CN113206165B - 光子器件及其形成方法和成像器件 - Google Patents

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Abstract

提供了具有增大的量子效应长度的光子器件及其形成方法。在一些实施例中，光子器件包括具有第一表面的衬底。腔从第一表面至第二表面延伸至衬底中。半导体层设置在位于衬底的腔中的第二表面上，并且覆盖层设置在半导体层上。半导体层配置为接收穿过衬底的入射辐射并且在半导体层和覆盖层之间的界面处全内反射该辐射。本申请的实施例还涉及成像器件。

Description

光子器件及其形成方法和成像器件
技术领域
本申请的实施例涉及光子器件及其形成方法和成像器件。
背景技术
光子器件，诸如图像传感器、光电探测器、光电传感器等，是光或其他电磁辐射的传感器。这样的器件通常将入射光子转换成电信号，诸如电流。入射光可以通过半导体材料转换成电流，该半导体材料吸收光子，从而使得电子从材料的导带转换成自由电子。
光子器件通常具有受到吸收光子以生成电信号的半导体材料(或量子效应材料)的尺寸的限制的量子效率。量子效率(QE)是有助于电信号的入射光子的分数。
发明内容
本申请的一些实施例提供了一种光子器件，包括：衬底，具有第一表面和从所述第一表面至第二表面延伸至所述衬底中的腔；半导体层，位于所述衬底的所述腔中的所述第二表面上；以及覆盖层，位于所述半导体层上，其中，所述半导体层配置为接收穿过所述衬底的入射辐射，并且在所述半导体层和所述覆盖层之间的界面处全内反射所述辐射。
本申请的另一些实施例提供了一种形成光子器件的方法，包括：在衬底中形成腔，所述腔从第一表面至第二表面延伸至所述衬底中；在所述腔中的所述衬底的侧壁上形成侧壁间隔件；以及在所述衬底的所述腔中的所述第二表面上形成半导体层，所述半导体层邻接所述腔中的所述侧壁间隔件。
本申请的又一些实施例提供了一种成像器件，包括：第一衬底，具有第一表面和从所述第一表面延伸至所述第一衬底中的多个腔；光电探测器的阵列，形成在所述第一衬底的多个腔中，所述光电探测器中的每个包括：半导体层，位于所述衬底的所述腔中的所述第二表面上；以及覆盖层，位于所述半导体层上，其中，所述半导体层配置为接收穿过所述第一衬底的入射辐射并且在所述半导体层和所述覆盖层之间的界面处全内反射所述辐射；以及电子电路，电耦接至所述光电探测器的阵列，并且配置为响应于接收所述入射辐射而接收和处理由所述光电探测器的阵列生成的电信号。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该指出，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1是示出根据本发明的一些实施例的器件的截面图。
图2示出了在位于具有第一折射率η1的第一材料和具有第二折射率η2的第二材料之间的界面处的光的全内反射。
图3A至图3E是示出在一些实施例中的形成光电探测器器件(诸如图1中所示的器件)的方法的截面图。
图4是示出根据一些实施例的成像器件的截面图。
图5A是根据一些实施例的示出器件的截面图，并且图5B是示出图5A的器件的半导体层的透视图。
图6A是根据一些实施例的示出器件的截面图，并且图6B是示出图6A的器件的半导体层的透视图。
图7A是根据一些实施例的示出器件的截面图，并且图7B是示出图7A的器件的半导体层的透视图。
图8A是根据一些实施例的示出器件的截面图，并且图8B是示出图8A的器件的半导体层的透视图。
图9A是根据一些实施例的示出器件的截面图，图9B是示出图9A的器件的半导体层的透视图。
图10A是根据一些实施例的示出器件的截面图，并且图10B是示出图10A的器件的半导体层的透视图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。器件可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
在整个说明书中对用于沉积介电层、金属或任何其他材料的沉积技术的参考包括诸如化学汽相沉积(CVD)、低压化学汽相沉积(LPCVD)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、等离子体汽相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、电镀、化学镀等工艺。本文参考这样的工艺的实例描述具体的实施例。然而，本发明和对某些沉积技术的参考不应该限于所描述的那些。
在整个说明书中对用于选择性去除半导体材料、介电材料、金属或任何其他材料的蚀刻技术的参考包括如干蚀刻、湿化学蚀刻、反应离子(等离子)蚀刻(RIE)、清洗、湿清洁、预清洁、喷雾清洁、化学机械平坦化(CMP)等这样的工艺。本文参考这样的工艺的实例描述具体的实施例。然而，本发明和对某些蚀刻技术的参考不应该限于所描述的那些。
一些图像传感器，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，包括半导体衬底(例如，单晶硅的)和布置在半导体衬底中的光电探测器阵列。在半导体衬底中形成光电探测器，并且电路(诸如晶体管)布置在半导体衬底上或中并且电耦接至光电探测器。光电探测器配置为吸收入射辐射并且生成对应于入射辐射的电信号。
图像传感器的挑战在于，入射辐射具有受到光电探测器的尺寸限制的路径长度(在本文中可以称为“量子效应长度”)。因此，光电探测器通常具有类似地受到光电探测器的尺寸限制的量子效率。量子效率(QE)是入射光子对电信号贡献的比例。
一种用于增强CMOS图像传感器的量子效率的潜在方式是增大半导体衬底的厚度并且增大光电探测器延伸至半导体衬底中的深度。通过增大光电探测器的深度，可以增大传播通过光电探测器的入射辐射的量子效应长度，从而增大图像传感器的量子效率。然而，这难以利用现有的CMOS工艺，并且增加了CMOS图像传感器的制造成本。此外，增大光电探测器延伸至半导体衬底中的深度会增大串扰和管芯尺寸。
鉴于上述内容，本申请的各个实施例针对光子器件、结构和方法，其中接收入射辐射并且将接收的辐射转换成电信号的半导体层具有高量子效率。量子效率可以通过增大通过半导体材料接收的辐射的量子效应长度实现，其在一些实施例中可以通过半导体材料内的辐射的全内反射来促进。
图1是示出根据本发明的一个或多个实施例的器件10的截面图。
在各个实施例中，器件10可以是适合于将光信号转换成电信号的任何结构。在一些实施例中，器件10是可以包括在图像传感器(诸如CMOS图像传感器)中的光电探测器。
如图1中所示，器件10包括衬底12。腔14延伸至衬底12中，例如，从衬底12的正面16朝着衬底12的与正面16相对的背面17。在可选实施例中，腔14可以从背面17朝着正面16延伸至衬底12中。腔14示出为具有矩形截面视图；然而，本发明的实施例不限于此。在各个实施例中，腔14可以具有任何形状。在各个实施例中，腔14可以具有一般矩形或立方体形状、环形、圆形或圆柱形状或任何其他合适的形状。
在一些实施例中，腔14具有小于750μm的宽度(例如，沿如图1中所示的X轴方向)。在一些实施例中，腔14具有小于750μm的长度(例如，沿Z轴方向)。在一些实施例中，腔14具有小于700μm的高度或深度(例如，沿Y轴方向)。然而，本发明的实施例不限于此，并且在各个实施例中，腔14可以具有各个不同的尺寸和形状。
衬底12可以是任何合适的半导体衬底。在各个实施例中，衬底12可以由晶体半导体材料形成，例如，单晶硅、多晶硅或一些其他类型的晶体半导体材料。在一些实施例中，衬底12是硅衬底；然而，本文提供的实施例不限于此。例如，在各个实施例中，衬底12可以包括砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或任何其他半导体材料。衬底12可以包括各个掺杂配置，取决于设计规范。在一些实施例中，衬底12是具有p型掺杂剂浓度的p型衬底。在其他实施例中，衬底12是具有n型掺杂剂浓度的n型衬底。
在衬底12的腔14中形成半导体层18。半导体层18可以由适合于吸收辐射(例如，来自入射光)并且基于吸收的辐射生成电信号的任何半导体材料形成。在一些实施例中，半导体层18由与衬底12的半导体材料不同的半导体材料形成。在一些实施例中，半导体层18是外延半导体层。
在各个实施例中，半导体层18可以由例如锗(Ge)、硅锗(SiGe)、任何III-V族半导体材料或III-V族化合物半导体材料或适合于吸收辐射并且基于吸收的辐射生成电信号的任何其他半导体材料形成。在一些实施例中，半导体层18由具有低能量带间隙的半导体材料形成，并且低能量带间隙可以是例如小于约1电子伏特(eV)的能量带间隙。在一些实施例中，半导体层18可以具有小于衬底12的能量带间隙的能量带间隙。
由半导体层18生成的电信号可以例如由响应于吸收辐射30的光子而生成的电子-空穴对产生。
如图1中所示，半导体层18包括侧面19、上表面21以及在侧面19和上表面21之间延伸的一个或多个小平面或倾斜表面23。半导体层18的侧面19可以与位于腔14内的衬底12的对应侧壁间隔开。
在一些实施例中，半导体层18具有大于腔14的深度的高度(例如，沿Y轴方向，如图1中所示)。例如，如图1中所示，半导体层18的至少部分可以在Y轴方向上延伸超过衬底12的正面16。在一些实施例中，半导体层18的高度可以小于750μm。在一些实施例中，半导体层18的高度可以小于500μm、小于300μm或小于200μm。如本文稍后将更详细描述的，由于半导体层18内的辐射的全内反射，可以在提供良好的量子效应长度的同时将半导体层18的高度减小若干数量级。即，由于半导体层18内的辐射的全内反射，与其中辐射没有全内反射的结构相比，半导体层18的高度以及其他尺寸可以显著减小。半导体层18可以具有小于腔14的宽度的宽度(例如，沿X轴方向)。
器件10还包括位于半导体层18和衬底12上的覆盖层20。覆盖层20覆盖半导体层18。例如，如图1中所示，覆盖层20覆盖半导体层18的上表面21、倾斜表面23和侧面19。在一些实施例中，覆盖层20直接接触半导体层18的上表面21、倾斜表面23和侧面19。在一些实施例中，覆盖层20完全围绕半导体层18，除了接触衬底12的半导体层18的表面之外(例如，除了如图1中所示的半导体层18的下表面之外)。
器件10可以进一步包括在衬底12的侧壁和半导体层18的相对侧面19之间延伸的侧壁间隔件22。侧壁间隔件22可以由任何介电材料形成，并且在一些实施例中，侧壁间隔件22由与覆盖层20相同的材料形成。在一些实施例中，侧壁间隔件22可以是覆盖层20的部分。即，覆盖层20的部分可以延伸至位于衬底19的侧壁和半导体层18的侧面19之间的间隔中。
在一些实施例中，侧壁间隔件22具有适合于例如在形成半导体层18期间防止或阻止半导体层18在衬底12的侧壁上或从衬底12的侧壁生长的宽度(在衬底12的侧壁和半导体层18的相对侧面19之间)。在一些实施例中，侧壁间隔件22的宽度小于50μm。在一些实施例中，侧壁间隔件22的宽度小于10μm。在一些实施例中，侧壁间隔件22的宽度包含在从50nm至10μm的范围内。
在一些实施例中，覆盖层20可以是覆盖膜，并且可以由任何电绝缘或介电材料形成。在一些实施例中，覆盖层20包括或由氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)等形成。类似地，侧壁间隔件22可以由任何电绝缘或介电材料形成，包括氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)等中的一种或多种。
器件10可以进一步包括位于覆盖层20和衬底12的正面16之间的介电层24。介电层24可以包括或由任何介电材料形成。在一些实施例中，介电层24包括或由氧化物、氮化物、氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)等形成。在一些实施例中，介电层24直接在衬底12的正面16和覆盖层20之间延伸。如图1中所示，介电层24可以具有与位于衬底12中的腔14的侧面对准的边缘。
在一些实施例中，半导体层18具有大于覆盖层20的折射率η2的折射率η1。这促进了半导体层18内的辐射30(例如，光)的全内反射。如图1中所示，可以在衬底12的背面17处接收辐射30，并且可以穿过衬底12传输至半导体层18中。在半导体层18内全内反射辐射30。例如，可以在半导体层18和覆盖层20的倾斜表面23的界面处全内反射辐射30。在一些实施例中，半导体层18的折射率η1在从1至10的范围内，并且覆盖层20的折射率η2在从0至9的范围内，并且覆盖层20的折射率η2小于半导体层18的折射率η1。在一些实施例中，半导体层18的折射率η1在从2至6的范围内，并且覆盖层20的折射率η2在从0至2的范围内。
全内反射将在下面参考图2进一步详细描述。图2示出了在位于具有第一折射率η1的第一材料102和具有第二折射率η2的第二材料104之间的界面101处的光的全内反射。第一材料102可以代表器件10的半导体层18，并且第二材料104可以代表覆盖层20。
全内反射在光的入射角大于临界角θC时发生。临界角θC是产生全反射的最小入射角。对于具有不同折射率的两种材料之间的界面(例如，位于第一材料102和第二材料104之间的界面101)，临界角θC由以下公式给出：
θc＝arcsin(n2/n1)
在其中半导体层18是锗并且覆盖层20是氧化硅的实施例中，半导体层18可以具有约4的第一折射率η1，并且覆盖层20可以具有约1.46的第二折射率η2。因此，临界角θC为21.4°。相对于第一材料102和第二材料104之间的界面101的法线103测量临界角θC和光的入射角。
在图2中所示的实例中，具有小于临界角θC的入射角θ1的第一光106仅在第一材料102和第二材料104之间的界面101处被部分地反射。即，第一光106的第一部分1061折射并且传输至第二材料104中，而第一光106的第二部分1062在界面101处反射。相反，具有大于临界角θC的入射角θ2的第二光108在第一材料102和第二材料104之间的界面101处被全内反射。
再次参考图1，辐射30可以在半导体层18和覆盖层20的倾斜表面23的界面处被全内反射。倾斜表面23的存在促进了辐射30的全内反射。例如，在没有倾斜表面23的情况下，沿辐射30的方向传输的光将遇到基本正交于光的方向的表面(例如，半导体层18的上表面)，并且相对于这种表面的法线的入射角将基本为0°，其小于临界角。在这种情况下，光将不会被全内反射，并且一些(如果不是大部分甚至全部)光也将传输至覆盖层20中。
另一方面，如图1中所示，至少部分由于半导体层18的倾斜表面23的存在，位于倾斜表面23和覆盖层20之间的界面处的辐射30的入射角可以大于临界角，并且因此，辐射30可以在半导体层18内被全内反射。而且，如图1中所示，辐射可以在第一倾斜表面23(例如，右手侧上所示)处被全内反射，并且可以再次在第二倾斜表面23(例如，左手侧所示)处被全内反射，并且然后，辐射30可以传输穿过半导体层18朝着并且穿过衬底12的正面16。
倾斜表面23具有倾斜角θ(例如，相对于位于腔14中的衬底12的下表面15，或相对于如所示的水平线)，其可以是适合于促进辐射在倾斜表面23和覆盖层20的界面处的全内反射的任何角度。在一些实施例中，倾斜角θ在0°和90°之间。在一些实施例中，倾斜角θ在30°和60°之间，并且在一些实施例中，倾斜角θ在40°和50°之间。
由于辐射30的全内反射，可以延长半导体材料18内的辐射30的路径长度(或量子效应长度)，这随着量子效应长度的增大而增大了半导体材料18的辐射的量子效率(QE)，从而增大了辐射30内的有助于由半导体材料18生成电信号的光子的量或分数。因为由于光的全内反射，光通过半导体材料18传播的距离(例如，量子效应长度)增大，并且因为量子效率类似地增大，所以与其中辐射没有被内部反射的半导体材料的大小或尺寸相比，可以减小半导体材料18的大小或尺寸，同时通过半导体材料18提供相同的量子效应长度。
半导体材料18可以具有各种不同的形状和尺寸，其可以被选择以提供期望的量子效应长度。图1中所示的用于半导体材料18的形状和尺寸仅作为实例提供，并且可以在各个实施例中利用各种其他形状和尺寸，例如，如本文稍后关于图5A至图10B将描述的。另外，应该指出，在各个实施例中，可以实现在半导体材料18和覆盖层20的界面处的入射辐射的全内反射，至少部分地，结合配置为引导或聚焦入射辐射的一个或多个透镜或微透镜，使得位于半导体材料18和覆盖层20之间的一个或多个界面处的辐射的入射角将大于临界角θC。
在一些实施例中，器件10可以配置为接收入射辐射30并且在半导体材料18内全内反射辐射30至少一次。在一些实施例中，器件10可以配置为在半导体材料18内全内反射辐射30至少两次，例如，如图1中所示。
在一些实施例中，图3A至图3E是示出形成光电探测器器件(诸如图1中所示的器件10)的方法的截面图。
如图3A中所示，在衬底12上形成介电层24。在一些实施例中，衬底12是硅衬底；然而，本文提供的实施例不限于此。例如，在各个实施例中，衬底12可以包括砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或任何其他半导体材料。在一些实施例中，衬底12是具有p型掺杂剂浓度的p型衬底，并且在其他实施例中，衬底12是具有n型掺杂剂浓度的n型衬底。
在一些实施例中，介电层24包括或由氧化物、氮化物、氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)等形成。介电层24可以通过任何适当的工艺形成，包括例如沉积、阳极氧化、热氧化等。在一些实施例中，介电层24通过沉积工艺形成。沉积工艺可以是用于沉积介电层的任何合适的沉积工艺，包括例如化学汽相沉积(CVD)、低压化学汽相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、等离子体汽相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)等。在一些实施例中，介电层24具有小于200μm的厚度。在一些实施例中，介电层24具有小于100μm的厚度，并且在一些实施例中，介电层24具有小于50μm的厚度。
如图3B中所示，通过去除介电层24和衬底12的部分形成腔14。介电层24和衬底12的部分可以通过任何合适的工艺来去除，包括例如通过蚀刻工艺。在一些实施例中，在介电层24的区域上方形成掩模，并且暴露将去除的介电层24的部分。然后可以利用蚀刻剂来去除介电层24的暴露部分以及位于介电层24下面的衬底12的部分。可以利用任何合适的蚀刻剂，包括例如任何合适的干蚀刻剂或湿蚀刻剂，诸如氢氟酸。然后可以去除掩模，在衬底12的正面16上留下介电层24。
腔14可以具有任何合适的形状。在各个实施例中，腔14可以具有一般矩形或立方体形状、环形、圆形或圆柱形形状。在一些实施例中，可以在腔14中形成一个或多个倾斜表面，例如，在腔的侧壁和下表面之间。在一些实施例中，腔14具有小于750μm的宽度。在一些实施例中，腔14具有小于750μm的长度。在一些实施例中，腔14具有小于700μm的高度或深度。然而，本实施例的实施例不限于此，并且在各个实施例中，腔14可以具有各种不同的尺寸和形状。
如图3C中所示，在位于腔14中的衬底12的侧壁上形成侧壁间隔件22。侧壁间隔件22可以通过任何合适的工艺形成，包括例如沉积、阳极氧化、热氧化等。在一些实施例中，侧壁间隔件22可以通过热氧化以在位于腔14内的衬底12的暴露表面上产生氧化物(例如，二氧化硅)薄层来形成。在热氧化工艺中，迫使氧化剂在合适高温下扩散至衬底12中，并且氧化剂与衬底反应以形成氧化物层。在一些实施例中，去除除了侧壁(例如，位于腔14的基底上或衬底12的上表面上的部分)之外的衬底12的表面上的氧化物的部分，仅在衬底12的侧壁上留下氧化物，其形成侧壁间隔件12。氧化物的部分可以通过任何合适的工艺去除，包括例如通过各向异性蚀刻工艺。
在一些实施例中，侧壁间隔件22具有适合于例如在形成半导体层18期间防止或阻止随后形成的半导体层18在衬底12的侧壁上或从衬底12的侧壁生长的宽度。在一些实施例中，侧壁间隔件22的宽度小于50μm。在一些实施例中，侧壁间隔件22的宽度小于10μm。在一些实施例中，侧壁间隔件22的宽度包含在从50nm至10μm的范围内。
在一些实施例中，侧壁间隔件22从位于腔14内的衬底12的基底或下表面15延伸至与衬底12的上表面基本共面的水平。然而，本发明的实施例不限于此，并且在各个实施例中，侧壁间隔件22可以具有位于衬底12的上表面的水平之上或下方的上表面。
如图3D中所示，在衬底12的腔14中形成半导体层18。半导体层18可以由适合于吸收辐射(例如，来自入射光)并且基于吸收的辐射生成电信号的任何半导体材料形成。在一些实施例中，半导体层18由与衬底12的半导体材料不同的半导体材料形成。在一些实施例中，半导体层18是由锗(Ge)、硅锗(SiGe)、任何III-V族半导体材料或III-V族化合物半导体材料或任何其他适合吸收辐射并且基于吸收的辐射生成电信号的半导体材料形成的外延半导体层。
半导体层18可以从腔14中的衬底12的暴露表面(例如，腔14的下表面或基底)外延生长。侧壁间隔件22防止或阻止半导体层18从衬底12的侧壁生长，因此半导体层18从腔14中的衬底12的基底向上生长，并且通过侧壁间隔件22与衬底12的侧壁间隔开。半导体层18的生长可以受到侧壁间隔件22横向限制。在侧壁间隔件22的上表面处，半导体层18形成在半导体层18的侧面19和上表面21之间延伸的一个或多个小平面或倾斜表面23。半导体层18可以由以小平面形状自然生长的晶体结构形成，从而一旦半导体层18向外生长超过侧壁间隔件22的上表面，则形成倾斜表面23。
半导体层18的形状(例如，倾斜表面23)是半导体层18的材料的晶体结构和表面能量以及形成晶体的一般条件的结果。半导体层18的形状可以根据各个因素而不同地形成，诸如选择的或期望的生长条件(例如，温度、湿度、压力等)、生长半导体层18的表面的晶体取向(例如，位于腔14中的衬底12的暴露表面的)、来自衬底12的应力、不同平面的相对能量等。
在一些实施例中，半导体层18形成为具有大于腔14的深度的高度，并且半导体层18的部分可以向外(例如，在Y轴方向上)延伸超过衬底12的正面16。在一些实施例中，半导体层18的高度可以小于750μm。在一些实施例中，半导体层18的高度可以小于500μm、小于300μm或小于200μm。
如图3E中所示，在半导体层18上形成覆盖层20。覆盖层20可以通过任何合适的工艺形成，包括例如沉积、阳极氧化、热氧化等。在一些实施例中，覆盖层20通过沉积工艺形成。沉积工艺可以是用于沉积介电层的任何合适的沉积工艺，包括例如化学汽相沉积(CVD)、低压化学汽相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、等离子体汽相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)等。
覆盖层20可以形成为覆盖半导体层18，例如，覆盖层20可以形成为覆盖半导体层18的上表面21、倾斜表面23和侧面19。在一些实施例中，覆盖层20直接接触半导体层18的上表面21、倾斜表面23和侧面19。在一些实施例中，覆盖层20完全围绕半导体层18，除了接触衬底12的半导体层18的表面之外(例如，除了半导体层18的下表面之外)。
在一些实施例中，覆盖层20可以是覆盖膜，并且可以由任何电绝缘或介电材料形成。在一些实施例中，覆盖层20包括或由氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)等形成。在一些实施例中，覆盖层20可以由与侧壁间隔件22相同的材料形成。
虽然图3A至图3E示出了形成光电探测器器件的方法，诸如图1中所示的器件10，应该容易理解，在各个实施例中，可以实施图3A至图3E中示出的方法以形成多个光电探测器器件，诸如光电探测器或像素的阵列。例如，可以通过示出的方法例如在阵列中彼此相邻制造多个光电探测器。
图4是示出根据本发明的一个或多个实施例的成像器件100的截面图。成像器件100可以是将接收到的辐射转换成电信号的任何器件，并且在一些实施例中，成像器件100可以是图像传感器，诸如CMOS图像传感器。
成像器件100包括光子晶圆102和CMOS晶圆202。光子晶圆102包括在衬底112中形成的多个光电探测器110。衬底112可以与衬底12基本相同或完全相同，并且光电探测器110可以与针对图1至图3E所示和所描述的器件10基本相同或完全相同。例如，光电探测器110中的每个可以包括在位于衬底112中的腔中形成的相应半导体层，并且半导体层可以包括可操作地增大接收光111的量子路径长度的一个或多个小平面或倾斜表面。此外，虽然图4中未明确示出，但是光电探测器110可以包括覆盖层，诸如覆盖层20，其覆盖半导体层，并且半导体层可以具有大于覆盖层的折射率的折射率。
光子晶圆102的光电探测器110可以形成为光电探测器的像素阵列。例如，光电探测器110可以布置为具有光电探测器110的行和列的阵列。成像器件100可以是背照式器件，其在光子晶圆102的背侧处接收辐射，如图所示。
在一些实施例中，在光子晶圆102的衬底112的背侧上形成介电层134。可以在介电层134上形成光学透镜136，并且光学透镜136配置为将接收到的光111聚焦至相应的光电探测器110。在一些实施例中，光学透镜136是微透镜，微透镜中的每个的宽度类似于(并且在一些实施例中，略大于)光电探测器110的宽度。
在光电探测器110的背侧上形成互连结构138，并且形成光子晶圆102的背侧。互连结构138包括层间介电(ILD)层140和多个金属层142，其可以形成各个布线层、通孔或用于传输从光电探测器110接收的电荷的任何导电路径。ILD层140可以是例如二氧化硅、氮化硅、低κ电介质(例如，氟硅酸盐玻璃(FSG))、一些其他电介质或前述的组合。低κ电介质是介电常数κ小于约3.9、3.0、2.0或1.0的电介质。
金属层142不同地布置在ILD层140内，例如，具有金属线和将金属线电耦接在一起的通孔。金属层142可以由导电材料形成，诸如例如，铝铜、铜、铝、钨、一些其他导电材料或前述的组合。金属层142将光电探测器110电耦接至位于光子晶圆102的前侧处的接合焊盘144。因此，金属层142可以将从光电探测器110接收的电信号传输至接合焊盘144。接合焊盘144可以由任何导电材料形成，并且在一些实施例中，接合焊盘144由铝铜、铝锗、铜锡、一些其他导电材料或前述的组合形成。
CMOS晶圆202包括衬底212和在衬底212中或上形成的电路250。衬底212可以是任何合适的半导体衬底。在各个实施例中，衬底212可以由晶体半导体材料形成，例如，单晶硅、多晶硅或一些其他类型的晶体半导体材料。在一些实施例中，衬底212是硅衬底；然而，本文提供的实施例不限于此。例如，在各个实施例中，衬底212可以包括砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或任何其他半导体材料。在一些实施例中，衬底212可以与光子晶圆102的衬底112基本相同。
电路250配置为响应于接收光111而接收和处理由光电探测器110生成的电信号。电路240可以包括例如配置为响应于入射光111读取或存储由光电探测器110生成的数据的逻辑或存储器器件。在一些实施例中，电路240可以包括对应于光电探测器110的像素晶体管，以促进光电探测器110的读出。
CMOS晶圆202包括位于衬底212上的互连结构238。互连结构238可以基本类似于光子晶圆102的互连结构138。例如，互连结构可以包括ILD层240和多个金属层242，其可以形成用于将从光电探测器110接收的电荷传输至电路250的各个布线层、通孔或任何导电路径。ILD层240可以是例如二氧化硅、氮化硅、低κ电介质(例如，氟硅酸盐玻璃(FSG))、一些其他电介质或前述的组合。
金属层242不同地布置在ILD层240内，例如，具有金属线和将金属线电耦接在一起的通孔。金属层242可以由导电材料形成，诸如例如，铝铜、铜、铝、钨、一些其他导电材料或前述的组合。金属层242将位于CMOS晶圆202的背侧处的接合焊盘244电耦接至电路250。
光子晶圆102通过任何合适的接合技术物理接合至CMOS晶圆202，包括通过使用一种或多种接合材料、粘合剂等。一旦接合在一起，则光子晶圆102的接合焊盘144与CMOS晶圆202的对应接合焊盘244对准并且电耦接至CMOS晶圆202的对应接合焊盘244。因此，CMOS晶圆202的金属层242可操作地将来自接合焊盘244的电信号(由接合焊盘244从光电探测器110接收)传输至电路250。接合焊盘244可以由任何导电材料形成，并且在一些实施例中，接合焊盘244由铝铜、铝锗、铜锡、一些其他导电材料或前述的组合形成。
图5A是根据本发明的一个或多个实施例的示出器件10的截面图，并且图5B是示出器件10的半导体层的透视图。图5A和图5B中所示的器件10与本文先前相对于图1所示和所描述的器件10相同。为了简洁起见，本文将不再参照图5A和图5B描述先前描述的器件10的部件。
如图5A中所示，半导体层18内的入射辐射30的光学路径长度(或量子效应长度)包括第一段31、第二段32和第三段33。入射辐射30沿量子效应长度的第一段31传播，直至其遇到第一倾斜表面23(例如，如图5A中右手侧所示)，其中辐射30在第一倾斜表面23和覆盖层20之间的界面处被全内反射。然后，全内反射的辐射沿量子效应长度的第二段32传播，直至其遇到第二倾斜表面23(例如，如图5A中左手侧所示)，其中，其可能再次被全内反射，在该点处，辐射30沿量子效应长度的第三段33传播，并且可以穿过衬底12射出。因此，与其中辐射没有被全内反射的结构相比，半导体层18内的辐射30的全内反射延长了量子效应的长度。如图5A中所示，入射辐射30可以在半导体层18内的两个界面处被全内反射，例如，在每个倾斜表面23和覆盖层20之间的界面处。
图6A是根据本发明的一个或多个实施例的示出器件310的截面图，并且图6B是示出器件310的半导体层的透视图。图6A和图6B中所示的器件310在很多方面与本文先前相对于图1所示和所描述的器件10基本类似。器件310的描述将集中于与本文先前描述的器件10的差异。如图6A和图6B中所示，器件310的半导体层18除了位于侧面319和上表面321之间延伸的半导体层18的上侧处的倾斜表面323之外，还包括位于半导体层18的下侧处的倾斜表面325。
倾斜表面323和上表面321分别与本文先前所示和所描述的器件10的倾斜表面23和上表面21基本相同或完全相同。
器件310的倾斜表面325在半导体层18的下表面315和侧面319之间延伸。倾斜表面323可以与倾斜表面325基本对称(例如，沿水平轴)。在一些实施例中，倾斜表面325具有倾斜角θ，其可以是适合于促进在倾斜表面323和覆盖层20的界面处的辐射的全内反射的任何角度。在一些实施例中，倾斜表面325的倾斜角θ与倾斜表面323的倾斜角基本相同。在一些实施例中，倾斜角θ在0°和90°之间。在一些实施例中，倾斜角θ在30°和60°之间，并且在一些实施例中，倾斜角θ在40°和50°之间。
在一些实施例中，在其中形成半导体层18的衬底12中的腔314可以具有基本对应于半导体层18的下部的形状的形状。例如，衬底12可以在腔314中具有基本对应于半导体层18的倾斜表面325的倾斜表面345。
器件310可以进一步包括在衬底12的侧壁和腔314内的半导体层18的侧壁之间延伸的侧壁间隔件322，并且侧壁间隔件322可以与本文先前关于器件10描述的侧壁间隔件22基本相同，并且可以由任何介电材料形成。侧壁间隔件322从腔340中的衬底12的侧壁和倾斜表面345延伸至半导体层18的对应的相对表面。
在一些实施例中，器件310可以包括从衬底12的背面17延伸至在其中形成半导体层18的腔314中的开口340。开口340允许入射辐射30直接穿过开口340，使得辐射30中的至少一些不穿过衬底12。开口340可以是可选的，并且在一些实施例中，可以省略开口340。
如图6A中所示，半导体层18内的入射辐射30的光学路径长度(或量子效应长度)包括第一段331、第二段332、第三段333和第四段334。入射辐射30可以在半导体层18的第一下倾斜表面325处(例如，如图6A中右手侧所示)接收，并且沿量子效应长度的第一段331传播，直至其遇到第一上倾斜表面323(例如，如图6A中右手侧所示)，其中辐射30在第一上倾斜表面323和覆盖层20之间的界面处被全内反射。然后，全内反射的辐射沿量子效应长度的第二段332传播，直至其遇到第二上倾斜表面323(例如，如图6A中左手侧所示)，其中其可能再次被全内反射。然后，辐射30沿量子效应长度的第三段333传播，直至其遇到半导体层18的第二下倾斜表面325(例如，如图6A中左手侧所示)，其中辐射30在第二下倾斜表面325和覆盖层20或腔314内的侧壁间隔件322之间的界面处被全内反射。然后，辐射30沿量子效应长度的第四段334传播，直至其再次遇到半导体层18的第一下倾斜表面325和覆盖层20或侧壁间隔件322之间的界面。
应该容易理解，图6A和图6B中所示的器件310可以通过图3A至图3E中示出的方法进行一个或多个修改形成。例如，腔314可以通过与关于图3B描述和示出的基本相同的工艺形成；然而，腔314可以形成为具有倾斜表面345。此外，在一些实施例中，可以去除(例如，通过蚀刻或任何合适的技术)衬底12的部分以形成开口340。侧壁间隔件322可以通过热氧化形成，如关于图3C所描述；然而，可以在腔314中的侧壁以及倾斜表面345上形成器件310的侧壁间隔件322。半导体层18可以从衬底12的暴露的下表面315外延生长，如关于图3D所描述。
图7A是根据本发明的一个或多个实施例的示出器件410的截面图，并且图7B是示出器件410的半导体层的透视图。图7A和图7B中所示的器件410在很多方面与本文先前相对于图1所示和所描述的器件10基本类似。器件410的描述将集中于与本文先前描述的器件10的差异。如图7A和图7B中所示，器件410的半导体层18包括沿半导体层18的侧部分(例如，如图7B中所示的左手侧部分)从半导体层18的下侧延伸至上侧的倾斜侧面427。器件410的半导体层18沿与倾斜侧面427相对的侧部分(例如，如图7B中所示的右手侧部分)在半导体层18的上侧处还包括倾斜表面423。
半导体层18的倾斜表面423可以与本文先前所示和所描述的图1的器件10的倾斜表面23和/或图6A和图6B的器件310的倾斜表面323基本相同或完全相同。
器件410的倾斜侧面427可以彼此基本对称，并且可以形成为具有适合于促进在倾斜侧面427和覆盖层20、腔414中的覆盖层20的部分或腔414中的侧壁间隔件422的界面处的辐射的全内反射的任何角度。
如图7B中所示，半导体层18内的入射辐射30的光学路径长度(或量子效应长度)包括第一段431、第二段432、第三段433、第四段434和第五段435。入射辐射30可以在半导体层18的下表面处被接收，并且沿量子效应长度的第一段431传播，直至其遇到位于半导体层18的上侧处的倾斜表面423，其中辐射30在倾斜表面423和覆盖层20之间的界面处被全内反射。然后，全内反射的辐射沿量子效应长度的第二段432传播，直至其遇到第一倾斜侧面427(例如，如图7B中左手侧的前面处所示)，其中其可以在第一倾斜侧面427和覆盖层20或侧壁间隔件422的界面处被全内反射。然后，辐射30沿量子效应长度的第三段433传播，直至其遇到第二倾斜侧面427(例如，如图7B中左手侧的背面处所示)，其中其可以在第二倾斜侧面427和覆盖层20或侧壁间隔件422的界面处被全内反射。然后，辐射30可以沿量子效应长度的第四段434传播，直至其遇到第三倾斜侧面427(例如，如图7B中右手侧的背面处所示)，其中其可以朝着半导体层18的前侧全内反射。
应该容易理解，图7A和图7B中所示的器件410可以通过图3A至图3E中示出的方法进行一个或多个修改形成。例如，腔414可以通过与关于图3B描述和示出的基本相同的工艺形成，并且可以具有矩形形状，或者可以形成为具有与半导体层18的侧面对应的形状，例如，具有与半导体层18的倾斜侧面427对应的位于腔414中的倾斜侧面。侧壁间隔件422可以通过热氧化形成，如关于图3C所描述的。半导体层18可以从衬底12的暴露的下表面外延生长，如关于图3D所描述的。在一些实施例中，半导体层18可以在腔414中外延生长，并且可以实施后生长处理(例如，光刻、蚀刻、膜沉积等)以实现半导体层18的期望形状。
图8A是根据本发明的一个或多个实施例的示出器件510的截面图，并且图8B是示出器件510的半导体层的透视图。图8A和图8B中所示的器件510在许多方面与本文先前相对于图1所示和所描述的器件10在很多方面基本类似。器件510的描述将集中于与本文先前描述的器件10的差异。如图8A和图8B中所示，器件510的半导体层18包括位于腔514的基底处的衬底12上的下表面515。下倾斜表面525从半导体层18的下表面515向外和向上延伸，并且上倾斜表面523从下倾斜表面525向上和向内延伸。
器件510的下倾斜表面525和上倾斜表面523可以彼此基本对称，并且可以形成为具有适合于促进在下倾斜表面525和上倾斜表面523以及覆盖层20、位于腔514中的覆盖层20的部分或位于腔514中的侧壁间隔件522之间的各个界面处辐射的全内反射的任何角度。
如图8A中所示，半导体层18内的入射辐射30的光学路径长度(或量子效应长度)包括第一段531、第二段532、第三段533、第四段534和第五段535。入射辐射30可以在半导体层18的下表面515处被接收，并且沿量子效应长度的第一段531传播，直至其遇到位于半导体层18的上侧处的第一上倾斜表面523(例如，如图8A中右上侧所示)，其中辐射30在第一上倾斜表面523和覆盖层20之间的界面处被全内反射。然后，全内反射的辐射沿量子效应长度的第二段532传播，直至其遇到第二上倾斜表面523(例如，如图8A中左上侧所示)，其中其可以在第二上倾斜表面523和覆盖层20的界面处被全内反射。然后，辐射30沿量子效应长度的第三段533传播，直至其遇到第一下倾斜表面525(例如，如图8A中左下侧所示)，其中其可以在第一下倾斜表面525和覆盖层20或侧壁间隔件522的界面处被全内反射。然后，辐射30可以沿量子效应长度的第四段534传播，直至其遇到第二下倾斜表面525(例如，如图8A中右下侧所示)，其中其可以被全内反射，并且沿第五段535朝着半导体层18的第一倾斜表面523传播，其中其可以再次被全内反射。辐射30可以继续在半导体层18和覆盖层20或侧壁间隔件522的各个界面处被全内反射。
应该容易理解，图8A和图8B中所示的器件510可以通过图3A至图3E中示出的方法进行一个或多个修改形成。例如，腔514可以通过与关于图3B所描述和示出的基本相同的工艺形成；然而，腔514可以形成为具有对应于半导体层18的下倾斜表面525的倾斜表面。侧壁间隔件522可以通过热氧化形成，如关于图3C所描述的。半导体层18可以从衬底12的暴露的下表面515外延生长，如关于图3D所描述的。在一些实施例中，半导体层18可以在腔514中外延生长，并且可以实施后生长处理(例如，光刻、蚀刻、膜沉积等)以实现半导体层18的期望形状。
图9A是根据本发明的一个或多个实施例的示出器件610的截面图，并且图9B是示出器件610的半导体层的透视图。图9A和图9B中所示的器件610在许多方面与本文先前相对于图1所示和所描述的器件10基本类似。器件610的描述将集中于与本文先前描述的器件10的差异。如图9A和图9B中所示，器件610的半导体层18可以具有基本倒U形形状，该倒U形形状具有位于腔614的基底处的衬底12上的下表面615。半导体层18的部分在半导体层18的下部区域处通过介电材料650的段彼此分隔或间隔开，其在一些实施例中可以由与覆盖层20或侧壁间隔件622相同的材料形成。
半导体层18具有邻接或接触侧壁间隔件622的外侧面619和邻接或接触介电材料650的段的内侧面627。器件610的半导体层18还包括位于在外侧面619和上表面621之间延伸的半导体层18的上侧处的倾斜表面623。
倾斜表面623和上表面621可以分别与本文先前所示和所描述的器件10的倾斜表面23和上表面21基本相同或完全相同。
如图9A中所示，半导体层18内的入射辐射30的光学路径长度(或量子效应长度)可以包括多个段，并且入射辐射30可以在半导体层18和覆盖层20、侧壁间隔件622或介电材料650中的一个或多个之间的多个界面处被全内反射。
应该容易理解，图9A和图9B中所示的器件610可以通过图3A至图3E中示出的方法进行一个或多个修改形成。例如，腔614可以通过与关于图3B所描述和示出的基本相同的工艺形成。侧壁间隔件622可以通过热氧化形成，如关于图3C所描述的，介电材料650的段可以通过任何合适的技术形成，包括例如通过热氧化等。在一些实施例中，介电材料650的段可以通过在腔614(其可以以与形成侧壁间隔件622相同的工艺实施)中形成介电层(例如，通过沉积、氧化或任何合适的技术)形成，可以选择性地去除(例如，通过蚀刻)介电层的部分，以形成介电材料650的段。半导体层18可以从衬底12的暴露的下表面615外延生长，如关于图3D所描述的。
图10A是根据本发明的一个或多个实施例的示出器件710的截面图，并且图10B是示出器件710的半导体层的透视图。图10A和图10B中所示的器件710与关于图9A和图9B所示和所描述的器件610基本相同，除了下面指出的差异之外。特别地，图10A和图10B的器件710与图9A和图9B的器件610之间的差异在于器件710不包括倾斜表面623。而且，器件710的半导体层18具有在外侧面719之间延伸的上表面721。
如图10A中所示，半导体层18内的入射辐射30的光学路径长度(或量子效应长度)可以包括多个段，并且入射辐射30可以在半导体层18和覆盖层20、侧壁间隔件722或介电材料750的段中的一个或多个之间的多个界面处被全内反射。
器件710可以以与关于形成器件610所描述的基本类似的方式形成；然而，在器件710的上部处没有形成倾斜表面。反而，器件710的上表面721可以例如通过半导体层的外延生长形成，或者可以实施后生长处理(例如，光刻、蚀刻、CMP等)以实现半导体层18的期望形状。例如，在一些实施例中，器件710可以通过平坦化(例如，通过CMP)器件610的半导体层18的上表面以去除倾斜表面来形成。
在各个实施例中，本发明提供了光子器件、结构和方法，其中接收入射辐射并且将所接收的辐射转换成电信号的半导体层具有高量子效率。量子效率可以通过增大通过半导体材料接收的辐射的量子效应长度实现，其在一些实施例中可以通过半导体材料内的辐射的全内反射来促进。通过增大通过全内反射接收的辐射的量子效应长度，与其中辐射没有被全内反射的结构相比，可以显著减小半导体层的高度以及其他尺寸。
根据一个实施例，光子器件包括具有第一表面的衬底。腔从第一表面至第二表面延伸至衬底中。半导体层设置在衬底的腔中的第二表面上，并且覆盖层设置在半导体层上。半导体层配置为接收穿过衬底的入射辐射，并且在半导体层和覆盖层之间的界面处全内反射该辐射。
根据另一实施例，提供了包括在衬底中形成腔的方法。腔形成为从第一表面至第二表面延伸至衬底中。在位于腔中的衬底的侧壁上形成侧壁间隔件。在位于衬底的腔中的第二表面上形成半导体层，半导体层邻接位于腔中的侧壁间隔件。
根据又一实施例，成像器件包括具有第一表面的第一衬底。多个腔从第一表面延伸至第一衬底中。在第一表面的多个腔中形成光电探测器的阵列。光电探测器中的每个包括：位于衬底的腔中的第二表面上的半导体层和位于半导体层上的覆盖层。半导体层配置为接收穿过第一衬底的入射辐射并且在半导体层和覆盖层之间的界面处全内反射该辐射。成像器件还包括电子电路，电耦接至光电探测器的阵列，并且配置为响应于接收入射辐射而接收和处理由光电探测器的阵列生成的电信号。
在一些实施例中，光子器件包括：衬底，具有第一表面和从所述第一表面至第二表面延伸至所述衬底中的腔；半导体层，位于所述衬底的所述腔中的所述第二表面上；以及覆盖层，位于所述半导体层上，其中，所述半导体层配置为接收穿过所述衬底的入射辐射，并且在所述半导体层和所述覆盖层之间的界面处全内反射所述辐射。在一些实施例中，所述半导体层具有第一折射率，并且所述覆盖层具有小于所述第一折射率的第二折射率。在一些实施例中，所述第一折射率在从2至6的范围内，并且所述第二折射率在从0至2的范围内。在一些实施例中，所述半导体层包括锗、硅锗或任何III-V族半导体材料中的至少一种。在一些实施例中，所述覆盖层包括氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)或氮化硅(SiN)中的至少一种。在一些实施例中，光子器件还包括：侧壁间隔件，位于所述腔的侧面和所述半导体层的侧面之间。在一些实施例中，所述侧壁间隔件由与所述覆盖层相同的材料形成。在一些实施例中，光子器件还包括：介电层，位于所述衬底的所述第一表面和所述覆盖层之间。在一些实施例中，所述半导体层具有相对于所述衬底的所述第二表面具有在30°和60°之间的倾斜角的至少一个倾斜表面。在一些实施例中，所述腔在所述衬底的所述第二表面和所述第一表面之间具有小于700μm的深度，并且所述半导体层从所述衬底的所述第二表面具有小于750μm的高度。在一些实施例中，光子器件还包括：介电材料，位于所述衬底的所述腔中的所述第二表面上，所述半导体层的部分在所述腔中通过所述介电材料彼此横向间隔开。
在一些实施例中，形成光子器件的方法包括：在衬底中形成腔，所述腔从第一表面至第二表面延伸至所述衬底中；在所述腔中的所述衬底的侧壁上形成侧壁间隔件；以及在所述衬底的所述腔中的所述第二表面上形成半导体层，所述半导体层邻接所述腔中的所述侧壁间隔件。在一些实施例中，该方法还包括：在所述半导体层、所述衬底的所述第一表面和所述侧壁间隔件上形成覆盖层。在一些实施例中，形成所述覆盖层包括：由与所述侧壁间隔件相同的材料形成所述覆盖层。在一些实施例中，形成所述覆盖层包括：由具有小于所述半导体层的折射率的折射率的材料形成所述覆盖层。在一些实施例中，该方法还包括：在所述衬底的所述第一表面上形成介电层，其中，形成所述腔包括蚀刻穿过所述介电层并且蚀刻至所述衬底中，并且其中，形成所述覆盖层包括在所述介电层上形成所述覆盖层。在一些实施例中，形成所述半导体层包括：形成所述半导体层以具有至少一个倾斜表面，所述至少一个倾斜表面在所述半导体层的侧面和上表面之间延伸。
在一些实施例中，成像器件包括：第一衬底，具有第一表面和从所述第一表面延伸至所述第一衬底中的多个腔；光电探测器的阵列，形成在所述第一衬底的多个腔中，所述光电探测器中的每个包括：半导体层，位于所述衬底的所述腔中的所述第二表面上；以及覆盖层，位于所述半导体层上，其中，所述半导体层配置为接收穿过所述第一衬底的入射辐射并且在所述半导体层和所述覆盖层之间的界面处全内反射所述辐射；以及电子电路，电耦接至所述光电探测器的阵列，并且配置为响应于接收所述入射辐射而接收和处理由所述光电探测器的阵列生成的电信号。在一些实施例中，成像器件还包括：第二衬底，所述电路至少部分地形成在所述第二衬底中；以及互连结构，电和物理耦接在所述第一衬底和所述第二衬底之间，所述电路通过所述互连结构电耦接至所述光电探测器的阵列。在一些实施例中，成像器件还包括：多个光学透镜，位于所述衬底的与所述第一表面相对的表面上，所述光学透镜中的每个配置为将所述入射辐射聚焦至所述光电探测器中的相应的一个光电探测器。
上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解，它们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中它们可以做出多种变化、替换以及改变。
可以将以上描述各个实施例结合以提供进一步实施例。可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而应解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。

Claims (20)

1.一种光子器件，包括：
衬底，具有第一表面和从所述第一表面至第二表面延伸至所述衬底中的腔；
半导体层，位于所述衬底的所述腔中的所述第二表面上；
覆盖层，位于所述半导体层上；以及
侧壁间隔件，位于所述腔的侧面和所述半导体层的侧面之间，
其中，所述半导体层配置为接收穿过所述衬底的入射辐射，并且在所述半导体层和所述覆盖层之间的界面处全内反射所述辐射。
2.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述半导体层具有第一折射率，并且所述覆盖层具有小于所述第一折射率的第二折射率。
3.根据权利要求2所述的光子器件，其中，所述第一折射率在从2至6的范围内，并且所述第二折射率在从0至2的范围内。
4.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述半导体层包括锗、硅锗或任何III-V族半导体材料中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的光子器件，其中，所述覆盖层包括氧化硅(SiOx)、氮氧化硅(SiON)或氮化硅(SiN)中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述衬底是半导体衬底。
7.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述侧壁间隔件由与所述覆盖层相同的材料形成。
8.根据权利要求1所述的光子器件，还包括：介电层，位于所述衬底的所述第一表面和所述覆盖层之间。
9.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述半导体层具有相对于所述衬底的所述第二表面具有在30°和60°之间的倾斜角的至少一个倾斜表面。
10.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述腔在所述衬底的所述第二表面和所述第一表面之间具有小于700μm的深度，并且所述半导体层从所述衬底的所述第二表面具有小于750μm的高度。
11.根据权利要求1所述的光子器件，还包括：介电材料，位于所述衬底的所述腔中的所述第二表面上，所述半导体层的部分在所述腔中通过所述介电材料彼此横向间隔开。
12.一种形成光子器件的方法，包括：
在衬底中形成腔，所述腔从第一表面至第二表面延伸至所述衬底中；
在所述腔中的所述衬底的侧壁上形成侧壁间隔件；以及
在所述衬底的所述腔中的所述第二表面上形成半导体层，所述半导体层邻接所述腔中的所述侧壁间隔件，
其中，所述侧壁间隔件位于所述腔的侧面和所述半导体层的侧面之间。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在所述半导体层、所述衬底的所述第一表面和所述侧壁间隔件上形成覆盖层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述覆盖层包括：由与所述侧壁间隔件相同的材料形成所述覆盖层。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述覆盖层包括：由具有小于所述半导体层的折射率的折射率的材料形成所述覆盖层。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括：在所述衬底的所述第一表面上形成介电层，其中，形成所述腔包括蚀刻穿过所述介电层并且蚀刻至所述衬底中，并且其中，形成所述覆盖层包括在所述介电层上形成所述覆盖层。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，形成所述半导体层包括：形成所述半导体层以具有至少一个倾斜表面，所述至少一个倾斜表面在所述半导体层的侧面和上表面之间延伸。
18.一种成像器件，包括：
第一衬底，具有第一表面和从所述第一表面延伸至所述第一衬底中的多个腔；
光电探测器的阵列，形成在所述第一衬底的多个腔中，所述光电探测器中的每个包括：
半导体层，位于所述衬底的所述腔中的第二表面上；以及
覆盖层，位于所述半导体层上，所述覆盖层包括位于所述半导体层的外部侧壁上的壁结构，其中，所述壁结构将所述腔的内部表面与所述光电探测器的外部侧壁分隔开，其中，所述半导体层配置为接收穿过所述第一衬底的入射辐射并且在所述半导体层和所述覆盖层之间的界面处全内反射所述辐射；以及
电子电路，电耦接至所述光电探测器的阵列，并且配置为响应于接收所述入射辐射而接收和处理由所述光电探测器的阵列生成的电信号。
19.根据权利要求18所述的成像器件，还包括：
第二衬底，所述电路至少部分地形成在所述第二衬底中；以及
互连结构，电和物理耦接在所述第一衬底和所述第二衬底之间，所述电路通过所述互连结构电耦接至所述光电探测器的阵列。
20.根据权利要求18所述的成像器件，还包括：
多个光学透镜，位于所述衬底的与所述第一表面相对的表面上，所述光学透镜中的每个配置为将所述入射辐射聚焦至所述光电探测器中的相应的一个光电探测器。
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