DE102020113076A1 - Kreisförmige gitterstruktur für photonisches bauelement - Google Patents

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Tsai-Hao Hung
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Abstract

Ein integrierter Schaltkreis weist einen Photodetektor auf. Der Photodetektor weist ein kreisförmiges optisches Gitter auf, das in einem ringförmigen Graben in einem Halbleitersubstrat gebildet ist. Das kreisförmige optische Gitter weist die dielektrischen Finnen und lichtempfindlichen Finnen auf, die in dem ringförmigen Graben positioniert sind. Das kreisförmige optische Gitter ist konfiguriert, um einfallendes Licht zu empfangen und um das einfallende Licht um den ringförmigen Graben herum durch die dielektrischen Finnen und die lichtempfindlichen Finnen hindurch zu leiten, bis das Licht von einer der lichtempfindlichen Finnen absorbiert wird.

Description

  • HINTERGRUND
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Photonik mit integrierten Schaltkreisen. Die vorliegende Offenbarung betrifft genauer gesagt Photodetektoren innerhalb von integrierten Schaltkreisen.
  • BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
  • Viele photonische integrierte Schaltkreise weisen Photodetektoren auf. Die Photodetektoren detektieren Licht und generieren elektrische Signale, die das Licht angeben. Falls die Photodetektoren das einfallende Licht nicht absorbieren, dann generieren die Photodetektoren kein elektrisches Signal, obwohl das Licht auf die Photodetektoren einfällt. Dies bedeutet mangelnde Empfindlichkeit der Photodetektoren.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 ein Blockdiagramm eines integrierten Schaltkreises gemäß einer Ausführungsform.
    • 2 ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Schaltkreises in einer Zwischenstufe der Herstellung gemäß einer Ausführungsform.
    • 3A ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Schaltkreises in einer Zwischenstufe der Herstellung gemäß einer Ausführungsform.
    • 3B eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises aus 3A gemäß einer Ausführungsform.
    • 4 ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Schaltkreises in einer Zwischenstufe der Herstellung gemäß einer Ausführungsform.
    • 5A ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Schaltkreises in einer Zwischenstufe der Herstellung gemäß einer Ausführungsform.
    • 5B eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises aus 5A gemäß einer Ausführungsform.
    • 5C ein Querschnittsdiagramm eines Teils des integrierten Schaltkreises aus 5B, entlang der Querschnittslinie 5C gesehen, gemäß einer Ausführungsform.
    • 6A ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Schaltkreises in einer Zwischenstufe der Herstellung gemäß einer Ausführungsform.
    • 6B eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises aus 6A gemäß einer Ausführungsform.
    • 6C ein Querschnittsdiagramm eines Teils des integrierten Schaltkreises aus 6B, entlang der Querschnittslinie 6C gesehen, gemäß einer Ausführungsform.
    • 7 ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Schaltkreises in einer Zwischenstufe der Herstellung gemäß einer Ausführungsform.
    • 8A ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Schaltkreises in einer Zwischenstufe der Herstellung gemäß einer Ausführungsform.
    • 8B eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises aus 8A gemäß einer Ausführungsform.
    • 9 ein Querschnittsdiagramm eines integrierten Schaltkreises gemäß einer Ausführungsform.
    • 10 ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Bilden eines integrierten Schaltkreises gemäß einer Ausführungsform.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche Dicken und Materialien für diverse Schichten und Strukturen innerhalb eines integrierten Schaltkreises beschrieben. Spezifische Dimensionen und Materialien werden beispielhaft für diverse Ausführungsformen angegeben. Der Fachmann wird angesichts der vorliegenden Offenbarung erkennen, dass in vielen Fällen andere Dimensionen und Materialien verwendet werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • Die folgende Offenbarung stellt mehrere verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Umsetzen von verschiedenen Merkmalen des beschriebenen Gegenstands bereit. Spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen werden nachstehend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Es sind natürlich nur Beispiele, die nicht dazu bestimmt sind, einschränkend zu sein. Beispielsweise kann die Bildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt gebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal gebildet sind, so dass das erste und das zweite Merkmal vielleicht nicht in direktem Kontakt stehen. Zudem kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder Bezugsbuchstaben bei den diversen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient nur der Einfachheit und Klarheit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den besprochenen diversen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Ferner können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunterliegend“, „unterhalb“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren abgebildet, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sind dazu gedacht, verschiedene Orientierungen des Bauelements im Gebrauch oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren abgebildeten Orientierung einzubeziehen. Die Vorrichtung kann anderweitig orientiert sein (z. B. um 90 Grad oder in anderen Orientierungen gedreht), und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren sind ebenso entsprechend auszulegen.
  • In der folgenden Beschreibung werden gewisse spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis von diversen Ausführungsformen der Offenbarung bereitzustellen. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass die Offenbarung ohne diese spezifischen Einzelheiten in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen wurden wohlbekannte Strukturen, die mit elektronischen Komponenten und Herstellungstechniken verknüpft sind, nicht ausführlich beschrieben, um die Beschreibungen der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nicht unnötig zu verschleiern.
  • Soweit der Zusammenhang es nicht anderweitig verlangt, sind in der gesamten Beschreibung und den folgenden Ansprüchen das Wort „umfassen“ und seine Varianten, wie etwa „umfasst“ und „umfassend“ in einem offenen, einschließenden Sinn zu verstehen, d. h. „umfassend ohne Einschränkung“.
  • Die Verwendung von Ordnungszahlen, wie etwa erster, zweiter und dritter, bedeutet nicht unbedingt eine Rangordnung, sondern soll vielmehr vielleicht nur zwischen mehreren Instanzen einer Aktion oder Struktur unterscheiden.
  • Eine Bezugnahme in der gesamten vorliegenden Beschreibung auf „eine einzige Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder ein Kennzeichen, das bzw. die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform enthalten ist. Somit beziehen sich die Erscheinungen der Ausdrücke „in einer einzigen Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ an diversen Stellen in der gesamten vorliegenden Beschreibung nicht unbedingt alle auf die gleiche Ausführungsform. Außerdem können die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen in einer oder mehreren Ausführungsformen geeignet kombiniert werden.
  • Wie sie in der vorliegenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet werden, umfassen die Einzahlformen „ein, eine, ein“ und „der, die, das“ Mehrzahlreferenzen, soweit der Zusammenhang es nicht deutlich anders vorschreibt. Es sei auch zu beachten, dass der Begriff „oder“ im Allgemeinen in dem Sinne verwendet wird, der „und/oder“ einschließt, soweit der Zusammenhang es nicht deutlich anders vorschreibt.
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines photonischen Systems gemäß einer Ausführungsform. Das photonische System 100 weist einen integrierten Schaltkreis 101 und eine Lichtquelle 111 auf. Die Lichtquelle 111 gibt Licht 114 aus. Der integrierte Schaltkreis 101 detektiert das Licht 114 und generiert Signale basierend auf dem Licht 114.
  • Bei einer Ausführungsform weist der integrierte Schaltkreis 101 einen Photodetektor 102 und Steuerschaltungen 112 auf. Der Photodetektor 102 weist ein Halbleitersubstrat 104 auf. Bei der Ausführungsform ist ein kreisförmiges photonisches Gitter 106 in dem Halbleitersubstrat 104 gebildet. Das kreisförmige photonische Gitter 106 weist dielektrische Finnen 108 und lichtempfindliche Finnen 110 auf.
  • Der integrierte Schaltkreis 101 kann diverse Schichten und Strukturen aufweisen, die in 1 nicht im Detail abgebildet sind. Beispielsweise kann der integrierte Schaltkreis 101 diverse Schichten von Halbleitermaterial, diverse Schichten von dielektrischem Material und diverse metallische Interconnect-Strukturen aufweisen. Der integrierte Schaltkreis 101 kann Transistoren aufweisen, die in komplexen Anordnungen miteinander gekoppelt sind.
  • Der Photodetektor 102 des integrierten Schaltkreises 101 ist konfiguriert, um Licht 114 zu detektieren, das auf den Photodetektor 102 einfällt. Beispielsweise kann das Licht 114 auf den Photodetektor 102 über diverse Schichten von transparentem Material des integrierten Schaltkreises 102 einfallen. Der Photodetektor 102 detektiert das Licht 114.
  • Die Steuerschaltungen 112 sind mit dem Photodetektor 102 gekoppelt. Die Steuerschaltungen 112 können Signale von dem Photodetektor 102 empfangen, die elektrische Signale enthalten, die als Reaktion auf das Detektieren von Licht generiert werden. Die Steuerschaltungen 112 können die elektrischen Signale verarbeiten und können Daten oder andere Signale ausgeben, die einen oder mehrere Parameter des Lichts 114 angeben, das von dem Photodetektor 102 detektiert wird.
  • Bei einer Ausführungsform weisen die Steuerschaltungen 112 eine Vielzahl von Transistoren auf, die in dem integrierten Schaltkreis 101 gebildet sind. Die Transistoren können an der Betätigung des Photodetektors 102 und der Verarbeitung der Signale, die von dem Photodetektor 102 empfangen werden, teilnehmen. Die Transistoren können auch an anderen Prozessen bezüglich der Funktion des integrierten Schaltkreises 101 teilnehmen, wozu das Lesen von Daten aus einem Speicher, das Schreiben von Daten in einen Speicher, das Verarbeiten von Daten, das Ausgeben von Daten und das Steuern von Kommunikationen gehören.
  • Bei einer Ausführungsform können die Steuerschaltungen 112 Spannungen an den Photodetektor 102 anlegen. Die Steuerschaltungen 112 können den Photodetektor vorspannen, um sicherzustellen, dass Licht, das durch den Photodetektor 102 empfangen wird, zur Generierung von elektrischen Signalen führt, die durch die Steuerschaltungen 112 gelesen werden können. Entsprechend können die Steuerschaltungen 112 mit dem Photodetektor 102 durch metallische Interconnect-Leitungen, Metallstecker und leitfähige Kontakte gekoppelt werden, über die Spannungen an den Photodetektor 102 angelegt werden können und Signale von dem Photodetektor 102 empfangen werden können.
  • Bei einer Ausführungsform funktioniert der Photodetektor 102, indem er Licht 114 absorbiert. Genauer gesagt besteht das Licht 114 aus Photonen, die durch den Photodetektor 102 absorbiert werden können. Wenn der Photodetektor 102 Photonen absorbiert, wird als Reaktion auf die Absorption der Photonen ein elektrisches Signal generiert. Entsprechend werden die Kennzeichen des Lichts 114 oder nur das Vorhandensein des Lichts 114 durch die elektrischen Signale angegeben, die durch den Photodetektor 102 als Reaktion auf das Absorbieren der Photonen generiert werden.
  • Wenn sich Licht durch ein erstes Material bewegt und auf eine Grenze zwischen dem ersten Material und einem zweiten Material einfällt, kann das Licht an der Grenze reflektiert werden oder kann über die Grenze in das zweite Material durchgelassen werden. Die Reflexion oder Transmission von Licht an einer Grenze zwischen zwei Materialien basiert auf den Kennzeichen der beiden Materialien und den Kennzeichen des Lichts. Zu den relevanten Kennzeichen der beiden Materialien können ihre Transmissions- und Reflexionskoeffizienten gehören. Die relevanten Kennzeichen des Lichts können die Wellenlänge des Lichts und den Winkel, in dem das Licht auf die Grenze einfällt, einbeziehen.
  • Wenn sich das Licht durch ein Material bewegt, kann ein Teil des Lichts von dem Material absorbiert werden. Die Lichtmenge, die von dem Material absorbiert wird, basiert zum Teil auf dem Absorptionskoeffizienten des Materials und auf der Länge des Wegs, den das Licht durch das Material einschlägt. Ein höherer Absorptionskoeffizient führt zu einer höheren Absorptionsrate. Ebenso führt ein längerer Bewegungsweg durch ein Material zu einer höheren Absorptionsrate in dem Material. Zudem variiert der Absorptionskoeffizient für ein Material mit der Wellenlänge des Lichts. Ein Material kann gewisse Lichtwellenlängen einfacher absorbieren als andere Lichtwellenlängen.
  • Ein einzelnes Photon, das durch ein Material geht, wird mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit von dem Material absorbiert. Die Absorptionswahrscheinlichkeit hängt von der Wellenlänge des Photons, dem Absorptionskoeffizienten des Materials für diese Wellenlänge und der Länge des Wegs, den das Photon durch das Material zurücklegt, ab. Alle diese Faktoren sind relevant dafür, wie der Photodetektor 102 Licht detektiert.
  • Der Photodetektor 102 verwendet die lichtempfindlichen Finnen 110, um Licht zu absorbieren und um dadurch Licht zu detektieren. Die lichtempfindlichen Finnen 110 werden aus einem lichtempfindlichen Material hergestellt. Das lichtempfindliche Material ist ein Material, das einen relativ hohen Absorptionskoeffizienten für einen ausgewählten Bereich von Lichtwellenlängen aufweist. Der ausgewählte Bereich kann einer bestimmten Farbe von sichtbarem Licht entsprechen. Der ausgewählte Bereich kann einem Bereich von Wellenlängen entsprechen, der mit optischer Kommunikation verknüpft ist. Sichtbares Licht und Licht, das Wellenlängen aufweist, die mit optischen Kommunikationen verknüpft sind, sind Beispiele von Licht, das Photodetektoren gemäß den hier offenbarten Ausführungsformen detektieren können. Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf Photodetektoren eingeschränkt, die sichtbares Licht oder Licht, das Wellenlängen aufweist, die mit optischen Kommunikationen verknüpft sind, detektieren. Die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen Photodetektoren, die in der Lage sind, Licht, das anders als sichtbares Licht ist, oder Licht, das Wellenlängen aufweist, die mit optischen Kommunikationen verknüpft sind, zu detektieren.
  • Der integrierte Schaltkreis 101 ist konfiguriert, um Licht 114 durch diverse Schichten bis zu dem kreisförmigen optischen Gitter 106 durchzulassen, ohne dass es absorbiert oder reflektiert wird, bevor es das kreisförmige optische Gitter 106 erreicht. Entsprechend kann der integrierte Schaltkreis 101 mehrere transparente Schichten aufweisen, die niedrige Absorptions- und Reflexionskoeffizienten aufweisen, wodurch das Licht 114 durch diese durchsichtigen Schichten des integrierten Schaltkreises 101 bis zu dem kreisförmigen photonischen Gitter gehen kann.
  • Bei einer Ausführungsform weist das kreisförmige photonische Gitter 106 einen ringförmigen Graben auf, der in dem Halbleitersubstrat 104 gebildet ist. Die dielektrischen Finnen 108 und die lichtempfindlichen Finnen 110 erstrecken sich jeweils zwischen einer inneren Wand des Grabens und einer äußeren Wand des Grabens. Die dielektrischen Finnen 108 und die lichtempfindlichen Finnen 110 sind in abwechselnder Reihenfolge derart positioniert, dass jede lichtempfindliche Finne 110 zwischen zwei dielektrischen Finnen 108 positioniert ist. Entsprechend ist jede dielektrische Finne 108 zwischen zwei lichtempfindlichen Finnen 110 positioniert.
  • Der Photodetektor 102 verwendet das kreisförmige photonische Gitter 106, um die Empfindlichkeit des Photodetektors 102 zu verbessern. Das kreisförmige photonische Gitter verstärkt die Empfindlichkeit des Photodetektors 102, indem es die Länge des Wegs erhöht, der von den einzelnen Photonen durch das lichtempfindliche Material hindurch eingeschlagen wird. Insbesondere ist das kreisförmige optische Gitter 106 konfiguriert, um einfallendes Licht in einem ausgewählten Winkel mit Bezug auf die Senkrechte zu empfangen, um das Licht von dem ausgewählten Winkel auf einen im Wesentlichen waagerechten Winkel umzuleiten, und um dann zu bewirken, dass das Licht 114 um das kreisförmige optische Gitter herum geht, bis es von einer der lichtempfindlichen Finnen 110 absorbiert wird. Entsprechend ist das kreisförmige optische Gitter 106 konfiguriert, um zu bewirken, dass sich das Licht 114 unendlich um das kreisförmige optische Gitter 106 herum bewegt.
  • Je öfter ein einzelnes Photon durch eine der lichtempfindlichen Finnen 110 geht, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon von einer der lichtempfindlichen Finnen absorbiert wird. Das kreisförmige optische Gitter 106 bewirkt, dass sich das Licht auf einem im Wesentlichen kreisförmigen Weg unendlich durch das kreisförmige optische Gitter 106 bewegt. Wenn sich das Licht um das kreisförmige optische Gitter 106 herum bewegt, trifft das Licht ständig auf lichtempfindliche Finnen 110. Somit erhöht das kreisförmige optische Gitter 106 effektiv eine Bewegungslänge der Photonen durch das lichtempfindliche Material hindurch. Der längere Weg in dem lichtempfindlichen Material führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit, dass das Photon von dem lichtempfindlichen Material absorbiert wird. Entsprechend führt ein längerer Weg in dem lichtempfindlichen Material zu einer effektiven Steigerung der Empfindlichkeit des Photodetektors 102.
  • Bei einer Ausführungsform hilft das kreisförmige optische Gitter 106 dabei, die Photonen zu leiten, damit sie bis zur Absorption innerhalb des kreisförmigen optischen Gitters 106 bleiben, indem es einen Linseneffekt innerhalb des kreisförmigen optischen Gitters 106 umsetzt. Insbesondere werden die dielektrischen Finnen 108 und die lichtempfindlichen Finnen 110 als Linsen in dem kreisförmigen optischen Gitter gebildet. Während sich jede Finne zwischen der inneren Seitenwand und der äußeren Seitenwand des Grabens erstreckt, weist jede Finne eine ausgewählte Krümmung auf. Die Krümmung der Finnen hat einen Linseneffekt. Der kumulative Linseneffekt der Finnen leitet das Licht, so dass es einem kreisförmigen Weg durch den Graben folgt. Das Ergebnis dieses Linseneffekts besteht darin, dass das Licht dazu neigt, sich unendlich in einem Kreis zu bewegen, bis es schließlich von einer der lichtempfindlichen Finnen 110 absorbiert wird.
  • Bei einer Ausführungsform hilft das kreisförmige optische Gitter 106, das Licht innerhalb des kreisförmigen optischen Gitters 106 einzuschränken, basierend auf dem Prinzip der Totalreflexion. Eine Totalreflexion erfolgt, wenn Licht, das sich durch ein erstes Material hindurch bewegt, das einen ersten Brechungsindex n1 hat, auf eine Grenze zwischen dem ersten Material und einem zweiten Material, das einen zweiten Brechungsindex n2 aufweist, der niedriger als der Brechungsindex n1 des ersten Materials ist, trifft. Falls der Einfallwinkel des Lichts an der Grenze größer als ein kritischer Winkel θc ist, dann kommt es zu einer 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 ist durch die folgende Beziehung gegeben: θ C = arcsin ( n 2 /n 1 ) ,
    Figure DE102020113076A1_0001
    wobei n2 < n1. Die inneren und äußeren Seitenwände des Grabens sind mit dem dielektrischen Material bedeckt. Das lichtempfindliche Material der lichtempfindlichen Finnen 110 und das dielektrische Material werden derart ausgewählt, dass das lichtempfindliche Material einen höheren Brechungsindex als der Brechungsindex des dielektrischen Materials aufweist. Wenn somit Licht an der Grenze zwischen dem dielektrischen Material und den lichtempfindlichen Finnen 110 entweder an der inneren oder an der äußeren Seitenwand des Grabens einfällt, kann es zu einer Totalreflexion kommen, und das Licht kann innerhalb des kreisförmigen optischen Gitters 106 weitergehen.
  • Bei einer Ausführungsform weist der Photodetektor 102 eine Photodiode auf. Die Photodiode weist mehrere Regionen von Halbleitermaterial auf. Beispielsweise kann das lichtempfindliche Material der lichtempfindlichen Finnen 110 kann ein monokristallines Halbleitermaterial aufweisen, das mit einem ersten Dotierstoff, entweder P oder N, dotiert ist. Das Halbleitersubstrat 104 kann ein monokristallines Halbleitermaterial aufweisen, das mit einem zweiten Dotierstoff dotiert ist, der den ersten Dotierstofftyp ergänzt. Das lichtempfindliche Material 106 und das Halbleitersubstrat 104 bilden einen P-N-Übergang. Wenn ein Photon von dem lichtempfindlichen Material einer der lichtempfindlichen Finnen absorbiert wird, empfängt ein Elektron eine Energie, die der Wellenlänge des Photons entspricht, und begibt sich vom Valenzband zum Leitungsband. Die Steuerschaltungen 112 spannen die lichtempfindlichen Finnen 110 und das Halbleitersubstrat 104 derart vor, dass das Elektron in dem Leitungsband als ein elektrischer Strom fließt, der von den Steuerschaltungen 112 detektiert wird. Entsprechend detektieren die Steuerschaltungen 112 die Helligkeit oder Intensität des Lichts 114 als einen elektrischen Strom, der durch Elektronen gebildet wird, die durch die Absorption von Licht vom Valenzband zum Leitungsband übergehen. Die Photodiode kann andere als die zuvor beschriebenen Konfigurationen von P- und N-Halbleiterregionen aufweisen, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Zudem kann die Photodiode P- und N-Regionen aufweisen, die durch intrinsische Halbleiterregionen getrennt sind. Die intrinsischen Halbleiterregionen können Halbleiterregionen entsprechen, die im Wesentlichen frei von Dotierstoffen sind.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Photodetektor 102 ein anderer Photodetektor als eine Photodiode sein. Es sind viele mögliche Konfigurationen eines Photodetektors möglich, welche die Absorption von Licht durch lichtempfindliche Finnen 110 verwenden. Die Grundsätze der Verwendung des kreisförmigen optischen Gitters 106, um die Weglänge von Licht innerhalb der lichtempfindlichen Finnen 110 zu erhöhen, wie hier beschrieben, können bei diesen anderen Typen von Photodetektoren umgesetzt werden, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • Bei einer Ausführungsform enthält das lichtempfindliche Material der lichtempfindlichen Finnen 110 Germanium, das dielektrische Material der dielektrischen Finnen 108 enthält Siliziumdioxid, und das dielektrische Material, das die Seitenwände des Grabens bedeckt, enthält Siliziumdioxid. Das Germanium hat einen relativ hohen Absorptionskoeffizienten für Lichtwellenlängen zwischen 400 nm und 1700 nm. Zudem hat Germanium einen relativ hohen Brechungsindex von 4. Siliziumdioxid hat einen Brechungsindex von 1,46. Diese Kombination von Materialien ergibt einen kritischen Winkel von: θ ( )
    Figure DE102020113076A1_0002
    Entsprechend führt ein beliebiger Lichteinfallwinkel, der größer als 21,4° ist, zwischen dem lichtempfindlichen Material und dem dielektrischen Material, das die Seitenwände bedeckt, zu einer Totalreflexion.
  • Das lichtempfindliche Material kann andere Materialien als Germanium enthalten. Beispielsweise kann das lichtempfindliche Material Silizium, Silizium-Germanium, Indium-Gallium-Arsenid, Bleisulfid, Quecksilber-Cadmium-Tellurid oder andere lichtempfindliche Materialien enthalten. Der Fachmann wird angesichts der vorliegenden Offenbarung erkennen, dass das lichtempfindliche Material andere als die zuvor beschriebenen Materialien enthalten kann, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Das lichtempfindliche Material kann eine oder mehrere P-dotierte Regionen aufweisen. Das lichtempfindliche Material kann eine oder mehrere N-dotierte Regionen aufweisen. Das lichtempfindliche Material kann sowohl P-dotierte Regionen als auch N-dotierte Regionen aufweisen.
  • Die dielektrischen Finnen 108 können andere Materialien als Siliziumdioxid enthalten. Beispielsweise können die dielektrischen Finnen 108 Siliziumnitrid, kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid oder andere dielektrische Materialien enthalten. Viele Arten von dielektrischen Materialien können für die dielektrischen Finnen 10 verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • Die Schicht von dielektrischem Material, welche die Seitenwände des Grabens bedeckt, kann andere Materialien als Siliziumdioxid enthalten. Beispielsweise kann das dielektrische Material Siliziumnitrid, kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid oder andere dielektrische Materialien enthalten. Viele Arten von dielektrischen Materialien können verwendet werden, um die Seitenwände des Grabens zu bedecken, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • Das Halbleitersubstrat 104 kann eine oder mehrere Schichten von Halbleitermaterial aufweisen, die Silizium, Germanium, Silizium-Germanium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumphosphid, Silizium-Germanium-Carbid, Gallium-Arsenid-Phosphid oder Gallium-Indium-Phosphid enthalten. Andere Halbleiter können für das Halbleitersubstrat 104 verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • Der integrierte Schaltkreis 101 kann auf einen zweiten integrierten Schaltkreis gebondet werden. Der integrierte Schaltkreis 101 kann elektronische Signale, die durch den Photodetektor 102 generiert werden, an Schaltungen, die in dem zweiten integrierten Schaltkreis enthalten sind, weitergeben. Der zweite integrierte Schaltkreis kann Verarbeitungsschaltungen aufweisen, um die elektrischen Signale zu verarbeiten.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines integrierten Schaltkreises 101 in einer Zwischenstufe der Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform. Insbesondere bildet die Ansicht aus 2 einen Teil eines Prozesses zum Bilden eines Photodetektors 102 innerhalb des integrierten Schaltkreises 101 ab. In der in 2 gezeigten Stufe weist der abgebildete Teil des integrierten Schaltkreises 101 ein Halbleitersubstrat 104 und eine Schicht aus dielektrischem Material 118 auf.
  • Das Halbleitersubstrat 104 kann eine oder mehrere Schichten von Halbleitermaterial aufweisen. Das Halbleitermaterial kann Silizium, Germanium, Silizium-Germanium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumphosphid, Silizium-Germanium-Carbid, Gallium-Arsenid-Phosphid oder Gallium-Indium-Phosphid enthalten. Andere Halbleitermaterialien können für das Halbleitersubstrat 104 verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Das Halbleitersubstrat 104 kann ein monokristallines Halbleitermaterial oder mehrere Schichten von monokristallinem Halbleitermaterial aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Schicht von dielektrischem Material 118 Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder ein anderes dielektrisches Material enthalten. Die Schicht von dielektrischem Material 118 ist zwischen 1 µm und 100 µm dick. Die Schicht von dielektrischem Material 118 kann durch einen oder mehrere Dünnschicht-Abscheidungsprozesse abgeschieden werden, wozu chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung oder andersartige Abscheidungsprozesse gehören. Die Schicht von dielektrischem Material 118 kann andere als die zuvor beschriebenen Materialien, Dicken und Abscheidungsprozesse aufweisen, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • 3A ist eine Querschnittsansicht eines Teils des integrierten Schaltkreises 101 in einer Zwischenstufe der Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform. In 3A wurde ein Graben 120 in dem Halbleitersubstrat 104 geöffnet. Der Graben 120 definiert eine untere Oberfläche 122, eine äußere Seitenwand 124, und eine innere Seitenwand 125. Bei einigen Ausführungsformen, kann der Graben 120 eine Tiefe von bis zu 700 µm haben. Bei einigen Ausführungsformen kann der Graben 120 eine Breite von bis zu 700 µm haben. Der Graben 120 kann andere als die zuvor beschriebenen Tiefen- und Breitendimensionen haben, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • Der Graben 120 ist ein ringförmiger oder kreisförmiger Graben mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Der Graben 120 bildet einen Vollkreis in dem Halbleitersubstrat 104. Dies ist in der Draufsicht aus 3B deutlicher abgebildet. Der Radius der äußeren Seitenwand des Grabens beträgt zwischen 100 µm und 2 mm. Der Radius der inneren Seitenwand 125 beträgt zwischen 10 µm und 1 mm. Andere Dimensionen können für den Graben 120 verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Ein Ziel des ringförmigen Grabens 120 besteht darin, ein optisches Gitter zu bilden, das bewirkt, dass sich das Licht 114 um den ringförmigen Graben herum bewegt, bis es von einem lichtempfindlichen Material absorbiert wird. Entsprechend können die Dimensionen des Grabens basierend auf der erwarteten Wellenlänge des einfallenden Lichts 114 und auf den Linseneffekten der dielektrischen Finnen und lichtempfindlichen Finnen ausgewählt werden, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
  • Bei einer Ausführungsform wird der Graben 120 gebildet, indem Photolithographietechniken verwendet werden. Die Photolithographietechniken können das Abscheiden eines Photoresists auf der Schicht des dielektrischen Materials 118, das Belichten des Photoresists mit Licht über eine Photolithographiemaske und das Entfernen von Teilen des Photoresists gemäß einem ringförmigen Muster, das durch die Maske definiert wird, umfassen.
  • Nachdem das Photoresist strukturiert wurde, wird der integrierte Schaltkreis 101 einem Ätzprozess ausgesetzt. Der Ätzprozess ätzt zuerst freigelegte Teile der Schicht von dielektrischem Material 118. Die Schicht von dielektrischem Material 118 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Nassätzvorgänge, Trockenätzvorgänge oder andersartiger Ätzprozesse geätzt werden. Das Halbleitersubstrat 104 kann während des gleichen Ätzprozesses geätzt werden, der die Schicht des dielektrischen Materials 118 ätzt. Alternativ kann das Halbleitersubstrat 104 unter Verwendung eines getrennten Ätzprozesses geätzt werden, nachdem der freigelegte Teil der Schicht von dielektrischem Material 118 geätzt wurde.
  • Nachdem der eine oder die mehreren Ätzprozesse an den freigelegten Teilen der Schicht von dielektrischem Material 118 und dem Halbleitersubstrat 104 ausgeführt wurden, wurde der Graben 120 gebildet. Der Graben 120 umfasst die äußere Seitenwand 124, die innere Seitenwand 125 und die untere Oberfläche 122.
  • 3B ist eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises 101 aus 3A gemäß einer Ausführungsform. Der Graben 120 weist eine Ring- oder Kreisform auf. Die Schicht von dielektrischem Material 118 bedeckt die Oberfläche des Halbleitersubstrats 104 außerhalb des Grabens 118.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines Teils des integrierten Schaltkreises 101 in einer Zwischenstufe der Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform. In 4 wurde eine Schicht von dielektrischem Material 127 auf der Schicht von dielektrischem Material 118 und auf dem Halbleitersubstrat 104 in dem Graben 120 abgeschieden. Die Schicht von dielektrischem Material wurde einem Planarisierungsprozess unterzogen, der das dielektrische Material 127 von dem oberen Teil der Schicht von dielektrischem Material 118 entfernt. Die Schicht von dielektrischem Material 127 kann Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein anderes dielektrisches Material enthalten. Die Schicht von dielektrischem Material 127 kann durch einen Dünnschicht-Abscheidungsprozess abgeschieden werden, der eine oder mehrere von chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, plasmagestützter chemischer Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung oder anderen Dünnschicht-Abscheidungstechniken umfasst. Andere als die zuvor beschriebenen dielektrische Materialien und Abscheidungsprozesse können für die Schicht von dielektrischem Material 127 verwendet werden, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • 5A ist eine Querschnittsansicht eines Teils des integrierten Schaltkreises 101 in einer Zwischenstufe der Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform. 5B ist eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises 101 aus 5A. In 5A und 5B wurde die Schicht von dielektrischem Material 127 strukturiert und geätzt, wodurch eine dielektrische Seitenwandbeschichtung 130 auf der äußeren Seitenwand 124 und der inneren Seitenwand 125 des Grabens 120 nach dem einen oder den mehreren Ätzprozessen zurückbleibt. Der Ätzprozess lässt auch eine Vielzahl von dielektrischen Finnen 108 (siehe 5B und 5C) zurück, die sich von der unteren Oberfläche 122 des Grabens 120 aus erstrecken. Die dielektrische Seitenwandbeschichtung 130 und die dielektrische Finnen 108 sind Rückstände der Schicht von dielektrischem Material 127.
  • Die dielektrischen Finnen 108 und die dielektrische Seitenwandbeschichtung 130 können zum Teil unter Verwendung von Photolithographietechniken gebildet werden. Beispielsweise können die Photolithographietechniken das Abscheiden eines Photoresists auf der Schicht von dielektrischem Material 127, das Belichten des Photoresists mit Licht anhand einer Photolithographiemaske und das Entfernen von Teilen des Photoresists gemäß der Schaltungsstruktur, die durch die Maske definiert wird, umfassen.
  • Nachdem das Photoresist strukturiert wurde, werden die freigelegten Teile der Schicht von dielektrischem Material 127 einem anisotropen Ätzprozess unterzogen. Der anisotrope Ätzprozess ätzt selektiv in der Richtung nach unten. Dies bedeutet, dass der anisotrope Ätzprozess die Schicht von dielektrischem Material 127 in der Richtung nach unten aber nicht in andere Richtungen ätzt. Genauer gesagt ätzt der anisotrope Ätzvorgang die Schicht von dielektrischem Material viel schneller in der Richtung nach unten als in andere Richtungen.
  • Bei einer Ausführungsform haben die dielektrischen Finnen 108 eine gekrümmte Form, wie in der Draufsicht aus 5B zu sehen. Insbesondere sind die dielektrischen Finnen 108 in der Form einer Linse gekrümmt. Die gekrümmten Linsenformen der dielektrischen Finnen 108 werden ausgewählt, um einfallendes Licht 114 in einen kreisförmigen Weg um den ringförmigen Graben 120 herum kontinuierlich zu fokussieren.
  • Der Ätzprozess definiert auch Lücken 131 zwischen den dielektrischen Finnen 108. Die Lücken 131 haben die gekrümmte Form einer Linse. Jedes Paar von dielektrischen Finnen 108 wird durch eine Lücke 131 getrennt.
  • Die Querschnittsansicht aus 5A geht durch die Lücken 131 in dem Graben 120 hindurch. In der Praxis würde jedoch aufgrund der gekrümmten Form der dielektrischen Finnen 108 und der Lücken 131 eine gerade Querschnittslinie durch die Mitte des ringförmigen Grabens 120 durch Teile sowohl der dielektrischen Finnen 108 als auch der Lücken 131 gehen. Der Einfachheit halber zeigt 5A einen Querschnitt, als ob er an einer Linie gesehen wäre, die nur durch die Lücken 131 hindurch auf beiden Seite des ringförmigen Grabens 120 ginge.
  • 5C ist eine Querschnittsansicht durch einen Teil des Grabens 120 entlang der in 5A gezeigten Linie 5C gemäß einer Ausführungsform. Die Linie 5C geht durch mehrere dielektrische Finnen 108 und Lücken 131 zwischen den Finnen 131 hindurch.
  • Bei einer Ausführungsform haben die dielektrischen Finnen 108 jeweils eine Breite zwischen 1 nm und 100 nm. Die Lücken 131 können die gleiche Breite wie die dielektrischen Finnen 108 haben. Alternativ können die Lücken 131 und die dielektrischen Finnen 108 unterschiedliche Breiten haben.
  • 6A ist ein Querschnittsdiagramm des integrierten Schaltkreises 101 in einer Zwischenstufe der Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform. 6B ist eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises 101 aus 6A, gemäß einer Ausführungsform. In 6A und 6B wurden lichtempfindliche Finnen 110 in dem Graben 120 in den Lücken 131 zwischen den dielektrischen Finnen 108 gebildet. Ein Planarisierungsprozess kann ausgeführt werden, um die Höhen der dielektrischen Finnen und der lichtempfindlichen Finnen 110 einheitlich zu machen.
  • Die lichtempfindlichen Finnen 110 sind gekrümmt und haben eine Form einer Linse, wie in der Draufsicht aus 6B gesehen. Die Linsenformen der lichtempfindlichen Finnen 110 und der dielektrischen Finnen 108 werden ausgewählt, um zu bewirken, dass sich Licht 114 in einem kreisförmigen Weg um den ringförmigen Graben 120 herum bewegt. Die lichtempfindlichen Finnen 110 haben Breiten, die den Breiten der Lücken 131 zwischen den dielektrischen Finnen 108 entsprechen, wie zuvor mit Bezug auf 5A bis 5C beschrieben.
  • Wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben, ist das lichtempfindliche Material ein Material mit einem relativ hohen Absorptionskoeffizienten für einen ausgewählten Bereich von Lichtwellenlängen. Zudem ist das lichtempfindliche Material 106 ein Material mit einem relativ hohen Brechungsindex im Vergleich zu dem dielektrischen Material der dielektrischen Finnen 108 und der dielektrischen Seitenwandbeschichtung 130.
  • Bei einer Ausführungsform enthält das lichtempfindliche Material der lichtempfindlichen Finnen 110 eines oder mehrere von Germanium, Silizium, Silizium-Germanium, Indium-Gallium-Arsenid, Bleisulfid, Quecksilber-Cadmium-Tellurid oder anderen lichtempfindlichen Materialien. Der Fachmann wird angesichts der vorliegenden Offenbarung erkennen, dass das lichtempfindliche Material andere als die zuvor beschriebenen Materialien enthalten kann, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • Bei einer Ausführungsform bilden die lichtempfindlichen Finnen 110 insgesamt eine Photodiode in Verbindung mit dem Halbleitersubstrat 104. Entsprechend kann das lichtempfindliche Material der lichtempfindlichen Finnen 110 eine monokristalline Halbleiterstruktur aufweisen. Die lichtempfindlichen Finnen 110 können jeweils eine oder mehrere dotierte Regionen aufweisen, um als Photodiode zu dienen. Die lichtempfindlichen Finnen 110 können jeweils eine oder mehrere P-dotierte Regionen aufweisen. Die lichtempfindlichen Finnen 110 können jeweils eine oder mehrere N-dotierte Regionen aufweisen. Die lichtempfindlichen Finnen 110 können jeweils sowohl P-dotierte Regionen als auch N-dotierte Regionen aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform werden die lichtempfindlichen Finnen in dem Graben 120 über ein epitaktisches Ziehen abgeschieden. Die lichtempfindlichen Finnen 110 können aus dem Halbleitersubstrat 104 epitaktisch gezogen werden. Insbesondere können die lichtempfindlichen Finnen 110 aus der unteren Oberfläche 122 des ringförmigen Grabens 120 epitaktisch gezogen werden. Die kristalline Struktur des Halbleitersubstrats 104 dient als Saat, um die kristalline Struktur der lichtempfindlichen Finnen 110 zu ziehen.
  • Das epitaktische Ziehen kann in einer oder mehreren Phasen erfolgen. Falls die lichtempfindlichen Finnen 110 dotiert werden sollen, dann kann das Dotieren vor Ort während des epitaktischen Ziehens der lichtempfindlichen Finnen 110 erfolgen. Falls die lichtempfindlichen Finnen 110 mehrere unterschiedlich dotierte Regionen aufweisen sollen, dann kann die Dotierung vor Ort während aufeinanderfolgender Phasen des epitaktischen Ziehprozesses erfolgen. Die lichtempfindlichen Finnen 110 können jeweils intrinsische Regionen mit vergleichsweise geringer Dotierung oder ohne Dotierung aufweisen. Die Dotierungsprofile und die Arten der Dotierung oder die fehlende Dotierung in diversen Regionen werden gemäß der Bauform des Photodetektors 102 in Verbindung mit dem Halbleitersubstrat 104 ausgewählt.
  • Der ringförmige Graben 120, die lichtempfindlichen Finnen 110 und die dielektrischen Finnen 108 bilden insgesamt ein kreisförmiges optisches Gitter 106. Das kreisförmige optische Gitter 106 ist konfiguriert, um Licht 114, das in einem Winkel zwischen 45° und 90° mit Bezug auf die Senkrechte einfällt, umzuleiten, um sich im Wesentlichen in einer waagerechten Richtung durch das kreisförmige optische Gitter 106 zu bewegen. Bei einem Ausführungsbeispiel fällt das Licht 114 von einer Lichtquelle 111, wie etwa einem Glasfaserkabel, aus in einem Winkel zwischen 45° und 90° mit Bezug auf die Senkrechte auf das kreisförmige optische Gitter 106 ein. Das kreisförmige optische Gitter 106 leitet das Licht auf eine im Wesentlichen waagerechte Trajektorie innerhalb des kreisförmigen optischen Gitters 106, wie durch den Weg des Lichts 114 in 6C angegeben. Die Linseneffekte der linsenförmigen dielektrischen Finnen 108 und der lichtempfindlichen Finnen 110 bewirken, dass sich das nun im Wesentlichen waagerechte Licht in einem Kreis um den Graben 120 herum bewegt, bis das Licht 114 von einer der lichtempfindlichen Finnen 110 absorbiert wird. Der kreisförmige Weg des Lichts 114 ist in 6B abgebildet. Da sich das Licht in Schleifen durch das kreisförmige optische Gitter 106 bewegt, ist es höchstwahrscheinlich, dass das Licht schließlich durch eine der lichtempfindlichen Finnen 110 absorbiert wird, wodurch die Empfindlichkeit eines Photodetektors 102 erhöht wird, der das kreisförmige optische Gitter 106 aufweist.
  • 6C ist eine Querschnittsansicht durch einen Teil des Grabens 120 entlang der in 6A gezeigten Linie 6C gemäß einer Ausführungsform. Die Linie 6C geht durch mehrere dielektrische Finnen 108 und mehrere lichtempfindliche Finnen 110. Jede lichtempfindliche Finne 110 ist zwischen zwei dielektrischen Finnen 108 positioniert. Jede dielektrische Finne 108 ist zwischen zwei lichtempfindlichen Finnen 110 positioniert.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht des integrierten Schaltkreises 101 in einer Zwischenstufe der Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform. In 7 wurde eine Schicht von dielektrischem Material 133 über dem kreisförmigen optischen Gitter 106 und über der Schicht von dielektrischem Material 118 abgeschieden. Die Schicht von dielektrischem Material 133 kann eines oder mehrere von Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder anderen dielektrischen Materialien enthalten. Entsprechend kann die Schicht von dielektrischem Material 133 eine andere Schicht von dielektrischem Material sein.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Schicht von dielektrischem Material 133 das gleiche Material wie die dielektrischen Finnen 108 und die dielektrische Seitenwandbeschichtung 130. Alternativ kann die Schicht von dielektrischem Material 133 ein anderes Material als die dielektrischen Finnen 108 und die dielektrische Seitenwandbeschichtung 130 sein. Die Schicht von dielektrischem Material 133 wird ausgewählt, um für Licht 114 durchsichtig zu sein, das auf dem kreisförmigen optischen Gitter 106 einfallen wird. Die Schicht von dielektrischem Material kann einen Brechungsindex aufweisen, der gleich oder anders als der Brechungsindex der lichtempfindlichen Finnen ist.
  • 8A ist eine Querschnittsansicht des integrierten Schaltkreises 101 in einer Zwischenstufe der Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform. 8B ist eine Draufsicht des integrierten Schaltkreises 101 aus 8A gemäß einer Ausführungsform. In 8A und 8B wurde die Öffnung in die Schicht von dielektrischem Material 133 geätzt, und eine Elektrode 136 wurde in der Öffnung gebildet.
  • Die Elektrode 136 enthält ein oder mehrere leitfähige Materialien, wie etwa Metall oder Polysilizium. Die Elektrode 136 ist dadurch ringförmig, dass sie jede der lichtempfindlichen Finnen 110 kontaktiert. Die Elektrode 136 kann Vorspannungen an die lichtempfindlichen Finnen 110 anlegen, und/oder kann Signale von den lichtempfindlichen Finnen \110 lesen. Eine oder mehrere Elektroden können auch das Halbleitersubstrat 104 kontaktieren, um das Anlegen von Vorspannungen zwischen dem Halbleitersubstrat 104 und den lichtempfindlichen Finnen 110 zu ermöglichen. Eine Elektrode 136, welche die lichtempfindlichen Finnen 110 kontaktiert, kann andere Formen, Positionen und Konfigurationen aufweisen, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
  • 9 ist ein Querschnitt eines integrierten Schaltkreises 101 gemäß einer Ausführungsform. 9 bildet einen Photodetektor 102 ab, der ein kreisförmiges optisches Gitter 106 aufweist, das auf einem Halbleitersubstrat 104 positioniert ist. Die dielektrischen Finnen 108 und die lichtempfindlichen Finnen 110 des kreisförmigen optischen Gitters 106 sind in 9 der Einfachheit halber nicht gezeigt. Eine Vielzahl von Transistoren 141 ist in Verbindung mit dem Halbleitersubstrat 104 gebildet.
  • Ein dielektrischer Stapel 138 ist auf der Schicht von dielektrischem Material 133 gebildet. Der integrierte Schaltkreis 101 weist metallische Interconnect-Strukturen 142 auf, die in dem ganzen dielektrischen Stapel 144 positioniert sind. Der integrierte Schaltkreis 101 weist ein oder mehrere Anschlusskontaktstellen 144 auf. Die metallischen Interconnect-Strukturen 142 ermöglichen eine Verbindung zwischen den Transistoren 141, dem Photodetektor 102, den Anschlusskontaktstellen 144 und beliebigen anderen Schaltkreiskomponenten, die in dem integrierten Schaltkreis 101 enthalten sein können. Die Transistoren 141 können die Steuerschaltungen 112 aufweisen, die mit Bezug auf 1 beschrieben wurden. Die metallischen Interconnect-Strukturen 142 ermöglichen das Anlegen von Vorspannungen an den Photodetektor 102, sowie das Lesen von Signalen aus dem Photodetektor 102.
  • Eine Öffnung 140 wird in dem dielektrischen Stapel 133 gebildet. Eine Lichtquelle 111, wie etwa ein Glasfaserkabel, gibt Licht 114 in die Öffnung 140 aus. Das Licht 114 geht bis zu dem kreisförmigen optischen Gitter 106 und wird um das kreisförmige optische Gitter 106 herum umgeleitet, bis das Licht 114 von einer der lichtempfindlichen Finnen 110 absorbiert wird.
  • Der integrierte Schaltkreis 101 kann ein photonischer integrierter Schaltkreis sein, der optische Signale von der Lichtquelle 111 in elektrische Signale umwandelt. Ein logischer integrierter Schaltkreis kann mit dem integrierten Schaltkreis 101 über die Kontaktstellen 144 gekoppelt sein. Der logische integrierte Schaltkreis kann die elektrischen Signale empfangen, die durch den photonischen integrierten Schaltkreis 101 generiert werden, und kann die elektrischen Signale verarbeiten, um daraus Daten zu entnehmen. In diesem Fall kann der photonische integrierte Schaltkreis 101 Transistoren 141 aufweisen oder nicht. Der logische integrierte Schaltkreis kann Transistoren 141 zum Verarbeiten der elektrischen Signale aufweisen.
  • Bei einer Ausführungsform verwendet das kreisförmige optische Gitter 106 wohlbekannte Grundsätze von optischen Gitterkopplern, um die Bahn von fast senkrecht einfallendem Licht umzuleiten. Herkömmliche optische Gitterkoppler sind nicht kreisförmig. Typischerweise fokussieren herkömmliche optische Gitterkoppler Licht in einen Wellenleiter, der das Licht zu einem lichtempfindlichen Material leitet, welches das Licht absorbieren kann. Falls das lichtempfindliche Material jedoch das Licht bei einem ersten Durchgang nicht absorbiert, kann es sein, dass das Licht das lichtempfindliche Material verlässt, ohne detektiert zu werden. Somit sind herkömmliche Photodetektoren, die herkömmliche optische Gitterkoppler verwenden, ineffizient, weil eine große Menge von einfallendem Licht nie von dem lichtempfindlichen Material absorbiert wird. Das kreisförmige optische Gitter 106 aus 1 bis 9 stellt einen Photodetektor mit verstärkter Empfindlichkeit bereit, weil das Licht 114 um das kreisförmige optische Gitter umläuft, bis es von einer der lichtempfindlichen Finnen 110 absorbiert wird.
  • Weitere Einzelheiten bezüglich der optischen Gitterkoppler sind in der Druckschrift „Grating Couplers for Coupling between Optical Fibers and Nanophotonic Waveguides“, Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, Nr. 8A, 2006, S. 6071-6077, zu finden, die hiermit zur Bezugnahme übernommen wird.
  • 10 ist ein Ablaufschema eines Verfahrens 1000 zum Bilden eines integrierten Schaltkreises gemäß einer Ausführungsform. Bei 1002 umfasst das Verfahren 1000 das Bilden eines ringförmigen Grabens in einem Halbleitersubstrat. Ein Beispiel eines Halbleitersubstrats ist das Halbleitersubstrat 104 aus 6A bis 6C. Ein Beispiel eines ringförmigen Grabens ist der ringförmige Graben 120 aus 6A bis 6C. Bei 1004 umfasst das Verfahren 1000 das Bilden einer Vielzahl von dielektrischen Finnen in dem ringförmigen Graben. Ein Beispiel der dielektrischen Finnen sind die dielektrischen Finnen 108 aus 6B, 6C. Bei 1006 umfasst das Verfahren 1000 das Bilden einer Vielzahl von lichtempfindlichen Finnen (110) in dem ringförmigen Graben, die jeweils zwischen angrenzenden dielektrischen Finnen positioniert sind. Ein Beispiel von lichtempfindlichen Finnen sind die lichtempfindlichen Finnen 110 aus 6A bis 6C.
  • Bei einer Ausführungsform weist ein integrierter Schaltkreis ein Halbleitersubstrat, einen ringförmigen Graben in dem Halbleitersubstrat und eine Vielzahl von dielektrischen Finnen in dem ringförmigen Graben auf. Der integrierte Schaltkreis umfasst eine Vielzahl von lichtempfindlichen Finnen, die in dem ringförmigen Graben jeweils zwischen zwei angrenzenden dielektrischen Finnen positioniert sind. Die Vielzahl von dielektrischen Finnen und lichtempfindlichen Finnen ist als ein kreisförmiges optisches Gitter konfiguriert, das konfiguriert ist, um einfallendes Licht um den ringförmigen Graben herum zu leiten.
  • Bei einer Ausführungsform weist ein Photodetektor ein Halbleitersubstrat und ein kreisförmiges optisches Gitter, das in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, auf. Wobei das kreisförmige optische Gitter eine Vielzahl von dielektrischen Finnen und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Finnen aufweist, die jeweils zwischen angrenzenden dielektrischen Finnen positioniert sind.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Bilden eines ringförmigen Grabens in einem Halbleitersubstrat und das Bilden einer Vielzahl von dielektrischen Finnen in dem ringförmigen Graben. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Vielzahl von lichtempfindlichen Finnen in dem ringförmigen Graben, die jeweils zwischen angrenzenden dielektrischen Finnen positioniert sind.
  • Die zuvor beschriebenen diversen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Die Aspekte der Ausführungsformen können gegebenenfalls geändert werden, um Konzepte der diversen Patente, Anmeldungen und Veröffentlichungen zu verwenden, um noch weitere Ausführungsformen bereitzustellen.
  • Diese und andere Änderungen können angesichts der obigen ausführlichen Beschreibung an den Ausführungsformen vorgenommen werden. Im Allgemeinen sind in den folgenden Ansprüchen die Begriffe nicht als die Ansprüche auf die spezifischen Ausführungsformen, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, einschränkend auszulegen, sondern sind dazu gedacht, alle möglichen Ausführungsformen zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente zu umfassen, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind. Entsprechend sind die Ansprüche nicht durch die Offenbarung eingeschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, Nr. 8A, 2006, S. 6071-6077 [0074]

Claims (20)

  1. Integrierter Schaltkreis (100), aufweisend: ein Halbleitersubstrat (104); einen ringförmigen Graben (120) in dem Halbleitersubstrat; eine Vielzahl von dielektrischen Finnen (108) in dem ringförmigen Graben; und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Finnen (110), die in dem ringförmigen Graben jeweils zwischen zwei angrenzenden dielektrischen Finnen positioniert sind, wobei die Vielzahl von dielektrischen Finnen und lichtempfindlichen Finnen als ein kreisförmiges optisches Gitter (106) konfiguriert ist, das konfiguriert ist, um einfallendes Licht um den ringförmigen Graben herum zu leiten.
  2. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei das kreisförmige optische Gitter und das Halbleitersubstrat als ein Photodetektor konfiguriert sind, der konfiguriert ist, um Licht zu detektieren, das auf das kreisförmige optische Gitter einfällt.
  3. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 2, wobei der Photodetektor Licht detektiert, indem er Licht in den lichtempfindlichen Finnen absorbiert.
  4. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 3, wobei die lichtempfindlichen Finnen und das Halbleitersubstrat als eine Photodiode konfiguriert sind.
  5. Integrierter Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtempfindlichen Finnen Germanium enthalten.
  6. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 5, wobei das Halbleitersubstrat Silizium enthält.
  7. Integrierter Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Finnen Siliziumoxid enthalten.
  8. Integrierter Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ringförmige Graben Folgendes aufweist: eine innere Seitenwand, die eine innere seitliche Grenze des ringförmigen Grabens definiert; eine äußere Seitenwand, die eine äußere seitliche Grenze des ringförmigen Grabens definiert; und eine dielektrische Seitenwandbeschichtung, welche die innere Seitenwand und die äußere Seitenwand bedeckt.
  9. Integrierter Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine ringförmige Elektrode, welche die lichtempfindlichen Finnen kontaktiert.
  10. Integrierter Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ringförmige Graben einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  11. Integrierter Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtempfindlichen Finnen und die dielektrischen Finnen gekrümmt sind.
  12. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 11, wobei die lichtempfindlichen Finnen und die dielektrischen Finnen als Linsen dienen, die Licht um den ringförmigen Graben herum leiten.
  13. Photodetektor, aufweisend: ein Halbleitersubstrat (104); und ein kreisförmiges optisches Gitter (106), das in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, wobei das kreisförmige optische Gitter Folgendes aufweist: eine Vielzahl von dielektrischen Finnen (108); und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Finnen (110), die jeweils zwischen angrenzenden dielektrischen Finnen positioniert sind.
  14. Photodetektor nach Anspruch 13, ferner aufweisend einen ringförmigen Graben, der in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, wobei die Vielzahl von dielektrischen Finnen und lichtempfindlichen Finnen in dem ringförmigen Graben positioniert ist.
  15. Photodetektor nach Anspruch 14, wobei das kreisförmige optische Gitter konfiguriert ist, um Licht um den ringförmigen Graben herum zu leiten.
  16. Verfahren, umfassend folgende Schritte: Bilden eines ringförmigen Grabens (120) in einem Halbleitersubstrat (104); Bilden einer Vielzahl von dielektrischen Finnen (108) in dem ringförmigen Graben; und Bilden einer Vielzahl von lichtempfindlichen Finnen (110) in dem ringförmigen Graben, die jeweils zwischen angrenzenden dielektrischen Finnen positioniert sind.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend das Bilden der lichtempfindlichen Finnen durch ein epitaktisches Ziehen aus einer unteren Oberfläche des ringförmigen Grabens.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die lichtempfindlichen Finnen monokristalline Halbleiterfinnen sind.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 18, ferner umfassend das Bilden einer Elektrode in Kontakt mit den lichtempfindlichen Finnen.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16 bis 19, ferner umfassend das Bilden einer Apertur in einem integrierten Schaltkreis zum Empfangen von Licht in dem ringförmigen Graben.
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