JP2020508561A - 短赤外スペクトル領域のためのゲルマニウムベースの焦点面アレイ - Google Patents

短赤外スペクトル領域のためのゲルマニウムベースの焦点面アレイ Download PDF

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Abstract

入射光に対向する広いピラミッド底部と、狭いピラミッド頂部と、Ｓｉピラミッド頂部上に形成されたＧｅフォトダイオードと、を含むピラミッド形状を有するＳｉベースを備える光検出構造。Ｇｅフォトダイオードは、短波長赤外領域の光を検出するように動作可能である。そして、そのような構造を形成するための方法。上記のような光検出構造は、空間的に繰り返され、シリコン上のＧｅ光検出器の焦点面アレイの形態で製造されてもよい。

Description

発明の詳細な説明
〔関連出願への相互参照〕
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年１月９日に出願された米国仮特許出願第６２６１５１９８号から優先権の利益を主張する。
〔分野〕
本明細書に開示される実施形態は、一般的に、短波赤外（ＳＷＩＲ）スペクトル領域における焦点面アレイ（ＦＰＡ）に関し、特に、ゲルマニウム（Ｇｅ）検出器に基づいてそのようなＦＰＡを形成するための方法に関する。
〔背景〕
ＳＷＩＲ（一般的に、約１０００〜２５００ｎｍの間の波長であると定義される）で動作する画像システムは、多くの理由により注目を集めている。例えば、可視領域と比較して、ＳＷＩＲ領域の光は、霧及び粉塵のような極端な天候条件に対して感受性が低い。さらに、ＳＷＩＲの波長領域は、人間の目には見えない。加えて、眼の安全規制は、ＳＷＩＲ領域における高出力の能動照明源の使用を可能にする。赤外線画像とは異なり、ＳＷＩＲの画像コントラスト機構が可視領域の画像コントラスト機構に似ており、それゆえに従来の画像認識アルゴリズムの使用を可能にするという事実と合わせて考えると、このような利点は、ＳＷＩＲ領域を画像化目的のための可視領域に対する魅力的な代替手段にする。
ＳＷＩＲ領域における既知のＦＰＡは、通常、ＩｎＧａＡｓ材料系を用いて製造される。ＩｎＧａＡｓベースの（based）ＦＰＡの性能膜は魅力的であるが、そのようなＦＰＡのコストは高く、これによって多くの消費者市場の用途ではＦＰＡの使用が妨げられる。
低コストで高性能を提供する、シリコンに基づくＳＷＩＲ光検出器及びＦＰＡ並びに他のＩＶ族材料と、そのようなＳＷＩＲ光検出器及びＦＰＡを製造する方法と、が必要であり、かつ、有することが有利となる。
〔概要〕
本明細書に開示される実施形態は、ＳＷＩＲ領域で光を検出するための低コストであり高性能な光検出構造及びそのような構造を製造するための方法に関する。
例示的な実施形態では、入射光に対向する（facing）広いピラミッド底部と、狭い（narrower）ピラミッド頂部と、を含むピラミッド形状を有するＳｉベースと、Ｓｉピラミッド頂部上に形成されたＧｅフォトダイオードと、を備える光検出構造が提供され、Ｇｅフォトダイオードは、ＳＷＩＲ領域の光を検出するように動作可能である。
例示的な実施形態では、Ｇｅフォトダイオードは、ｐ−ｎ接合部を含む。
例示的な実施形態では、Ｇｅフォトダイオードは、ｐ−ｉ−ｎ接合部を含む。
例示的な実施形態では、上記または下記に記載される光検出構造は、ピラミッド底部と入射光との間に配置されるマイクロレンズをさらに備える。
例示的な実施形態では、上記または下記に記載される光検出構造は、ピラミッド底部とマイクロレンズとの間に設置される反射防止層をさらに備える。
例示的な実施形態では、ピラミッド底部は、約１０×１０マイクロ平方メートル（μｍ２）の正方形である。例示的な実施形態では、ピラミッド底部は、約２０×２０μｍ２の正方形である。
例示的な実施形態では、ピラミッド頂部は、約１×１μｍ２の正方形である。例示的な実施形態では、ピラミッド頂部は、約１×１μｍ２〜約１０×１０μｍ２の間の正方形である。
例示的な実施形態では、上記または下記に記載される光検出構造が空間的に繰り返されて、それぞれのＳｉピラミッド頂部上に形成された複数のＧｅフォトダイオードを提供し、ＦＰＡを形成する。
〔図面の簡単な説明〕
本明細書に開示される実施形態の非限定的な例は、この段落の後に列挙され、本明細書に添付される図面を参照して、以下に記載される。１つ以上の図面に現れる同一の構造、素子または要素は、それらが現れる全ての図面において、概して同一の数字で付記される。図面及び説明は、本明細書に開示される実施形態を明確にすることを意図しており、決して限定されるものと考慮されるべきではない。図面において：
図１は、本明細書に開示されるＧｅベースの（Ge-based）感光性構造の一実施形態を側面図で概略的に示す。
図２は、本明細書に開示されるＧｅベースのＦＰＡを製造する方法における主要なステップを概略的に示す。
〔詳細な説明〕
以下の詳細な説明では、完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細が述べられる。しかし、現在開示されている主題は、これらの特定の詳細なしで実施され得ることが、当業者によって理解されるであろう。他の例では、周知の方法は、現在開示されている主題を不明確にしないように、詳細には説明されていない。
明確にするために、別個の実施形態の文脈で説明される、現在開示されている主題の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよいことが理解される。反対に、簡略にするために、単一の実施形態の文脈で説明される、現在開示されている主題の様々な特徴は、別個または任意の適切なサブコンビネーションで提供されてもよい。
図１は、本明細書に開示されるＧｅベースの感光性（ＰＳ）構造１００の実施形態を側面図で概略的に示す。構造１００は、Ｇｅ吸収媒体の層１０２と、集光構造１０６と、絶縁酸化物１１２と、導電性コンタクト１１４と、を備える。Ｇｅ吸収媒体の層１０２は、ドープされたＳｉ基板（ウエハ）１０４上に成長したものである。集光構造１０６は、Ｓｉウエハ内に一体的に形成されたシリコンピラミッド１０８を含む。絶縁酸化物１１２は、隣接するピラミッド１０８間の間隙を充填する。導電性コンタクト１１４は、１つ以上のＧｅ光検出器（以下、「Ｇｅフォトダイオード」または単に「Ｇｅダイオード」とも称する）１２０を外界に電気的に接続するためのものである。また、図１は、Ｇｅ層の結晶成長を支持し、貫通転位（図示せず）を閉じ込めるために、シリコン基板にエッチングされた成長シード１１６を示す。その閉じ込めは、転位がシードの上のＧｅ層に伝搬することを防止し、それによってＧｅ層の品質を改善する。シードは、成長化学物質に曝されるその底部を除いて、全ての側面で薄い酸化物層１１８によって保護される。これは、Ｇｅ結晶成長がシードの底部から生じることを確実にするために実行される。
より詳細には、各Ｓｉピラミッド１０８は、ウエハ１０４上に大きなベース「Ｂ」を有するように形成される。ベースは、１０×１０μｍ２以上、例えば２０×２０μｍ２までの例示的な寸法を有する正方形を有してもよい。ピラミッド頂部の正方形の形状及び寸法は例示的なものであり、他の形状（例えば、長方形）または寸法も可能である。Ｇｅダイオード１２０（例えば、ｐ−ｎ構造またはｐ−ｉ−ｎ構造を有する）は、ピラミッドの狭い（narrower）頂部上に形成される。各ピラミッドは、大きなベース（Ｂ）に衝突する光を集め、Ｇｅダイオードのより小さな寸法に光を閉じ込める。例えば、Ｇｅダイオードは、約１μｍ〜数μｍ（例えば、約２、３、４、さらには１０μｍ）の横方向の寸法を有する。Ｇｅ層の厚さｈは、約１μｍ以上であってもよく、ＳＷＩＲ光の有意な吸収（例えば、１５００ｎｍの波長で３０％より大きい）が達成されるように選択される。Ｇｅダイオードのサイズは、Ｓｉピラミッドのベースのサイズに比べて小さいため、吸収媒体の体積に比例する暗電流成分が大幅に低減される。マイクロレンズ１１０のアレイは、光収集効率をさらに改善するために、任意でピラミッドの下に配置することができる。ＦＰＡに衝突する光の反射を低減するために、反射防止層（ＡＲ）１２２を任意で追加することができる。
動作中、光は、ＳＷＩＲ波長領域において透明である各Ｓｉピラミッド１０８を通って伝搬する。光がＳｉピラミッドの頂部に到達すると、光はＧｅダイオード１２０に侵入する。Ｇｅ層によって吸収された光は、電子−正孔対を生成し、これらは、逆バイアスの適用下、または、バイアスなしでさえ、既知の方法でダイオード構造によって分離され、光検出を提供する有用な光電流をもたらす。
上部にＧｅダイオードを有し、酸化物によって囲まれた１つのＳｉピラミッドを含む構造は、単一の「アクティブピクセル」であると考えることができる。この構造は、ＦＰＡの感光性ウエハを形成するアクティブピクセルのアレイを提供するために、空間的に何度も繰り返すことができる。
図２は、本明細書に開示されるＧｅベースのＦＰＡを製造する方法における主要なステップを概略的に示す。ステップ２０２では、｛１００｝結晶面方位を有する、好ましくは二重研磨されたシリコンウエハが、出発材料として提供される。ウエハには、後続のリソグラフィプロセスからシリコンの表面を保護する薄い酸化物（〜１０ｎｍの酸化物厚さ）が設けられる。ステップ２０４では、リソグラフィ及びエッチングを実行して、シリコン内にアライメントマスクを規定する。ステップ２０６では、ピラミッドパターンマスクが、例えば、第１の薄い窒化シリコン層（またはエッチングプロセスのためのマスクとして使用され得る任意の他の層）を、熱成長酸化物の頂部上に堆積することによって規定される。ステップ２０８では、ピラミッドベースの寸法は、フォトリソグラフィ及び窒化シリコン層のエッチングを用いて規定される（例えば、約１０×１０μｍ２から約２０×２０μｍ２までの正方形として）。シリコンピラミッドは、ステップ２１０において、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いた異方性エッチングによって、または、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成することができ、後者は、ＲＩＥパラメータを既知の方法で制御して所望のプロファイル（profile）を提供することによって達成される。ステップ２１２では、厚い酸化シリコン層が、ピラミッド間の間隙を充填するために堆積される（例えば、プラズマ強化化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して）。この構造は、酸化物がシリコンピラミッドの頂部と平坦になるように、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）によって平坦化される。ステップ２１４では、窒化物堆積の第２の薄い層、それに続いて酸化物堆積の第２のステップは、Ｇｅダイオードの所望の厚さ（図１におけるｈ）まで実行される。ステップ２１６では、第３の薄い窒化物層が酸化物の堆積の後に堆積され、後続のＣＭＰプロセスにおいて選択性を提供する。この第３の窒化物層は、典型的には、第２の窒化物層よりも厚い。ステップ２１８では、成長シードのパターンが規定される。第１に、第３の窒化物層、酸化物層及び第２の窒化物層を貫通し、シリコン内に下がる（例えば、シリコン内に約１μｍ）リソグラフィ及びエッチングを実行することによって、シードの構造が生成される。シードの典型的な幅は、数百ナノメートルから約１μｍの範囲とすることができる。ステップ２２０では、第３の窒化物層及びその下の酸化物を除去するためにリソグラフィ及びエッチングを実行することによって、Ｇｅダイオードの横方向の寸法が規定される。
次に、シードの側壁は、短酸化ステップ、続いてシードの底部を露出させるＲＩＥを実行することによって保護される。ステップ２２２では、各ピクセルの第２の窒化物層は、リソグラフィマスクを使用する必要がなく、ウェット化学エッチングによるＲＩＥによって除去される。その結果、第３の窒化物の一部も除去される。しかし、第３の窒化物層は第２の窒化物層よりも厚いため、第３の窒化物層の一部は依然として残り、ＣＭＰプロセスのためのストップ層として後に使用される。
ステップ２２４では、Ｇｅ層は、例えば公知のＣＶＤプロセスを用いて成長する（例えば、“Germanium epitaxy on silicon”, Sci. Technol. Adv. Mater. 15 (2014) 024601.を参照）。ステップ２２６では、Ｇｅ層を平坦化するために別のＣＭＰプロセスが実行される。窒化物層が除去され、パッシベーション及びメタライゼーションの準備のために、数マイクロメートルの酸化物が堆積される。ステップ２２８では、Ｇｅダイオードは、ドーピングの標準的なプロセス、例えば、イオン注入または拡散及びドーパントの活性化を用いて、ｐｎ接合部またはｐ−ｉ−ｎ接合部を生成することによって規定される（例えば、“Waveguide-integrated vertical pin photodiodes of Ge fabricated on p+ and n+ Si-on-insulator layers” Japanese Journal of Applied Physics 56, 04CH05 (2017) for p-i-n, and “High-Performance Ge p-n Photodiode Achieved With Preannealing and Excimer Laser Annealing” IEEE Photonics Technology Letters (Vol. 27, Issue 14, pp. 1485-1488 (2015) for pn.を参照）。
例示的な実施形態では、Ｇｅ光検出器の中央領域のドーピングは、ｎ型とすることができ、周囲の高濃度のドープ領域は、ｐ＋ドープされる。または、ドーピング極性を逆にすることができ、アズグロウンのバルクＧｅ（as-grown bulk Ge）はｐ型であり、Ｇｅダイオードの周囲はｎ＋ドープされる。ドーピングに続いて、Ｇｅダイオードアレイ（すなわち、ＦＰＡ）を完成させるために、コンタクト画定（contact definition）及びメタライゼーションが実行される。
本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法に関して説明されてきたが、実施形態及び方法の変更及び置換は、当業者には明らかであろう。本開示は、本明細書に記載される特定の実施形態によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものと理解されるべきである。
特に明記しない限り、選択のための選択肢のリストに係る最後の２つの部材間の「及び／または」という表現の使用は、リストに記載された選択肢のうちの１つ以上の選択が適切であり、行われ得ることを示す。
特許請求の範囲または明細書が「ａ」または「ａｎ」要素に言及する場合、そのような言及は、その要素のうちの１つだけが存在すると解釈されるべきではないことが理解されるべきである。
本明細書において言及される全ての参考文献は、あたかも、それぞれの個々の参考文献が、参考として本明細書に組み込まれるように具体的かつ個別に示されるかのように、その全体が同じ内容で本明細書に参考として組み込まれる。さらに、本出願における参考文献の引用または同一のものは、当該参考文献が本開示に対する先行技術として利用可能であることを認めるものと解釈してはならない。
本明細書に開示されるＧｅベースの感光性構造の一実施形態を側面図で概略的に示す。 本明細書に開示されるＧｅベースのＦＰＡを製造する方法における主要なステップを概略的に示す。

Claims (12)

  1. 入射光に対向する広いピラミッド底部と、狭いピラミッド頂部と、を含むピラミッド形状を有するシリコン（Ｓｉ）ベースと、
    前記Ｓｉピラミッド頂部上に形成されるとともに、短波長赤外（ＳＷＩＲ）領域の光を検出するように動作可能であるゲルマニウム（Ｇｅ）フォトダイオードと、を備える、光検出構造。
  2. 前記Ｇｅフォトダイオードは、ｐ−ｎ接合部を含む、請求項１に記載の光検出構造。
  3. 前記Ｇｅフォトダイオードは、ｐ−ｉ−ｎ接合部を含む、請求項１に記載の光検出構造。
  4. 前記ピラミッド底部は、約１０×１０μｍ２の正方形である、請求項１に記載の光検出構造。
  5. 前記ピラミッド頂部は、約１×１μｍ２の正方形である、請求項１に記載の光検出構造。
  6. 前記ピラミッド底部は、約１０×１０μｍ２の正方形であり、
    前記ピラミッド頂部は、約１×１μｍ２の正方形である、請求項１に記載の光検出構造。
  7. 前記ＳＷＩＲ領域は、約１０００ｎｍ〜約１７００ｎｍの波長領域を含む、請求項１に記載の光検出構造。
  8. 前記ピラミッド底部と前記入射光との間に配置されたマイクロレンズをさらに備える、請求項１に記載の光検出構造。
  9. 前記ピラミッド底部と前記マイクロレンズとの間に設置された反射防止層をさらに備える、請求項８に記載の光検出構造。
  10. 空間的に繰り返されて、それぞれのＳｉピラミッド頂部上に形成された複数のＧｅフォトダイオードを提供し、焦点面アレイ（ＦＰＡ）を形成する、請求項１に記載の光検出構造。
  11. 各ピラミッド底部と前記入射光との間に配置されたマイクロレンズをさらに備える、請求項１１に記載の光検出構造。
  12. 各ピラミッド底部と前記マイクロレンズとの間に設置された反射防止層をさらに備える、請求項１２に記載の光検出構造。
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