DE102020112915A1 - Photonische vorrichtung und verfahren mit verlängerter quanteneffektstrecke - Google Patents

Photonische vorrichtung und verfahren mit verlängerter quanteneffektstrecke Download PDF

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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

Es werden photonische Vorrichtungen und Verfahren mit einer verlängerten Quanteneffektstrecke bereitgestellt. Bei einigen Ausführungsformen weist eine photonische Vorrichtung ein Substrat mit einer ersten Fläche auf. Ein Hohlraum erstreckt sich von der ersten Fläche bis zu einer zweiten Fläche in das Substrat. Eine Halbleiterschicht ist auf der zweiten Fläche in dem Hohlraum des Substrats angeordnet, und eine Deckschicht ist auf der Halbleiterschicht angeordnet. Die Halbleiterschicht ist derart eingerichtet, dass sie durch das Substrat einfallende Strahlung empfängt und die Strahlung an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht und der Deckschicht totalreflektiert.

Description

  • Hintergrund
  • Photonische Vorrichtungen, wie etwa Bildsensoren, Fotodetektoren, Fotosensoren oder dergleichen, sind Sensoren für Licht oder andere elektromagnetische Strahlung. Diese Vorrichtungen wandeln im Allgemeinen einfallende Lichtphotonen in ein elektrisches Signal, wie etwa einen Strom, um. Das einfallende Licht kann mit einem Halbleitermaterial in Strom umgewandelt werden, das Photonen absorbiert, sodass Elektronen von dem Leitungsband des Materials in freie Elektronen übergehen können.
  • Photonische Vorrichtungen haben im Allgemeinen eine Quantenausbeute, die von den Abmessungen des Halbleitermaterials (oder des Quanteneffekt-Materials) begrenzt wird, das die Photonen absorbiert, um das elektrische Signal zu erzeugen. Die Quantenausbeute (QE) ist der Anteil von einfallenden Photonen, die an dem elektrischen Signal mitwirken.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass entsprechend der üblichen Praxis in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Vielmehr können der Übersichtlichkeit der Erörterung halber die Abmessungen der verschiedenen Elemente beliebig vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 2 zeigt eine innere Totalreflexion von Licht an einer Grenzfläche zwischen einem ersten Material mit einer ersten Brechzahl η1 und einem zweiten Material mit einer zweiten Brechzahl η2.
    • Die 3A bis 3E sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen einer Fotodetektorvorrichtung, wie etwa der in 1 gezeigten Vorrichtung, gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
    • 4 ist eine Schnittansicht, die eine Bildgebungsvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
    • 5A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung zeigt, und 5B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung von 5A gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
    • 6A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung zeigt, und 6B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung von 6A gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
    • 7A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung zeigt, und 7B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung von 7A gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
    • 8A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung zeigt, und 8B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung von 8A gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
    • 9A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung zeigt, und 9B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung von 9A gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
    • 10A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung zeigt, und 10B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung von 10A gemäß einigen Ausführungsformen zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 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 hergestellt werden können, sodass 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 gesamten Patentbeschreibung umfasst eine Bezugnahme auf Abscheidungsverfahren zum Abscheiden von dielektrischen Schichten, Metallen oder anderen Materialien solche Verfahren wie chemische Aufdampfung (CVD), chemische Aufdampfung bei Tiefdruck (LPCVD), metallorganische CVD (MOCVD), plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD), Plasma-Aufdampfung (PVD), Atomlagenabscheidung (ALD), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Elektroplattierung, stromlose Plattierung und dergleichen. Hier werden spezielle Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Beispiele für diese Verfahren beschrieben. Die vorliegende Erfindung und die Bezugnahme auf bestimmte Abscheidungsverfahren sollte jedoch nicht auf die beschriebenen beschränkt werden.
  • In der gesamten Patentbeschreibung umfasst eine Bezugnahme auf Ätzverfahren zum selektiven Entfernen von Halbleitermaterialien, dielektrischen Materialien, Metallen oder anderen Materialien solche Verfahren wie Trockenätzung, nasschemische Ätzung, reaktive Ionen(plasma)ätzung (RIE), Waschen, Nassreinigung, Vorreinigung, Sprühreinigung, chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) und dergleichen. Hier werden spezielle Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Beispiele für diese Verfahren beschrieben. Die vorliegende Erfindung und die Bezugnahme auf bestimmte Ätzverfahren sollte jedoch nicht auf die beschriebenen beschränkt werden.
  • Einige Bildsensoren, wie etwa CMOS-Bildsensoren (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter), weisen ein Halbleitersubstrat (z. B. monokristallines Silizium) und eine Matrix von Fotodetektoren auf, die in dem Halbleitersubstrat angeordnet sind. Die Fotodetektoren sind in dem Halbleitersubstrat hergestellt, und eine Schaltungsanordnung, wie etwa von Transistoren, ist auf oder in dem Halbleitersubstrat angeordnet und ist mit den Fotodetektoren elektrisch verbunden. Die Fotodetektoren sind so konfiguriert, dass sie einfallende Strahlung absorbieren und ein elektrisches Signal erzeugen, das der einfallenden Strahlung entspricht.
  • Eine Herausforderung bei Bildsensoren ist, dass einfallende Strahlung eine Weglänge (die hier als eine „Quanteneffektstrecke“ bezeichnet werden kann) hat, die von den Abmessungen der Fotodetektoren begrenzt wird. Daher haben die Fotodetektoren im Allgemeinen eine Quantenausbeute, die in ähnlicher Weise von den Abmessungen der Fotodetektoren begrenzt wird. Die Quantenausbeute (QE) ist der Anteil von einfallenden Photonen, die an dem elektrischen Signal mitwirken.
  • Ein möglicher Ansatz zum Erhöhen der Quantenausbeute von CMOS-Bildsensoren besteht darin, die Dicke des Halbleitersubstrats zu vergrößern und die Tiefe zu vergrößern, bis zu der sich die Fotodetektoren in das Halbleitersubstrat erstrecken. Durch Vergrößern der Tiefe der Fotodetektoren kann die Quanteneffektstrecke der einfallenden Strahlung, die sich durch die Fotodetektoren ausbreitet, verlängert werden, sodass die Quantenausbeute des Bildsensors verbessert wird. Dies ist jedoch bei bestehenden CMOS-Prozessen schwierig und lässt die Kosten für die Herstellung der CMOS-Bildsensoren steigen. Außerdem führt das Vergrößern der Tiefe, bis zu der sich die Fotodetektoren in das Halbleitersubstrat erstrecken, zu einer stärkeren Kreuzkopplung und einer größeren Die-Größe.
  • In Anbetracht des Vorstehenden sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung auf photonische Vorrichtungen, Strukturen und Verfahren gerichtet, bei denen eine Halbleiterschicht, die einfallende Strahlung empfängt und die empfangene Strahlung in ein elektrische Signal umwandelt, eine hohe Quantenausbeute hat. Die hohe Quantenausbeute kann durch Verlängern der Quanteneffektstrecke der durch das Halbleitermaterial empfangenen Strahlung erzielt werden, was bei einigen Ausführungsformen durch innere Totalreflexion der Strahlung in dem Halbleitermaterial ermöglicht wird.
  • 1 ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung 10 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Die Vorrichtung 10 kann bei verschiedenen Ausführungsformen jede Struktur sein, die zum Umwandeln eines optischen Signals in ein elektrisches Signal geeignet ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Vorrichtung 10 ein Fotodetektor, der in einem Bildsensor, wie etwa einem CMOS-Bildsensor, enthalten sein kann.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weist die Vorrichtung 10 ein Substrat 12 auf. Ein Hohlraum 14 erstreckt sich zum Beispiel von einer Vorderseite 16 des Substrats 12 zu einer der Vorderseite 16 gegenüberliegenden Rückseite 17 des Substrats 12 in das Substrat 12 hinein. Bei alternativen Ausführungsformen kann sich der Hohlraum 14 von der Rückseite 17 zu der Vorderseite 16 in das Substrat 12 erstrecken. Der Hohlraum 14 ist zwar mit einer rechteckigen Querschnittsform dargestellt, aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht darauf beschränkt. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 14 jede Form haben. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 14 im Großen und Ganzen eine rechteckige oder kubische Form, eine runde, abgerundete oder zylindrische Form oder eine andere geeignete Form haben.
  • Bei einigen Ausführungsformen hat der Hohlraum 14 eine Breite (z. B. entlang der in 1 gezeigten x-Achsenrichtung), die kleiner als 750 µm ist. Bei einigen Ausführungsformen hat der Hohlraum 14 eine Länge (z. B. entlang der z-Achsenrichtung), die kleiner als 750 µm ist. Bei einigen Ausführungsformen hat der Hohlraum 14 eine Höhe oder Tiefe (z. B. entlang der y-Achsenrichtung), die kleiner als 700 µm ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht darauf beschränkt, und bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 14 verschiedene andere Abmessungen und Formen haben.
  • Das Substrat 12 kann jedes geeignete Halbleitersubstrat sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 12 aus einem kristallinem Halbleitermaterial, zum Beispiel mikrokristallinem Silizium, polykristallinem Silizium oder einer anderen Art von kristallinem Halbleitermaterial hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein Siliziumsubstrat, aber Ausführungsformen, die hier offenbart werden, sind nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Substrat 12 bei verschiedenen Ausführungsformen Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC) oder ein anderes Halbleitermaterial aufweisen. Das Substrat 12 kann in Abhängigkeit von Entwurfsspezifikationen verschiedene Dotierungskonfigurationen haben. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein p-Substrat mit einer Konzentration von p-Dotanden. Bei anderen Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein n-Substrat mit einer Konzentration von n-Dotanden.
  • In dem Hohlraum 14 des Substrats 12 wird eine Halbleiterschicht 18 hergestellt. Die Halbleiterschicht 18 kann aus einem Halbleitermaterial hergestellt werden, das zum Absorbieren von Strahlung (z. B. von einfallendem Licht) und zum Erzeugen eines elektrischen Signals auf Grund der absorbierten Strahlung geeignet ist. Bei einigen Ausführungsformen wird die Halbleiterschicht 18 aus einem Halbleitermaterial hergestellt, das von einem Halbleitermaterial des Substrats 12 verschieden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Halbleiterschicht 18 eine epitaxiale Halbleiterschicht.
  • Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Halbleiterschicht 18 zum Beispiel aus Germanium (Ge), Siliziumgermanium (SiGe), einem III-V-Halbleitermaterial oder einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial oder einem anderen Halbleitermaterial hergestellt werden, das zum Absorbieren von Strahlung und zum Erzeugen eines elektrischen Signals auf Grund der absorbierten Strahlung geeignet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Halbleiterschicht 18 aus einem Halbleitermaterial hergestellt werden, das einen kleinen Energiebandabstand hat, wobei der kleine Energiebandabstand zum Beispiel kleiner als etwa 1 eV sein kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die Halbleiterschicht 18 einen Energiebandabstand haben, der kleiner als ein Energiebandabstand des Substrats 12 ist.
  • Das elektrische Signal, das von der Halbleiterschicht 18 erzeugt wird, kann zum Beispiel aus Elektron-Loch-Paaren resultieren, die in Reaktion auf ein Absorbieren von Photonen einer Strahlung 30 erzeugt werden.
  • Wie in 1 gezeigt ist, weist die Halbleiterschicht 18 Seitenflächen 19, eine Oberseite 21 und eine oder mehrere Abschrägungen oder abgewinkelte Flächen 23 auf, die sich zwischen den Seitenflächen 19 und der Oberseite 21 erstrecken. Die Seitenflächen 19 der Halbleiterschicht 18 können von entsprechenden Seitenwänden des Substrats 12 in dem Hohlraum 14 beabstandet sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen hat die Halbleiterschicht 18 eine Höhe (z. B. entlang der in 1 gezeigten y-Achsenrichtung), die größer als die Tiefe des Hohlraums 14 ist. Wie in 1 gezeigt ist, kann sich zum Beispiel zumindest ein Teil der Halbleiterschicht 18 in der y-Achsenrichtung über die Vorderseite 16 des Substrats 12 hinaus erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen kann die Höhe der Halbleiterschicht 18 kleiner als 750 µm sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Höhe der Halbleiterschicht 18 kleiner als 500 µm, kleiner als 300 µm oder kleiner als 200 µm sein. Wie später näher dargelegt wird, kann die Höhe der Halbleiterschicht 18 um mehrere Größenordnungen reduziert werden, wobei eine gute Quanteneffektstrecke auf Grund der inneren Totalreflexion der Strahlung in der Halbleiterschicht 18 bereitgestellt wird. Das heißt, auf Grund der inneren Totalreflexion der Strahlung in der Halbleiterschicht 18 können die Höhe sowie andere Abmessungen der Halbleiterschicht 18 im Vergleich zu Strukturen, bei denen die Strahlung nicht totalreflektiert wird, erheblich reduziert werden. Die Halbleiterschicht 18 kann eine Breite (z. B. entlang der x-Achsenrichtung) haben, die kleiner als die Breite des Hohlraums 14 ist.
  • Die Vorrichtung 10 weist weiterhin eine Deckschicht 20 auf der Halbleiterschicht 18 und dem Substrat 12 auf. Die Deckschicht 20 bedeckt die Halbleiterschicht 18. Wie in 1 gezeigt ist, bedeckt die Deckschicht 20 zum Beispiel die Oberseite 21, die abgewinkelten Flächen 23 und die Seitenflächen 19 der Halbleiterschicht 18. Bei einigen Ausführungsformen kontaktiert die Deckschicht 20 direkt die Oberseite 21, die abgewinkelten Flächen 23 und die Seitenflächen 19 der Halbleiterschicht 18. Bei einigen Ausführungsformen umschließt die Deckschicht 20 die Halbleiterschicht 18 vollständig, mit Ausnahme einer Fläche der Halbleiterschicht 18, die das Substrat 12 kontaktiert (z. B. mit Ausnahme der Unterseite der in 1 gezeigten Halbleiterschicht 18).
  • Die Vorrichtung 10 kann weiterhin Seitenwand-Abstandshalter 22 aufweisen, die sich zwischen Seitenwänden des Substrats 12 erstrecken und zu den Seitenflächen 19 der Halbleiterschicht 18 zeigen. Die Seitenwand-Abstandshalter 22 können aus einem dielektrischen Material hergestellt werden, und bei einigen Ausführungsformen werden die Seitenwand-Abstandshalter 22 aus dem gleichen Material wie die Deckschicht 20 hergestellt.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die Seitenwand-Abstandshalter 22 Teile der Deckschicht 20 sein. Das heißt, Teile der Deckschicht 20 können sich in Zwischenräume zwischen den Seitenwänden des Substrats 12 und den Seitenflächen 19 der Halbleiterschicht 18 erstrecken.
  • Bei einigen Ausführungsformen haben die Seitenwand-Abstandshalter 22 eine Breite (zwischen den Seitenwänden des Substrats 12 und den einander gegenüberliegenden Seitenflächen 19 der Halbleiterschicht 18), die dazu geeignet ist, ein Aufwachsen der Halbleiterschicht 18 auf oder von den Seitenwänden des Substrats 12 zum Beispiel während der Herstellung der Halbleiterschicht 18 zu verhindern oder zu erschweren. Bei einigen Ausführungsformen ist die Breite der Seitenwand-Abstandshalter 22 kleiner als 50 µm. Bei einigen Ausführungsformen ist die Breite der Seitenwand-Abstandshalter 22 kleiner als 10 µm. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Breite der Seitenwand-Abstandshalter 22 50 nm bis einschließlich 10 µm.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht 20 ein Deckfilm sein und kann aus einem elektrisch isolierenden oder dielektrischen Material hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die Deckschicht 20 aus Siliziumoxid (SiOx), Siliziumoxidnitrid (SiON), Siliziumnitrid (SiN) oder dergleichen hergestellt oder sie weist dieses auf. In ähnlicher Weise können die Seitenwand-Abstandshalter 22 aus einem elektrisch isolierenden oder dielektrischen Material, wie etwa Siliziumoxid (SiOx), Siliziumoxidnitrid (SiON), Siliziumnitrid (SiN) und/oder dergleichen, hergestellt werden.
  • Die Vorrichtung 10 kann weiterhin eine dielektrische Schicht 24 zwischen der Deckschicht 20 und der Vorderseite 16 des Substrats 12 aufweisen. Die dielektrische Schicht 24 kann aus einem dielektrischen Material hergestellt werden oder dieses aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht 24 aus einem Oxid oder einem Nitrid, wie etwa Siliziumoxid (SiOx), Siliziumoxidnitrid (SiON), Siliziumnitrid (SiN) oder dergleichen, hergestellt oder sie weist dieses auf. Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich die dielektrische Schicht 24 direkt zwischen der Vorderseite 16 des Substrats 12 und der Deckschicht 20. Die dielektrische Schicht 24 kann Ränder haben, die zu den Seitenflächen des Hohlraums 14 in dem Substrat 12 ausgerichtet sind, wie in 1 gezeigt ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen hat die Halbleiterschicht 18 eine Brechzahl η1, die größer als eine Brechzahl η2 der Deckschicht 20 ist. Dies ermöglicht eine innere Totalreflexion der Strahlung 30 (z. B. Licht) in der Halbleiterschicht 18. Wie in 1 gezeigt ist, kann die Strahlung 30 an der Rückseite 17 des Substrats 12 empfangen werden und kann durch das Substrat 12 durchgelassen werden und in die Halbleiterschicht 18 eintreten. Zum Beispiel kann die Strahlung 30 an der Grenzfläche zwischen den abgewinkelten Flächen 23 der Halbleiterschicht 18 und der Deckschicht 20 totalreflektiert werden. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Brechzahl η1 der Halbleiterschicht 18 1 bis 10, und die Brechzahl η2 der Deckschicht 20 beträgt 0 bis 9, wobei die Brechzahl η2 der Deckschicht 20 kleiner als die Brechzahl η1 der Halbleiterschicht 18 ist. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Brechzahl η1 der Halbleiterschicht 18 2 bis 6, und die Brechzahl η2 der Deckschicht 20 beträgt 0 bis 2.
  • Nachstehend wird die innere Totalreflexion unter Bezugnahme auf 2 näher beschrieben. 2 zeigt die innere Totalreflexion von Licht an einer Grenzfläche 101 zwischen einem ersten Material 102 mit einer ersten Brechzahl η1 und einem zweiten Material 104 mit einer zweiten Brechzahl η2. Das erste Material 102 kann die Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 10 darstellen, und das zweite Material 104 kann die Deckschicht 20 darstellen.
  • Eine innere Totalreflexion tritt auf, wenn ein Einfallswinkel des Lichts größer als ein kritischer Winkel θc ist. Der kritische Winkel θc ist der kleinste Einfallswinkel, der zu einer Totalreflexion führt. Für eine Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen (z. B. die Grenzfläche 101 zwischen dem ersten Material 102 und dem zweiten Material 104) wird der kritische Winkel θc durch die folgende Gleichung angegeben: θ c = arcsin ( n 2 / n 1 ) .
    Figure DE102020112915A1_0001
    Bei Ausführungsformen, bei denen die Halbleiterschicht 18 Germanium ist und die Deckschicht 20 Siliziumoxid ist, kann die Halbleiterschicht 18 eine erste Brechzahl η1 von etwa 4 haben, und die Deckschicht 20 kann eine zweite Brechzahl η2 von etwa 1,46 haben. Dementsprechend beträgt der kritische Winkel θc 21,4°. Der kritische Winkel θc und die LichtEinfallswinkel werden in Bezug zu einer Normalen 103 zu der Grenzfläche 101 zwischen dem ersten und dem zweiten Material 102 und 104 gemessen.
  • In dem Beispiel, das in 2 gezeigt ist, wird ein erstes Licht 106, das einen Einfallswinkel θ1 hat, der kleiner als der kritische Winkel θc ist, nur teilweise an der Grenzfläche 101 zwischen dem ersten Material 102 und dem zweiten Material 104 reflektiert. Das heißt, ein erster Teil 1061 des ersten Lichts 106 wird gebrochen und in das zweite Material 104 durchgelassen, während ein zweiter Teil 1062 des ersten Lichts 106 an der Grenzfläche 101 reflektiert wird. Im Gegensatz dazu wird ein zweites Licht 108, das einen Einfallswinkel θ2 hat, der größer als der kritische Winkel θc ist, an der Grenzfläche 101 zwischen dem ersten Material 102 und dem zweiten Material 104 totalreflektiert.
  • Kehren wir wieder zu 1 zurück. Die Strahlung 30 kann an der Grenzfläche zwischen den abgewinkelten Flächen 23 der Halbleiterschicht 18 und der Deckschicht 20 totalreflektiert werden. Das Vorhandensein der abgewinkelten Flächen 23 ermöglicht die innere Totalreflexion der Strahlung 30. Zum Beispiel würde ohne die abgewinkelten Flächen 23 Licht, das entlang der Richtung der Strahlung 30 durchgelassen wird, auf eine Fläche (z. B. die Oberseite der Halbleiterschicht 18) treffen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Lichts ist, und der Einfallswinkel in Bezug zu der Normalen zu dieser Fläche wäre im Wesentlichen 0°, was kleiner als der kritische Winkel ist. In diesem Fall würde das Licht nicht totalreflektiert werden, und ein Teil, wenn nicht gar der größte Teil des Lichts oder das gesamte Licht, würde in die Deckschicht 20 durchgelassen werden.
  • Andererseits kann, wie in 1 gezeigt ist, zumindest teilweise auf Grund des Vorhandenseins der abgewinkelten Flächen 23 der Halbleiterschicht 18, der Einfallswinkel der Strahlung 30 an der Grenzfläche zwischen den abgewinkelten Flächen 23 und der Deckschicht 20 größer als der kritische Winkel sein, und daher kann die Strahlung 30 in der Halbleiterschicht 18 totalreflektiert werden. Wie außerdem in 1 gezeigt ist, kann die Strahlung 30 an einer ersten abgewinkelten Fläche 23 totalreflektiert werden (wie es z. B. auf der rechten Seite gezeigt ist), und sie kann nochmals an einer zweiten abgewinkelten Fläche 23 totalreflektiert werden (wie es z. B. auf der linken Seite gezeigt ist), und dann kann die Strahlung 30 durch die Halbleiterschicht 18 zu der und durch die Vorderseite 16 des Substrats 12 durchgelassen werden.
  • Die abgewinkelten Flächen 23 haben einen Neigungswinkel θ (z. B. in Bezug zu einer Unterseite 15 des Substrats 12 in dem Hohlraum 14 oder in Bezug zu einer Horizontalen, wie gezeigt ist), der jeder Winkel sein kann, der dazu geeignet ist, eine innere Totalreflexion der Strahlung 30 an der Grenzfläche zwischen den abgewinkelten Flächen 23 und der Deckschicht 20 zu ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Neigungswinkel θ 0° bis 90°. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Neigungswinkel θ 30° bis 60°, und bei weiteren Ausführungsformen beträgt der Neigungswinkel θ 40° bis 50°
  • Auf Grund der inneren Totalreflexion der Strahlung 30 kann eine Weglänge (oder eine Quanteneffektstrecke) der Strahlung 30 in dem Halbleitermaterial 18 verlängert werden, wodurch die Quantenausbeute (QE) des Halbleitermaterials 18 steigt, da die Quanteneffektstrecke länger wird, wodurch eine Menge oder ein Anteil der Photonen in der Strahlung 30 steigt, die an dem elektrischen Signal mitwirken, das von dem Halbleitermaterial 18 erzeugt wird. Da die Strecke, die das Licht durch das Halbleitermaterial 18 zurücklegt (z. B. die Quanteneffektstrecke), auf Grund der inneren Totalreflexion des Lichts länger wird und da die Quantenausbeute in ähnlicher Weise zunimmt, können die Größe oder die Abmessungen des Halbleitermaterials 18 im Vergleich zu einer Größe oder Abmessungen eines Halbleitermaterials reduziert werden, in dem die Strahlung nicht totalreflektiert wird, wobei die gleiche Quanteneffektstrecke durch das Halbleitermaterial 18 bereitgestellt wird.
  • Das Halbleitermaterial 18 kann viele verschiedene Formen und Abmessungen haben, die so gewählt werden können, dass eine gewünschte Quanteneffektstrecke bereitgestellt wird. Die Form und die Abmessungen für das Halbleitermaterial 18, die in 1 gezeigt sind, sind lediglich als ein Beispiel gedacht, und bei anderen Ausführungsformen können verschiedene andere Formen und Abmessungen verwendet werden, wie es zum Beispiel später unter Bezugnahme auf die 5A bis 10B dargelegt wird. Außerdem ist zu beachten, dass bei verschiedenen Ausführungsformen eine innere Totalreflexion der einfallenden Strahlung an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial 18 und der Deckschicht 20 zumindest teilweise in Verbindung mit einer oder mehreren Linsen oder Mikrolinsen erzielt werden kann, die so konfiguriert sind, dass sie die einfallende Strahlung so richten oder fokussieren, dass der Neigungswinkel der Strahlung an einer oder mehreren Grenzflächen zwischen dem Halbleitermaterial 18 und der Deckschicht 20 größer als der kritische Winkel θc ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 10 so konfiguriert sein, dass sie die einfallende Strahlung 30 empfängt und sie mindestens einmal in dem Halbleitermaterial 18 totalreflektiert. Bei einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 10 so konfiguriert sein, dass sie die Strahlung 30 zum Beispiel mindestens zweimal in dem Halbleitermaterial 18 totalreflektiert, wie in 1 gezeigt ist.
  • Die 3A bis 3E sind Schnittansichten, die ein Verfahren zum Herstellen einer Fotodetektorvorrichtung, wie etwa der in 1 gezeigten Vorrichtung, gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
  • Wie in 3A gezeigt ist, wird eine dielektrische Schicht 24 auf einem Substrat 12 hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein Siliziumsubstrat, aber Ausführungsformen, die hier offenbart werden, sind nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Substrat 12 bei verschiedenen Ausführungsformen Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC) oder ein anderes Halbleitermaterial aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein p-Substrat mit einer Konzentration von p-Dotanden, und bei anderen Ausführungsformen ist das Substrat 12 ein n-Substrat mit einer Konzentration von n-Dotanden.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht 24 aus einem Oxid oder einem Nitrid, wie etwa Siliziumoxid (SiOx), Siliziumoxidnitrid (SiON), Siliziumnitrid (SiN) oder dergleichen, hergestellt oder sie weist dieses auf. Bei einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 24 mit jedem geeigneten Verfahren, wie zum Beispiel Abscheidung, Anodisierung, thermische Oxidation oder dergleichen, hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht 24 mit einem Abscheidungsverfahren hergestellt. Das Abscheidungsverfahren kann jedes geeignete Abscheidungsverfahren zum Abscheiden einer dielektrischen Schicht sein, wie zum Beispiel chemische Aufdampfung (CVD), chemische Aufdampfung bei Tiefdruck (LPCVD), plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD), Plasma-Aufdampfung (PVD), Atomlagenabscheidung (ALD) oder dergleichen. Bei einigen Ausführungsformen hat die dielektrische Schicht 24 eine Dicke von weniger als 100 µm, und bei einigen Ausführungsformen hat sie eine Dicke von weniger als 50 µm.
  • Wie in 3B gezeigt ist, wird ein Hohlraum 14 durch Entfernen von Teilen der dielektrischen Schicht 24 und des Substrats 12 erzeugt. Die Teile der dielektrischen Schicht 24 und des Substrats 12 können mit jedem geeigneten Verfahren entfernt werden, wie zum Beispiel mit einem Ätzverfahren. Bei einigen Ausführungsformen wird über Bereichen der dielektrischen Schicht 24 eine Maske hergestellt, die Teile der dielektrischen Schicht 24 unbedeckt lässt, die entfernt werden sollen. Dann kann ein Ätzmittel zum Entfernen der freiliegenden Teile der dielektrischen Schicht 24 sowie von Teilen des Substrats 12 unter der dielektrischen Schicht 24 verwendet werden. Es kann jedes geeignete Ätzmittel verwendet werden, wie zum Beispiel jedes geeignete Trocken- oder Nassätzmittel, wie etwa Fluorwasserstoffsäure. Anschließend kann die Maske entfernt werden, sodass die dielektrische Schicht 24 auf der Vorderseite 16 des Substrats 12 zurückbleibt.
  • Der Hohlraum 14 kann jede geeignete Form haben. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 14 im Großen und Ganzen eine rechteckige oder kubische Form, eine runde, abgerundete oder zylindrische Form haben. Bei einigen Ausführungsformen können in dem Hohlraum 14 eine oder mehrere abgewinkelte Flächen zum Beispiel zwischen Seitenwänden und einer Unterseite des Hohlraums 14 hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen hat der Hohlraum 14 eine Breite, die kleiner als 750 µm ist. Bei einigen Ausführungsformen hat der Hohlraum 14 eine Länge, die kleiner als 750 µm ist. Bei einigen Ausführungsformen hat der Hohlraum 14 eine Höhe oder Tiefe, die kleiner als 700 µm ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht darauf beschränkt, und bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 14 verschiedene andere Abmessungen und Formen haben.
  • Wie in 3C gezeigt ist, werden Seitenwand-Abstandshalter 22 auf Seitenwänden des Substrats 12 in dem Hohlraum 14 hergestellt. Die Seitenwand-Abstandshalter 22 können mit jedem geeigneten Verfahren, wie zum Beispiel Abscheidung, Anodisierung, thermische Oxidation oder dergleichen, hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Seitenwand-Abstandshalter 22 durch thermische Oxidation so hergestellt werden, dass eine dünne Oxidschicht (z. B. Siliziumdioxid) auf den freiliegenden Flächen des Substrats 12 in dem Hohlraum 14 entsteht. Bei einem thermischen Oxidationsprozess wird ein Oxidationsmittel gezwungen, bei einer entsprechend hohen Temperatur in das Substrat 12 einzudiffundieren, sodass das Oxidationsmittel mit dem Substrat 12 zu der Oxidschicht reagiert. Bei einigen Ausführungsformen werden Teile des Oxids auf anderen Flächen des Substrats 12 als auf den Seitenwänden (z. B. Teile auf einem Boden des Hohlraums 14 oder auf einer Oberseite des Substrats 12) entfernt, sodass nur das Oxid auf den Seitenwänden des Substrats 12 zurückbleibt, die die Seitenwand-Abstandshalter 22 bilden. Die Teile des Oxids können mit jedem geeigneten Verfahren, wie zum Beispiel mit einem anisotropen Ätzprozesses, entfernt werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen haben die Seitenwand-Abstandshalter 22 eine Breite, die dazu geeignet ist, ein Aufwachsen der später hergestellten Halbleiterschicht 18 auf oder von den Seitenwänden des Substrats 12 zum Beispiel während der Herstellung der Halbleiterschicht 18 zu verhindern oder zu erschweren. Bei einigen Ausführungsformen ist die Breite der Seitenwand-Abstandshalter 22 kleiner als 50 µm. Bei einigen Ausführungsformen ist die Breite der Seitenwand-Abstandshalter 22 kleiner als 10 µm. Bei einigen Ausführungsformen beträgt die Breite der Seitenwand-Abstandshalter 22 50 nm bis einschließlich 10 µm.
  • Bei einigen Ausführungsformen können sich die Seitenwand-Abstandshalter 22 von einem Boden oder einer Unterseite 15 des Substrats 12 in dem Hohlraum 14 bis zu einer Ebene erstrecken, die im Wesentlichen koplanar mit einer Oberseite des Substrats 12 ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht darauf beschränkt, und bei verschiedenen Ausführungsformen können die Seitenwand-Abstandshalter 22 Oberseiten haben, die sich über oder unter einer Ebene der Oberseite des Substrats 12 befinden.
  • Wie in 3D gezeigt ist wird in dem Hohlraum 14 des Substrats 12 eine Halbleiterschicht 18 hergestellt. Die Halbleiterschicht 18 kann aus einem Halbleitermaterial hergestellt werden, das zum Absorbieren von Strahlung (z. B. von einfallendem Licht) und zum Erzeugen eines elektrischen Signals auf Grund der absorbierten Strahlung geeignet ist. Bei einigen Ausführungsformen wird die Halbleiterschicht 18 aus einem Halbleitermaterial hergestellt, das von einem Halbleitermaterial des Substrats 12 verschieden ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die Halbleiterschicht 18 eine epitaxiale Halbleiterschicht, die aus Germanium (Ge), Siliziumgermanium (SiGe), einem III-V-Halbleitermaterial oder einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial oder einem anderen Halbleitermaterial hergestellt wird, das zum Absorbieren von Strahlung und zum Erzeugen eines elektrischen Signals auf Grund der absorbierten Strahlung geeignet ist.
  • Die Halbleiterschicht 18 kann von der freiliegenden Oberfläche des Substrats 12 in dem Hohlraum 14 (z. B. von der Unterseite oder dem Boden des Hohlraums 14) epitaxial aufgewachsen werden. Die Seitenwand-Abstandshalter 22 verhindern oder erschweren ein Aufwachsen der Halbleiterschicht 18 von den Seitenwänden des Substrats 12, sodass die Halbleiterschicht 18 von der Unterseite des Substrats 12 in dem Hohlraum 14 nach oben wächst und durch die Seitenwand-Abstandshalter 22 von den Seitenwänden des Substrats 12 beabstandet wird. Das Wachstum der Halbleiterschicht 18 kann von den Seitenwand-Abstandshaltern 22 seitlich begrenzt werden. An der Oberseite der Seitenwand-Abstandshalter 22 bildet die Halbleiterschicht 18 eine oder mehrere Abschrägungen oder abgewinkelte Flächen 23, die sich zwischen den Seitenflächen 19 und der Oberseite 21 der Halbleiterschicht 18 erstrecken. Die Halbleiterschicht 18 kann aus einer kristallinen Struktur hergestellt werden, die naturgemäß facettenartig wächst, sodass die abgewinkelten Flächen 23 entstehen, nachdem die Halbleiterschicht 18 nach außen über die Oberseite der Seitenwand-Abstandshalter 22 hinaus aufgewachsen worden ist.
  • Die Formen (z. B. die abgewinkelten Flächen 23) der Halbleiterschicht 18 sind eine Folge der Kristallstruktur des Materials der Halbleiterschicht 18 und der Oberflächen-Energie sowie der allgemeinen Bedingungen, unter denen der Kristall entsteht. In Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie etwa von gewählten oder gewünschten Aufwachsbedingungen (z. B. Temperatur, Feuchte, Druck usw.), der Kristallorientierung der Fläche, auf der die Halbleiterschicht 18 aufgewachsen wird (z. B. der freiliegenden Oberfläche des Substrats 12 in dem Hohlraum 14), der mechanischen Spannung von dem Substrat 12, den relativen Energien unterschiedlicher Ebenen und dergleichen, können der Halbleiterschicht 18 verschiedene Formen verliehen werden.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird die Halbleiterschicht 18 so hergestellt, dass sie eine Höhe hat, die größer als die Tiefe des Hohlraums 14 ist, und ein Teil der Halbleiterschicht 18 kann sich nach außen (z. B. in der y-Achsenrichtung) über die Vorderseite 16 des Substrats 12 hinaus erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen kann die Höhe der Halbleiterschicht 18 kleiner als 750 µm sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Höhe der Halbleiterschicht 18 kleiner als 500 µm, kleiner als 300 µm oder kleiner als 200 µm sein.
  • Wie in 3E gezeigt ist, wird eine Deckschicht 20 auf der Halbleiterschicht 18 hergestellt. Die Deckschicht 20 kann mit jedem geeigneten Verfahren, wie zum Beispiel Abscheidung, Anodisierung, thermische Oxidation oder dergleichen, hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die Deckschicht 20 mit einem Abscheidungsverfahren hergestellt. Das Abscheidungsverfahren kann jedes geeignete Abscheidungsverfahren zum Abscheiden einer dielektrischen Schicht sein, wie zum Beispiel chemische Aufdampfung (CVD), chemische Aufdampfung bei Tiefdruck (LPCVD), plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD), Plasma-Aufdampfung (PVD), Atomlagenabscheidung (ALD) oder dergleichen.
  • Die Deckschicht 20 kann so hergestellt werden, dass sie die Halbleiterschicht 18 bedeckt. Zum Beispiel kann die Deckschicht 20 so hergestellt werden, dass sie die Oberseite 21, die abgewinkelten Flächen 23 und die Seitenflächen 19 der Halbleiterschicht 18 bedeckt. Bei einigen Ausführungsformen kontaktiert die Deckschicht 20 direkt die Oberseite 21, die abgewinkelten Flächen 23 und die Seitenflächen 19 der Halbleiterschicht 18. Bei einigen Ausführungsformen umschließt die Deckschicht 20 die Halbleiterschicht 18 vollständig, mit Ausnahme einer Fläche der Halbleiterschicht 18, die das Substrat 12 kontaktiert (z. B. mit Ausnahme der Unterseite der Halbleiterschicht 18).
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht 20 ein Deckfilm sein und kann aus einem elektrisch isolierenden oder dielektrischen Material hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen wird die Deckschicht 20 aus Siliziumoxid (SiOx), Siliziumoxidnitrid (SiON), Siliziumnitrid (SiN) oder dergleichen hergestellt oder sie weist dieses auf. Bei einigen Ausführungsformen kann die Deckschicht 20 aus dem gleichen Material wie die Seitenwand-Abstandshalter 22 hergestellt werden.
  • Die 3A bis 3E zeigen zwar ein Verfahren zum Herstellen einer Fotodetektorvorrichtung, wie etwa der in 1 gezeigten Vorrichtung 10, aber es dürfte wohlverstanden sein, dass bei verschiedenen Ausführungsformen das in den 3A bis 3E dargestellte Verfahren auch implementiert werden kann, um eine Mehrzahl von Fotodetektorvorrichtungen, wie etwa eine Matrix von Fotodetektoren oder Pixeln, herzustellen. Zum Beispiel können mit dem dargestellten Verfahren mehrere Fotodetektoren zueinander benachbart, z. B. in einer Matrix, hergestellt werden.
  • 4 ist eine Schnittansicht, die eine Bildgebungsvorrichtung 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Bildgebungsvorrichtung 100 kann jede Vorrichtung sein, die empfangene Strahlung in ein elektrisches Signal umwandelt, und bei einigen Ausführungsformen kann die Bildgebungsvorrichtung 100 ein Bildsensor, wie etwa ein CMOS-Bildsensor, sein.
  • Die Bildgebungsvorrichtung 100 weist einen photonischen Wafer 102 und einen CMOS-Wafer 202 auf. Der photonische Wafer 102 weist eine Mehrzahl von Fotodetektoren 110 auf, die in einem Substrat 112 hergestellt sind. Das Substrat 112 kann im Wesentlichen gleich dem oder identisch mit dem Substrat 12 sein, und die Fotodetektoren 110 können im Wesentlichen gleich der oder identisch mit der Vorrichtung 10 sein, die in den 1 bis 3E gezeigt ist und unter Bezugnahme auf diese beschrieben worden ist. Zum Beispiel können die Fotodetektoren 110 jeweils eine Halbleiterschicht aufweisen, die in einem Hohlraum in dem Substrat 112 hergestellt ist, und die Halbleiterschicht kann eine oder mehrere Abschrägungen oder abgewinkelte Flächen aufweisen, die eine Quanteneffektstrecke eines empfangenen Lichts 111 funktionsfähig verlängern können. Es ist zwar in 4 nicht explizit dargestellt, aber die Fotodetektoren 110 weisen eine Deckschicht auf, wie etwa die Deckschicht 20, die die Halbleiterschicht bedeckt, wobei die Halbleiterschicht eine Brechzahl haben kann, die größer als eine Brechzahl der Deckschicht ist.
  • Die Fotodetektoren 110 des photonischen Wafers 102 können als eine Pixelmatrix von Fotodetektoren hergestellt werden. Zum Beispiel können die Fotodetektoren 110 als eine Matrix mit Zeilen und Spalten der Fotodetektoren 110 angeordnet werden. Die Bildgebungsvorrichtung 100 kann eine rückseitige Belichtungsvorrichtung sein, wobei Strahlung auf einer Rückseite des photonischen Wafers 102 empfangen wird, wie gezeigt ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen wird eine dielektrische Schicht 134 auf einer Rückseite des Substrats 20 des photonischen Wafers 102 hergestellt. Auf der dielektrischen Schicht 134 können optische Linsen 136 hergestellt werden, die so konfiguriert sind, dass sie das empfangene Licht 111 auf einen jeweiligen Fotodetektor 110 fokussieren. Bei einigen Ausführungsformen sind die optischen Linsen 136 Mikrolinsen, wobei jede der Mikrolinsen eine Breite hat, die ähnlich der Breite der Fotodetektoren 110 (und bei einigen Ausführungsformen etwas größer als diese) ist.
  • Auf einer Rückseite der Fotodetektoren 110 wird eine Verbindungsstruktur 138 hergestellt, die eine Rückseite des photonischen Wafers 102 bildet. Die Verbindungsstruktur 138 umfasst eine Zwischenschichtdielektrikum-Schicht (ILD-Schicht) 140 und eine Mehrzahl von Metallschichten 142, die verschiedene Verdrahtungsschichten, Durchkontaktierungen oder leitfähige Pfade zum Übertragen von elektrischen Ladungen bilden können, die von den Fotodetektoren 110 empfangen werden. Die ILD-Schicht 140 kann zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein Low-k-Dielektrikum, wie etwa Fluorsilicatglas (FSG), ein anderes Dielektrikum oder eine Kombination davon sein. Ein Low-k-Dielektrikum ist ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante k, die niedriger als etwa 3,9, 3,0, 2,0 oder 1,0 ist.
  • Die Metallschichten 142 sind wechselnd in der ILD-Schicht 140 zum Beispiel mit Metallleitungen und Durchkontaktierungen angeordnet, die die Metallleitungen miteinander elektrisch verbinden. Die Metallschichten 142 können aus einem leitfähigen Material hergestellt werden, wie zum Beispiel Aluminium-Kupfer, Kupfer, Aluminium, Wolfram, einem anderen leitfähigen Material oder einer Kombination davon. Die Metallschichten 142 verbinden die Fotodetektoren 110 elektrisch mit Bondpads 144 auf einer Vorderseite des photonischen Wafers 102. Dadurch können die Metallschichten 142 elektrische Signale, die von den Fotodetektoren 110 empfangen werden, an die Bondpads 144 senden. Die Bondpads 144 können aus jedem leitfähigen Material hergestellt werden und werden bei einigen Ausführungsformen aus Aluminium-Kupfer, Aluminium-Germanium, Kupfer-Zinn, einem anderen leitfähigen Material oder einer Kombination davon hergestellt.
  • Der CMOS-Wafer 202 weist ein Substrat 212 und eine elektrische Schaltung 250 auf, die in oder auf dem Substrat 212 hergestellt ist. Das Substrat 212 kann jedes geeignete Halbleitersubstrat sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 212 aus einem kristallinen Material, zum Beispiel aus mikrokristallinem Silizium, polykristallinem Silizium oder einer anderen Art von kristallinem Halbleitermaterial, hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 212 ein Siliziumsubstrat, aber Ausführungsformen, die hier offenbart werden, sind darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Substrat 212 bei verschiedenen Ausführungsformen Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC) oder ein anderes Halbleitermaterial aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 212 im Wesentlichen das Gleiche wie das Substrat 112 des photonischen Wafers 102 sein.
  • Die elektrische Schaltung 250 ist so konfiguriert, dass sie die elektrischen Signale, die von den Fotodetektoren 110 in Reaktion auf das Empfangen des Lichts 111 erzeugt werden, empfängt und verarbeitet. Die elektrische Schaltung 250 kann zum Beispiel Logik- oder Speichervorrichtungen aufweisen, die so konfiguriert sind, dass sie Daten lesen oder speichern, die von den Fotodetektoren 110 in Reaktion auf das einfallende Licht 111 erzeugt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die elektrische Schaltung 250 Pixeltransistoren aufweisen, die den Fotodetektoren 110 entsprechen, um ein Auslesen der Fotodetektoren 110 zu ermöglichen.
  • Der CMOS-Wafer 202 weist eine Verbindungsstruktur 238 auf dem Substrat 212 auf. Die Verbindungsstruktur 238 kann im Wesentlichen der Verbindungsstruktur 138 des photonischen Wafers 102 ähnlich sein. Zum Beispiel kann die Verbindungsstruktur 238 eine ILD-Schicht 240 und eine Mehrzahl von Metallschichten 242 umfassen, die verschiedene Verdrahtungsschichten, Durchkontaktierungen oder leitfähige Pfade zum Senden der elektrischen Ladungen, die von den Fotodetektoren 110 empfangen werden, an die elektrische Schaltung 250 bilden können. Die ILD-Schicht 240 kann zum Beispiel Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein Low-k-Dielektrikum, wie etwa Fluorsilicatglas (FSG), ein anderes Dielektrikum oder eine Kombination davon sein.
  • Die Metallschichten 242 sind wechselnd in der ILD-Schicht 240 zum Beispiel mit Metallleitungen und Durchkontaktierungen angeordnet, die die Metallleitungen miteinander elektrisch verbinden. Die Metallschichten 242 können aus einem leitfähigen Material hergestellt werden, wie zum Beispiel Aluminium-Kupfer, Kupfer, Aluminium, Wolfram, einem anderen leitfähigen Material oder einer Kombination davon. Die Metallschichten 242 verbinden Bondpads 244 auf einer Rückseite des CMOS-Wafers 202 elektrisch mit der elektrischen Schaltung 250.
  • Der photonische Wafer 102 wird mit einem geeigneten Bondverfahren, wie etwa durch Verwenden eines oder mehrerer Bondmaterialien, Klebstoffe oder dergleichen, physisch an den CMOS-Wafer 202 gebondet. Nach dem Bonden sind die Bondpads 144 des photonischen Wafers 102 zu entsprechenden Bondpads 244 des CMOS-Wafers 202 ausgerichtet und sind mit diesen elektrisch verbunden. Dementsprechend senden die Metallschichten 242 des CMOS-Wafers 202 elektrische Signale (die mittels der Bondpads 244 von den Fotodetektoren 110 empfangen werden) von den Bondpads 244 funktionsfähig an die elektrische Schaltung 250. Die Bondpads 244 können aus jedem leitfähigen Material hergestellt werden, und bei einigen Ausführungsformen werden sie aus Aluminium-Kupfer, Aluminium-Germanium, Kupfer-Zinn, einem anderen leitfähigen Material oder einer Kombination davon hergestellt.
  • 5A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung 10 zeigt, und 5B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung 10 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Vorrichtung 10, die in den 5A und 5B gezeigt ist, ist die Vorrichtung 10, die in 1 gezeigt ist und unter Bezugnahme auf diese beschrieben worden ist. Die vorstehend beschriebenen Strukturelemente der Vorrichtung 10 werden hier der Kürze halber unter Bezugnahme auf die 5A und 5B nicht nochmals beschrieben.
  • Wie in 5A gezeigt ist, umfasst eine optische Weglänge (oder Quanteneffektstrecke) der einfallenden Strahlung 30 in der Halbleiterschicht 18 ein erstes Segment 31, ein zweites Segment 32 und ein drittes Segment 33. Die einfallende Strahlung 30 breitet sich entlang dem ersten Segment 31 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine erste abgewinkelte Fläche 23 (die z. B. auf der rechten Seite von 5A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 an der Grenzfläche zwischen der ersten abgewinkelten Fläche 23 und der Deckschicht 20 totalreflektiert wird. Die totalreflektierte Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem zweiten Segment 32 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine zweite abgewinkelte Fläche 23 (die z. B. auf der linken Seite von 5A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 erneut totalreflektiert werden kann, und an dieser Stelle breitet sich die Strahlung 30 entlang dem dritten Segment 33 der Quanteneffektstrecke aus und kann durch das Substrat 12 austreten. Die innere Totalreflexion der Strahlung 30 in der Halbleiterschicht 18 verlängert somit die Quanteneffektstrecke im Vergleich zu Strukturen, in denen die Strahlung nicht totalreflektiert wird. Wie in 5A gezeigt ist, kann die einfallende Strahlung 30 an zwei Grenzflächen in der Halbleiterschicht 18 totalreflektiert werden, z. B. an Grenzflächen zwischen jeder der abgewinkelten Flächen 23 und der Deckschicht 20.
  • 6A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung 310 zeigt, und 6B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung 310 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Vorrichtung 310, die in den 6A und 6B gezeigt ist, ist in vielerlei Hinsicht der Vorrichtung 10 ähnlich, die in 1 gezeigt ist und unter Bezugnahme auf diese beschrieben worden ist. Die Beschreibung der Vorrichtung 310 konzentriert sich daher auf die Abweichungen von der zuvor beschriebenen Vorrichtung 10. Wie in den 6A und 6B gezeigt ist, weist die Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 310 abgewinkelte Flächen 325 an einer Unterseite 315 der Halbleiterschicht 18 sowie abgewinkelte Flächen 323 an einer Oberseite 321 der Halbleiterschicht 18 auf, die sich zwischen Seitenflächen 319 und der Oberseite 321 erstrecken.
  • Die abgewinkelten Flächen 323 und die Oberseite 321 sind im Wesentlichen gleich den oder identisch mit den abgewinkelten Flächen 23 bzw. der Oberseite 21 der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 10.
  • Die abgewinkelten Flächen 325 der Vorrichtung 310 erstrecken sich zwischen der Unterseite 315 und den Seitenflächen 319 der Halbleiterschicht 18. Die abgewinkelten Flächen 323 können im Wesentlichen symmetrisch (z. B. entlang der horizontalen Achse) zu den abgewinkelten Flächen 325 sein. Bei einigen Ausführungsformen haben die abgewinkelten Flächen 325 einen Neigungswinkel θ, der ein Winkel sein kann, der dazu geeignet ist, eine innere Totalreflexion einer Strahlung an der Grenzfläche zwischen den abgewinkelten Flächen 323 und der Deckschicht 20 zu ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen ist der Neigungswinkel θ der abgewinkelten Flächen 325 im Wesentlichen gleich dem Neigungswinkel der abgewinkelten Flächen 323. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Neigungswinkel θ 0° bis 90°. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Neigungswinkel θ 30° bis 60°, und bei weiteren Ausführungsformen beträgt der Neigungswinkel θ 40° bis 50°.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann ein Hohlraum 314 in dem Substrat 12, in dem die Halbleiterschicht 18 hergestellt ist, eine Form haben, die im Wesentlichen einer Form eines unteren Teils der Halbleiterschicht 18 entspricht. Zum Beispiel kann das Substrat 12 abgewinkelte Flächen 345 in dem Hohlraum 314 haben, die im Wesentlichen den abgewinkelten Flächen 325 der Halbleiterschicht 18 entsprechen.
  • Die Vorrichtung 310 kann weiterhin Seitenwand-Abstandshalter 322 aufweisen, die sich zwischen den Seitenwänden des Substrats 12 und der Halbleiterschicht 18 in dem Hohlraum 314 erstrecken, wobei die Seitenwand-Abstandshalter 322 im Wesentlichen die Gleichen wie die Seitenwand-Abstandshalter 22 sein können, die vorstehend für die Vorrichtung 10 beschrieben worden sind, und sie können aus einem dielektrischen Material hergestellt werden. Die Seitenwand-Abstandshalter 322 erstrecken sich von den Seitenwänden und den abgewinkelten Flächen 345 des Substrats 12 in dem Hohlraum 314 bis zu entsprechenden gegenüberliegenden Flächen der Halbleiterschicht 18.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 310 eine Öffnung 340 aufweisen, die sich von der Rückseite 17 des Substrats 12 in den Hohlraum 314 erstreckt, in dem die Halbleiterschicht 18 hergestellt ist. Einfallende Strahlung 30 kann direkt durch die Öffnung 340 hindurchgehen, sodass zumindest ein Teil der Strahlung 30 nicht durch das Substrat 12 hindurchgeht. Die Öffnung 340 ist optional und kann bei einigen Ausführungsformen entfallen.
  • Wie in 6A gezeigt ist, umfasst eine optische Weglänge (oder Quanteneffektstrecke) der einfallenden Strahlung 30 in der Halbleiterschicht 18 ein erstes Segment 331, ein zweites Segment 332, ein drittes Segment 333 und ein viertes Segment 334. Die einfallende Strahlung 30 kann an einer ersten unteren abgewinkelten Fläche 325 der Halbleiterschicht 18 (die z. B. auf der rechten Seite von 6A gezeigt ist) empfangen werden, und sie breitet sich entlang dem ersten Segment 331 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine erste obere abgewinkelte Fläche 323 (die z. B. auf der rechten Seite von 6A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 an einer Grenzfläche zwischen der ersten oberen abgewinkelten Fläche 323 und der Deckschicht 20 totalreflektiert wird. Die totalreflektierte Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem zweiten Segment 332 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine zweite obere abgewinkelte Fläche 323 (die z. B. auf der linken Seite von 6A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 erneut totalreflektiert werden kann. Die Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem dritten Segment 333 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine zweite untere abgewinkelte Fläche 325 der Halbleiterschicht 18 (die z. B. auf der linken Seite von 6A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 an einer Grenzfläche zwischen der zweiten unteren abgewinkelten Fläche 325 und der Deckschicht 20 oder dem Seitenwand-Abstandshalter 322 in dem Hohlraum 314 totalreflektiert wird. Die Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem vierten Segment 334 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie erneut auf die Grenzfläche zwischen der ersten unteren abgewinkelten Fläche 325 der Halbleiterschicht 18 und der Deckschicht 20 oder dem Seitenwand-Abstandshalter 322 trifft.
  • Es dürfte wohlverstanden sein, dass die Vorrichtung 310, die in den 6A und 6B gezeigt ist, mit dem in den 3A bis 3E gezeigten Verfahren mit einer oder mehreren Modifikationen hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann der Hohlraum 314 mit im Wesentlichen dem gleichen Verfahren wie dem hergestellt werden, das in 3B gezeigt ist und unter Bezugnahme darauf beschrieben worden ist, aber der Hohlraum 314 kann so hergestellt werden, dass er die abgewinkelten Flächen 345 hat. Außerdem können bei einigen Ausführungsformen Teile des Substrats 12 (z. B. durch Ätzen oder mit einem anderen geeigneten Verfahren) entfernt werden, sodass die Öffnung 340 entsteht. Die Seitenwand-Abstandshalter 322 der Vorrichtung 310 können durch thermische Oxidation hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 3C beschrieben worden ist, aber sie können sowohl auf den Seitenwänden als auch auf den abgewinkelten Flächen 345 in dem Hohlraum 314 hergestellt werden. Die Halbleiterschicht 18 kann von der freiliegenden Unterseite 315 des Substrats 12 epitaxial aufgewachsen werden, wie es unter Bezugnahme auf 3D dargelegt worden ist.
  • 7A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung 410 zeigt, und 7B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung 410 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Vorrichtung 410, die in den 7A und 7B gezeigt ist, ist in vielerlei Hinsicht der Vorrichtung 10 ähnlich, die in 1 gezeigt ist und unter Bezugnahme auf diese beschrieben worden ist. Die Beschreibung der Vorrichtung 410 konzentriert sich daher auf die Abweichungen von der zuvor beschriebenen Vorrichtung 10. Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, weist die Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 410 abgewinkelte Seitenflächen 427 auf, die sich von einer Unterseite bis zu einer Oberseite der Halbleiterschicht 18 entlang einem Seitenteil der Halbleiterschicht 18 (wie z. B. dem linken Seitenteil, der in 7B gezeigt ist) erstrecken. Die Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 410 umfasst weiterhin eine abgewinkelte Fläche 423 an einer Oberseite der Halbleiterschicht 18 entlang einem Seitenteil (z. B. dem rechten Seitenteil, der in 7B gezeigt ist), der den abgewinkelten Seitenflächen 427 gegenüberliegt.
  • Die abgewinkelte Fläche 423 der Halbleiterschicht 18 kann im Wesentlichen gleich den oder identisch mit den abgewinkelten Flächen 23 der Vorrichtung 10 von 1 und/oder den abgewinkelten Flächen 323 der Vorrichtung 310 der 6A und 6B sein, die vorstehend beschrieben worden sind.
  • Die abgewinkelten Seitenflächen 427 der Vorrichtung 410 können im Wesentlichen zueinander symmetrisch sein und können so hergestellt werden, dass sie einen Winkel haben, der dazu geeignet ist, eine innere Totalreflexion einer Strahlung an einer Grenzfläche zwischen den abgewinkelten Seitenflächen 427 und der Deckschicht 20, Teilen der Deckschicht 20 in einem Hohlraum 414 oder Seitenwand-Abstandshaltern 422 in dem Hohlraum 414 zu ermöglichen.
  • Wie in 7B gezeigt ist, umfasst eine optische Weglänge (oder Quanteneffektstrecke) der einfallenden Strahlung 30 in der Halbleiterschicht 18 ein erstes Segment 431, ein zweites Segment 432, ein drittes Segment 433, ein viertes Segment 434 und ein fünftes Segment 435. Die einfallende Strahlung 30 wird an einer Unterseite der Halbleiterschicht 18 empfangen und breitet sich entlang dem ersten Segment 431 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf die abgewinkelte Fläche 423 auf der Oberseite der Halbleiterschicht 18 trifft, wobei die Strahlung 30 an einer Grenzfläche zwischen der abgewinkelten Fläche 423 und der Deckschicht 20 totalreflektiert wird. Die totalreflektierte Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem zweiten Segment 432 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine erste abgewinkelte Seitenfläche 427 (die z. B. links vorn in 7B gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 an einer Grenzfläche zwischen der ersten abgewinkelten Seitenfläche 427 und der Deckschicht 20 oder dem Seitenwand-Abstandshalter 422 totalreflektiert werden kann. Die Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem dritten Segment 433 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine zweite abgewinkelte Seitenfläche 427 (die z. B. links hinten in 7B gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 an einer Grenzfläche zwischen der zweiten abgewinkelten Seitenfläche 427 und der Deckschicht 20 oder dem Seitenwand-Abstandshalter 422 totalreflektiert werden kann. Die Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem vierten Segment 434 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine dritte abgewinkelte Seitenfläche 427 (die z. B. rechts hinten in 7B gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 zu einer Vorderseite der Halbleiterschicht 18 totalreflektiert werden kann.
  • Es dürfte wohlverstanden sein, dass die Vorrichtung 410, die in den 7A und 7B gezeigt ist, mit dem in den 3A bis 3E gezeigten Verfahren mit einer oder mehreren Modifikationen hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann der Hohlraum 414 mit im Wesentlichen dem gleichen Verfahren wie dem hergestellt werden, das in 3B gezeigt ist und unter Bezugnahme darauf beschrieben worden ist, und der Hohlraum 414 kann eine rechteckige Form haben oder kann so hergestellt werden, dass er eine Form hat, die den Seitenflächen der Halbleiterschicht 18 entspricht, zum Beispiel mit abgewinkelten Seitenflächen in dem Hohlraum 414, die den abgewinkelten Seitenflächen 427 der Halbleiterschicht 18 entsprechen. Die Seitenwand-Abstandshalter 422 können durch thermische Oxidation hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 3C beschrieben worden ist. Die Halbleiterschicht 18 kann von der freiliegenden Unterseite 315 des Substrats 12 epitaxial aufgewachsen werden, wie es unter Bezugnahme auf 3D dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Halbleiterschicht 18 in dem Hohlraum 414 epitaxial aufgewachsen werden, und eine Bearbeitung nach dem Aufwachsen (z. B. Fotolithografie, Ätzung, Schichtablösung usw.) kann durchgeführt werden, um der Halbleiterschicht 18 eine gewünschte Form zu verleihen.
  • 8A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung 510 zeigt, und 8B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung 510 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Vorrichtung 510, die in den 8A und 8B gezeigt ist, ist in vielerlei Hinsicht der Vorrichtung 10 ähnlich, die in 1 gezeigt ist und unter Bezugnahme auf diese beschrieben worden ist. Die Beschreibung der Vorrichtung 510 konzentriert sich daher auf die Abweichungen von der zuvor beschriebenen Vorrichtung 10. Wie in den 8A und 8B gezeigt ist, weist die Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 510 eine Unterseite 515 auf dem Substrat 12 an einer Unterseite eines Hohlraums 514 auf. Untere abgewinkelte Flächen 525 erstrecken sich von der Unterseite 515 der Halbleiterschicht 18 nach außen und nach oben, und obere abgewinkelte Flächen 523 erstrecken sich von den unteren abgewinkelten Flächen 525 nach oben und nach innen.
  • Die unteren und die oberen abgewinkelten Flächen 525 und 523 der Vorrichtung 510 können im Wesentlichen zueinander symmetrisch sein und können so hergestellt werden, dass sie einen Winkel haben, der dazu geeignet ist, eine innere Totalreflexion einer Strahlung an verschiedenen Grenzflächen zwischen den unteren und den oberen abgewinkelten Flächen 525 und 523 und der Deckschicht 20, Teilen der Deckschicht 20 in dem Hohlraum 514 oder Seitenwand-Abstandshaltern 522 in dem Hohlraum 514 zu ermöglichen.
  • Wie in 8A gezeigt ist, umfasst eine optische Weglänge (oder Quanteneffektstrecke) der einfallenden Strahlung 30 in der Halbleiterschicht 18 ein erstes Segment 531, ein zweites Segment 532, ein drittes Segment 533, ein viertes Segment 534 und ein fünftes Segment 535. Die einfallende Strahlung 30 wird an einer Unterseite 515 der Halbleiterschicht 18 empfangen und breitet sich entlang dem ersten Segment 531 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine erste obere abgewinkelte Fläche 523 an der Oberseite der Halbleiterschicht 18 (die z. B. rechts oben in 8A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 an einer Grenzfläche zwischen der ersten oberen abgewinkelten Fläche 523 und der Deckschicht 20 totalreflektiert wird. Die totalreflektierte Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem zweiten Segment 532 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine zweite obere abgewinkelte Fläche 523 (die z. B. links oben in 8A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 an einer Grenzfläche zwischen der zweiten oberen abgewinkelten Fläche 523 und der Deckschicht 20 totalreflektiert werden kann. Die Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem dritten Segment 533 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine erste untere abgewinkelte Fläche 525 (die z. B. links unten in 8A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 an einer Grenzfläche zwischen der ersten unteren abgewinkelten Fläche 525 und der Deckschicht 20 oder den Seitenwand-Abstandshaltern 522 totalreflektiert werden kann. Die Strahlung 30 breitet sich dann entlang dem vierten Segment 534 der Quanteneffektstrecke aus, bis sie auf eine zweite untere abgewinkelte Fläche 525 (die z. B. rechts unten in 8A gezeigt ist) trifft, wobei die Strahlung 30 totalreflektiert werden kann und sich entlang dem fünften Segment 535 zu der ersten abgewinkelten Fläche 523 der Halbleiterschicht 18 ausbreitet, wobei die Strahlung 30 erneut totalreflektiert werden kann. Die Strahlung 30 kann weiter an den verschiedenen Grenzflächen zwischen der Halbleiterschicht 18 und der Deckschicht 20 oder den Seitenwand-Abstandshaltern 522 totalreflektiert werden.
  • Es dürfte wohlverstanden sein, dass die Vorrichtung 510, die in den 8A und 8B gezeigt ist, mit dem in den 3A bis 3E gezeigten Verfahren mit einer oder mehreren Modifikationen hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann der Hohlraum 514 mit im Wesentlichen dem gleichen Verfahren wie dem erzeugt werden, das in 3B gezeigt ist und unter Bezugnahme darauf beschrieben worden ist, aber der Hohlraum 514 kann so hergestellt werden, dass er abgewinkelte Flächen hat, die den unteren abgewinkelten Flächen 525 der Halbleiterschicht 18 entsprechen. Die Seitenwand-Abstandshalter 522 können durch thermische Oxidation hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 3C beschrieben worden ist. Die Halbleiterschicht 18 kann von der freiliegenden Unterseite 515 des Substrats 12 epitaxial aufgewachsen werden, wie es unter Bezugnahme auf 3D dargelegt worden ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Halbleiterschicht 18 in dem Hohlraum 514 epitaxial aufgewachsen werden, und eine Bearbeitung nach dem Aufwachsen (z. B. Fotolithografie, Ätzung, Schichtablösung usw.) kann durchgeführt werden, um der Halbleiterschicht 18 eine gewünschte Form zu verleihen.
  • 9A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung 610 zeigt, und 9B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung 610 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Vorrichtung 610, die in den 9A und 9B gezeigt ist, ist in vielerlei Hinsicht der Vorrichtung 10 ähnlich, die in 1 gezeigt ist und unter Bezugnahme darauf beschrieben worden ist. Die Beschreibung der Vorrichtung 610 konzentriert sich daher auf die Abweichungen von der zuvor beschriebenen Vorrichtung 10. Wie in den 9A und 9B gezeigt ist, kann die Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 610 eine im Wesentlichen umgekehrte U-Form mit Unterseiten 615 auf dem Substrat 12 an einer Unterseite eines Hohlraums 614 haben. Teile der Halbleiterschicht 18 sind in einem unteren Bereich der Halbleiterschicht 18 durch ein Segment 650 aus einem dielektrischen Material voneinander getrennt oder beabstandet, das bei einigen Ausführungsformen das gleiche Material wie das der Deckschicht 20 oder von Seitenwand-Abstandshaltern 622 sein kann.
  • Die Halbleiterschicht 18 hat äußere Seitenflächen 619, die an die Seitenwand-Abstandshalter 622 angrenzen oder diese kontaktieren, und innere Seitenflächen 627, die an das Segment 650 aus dielektrischem Material angrenzen oder dieses kontaktieren. Die Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 610 weist weiterhin abgewinkelte Flächen 623 an der Oberseite der Halbleiterschicht 18 auf, die sich zwischen den äußeren Seitenflächen 619 und einer Oberseite 621 erstrecken.
  • Die abgewinkelten Flächen 623 und die Oberseite 621 können im Wesentlichen gleich den oder identisch mit den abgewinkelten Flächen 23 bzw. der Oberseite 21 der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 10 sein.
  • Wie in 9A gezeigt ist, kann eine optische Weglänge (oder Quanteneffektstrecke) der einfallenden Strahlung 30 in der Halbleiterschicht 18 verschiedene Segmente umfassen, und die einfallende Strahlung 30 kann an verschiedenen Grenzflächen zwischen der Halbleiterschicht 18 und der Deckschicht 20, der Seitenwand-Abstandshalter 622 und/oder dem Segment 650 aus dielektrischem Material totalreflektiert werden.
  • Es dürfte wohlverstanden sein, dass die Vorrichtung 610, die in den 9A und 9B gezeigt ist, mit dem in den 3A bis 3E gezeigten Verfahren mit einer oder mehreren Modifikationen hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann der Hohlraum 614 mit im Wesentlichen dem gleichen Verfahren wie dem erzeugt werden, das in 3B gezeigt ist und unter Bezugnahme darauf beschrieben worden ist. Die Seitenwand-Abstandshalter 622 können durch thermische Oxidation hergestellt werden, wie es unter Bezugnahme auf 3C beschrieben worden ist, und das Segment 650 aus dielektrischem Material kann mit jedem geeigneten Verfahren, wie zum Beispiel durch thermische Oxidation oder dergleichen, hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Segment 650 aus dielektrischem Material durch Herstellen einer dielektrischen Schicht (z. B. durch Abscheidung, Oxidation oder mit einem anderen geeigneten Verfahren) in dem Hohlraum 614 hergestellt werden (was in dem gleichen Prozess wie die Herstellung der Seitenwand-Abstandshalter 622 erfolgen kann), und Teile der dielektrischen Schicht können selektiv entfernt werden (z. B. durch Ätzen), um das Segment 650 aus dielektrischem Material herzustellen. Die Halbleiterschicht 18 kann von den freiliegenden Unterseiten 615 des Substrats 12 epitaxial aufgewachsen werden, wie es unter Bezugnahme auf 3D dargelegt worden ist.
  • 10A ist eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung 710 zeigt, und 10B ist eine perspektivische Darstellung, die eine Halbleiterschicht der Vorrichtung 710 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Vorrichtung 710, die in den 10A und 10B gezeigt ist, ist außer den nachstehend genannten Unterschieden im Wesentlichen die Gleiche wie die Vorrichtung 610, die in den 9A und 9B gezeigt ist und unter Bezugnahme darauf beschrieben worden ist. Insbesondere besteht der Unterschied zwischen der Vorrichtung 710 der 10A und 10B und der Vorrichtung 610 der 9A und 9B darin, dass die Vorrichtung 710 nicht die abgewinkelten Flächen 623 aufweist. Stattdessen hat die Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 710 eine Oberseite 721, die sich zwischen äußeren Seitenflächen 719 erstreckt.
  • Wie in 10A gezeigt ist, kann eine optische Weglänge (oder Quanteneffektstrecke) der einfallenden Strahlung 30 in der Halbleiterschicht 18 verschiedene Segmente umfassen, und die einfallende Strahlung 30 kann an verschiedenen Grenzflächen zwischen der Halbleiterschicht 18 und der Deckschicht 20, Seitenwand-Abstandshaltern 722 und/oder einem Segment 750 aus dielektrischem Material totalreflektiert werden.
  • Die Vorrichtung 710 kann in einer im Wesentlichen ähnlichen Weise hergestellt werden, wie es für die Herstellung der Vorrichtung 610 beschrieben worden ist, aber es werden keine abgewinkelten Flächen in dem oberen Teil der Vorrichtung 710 hergestellt. Stattdessen kann die Oberseite 721 der Vorrichtung 710 zum Beispiel durch epitaxiales Aufwachsen der Halbleiterschicht hergestellt werden, oder es kann eine Bearbeitung nach dem Aufwachsen (z. B. Fotolithografie, Ätzung, CMP usw.) durchgeführt werden, um der Halbleiterschicht 18 eine gewünschte Form zu verleihen. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen die Vorrichtung 710 durch Planarisieren (z. B. durch CMP) einer Oberseite der Halbleiterschicht 18 der Vorrichtung 610 hergestellt werden, um die abgewinkelten Flächen zu entfernen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt gemäß verschiedenen Ausführungsformen photonische Vorrichtungen, Strukturen und Verfahren bereit, bei denen eine Halbleiterschicht, die eine einfallende Strahlung empfängt und diese in ein elektrisches Signal umwandelt, eine hohe Quantenausbeute hat. Die hohe Quantenausbeute kann durch Verlängern der Quanteneffektstrecke der durch das Halbleitermaterial empfangenen Strahlung erzielt werden, was bei einigen Ausführungsformen durch innere Totalreflexion der Strahlung in dem Halbleitermaterial ermöglicht wird. Durch Verlängern der Quanteneffektstrecke der empfangenen Strahlung mittels innerer Totalreflexion können die Höhe sowie andere Abmessungen der Halbleiterschicht im Vergleich zu Strukturen, bei denen die Strahlung nicht totalreflektiert wird, erheblich reduziert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist eine photonische Vorrichtung ein Substrat mit einer ersten Fläche auf. Ein Hohlraum erstreckt sich von der ersten Fläche bis zu einer zweiten Fläche in das Substrat. Eine Halbleiterschicht ist auf der zweiten Fläche in dem Hohlraum des Substrats angeordnet, und eine Deckschicht ist auf der Halbleiterschicht angeordnet. Die Halbleiterschicht ist so konfiguriert, dass sie durch das Substrat einfallende Strahlung empfängt und die Strahlung an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht und der Deckschicht totalreflektiert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, das ein Erzeugen eines Hohlraums in einem Substrat umfasst. Der Hohlraum wird so erzeugt, dass er sich von einer ersten Fläche bis zu einer zweiten Fläche in das Substrat erstreckt. Auf Seitenwänden des Substrats in dem Hohlraum werden Seitenwand-Abstandshalter hergestellt. Auf der zweiten Fläche in dem Hohlraum des Substrats wird eine Halbleiterschicht hergestellt, wobei die Halbleiterschicht an die Seitenwand-Abstandshalter in dem Hohlraum angrenzt.
  • Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform weist eine Bildgebungsvorrichtung ein erstes Substrat mit einer ersten Fläche auf. Eine Mehrzahl von Hohlräumen erstrecken sich von der ersten Fläche in das erste Substrat. In der Mehrzahl von Hohlräumen der ersten Fläche ist eine Matrix von Fotodetektoren hergestellt. Die Fotodetektoren weisen jeweils eine Halbleiterschicht auf einer zweiten Fläche in dem Hohlraum des Substrats und eine Deckschicht auf der Halbleiterschicht auf. Die Halbleiterschicht ist so konfiguriert, dass sie durch das erste Substrat einfallende Strahlung empfängt und die Strahlung an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht und der Deckschicht totalreflektiert. Die Bildgebungsvorrichtung weist weiterhin eine elektrische Schaltung auf, die mit einer Matrix von Fotodetektoren elektrisch verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie elektrische Signale empfängt und verarbeitet, die von der Matrix von Fotodetektoren in Reaktion auf das Empfangen der einfallenden Strahlung erzeugt werden.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Die verschiedenen Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben worden sind, können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Diese und weitere Änderungen können vor dem Hintergrund der vorstehenden detaillierten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten in den nachfolgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht so ausgelegt werden, dass sie die Ansprüche auf spezielle Ausführungsformen beschränken, die in der Patentbeschreibung und den Ansprüchen offenbart sind, sondern sie sollten so ausgelegt werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen zusammen mit dem vollen Schutzumfang von Äquivalenten umfassen, für die diese Ansprüche gelten. Dementsprechend sind die Ansprüche nicht durch die Beschreibung beschränkt.

Claims (20)

  1. Photonische Vorrichtung mit: einem Substrat, das eine erste Fläche und einen Hohlraum aufweist, der sich von der ersten Fläche bis zu einer zweiten Fläche in das Substrat erstreckt; einer Halbleiterschicht, die auf der zweiten Fläche in dem Hohlraum des Substrats angeordnet ist; und einer Deckschicht auf der Halbleiterschicht, wobei die Halbleiterschicht derart eingerichtet ist, dass sie durch das Substrat einfallende Strahlung empfängt und die Strahlung an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht und der Deckschicht totalreflektiert.
  2. Photonische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht eine erste Brechzahl hat und die Deckschicht eine zweite Brechzahl hat, die kleiner als die erste Brechzahl ist.
  3. Photonische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Brechzahl 2 bis 6 beträgt und die zweite Brechzahl 0 bis 2 beträgt.
  4. Photonische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschicht Germanium (Ge), Siliziumgermanium (SiGe) und/oder ein III-V-Halbleitermaterial aufweist.
  5. Photonische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Deckschicht Siliziumoxid (SiOx), Siliziumoxinitrid (SiON) und/oder Siliziumnitrid (SiN) aufweist.
  6. Photonische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin Seitenwand-Abstandshalter zwischen Seitenflächen des Hohlraums und Seitenflächen der Halbleiterschicht aufweist.
  7. Photonische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Seitenwand-Abstandshalter aus dem gleichen Material wie die Deckschicht hergestellt sind.
  8. Photonische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine dielektrische Schicht zwischen der ersten Fläche des Substrats und der Deckschicht aufweist.
  9. Photonische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschicht mindestens eine abgewinkelte Fläche mit einem Neigungswinkel von 30° bis 60° in Bezug zu der zweiten Fläche des Substrats aufweist.
  10. Photonische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum eine Tiefe zwischen der zweiten Fläche und der ersten Fläche des Substrats hat, die kleiner als 700 µm ist, und die Halbleiterschicht eine Höhe von der zweiten Fläche des Substrats hat, die kleiner als 750 µm ist.
  11. Photonische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin ein dielektrisches Material auf der zweiten Fläche in dem Hohlraum des Substrats aufweist, wobei Teile der Halbleiterschicht in dem Hohlraum durch das dielektrische Material seitlich voneinander beabstandet sind.
  12. Verfahren mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines Hohlraums in einem Substrat, wobei sich der Hohlraum von einer ersten Fläche bis zu einer zweiten Fläche in das Substrat erstreckt; Herstellen von Seitenwand-Abstandshaltern auf Seitenwänden des Substrats in dem Hohlraum; und Herstellen einer Halbleiterschicht auf der zweiten Fläche in dem Hohlraum des Substrats, wobei die Halbleiterschicht an die Seitenwand-Abstandshalter in dem Hohlraum angrenzt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin Folgendes umfasst: Herstellen einer Deckschicht auf der Halbleiterschicht, der ersten Fläche des Substrats und den Seitenwand-Abstandshaltern.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Herstellen der Deckschicht ein Herstellen der Deckschicht aus dem gleichen Material wie dem der Seitenwand-Abstandshalter umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Herstellen der Deckschicht ein Herstellen der Deckschicht aus einem Material mit einer Brechzahl umfasst, die kleiner als eine Brechzahl der Halbleiterschicht ist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das weiterhin ein Herstellen einer dielektrischen Schicht auf der ersten Fläche des Substrats umfasst, wobei das Erzeugen des Hohlraums ein Ätzen durch die dielektrische Schicht und in das Substrat umfasst und das Herstellen der Deckschicht ein Herstellen der Deckschicht auf der dielektrischen Schicht umfasst.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Herstellen der Halbleiterschicht ein Herstellen der Halbleiterschicht so umfasst, dass sie mindestens eine abgewinkelte Fläche aufweist, wobei sich die mindestens eine abgewinkelte Fläche zwischen einer Seitenfläche und einer Oberseite der Halbleiterschicht erstreckt.
  18. Bildgebungsvorrichtung mit: einem ersten Substrat mit einer ersten Fläche und einer Mehrzahl von Hohlräumen, die sich von der ersten Fläche in das erste Substrat erstrecken; einer Matrix von Fotodetektoren, die in der Mehrzahl von Hohlräumen des ersten Substrats hergestellt sind, wobei die Fotodetektoren jeweils Folgendes aufweisen: eine Halbleiterschicht auf einer zweiten Fläche in dem Hohlraum des Substrats, und eine Deckschicht auf der Halbleiterschicht, wobei die Halbleiterschicht derart eingerichtet ist, dass sie durch das erste Substrat einfallende Strahlung empfängt und die Strahlung an einer Grenzfläche zwischen der Halbleiterschicht und der Deckschicht totalreflektiert; und einer elektrischen Schaltung, die mit der Matrix von Fotodetektoren elektrisch verbunden ist und derart eingerichtet ist, dass sie elektrische Signale empfängt und verarbeitet, die von der Matrix von Fotodetektoren in Reaktion auf das Empfangen der einfallenden Strahlung erzeugt werden.
  19. Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 18, die weiterhin Folgendes aufweist: ein zweites Substrat, wobei die elektrische Schaltung zumindest teilweise in dem zweiten Substrat hergestellt ist; und eine Verbindungsstruktur, die elektrisch und körperlich zwischen das erste Substrat und das zweite Substrat geschaltet ist, wobei die elektrische Schaltung über die Verbindungsstruktur mit der Matrix von Fotodetektoren elektrisch verbunden ist.
  20. Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, die weiterhin Folgendes aufweist: eine Mehrzahl von optischen Linsen auf einer Fläche des Substrats, die der ersten Fläche entgegengesetzt ist, wobei die optischen Linsen jeweils derart eingerichtet sind, dass sie die einfallende Strahlung auf einen jeweiligen der Fotodetektoren fokussieren.
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