DE102014107622A1

DE102014107622A1 - Photodetektorvorrichtung mit Licht sammelnder optischer Mikrostruktur

Info

Publication number: DE102014107622A1
Application number: DE102014107622.2A
Authority: DE
Inventors: Tak Kui Wang; David G. McIntyre; Ramana M.V. Murty; Ye Chen
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-12-18
Also published as: US20140367816A1

Abstract

Eine opto-elektronische Vorrichtung beinhaltet eine Halbleitervorrichtung und einen nicht-bildgebenden optischen Konzentrator auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung weist ein Substrat und einen auf einer Oberfläche des Substrats gebildeten Photodetektor auf. Der nicht-bildgebende optische Konzentrator weist eine periphere Oberfläche auf, die sich um einen zentralen Bereich des aktiven Bereichs des Photodetektors erstreckt. Der nicht-bildgebende optische Konzentrator leitet mindestens einen Teil an eintretendem Licht in den aktiven Bereich um.

Description

Hintergrund
Optische Datenkommunikationssysteme beinhalten im Allgemeinen optische Aufnahme- bzw. Empfangsvorrichtungen (optische Receivervorrichtungen), die optische Signale, die über eine optische Kommunikationsverbindung (z. B. eine optische Faser) übertragen werden, aufnehmen bzw. empfangen und die optischen Signale in elektrische Signale umwandeln. In dieser Weise können die Daten oder die Informationen, die in den optischen Signalen enthalten sind, wiedergewonnen oder empfangen werden und anderen elektronischen Systemen, wie zum Beispiel Schaltsystemen oder Verarbeitungssystemen, zur Verfügung gestellt werden. Solche optischen Aufnahmevorrichtungen beinhalten Photodetektoren, wie zum Beispiel Photodioden. Ein gebräuchliche Art einer Photodiode, die in optischen Aufnahmevorrichtungen verwendet wird, ist als eine PIN-Photodiode bekannt auf Grund ihrer Struktur, die eine intrinsische oder leicht dotierte Halbleiterschicht umfasst, die zwischen einer Halbleiterschicht vom P-Typ und einer Halbleiterschicht vom N-Typ gelegen ist. Die Physik einer PIN-Diode gibt vor, dass die Größe des aktiven Bereichs (d. h. der photosensitive Bereich) umgekehrt proportional zu der maximalen Datenrate, welche die Vorrichtung detektieren kann, ist. Somit muss eine PIN-Photodiode, die für hohe Datenraten geeignet ist, einen kleinen aktiven Bereich aufweisen. Jedoch bildet das Licht, das durch eine optische Faser emittiert wird, einen Strahl, der relativ breit, verglichen mit der Breite einer Hochgeschwindigkeits PIN-Photodiode, ist. Ein Fokussieren oder anderweitiges Ausrichten des eintretenden Lichts (optische Signale) auf eine sehr kleine PIN-Photodiode stellt Herausforderungen an das Design dar.
Ein optischer Receiver kann eine Linse zwischen einer PIN-Photodiodenvorrichtung und einem Ende einer optischen Faser beinhalten, um Licht, das von der Faser auf die PIN-Photodiode emittiert wurde, zu fokussieren. Jedoch kann das Einfügen solch einer Linse in einen optischen Receiver die Einfachheit des Zusammenbaus und somit die Wirtschaftlichkeit der Herstellung beeinträchtigen. Es wurde auch vorgeschlagen, einen Bereich des Halbleitersubstrats, aus dem die PIN-Photodiode gebildet ist, als einen Reflektor zu gestalten, der Licht in den aktiven Bereich einer PIN-Photodiode aus einer lateralen Richtung, d. h. parallel zu der Ebene des Substrats, umleitet. Jedoch ist solch eine Struktur schwierig herzustellen und beeinträchtigt somit die Wirtschaftlichkeit der Herstellung. Darüber hinaus ist solch eine Struktur im Allgemeinen nicht in der Lage, den Licht sammelnden Bereich der PIN-Photodiodenvorrichtung um mehr als einige wenige Mikrometer zu vergrößern.
Es wäre wünschenswert, eine Photodetektorvorrichtung bereitzustellen, die einen großen Sammelbereich, relativ zu der Größe des aktiven Bereichs, aufweist und die ohne weiteres hergestellt werden kann.
Zusammenfassung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine opto-elektronische Vorrichtung und das Verfahren, durch die sie betrieben wird, um eintretendes Licht auf einen Photodetektor zu konzentrieren. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die opto-elektronische Vorrichtung eine Halbleitervorrichtung und einen nicht-bildgebenden optischen Konzentrator auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung weist ein Substrat und einen auf einer Oberfläche des Substrats gebildeten Photodetektor auf. Der nicht-bildgebende optische Konzentrator weist eine periphere Oberfläche auf, die sich um einen zentralen Bereich des aktiven Bereichs des Photodetektors erstreckt. Der nicht-bildgebende optische Konzentrator leitet mindestens einen Teil an eintretendem Licht in den aktiven Bereich um.
Weitere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile sind oder werden einem Fachmann auf dem Gebiet aus den folgenden Figuren und der detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es ist beabsichtigt, dass alle solch zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile in der Beschreibung eingeschlossen sind, innerhalb des Umfangs der Spezifikation sind und durch die beigefügten Ansprüche geschützt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung kann unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verstanden werden. Die Bestandteile bzw. Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung klar und deutlich zu veranschaulichen.
1 ist eine Draufsicht von einer opto-elektronischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1.
3 ist eine Draufsicht von einer weiteren opto-elektronischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 von 3.
5 ist eine Draufsicht von noch einer weiteren opto-elektronischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 von 5.
7 ist eine Draufsicht von noch einer weiteren opto-elektronischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 8-8 von 7.
9 ist eine Draufsicht, die einen ersten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 von 9.
11 ist eine Draufsicht, die einen zweiten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
12 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 12-12 von 11.
13 ist eine Draufsicht, die einen dritten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
14 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 14-14 von 13.
15 ist eine Draufsicht, die einen vierten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
16 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 16-16 von 15.
17 ist eine Draufsicht, die einen fünften Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
18 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 18-18 von 17.
19 ist eine Draufsicht, die einen sechsten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften optoelektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
20 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 20-20 von 19.
21 ist eine Draufsicht, die einen siebten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften optoelektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
22 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 22-22 von 21.
23 ist eine Draufsicht, die einen achten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
24 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 24-24 von 23.
25 ist eine Draufsicht, die einen neunten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
26 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 26-26 von 25.
27 ist eine Schnittansicht, die einen zehnten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
28 ist eine Schnittansicht, die einen elften Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
29 ist eine Schnittansicht, die einen zwölften Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 1–2 veranschaulicht.
30 ist eine Draufsicht, die einen ersten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
31 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 31-31 von 30.
32 ist eine Draufsicht, die einen zweiten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
33 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 33-33 von 32.
34 ist eine Draufsicht, die einen dritten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
35 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 35-35 von 34.
36 ist eine Draufsicht, die einen vierten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
37 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 37-37 von 36.
38 ist eine Draufsicht, die einen fünften Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
39 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 39-39 von 38.
40 ist eine Draufsicht, die einen sechsten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
41 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 41-41 von 40.
42 ist eine Draufsicht, die einen siebten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
43 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 43-43 von 42.
44 ist eine Draufsicht, die einen achten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
45 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 45-45 von 44.
46 ist eine Draufsicht, die einen neunten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
47 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 47-47 von 46.
48 ist eine Schnittansicht, die einen zehnten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
49 ist eine Schnittansicht, die einen elften Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 5–6 veranschaulicht.
50 ist eine Schnittansicht, die einen ersten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 3–4 veranschaulicht.
51 ist eine Schnittansicht, die einen zweiten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 3–4 veranschaulicht.
52 ist eine Schnittansicht, die einen dritten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 3–4 veranschaulicht.
53 ist eine Schnittansicht, die einen vierten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 3–4 veranschaulicht.
54 ist eine Schnittansicht, die einen fünften Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 3–4 veranschaulicht.
55 ist eine Schnittansicht, die einen sechsten Schritt eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 3–4 veranschaulicht.
56 ist eine Draufsicht, die ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der beispielhaften opto-elektronischen Vorrichtung von 7–8 veranschaulicht.
57 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 57-57 von 56.
Detaillierte Beschreibung
Wie in 1–2 veranschaulicht, in einer ersten veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine opto-elektronische Vorrichtung 10 eine Halbleitervorrichtung 12 und einen nicht-bildgebenden optischen Konzentrator 14, der auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 12 montiert ist. Die Halbleitervorrichtung 12 beinhaltet ein Substrat 16 und einen Photodetektor mit einem aktiven Bereich 18, der auf der Oberfläche des Substrats 16 gebildet ist.
Der nicht-bildgebende optische Konzentrator 14 hat einen tonnenförmigen Körper 20 mit einem inneren Hohlraumbereich 22. Der Hohlraumbereich 22 weist eine kegelstumpfartige Form oder eine abgestumpfte Kegelform auf. Das bedeutet, der Hohlraumbereich 22 weist eine kreisförmige Querschnittsform auf, die sich von einem Ende zu dem anderen Ende in ihrem Durchmesser verjüngt (und somit in der Fläche verjüngt). Der Hohlraumbereich 22 hat den größten Durchmesser (d. h. ist am breitesten) an dem Ende, das am weitesten von dem aktiven Bereich 18 entfernt ist, und hat den kleinsten Durchmesser (d. h. ist am engsten) an dem Ende, das an den aktiven Bereich 18 angrenzt. Die Längsachse 24 des Hohlraumbereichs 22 ist mit der optischen Achse (zentraler Bereich) des aktiven Bereichs 18 ausgerichtet. Der Hohlraumbereich 22 definiert eine periphere Oberfläche, d. h. eine Oberfläche, die sich um den Umfang (die Peripherie) des zentralen Bereichs des aktiven Bereichs 18 erstreckt. Die Wände des Hohlraumbereichs 22 sind mit einem Metallfilm oder einer anderen Schicht eines optisch reflektierenden Materials beschichtet. Wie unten noch detaillierter beschrieben, kann der nicht-bildgebende optische Konzentrator 14 aus einem Halbleitermaterial, einem photosensitiven Material oder einem anderen geeigneten Material gemacht sein.
Im Betrieb wird Licht an dem breiten Ende des Hohlraumbereichs 22 aufgenommen bzw. empfangen. Die Wände des Hohlraumbereichs 22 (d. h. die periphere Oberfläche) leiten einen Teil dieses eintretenden bzw. einfallenden Lichts in den aktiven Bereich 18 um, indem sie das Licht reflektieren, wie an Hand der gestrichelten Linien in 2 angedeutet.
Wie in 3–4 veranschaulicht, in einer zweiten veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine opto-elektronische Vorrichtung 26 eine Halbleitervorrichtung 28 und einen nicht-bildgebenden optischen Konzentrator 30, der auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 28 montiert ist. Die Halbleitervorrichtung 28 beinhaltet ein Substrat 32 und einen Photodetektor mit einem aktiven Bereich 34, der auf der Oberfläche des Substrats 32 gebildet ist.
Der nicht-bildgebende optische Konzentrator 30 hat einen Körper 36 mit einer rechteckigen (insbesondere einer quadratischen) Form und einem inneren Hohlraumbereich 38. Der Hohlraumbereich 38 weist eine polyederstumpfartige (insbesondere eine pyramidenstumpfartige oder eine abgestumpfte vierseitige pyramidale) Form auf. Das bedeutet, der Hohlraumbereich 38 weist eine polygonale (insbesondere eine rechteckige bzw. quadratische) Querschnittsform auf, die sich von einem Ende zu dem anderen Ende in ihrer Größe verjüngt. Der Hohlraumbereich 38 hat den größten Querschnitt (d. h. jede Seite ist am längsten) an dem Ende, das am weitesten von dem aktiven Bereich 34 entfernt ist, und hat den kleinsten Querschnitt (d. h. jede Seite ist am kürzesten) an dem Ende, das an den aktiven Bereich 34 angrenzt. Die Längsachse 40 des Hohlraumbereichs 38 ist mit der optischen Achse des aktiven Bereichs 34 ausgerichtet. Der Hohlraumbereich 38 definiert eine periphere Oberfläche, d. h. eine Oberfläche, die sich um den Umfang (die Peripherie) eines zentralen Bereichs des aktiven Bereichs 34 erstreckt. Die Wände des Hohlraumbereichs 38 sind mit einem Metallfilm oder einer anderen Schicht eines optisch reflektierenden Materials beschichtet. Wie unten noch detaillierter beschrieben, kann der nicht-bildgebende optische Konzentrator 30 aus einem Halbleitermaterial, einem photosensitiven Material oder einem anderen geeigneten Material gemacht sein.
Im Betrieb wird Licht an dem breiten Ende des Hohlraumbereichs 38 aufgenommen bzw. empfangen. Die Wände des Hohlraumbereichs 38 (d. h. die periphere Oberfläche) leiten einen Teil dieses eintretenden bzw. einfallenden Lichts in den aktiven Bereich 34 um, indem sie das Licht reflektieren, wie an Hand der gestrichelten Linien in 4 angedeutet.
Wie in 5–6 veranschaulicht, in einer dritten veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine opto-elektronische Vorrichtung 42 eine Halbleitervorrichtung 44 und einen nicht-bildgebenden optischen Konzentrator 46, der auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 44 montiert ist. Die Halbleitervorrichtung 44 beinhaltet ein Substrat 48 und einen Photodetektor mit einem aktiven Bereich 50, der auf der Oberfläche des Substrats 48 gebildet ist.
Der nicht-bildgebende optische Konzentrator 46 hat einen festen Bereich 52. Der feste Bereich 52 weist eine kegelstumpfartige Form oder eine abgestumpfte Kegelform auf. Das bedeutet, der feste Bereich 52 weist eine kreisförmige Querschnittsform auf, die sich von einem Ende zu dem anderen Ende in ihrem Durchmesser verjüngt (und somit in der Fläche verjüngt). Der feste Bereich 52 hat den größten Durchmesser (d. h. ist am breitesten) an dem Ende, das am weitesten von dem aktiven Bereich 50 entfernt ist, und hat den kleinsten Durchmesser (d. h. ist am engsten) an dem Ende, das an den aktiven Bereich 50 angrenzt. Die Längsachse 54 des festen Bereichs 52 ist mit der optischen Achse des aktiven Bereichs 50 ausgerichtet. Der feste Bereich 52 definiert eine periphere Oberfläche, d. h. eine Oberfläche, die sich um den Umfang (die Peripherie) eines zentralen Bereichs des aktiven Bereichs 50 erstreckt. Die periphere Oberfläche ist reflektierend (d. h. Totalreflektion (total internal reflection, TIR tritt auf), da es die Grenzfläche zwischen den Seitenwänden des festen Bereichs 52 und der umgebenden Luft ist. Wie unten noch detaillierter beschrieben, kann der nicht-bildgebende optische Konzentrator 46 aus einem Halbleitermaterial, einem photosensitiven Material oder einem anderen geeigneten Material gemacht sein.
Im Betrieb wird Licht an dem breiten Ende des festen Bereichs 52 aufgenommen bzw. empfangen. Die periphere Oberfläche, die durch die Grenzfläche zwischen den Seitenwänden des festen Bereichs 52 und der umgebenden Luft definiert ist, leitet einen Teil dieses eintretenden bzw.
einfallenden Lichts in den aktiven Bereich 50 um, indem sie das Licht reflektiert, wie an Hand der gestrichelten Linien in 6 angedeutet.
Wie in 7–8 veranschaulicht, in einer vierten veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine opto-elektronische Vorrichtung 56 eine Halbleitervorrichtung 58 und einen nicht-bildgebenden optischen Konzentrator 60, der auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 58 montiert ist. Die Halbleitervorrichtung 58 beinhaltet ein Substrat 62 und einen Photodetektor mit einem aktiven Bereich 64, der auf der Oberfläche des Substrats 62 gebildet ist.
Der nicht-bildgebende optische Konzentrator 60 hat einen festen Bereich 66. Der feste Bereich 66 weist eine kegelstumpfartige Form oder eine abgestumpfte Kegelform auf. Das bedeutet, der feste Bereich 66 weist eine kreisförmige Querschnittsform auf, die sich von einem Ende zu dem anderen Ende in ihrem Durchmesser verjüngt (und somit in der Fläche verjüngt). Der feste Bereich 66 hat den größten Durchmesser (d. h. ist am breitesten) an dem Ende, das an den aktiven Bereich 64 angrenzt, und hat den kleinsten Durchmesser (d. h. ist am engsten) an dem Ende, das am weitesten von dem aktiven Bereich 64 entfernt ist. Die Längsachse 68 des festen Bereichs 66 ist mit der optischen Achse des aktiven Bereichs 64 ausgerichtet. Der feste Bereich 66 definiert eine periphere Oberfläche, d. h. eine Oberfläche, die sich um den Umfang (die Peripherie) eines zentralen Bereichs des aktiven Bereichs 64 erstreckt. Die periphere Oberfläche ist beugend bzw. brechend (refraktiv), da es die Grenzfläche zwischen den Seitenwänden des festen Bereichs 66 und der umgebenden Luft ist. Wie unten noch detaillierter beschrieben, kann der nicht-bildgebende optische Konzentrator 60 aus einem Halbleitermaterial, einem photosensitiven Material oder einem anderen geeigneten Material gemacht sein.
Im Betrieb wird Licht durch die Seitenwände und das schmale Ende des festen Bereichs 66 aufgenommen bzw. empfangen. Die periphere Oberfläche, die durch die Grenzfläche zwischen den Seitenwänden des festen Bereichs 66 und der umgebenden Luft definiert ist, leitet einen Teil dieses eintretenden bzw. einfallenden Lichts in den aktiven Bereich 64 um, indem sie das Licht ablenkt bzw. bricht, wie an Hand der gestrichelten Linien in 8 angedeutet.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der opto-elektronischen Vorrichtung 10 (1–2) ist in 9–29 veranschaulicht. Wie in 9–10 veranschaulicht, wird zunächst eine Maske gebildet, indem eine Schicht an einem lichtundurchlässigen bzw. opaken Material, wie zum Beispiel Chrom 70, auf die Oberfläche eines transparenten Substrats, wie zum Beispiel Glas 72, aufgebracht wird. Das Chrom 70 wird in einer ringförmigen Form gemustert. Die Chrom-auf-Glas Struktur kann in einer herkömmlichen Art und Weise gebildet werden. Wie in 11–12 veranschaulicht, wird dann eine Schicht eines positiven Photoresists 74, wie zum Beispiel ein Produkt, das als AZ9620 bekannt ist und von AZ Electronic Materials S. A. aus Luxemburg erhältlich ist, über dem Chrom 70 aufgebracht (z. B. durch Rotationsbeschichtung bzw. Spin-Coating). Wie in 13–14 veranschaulicht, wird das positive Photoresist 74 in eine Scheibenform mit einem Durchmesser, der geringer als der äußere Durchmesser von dem Chrom 70 ist und größer als der innere Durchmesser von dem Chrom 70 ist, gemustert. Wie in 15–16 veranschaulicht, wird das positive Photoresist 74 einem Aufschmelz- bzw. Reflowvorgang unterworfen, der das positive Photoresist 74 zu einer konvexen Linse 76 formt. Ein geeigneter Aufschmelz- bzw. Reflowvorgang beinhaltet zum Beispiel ein Erhitzen des Photoresists auf bis zu 160°C und ein Beibehalten dieser Temperatur für zwei Minuten. Wie in 17–18 veranschaulicht, wird eine zweite Schicht eines positiven Photoresists 78 über der konvexen Linse 76 aufgebracht und einem sanften Backen (Temperung, soft bake) unterworfen.
Wie in 19–20 veranschaulicht, wird die Anordnung (18) von hinten oder unten beleuchtet, wie durch die gestrichelten Pfeile in 20 angedeutet. Wie in 21–22 veranschaulicht, entfernt ein anschließendes Entwickeln den Teil von dem positiven Photoresist 78, der beleuchtet wurde, und lässt den tonnenförmigen Abschnitt 80 von dem positiven Photoresist 78, der durch das Chrom 70 maskiert wurde, intakt. Der vorherige Aufschmelz- bzw. Reflowvorgang stellt sicher, dass die konvexe Linse 76 nicht weg entwickelt wird. Die sich ergebende Maskenanordnung 82 wird wie unten beschrieben verwendet.
Wie in 23–24 veranschaulicht, wird die Halbleitervorrichtung 12 (die oben in Bezug auf 1–2 beschrieben wurde) bereitgestellt. Die Halbleitervorrichtung 12 kann zum Beispiel eine PIN-Photodiode oder einen anderen geeigneten Photodetektor umfassen. Wie in 25–26 veranschaulicht, wird eine Schicht eines positiven Photoresists 84 auf die Oberfläche der Halbleitervorrichtung 12 aufgebracht (z. B. durch Rotationsbeschichtung bzw. Spin-Coating), so dass der aktive Bereich 18 und die umliegenden Bereiche bedeckt sind. Die sich ergebende Anordnung 86 wird zusammen mit der oben beschriebenen Maskenanordnung 82 (22) in den folgenden Schritten verwendet.
Wie in 27 veranschaulicht, wird die Maskenanordnung 82 auf (bzw. über) die Anordnung 86 platziert und von oben beleuchtet, wie durch die gestrichelten Pfeile in 27 angedeutet. Der tonnenförmige Abschnitt 80 der Maskenanordnung 82 dient als ein Abstandshalter, um einen geeigneten Abstand sicherzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Licht durch das gesamte Glas 72 und durch die konvexe Linse 76 hindurchgeht. Die konvexe Linse 76 biegt oder bildet das Licht in einer Kegelform ab, und Brechung (Refraktion) verengt den Lichtkegel weiter, wenn das Licht in den positiven Photoresist 84 eintritt. Somit wird ein kegelförmiger Bereich innerhalb des positiven Photoresists 84 beleuchtet. Ein anschließendes Entwickeln entfernt den Teil des positiven Photoresists 84, der beleuchtet wurde, und lässt den Teil des positiven Photoresists 84, der nicht beleuchtet wurde, intakt. Der Teil bzw. Abschnitt des positiven Photoresists 84, der nicht beleuchtet wurde, definiert den Körper 20 des sich ergebenden nicht-bildgebenden optischen Konzentrators 14 (28). Ein Entfernen des Teils des positiven Photoresists 84, der beleuchtet wurde, definiert den Hohlraumbereich 22 des sich ergebenden nicht-bildgebenden optischen Konzentrators 14.
Wie in 29 veranschaulicht, wird eine Schattenmaske (shadow mask) 88 auf (bzw. über) das obere Ende des Körpers 20 platziert. Die Öffnung der Schattenmaske ist mit dem Hohlraumbereich 22 ausgerichtet. Die gesamte Anordnung, einschließlich der Halbleitervorrichtung 12 und dem nicht-bildgebenden optischen Konzentrator 14, wird relativ um eine Achse bei einem schiefen Winkel zu der Richtung einer Metallquelle in einem Metalabscheidungsvorgang rotiert, wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet. Es ist geeignet, dass die Abscheidung durch Verdampfung erfolgt, wobei das Metall in einer Sichtlinie von der Quelle auf bzw. an die Seitenwände des Hohlraumbereichs 22 abgeschieden wird. Ein optisch reflektierendes Metall, wie zum Beispiel Gold, ist geeignet. Die Schattenmaske 88 maskiert den aktiven Bereich 18, während sie es dem Metall ermöglicht, auf bzw. an die Seitenwände des Hohlraumbereichs 22 abgeschieden zu werden. Das Metall wird gleichförmig um die Seitenwände des Hohlraumbereichs 22 herum abgeschieden, da die Anordnung rotiert wird.
Auch wenn es nicht gezeigt ist, beinhandelt ein alternatives Verfahren zur Herstellung der opto-elektronischen Vorrichtung 10 das Bereitstellen einer Form bzw. Matrize mit einer Gestalt, die dem nicht-bildgebenden optischen Konzentrator 14 entspricht. Die Form bzw. Matrize wird mit einer lichthärtbaren infrarottransparenten Flüssigkeit gefüllt und auf das obere Ende der Halbleitervorrichtung 12 heruntergelassen bzw. abgesenkt. Die Form bzw. Matrize wird dann mit ultraviolettem Licht bestrahlt, um das flüssige Material zu härten, wodurch der optische Konzentrator 14 gebildet wird. Die Form bzw. Matrize wird entfernt und Metall wird auf bzw. an die Seitenwände des Hohlraumbereichs 22 abgeschieden in der oben beschriebenen Art und Weise.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der opto-elektronischen Vorrichtung 42 (5–6) ist in 30–49 veranschaulicht. Wie in 30–31 veranschaulicht, wird zunächst eine Maske gebildet, indem eine Schicht an einem lichtundurchlässigen bzw. opaken Material, wie zum Beispiel Chrom 90, auf die Oberfläche eines transparenten Substrats, wie zum Beispiel Glas 92, aufgebracht wird. Das Chrom 90 wird in einer Form, die eine kreisförmige Öffnung aufweist, gemustert. Wie in 32–33 veranschaulicht, wird dann eine Schicht eines positiven Photoresists 94 über dem Chrom 90 aufgebracht (z. B. durch Rotationsbeschichtung bzw. Spin-Coating). Wie in 34–35 veranschaulicht, wird das positive Photoresist 94 in eine Scheibenform mit einem Durchmesser, der geringer als der äußere Durchmesser von der kreisförmigen Öffnung in dem Chrom 90 ist und größer als der innere Durchmesser von der kreisförmigen Öffnung in dem Chrom 90 ist, gemustert. Wie in 36–37 veranschaulicht, wird das positive Photoresist 94 einem Aufschmelz- bzw. Reflowvorgang unterworfen, der das positive Photoresist 94 zu einer konvexen Linse 96 formt. Wie in 38–39 veranschaulicht, wird eine zweite Schicht eines positiven Photoresists 98 über der konvexen Linse 96 aufgebracht und einem sanften Backen (Temperung, soft bake) unterworfen.
Wie in 40–41 veranschaulicht, wird die Anordnung (39) von hinten oder unten beleuchtet, wie durch die gestrichelten Pfeile in 41 angedeutet. Wie in 42–43 veranschaulicht, entfernt ein anschließendes Entwickeln den Teil von dem positiven Photoresist 98, der beleuchtet wurde, und lässt einen Teil bzw. Abschnitt 100 von dem positiven Photoresist 98, der durch das Chrom 90 maskiert wurde, intakt. Der Teil bzw. Abschnitt 100 weist eine kreisförmige Öffnung auf, die der kreisförmigen Öffnung in dem Chrom 90 entspricht. Der vorherige Aufschmelz- bzw. Reflowvorgang stellt sicher, dass die konvexe Linse 96 nicht weg entwickelt wird. Die sich ergebende Maskenanordnung 102 wird wie unten beschrieben verwendet.
Wie in 44–45 veranschaulicht, wird die Halbleitervorrichtung 44 (die oben in Bezug auf 5–6 beschrieben wurde) bereitgestellt. Die Halbleitervorrichtung 44 kann zum Beispiel eine PIN-Photodiode oder einen anderen geeigneten Photodetektor umfassen. Wie in 46–47 veranschaulicht, wird eine Schicht eines negativen Photoresists 104 auf die Oberfläche der Halbleitervorrichtung 44 aufgebracht (z. B. durch Rotationsbeschichtung bzw. Spin-Coating), so dass der aktive Bereich 50 und die umliegenden Bereiche bedeckt sind. Die sich ergebende Anordnung 106 wird zusammen mit der oben beschriebenen Maskenanordnung 102 (43) in den folgenden Schritten verwendet.
Wie in 48 veranschaulicht, wird die Maskenanordnung 102 auf (bzw. über) die Anordnung 106 platziert und von oben beleuchtet, wie durch die gestrichelten Pfeile in 48 angedeutet. Der Abschnitt 100 der Maskenanordnung 102 dient als ein Abstandshalter, um einen geeigneten Abstand sicherzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Licht durch das gesamte Glas 92 und durch die konvexe Linse 96 hindurchgeht. Die konvexe Linse 96 biegt oder bildet das Licht in einer Kegelform ab, und Brechung (Refraktion) verengt den Lichtkegel weiter, wenn das Licht in den negativen Photoresist 104 eintritt. Somit wird ein kegelförmiger Bereich innerhalb des negativen Photoresists 104 beleuchtet. Ein anschließendes Entwickeln entfernt den Teil des negativen Photoresists 104, der nicht beleuchtet wurde, und lässt den Teil des negativen Photoresists 104, der beleuchtet wurde, intakt. Der Teil bzw. Abschnitt des negativen Photoresists 104, der beleuchtet wurde, definiert den festen Bereich 52 des sich ergebenden nicht-bildgebenden optischen Konzentrators 46 (49).
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der opto-elektronischen Vorrichtung 26 (3–4) ist in 50–55 veranschaulicht. Das Verfahren beinhaltet eine gut bekannte Technik namens anisotropes Ätzen. Wie in 50 veranschaulicht, wird ein Wafer eines geeigneten Halbleitermaterials, wie zum Beispiel Silicium 108, bereitgestellt. Da die kristalline Struktur wichtig bei diesem Verfahren ist, ist das Silicium 108 vorzugsweise <100> Silicium. Der Pfeil 110 zeigt die <100> Richtung, d. h. die Richtung, die senkrecht zu der <100> Kristallebene ist, an. Die <111> Richtung, die durch den Pfeil 112 angezeigt ist, ist auch wichtig bei diesem Verfahren. Es sei darauf hingewiesen, dass der Winkel zwischen den <100> und <111> Richtungen 54,7 Grad beträgt. Das Silicium 108 sollte gereinigt sein (z. B. sogenannte „RCA-Reinigung”) vor den verbleibenden Schritten.
Wie in 51 veranschaulicht, kann das Silicium 108 einer thermischen Oxidation (z. B. bei etwa 900–1100°C) unterworfen werden, um Oxidschichten 114 und 116 auf den Wafer-Oberflächen zu erzeugen. Eine Schicht eines positiven Photoresists 118 wird dann über der Oxidschicht 116 aufgebracht (z. B. durch Rotationsbeschichtung bzw. Spin-Coating). Wie in 52 veranschaulicht, wird dann eine kreisförmige Öffnung in dem positiven Photoresist 118 gebildet. Wie in 53 veranschaulicht, wird dann ein Oxid-Ätzvorgang durchgeführt, um eine kreisförmige Öffnung in der Oxidschicht 116 zu bilden, die der kreisförmigen Öffnung in dem positiven Photoresist 118 entspricht. Während des Oxidätzens sollte die hintere oder untere Seite der Struktur mit Photoresist oder Wachs (nicht gezeigt) oder durch Platzieren der Struktur auf einer Glasplatte (nicht gezeigt) geschützt werden. Das positive Photoresist 118 wird nach dem Oxidätzen entfernt. Die sich ergebende Struktur mit einer kreisförmigen Öffnung in der Oxidschicht 116 ist in 54 gezeigt.
Die Struktur (54) wird dann einem Ätzen mit Kaliumhydroxid (KOH) unterworfen. Es ist bekannt, dass <100> Silicium anisotrop ätzt, so dass die geätzten Wände in einem Winkel von 54,7 Grad von der <100> Kristallebene orientiert sind. Dies geschieht, weil KOH eine selektive Ätzrate zeigt, die ungefähr 400-mal höher in <100> Kristallrichtungen als in <111> Kristallrichtungen ist. Als ein Ergebnis von solch einem Ätzen mit KOH wird der oben beschriebene vierseitig pyramidal geformte Hohlraumbereich 38 in dem Silicium 108 gebildet.
Die Oxidschichten 114 und 116 werden dann entfernt (z. B. durch gepufferte Flusssäure). Es wird dann ein optisch reflektierendes Metall auf bzw. an den Seitenwänden des Hohlraums 38 (55) auf dem Wafer durch Sputtern oder Verdampfen abgeschieden. Die sich ergebende Struktur wird auf eine geeignete Größe geschnitten und auf der Halbleitervorrichtung 28 montiert, um die opto-elektronische Vorrichtung 26, wie sie in 3–4 gezeigt ist, zu bilden. Da das oben beschriebene Verfahren einem Fachmann gut bekannt ist, wurden Details aus Klarheitsgründen weggelassen.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der opto-elektronischen Vorrichtung 56 (7–8) ist in 56–57 veranschaulicht. Eine Form bzw. Matrize 120 wird bereitgestellt. Die Form 120 ist für ultraviolettes Licht durchlässig mit Ausnahme der oberen Oberfläche der Form 120, die für ultraviolettes Licht undurchlässig ist. Die Form 120 hat einen Form- bzw. Matrizenhohlraum 122 mit einer Gestalt, die dem nicht-bildgebenden optischen Konzentrator 60 entspricht. Der Formhohlraum 122 wird mit einer lichthärtbaren Flüssigkeit (nicht gezeigt) gefüllt und die Halbleitervorrichtung 58 wird auf die Form 120 abgelassen bzw. gesenkt, so dass die Oberfläche der Halbleitervorrichtung 58 mit der Oberfläche des Pools der Flüssigkeit in dem Formhohlraum 122 in Kontakt kommt. Alternativ dazu kann die die Form 120 auf die Halbleitervorrichtung 58 abgelassen bzw. gesenkt werden, da die Kapillarkraft es verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Formhohlraum 122 heraus fällt. Die Form 120 wird mit ultraviolettem Licht bestrahlt, um das flüssige Material innerhalb des Formhohlraums 122 zu härten, wodurch der nicht-bildgebende optische Konzentrator 60 (7–8) auf der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 58 gebildet wird. Die Form 120 wird dann entfernt.
Es sollte verstanden werden, dass auch wenn oben zum Zwecke der Klarheit die Herstellung einer einzelnen opto-elektronischen Vorrichtung beschrieben wurde, viele solcher opto-elektronischen Vorrichtungen gleichzeitig auf dem selben Wafer gebildet werden können.
Eine oder mehrere veranschaulichende Ausführungsformen der Erfindung sind oben beschrieben worden. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert ist und nicht auf die speziellen beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims

Opto-elektronische Vorrichtung, umfassend: eine Halbleitervorrichtung, die ein Substrat und einen auf einer Oberfläche des Substrats gebildeten Photodetektor aufweist, wobei der Photodetektor einen aktiven Bereich aufweist; und einen nicht-bildgebenden optischen Konzentrator auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator eine periphere Oberfläche aufweist, die sich um einen zentralen Bereich des aktiven Bereichs erstreckt, und mindestens einen Teil an eintretendem Licht in den aktiven Bereich umleitet.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die periphere Oberfläche eine sich verjüngende Querschnittsform aufweist.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die periphere Oberfläche eine kreisförmige Querschnittsform aufweist.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator einen kegelstumpfartigen Hohlraumbereich aufweist, der die periphere Oberfläche definiert, wobei der Hohlraumbereich ein breiteres Ende, das weiter von dem aktiven Bereich entfernt ist in Bezug auf eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des aktiven Bereichs, und ein engeres Ende, das an den aktiven Bereich angrenzt, aufweist, und die periphere Oberfläche Licht, das in den Hohlraumbereich an dem breiteren Ende des Hohlraumbereichs eintritt, zu dem aktiven Bereich hin reflektiert.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die periphere Oberfläche einen Metallfilm in dem Hohlraumbereich umfasst.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator einen kegelstumpfartigen festen Bereich aufweist, der die periphere Oberfläche definiert, wobei der feste Bereich ein breiteres Ende, das weiter von dem aktiven Bereich entfernt ist in Bezug auf eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des aktiven Bereichs, und ein engeres Ende, das an den aktiven Bereich angrenzt, aufweist, und die periphere Oberfläche Licht, das in den festen Bereich an einem breiteren Ende des festen Bereichs eintritt, zu dem aktiven Bereich hin reflektiert.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator einen kegelstumpfartigen festen Bereich aufweist, der die periphere Oberfläche definiert, wobei der feste Bereich ein engeres Ende, das weiter von dem aktiven Bereich entfernt ist in Bezug auf eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des aktiven Bereichs, und ein weiteres Ende, das an den aktiven Bereich angrenzt, aufweist, und die periphere Oberfläche Licht, das in den festen Bereich durch die periphere Oberfläche eintritt, zu dem aktiven Bereich hin ablenkt.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die periphere Oberfläche eine polygonale Querschnittsform aufweist.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator einen polyederstumpfartigen Hohlraumbereich aufweist, der die periphere Oberfläche definiert, wobei der Hohlraumbereich ein breiteres Ende, das weiter von dem aktiven Bereich entfernt ist in Bezug auf eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des aktiven Bereichs, und ein engeres Ende, das an den aktiven Bereich angrenzt, aufweist, und die periphere Oberfläche Licht, das in den Hohlraumbereich an einem breiteren Ende des Hohlraumbereichs eintritt, zu dem aktiven Bereich hin reflektiert.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die periphere Oberfläche einen Metallfilm in dem Hohlraumbereich umfasst.
Opto-elektronische Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die periphere Oberfläche eine rechteckige Querschnittsform aufweist.
Verfahren zum Betrieb in einer opto-elektronischen Vorrichtung, wobei die opto-elektronische Vorrichtung eine Halbleitervorrichtung und einen nicht-bildgebenden optischen Konzentrator auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung umfasst, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator eine periphere Oberfläche aufweist, die sich um einen zentralen Bereich des aktiven Bereichs erstreckt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: der nicht-bildgebende optische Konzentrator nimmt eintretendes Licht auf, und die periphere Oberfläche des nicht-bildgebenden optischen Konzentrators leitet mindestens einen Teil des eintretenden Lichts in einen aktiven Bereich eines Photodetektors, der auf einer Oberfläche eines Substrats der Halbleitervorrichtung gebildet ist, um.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die periphere Oberfläche eine sich verjüngende Querschnittsform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die periphere Oberfläche eine kreisförmige Querschnittsform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator einen kegelstumpfartigen Hohlraumbereich aufweist, der die periphere Oberfläche definiert, wobei der Hohlraumbereich ein breiteres Ende, das weiter von dem aktiven Bereich entfernt ist in Bezug auf eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des aktiven Bereichs, und ein engeres Ende, das an den aktiven Bereich angrenzt, aufweist, und die periphere Oberfläche Licht, das in den Hohlraumbereich an dem breiteren Ende des Hohlraumbereichs eintritt, zu dem aktiven Bereich hin reflektiert.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die periphere Oberfläche einen Metallfilm in dem Hohlraumbereich umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator einen kegelstumpfartigen festen Bereich aufweist, der die periphere Oberfläche definiert, wobei der feste Bereich ein breiteres Ende, das weiter von dem aktiven Bereich entfernt ist in Bezug auf eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des aktiven Bereichs, und ein engeres Ende, das an den aktiven Bereich angrenzt, aufweist, und die periphere Oberfläche Licht, das in den festen Bereich an einem breiteren Ende des festen Bereichs eintritt, zu dem aktiven Bereich hin reflektiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator einen kegelstumpfartigen festen Bereich aufweist, der die periphere Oberfläche definiert, wobei der feste Bereich ein engeres Ende, das weiter von dem aktiven Bereich entfernt ist in Bezug auf eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des aktiven Bereichs, und ein weiteres Ende, das an den aktiven Bereich angrenzt, aufweist, und die periphere Oberfläche Licht, das in den festen Bereich durch die periphere Oberfläche eintritt, zu dem aktiven Bereich hin ablenkt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die periphere Oberfläche eine polygonale Querschnittsform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der nicht-bildgebende optische Konzentrator einen polyederstumpfartigen Hohlraumbereich aufweist, der die periphere Oberfläche definiert, wobei der Hohlraumbereich ein breiteres Ende, das weiter von dem aktiven Bereich entfernt ist in Bezug auf eine Richtung parallel zu einer optischen Achse des aktiven Bereichs, und ein engeres Ende, das an den aktiven Bereich angrenzt, aufweist, und die periphere Oberfläche Licht, das in den Hohlraumbereich an einem breiteren Ende des Hohlraumbereichs eintritt, zu dem aktiven Bereich hin reflektiert.