件50B与光电子元件50A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图6A中的光电子元件60A与光电子元件50A相似，除了围绕第一部份101A的反射层601定位在介电层107的顶部表面上方，而非如图5A中所示与介电层107'介面接合。反射层601的详细信息可参照先前在第五A图中所说明的内容。在一些具体实施例中，图6B中的光电子元件60B与光电子元件60A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图7A中的光电子元件70A与光电子元件40相似，除了粘着层701连接第一部份101A及介电层107的顶部表面。粘着层701可改进第一部份101A与下面的介电层107之间的粘着性。粘着层701也可改进波导结构101的机械强度，以供之后光电子元件70A的进一步制程。在一些具体实施例中，依制造便利性和成本而定，粘着层701可能包括或未包括或是由实质上等同于波导结构101的第一部份101A的材料的材料构成。在一些具体实施例中，图7B中的光电子元件70B与光电子元件70A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图8A中的光电子元件80A与光电子元件40相似，除了支撑层801定位在介电层107的顶部表面上，并向第一部份101A提供机械支撑。波导结构101的第二部份101B包括支撑层801。支撑层801可侧向邻接第一部份的一侧，从而改进第一部份101A的结构完整性，尤其是当第一部份101A的深宽比很高时。支撑层801的顶部表面801A可能比第一部份101A的第一表面109A高。在一些具体实施例中，依制造便利性和成本而定，支撑层801可能包括或未包括或是由实质上等同于波导结构101的第一部份101A的材料的材料构成。在某具体实施例中，气隙802在支撑层801与第一部份101A之间。在一些具体实施例中，气隙802在侧壁表面109C与支撑层801之间。在一些具体实施例中，第二部份101B的支撑层801的折射率可能实质上等同于第一部份101A的折射率。在一些具体实施例中，第一部份101A形成在光敏区103上，然后支撑层801接着形成在介电层107上，并实体连接到第一部份101A。在一些具体实施例中，支撑层801形成在介电层107上，然后第一部份101A接着形成在光敏区103上，并实体连接到支撑层801。在一些具体实施例中，图8B中的光电子元件80B与光电子元件80A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图9A中的光电子元件90A与光电子元件80A相似，除了准备波导结构101作为分离单元，并接着将其附接到介电层107和光敏区103。在一些具体实施例中，波导结构101的支撑层901及第一部份101A为单一单元。如图9A中所示，一个第一部份101A连接到支撑层901。在另一具体实施例中，可准备一个以上的第一部份101A连接到支撑层901。举例来说，光敏区103的感测孔径可能容纳复数第一部份101A。在另一具体实施例中，复数支撑层901可连接到一个第一部份101A。举例来说，一个第一部份101A可能覆盖复数光敏区103的复数感测孔径。在一些具体实施例中，图9B中的光电子元件90B与光电子元件90A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图10A中的光电子元件1000A与光电子元件80A相似，除了支撑层1009与波导结构101的第一部份101A间隔开。尽管未向第一部份101A提供直接机械支撑，但支撑层1009可减少后续制造(例如研磨制程)中施加在第一部份101A上的压力。在一些具体实施例中，支撑层1009具有比第一部份101A的第一表面109A高的顶部表面1009A，由此有助于附接在之后的制程中的蓝带(blue tape)。附接到支撑层1009的顶部表面1009A的蓝带，可防止后续制造或处理操作中，第一部份101A的第一表面109A的刮痕或污染。在一些具体实施例中，图10B中的光电子元件1000B与光电子元件1000A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
图11A是在光电子元件的基板上方的导电图案的俯视图。图11B至图11E例示在各种制造过程期间，沿着图11A的线AA'切开的光电子元件的剖面图。从俯视图视角来看，第一导电线路1101连接到两个分离的第一导电焊垫1101'，且第二导电线路1102连接到与第一导电焊垫1101'实体分离的第二导电焊垫1102'。自导电图案的俯视图视之，第一导电焊垫1101'的形状以及第二导电焊垫1102”的形状可以为任何合适的形状，例如，圆形、正方型或矩形等。
如图11B中所示，第一导电线路1101和第二导电线路1102电耦合到电连接105。凹部1103可以形成在光敏区103的表面上方，并位在第二导电线路1102所围绕的区内。
在图11C中，波导结构101的第一部份101A和第二部份101B形成在光敏区103的表面上方。具体而言，波导结构101的第一部份101A定位在先前所形成的凹部1103中，且波导结构101的第二部份101B围绕第一部份101A、第一导电线路1101、及第二导电线路1102。在一些具体实施例中，第二部份101B与第一部份101A实体分离。在一些具体实施例中，第一部份101A的第二表面109B陷入凹部1103中，而第一表面109A部分挂置在第二导电线路1102上方，或在一些具体实施例中，挂置在第二导电线路1102和第一导电线路1101两者上方。光敏区103至少在波导结构101的第一部份101A之直接投射下方。
在一些具体实施例中，图11C中的第二部份101B包括一第一保护层1001。波导结构101的第二部份101B可能是由实质上等同于第一部份101A的材料的材料构成。在一些具体实施例中，第一部份101A和第二部份101B每个皆在如图11C中所示的相当水平处具有顶部表面。第二部份101B可以用作相对于第一部份101A的保护结构。在图11D中，第二保护层1002形成在第一保护层1001上方，并将波导结构101的第二部份101B变换成实质上比第一部份101A高。在图11E中，粘着层1110(例如蓝带层)在第二保护层1002处附接到波导。由于第二部份101B实质上比波导结构101的第一部份101A高，因此第二保护层1002可防止蓝带1110与第一部份101A的顶部表面接触，由此在后续制造和处理操作中保护第一部份101A。
图11F是与图11A中的导电图案相似的导电图案的俯视图，除了第一导电焊垫1101'的数量为一个以供减少光电子元件的寄生电阻。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图12A和图12B例示具有波导结构101的光电子元件1002A和1002B的剖面图。光电子元件1002A包括一元件基板100；一处理基板120，其可能在后续操作中去除；一光敏区103，其由元件基板100支撑并与其相邻；以及一波导结构101，其在元件基板100和光敏区103上方。元件基板100可能为如段落图1中所说明的任何合适基板。举例来说，元件基板100可能为其上可制造半导体元件的任何合适基板。对于另一范例，元件基板100可能为硅基板。在一些具体实施例中，元件基板100在光敏区103与波导结构101之间。元件基板100包括一第一表面100A；以及一第二表面100B，其在第一表面100A对侧。光敏区103比元件基板100的第二表面100B更接近第一表面100A。在一些具体实施例中，波导结构101和光敏区103位于元件基板100的两个对侧。在一些具体实施例中，光学信号在传播穿越元件基板100之后，入射到光敏区103的表面上。在一些具体实施例中，元件基板100的材料在光学信号的峰值波长下的吸收系数小于(例如小10倍、小100倍、或小1000倍)光敏区403的材料的吸收系数。在文中所说明的光电子元件中，波导结构101(例如第图12B中所例示的第一区101A的第二表面109B)比元件基板100的第一表面100A更接近第二表面100B。形成为与光敏区103的表面相邻或嵌入并从其暴露的电连接105，配置成传输光敏区103中所产生的电子信号。在一些具体实施例中，光电子元件10更包括如图1中所说明的一第一接触区(未显示)及一第二接触区(未显示)。电连接105透过电耦合到第一接触区和第二接触区电耦合到光敏区103。电连接105可能进一步连接到介电层107中的导电走线121。开口107A可能形成在介电层107中，从而能使光敏区103所产生的电信号从元件基板100的第二表面100B取得。
参照图12A，波导结构101包括一第一部份101A，其与光敏区103的感测孔径垂直对准。第一部份101A可能包括或是由能使光学信号在第一部份101A内进行全内反射的材料构成。文中所提及的光学信号包括任何偏振之光，例如线性偏振、圆形偏振、椭圆形偏振。在一些具体实施例中，第一部份101A包括一材料，其在光学信号的峰值波长下具有在1.4至1.9之间的一折射率。在一些具体实施例中，第一部份101A可包括或是由聚合物材料或介电材料构成。聚合物材料包括，但不限于，环氧化合物、聚亚酰胺。介电材料包括，但不限于，Si、SiO2、Si3N4、或其类似物。为能使光学信号在第一部份101A内进行全内反射，周围空气围绕第一部份101A之上部部分。
如图12A中所示，光电子元件1002A更包括一介电层107或一绝缘层，其围绕光敏区103。介电层107包括介电材料，其包括，但不限于，Si、SiO2、Si3N4。在一些具体实施例中，介电层107的材料与第一部份101A的材料不同。
第一部份101A包括一第一表面109A，其配置成接收入射光学信号；一第二表面109B，其实质上平行于第一表面109A，并在第一表面109A对侧；以及一侧壁表面109C，其连接第一表面109A和第二表面109B。在一些具体实施例中，侧壁表面109C可为从第一部份101A的第二表面109B的法向量倾斜的表面。在一些具体实施例中，侧壁表面109C可为从元件基板100的第一表面100A的法向量倾斜的表面。在一些具体实施例中，侧壁表面109C可为平面。角度θ在侧壁表面109C与元件基板100的第一表面100A的法向量之间。在一些具体实施例中，角度θ在侧壁表面109C与第一部份101A的第二表面109B的法向量之间。在一些具体实施例中，角度θ可依各种设计考虑因素(例如第一部份101A的厚度T)而定在大于0°至约40°的范围内。如图12A中所示，波导结构101的第二表面109B比元件基板100的第一表面100A更接近元件基板100的第二表面100B。
第一部份101A的第二表面109B设计成具有形状。举例来说，从俯视图来看的第一部份101A可能依入射光学信号的空间轮廓而定为圆形、正方形、或矩形。第二表面109B的形状可能与接收光学信号的光敏区103的表面的形状相同或不同。举例来说，从俯视图来看的第二表面109B的形状可能为圆形或椭圆形，然而从俯视图来看的光敏区103的表面的形状可能为四边形。
一般来说，第一表面109A的第一宽度W1大于第二表面109B的第二宽度W2。第一部份101A的第二宽度W2可等于或小于光敏区103的感测孔径的侧向尺寸WAP。第二宽度W2的设计规则可参照图2及与的相关联的说明。
在一些具体实施例中，图12B中的光电子元件1002B与光电子元件1002A相似，除了光电子元件1002B更包括一第二部份101B，其围绕第一部份101A。第二部份101B的详细信息可参照先前在图3中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图13A中的光电子元件1003A与光电子元件1002B相似，除了反射层601定位在第一部份101A与第二部份101B的介电层107'之间。反射层601的详细信息可参照先前在图5A中所说明的内容。在一些具体实施例中，图13B中的光电子元件1003B与光电子元件1003A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图14A中的光电子元件1004A与光电子元件1003A相似，除了围绕第一部份101A的反射层1401定位在元件基板100的第二表面100B上方，而非如图13A中所示与介电层107'介面接合。波导结构101的第二部份101B包括反射层1401。反射层1401的详细信息可参照先前在图6A中所说明的内容。在一些具体实施例中，图14B中的光电子元件1004B与光电子元件1004A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图15A中的光电子元件1005A与光电子元件1002A相似，除了粘着层1501连接第一部份101A及元件基板100的第二表面100B。粘着层1501的详细信息可参照先前在图7A中所说明的内容。在一些具体实施例中，图15B中的光电子元件1005B与光电子元件1005A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图16A中的光电子元件1006A与光电子元件1002A相似，除了支撑层901定位在元件基板100的第二表面100B上，并向第一部份101A提供机械支撑。波导结构101的第二部份101B包括支撑层901。支撑层901的详细信息可参照先前在图8A中所说明的内容。在一些具体实施例中，图16B中的光电子元件1006B与光电子元件1006A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图17A中的光电子元件1007A与光电子元件1006A相似，除了准备波导结构101的作为分离单元，并接着将其附接到元件基板100的第二表面100B作为分离单元。作为分离单元的波导结构101的详细信息，可参照先前在图9A中所说明的内容。在一些具体实施例中，图17B中的光电子元件1007B与光电子元件1007A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
在一些具体实施例中，图18A中的光电子元件1008A与光电子元件1006A相似，除了支撑层1009与波导结构101的第一部份101A间隔开。波导结构101的第二部份101B包括支撑层1009。与第一部份101A间隔开的支撑层1009的详细信息，可参照先前在图10A中所说明的内容。在一些具体实施例中，图18B中的光电子元件1008B与光电子元件1008A相似，除了光学构件101A'定位在波导结构101的第一部份101A的第一表面109A上方。光学构件101A'的详细信息可参照先前在图4A中所说明的内容。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图19例示具有波导结构191的光电子元件190的剖面图。光电子元件190包括一光感测单元1900；以及一波导结构191，其在光感测单元1900上方。光感测单元1900包括一光敏区103；以及一元件基板100，其支撑光敏区103。元件基板100可能包括任何可于其上制造光敏区103的合适基板。在一些具体实施例中，基板100包括一半导体材料。在一些具体实施例中，元件基板100是由单一材料构成。举例来说，元件基板100可能为硅基板。在一些具体实施例中，元件基板100包括多种材料，举例来说，元件基板100包括一绝缘材料及一半导体材料。在某具体实施例中，元件基板100包括SiO2及Si。在一些具体实施例中，元件基板100包括一多层堆叠。在一些具体实施例中，光敏区103的材料与元件基板100的材料不同。
元件基板100包括一第一表面100A；以及一第二表面100B，其在第一表面100A对侧。在一些具体实施例中，元件基板100的第二表面100B比元件基板100的第一表面100A更接近波导结构191。换言之，元件基板100的第二表面100B在波导结构191与光敏区103之间。
波导结构191包括一基底部份192，包括一第一区191A；以及一第二区191B，其围绕第一区191A。第一区191A具有第一折射率，且第二区191B具有第二折射率。在一些具体实施例中，第一折射率与第二折射率不同。在一些具体实施例中，第一折射率大于第二折射率，以使当入射光学信号(如入射光)进入波导结构191时，光经由例如全内反射而从第一区191A的较宽端部传播到第一区191A的较窄端部。在一些具体实施例中，第一折射率与第二折射率之间的差异不小于0.3。第二区191B可包括或是由基于空气或氧化物的材料构成，例如氧化铝(AlOx)和氧化硅(SiOx)。在一些具体实施例中，第二区191B可包括或是由氮氧化物材料构成，例如氮氧化硅(SiOxNy)和氮氧化铝(AlxONy)。在一些具体实施例中，第二区191B可包括或是由介电材料构成，例如MgF2。第一区191A的较窄端部具有与元件基板100的第二表面100B衔接的宽度W191A。基底部份192包括一上部表面1911及一底部表面1912。第一区191A的宽度从上部表面1911逐渐减小到底部表面1912。相对而言，第二区191B的宽度从上部表面1911逐渐增大到底部表面1912。如图19中所例示，第一区191A与第二区191B之间的界面相对于底部表面1912倾斜。在一些具体实施例中，第一区191A在界面处与第二区191B接触。在一些具体实施例中，入射光学信号在传播穿越元件基板100之后，进入到光敏区103中。
在一些具体实施例中，光感测单元1900包括电连接，例如两对之载子控制端子1902和载子收集端子1901，其可能形成为与光敏区103的暴露表面相邻或在其上。载子控制端子配置成传输光敏区103中所产生的电子信号。在一些具体实施例中，光感测单元1900更包括两个第一掺杂区1901'，其以一对一对应方式电耦合到载子收集端子。在一些具体实施例中，光感测单元1900更包括两个第二掺杂区1902'，其在第一掺杂区1901'之间，并以一对一对应方式电耦合到载子控制端子1902。在单一光感测单元1900中，一对之载子控制端子1902之间的间隔以宽度W1902表示，且与载子控制端子1902相关联的一对的第二掺杂区1902'之间的间隔以宽度W1902'表示。在一些具体实施例中，第一区191A的较窄端部处的宽度W191A比宽度W1902窄。在一些具体实施例中，第一区191A的较窄端部处的宽度W191A甚至比宽度W1902'窄，以使波导结构191所收集的入射光可由光敏区103完全吸收，而未被载子控制端子1902、载子收集端子1901和周期性掺杂区1901'、1902'干扰。在一些具体实施例中，第一区191A的较窄端部处的宽度W191A实质上与光电子元件190的感测孔径的宽度相同。
在一些具体实施例中，从俯视图来看的光感测单元1900的形状可能为任何合适形状。从俯视图来看的波导结构191的孔径的形状可能为任何合适形状。在一些具体实施例中，从俯视图来看的光感测单元1900的形状可能与从俯视图来看的波导结构191的孔径的形状实质上相同，以便减少光学信号进入光感测单元1900的损耗。举例来说，当光感测单元1900的形状为四边形时，波导结构191的孔径的形状也为四边形。
在一些具体实施例中，例如微透镜、菲涅耳板、或图案化结构的光学构件193(在图25中显示)可布置在基底部份192的上部表面1911上方。光学构件193(例如微透镜)配置成捕捉更多入射光量，以藉由聚焦机制进入基底部份192。
在一些具体实施例中，由于波导结构191包括基底部份192(其包括沿着横向方向穿插设置的至少两种材料)，因此基底部份192能够收集入射到光敏区103上的入射光。与依据未包括基底部份192的光电子元件的比较性范例相比，本公开内容的光电子元件较不要求制造能够达成以上所说明效果的高品质光学构件。换言之，光电子元件190的光学构件193的制造公差可提高。在一些具体实施例中，光学构件193的制造公差对于制造光电子元件190有利，其中光敏区103为四边形的形状且大小为大于5μm乘以5μm，且光学构件透过回流操作形成。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图20例示具有波导结构191的光电子元件200的剖面图。光电子元件200与光电子元件190的不同的处在于，在文中所说明的光电子元件中，波导结构191比元件基板100的第二表面100B更接近第一表面100A，且靠近波导结构191的第一区191A的较窄端部的电布线层2001可能形成为连接到光感测单元1900的载子控制端子1902和载子收集端子1901。而且，光敏区103部分嵌入元件基板100中，并从元件基板100的第一表面100A部分凸出。在一些具体实施例中，基底部份192的底部表面1912在元件基板100与基底部份192的上部表面1911之间。在一些具体实施例中，光学信号，未经由传播穿越元件基板100而进入光敏区103。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图21例示具有波导结构191的光电子元件210的剖面图。光电子元件210与光电子元件190的不同之处在于，反射层2101衬在第一区191A与第二区191B之间。而且，在光电子元件210中，第一区191A的折射率可能大于或小于第二区191B的折射率。反射层2101可包括或是由金属构成，例如W、Au、Ag、Cu、或其类似物。波导结构191的第二区191B可能包括或是由硅或氮化硅(如Si3N4)构成。在图21中，当入射光进入波导结构191时，光经由例如自反射层2101反射而从第一区191A的较宽端部传播到第一区191A的较窄端部。第二区191B包括或是由适合于其上沉积的反射材料构成，因此，如先前在图19中所讨论，由于反射层2101与第一区191A介面接合并用于导光目的，因此第二区191B的折射率不限于小于第一区191A的折射率。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图22例示每个皆具有波导结构191的光电子元件阵列220的剖面图。光电子元件阵列220包括一第一光电子元件220A；一第三光电子元件220C，其定位在第一光电子元件220A之一周边处；以及一第二光电子元件220B，其定位在第一光电子元件220A与第三光电子元件220C之间。在一些具体实施例中，第一光电子元件220A为光电子元件阵列220的中心。在一些具体实施例中，第一光电子元件220A的光感测单元1900、第二光电子元件220B的光感测单元1900以及第三光电子元件220C的光感测单元1900共用同一元件基板100。分别在第二光电子元件220B和第三光电子元件220C上方的光学构件193，可能例如朝向为阵列的中央的第一光电子元件220A偏移不同程度。在一些具体实施例中，第一光电子元件220A的光学构件193与第一光电子元件220A的第一区191A的中央对准。第二光电子元件220B的光学构件193从第二光电子元件220B的第一区191A的中央朝向第一光电子元件220A偏移距离d2。第三光电子元件220C的光学构件193从第三光电子元件220C的第一区191A的中央朝向第一光电子元件220A偏移距离d3。在一些具体实施例中，距离d3大于距离d2。在一些具体实施例中，光电子元件阵列220的复数光学构件193可个别设置，以调适用于入射光图案。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图23例示具有波导结构191的光电子元件230的剖面图。光电子元件230与光电子元件190的不同之处在于，第三区191C定位在第一区191A与第二区191B之间。而且，在光电子元件230中，第一区191A的折射率及第二区191B的折射率可能小于第三区191C的折射率。第一区191A和第二区191B可能包括或未包括或是由或并非由实质上等同的材料构成，举例来说，第二区191B可以包括或是由空气或氧化物的材料或其类似物组成，而第三区191C可能包括，但不限于，或是由硅、氮化硅(如Si3N4)、或锗构成。光敏区103的材料与第三区191C的材料不同。举例来说，当光敏区103是由锗构成时，第三区191C并非由锗构成。在一些具体实施例中，第三区191C的宽度从上部表面1911逐渐减小到底部表面1912。第三区191C被较低折射率的第一区191A和第二区191B包覆，因此，未由光学构件193捕捉的光可能进一步进入第三区191C，并引导到基底部份192的底部表面1912。如图23中所例示，第三区191C的顶部表面可能未被光学构件193覆盖。亦即，上部表面1911的至少一部份暴露于入射光，而无光学构件193的障碍。在一些具体实施例中，基底部份192包括一通道，其用于将光学信号引导到下面的光感测单元1900中。通道被第二区191B围绕。通道包括一宽度W191AC，其实质上与第一区191A的较窄端部的宽度及第三区191C的底部表面的宽度的总和相同。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图24A例示具有图24B的波导结构191的光电子元件240B的俯视图，且图24B例示沿着图24A中的A-A'线的光电子元件240B的剖面图。第一区191A的较宽端部可能具有圆形轮廓，如图24A中所示，且围绕第一区191A的区域(其可能为第三区191C)可在第三区191C的顶部表面上涂布有抗反射层2401，以便有助于入射光进入第三区191C。光电子元件240B与光电子元件230的不同之处在于，抗反射层2401形成在第三区191C的顶部表面上方。抗反射层2401可为例如折射率小于第三区191C的折射率的任何合适材料。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图25例示具有波导结构191的光电子元件250的剖面图。光电子元件250与光电子元件230的不同之处在于，形成附加第四区191D作为波导结构191的中央处。而且，基底部份192上方的光学构件193为菲涅耳板、超表面(meta surface)、或波导模态(guided-mode)共振结构的形式。在一些具体实施例中，第四区191D的折射率大于第一区191A的折射率，且第三区191C的折射率大于第一区191A的折射率并大于第二区191B的折射率。在一些具体实施例中，第一区191A的折射率与第四区191D的折射率之间的差异不小于0.3。在一些具体实施例中，第一区191A的折射率与第三区191C的折射率之间的差异不小于0.3。当在波导结构191中沿着横向方向行进时，折射率呈现高低交替。在一些具体实施例中，第四区191D和第三区191C的材料可能等同或不等同。在一些具体实施例中，第一区191A和第二区191B的材料可能等同或不等同。光电子元件250的光学构件193包括各个区块，其带不同图案。在一些具体实施例中，光学构件193包括三种不同图案。举例来说，第一区块Z1突出在基底部份192的中央上方、第三区块Z3突出在基底部份192的周边上方，且第二区块Z2在第一区块Z1与第三区块Z3之间。举例来说，光学构件193包括凸部和凹部，且沿着横向尺寸包括一个凸部及与其相邻的一个凹部视为图案P。第一区块Z1中的图案P1的宽度可能大于第二区块Z2中的图案P2的宽度。同样地，第二区块Z2中的图案P2的宽度可能大于第三区块Z3中的图案P3的宽度。光学构件193的带不同图案的各个区块可改进聚焦到下面的基底部份192中的光。在一些具体实施例中，基底部份192的孔径的宽度W191ACD实质上与第四区191D的较窄端部的宽度、第一区191A的较窄端部的宽度、及第三区119C的较窄端部的宽度的总和相同。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图26例示具有波导结构191的光电子元件260的剖面图。光电子元件260与光电子元件250的不同之处在于，反射层2601衬在第四区191D与第二区191B之间。在一些具体实施例中，反射层2601衬在第三区191C与第二区191B之间。而且，在光电子元件260中，第一区191A的折射率可能大于第四区191D的折射率及第三区191C的折射率，且在光电子元件260中，第二区191B的折射率可能大于第三区191C和第四区191D的折射率。反射层2601可包括或是由金属构成，例如W、Au、Ag、Cu、或其类似物。波导结构191的第一区191A的和第二区191B可能包括或是由硅或氮化硅(如SixNy)构成。在图26中，当入射光进入波导结构191时，光经由例如全内反射以及来自反射层2601的反射而从上部表面1911传播到底部表面1912，以进一步提升引导到下面的光感测单元1900中的光量。第二区191B包括或是由适合形成于其上的反射层2601的材料构成，举例来说，其上适合沉积反射层2601。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图27A至图27F例示光电子元件的光感测单元1900的剖面图。图27A至图27F中所例示的各个光感测单元1900皆可与文中所揭示的波导结构整合。光感测单元1900配置成吸收光子，并从所吸收的光子产生光载子。在一些具体实施例中，光敏区103配置成吸收在峰值波长在不小于800nm的不可见波长范围内(例如850nm、940nm、1050nm、1064nm、1310nm、1350nm、或1550nm)的光子。在一些具体实施例中，不可见波长范围不大于2000nm。在一些具体实施例中，光感测单元1900会接收光学信号，并将光学信号转换为电信号。在一些具体实施例中，光敏区103为本质、掺杂有p型掺杂物、或掺杂有n型掺杂物。在一些具体实施例中，p型掺杂物为硼。在一些具体实施例中，n型掺杂物包括一V族元素。在一些具体实施例中，n型掺杂物为磷。在一些具体实施例中，光敏区103包括多晶材料。在一些具体实施例中，光敏区103包括GeSi、Si、或Ge。在一些具体实施例中，光敏区103包括非晶GeSi。在一些具体实施例中，由于在形成光敏区103期间所形成的材料缺陷，因此由本质锗构成的光敏区103为p型，其中缺陷密度为1E14/cm3至1E16/cm3。在一些具体实施例中，光敏区103的材料可能等同或不等同元件基板100的材料。
在图27A中，光敏区103嵌入元件基板100中，并具有与元件基板100的第一表面100A齐平的表面。在一些具体实施例中，第二掺杂区1902'可能具有与第一掺杂区1901'相反的掺杂极性。光敏区103的宽度W103可比围绕光敏区103的第二掺杂区1902'的间的宽度W1902'窄。同样地，图27A中所示宽度W103也比围绕光敏区103的载子控制端子1902之间的宽度W1902窄。返回参照图19的光电子元件190，在一些具体实施例中，宽度W103可能比第一区191A的宽度W191A宽。
在图27B中，第二掺杂区1902'在光敏区103中，或光敏区103的侧壁边界在第二掺杂区1902'与第一掺杂区1901'之间。
在图27C中，第一掺杂区1901'和第二掺杂区1902'在光敏区103中。此外，光感测单元1900更包括第三掺杂区1903'，其具有与第一掺杂区1901'相反的一掺杂极性。第三掺杂区1903'以一对一对应方式部分围绕第一掺杂区1901'。在一些具体实施例中，第三掺杂区1903'可能以一对一对应方式完全围绕第一掺杂区1901'。第三掺杂区1903'中的峰值掺杂物浓度可能低于第一掺杂区1901'中的峰值掺杂物浓度。举例来说，第三掺杂区1903'中的峰值掺杂物浓度可能不小于1E16/cm3。第三掺杂区1903'配置成减少光敏区103中的暗电流。
在图27D中，第一掺杂区1901'和第二掺杂区1902'在光敏区103中。此外，光感测单元1900更包括第四掺杂区1904'，其具有与第二掺杂区1902'相反的一掺杂极性。第四掺杂区1904'以一对一对应方式部分围绕第二掺杂区1902'。在一些具体实施例中，第四掺杂区1904'可能以一对一对应方式完全围绕第二掺杂区1902'。第四掺杂区1904'中的峰值掺杂物浓度可能低于第二掺杂区1902'中的峰值掺杂物浓度。举例来说，第四掺杂区1904'中的峰值掺杂物浓度可能在约1E15/cm3至约1E17/cm3的范围内。第四掺杂区1904'配置成减少两个第二掺杂区1902'之间的漏电流。
在图27E中，光敏区103为从元件基板100的第一表面100A凸出的台面。光敏区103的一部份嵌入元件基板100中，然而光敏区103的另一部份从基板的第一表面100A凸出。在图27E中，第一掺杂区1901'和第二掺杂区1902'在光敏区103中。此外，掺杂极性与第一掺杂区1901'相反的第三掺杂区1903'及掺杂极性与第二掺杂区1902'相反的第四掺杂区1904'，以一对一对应方式部分围绕第一掺杂区1901'和第二掺杂区1902'。在一些具体实施例中，第三掺杂区1903'和第四掺杂区1904'可能以一对一对应方式完全围绕第一掺杂区1901'和第二掺杂区1902'。
图27F与图27E中所说明的结构相似，其差异包括光敏区103的一表面与基板的第一表面100A齐平。
在一些具体实施例中，光感测单元1900为能够侦测与目标对象的距离信息的基于间接飞时测距的深度影像感测器。
在一些应用中，光感测单元、光电子元件、或光电子元件阵列适用于机器人技术、导航系统、或虚拟实境。
与光感测单元1900相关联的其他结构在先前所申请的美国专利申请号No.15/908,447中说明，并涵盖在本发明所揭示内容的范畴内。其所揭示内容完整并入文中作为参考。
下列图28至图37E中所提供的结构，可能透过并入波导结构，其配置成将光学信号的更多部份导向到光敏区，进而增大有效光学侦测区域。
依据本发明所揭示内容之一些具体实施例，图28例示具有波导结构581的光电子元件280的剖面图。光电子元件280包括一元件基板500；一光敏区503，其与元件基板500相邻；以及一波导结构581，其在元件基板500和光敏区503上方。元件基板500可能与如图1中所讨论的元件基板100相似，其中元件基板500包括一前表面500A；以及一后表面500B，其在前表面500A对侧。光敏区503比元件基板500的后表面500B更接近前表面500A。在一些具体实施例中，前表面500A在光敏区503与后表面500B之间。在一些具体实施例中，波导结构581和光敏区503位于元件基板500的同一侧。
在一些具体实施例中，光电子元件280更包括如图1中所说明的一第一接触区(未显示)及一第二接触区(未显示)。在一些具体实施例中，光电子元件280更包括电连接505，其透过电耦合到第一接触区和第二接触区电耦合到光敏区103。电连接505配置成传输光敏区503中所产生的电子信号。一般来说，光敏区503可能与如图1中所讨论的光敏区103相似，为了简化在此不再重复。光敏区503会接收光学信号111，并将光学信号111转换为电信号。光敏区503经过选择，以在所需波长范围具有高吸收系数。在一些实作中，光敏区503可能包括或是由GeSi以外的材料构成，举例来说，Si、Ge、GeSn、及其组合。在一些其他实作中，对于近红外线(Near infrared，NIR)波长，光敏区503可能为GeSi台面，其中GeSi会吸收光学信号中的光子并产生电子电洞对。光敏区503和电连接505可能被介电层507侧向围绕。在一些具体实施例中，光学信号111入射到光敏区503的顶部表面上，而未传播穿越元件基板500。
波导结构581布置在介电层507的顶部表面上方及/或电连接505的顶部表面上方。在一些具体实施例中，波导结构581包括一反射层5811，其配置成将光学信号111反射到光敏区503的顶部表面。在一些具体实施例中，反射层5811包括一材料，其在光学信号11的峰值波长下具有高于85％、或高于90％、或高于95％的一反射率。在一些具体实施例中，反射层5811包括金属，例如铝、铜、或其类似物。在一些具体实施例中，反射层5811可能为用于电耦合到电连接505的导电层的一部份。在一些具体实施例中，反射层5811的厚度不小于0.5μm。在一些具体实施例中，波导结构581的厚度不小于5μm。
波导结构581包括一通道AP，其穿过反射层5811以能使光学信号111的至少一部份传输到下面的光敏区503。在一些具体实施例中，孔洞穿过介电层507并与通道AP连通，以便暴露光敏区503的顶部表面。在一些具体实施例中，波导结构581包括一倾斜侧壁581C，其围绕通道AP。在一些具体实施例中，倾斜侧壁581C可为从元件基板500的第一表面500A的法向量倾斜的表面。在一些具体实施例中，倾斜侧壁581C可为在其自身与元件基板500的第一表面500A的法向量之间形成角度θ的实质上平坦表面。在一些具体实施例中，角度θ可在大于0°至约60°的范围内。在某具体实施例中，10°≦θ≦50°。在一些具体实施例中，角度θ可大于0°。在某具体实施例中，30°≦θ≦45°。当角度θ在大于0°至约60°的范围内时，吸收效率可提高且有效光学侦测之窗可扩展。当角度θ在约10°至约50°的范围内时，吸收效率可进一步提高。光电子元件280可能在更高速度和更高频宽(不小于25GHz，例如40GHz)下操作，同时避免实质上失去高可靠性。在一些具体实施例中，波导结构581的倾斜侧壁581C可透过蚀刻电耦合到电连接505的导电层形成，因此波导结构581能够将光学信号的较大部份导向到下面的光敏区503，并同时电耦合到电连接505。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图29例示具有波导结构的光电子元件290的剖面图。光电子元件290与光电子元件280相似，除了波导结构581更包括一光学构件571，其布置在反射层5811、介电层507、及从介电层507暴露的光敏区503的顶部表面上方。在一些具体实施例中，光学构件571的一部分在通道AP中。光学构件571可用作配置成将来自各个方向的入射光学信号111朝向光敏区503的感测孔径聚焦的透镜。在一些具体实施例中，光学构件571可能包括一凸表面，或其他合适形状，其使得能够将来自各个方向的入射光学信号110朝向光敏区503的通道AP聚焦。光学构件571可能包括任何合适材料，例如聚合物。开口507A可能形成在光学构件571中，从而能使光敏区503所产生的电信号受到取得。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图30例示具有波导结构的光电子元件300的剖面图。光电子元件300的元件基板500、光敏区503、及电连接505与图28中的对等部分相似。光电子元件300包括一导电层562，其布置在电连接505上方。导电层562可能为用于电耦合到电连接505的导电层，且导电层562可能包括或是由任何合适材料构成，举例来说，金属，例如铝、铜、或其类似物。波导结构581包括一基底部份508，其在电连接505和介电层507上方。在一些具体实施例中，基底部份508，其包括一介电材料，例如Si、SiO2、Si3N4、或其任何组合。在一些具体实施例中，基底部份508包括一材料，其与介电层507的材料相同。基底部份508的顶部表面在导电层562的顶部表面上方，且基底部份508侧向围绕导电层562。基底部份508包括一通道AP，其能使光学信号111的至少一部份传输到下面的光敏区503。在一些具体实施例中，孔洞穿过介电层507并与通道AP连通，以便暴露光敏区503的顶部表面。基底部份508包括一倾斜侧壁SW，其相对于元件基板500的一第一表面500A的法向量倾斜。在一些具体实施例中，基底部份508包括一厚度，其不小于5μm。在一些具体实施例中，基底部份508的厚度不大于100μm。在一些具体实施例中，基底部份508的厚度不大于50μm。在一些具体实施例中，倾斜侧壁SW围绕通道AP。在一些具体实施例中，倾斜侧壁SW可为在其自身与元件基板500的第一表面500A的法向量之间具有角度θ的实质上平坦表面。与图28中的讨论相似，在一些具体实施例中，角度θ可在大于0°至约60°的范围内。在某具体实施例中，10°≦θ≦50°。在某具体实施例中，30°≦θ≦45°。波导结构581更包括一反射层591，其沿着基底部份508的倾斜侧壁SW的轮廓覆盖。在一些具体实施例中，反射层591可能视需要包括一延伸部份，其在基底部份508的顶部表面上方。在一些具体实施例中，布置在倾斜侧壁SW上的反射层591的一部份可包括一实质上平坦表面，其在其自身与元件基板500之一第一表面500A的法向量之间具有一角度θ。与图28中的讨论相似，在一些具体实施例中，角度θ可在大于0°至约60°的范围内。在某具体实施例中，10°≦θ≦50°。在某具体实施例中，30°≦θ≦45°。在一些具体实施例中，反射层591的材料可能包括铝、铜、及其类似物。在一些具体实施例中，反射层591的厚度不小于0.5μm。在一些具体实施例中，波导结构581的厚度大于5μm。在一些具体实施例中，开口507A可能形成在基底部份508中，从而能使光敏区503所产生的电信号受到取得。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图30A至图30E例示在制造方法中的各种制造过程期间，图30的光电子元件300的剖面图。参照图30A，方法包括在元件基板500上方形成光敏区503、围绕光敏区503形成介电层507、在介电层507中形成电连接505、在电连接505上形成导电层562，以及在光敏区503上方形成波导结构581。形成波导结构581的步骤更包括在电连接505和介电层507上方形成基底部份508。在一些具体实施例中，基底部份508包括一材料，其与介电层507的材料相同。电连接505配置成传输光敏区503中所产生的电子信号，并电耦合光敏区503。导电层562(例如铝)经过图案化，并电连接到电连接505的一个或多个。介电层507形成在元件基板500上方，以围绕光敏区503和电连接505。在一些具体实施例中，基底部份508围绕导电层562，并与介电层507直接接触。基底部份508的顶部表面在光敏区503、电连接505、及导电层562的每个顶部表面上方。在一些具体实施例中，基底部份508的顶部表面可能具有与导电层562的图案相似的表面轮廓。
参照图30B，形成波导结构581的步骤更包括一平坦化操作，举例来说，一化学机械平坦化操作，其可在基底部份508的顶部表面上进行。
参照图30C，形成波导结构581的步骤更包括去除基底部份508的一部份，以形成朝向元件基板500逐渐变窄的一通道。去除操作可能包括干式蚀刻、湿式蚀刻、或用于去除基底部份508的材料并形成一倾斜侧壁SW的其他合适操作。
参照图30D，形成波导结构581的步骤更包括在围绕基底部份508的通道的倾斜侧壁SW上形成反射层591。视需要，反射层591可能进一步形成在基底部份508的顶部表面上方。
参照图30E，制造方法更包括透过去除介电层507之一部份以形成穿过介电层507的孔洞，从介电层507暴露光敏区503之一顶部表面之一步骤。孔洞与通道AP连通。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图31例示具有波导结构的光电子元件310的剖面图。光电子元件310与光电子元件300相似，除了波导结构581更包括一光学构件572，其布置在反射层591、基底部份508、及从介电层507暴露的光敏区503的顶部表面上方。光学构件572可用作配置成将来自各个方向的入射光学信号朝向波导581的通道AP聚焦的透镜，其中光敏区503的感测孔径位于下面。开口507A可能形成在基底部份508和光学构件572中，从而能使光敏区503所产生的电信号受到取得。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图32例示具有波导结构581的光电子元件320的剖面图。光电子元件320与光电子元件310相似，除了基底部份508包括一材料，其与光学构件572的材料相同。开口507A可能形成在基底部份508中，从而能使光敏区503所产生的电信号受到取得。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图32A至图32D例示在制造方法中的各种制造过程期间，图32的光电子元件320的剖面图。参照图32A，方法包括在元件基板500上方形成光敏区503、围绕光敏区503形成介电层507、在介电层507中形成电连接505、在电连接505上形成导电层562，以及在光敏区503上方形成波导结构581。形成波导结构581的步骤更包括在电连接505和介电层507上方形成基底部份508。电连接505配置成传输光敏区503中所产生的电子信号，并电耦合到光敏区503。介电层507形成在元件基板500上方，以围绕光敏区503和电连接505。导电层562形成在介电层507上方，并电连接到电连接505之一个或多个。光敏区503的顶部表面之一部份从介电层507暴露。基底部份508例如透过旋转涂布操作形成在介电层507、光敏区503、及导电层562上方。在一些具体实施例中，基底部份508的材料与介电层507的材料不同。
参照图32B，方法更包括去除基底部份508之一部份，以形成朝向元件基板500逐渐变窄的一通道AP。去除操作可能包括干式蚀刻、湿式蚀刻、或用于去除基底部份508之一部份并形成一倾斜侧壁SW的其他合适操作。
参照图32C，方法更包括在基底部份508的倾斜侧壁SW上形成反射层591。视需要，反射层591之一部分可能进一步形成在基底部份508的顶部表面上方。
参照图32D，方法更包括形成覆盖反射层591的一光学构件572。一般来说，形成在反射层591上方的光学构件572可包括一光学透镜。在一些具体实施例中，形成在反射层591上方的光学构件572可能包括一凸表面，或其他合适的形状，其使得能够将来自各个方向的入射光学信号朝向光敏区503的感测孔径聚焦。在一些具体实施例中，光学构件572的材料与基底部份508的材料相同。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图33例示具有波导结构的光电子元件330的剖面图。光电子元件330与光电子元件290相似，除了同一波导结构581比元件基板500的前表面500A更接近后表面500B，其中后表面500B在前表面500A对侧。在一些具体实施例中，波导结构581和光敏区503位于元件基板500的相对侧。在一些具体实施例中，元件基板500在波导结构581与光敏区503之间。在一些具体实施例中，光学信号111在传播穿越元件基板500之后，入射到光敏区103的表面上。在一些具体实施例中，元件基板500的材料在光学信号111的峰值波长下的吸收系数小于(例如小10倍、小100倍、或小1000倍)光敏区503的材料的吸收系数。在一些具体实施例中，波导结构581的光学构件571的材料与元件基板500的材料不同。处理基板520可进一步接合到位于元件基板500之前表面500A的导电层562或导电线路层上方。在某具体实施例中，接合层510形成在导电层562与处理基板520之间，以将导电层562与处理基板520连接。开口507A可能从后表面500B形成，并穿过至少元件基板500和介电层507以暴露导电层562之一部份，从而取得光敏区503所产生的电信号。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图34例示具有波导结构的光电子元件340的剖面图。光电子元件340与光电子元件320相似，除了波导结构581包括如图32中的反射层591、基底部份508、及光学构件572。波导结构581比元件基板500之前表面500A更接近后表面500B。开口507A可能从第二表面500B形成以暴露导电层562之一部份，从而能使光敏区503所产生的电信号受到取得。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图35例示具有波导结构的光电子元件350的剖面图。光电子元件350与光电子元件340相似，除了波导结构581包括元件基板500。在一些具体实施例中，元件基板500部分去除，以在光敏区503正上方形成通道AP。元件基板500之包括一倾斜侧壁SW，其环绕通道AP，且反射层591形成倾斜侧壁SW上方，作为对光学构件572所捕捉到的入射光学信号111的反射体。开口507A可能从第二表面500B形成，并穿过至少元件基板500和介电层507以暴露导电层562之一部份，从而能使光敏区503所产生的电信号受到取得。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图35A至图35D例示在制造方法中的各种制造过程期间，图35的光电子元件350的剖面图。参照图35A，方法包括在元件基板500之前表面500A上方形成光敏区503、围绕光敏区503形成介电层507、在介电层507中形成电连接505、在电连接505上形成导电层562。电连接505配置成传输光敏区503中所产生的电子信号，并经由第一接触区和第二接触区电耦合到光敏区503。介电层507形成在元件基板500之前表面500A上方，以围绕光敏区503和电连接505。导电层562形成在介电层507上方，并电连接到电连接505之一个或多个。方法更包括在导电层562上方形成一接合层510Y。方法更包括提供与元件基板500不同的一处理基板520；以及在处理基板520上方形成一接合层510X。
参照图35B，方法更包括藉由接合层510X、510Y将将元件基板500接合到处理基板520，以形成一致的(congruent)接合层510。
方法更包括形成波导结构581。形成波导结构581的步骤包括透过从元件基板500在光敏区503正上方之后表面500B去除元件基板500之一部份形成一通道AP以及围绕通道AP的倾斜侧壁SW。通道AP可能透过任何合适方法(如蚀刻操作)形成。在一些具体实施例中，元件基板500在光敏区503上方之一部份可能在去除步骤之后保留在光敏区503上，以在元件基板500中保留第一接触区。
参照图35C，形成波导结构581的步骤更包括在元件基板500的倾斜侧壁SW上形成一反射层591。参照图35D，形成波导结构581的步骤更包括在元件基板500之后表面500B上方形成一光学构件572。光学构件572可用作配置成将来自各个方向的入射光学信号朝向光敏区503聚焦的透镜。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图36例示具有波导结构的光电子元件360的剖面图。光电子元件360与图35中所讨论的光电子元件350相似，除了元件基板500为具有埋藏氧化物层555的硅覆绝缘体(Silicon-on-insulator，SOI)基板，且元件基板500中的通道AP的底部终止于埋藏氧化物层555，从而使得元件基板500之一部份由埋藏氧化物层555与光学构件572间隔开。埋藏氧化物层555包括氧化物材料，其能使光学信号111的至少一部份传输跨越到另一侧。反射层591形成在终止于埋藏氧化物层555的倾斜侧壁SW上方。在一些具体实施例中，使光学构件572与埋藏氧化物层555接触是因为光学构件572的折射率接近埋藏氧化物层555的折射率，使得较少反射将发生在成光学构件572和埋藏氧化物层555的界面处。
在一些具体实施例中，当为了形成通道AP而进行蚀刻操作以去除元件基板500之一部份时，埋藏氧化物层555可用作蚀刻停止层。在一些具体实施例中，光电子元件360尤其可并入临界耦合光二极管中。
开口507A可能进一步从第二表面500B形成以暴露导电层562之一部份，从而能使光敏区503所产生的电信号受到取得。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图37例示具有波导结构的光电子元件370的剖面图。光电子元件370与光电子元件350相似，除了元件350的光学构件574包括半导体材料，举例来说，硅。当光学构件574包括硅时，光学构件574具有比聚合物材料更接近元件基板500的折射率。光学构件574可用作配置成将来自各个方向的入射光学信号朝向光敏区503聚焦的透镜。在一些具体实施例中，元件基板500之一部份覆盖光敏区503。在一些具体实施例中，元件基板500之一部份在光敏区503与光学构件574之间。开口507A可能从第二表面500B形成，并穿过至少元件基板500和介电层507以暴露导电层562之一部份，从而能使光敏区503所产生的电信号受到取得。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图37A至图37E例示在制造方法中的各种制造过程期间，图37的光电子元件370的剖面图。参照图37A，方法包括在元件基板500之前表面500A上方形成光敏区503、围绕光敏区503形成介电层507、在介电层507中形成电连接505、在电连接505上形成导电层562，以及在光敏区503上方形成波导结构581。在一些具体实施例中，电连接505配置成传输光敏区503中所产生的电子信号，并经由第一接触区和第二接触区电耦合到光敏区503。介电层507形成在元件基板500之前表面500A上方，以围绕光敏区503和电连接505。导电层562形成在介电层507上方，并电连接到电连接505之一个或多个。与图35A中所讨论的操作相似，处理基板520接合到元件基板500。形成波导结构581的步骤包括从元件基板500之后表面500B并在光敏区503正上方形成一通道AP以及围绕通道AP的倾斜侧壁SW。在一些具体实施例中，元件基板500之一部份覆盖光敏区503。
参照图37B，形成波导结构581的步骤更包括在元件基板500的倾斜侧壁SW上形成反射层591。参照图37C，形成波导结构581的步骤包括在元件基板500之后表面500B上方形成光学构件574，从而覆盖通道AP及元件基板500的其余部份。光学构件574包括半导体材料，举例来说，非晶硅。参照图37D，形成波导结构581的步骤包括去除光学构件574之一部份。在一些具体实施例中，去除光学构件574之一部份的步骤可透过任何合适方法(如蚀刻操作)进行。在步骤之后，光学构件574包括一表面，其可用作配置成将来自各个方向的入射光学信号朝向光敏区503聚焦的一透镜。光阻剂回流操作可以蚀刻操作进行以创建更平滑的表面，其中光阻剂回流操作包括熔化光阻剂，因此圆顶状表面可能由于表面张力改变而形成。参照图37E，视需要，方法可能包括形成开口507A以暴露导电层562之一部份。在一些具体实施例中，开口507A穿过波导结构581。在一些具体实施例中，开口507A和波导结构581位于处理基板520之同一侧，以便有助于之后的制造步骤。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图38A例示具有波导结构的光电子元件380A的剖面图。光电子元件380A至少包括一元件基板600；一光敏区603，其与元件基板600相邻；以及一波导结构700，其在光敏区603上方。元件基板600可能与如图1中所讨论的元件基板100或如图28中所讨论的元件基板500相似，其包括一前表面600A；以及一后表面600B，其在前表面600A对侧。光敏区603比元件基板600的第二表面600B更接近前表面600A。在一些具体实施例中，波导结构700和光敏区603位于元件基板600的同一侧。在一些具体实施例中，光学信号111未传播穿越元件基板600而进入光敏区603。在一些具体实施例中，光电子元件380A更包括如图1中所说明的一第一接触区(未显示)及一第二接触区(未显示)。电连接605可能形成为透过电耦合到第一接触区和第二接触区电耦合到光敏区603。电连接605配置成传输光敏区603中所产生的电子信号。一般来说，光敏区603可能与如图1中所讨论的光敏区103或如图28中所讨论的光敏区503相似。介电层607侧向围绕电连接605和光敏区603，其中光敏区603的表面从介电层607暴露。导电线路662布置在介电层607上方，并电连接到电连接605。在一些具体实施例中，导电线路662和电连接605包括导电材料例如，但不限于，金属，如铝、铜、或其类似物。在某具体实施例中，光敏区603具有用于接收光学信号的侧向尺寸WAP的感测孔径。在某具体实施例中，侧向尺寸WAP不大于35μm。在一些具体实施例中，侧向尺寸WAP在20μm至35μm之间。
在一些具体实施例中，波导结构700包括一光学构件698；以及一底座层699A，其在光学构件698与光敏区603之间。由底座层699A将光学构件698与光敏区603间隔，光学信号111的较大部份可导向到光敏区603，由此改进光电子元件的效率。再者，与光敏区603相邻的导电线路662和/或电连接605所反射的光学信号111的问题可能避免或减轻。在一些具体实施例中，光学构件698可能包括或是由光学透射材料构成，其对光学信号111的目标波长而言为透明。光学透射材料包括，但不限于，聚合物、介电材料、透明材料、部分透明材料、或其类似物。介电材料可能包括，且不限于，Si、SiO2、Si3N4、或其任何组合。
光学构件698可能包括一透镜。透镜可能透过任何合适方法形成，例如喷墨、回流、灰阶微影、微影操作、或图案转移(pattern transfer)。在38A图中，底座层699A间隔在光学构件698与光敏区603之间，并可能视需要进一步覆盖导电线路662。底座层699A可能包括光学透射材料，其对光学信号111的目标波长而言为透明。光学透射材料包括，但不限于，聚合物、介电材料、透明材料、部分透明材料、或其类似物。材料可能包括，且不限于，Si、SiO2、Si3N4、或其任何组合。在一些具体实施例中，光学构件698的材料可能与底座层699A等同或不等同。介电层607的顶部表面从底座层699A暴露。底座层699A的图案可能透过蚀刻或光微影操作形成。在一些具体实施例中，底座层699A可能具有支柱形状。在一些具体实施例中，从光电子元件380A的剖面图来看，底座层699A的宽度介于光敏区603的宽度与元件基板600的宽度之间。
在一些具体实施例中，为了改进光电子元件380A的效率，底座层699A的厚度Lp实质上等于或接近光学构件698的焦距(未显示)减去光学构件698的厚度L_lens。在光学信号111为平面波或单模的情况下，且底座层699A是由如光学构件698的等同材料构成，光学构件698的焦距可透过下列方程式近似估计：
R*(n_lens/(n_lens-n_ambience))
其中R为光学构件698的曲率半径、n_lens为光学构件698的折射率，且n_ambience为周围环境的折射率。在光学信号111为非平面波或多模的情况下，底座层699A的厚度Lp可透过实际测量具有不同厚度Lp的光点大小判定，以得到具有最佳效能的厚度。在一些具体实施例中，底座层699A的厚度Lp不小于5μm。在一些具体实施例中，底座层699A的厚度Lp不大于100μm。在一些具体实施例中，底座层699A的厚度Lp不大于50μm。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图38B例示具有波导结构的光电子元件380B的剖面图。光电子元件380B与图38A中所讨论的光电子元件380A相似，除了元件380B的底座层699B以实质上均匀的层覆盖介电层607，而非局部覆盖光敏区603和邻近介电层607的支柱。在一些具体实施例中，从光电子元件380B的剖面图来看，底座层699B的宽度实质上与元件基板600的宽度相同。在一些具体实施例中，底座层699B可透过涂布或沉积形成。在一些具体实施例中，介电层607上方的底座层699B的厚度实质上均匀。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图38C例示具有波导结构的光电子元件380C的剖面图。光电子元件380C与图38A中所讨论的光电子元件380A相似，除了底座层699C包括一中间部份；以及一周围部份，其围绕中间部份。为了具有底座层699C的所需厚度Lp，中间部份可能具有比周围部份大的厚度。在一些具体实施例中，底座层699C可透过涂布形成均匀层，接着执行蚀刻操作以形成周围部份和中间部份。从光电子元件380C的俯视图来看，中间部份可为任何合适形状，举例来说，圆形、正方形、或矩形。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图38D例示具有波导结构的光电子元件380D的剖面图。光电子元件380D与图38A中所讨论的光电子元件380A相似，除了底座层699D结合凹部部份及围绕凹部部份的周围部份。光学构件698布置在凹部部份上方，或者说，凹部部份可为容纳光学构件698的空腔。在一些具体实施例中，底座层699D可透过涂布均匀层形成，接着是执行蚀刻操作以形成凹部部份。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图39A、图39B、图39C、及图39D例示包括一壳体666以及分别布置在壳体666下方的图38A的光电子元件380A、图38B的光电子元件380B、图38C的光电子元件380C、及图38D的光电子元件380D的光电子元件390A、390B、390C、390D的剖面图。壳体666可能用于进一步提升进入布置在其下方的光电子元件的光敏区的光量。在一些具体实施例中，光电子元件380A、380B、380C、及380D可布置在印刷电路板(Printedcircuit board，PCB)667上，且壳体666布置在PCB 667上以围绕光电子元件380A、380B、380C、及380D。在一些具体实施例中，壳体666包括一光学结构666P，例如一透镜，其在波导结构700的光学构件698正上方以有助于将入射光学信号朝向光敏区603聚焦。从俯视图视角或剖面图视角来看，光学构件698可能对准光学结构666P或与其垂直重叠。在一些具体实施例中，壳体666可能更包括另一光学结构666Q，举例来说，将入射光更好地朝向光学结构666P引导的一倾斜表面。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图40A例示具有波导结构的光电子元件400A的剖面图。光电子元件400A与光电子元件380A相似，除了包括底座层699A及光学构件698的波导结构700比元件基板600之前表面600A更接近后表面600B。在一些具体实施例中，波导结构700和光敏区603位于元件基板600的两个对侧。在一些具体实施例中，光学信号111在传播穿越元件基板600之后入射到光敏区603的表面上。处理基板620可进一步接合到位于元件基板600之前表面600A的导线电路662上方。在某具体实施例中，接合层610形成在导线电路662与处理基板620之间。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图40B例示具有波导结构的光电子元件400B的剖面图。光电子元件400B与光电子元件380B相似，除了包括底座层699B及光学构件698的波导结构700比元件基板600之前表面600A更接近后表面600B。
依据本申请所揭示内容之一些具体实施例，图40C例示具有波导结构的光电子元件400C的剖面图。光电子元件400C与光电子元件380C相似，除了包括底座层699C及光学构件698的波导结构700比元件基板600之前表面600A更接近后表面600B。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图40D例示具有波导结构的光电子元件400D的剖面图。光电子元件400D与光电子元件380D相似，除了包括底座层699D及光学构件698的波导结构700比元件基板600的前表面600A更接近后表面600B。
依据本申请所揭示内容的一些具体实施例，图41A、图41B、图41C、及图41D例示包括一壳体666以及分别图40A的光电子元件400A、图40B的光电子元件400B、图40C的光电子元件400C、及图40D的光电子元件400D的光电子元件410A、410B、410C、410D的剖面图。与图39A至图39D中的讨论相似，前述光电子元件400A、400B、400C、及400D可布置在壳体666与PCB 667之间。从俯视图视角或剖面图视角来看，光学构件698可能对准光学结构666P或与其垂直重叠。壳体666的光学结构666Q的说明可参照图39A中所述及的那些。
依据本申请所揭示内容之又一具体实施例，本申请所揭示内容的具体实施例中的结构可结合或改变。举例来说，如图1中所示波导结构101可为波导结构191。对于另一范例，图20中的光电子元件200可能也包括图39A中的一壳体666。对于另一范例，图22中的光电子元件阵列220可能也包括图39A中的一壳体666，其中所有光电子元件皆共用一个壳体666。对于另一范例，图36中的光电子元件360可能也包括图39A中的一壳体666。
如文中所使用且未另外定义，用语「实质上」(substantially)和「约」(about)是用于说明和考虑小变化例。当与事件或状况结合使用时，用语可涵盖其中事件或状况精确发生的实例以及其中事件或状况非常近似发生的实例。举例来说，当与数值结合使用时，用语可涵盖小于或等于数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。作为另一范例，若线路或平面的峰值或凹陷不大于5μm、不大于1μm、或不大于0.5μm，则线路或平面可为实质上平坦。
尽管本发明所揭示内容已参照其指定具体实施例说明和例示，但这些说明和例示图并非限制。熟习此领域技术者应可理解，各种改变可能做出且相等物可能代换，而不悖离如所附诸申请专利范围所定义的本发明所揭示内容的真实精神与范畴。该等例示图可能未必按比例绘制。由于制程和公差，因此本发明所揭示内容中的该等艺术表现形式与该实际设备之间可能有区别。可能有未具体例示的本发明所揭示内容的其他具体实施例。该说明书及所附图式应视为例示性，而非限制性。修饰例可能做出，以使特定情况、材料、物质的组成物、方法、或制程适用于本发明所揭示内容的目的、精神、及范畴。所有这样的修饰例皆欲落于在此所附诸申请专利范围的范畴内。尽管文中所揭示的该等方法已参照以特定次序进行的特定操作说明，但应可理解，这些操作可能结合、细分、或重新排序以形成等效方法，而不悖离本发明所揭示内容的这些讲述。据此，除非于文中具体指出，否则该等操作之次序和分组并非限制。
符号说明
10、40、40A、40B、50A、50B、60A、60B、70A、70B、80A、80B、90A、90B、190、200、210、230、240B、250、260、280、290、300、310、320、330、340、360、370、380A、380C、380D、390A、390B、390C、390D、400A、400B、400C、400D、410A、410B、410C、410D、1000A、1000B、1002A、1002B、1003A、1003B、1004A、1004B、1005A、1005B、1006A、1006B、1007A、1007B、1008A、1008B光电子元件
220A 第一光电子元件
220B 第二光电子元件
220C 第三光电子元件
100、600 元件基板；基板
100A 第一表面
100B 第二表面
101、191、700 波导结构
101A 第一部份；第一区
101A'、193、571、572、574、698 光学构件
101B 第二部份
103、503、603 光敏区
105、505、605 电连接
107、107'、507、607 介电层
107A、507A 开口
109A 第一表面
109B 第二表面
109C 侧壁表面
111、201 光学信号
120、520、620 处理基板
121 导电走线
191A 第一区
191B 第二区
191C 第三区
191D 附加第四区
192、508 基底部份
220 光电子元件阵列
350、380B 光电子元件；元件
500 元件基板
500A、600A 前表面
500B、600B 后表面；
501、601、1401 反射层
510、510X、510Y、610 接合层
555 埋藏氧化物层
562 导电层
581 波导结构；波导
581C 倾斜侧壁
591、2101、2601、5811 反射层
662 导电线路
666 壳体
666P、666Q 光学结构
667 印刷电路板(PCB)
699A、699B、699C、699D 底座层
701 粘着层；粘着层
801、901、1009 支撑层
801A 顶部表面
802 气隙
1001 第一保护层
1002 第二保护层
1101 第一导电线路
1101' 第一导电焊垫
1102 第二导电线路
1102' 第二导电焊垫
1103 凹部
1110 粘着层；蓝带
1501 粘着层
1900 光感测单元
1901 载子收集端子
1901' 第一掺杂区；周期性掺杂区
1902 载子控制端子
1902' 第二掺杂区；周期性掺杂区
1903' 第三掺杂区
1904' 第四掺杂区
1911 上部表面
1912 底部表面
2001 电布线层
2401 抗反射层
W1 第一宽度
W2 第二宽度
T 厚度
θ 角度
WAP 侧向尺寸
W191A、W191AC、W191ACD 宽度
Z1 第一区块
Z2 第二区块
Z3 第三区块
P1、P2 图案
AP 通道
SW 倾斜侧壁
d2、d3 距离
L_lens 光学构件之厚度
Lp 底座层之厚度

Claims (20)

1.一种波导结构，包含：
第一部份，包含：
第一表面，其具有第一宽度；
第二表面，其具有第二宽度，该第二表面在该第一表面对侧；以及
侧壁表面，其连接该第一表面和该第二表面，其中该第一宽度大于该第二宽度。
2.如权利要求1的波导结构，其中该侧壁表面从该第二表面的法向量倾斜一角度。
3.如权利要求2的波导结构，其中该第二宽度大于该第一表面与该第二表面之间的最小距离乘以(tan(2θ)-tan(θ))，其中θ是该角度。
4.如权利要求2的波导结构，其中该角度在大于0°至约40°之范围内。
5.如权利要求1的波导结构，更包含光学构件，其在该第一部份的该第一表面上方。
6.如权利要求1的波导结构，更包含第二部份，其围绕该第一部份，其中该第二部份的折射率小于该第一部份的折射率。
7.如权利要求6的波导结构，其中该第二部份包含反射层。
8.如权利要求6的波导结构，其中该第二部份更包含支撑层，其围绕该第一部份。
9.如权利要求8的波导结构，其中该支撑层的顶部表面位于比该第一部份的顶部表面高的水平。
10.如权利要求9的波导结构，其中该支撑层与该第一部份间隔开。
11.一种光电子元件，包含：
元件基板(100)，其具有第一表面及在该第一表面对侧的第二表面；
光敏区，其与该元件基板的该第一表面相邻；以及
波导结构，其在该元件基板和该光敏区上方，包含：
第一部份，包含：
第一表面，其具有第一宽度；
第二表面，其具有第二宽度，该第二表面在该第一表面对侧；以及
侧壁表面，其连接该第一表面和该第二表面；
其中该第一宽度大于该第二宽度。
12.如权利要求11的光电子元件，其中该波导结构的该第一部份的该第二表面在该光敏区与该波导结构的该第一部份的该第一表面之间。
13.如权利要求12的光电子元件，更包含介电层，其围绕该光敏区。
14.如权利要求13的光电子元件，其中该介电层包含凹部，其容纳该波导结构的一部份。
15.如权利要求13的光电子元件，更包含粘着层，其连接该波导结构和该介电层。
16.如权利要求11的光电子元件，其中该波导结构更包含支撑层，其围绕该第一部份。
17.如权利要求16的光电子元件，其中该波导结构更包含光学构件，其在该第一部份的该第一表面上方。
18.一种光电子元件，包含：
元件基板，其具有第一表面及在该第一表面对侧的第二表面；
光敏区，其与该元件基板的该第一表面相邻；以及
波导结构，其在该光敏区上方，包含：
第一部份，包含：
第一表面，其具有第一宽度；
第二表面，其具有第二宽度；以及
侧壁表面，其连接该第一表面和该第二表面；
其中该第二宽度大于该第一表面与该第二表面之间的最小距离乘以(tan(2θ)-tan(θ))，其中θ是该元件基板的该第一表面的法向量与该侧壁表面之间的角度。
19.如权利要求18的光电子元件，其中该波导结构更包含光学构件，其在该第一部份的该第一表面上方。
20.如权利要求18的光电子元件，其中该波导结构更包含支撑层，其围绕该第一部份。
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