DE102020104351B4 - Integrierter-schaltkreis-fotodetektor - Google Patents

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Abstract

Integrierter Schaltkreis (100) mit:einem Halbleitersubstrat (104);einer oder mehreren dielektrischen Strukturen (108) aus dielektrischem Material, die aus einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (104) herausragen;einem lichtempfindlichen Material (106), das auf dem Halbleitersubstrat (104) angeordnet ist und die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen (108) bedeckt, wobei das lichtempfindliche Material (106) eine Brechzahl hat, die größer als eine Brechzahl des dielektrischen Materials der einen oder der mehreren dielektrischen Strukturen (108) ist; undeiner dielektrischen Materialschicht (110), die das lichtempfindliche Material (106) bedeckt, wobei das dielektrische Material der dielektrischen Materialschicht (110) eine Brechzahl hat, die kleiner als eine Brechzahl des lichtempfindlichen Materials (106) ist.

Description

  • Hintergrund
  • Fachgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Integrierter-Schaltkreis-Photonik. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Fotodetektoren in integrierten Schaltkreisen.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Zahlreiche photonische integrierte Schaltkreise weisen Fotodetektoren auf. Die Fotodetektoren detektieren Licht und erzeugen elektrische Signale, die auf Licht schließen lassen. Wenn die Fotodetektoren kein einfallendes Licht absorbieren, erzeugen sie kein elektrisches Signal, obwohl das Licht auf die Fotodetektoren auftrifft. Dies stellt eine mangelnde Empfindlichkeit der Fotodetektoren dar.
  • Die WO 2012/ 053 491 A1 beschreibt eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung (1), die ein optisches Sensorelement (20) zur Erfassung der Position eines Objekts enthält. Das optische Sensorelement (20) umfasst: eine Isolierschicht (25); eine photonische Kristallstruktur (24), die durch die Anordnung mehrerer säulenförmiger dielektrischer Stäbe (26) gebildet wird, die von der Isolierschicht (25) bedeckt sind und einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem der Isolierschicht (25) unterscheidet; einen i-Typ-Halbleiter (23b), der unter der photonischen Kristallstruktur (24) angeordnet ist; eine Isolierschicht (22), auf die der i-Typ-Halbleiter (23) laminiert ist; und eine Abschirmschicht, auf die die Isolierschicht (22) laminiert ist. Weitere Stand der Technik ist aus der US 2020 / 0 098 801 A1 bekannt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist ein Blockdiagramm eines integrierten Schaltkreises gemäß einer Ausführungsform.
    • Die 2 bis 6B und 8 zeigen Schnittansichten eines integrierten Schaltkreises während verschiedener Herstellungsstufen gemäß einer Ausführungsform.
    • 7A ist eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises von 6, gemäß einer Ausführungsform.
    • 7B ist eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises von 6, gemäß einer Ausführungsform.
    • 9A zeigt einen Lichtweg durch einen integrierten Schaltkreis, gemäß einer Ausführungsform.
    • 9B zeigt einen Lichtweg durch den integrierten Schaltkreis von 8, gemäß einer Ausführungsform.
    • 10A zeigt einen vorderseitig beleuchteten integrierten Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform.
    • 10B zeigt einen rückseitig beleuchteten integrierten Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform.
    • 10C zeigt ein photonisches Bauelement mit einem integrierten photonischen Schaltkreis und einem integrierten CMOS-Schaltkreis (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter), die aneinander gebondet sind, gemäß einer Ausführungsform.
    • 11 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines integrierten Schaltkreises, gemäß einer Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der nachstehenden Beschreibung werden zahlreiche Dicken und Materialien für verschiedene Schichten und Strukturen in einem integrierten Schaltkreis beschrieben. Beispielhaft werden spezielle Abmessungen und Materialien für verschiedene Ausführungsformen angegeben. Fachleute dürften jedoch angesichts der vorliegenden Erfindung erkennen, dass in vielen Fällen auch andere Abmessungen und Materialien verwendet werden können.
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element so hergestellt werden können, dass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können ebenso entsprechend interpretiert werden.
  • In der nachstehenden Beschreibung werden bestimmte Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis verschiedener Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Ein Fachmann dürfte jedoch wissen, dass die Erfindung auch ohne diese speziellen Einzelheiten genutzt werden kann. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen, die mit elektronischen Komponenten und Herstellungsverfahren assoziiert sind, nicht näher beschrieben, um die Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung nicht unnötig zu verunklaren.
  • In der gesamten Beschreibung und in allen Ansprüchen sind der Begriff „aufweisen“ und Abwandlungen davon, wie etwa „..., der/die/das ... aufweist", „umfassen“, „..., der/die/das ... umfasst", „haben“, „..., der/die/das ... hat", „mit“ usw., in einem offenen, inklusiven Sinn zu interpretieren, das heißt, als „aufweisen, aber nicht beschränkt sein auf“, wenn es der Kontext nicht anders verlangt.
  • Die Verwendung von Ordnungszahlen, wie etwa „erste(r) / erstes“, „zweite(r) / zweites“ und „dritte(r) / drittes“, impliziert nicht unbedingt eine Ordnung von Rängen, sondern dient lediglich der Unterscheidung zwischen mehreren Instanzen eines Vorgangs oder einer Struktur.
  • In der gesamten Patentbeschreibung bedeutet die Bezugnahme auf „eine Ausführungsform“ oder „eine beispielhafte Ausführungsform“, dass ein bestimmtes Element, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, das/die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, Bestandteil mindestens einer Ausführungsform ist. Somit bezieht sich das Auftreten der Wendung „bei einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in der gesamten Patentbeschreibung nicht unbedingt auf ein und dieselbe Ausführungsform. Darüber hinaus können die speziellen Elemente, Strukturen oder Eigenschaften in einer geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
  • Die in dieser Patentbeschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Singularformen „ein(e)“ und „der/die/das“ sollen auch die Pluralformen umfassen, wenn der Kontext nicht eindeutig auf etwas Anderes hinweist. Es ist außerdem zu beachten, dass der Begriff „oder“ im Allgemeinen auch in dem Sinn „und/oder“ verwendet wird, wenn der Kontext nicht eindeutig etwas Anderes vorschreibt.
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines integrierten Schaltkreises 100 gemäß einer Ausführungsform. Der integrierte Schaltkreis 100 weist einen Fotodetektor 102 und eine Steuerschaltung 112 auf. Der Fotodetektor 102 weist ein Halbleitersubstrat 104, ein lichtempfindliches Material 106, dielektrische Strukturen 108 und eine dielektrische Materialschicht 110 auf. Die Komponenten des integrierten Schaltkreises 100 funktionieren so, dass sie einen oder mehrere Parameter von einfallendem Licht detektieren.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 kann verschiedene Schichten und Strukturen aufweisen, die in 1 nicht näher dargestellt sind. Zum Beispiel kann der integrierte Schaltkreis 100 verschiedene Schichten aus Halbleitermaterial, verschiedene Schichten aus dielektrischem Material und verschiedene metallische Verbindungsstrukturen aufweisen. Der integrierte Schaltkreis 100 kann Transistoren aufweisen, die in komplexen Anordnungen zusammengeschaltet sind.
  • Der Fotodetektor 102 des integrierten Schaltkreises 100 ist so konfiguriert, dass er einen oder mehrere Parameter von einfallendem Licht detektiert. Zum Beispiel kann Licht 114 auf den integrierten Schaltkreis 100 auftreffen. Das Licht 114 kann durch verschiedene Schichten aus durchlässigem Material hindurchgehen und kann an dem Fotodetektor 102 empfangen werden. Der Fotodetektor 102 detektiert das Licht 114.
  • Die Steuerschaltung 112 ist mit dem Fotodetektor 102 verbunden. Die Steuerschaltung 112 kann Signale von dem Fotodetektor 102 empfangen, wie etwa elektrische Signale, die in Reaktion auf das Detektieren von Licht erzeugt werden. Die Steuerschaltung 112 kann die elektrischen Signale verarbeiten und kann Daten oder andere Signale ausgeben, die einen Hinweis auf einen oder mehrere Parameter des von dem Fotodetektor 102 detektierten Lichts 114 geben.
  • Bei einer Ausführungsform weist die Steuerschaltung 112 eine Mehrzahl von Transistoren auf, die in dem integrierten Schaltkreis 100 hergestellt sind. Die Transistoren können am Betrieb des Fotodetektors 102 und an der Verarbeitung der von dem Fotodetektor 102 empfangenen Signale beteiligt sein. Die Transistoren können auch an anderen Prozessen beteiligt sein, die die Funktion des integrierten Schaltkreises 100 betreffen, wie etwa Lesen von Daten aus einem Speicher, Schreiben von Daten in einen Speicher, Verarbeiten von Daten, Ausgeben von Daten und Steuern einer Datenübertragung.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Steuerschaltung 112 Spannungen an den Fotodetektor 102 anlegen. Die Steuerschaltung 112 kann den Fotodetektor 102 vorspannen, um sicherzustellen, dass Licht, das mit dem Fotodetektor 102 empfangen wird, zur Erzeugung von elektrischen Signalen führt, die mit der Steuerschaltung 112 gelesen werden können. Dementsprechend kann die Steuerschaltung 112 mit dem Fotodetektor 102 mittels metallischer Verbindungsleitungen, Metallstiften und leitfähigen Kontakten verbunden werden, mit denen Spannungen an den Fotodetektor 102 angelegt werden können und Signale von dem Fotodetektor 102 empfangen werden können.
  • Bei einer Ausführungsform wird der Fotodetektor 102 so betrieben, dass er Licht 114 absorbiert. Insbesondere besteht das Licht 114 aus Photonen, die von dem Fotodetektor 102 absorbiert werden können. Wenn der Fotodetektor 102 ein Photon absorbiert, wird in Reaktion auf die Absorption des Photons ein elektrisches Signal erzeugt. Dementsprechend werden in Reaktion auf die Absorption von Photonen Eigenschaften des Lichts 114 oder auch nur das Vorhandensein des Lichts 114 von den von dem Fotodetektor 102 erzeugten elektrischen Signalen angezeigt.
  • Wenn Licht durch ein erstes Material hindurchgeht und auf eine Grenze zwischen dem ersten Material und einem zweiten Material auftrifft, kann das Licht an der Grenze reflektiert werden oder kann durch die Grenze in das zweite Material durchgelassen werden. Die Reflexion oder die Durchlässigkeit von Licht an einer Grenze zwischen zwei Materialien beruht auf den Eigenschaften der zwei Materialien und den Eigenschaften des Lichts. Die relevanten Eigenschaften der zwei Materialien können ihre Durchlässigkeitsfaktoren und Reflexionskoeffizienten sein. Die relativen Eigenschaften des Lichts können die Wellenlänge des Lichts und der Winkel sein, mit dem das Licht auf die Grenze auftrifft.
  • Wenn Licht durch ein Material hindurchgeht, kann ein Teil des Lichts von dem Material absorbiert werden. Die Lichtmenge, die von dem Material absorbiert wird, beruht teilweise auf dem Absorptionskoeffizienten des Materials und auf der Länge des Wegs, den das Licht durch das Material nimmt. Ein höherer Absorptionskoeffizient führt zu einer höheren Absorptionsrate. Ebenso führt ein längerer Weg bis zu einem Material zu einer höheren Absorptionsrate in dem Material. Außerdem ändert sich der Absorptionskoeffizient für ein Material mit der Wellenlänge des Lichts. Ein Material kann einige Lichtwellenlängen leichter als andere Lichtwellenlängen absorbieren.
  • Ein einzelnes Photon, das durch ein Material hindurchgeht, hat eine Wahrscheinlichkeit, von dem Material absorbiert zu werden. Die Wahrscheinlichkeit der Absorption hängt von der Wellenlänge des Photons, dem Absorptionskoeffizienten des Materials für diese Wellenlänge und der Länge des Wegs ab, den das Photon durch das Material nimmt. Alle diese Faktoren sind dafür wichtig, wie der Fotodetektor 102 Licht detektiert.
  • Der Fotodetektor 102 nutzt das lichtempfindliche Material 106 zum Absorbieren und damit zum Detektieren von Licht. Das lichtempfindliche Material 106 ist ein Material, das einen relativ hohen Absorptionskoeffizienten für einen gewählten Bereich von Lichtellenlängen hat. Der gewählte Bereich kann einer bestimmten Farbe von sichtbarem Licht entsprechen. Der gewählte Bereich kann außerdem einem Bereich von Wellenlängen entsprechen, die mit der optischen Kommunikation assoziiert sind.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 ist so konfiguriert, dass er Licht 114 durch verschiedene Schichten bis zu dem lichtempfindlichen Material 106 durchlässt, ohne dass es absorbiert oder reflektiert wird, bevor es das lichtempfindliche Material 106 erreicht. Dementsprechend kann der integrierte Schaltkreis 100 mehrere transparente Schichten mit niedrigen Absorptions- und Reflexionskoeffizienten aufweisen, sodass das Licht 114 durch den integrierten Schaltkreis 100 zu dem lichtempfindlichen Material 106 hindurchgehen kann.
  • In dem Fotodetektor 102 werden die dielektrischen Strukturen 108 zum Erhöhen seiner Empfindlichkeit verwendet. Die dielektrischen Strukturen 108 erhöhen die Empfindlichkeit des Fotodetektors 102 durch Vergrößern der Länge des Wegs, den die einzelnen Photonen durch das lichtempfindliche Material 106 nehmen. Insbesondere sind die dielektrischen Strukturen 108 so positioniert, dass sie die Reflexion der Photonen in dem lichtempfindlichen Material 106 fördern, ohne es zu verlassen. Je häufiger ein einzelnes Photon mittels der dielektrischen Strukturen 108 in dem lichtempfindlichen Material 106 reflektiert wird, umso länger ist der Weg der Photonen in dem lichtempfindlichen Material 106. Der längere Weg in dem lichtempfindlichen Material 106 führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit, dass das Photon von dem lichtempfindlichen Material 106 absorbiert wird. Dementsprechend führt ein längerer Weg in dem lichtempfindlichen Material 106 zu einer effektiven Zunahme der Empfindlichkeit des Fotodetektors 102.
  • Die dielektrischen Strukturen 108 tragen zu einer Verlängerung des Wegs der Photonen in dem lichtempfindlichen Material 106 auf Grund des Prinzips der inneren Totalreflexion bei. Die innere Totalreflexion tritt auf, wenn Licht, das durch ein erstes Material mit einer ersten Brechzahl (Brechungsindex) n1 hindurchgeht, auf eine Grenze zwischen dem ersten Material und einem zweiten Material auftrifft, das eine zweite Brechzahl n2 hat, die kleiner als die Brechzahl n1 des ersten Materials ist. Wenn der Einfallswinkel des Lichts an der Grenze größer als ein kritischer Winkel θC ist, kommt es zu einer inneren Totalreflexion, und das Licht wird an der Grenze reflektiert, statt durch die Grenze in das zweite Material durchgelassen zu werden. Der Wert des kritischen Winkels θC wird mit der folgenden Beziehung erhalten: θ C = arcsin ( n 2 /n 1 ) ,
    Figure DE102020104351B4_0001
    wobei n2 < n1 ist. Daher werden das lichtempfindliche Material 106 und das dielektrische Material für die dielektrischen Strukturen 108 so gewählt, dass das lichtempfindliche Material 106 eine größere Brechzahl als das dielektrische Material der dielektrischen Strukturen 108 hat. Je größer die Differenz der Brechzahlen des lichtempfindlichen Materials 106 und des dielektrischen Materials der dielektrischen Strukturen 108 ist, umso größer ist der Bereich von Einfallswinkeln, die zu einer inneren Totalreflexion führen. In der vorliegenden Beschreibung wird die Brechzahl des dielektrischen Materials der dielektrischen Strukturen 108 alternativ als die Brechzahl der dielektrischen Strukturen 108 bezeichnet.
  • Bei einer Ausführungsform sind die dielektrischen Strukturen 108 auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 104 angeordnet. Die dielektrischen Strukturen 108 ragen aus der Oberfläche des Halbleitersubstrats 104 heraus. Das lichtempfindliche Material 106 bedeckt die dielektrischen Strukturen 108. Die Positionen und die Formen der dielektrischen Strukturen 108 und die Abmessungen und die Form des lichtempfindlichen Materials 106 werden so gewählt, dass eine Reflexion des Lichts von den dielektrischen Strukturen 108 in dem lichtempfindlichen Material 106 erfolgt. Die relativen Positionen und Formen können so gewählt werden, dass es zu einer inneren Totalreflexion des Lichts in dem lichtempfindlichen Material 106 für einen breiten Bereich von Winkeln kommt, mit denen das Licht in das lichtempfindliche Material 106 eintritt, wie später näher dargelegt wird.
  • Bei einer Ausführungsform weisen die dielektrischen Strukturen 108 eine oder mehrere Säulen aus dielektrischem Material auf, die aus der Oberfläche des Halbleitersubstrats 104 heraus in das lichtempfindliche Material 106 hinein ragen.
  • Bei einer Ausführungsform können die dielektrischen Strukturen 108 außerdem ein dielektrisches Material aufweisen, das zwischen dem lichtempfindlichen Material 106 und Seitenwänden eines Materials angeordnet ist, das das lichtempfindliche Material 106 umgrenzt. Daher kann, wenn das Licht von einer Säule aus dielektrischem Material reflektiert wird und sich zu einer Seitenwand des lichtempfindlichen Materials 106 ausbreitet, das Licht erneut von dem dielektrischen Material reflektiert werden, das sich zwischen dem lichtempfindlichen Material 106 und der Seitenwand des Materials befindet, das das lichtempfindliche Material 106 umgrenzt.
  • Bei einer Ausführungsform ist das lichtempfindliche Material 106 in einem Graben angeordnet, der in dem Halbleitersubstrat 104 erzeugt ist. Eine oder mehrere Säulen aus dielektrischem Material können aus einer Unterseite des Grabens herausragen und können Seitenflächen und Oberseiten haben, die vollständig mit dem lichtempfindlichen Material 106 bedeckt sind. Seitenwände des Grabens können mit dem gleichen dielektrischen Material bedeckt sein. Licht, das von dem Halbleitersubstrat 104 in das lichtempfindliche Material 106 übergeht, kann mehrmals zwischen der einen oder den mehreren Säulen und dem dielektrischen Material, das die Seitenwände der Gräben bedeckt, reflektiert werden. Dadurch kann die mittlere Weglänge des durch das lichtempfindliche Material 106 hindurchgehenden Lichts erheblich vergrößert werden.
  • Bei einer Ausführungsform bedeckt die dielektrische Materialschicht 110 eine Oberseite des lichtempfindlichen Materials 106. Die dielektrische Materialschicht 110 wird so gewählt, dass sie eine innere Totalreflexion des Lichts fördert, das aus dem Inneren des lichtempfindlichen Materials 106 auf die Grenze zwischen dem lichtempfindlichen Material 106 und der dielektrischen Materialschicht 110 auftrifft. Dementsprechend hat das dielektrische Material der dielektrischen Materialschicht 110 eine Brechzahl, die kleiner als die Brechzahl des lichtempfindlichen Materials 106 ist.
  • Bei einer Ausführungsform kann Licht, das in das lichtempfindliche Material 106 eintritt, an den Grenzen zwischen dem lichtempfindlichen Material 106 und den dielektrischen Strukturen 108 und an den Grenzen zwischen dem lichtempfindlichen Material 106 und der dielektrischen Materialschicht 110 mehrmals reflektiert werden. In Abhängigkeit von der Größe der Differenz zwischen den Brechzahlen des lichtempfindlichen Materials 106 und der dielektrischen Strukturen 108 und zwischen dem lichtempfindlichen Material 106 und dem dielektrischen Material der dielektrischen Materialschicht 110 kann Licht, das durch das lichtempfindliche Material 106 hindurchgeht, eine hohe Anzahl von inneren Reflexionen durchlaufen. Dadurch kann die Länge des Ausbreitungswegs des Lichts durch das lichtempfindliche Material 106 erheblich vergrößert werden. Die Vergrößerung der Weglänge führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Empfindlichkeit des Fotodetektors 102.
  • Bei einer Ausführungsform ist der Fotodetektor 102 eine Fotodiode. Die Fotodiode weist mehrere Bereiche aus Halbleitermaterial auf. Zum Beispiel kann das lichtempfindliche Material ein monokristallines Halbleitermaterial sein, das mit einer ersten Dotandenart, z. B. einem p- oder n-Dotanden, dotiert ist. Das Halbleitersubstrat 104 kann ein monokristallines Halbleitermaterial aufweisen, das mit einer zweiten Dotandenart dotiert ist, die zu der ersten Dotandenart komplementär ist. Das lichtempfindliche Material 106 und das Halbleitersubstrat 104 bilden einen pn-Übergang. Wenn ein Lichtphoton von dem lichtempfindlichen Material 106 absorbiert wird, empfangen Elektronen eine Energie, die der Wellenlänge des Photons entspricht, und die Elektronen gehen aus dem Valenzband in das Leitungsband über. Die Steuerschaltung 112 spannt das lichtempfindliche Material 106 und das Halbleitersubstrat 104 vor, sodass die Elektronen in dem Leitungsband als ein elektrischer Strom fließen, der von der Steuerschaltung 112 detektiert wird. Dementsprechend detektiert die Steuerschaltung 112 eine Helligkeit oder Intensität des Lichts 114 als einen elektrischen Strom, der von Elektronen erzeugt wird, die durch die Absorption des Lichts von dem Valenzband in das Leitungsband übergehen. Die Fotodiode kann andere Konfigurationen von p- und n-Halbleiterbereichen als die haben, die vorstehend beschrieben worden sind. Außerdem kann die Fotodiode p- und n-Bereiche aufweisen, die durch Eigenhalbleiterbereiche getrennt sind. Die Eigenhalbleiterbereiche können Halbleiterbereichen entsprechen, die im Wesentlichen keine Dotanden aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Fotodetektor 102 ein anderer Fotodetektor als eine Fotodiode sein. Es sind zahlreiche Konfigurationen für einen Fotodetektor möglich, der die Absorption von Licht mittels eines lichtempfindlichen Materials 106 nutzt. Die Prinzipien der Verwendung der dielektrischen Strukturen 108 und der dielektrischen Materialschicht 110 zum Verlängern des Lichtwegs in dem lichtempfindlichen Material 106, die hier beschrieben werden, können auch in diesen anderen Arten von Fotodetektoren implementiert werden .
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das lichtempfindliche Material 106 Germanium, die dielektrischen Strukturen 108 weisen Siliziumdioxid auf, und die dielektrische Materialschicht 110 weist Siliziumdioxid auf. Germanium hat einen relativ hohen Absorptionskoeffizienten für Lichtwellenlängen von 400 nm bis 1700 nm. Außerdem hat Germanium eine relativ hohe Brechzahl von 4. Siliziumdioxid hat eine Brechzahl von 1,46. Diese Kombination von Materialien führt zu dem folgenden kritischen Winkel θC: θ C = arcsin ( 1,46 / 4 ) = 21,4 ° .
    Figure DE102020104351B4_0002
  • Dementsprechend führt jeder Lichteinfallswinkel von mehr als 21,4° zwischen dem lichtempfindlichen Material 106 und den dielektrischen Strukturen 108 oder zwischen dem lichtempfindlichen Material 106 und der dielektrischen Materialschicht 110 zu einer inneren Totalreflexion.
  • Das lichtempfindliche Material 106 kann andere Materialien als Germanium umfassen. Zum Beispiel kann das lichtempfindliche Material 106 Silizium, Siliziumgermanium, Indiumgalliumarsenid, Bleisulfid, Quecksilber-Cadmium-Tellurid oder andere lichtempfindliche Materialien umfassen. Fachleute dürften angesichts der vorliegenden Erfindung erkennen, dass das lichtempfindliche Material 106 auch andere Materialien als die vorgenannten umfassen kann . Das lichtempfindliche Material 106 kann einen oder mehrere p-dotierte Bereiche aufweisen. Das lichtempfindliche Material 106 kann einen oder mehrere n-dotierte Bereiche aufweisen. Das lichtempfindliche Material 106 kann p- und n-dotierte Bereiche aufweisen.
  • Die dielektrischen Strukturen 108 können auch andere Materialien als Siliziumdioxid aufweisen. Zum Beispiel können die dielektrischen Strukturen 108 Siliziumnitrid, Kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid oder andere dielektrische Materialien aufweisen. Es können zahlreiche Arten von dielektrischen Materialien für die dielektrischen Strukturen 108 verwendet werden .
  • Die dielektrische Materialschicht 110 kann auch andere Materialien als Siliziumdioxid aufweisen. Zum Beispiel kann die dielektrische Materialschicht 110 Siliziumnitrid, Kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid oder andere dielektrische Materialien aufweisen. Es können zahlreiche Arten von dielektrischen Materialien verwendet werden .
  • Das Halbleitersubstrat 104 kann eine oder mehrere Schichten aus Halbleitermaterial aufweisen, wie etwa Silizium, Germanium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumphosphid, Siliziumgermaniumcarbid, Galliumarsenidphosphid oder Galliumindiumphosphid. Es können auch andere Halbleiter für das Halbleitersubstrat 104 verwendet werden.
  • Obwohl nur ein Fotodetektor 102 in 1 gezeigt ist, kann der integrierte Schaltkreis 100 bei einer Ausführungsform eine Mehrzahl von Fotodetektoren 102 aufweisen. Der integrierte Schaltkreis 100 kann mehrere Arten von Fotodetektoren 102 zum Detektieren unterschiedlicher Lichtwellenlängen aufweisen. Der integrierte Schaltkreis 100 kann außerdem Linsen zum Fokussieren von Licht auf das lichtempfindliche Material 106 jedes Fotodetektors 102 aufweisen.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 kann ein vorderseitig beleuchteter integrierter Schaltkreis sein. Bei dem vorderseitig beleuchteten integrierten Schaltkreis geht Licht von einer Vorderseite des integrierten Schaltkreises 100 in das lichtempfindliche Material 106 über. Auf der Vorderseite oder in der Nähe der Vorderseite des integrierten Schaltkreises 100 können Linsen montiert werden, um Licht auf das lichtempfindliche Material 106 zu fokussieren.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 kann ein rückseitig beleuchteter integrierter Schaltkreis sein. Bei dem rückseitig beleuchteten integrierten Schaltkreis geht Licht von einer Rückseite des integrierten Schaltkreises 100 in das lichtempfindliche Material 106 über. Auf der Rückseite oder in der Nähe der Rückseite oder Unterseite des integrierten Schaltkreises 100 können Linsen montiert werden, um Licht auf das lichtempfindliche Material 106 zu fokussieren.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 kann an einen zweiten integrierten Schaltkreis gebondet werden. Der integrierte Schaltkreis 100 kann elektrische Signale, die von dem Fotodetektor 102 erzeugt werden, zu einer Schaltung durchlassen, die in dem zweiten integrierten Schaltkreis enthalten ist. Der zweite integrierte Schaltkreis kann eine Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten der elektrischen Signale aufweisen.
  • 2 ist eine Schnittansicht eines Teils eines integrierten Schaltkreises 100 auf einer Zwischenstufe der Bearbeitung, gemäß einer Ausführungsform. Insbesondere zeigt die Darstellung von 2 einen Teil eines Prozesses zum Herstellen eines Fotodetektors 102 in dem integrierten Schaltkreis 100. Auf der in 2 gezeigten Stufe umfasst der dargestellte Teil des integrierten Schaltkreises 100 ein Halbleitersubstrat 104 und eine dielektrische Materialschicht 118.
  • Das Halbleitersubstrat 104 kann eine oder mehrere Schichten aus Halbleitermaterial aufweisen. Das Halbleitermaterial kann Silizium, Germanium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumphosphid, Siliziumgermaniumcarbid, Galliumarsenidphosphid oder Galliumindiumphosphid sein. Es können auch andere Halbleitermaterialien für das Halbleitersubstrat 104 verwendet werden . Das Halbleitersubstrat 104 kann ein monokristallines Halbleitermaterial oder mehrere Schichten aus einem monokristallinem Halbleitermaterial aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Materialschicht 118 Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ein anderes dielektrisches Material aufweisen. Die dielektrische Materialschicht 118 hat eine Dicke von 1 µm bis 500 µm. Die dielektrische Materialschicht 118 kann mit einem oder mehreren Dünnschicht-Abscheidungsverfahren, wie etwa durch chemische Aufdampfung (CVD), physikalische Aufdampfung (PVD), plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD), Atomlagenabscheidung (ALD) oder mit anderen Arten von Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Für die dielektrische Materialschicht 118 können auch andere Materialien, Dicken und Abscheidungsverfahren als die verwendet werden, die vorstehend genannt worden sind .
  • 3 ist eine Schnittansicht eines Teils des integrierten Schaltkreises 100 auf einer Zwischenstufe der Bearbeitung, gemäß einer Ausführungsform. In 3 ist ein Graben 120 in dem Halbleitersubstrat 104 erzeugt worden. Der Graben 120 definiert eine Unterseite 122 und Seitenwände 124. Der Graben 120 kann eine Tiefe von bis zu 700 µm haben. Der Graben 120 kann eine Breite von bis zu 700 µm haben. Der Graben 120 kann auch andere Abmessungen als die vorgenannten haben .
  • Bei einer Ausführungsform wird der Graben 120 mit fotolithografischen Prozessen erzeugt. Die fotolithografischen Prozesse können Folgendes umfassen: Abscheiden eines Fotoresists auf der dielektrischen Materialschicht 118; Belichten des Fotoresists unter Verwendung einer fotolithografischen Maske; und Entfernen von Teilen des Fotoresists entsprechend einer von der Maske definierten Struktur.
  • Nachdem das Fotoresist strukturiert worden ist, wird der integrierte Schaltkreis 100 einem Ätzprozess unterzogen. In dem Ätzprozess werden zunächst freigelegte Teile der dielektrischen Materialschicht 118 geätzt. Die dielektrische Materialschicht 118 kann mit einer oder mehreren Nassätzungen, Trockenätzungen oder anderen Arten von Ätzprozessen geätzt werden. Das Halbleitersubstrat 104 kann während des gleichen Ätzprozesses geätzt werden, mit dem die dielektrische Materialschicht 118 geätzt wird. Alternativ kann das Halbleitersubstrat 104 mit einem gesonderten Ätzprozess geätzt werden, nachdem der freigelegte Teil der dielektrischen Materialschicht 118 geätzt worden ist.
  • Nachdem der eine oder die mehreren Ätzprozesse an den freigelegten Teilen der dielektrischen Materialschicht 118 und des Halbleitersubstrats 104 durchgeführt worden sind, wird der Graben 120 erzeugt. Der Graben 120 weist die Seitenwände 124 und die Unterseite 122 auf.
  • 4 ist eine Schnittansicht eines Teils des integrierten Schaltkreises 100 auf einer Zwischenstufe der Bearbeitung, gemäß einer Ausführungsform. In 4 ist eine dielektrische Materialschicht 124 auf der dielektrischen Materialschicht 118 und auf dem Halbleitersubstrat 104 in dem Graben 120 abgeschieden worden. Die dielektrische Materialschicht 124 kann Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein anderes dielektrisches Material aufweisen. Die dielektrische Materialschicht 124 kann mit einem Dünnschicht-Abscheidungsverfahren, wie etwa durch CVD, PVD, PECVD oder ALD, oder mit anderen Dünnschicht-Abscheidungsverfahren abgeschieden werden. Für die dielektrische Materialschicht 124 können auch andere dielektrische Materialien und Abscheidungsverfahren als die verwendet werden, die vorstehend genannt worden sind .
  • 5 ist eine Schnittansicht eines Teils des integrierten Schaltkreises 100 auf einer Zwischenstufe der Bearbeitung, gemäß einer Ausführungsform. In 5 ist die dielektrische Materialschicht 124 strukturiert und geätzt worden, sodass dielektrische Strukturen 108 zurückbleiben, die aus der Unterseite 122 des Grabens 120 herausragen. Nach dem einen oder den mehreren Ätzprozessen bleibt ein dielektrischer Seitenwandbelag 130 auf der Seitenwand 124 des Grabens 120 zurück. Der dielektrische Seitenwandbelag 130 und die dielektrischen Strukturen 108 sind Reste der dielektrischen Materialschicht 124.
  • Die dielektrischen Strukturen 108 und der dielektrische Seitenwandbelag 130 können teilweise mit fotolithografischen Prozessen hergestellt werden. Die fotolithografischen Prozesse können zum Beispiel Folgendes umfassen: Abscheiden eines Fotoresists auf der dielektrischen Materialschicht 124; Belichten des Fotoresists unter Verwendung einer fotolithografischen Maske; und Entfernen von Teilen des Fotoresists entsprechend einer von der Maske definierten Struktur.
  • Nachdem das Fotoresist strukturiert worden ist, werden die freigelegten Teile der dielektrischen Materialschicht 124 einem anisotropen Ätzprozess unterzogen. In dem anisotropen Ätzprozess wird die dielektrische Materialschicht 124 selektiv nach unten geätzt. Das heißt, dass in dem anisotropen Ätzprozess die dielektrische Materialschicht 124 nach unten, aber nicht in andere Richtungen geätzt wird. Insbesondere wird in dem anisotropen Ätzprozess die dielektrische Materialschicht 124 viel schneller nach unten als in andere Richtungen geätzt.
  • Nach dem ersten anisotropen Ätzprozess kann das Fotoresist entfernt werden. Die verbliebenen Teile der dielektrischen Materialschicht 124 werden dann einer zeitlich gesteuerten anisotropen Ätzung unterzogen. Bei der zeitlich gesteuerten anisotropen Ätzung werden die verbliebenen Teile der dielektrischen Materialschicht 124 für einen gewählten Zeitraum nach unten geätzt. Der Zeitraum kann so gewählt werden, dass die dielektrischen Strukturen 108 nach Beendigung der Ätzung eine gewünschte Höhe haben. In einem Beispiel beträgt die Höhe der dielektrischen Strukturen 108 5 µm bis 15 µm. Bei einer Ausführungsform wird die Höhe der dielektrischen Strukturen 108 so gewählt, dass sie etwas mehr als die Hälfte der Tiefe des Grabens beträgt, sodass die dielektrischen Strukturen 108 nicht über die Oberseite des Grabens 120 überstehen. Die dielektrischen Strukturen 108 können auch andere Höhen als die haben, die hier angegeben sind .
  • Bei einer Ausführungsform haben die dielektrischen Strukturen 108 die Form einer Säule oder einer Wand. Die dielektrischen Strukturen 108 können sich entlang der Breite der Gräben 120 in das und aus dem Blatt der Zeichnung entsprechend der Darstellung von 5 erstrecken. Die dielektrischen Strukturen 108 können auch andere Formen, Profile und Abmessungen als die haben, die vorstehend angegeben worden sind .
  • 5 zeigt zwar zwei dielektrische Strukturen 108, aber in der Praxis können andere Anzahlen von dielektrischen Strukturen 108 in dem Graben 120 angeordnet werden. Zum Beispiel kann nur eine dielektrische Struktur 108 in dem Graben angeordnet werden. Alternativ können mehr als zwei dielektrische Strukturen 108 in dem Graben angeordnet werden. Die dielektrischen Seitenwandbeläge 130 können ebenfalls zu den dielektrischen Strukturen 108 gezählt werden.
  • 6A ist eine Schnittansicht des integrierten Schaltkreises 100 auf einer Zwischenstufe der Bearbeitung, gemäß einer Ausführungsform. In 6A ist das lichtempfindliche Material 106 in dem Graben 120 abgeschieden worden. Das lichtempfindliche Material 106 bedeckt die dielektrischen Strukturen 108, sodass diese sich in dem lichtempfindlichen Material 106 befinden. Das lichtempfindliche Material 106 ist auch entlang den dielektrischen Seitenwandbelägen 130 angeordnet.
  • Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 dargelegt worden ist, ist das lichtempfindliche Material 106 ein Material mit einem relativ hohen Absorptionskoeffizienten für einen gewählten Bereich von Lichtwellenlängen. Außerdem ist das lichtempfindliche Material 106 ein Material mit einer relativ hohen Brechzahl im Vergleich zu dem dielektrischen Material der dielektrischen Strukturen 108 und dem dielektrischen Material des dielektrischen Seitenwandbelags 130. Dementsprechend wird das lichtempfindliche Material 106 so gewählt, dass es zusammen mit den dielektrischen Strukturen 108 und den dielektrischen Seitenwandbelägen 130 die innere Totalreflexion von Licht in dem lichtempfindlichen Material 106 fördert.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das lichtempfindliche Material 106 Germanium, Silizium, Siliziumgermanium, Indiumgalliumarsenid, Bleisulfid, Quecksilber-Cadmium-Tellurid und/oder andere lichtempfindliche Materialien. Fachleute dürften angesichts der vorliegenden Erfindung erkennen, dass das lichtempfindliche Material 106 auch andere Materialien als die vorgenannten umfassen kann .
  • Bei einer Ausführungsform bildet das lichtempfindliche Material 106 zusammen mit dem Halbleitersubstrat 104 eine Fotodiode. Dementsprechend kann das lichtempfindliche Material 106 eine monokristalline Halbleiterstruktur sein. Das lichtempfindliche Material 106 kann einen oder mehrere dotierte Bereiche aufweisen, um als eine Fotodiode zu funktionieren. Das lichtempfindliche Material 106 kann einen oder mehrere p-dotierte Bereiche aufweisen. Das lichtempfindliche Material 106 kann einen oder mehrere n-dotierte Bereiche aufweisen. Das lichtempfindliche Material 106 kann p- und n-dotierte Bereiche aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform wird das lichtempfindliche Material 106 durch epitaxiales Aufwachsen in dem Graben 120 abgeschieden. Insbesondere kann das lichtempfindliche Material 106 epitaxial von dem Halbleitersubstrat 104 aufgewachsen werden. Die Kristallstruktur des Halbleitersubstrats 104 fungiert als ein Keim zum Aufwachsen der Kristallstruktur des lichtempfindlichen Materials 106.
  • Das epitaxiale Aufwachsen kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Wenn das lichtempfindliche Material 106 dotiert wird, kann die Dotierung in situ während des epitaxialen Aufwachsens des lichtempfindlichen Materials 106 erfolgen. Wenn das lichtempfindliche Material 106 mehrere unterschiedlich dotierte Bereiche aufweisen soll, kann die Dotierung in situ während späterer Schritte des epitaxialen Aufwachsprozesses erfolgen. Das lichtempfindliche Material 106 kann Eigenleitungsbereiche mit einer vergleichsweise geringen Dotierung oder ohne jede Dotierung aufweisen. Die Dotierungsprofile und die Arten der Dotierung oder die fehlende Dotierung in verschiedenen Bereichen wird entsprechend dem Entwurf des Fotodetektors 102 in Verbindung mit dem Halbleitersubstrat 104 gewählt.
  • Der eine oder die mehreren epitaxialen Aufwachsprozesse dauern so lange an, bis das lichtempfindliche Material 106 die dielektrischen Strukturen 108 vollständig bedeckt. Das lichtempfindliche Material 106 kann auch den dielektrischen Seitenwandbelag 130 vollständig bedecken. Das lichtempfindliche Material 106 kann über die Oberseite der dielektrischen Materialschicht 118 überstehen. Dementsprechend kann das lichtempfindliche Material 106 eine Höhe haben, die größer als die Tiefe des Grabens 120 und die Dicke der dielektrischen Materialschicht 118 ist. Alternativ kann das lichtempfindliche Material 106 eine Höhe haben, die nicht über die Oberseite des Grabens 120 und die Oberseite der dielektrischen Materialschicht 118 hinaus reicht. Das lichtempfindliche Material 106 kann auch andere Formen und Höhen als die haben, die hier genannt worden sind,
  • 6B ist eine Schnittansicht des integrierten Schaltkreises 100 auf einer Zwischenstufe der Bearbeitung, gemäß einer Ausführungsform. Der integrierte Schaltkreis 100 von 6B ist dem integrierten Schaltkreis 100 von 6A im Wesentlichen ähnlich, mit der Ausnahme, dass eine Oberseite des lichtempfindlichen Materials 106 gekrümmt ist. In der Praxis können zahlreiche Ausführungsformen des hier beschriebenen Fotodetektors 102 eine gekrümmte Oberfläche wie in 6B haben. Es sind aber auch andere Oberflächenformen für das lichtempfindliche Material 106 möglich.
  • 7A ist eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises 100 von 6A, gemäß einer Ausführungsform. 7A zeigt eine Ausführungsform, bei der der Graben 120 eine im Wesentlichen rechteckige Form hat. Alternativ kann der Graben 120 eine runde Form oder eine andere Form haben. 7A zeigt, dass sich die dielektrischen Strukturen 108 entlang der Länge des Grabens 120 erstrecken. Der Graben 120 wird mit dem lichtempfindlichen Material 106 gefüllt. Das lichtempfindliche Material 106 bedeckt die dielektrischen Strukturen 108. 6 zeigt eine Darstellung entlang einer Schnittlinie 6 von 7A. Andere Formen und Abmessungen für den Graben 120 und die dielektrischen Strukturen 108 können ebenfalls verwendet werden.
  • 7A zeigt außerdem einen elektrischen Kontakt 132, der das lichtempfindliche Material 106 kontaktiert. In der Praxis ist der lichtempfindliche Kontakt 132 auf dieser Stufe der Bearbeitung nicht vorhanden. Es ist jedoch zu beachten, dass am Ende ein oder mehrere elektrische Kontakte 132 hergestellt werden können, um Vorspannungen für das lichtempfindliche Material 106 bereitzustellen und Signale von dem lichtempfindlichen Material 106 zu empfangen. Die elektrischen Kontakte 132 können Verbindungen darstellen, mittels der das lichtempfindliche Material 106 mit der Steuerschaltung 112 verbunden wird. Bei anderen Ausführungsformen gibt es keine elektrischen Kontakte mit dem lichtempfindlichen Material 106.
  • 7B ist eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises 100 von 6 auf der Zwischenstufe der Bearbeitung von 6, gemäß einer Ausführungsform. Der integrierte Schaltkreis 100 von 7B ist dem von 7A im Wesentlichen ähnlich, mit der Ausnahme, dass er eine andere Anzahl von dielektrischen Strukturen 108 aufweist. Außerdem haben die dielektrischen Strukturen 108 andere Formen als die dielektrischen Strukturen 108 von 7A. Es können zahlreiche weitere Konfigurationen für die dielektrischen Strukturen 108 verwendet werden.
  • 8 ist eine Schnittansicht des integrierten Schaltkreises 100 von 6 auf einer Zwischenstufe der Bearbeitung von 6, gemäß einer Ausführungsform. In 8 ist eine dielektrische Materialschicht 110 über dem lichtempfindlichen Material 106 und über der dielektrischen Materialschicht 118 abgeschieden worden. Die dielektrische Materialschicht 110 ist ein dielektrisches Material. Die dielektrische Materialschicht 110 kann Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder ein anderes dielektrisches Material aufweisen. Die dielektrische Materialschicht 110 kann auch eine Schicht aus einem anderen dielektrischem Material sein.
  • Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Materialschicht 110 das gleiche Material wie die dielektrischen Strukturen 108 und der dielektrische Seitenwandbelag 130 auf. Alternativ kann die dielektrische Materialschicht 110 ein anderes Material als die dielektrischen Strukturen 108 und der dielektrische Seitenwandbelag 130 aufweisen.
  • Das Halbleitersubstrat 104, das lichtempfindliche Material 106, die dielektrischen Strukturen 108, der dielektrische Seitenwandbelag 130 und die dielektrische Materialschicht 110 bilden gemeinsam einen Fotodetektor 102. Wenn Licht auf das lichtempfindliche Material 106 auftrifft, kann das lichtempfindliche Material 106 das Licht absorbieren. Die Absorption von Licht führt dazu, dass Elektronen in des Leitungsband eintreten. Es kann ein Strom von Elektronen fließen, der die Intensität oder Helligkeit des Lichts anzeigt. Wie vorstehend dargelegt worden ist und wie später näher dargelegt wird, kann die Kombination aus dem lichtempfindlichen Material 106, den dielektrischen Strukturen 108, dem dielektrischen Seitenwandbelag 130 und der dielektrischen Materialschicht 110 zu einer höheren Wahrscheinlichkeit einer inneren Totalreflexion in dem lichtempfindlichen Material und zu einer entsprechend längeren Weglänge für das Licht in dem lichtempfindlichen Material 106 führen. Dies hat eine höhere Empfindlichkeit des Fotodetektors 102 zur Folge.
  • 9A ist eine Schnittansicht eines integrierten Schaltkreises 100, gemäß einer Ausführungsform. 9A zeigt eine Ausführungsform eines Fotodetektors 102 ohne die dielektrischen Strukturen 108 und den dielektrischen Seitenwandbelag 130 in dem Graben 120. Bei anderen Ausführungsformen von 9A sind die dielektrischen Strukturen 108 und/oder der dielektrische Seitenwandbelag 130 in dem Fotodetektor 102 von 9A enthalten.
  • 9A zeigt einen wahrscheinlichen Ausbreitungsweg des Lichts 114, das über das Halbleitersubstrat 104 in einem bestimmten Winkel in das lichtempfindliche Material 106 eintritt. Das Licht 114 breitet sich zu der dielektrischen Materialschicht 110 aus. Wenn auf Grund des verwendeten lichtempfindlichen Materials 106 und des Materials der dielektrischen Materialschicht 110 der Winkel größer als der kritische Winkel der inneren Totalreflexion ist, kann das Licht 114 nur einmal reflektiert werden, kann sich dann zu dem Halbleitersubstrat 104 ausbreiten und aus dem lichtempfindlichen Material 106 in das Halbleitersubstrat 104 übergehen. Wie vorstehend dargelegt worden ist, kann ein einzelnes Photon von dem lichtempfindlichen Material 106 absorbiert werden oder auch nicht, während es sich in dem lichtempfindlichen Material 106 ausbreitet. Je länger der Ausbreitungsweg des Lichts in dem lichtempfindlichen Material 106 ist, umso wahrscheinlicher ist es, dass das Photon absorbiert wird und dadurch detektiert wird.
  • Bei einer Ausführungsform ermöglicht ein Fotodetektor 102 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung eine längere Weglänge für Photonen durch das lichtempfindliche Material. Die Absorption von Photonen durch das lichtempfindliche Material und das entsprechende elektrische Signal können als ein Quanteneffekt angesehen werden. Dementsprechend wird die Quanteneffekt-Weglänge, d. h., die Weglänge des Photons durch das lichtempfindliche Material, bei der eine Absorption erfolgen kann, auf Grund der Grundsätze der vorliegenden Erfindung erheblich verlängert. Dies liegt an der hohen Anzahl von inneren Totalreflexionen, die in dem lichtempfindlichen Material 106 auftreten können. Dementsprechend hat der Fotodetektor 102 eine relativ hohe Empfindlichkeit.
  • 9B zeigt den integrierten Schaltkreis 100 von 8 mit den dielektrischen Strukturen 108 und dem dielektrischen Seitenwandbelag 130. 9B zeigt einen wahrscheinlichen Ausbreitungsweg des Lichts 114, das über das Halbleitersubstrat 104 in einem bestimmten Winkel in das lichtempfindliche Material 106 eintritt. Das Licht 114 wird zunächst von einer der dielektrischen Strukturen 108 reflektiert. Dann wird das Licht 114 von dem dielektrischen Seitenwandbelag 130 reflektiert. Anschließend wird das Licht 114 von der dielektrischen Materialschicht 110 reflektiert. Dann wird das Licht 114 wieder von dem dielektrischen Seitenwandbelag 130 reflektiert. Dann wird das Licht 114 von einer anderen der dielektrischen Strukturen 108 reflektiert. Das Licht 114 wird anschließend erneut von dem dielektrischen Seitenwandbelag 130 reflektiert und geht dann von dem lichtempfindlichen Material 106 in das Halbleitersubstrat 104 über. Jede dieser Reflexionen erfolgt auf Grund des Prinzips der inneren Totalreflexion.
  • Das Licht 114 hat in 9B einen viel längeren möglichen Ausbreitungsweg als in 9A. Dementsprechend ist es viel wahrscheinlicher, dass das Licht 114 während des in 9B gezeigten Ausbreitungswegs als während des in 9A gezeigten Ausbreitungswegs von dem lichtempfindlichen Material 106 absorbiert wird.
  • Der Fotodetektor 102 von 9B unterstützt die innere Totalreflexion von Licht, das mit einem großen Bereich von Winkeln auf das lichtempfindliche Material 106 auftrifft. Dementsprechend hat der Fotodetektor 102 von 9B eine verbesserte Empfindlichkeit für einen breiten Bereich von Licht-Einfallswinkeln.
  • Obwohl es in den Figuren nicht dargestellt ist, kann das Licht 114 auch etwas gebrochen werden, wenn es sich zwischen dem Halbleitersubstrat 104 und dem lichtempfindlichen Material 106 ausbreitet.
  • 10A zeigt eine Schnittansicht eines integrierten Schaltkreises 100, gemäß einer Ausführungsform. Der integrierte Schaltkreis 100 weist ein Halbleitersubstrat 104 und einen dielektrischen Stapel 144 auf, der auf dem Halbleitersubstrat 104 angeordnet ist. Der integrierte Schaltkreis 100 weist außerdem eine Mehrzahl von Fotodetektoren 102 auf. Die Fotodetektoren 102 können Ausführungsformen der Fotodetektoren umfassen, die hier unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 und 9B beschrieben worden sind. Insbesondere weisen die Fotodetektoren 102 ein lichtempfindliches Material 106 und eine oder mehrere dielektrische Strukturen 108 auf, die in dem lichtempfindlichen Material 106 angeordnet sind.
  • Zusätzlich zu den Fotodetektoren 102 weist der integrierte Schaltkreis 100 gemeinsame integrierte Schaltkreisstrukturen und -komponenten auf. Zum Beispiel weist der integrierte Schaltkreis 100 Transistoren 140 auf, die zusammen mit dem Halbleitersubstrat 104 hergestellt werden. Der integrierte Schaltkreis 100 weist metallische Verbindungen 146 auf, die sich durch den dielektrischen Stapel 144 erstrecken. Die metallischen Verbindungen 146 ermöglichen eine Verbindung zwischen den Transistoren 140, den Fotodetektoren 102, Verbindungspads (nicht dargestellt) und allen anderen Schaltkreiskomponenten, die in dem integrierten Schaltkreis 100 enthalten sein können. Die Transistoren 140 können die Steuerschaltung 112 umfassen, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben worden ist. Die metallischen Verbindungen 146 ermöglichen ein Anlegen von Vorspannungen an die Fotodetektoren 102 sowie ein Lesen von Signalen von den Fotodetektoren 102.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 von 10A ist ein vorderseitig beleuchteter photonischer integrierter Schaltkreis. Eine vorderseitige Beleuchtung bezieht sich auf eine Konfiguration, bei der sich Licht über die Vorderseite des integrierten Schaltkreises 100 zu den Fotodetektoren 102 ausbreitet. Der hier verwendete Begriff „Vorderseite“ bezeichnet die Seite des integrierten Schaltkreises, die näher an den metallischen Verbindungen 146 oder dem dielektrischen Stapel 144 als an dem Halbleitersubstrat 104 ist. Im üblichen Sprachgebrauch entspricht das Haupt-Halbleitersubstrat 104 der Rückseite eines integrierten Schaltkreises, auch wenn dieser kopfüber ausgerichtet ist, sodass der dielektrische Stapel 144 näher an dem Boden ist, der das Halbleitersubstrat 104 ist.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 von 10A weist außerdem Linsen 148 auf, die auf der Vorder- oder Oberseite des integrierten Schaltkreises 100 hergestellt sind. Die Linsen 148 fokussieren das Licht 114 zu dem lichtempfindlichen Material 106 der Fotodetektoren 102. Die Linsen 148 können jede Art von Linsen sein, die üblicherweise in photonischen integrierten Schaltkreisen verwendet werden. Die Linsen 148 können Reflow-Linsen, Nicht-Reflow-Linsen, Ätzlinsen und andere Arten von Linsen sein. Die Linsen 148 des integrierten Schaltkreises 100 von 10A sind zwar als Linsen dargestellt, die auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises 100 hergestellt sind, aber sie können auch im Inneren des dielektrischen Stapels 144 angeordnet werden.
  • Der dielektrische Stapel 144 umfasst eine Mehrzahl von transparenten dielektrischen Schichten zwischen den Linsen 148 und den Fotodetektoren 102. Dadurch kann sich Licht frei durch die dielektrischen Schichten zu dem lichtempfindlichen Material 106 ausbreiten. Die metallischen Verbindungen 146 sind von dem voraussichtlichen Weg des Lichts 114 entfernt zwischen den Linsen 148 und den Fotodetektoren 102 angeordnet. Der dielektrische Stapel 144 kann die dielektrische Materialschicht 110 enthalten.
  • 10B zeigt eine Schnittansicht eines integrierten Schaltkreises 100, gemäß einer Ausführungsform. Der integrierte Schaltkreis 100 weist ein Halbleitersubstrat 104 und einen dielektrischen Stapel 144 auf, der auf dem Halbleitersubstrat 104 angeordnet ist. Der integrierte Schaltkreis 100 weist außerdem eine Mehrzahl von Fotodetektoren 102 auf. Die Fotodetektoren 102 können Ausführungsformen der Fotodetektoren umfassen, die hier unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 und 9B beschrieben worden sind. Insbesondere weisen die Fotodetektoren 102 ein lichtempfindliches Material 106 und eine oder mehrere dielektrische Strukturen 108 auf, die in dem lichtempfindlichen Material 106 angeordnet sind. Zusätzlich zu den Fotodetektoren 102 weist der integrierte Schaltkreis 100 gemeinsame integrierte Schaltkreisstrukturen und -komponenten auf, die für den integrierten Schaltkreis 100 von 10A beschrieben worden sind.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 von 10B ist ein rückseitig beleuchteter photonischer integrierter Schaltkreis. Das heißt, dass sich Licht über das Halbleitersubstrat 104 bis zu den Fotodetektoren 102 ausbreitet. Der hier verwendete Begriff „Rückseite“ bezeichnet die Seite des integrierten Schaltkreises, die näher an dem Halbleitersubstrat 104 als an dem dielektrischen Stapel 144 ist.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 von 10B hat eine Silizium-auf-Isolator-Konfiguration. Insbesondere ist eine Isolierschicht 150 mit der Rückseite des Halbleitersubstrats 104 verbunden. Der integrierte Schaltkreis 100 von 10B weist außerdem Linsen 148 auf, die in der Isolierschicht 150 hergestellt sind. Die Linsen 148 fokussieren das Licht 114 zu dem lichtempfindlichen Material 106 der Fotodetektoren 102. Die Linsen 148 können jede Art von Linsen sein, die üblicherweise in photonischen integrierten Schaltkreisen verwendet werden. Die Linsen 148 können Reflow-Linsen, Nicht-Reflow-Linsen, Ätzlinsen und andere Arten von Linsen sein. Das Licht 114 kann sich frei durch die Isolierschicht 150 und das Halbleitersubstrat 104 zu dem lichtempfindlichen Material 106 ausbreiten.
  • Der integrierte Schaltkreis 100 von 10B weist weiterhin leitfähige Stifte 152 auf. Die leitfähigen Stifte 152 sind mit Pads oder Anschlüssen des integrierten Schaltkreises 100 elektrisch verbunden. Die leitfähigen Stifte 152 stellen eine Verbindung zwischen den Pads und den Fotodetektoren 102 her.
  • 10C ist eine Schnittansicht eines photonischen Bauelements 160 gemäß einer Ausführungsform. Das photonische Bauelement 160 weist einen photonischen integrierten Schaltkreis 100 und einen integrierten CMOS-Schaltkreis 161 auf. Der photonische integrierte Schaltkreis 100 und der integrierte CMOS-Schaltkreis 161 werden mit üblichen Halbleiterwafer-Bondverfahren aneinander gebondet. Der photonische Schaltkreis 100 ist ein rückseitig beleuchteter integrierter Schaltkreis, der dem rückseitig beleuchteten integrierten Schaltkreis 100 von 10B ähnlich ist. Der photonische integrierte Schaltkreis 100 von 10C weist Linsen 148 auf, die auf einer Rückseite des Halbleitersubstrats 104 angeordnet sind. Die Linsen 148 fokussieren das Licht 114 auf das lichtempfindliche Material der Fotodetektoren 102.
  • Der integrierte CMOS-Schaltkreis 161 weist einen dielektrischen Stapel 166 und ein Halbleitersubstrat 168 auf. Der integrierte CMOS-Schaltkreis 161 weist außerdem eine Logikschaltung 180 auf. Die Logikschaltung 180 kann eine Mehrzahl von Transistoren aufweisen, die in einer komplexen Anordnung miteinander verbunden sind. Die Logikschaltung 180 kann außerdem Teile der Steuerschaltung 112 aufweisen, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben worden ist. Der integrierte CMOS-Schaltkreis 161 weist außerdem metallische Verbindungen 170 auf.
  • Durch Verwenden der Waferbondverfahren können sich Signale zwischen dem photonischen integrierten Schaltkreis 100 und dem integrierten CMOS-Schaltkreis 161 ausbreiten. Insbesondere kann die Logikschaltung 180 Vorspannungen an die Fotodetektoren 102 des photonischen integrierten Schaltkreises 100 anlegen. Außerdem kann die Logikschaltung 180 Signale von den Fotodetektoren 102 empfangen. Die Stifte 152 stellen eine Verbindung zwischen Pads oder Anschlüssen des photonischen integrierten Schaltkreises 100 und der Logikschaltung 180 her.
  • 11 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Herstellen eines integrierten Schaltkreises, gemäß einer Ausführungsform. In einem Schritt 1102 umfasst das Verfahren 1100 ein Erzeugen eines Grabens in einem Halbleitersubstrat. Ein Beispiel für das Halbleitersubstrat ist das Halbleitersubstrat 104 von 8. Ein Beispiel für einen Graben ist der Graben 120 von 8. In einem Schritt 1104 umfasst das Verfahren 1100 ein Herstellen einer oder mehrerer dielektrischer Strukturen, die aus einer Unterseite des Grabens herausragen. Ein Beispiel für die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen umfasst die dielektrischen Strukturen 108 von 8. Ein Beispiel für eine Unterseite des Grabens ist die Unterseite 122 des Grabens 120 von 8. In einem Schritt 1106 umfasst das Verfahren 1100 ein Abscheiden eines lichtempfindlichen Materials in dem Graben so, dass es die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen bedeckt, wobei das lichtempfindliche Material eine Brechzahl hat, die größer als eine Brechzahl der einen oder der mehreren dielektrischen Strukturen ist. Ein Beispiel für ein lichtempfindliches Material ist das lichtempfindliche Material 106 von 8. In einem Schritt 1108 umfasst das Verfahren 1100 ein Abscheiden einer dielektrischen Materialschicht auf dem lichtempfindlichen Material, wobei die dielektrische Materialschicht eine Brechzahl hat, die kleiner als die Brechzahl des lichtempfindlichen Materials ist. Ein Beispiel für eine dielektrische Materialschicht ist die dielektrische Materialschicht 110 von 8.
  • Bei einer Ausführungsform weist ein integrierter Schaltkreis ein Halbleitersubstrat und eine oder mehrere dielektrische Strukturen aus dielektrischem Material auf, die aus einer Oberfläche des Halbleitersubstrats herausragen. Der integrierte Schaltkreis weist außerdem ein lichtempfindliches Material auf, das auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist und die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen bedeckt. Das lichtempfindliche Material hat eine Brechzahl, die größer als eine Brechzahl des dielektrischen Materials der einen oder der mehreren dielektrischen Strukturen ist. Der integrierte Schaltkreis weist außerdem eine dielektrische Materialschicht auf, die das lichtempfindliche Material bedeckt und eine Brechzahl hat, die kleiner als eine Brechzahl des lichtempfindlichen Materials ist.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren ein Erzeugen eines Grabens in einem Halbleitersubstrat und ein Herstellen einer oder mehrerer dielektrischer Strukturen, die aus einer Unterseite des Grabens herausragen. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Abscheiden eines lichtempfindlichen Materials in dem Graben so, dass es die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen bedeckt. Das lichtempfindliche Material hat eine Brechzahl, die größer als eine Brechzahl des dielektrischen Materials der einen oder der mehreren dielektrischen Strukturen ist. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Abscheiden einer dielektrischen Materialschicht auf dem lichtempfindlichen Material, wobei das dielektrische Material der dielektrischen Materialschicht eine Brechzahl hat, die kleiner als die Brechzahl des lichtempfindlichen Materials ist.
  • Bei einer Ausführungsform weist eine Vorrichtung ein Halbleitersubstrat mit einer Mehrzahl von Gräben; und eine oder mehrere dielektrische Strukturen aus dielektrischem Material auf, die aus einer Unterseite jedes Grabens herausragen. Die Vorrichtung weist weiterhin ein lichtempfindliches Material auf, das in jedem Graben so angeordnet ist, dass es die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen bedeckt, und das eine Brechzahl hat, die größer als eine Brechzahl der einen oder der mehreren dielektrischen Strukturen ist. Die Vorrichtung weist außerdem eine Mehrzahl von Linsen auf, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie Licht auf das lichtempfindliche Material in einem jeweiligen Graben fokussieren. Die Vorrichtung weist weiterhin eine dielektrische Materialschicht auf, die das lichtempfindliche Material in jedem Graben bedeckt, wobei das dielektrische Material der dielektrischen Materialschicht eine Brechzahl hat, die kleiner als die Brechzahl des lichtempfindlichen Materials ist.

Claims (20)

  1. Integrierter Schaltkreis (100) mit: einem Halbleitersubstrat (104); einer oder mehreren dielektrischen Strukturen (108) aus dielektrischem Material, die aus einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (104) herausragen; einem lichtempfindlichen Material (106), das auf dem Halbleitersubstrat (104) angeordnet ist und die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen (108) bedeckt, wobei das lichtempfindliche Material (106) eine Brechzahl hat, die größer als eine Brechzahl des dielektrischen Materials der einen oder der mehreren dielektrischen Strukturen (108) ist; und einer dielektrischen Materialschicht (110), die das lichtempfindliche Material (106) bedeckt, wobei das dielektrische Material der dielektrischen Materialschicht (110) eine Brechzahl hat, die kleiner als eine Brechzahl des lichtempfindlichen Materials (106) ist.
  2. Schaltkreis (100) nach Anspruch 1, wobei die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen (108) Siliziumoxid oder Siliziumnitrid aufweisen.
  3. Schaltkreis (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Materialschicht (110) Siliziumoxid oder Siliziumnitrid aufweist.
  4. Schaltkreis (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lichtempfindliche Material (106) in einem Graben angeordnet ist, der in dem Halbleitersubstrat (104) erzeugt ist.
  5. Schaltkreis (100) nach Anspruch 4, wobei die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen (108) aus einer Unterseite des Grabens (120) herausragen.
  6. Schaltkreis (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen (108) eine oder mehrere Säulen umfassen, die sich von der Unterseite des Grabens (120) erstrecken.
  7. Schaltkreis (100) nach Anspruch 6, wobei die Säulen an oder unter einer Oberseite des Grabens (120) enden.
  8. Schaltkreis (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, der weiterhin einen Fotodetektor (102) mit einem dielektrischen Seitenwandbelag (130) aus dielektrischem Material aufweist, der auf einer Seitenwand des Grabens (120) in Kontakt mit dem lichtempfindlichen Material (106) angeordnet ist, wobei das dielektrische Material des dielektrischen Seitenwandbelags (130) eine Brechzahl hat, die kleiner als die Brechzahl des lichtempfindlichen Materials (106) ist.
  9. Schaltkreis (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin eine Linse aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie Licht auf das lichtempfindliche Material (106) fokussiert.
  10. Schaltkreis (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lichtempfindliche Material (106) und das Halbleitersubstrat (104) als ein Fotodetektor (102) fungieren, der Licht dadurch detektiert, dass Photonen in der lichtempfindlichen Schicht absorbiert werden, und der elektrische Signale erzeugt, die anzeigen, dass die Photonen von dem lichtempfindlichen Material (106) absorbiert werden.
  11. Schaltkreis (100) nach Anspruch 10, wobei der Fotodetektor (102) eine Fotodiode ist.
  12. Schaltkreis (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lichtempfindliche Material (106) Germanium umfasst.
  13. Verfahren mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines Grabens (120) in einem Halbleitersubstrat (104); Herstellen einer oder mehrerer dielektrischer Strukturen (108) aus dielektrischem Material, die aus einer Unterseite des Grabens (120) herausragen; Abscheiden eines lichtempfindlichen Materials (106) in dem Graben so, dass es die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen (108) bedeckt, wobei das lichtempfindliche Material (106) eine Brechzahl hat, die größer als eine Brechzahl des dielektrischen Materials der einen oder der mehreren dielektrischen Strukturen (108) ist; und Abscheiden einer dielektrischen Materialschicht (110) auf dem lichtempfindlichen Material (106), wobei das dielektrische Material der dielektrischen Materialschicht (110) eine Brechzahl hat, die kleiner als die Brechzahl des lichtempfindlichen Materials (106) ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Halbleitersubstrat (104) und das lichtempfindliche Material (106) gemeinsam eine Fotodiode bilden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, das weiterhin ein Abscheiden eines dielektrischen Seitenwandbelags (130) aus dielektrischem Material auf Seitenwänden des Grabens (120) umfasst, wobei das Abscheiden des lichtempfindlichen Materials (106) ein Bedecken des dielektrischen Seitenwandbelags (130) auf den Seitenwänden des Grabens (120) mit dem lichtempfindlichen Material (106) umfasst.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das weiterhin ein Herstellen einer Linse umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie Licht auf das lichtempfindliche Material (106) fokussiert.
  17. Vorrichtung mit: einem Halbleitersubstrat (104) mit einer Mehrzahl von Gräben (120); einer oder mehreren dielektrischen Strukturen (108) aus dielektrischem Material, die aus einer Unterseite jedes Grabens (120) herausragen; einem lichtempfindlichen Material (106), das in jedem Graben so angeordnet ist, dass es die eine oder die mehreren dielektrischen Strukturen (108) bedeckt, und das eine Brechzahl hat, die größer als eine Brechzahl des dielektrischen Materials der einen oder der mehreren dielektrischen Strukturen (108) ist; einer Mehrzahl von Linsen, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie Licht auf das lichtempfindliche Material (106) in einem jeweiligen Graben (120) fokussieren; und einer dielektrischen Materialschicht (110), die das lichtempfindliche Material (106) in jedem Graben bedeckt, wobei das dielektrische Material der dielektrischen Materialschicht (110) eine Brechzahl hat, die kleiner als die Brechzahl des lichtempfindlichen Materials (106) ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, die weiterhin einen ersten integrierten Schaltkreis mit dem Halbleitersubstrat (104) und dem lichtempfindlichen Material (106) aufweist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, die weiterhin einen zweiten integrierten Schaltkreis aufweist, der an den ersten integrierten Schaltkreis gebondet ist und eine Steuerschaltung (112) umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie in Reaktion auf Licht, das auf das lichtempfindliche Material (106) auftrifft, elektrische Signale von dem lichtempfindlichen Material (106) empfängt.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei der erste integrierte Schaltkreis eine Mehrzahl von Transistoren aufweist, die kommunikativ mit dem lichtempfindlichen Material (106) verbunden sind.
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