TW202129990A - 嵌入於多模干涉儀中的鍺光偵測器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種方法，包含：蝕刻矽層以形成矽平板及在矽平板上方的上部矽區，以及植入矽平板及上部矽區以形成p型區、n型區，以及p型區與n型區之間的固有區。方法更包含蝕刻p型區、n型區以及固有區以形成溝渠。上部矽區的剩餘部分形成多模干涉儀（MMI）區。執行磊晶製程以在溝渠中生長鍺區。使電連接件連接至p型區及n型區。

Description

嵌入於多模干涉儀中的鍺光偵測器
光偵測器（photodetector；PD）為用於光電訊號轉換的關鍵裝置。鍺PD用於感測及較高速度通訊，諸如光偵測及測距（Lidar）、資料中心、電信等等。鍺對於波長小於約1.55微米的光具有強吸收係數，使得鍺為用於形成光偵測器的良好材料。
習知側向鍺光偵測器可包含P-I-N二極體，具有在P-I-N二極體上方且接觸所述P-I-N二極體的鍺區。可向下蝕刻其中形成有P-I-N二極體的矽層，使得P-I-N二極體的側壁與介電質接觸。鍺區具有吸收光並將光轉換成電子-電洞對的能力。在習知鍺光偵測器中，在P-I-N二極體上形成鍺區。此類型鍺光偵測器具有低響應度，其中輸入光束容易過多轉向。為解決此問題，並不由鍺區重疊的P區及N區凹陷以形成側壁，從而將光緊密限制於接近鍺吸收區，在P-I-N二極體與光偵測器所定位的介電區之間。具有在較短距離中由鍺吸收的光的此類型的鍺光偵測器具有低飽和功率。
以下揭露內容提供用於實施本發明的不同特徵的多個不同實施例或示例。以下描述組件及配置的特定示例以簡化本揭露。當然，這些組件及配置僅為示例且並不意欲為限制性的。舉例而言，在以下描述中，第一特徵形成於第二特徵上方或上可包含第一特徵及第二特徵直接接觸地形成的實施例，且亦可包含額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露內容可在各種示例中重複附圖標號及/或字母。此重複是出於簡化及清晰的目的且本身並不指示所論述的各種實施例及/或組態之間的關係。
此外，在本文中，為了易於描述，空間相對術語，諸如「在…下方（beneath）」、「下方（below）」、「下（lower）」、「上（above）」、「上方（upper）」及類似者可用於描述如圖式中所說明的一個元件或特徵與其他元件或特徵的關係。除圖式中所描繪的定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋裝置在使用或操作中的不同定向。設備可以其他方式定向（旋轉90度或處於其他定向）且本文中所使用的空間相對描述詞可同樣相應地進行解譯。
根據一些實施例提供多模（multi-mode）鍺光偵測器及其形成方法。根據一些實施例示出多模鍺光偵測器的形成中的中間階段。論述一些實施例的一些變化。本文中所論述的實施例將提供使得能夠製備或使用本揭露的主題的示例，且所屬技術領域中具有通常知識者將易於理解在屬於不同實施例的所設想範疇內的情況下可進行的修改。貫穿多個視圖及說明性實施例，相同的附圖標號用以指明相同元件。儘管方法實施例可論述為以特定次序執行，但其他方法實施例可以任何邏輯次序執行。
根據本揭露的一些實施例，多模鍺光偵測器具有在多模干涉儀（Multi-Mode Interferometer；MMI）結構中的鍺區。MMI結構可為矽區，其橫向地延伸超出鍺區足夠遠，使得可從輸入光的基階模態（fundamental mode）激發成多個高階模態（high-order modes）。包含基階模態及高階模態的不同模態在MMI結構內部干擾，使得光的光場強度可重新分配。因此，吸收率沿鍺區漸變，而非在鍺區的前中心截面中具有最強強度且大部分光能量由前部截面吸收。此導致光的飽和功率增大及光偵測器的速度提高。應理解，儘管矽及鍺用作示例材料，但其他可適用材料亦可用於形成多模光偵測器。
圖1、圖2A、圖2B、圖3A、圖3B、圖4至圖8、圖9A、圖9B以及圖9C示出根據本揭露的一些實施例的多模鍺光偵測器的形成中的中間階段的橫截面圖及俯視圖。對應製程亦示意性地反映於如圖16中所繪示的製程流程200中。
在圖1中，提供晶圓10，其包含基板20。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程202。基板20可具有絕緣層上半導體（Semiconductor-On-Insulator；SOI）結構，其包含半導體基板20A、在半導體基板20A上方且接合至半導體基板20A的內埋氧化物（Buried Oxide；BOX）層20B，以及在BOX層20B上方且接合至BOX層20B的半導體層20C。根據一些實施例，半導體基板20A的半導體材料可包含：矽、鍺、包含碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦及/或銻化銦的化合物半導體、包含矽鍺（SiGe）、碳化矽（SiC）、磷化砷化鎵（GaAsP）、砷化銦鋁（AlInAs）、砷化鎵鋁（AlGaAs）、砷化銦鎵（GaInAs）、磷化鎵銦（GaInP）及/或砷磷化鎵銦（GaInAsP）的合金半導體，或其組合。基板20A亦可由諸如藍寶石、氧化銦錫（Indium tin oxide；ITO）或類似物的其他材料形成。
BOX層20B可由折射率低於矽的折射率的介電材料形成。根據一些實施例，BOX層20B由氧化矽形成或包括氧化矽。半導體層20C可由結晶矽形成，且在下文中被稱作矽層20C。根據本揭露的一些實施例，矽層20C並未摻雜有p型及n型雜質中的任一者。根據本揭露的替代性實施例，矽層20C輕微摻雜有諸如硼、銦或其類似物的p型雜質，或諸如磷、砷、銻或其類似物的n型雜質。輕微摻雜矽層20C的摻雜濃度低，例如低於約5×1015 /CM3 。在整個描述中，並未摻雜或以低於5×1015 /cm3 的摻雜濃度輕微摻雜的半導體層（區）被稱作固有（intrinsic）半導體層（區）。矽層20C的厚度T1可能介在約0.1微米至約1微米的範圍內。
隨後例如在多個蝕刻製程中圖案化矽層20C，以形成多個裝置區。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程204。示例裝置區繪示於圖2A中，所述示例裝置區包含光柵耦合器（grating coupler）22、波導24以及矽區26。矽區26將用於在後續製程中形成多模鍺光偵測器。根據一些實施例，用於圖案化矽層20C的蝕刻製程包含時間模態蝕刻製程以蝕刻矽層20C的一些部分，其中時間模態蝕刻製程在矽層20C被蝕刻穿過之前停止。執行另一蝕刻製程以蝕刻穿過矽層20C。作為蝕刻製程的結果，矽區26包含矽平板26A及在矽平板26A上方的上部矽區26B、上部矽區26C以及上部矽區26D（繪示於圖2B中）。根據本揭露的一些實施例，矽平板26A的厚度T2可介於約0.05微米至約0.5微米之間的範圍內，且上部矽區26B、上部矽區26C以及上部矽區26D的厚度T3可介於約0.05微米至約0.5微米之間的範圍內。比率T3/T2可介於約0.1至約10之間的範圍內。
圖2B示出矽區26的俯視圖，其包含矽平板26A、矽區26B、波導26C以及錐形區26D。自如圖2B中所示的參考橫截面2A-2A獲得圖2A中所示的橫截面圖。矽平板26A可大於矽區26B，且可至少在-X方向、+Y方向以及-Y方向上延伸超出矽區26B的邊緣。矽平板26A可或可不在+X方向上延伸超出矽區26B的邊緣。在整個描述中，矽區26B被稱作MMI區，如後續段落中將詳細論述。
圖3A示出多個摻雜區的形成，所述多個摻雜區包含p型區30、n型區32、重度摻雜p型（p+）區34，以及重度摻雜n型（n+）區36。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程206。根據一些實施例，p型區30及n型區32可具有在約1017 /cm3 至約1019 /cm3 之間的範圍內的相應p型及n型雜質濃度。p+區34及n+區36可具有在約1019 /cm3 至約1021 /cm3 之間的範圍內的相應p型及n型雜質濃度。p+區34及n+區36用作所得光偵測器的電性接觸區。可使用微影罩幕來植入區30、區32、區34以及區36中的每一者。舉例而言，圖3A示出p+區34的示例形成製程，其包含形成圖案化光阻38，其中形成開口40以暴露出矽區26的一部分，及植入諸如硼及/或銦的p型雜質以形成p+區34。在植入之後移除光阻38。
圖3B示出圖3A中所示的結構的俯視圖，其中自如圖3B中所示的參考橫截面3A-3A獲得圖3A中所示的橫截面圖。如圖3B中所示，植入矽區26的一些部分，而矽區26的其餘部分並未被植入。矽區26的未被植入部分（其可包含矽平板26A及上部矽區26B的部分）可保持固有（intrinsic）。
參考圖4，在矽特徵上形成介電層42。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程208。根據本揭露的一些實施例，介電層42由折射率低於矽的折射率的介電材料形成。根據一些實施例，介電層42由氧化矽（SiO2 ）、氮氧化矽（SiON）、氧化鋁（Al2 O3 ）或其類似物形成或包括氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁或其類似物。其他材料亦處於本揭露的範疇內。介電層42的形成可包含原子層沈積（Atomic Layer Deposition；ALD）、化學氣相沈積（Chemical Vapor Deposition；CVD）、電漿增強式化學氣相沈積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；PECVD）或其類似物。介電層42可包含覆蓋光柵耦合器22、波導24以及矽區26的部分。可執行諸如化學機械研磨（Chemical Mechanical Polish；CMP）製程或機械研磨製程的平坦化製程以平坦化介電層42的頂部表面。
參考圖5，蝕刻矽區26以形成溝渠44，所述溝渠44延伸至矽區26、p型區域30以及n型區域32的不摻雜部分中。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程210。可使用非等向性蝕刻製程執行蝕刻。根據一些實施例，可使用C2 F6 ；CF4 ；SO2 ；HBr、Cl2 以及O2 的混合物；HBr、Cl2 以及O2 的混合物；HBr、Cl2 、O2 以及CF2 的混合物等來執行蝕刻。其他材料亦處於本揭露的範疇內。根據一些實施例，溝渠44的底部低於矽平板26A的頂部表面。根據其他實施例，溝渠44的底部與矽平板26A的頂部表面齊平或更高。
圖6示出用於形成鍺區46的磊晶製程，所述鍺區46自矽區26的被暴露表面選擇性地生長，但並不自介電層42選擇性地生長。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程212。根據一些實施例，使用鍺烷（GeH4 ）作為處理氣體執行磊晶，其中添加諸如HCl的蝕刻氣體以達成選擇性生長。鍺區46可包括純鍺，或基本上純鍺（例如，具有高於99%的鍺原子百分比）。根據本揭露的一些實施例，鍺區46是固有的，其在磊晶期間並無原位（in-situ）添加p型雜質及n型雜質。根據替代性實施例，鍺區46輕微地原位摻雜有p型及/或n型雜質，其中摻雜濃度低於例如約1×1015 /cm3 。執行磊晶製程直至鍺區46的頂部表面至少與矽區26的頂部表面26T齊平或高於所述頂部表面26T為止。鍺區46的頂部表面亦可與介電層42的頂部表面齊平或高於所述頂部表面。舉例而言，圖6示出頂部表面高於介電層42的頂部表面的示例鍺區46。鍺區46可具有例如使用虛線47表示的刻面（facets）。根據本揭露的一些實施例，在磊晶製程之後，執行平坦化製程以平坦化鍺區46及介電層42的頂部表面。根據替代性實施例，不執行平坦化製程，且鍺區46的頂部表面可低於、齊平於或高於介電層42的頂部表面。
圖7示出根據本揭露的一些實施例的罩蓋層50的形成。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程214。根據一些實施例，罩蓋層50由緻密dense（dense）材料形成，其可防止鍺區46中的鍺不合需要地向上擴散至上覆overlyingoverlying（overlying）區中及污染上覆區。因此，在形成罩蓋層的情況下，本揭露的形成製程與諸如電晶體的其他積體電路的形成更相容。罩蓋層50可由氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁或其類似物形成或包括氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁或其類似物。其他材料亦處於本揭露的範疇內。罩蓋層50的厚度可能介於約20奈米至約600奈米之間的範圍內。
罩蓋層50的材料及形成製程可經組態以使罩蓋層50對底層underlying（underlying）鍺區46施加應力。根據一些實施例，應力是拉伸應力。根據一些實施例，應力是壓縮應力。應力可能高於約1 GPa，且可在約0.2 GPa至約1.7 GPa之間的範圍內。其他值亦處於本揭露的範疇內。拉伸應力可有效地減少鍺的直接能帶隙bandgap（bandgap），其朝向較長波長轉化（translates）為強吸收帶的延伸部分。舉例而言，在應力位準（level）為0.5 GPa的情況下，Ge吸收邊緣可由90奈米轉換（shifted）至較長波長（自~1550奈米至~1640奈米），其使得Ge高吸收帶完全覆蓋電訊中使用的C波段（c-bandc-band）。應理解，無論罩蓋層50是否將應力施加至鍺區46，應力的類型（壓縮或拉伸）及量（magnitude）與罩蓋層50的材料及形成製程兩者相關。罩蓋層50的材料及形成製程兩者經選擇以達成合乎需要的應力。
根據一些實施例，罩蓋層50的形成包含沈積毯覆式罩蓋層，且隨後經由蝕刻以圖案化毯覆式罩蓋層。可執行退火製程以進一步調整應力。在圖案化期間，移除介電層52上的毯覆式罩蓋層的部分。根據替代性實施例，形成罩蓋層50包含例如經由矽烷化製程在介電層42的表面上選擇性地沈積抑制劑膜，且隨後在鍺區46上選擇性地沈積罩蓋層50。抑制劑膜可防止罩蓋層50在介電層42上的形成。可經由退火移除抑制劑膜。
圖8示出植入製程以在鍺區46中形成p型區46p。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程216。根據一些實施例，形成p型區46p可包含形成經圖案化植入罩幕48（例如光阻）以界定植入區，且將諸如硼及/或銦的p型雜質植入至鍺區46的邊緣部分中。作為p型區46p的鍺區46的邊緣部分的摻雜可降低鍺區46與p型矽區30之間的障壁barrier（barrier）高度。
圖8亦示出n型區46n在鍺區46中的形成。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中亦示出為製程216。根據一些實施例，形成n型區46n可包含形成經圖案化植入罩幕（未示出）以限定植入區，且將諸如磷、砷等的n型雜質植入至鍺區46的邊緣部分中。作為n型區46n的鍺區46的摻雜可降低鍺區46與n型矽區32之間的障壁高度。根據本揭露的一些實施例，形成p型區46p及n型區46n兩者。根據替代性實施例，形成p型區46p，而並未形成n型區46n，此是因為若只形成一者而非兩者以降低製造成本，則p型區46p在改善裝置性能中比n型區46n更高效。在又其他實施例中，不形成p型區46p及n型區46n中的任一者。因此，虛線用於標記p型區46p及n型區46n的邊界且表示其可能或可能不形成。
應理解，p型鍺區46p與鍺區46的未摻雜部分之間的界面47A可或可不對準至p型矽區30與矽區26的未摻雜部分之間的界面49A。因此，界面47A可向界面49A的左方偏移、與界面49A對準或向界面49A的右方偏移。類似地，n型鍺區46n與鍺區46的未摻雜部分之間的界面47B可或可不對準至n型矽區32與矽區26的未摻雜部分之間的界面49B。因此，界面47B可向界面49B的左方偏移、與界面49B對準或向界面49B的右方偏移。
p型鍺區46p及n型鍺區46n的摻雜濃度可小於約5×1019 /cm3 ，且可在約1×1016 /cm3 至約5×1019 /cm3 之間的範圍內。在突崩（avalanche）光電二極體是合乎需要的替代性實施例中，p型鍺區46p及n型鍺區46n的摻雜濃度可大於約1×1017 /cm3 ，使得有效固有鍺區46變窄，其導致固有鍺區46中的較高電場。根據一些實施例，摻雜寬度Wdope 小於約120奈米，且可在約20奈米至約200奈米之間的範圍內。其他值亦處於本揭露的範疇內。已發現，將摻雜寬度Wdope 選擇為約100奈米可改善裝置速度。若摻雜寬度Wdope 過大，諸如大於約200奈米，則裝置速度將歸因於載子的散射而降低。另一方面，若摻雜寬度Wdope 過小，諸如小於約20奈米，則改善效果過小且無法證明值得付出摻雜成本。
圖9A示出介電層52、矽化物區54以及接觸插塞56的形成。相應製程在如圖16中所示的製程流程200中示出為製程220。根據一些實施例，介電層52由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或其類似物形成。形成矽化物區54可包含：蝕刻介電層52及介電層42以形成接觸開口且顯出p+區34及n+區36，沈積延伸至接觸開口中的諸如鈦層的金屬層，及執行退火製程以使金屬層與暴露的p+區34及n+區36反應。形成接觸插塞可包含將諸如鎢、鈷或其類似物的金屬沈積至接觸開口中，且隨後執行諸如CMP製程或機械研磨製程的平坦化製程以移除沈積金屬的多餘部分。因此形成鍺光偵測器60。
如圖9A中所示，鍺光偵測器60包含固有矽區26'，其為原始矽區26的未摻雜部分。因此，如前所述，固有矽區26'可不含或可能輕微地摻雜有p型及n型雜質中的一者或兩者。p型區30及n型區32形成具有固有矽區26'的p-i-n光電二極體。在鍺光偵測器60的操作中，光進入鍺區46，且在鍺區46中產生電子及電洞。在固有鍺區46中產生強電場，且藉由接觸插塞56的電場掃描由鍺區46產生的電子及電洞。
圖9B示出如圖9A中所示的鍺光偵測器60的俯視圖，其中自如圖9B中所示的參考橫截面9A-9A獲得圖9A中所示的橫截面圖。如圖9B中所示，在矽平板26A上方的上部矽區包含用於將光引導至鍺光偵測器60的波導26C及錐形區26D。波導26C及錐形區26D亦為鍺光偵測器60的輸入埠。錐形區26D具有將光自狹窄波導26C擴散至矽區26B中的較大區域的功能。根據一些實施例，並未採用錐形區26D，且具有均勻寬度的波導26C直接連接至矽區26B。
根據一些實施例，矽區26B的寬度W1明顯大於鍺區46的寬度W2。根據一些實施例，矽區26B在+Y方向及-Y方向上橫向地延伸超出鍺區46的邊緣達距離S1，所述距離S1明顯足以使得具有用於自輸入埠26C/輸入埠26D輸入的光在+Y方向及-Y方向上擴散的適當空間。根據一些實施例，輸入光64具有單模態，其被稱作基階模態。在光64進入矽區26B時，由於矽區26B具有較大寬度W1，具有諸如一階模態、二階模態、三階模態、四階模態等較高階模態的光被激發。因此，具有基階模態及較高階模態的所得光在矽區26B中成為多模態光。這些模態干擾區26B內部且形成不同階數的自身影像。因此，矽區26B在下文中被稱作多模干涉儀（MMI）。
根據一些實施例，為了能夠達成期望的光功率分佈，針對間距S1選擇恰當值。間距S1不能過大或過小。若間距S1過小，例如小於0.2微米，則光功率並未足夠寬地重新分配（在後續段落中詳細論述）。因此，在+X方向上行進的大部分光正面撞擊鍺區46。因此，藉由鍺區46的前端（面向輸入波導26C的末端）吸收大部分光功率。此導致裝置的飽和功率不合需要地低，且亦降低光偵測器的速度。若間距S1過大，則光功率過多地重新分配且過多地擴散，且當光在+X方向上傳播時大部分的光穿過間距S1達延伸行進距離而不撞擊鍺區46。光吸收率較低。因此，鍺區的長度L2需要增大太多以允許鍺區46對光的適當吸收率。因此，根據一些實施例，間距S1在約0.4微米至約1.5微米之間的範圍內。其他值亦處於本揭露的範疇內。
當在+Y及-Y方向上傳播時，多模態光將在MMI區26B的相對側壁26B-SW1及側壁26B-SW2處反射，且因此導致干擾以形成干擾圖案。MMI區26B的側壁26B-SW1及側壁26B-SW2與介電區42的側壁介接（interfaces），如圖9A中所示。因此，光功率在矽區26中重新分配。因此，鍺區46的前端接收適當但並不過量的光。當光在+X方向上傳播時在MMI區26B中來回反射時，所述光將逐漸由鍺區46的前部部分、中間部分以及後部部分吸收。因此，藉由採用MMI結構，藉由鍺區46的不同部分（前部部分、中間部分以及後部部分）更均勻地吸收光。因此，所得鍺光偵測器60的飽和功率增大，且可在光偵測器60上使用具有較高功率的光而不造成飽和。亦提高鍺光偵測器60的速度。另外，藉由採用MMI結構，光的較小部分撞擊Si-Ge界面且反射至輸入端，其導致來自光偵測器60的背向反射減少。因此，MMI區26B的寬度W1的增大亦有助於反射的減少。
自MMI區26B的輸入埠至鍺區46的距離長度L1被稱作（光的）自由傳播長度。自由傳播長度L1不能過小。否則，不存在用於光在+Y方向及-Y方向散開的足夠距離，且不能激發高階模態。此外，若自由傳播長度L1過小，則存在來自鍺區46的過強反射。根據本揭露的一些實施例，自由傳播長度L1大於約1微米以允許激發多模態。此外，當寬度W1較大時，使用較大L1。過大的自由傳播長度L1亦導致鍺光偵測器60的大小的增大而無額外益處。因此，根據一些實施例，自由傳播長度L1在約1微米至約10微米之間的範圍內。其他值亦處於本揭露的範疇內。
根據一些實施例，在光根據多模態再分配的情況下，鍺區46的長度L2可大於約10微米，以便實質上完全吸收所述光（例如，其中吸收速率大於99%）。過大長度L2亦為非所需的，此是因為其導致多模鍺光偵測器的大小增加而無附加益處。根據一些實施例，長度L2可在約10微米至約50微米之間的範圍內。根據一些實施例，鍺區46的寬度W2可在約0.3微米至約1.5微米之間的範圍內。其他值亦處於本揭露的範疇內。
諸如寬度W1及長度L1以及長度L2的尺寸可經工程設計以獲得最佳結果，使得鍺區46跨越整個長度L2對光的吸收率更加均勻。舉例而言，可選擇W1及長度L1以使得鍺區46的前端位於光的中高電場區中。此外，雖然長度L2可經調整具有最小長度以減小光偵測器60的大小，但仍足夠長以實質上完全吸收所述光。
圖9C示出自圖9B中的參考橫截面9C-9C獲得的橫截面圖。圖9C示出根據一些實施例的矽平板26A的形狀及MMI區26B的自由傳播部分。
圖10至圖14示出根據本揭露的替代性實施例的多模鍺光偵測器60的俯視圖。除非另外規定，否則除了在用於形成圖2A中所示的結構的蝕刻製程中使用的微影罩幕的圖案經修改以形成圖10至圖14中所示的結構之外，這些實施例中的組件的材料及形成製程基本上與前述圖中的相似組件相同。因此，圖10至圖14中的組件由圖1、圖2A、圖2B、圖3A、圖3B、圖4至圖8、圖9A、圖9B以及圖9C中所示的前述實施例中的相似附圖標號表示。關於圖10至圖14中繪示的組件的形成製程及材料的細節可因此在對前述實施例的論述中發現。此外，自圖10至圖14中所示的實施例獲得的橫截面圖亦與圖9A及圖9C中所示的橫截面圖相同。舉例而言，圖10示意性地示出參考橫截面9A-9A及參考橫截面9C-9C，且自這些橫截面獲得的橫截面圖分別與圖9A及圖9C中所示的橫截面圖相同。
在如圖10中所示的多模鍺光偵測器60中，MMI區26B具有頻寬（bandwidth）W1的前部部分，且後部部分是錐形的以具有寬度W3。歸因於鍺區46的分離，MMI區26B的兩個後部部分26B-B在鍺區46的相對側上。在鍺區46的每一側上存在錐形部分26B-T以用於連接前部部分26B-F至後部部分26B-B。根據一些實施例，後部部分26B-B的間距S3小於前部部分的間距S1。根據一些實施例，比率S3/S1在約0.1至約0.5之間的範圍內。在錐形區26B-T中，間距S2可自間距S1至間距S3連續地減小。根據一些實施例，錐形部分的間距S2線性地減小，此意謂側壁26B-SW1及側壁26B-SW2的相應部分在俯視圖中是直線的。在其他實施例中，錐形部分的側壁可具有諸如弧形的其他形狀。應理解，間距S1、間距S2以及間距S3亦為MMI區的部分在鍺區46的側面上的寬度。在俯視圖中，錐形部分26B-T的側壁26B-SW1及側壁26B-SW2的部分與後部26B-B的側壁的部分形成角度θ。根據本揭露的一些實施例，角度θ小於約10度，以便減少光返回至輸入末端的反射。根據一些實施例，角度θ可在約1度至約20度之間的範圍內。其他值亦處於本揭露的範疇內。
錐形部分26B-T具有自寬區（具有寬度W1）朝向鍺區46限制及擠壓光的功能，且將光擠壓至具有間距S1的更窄區，使得光受限於具有間距S2及間距S3的更窄區。錐形部分26B-T及後部部分26B-B中的光強度因此相較於光並未受限制及擠壓時增加。假若錐形（tapering）並不導致光（至輸入埠）的反射增加，錐形部分26B-T的長度L4較佳為短，以使光的壓縮在短距離中完成。根據一些實施例，長度L4在自由傳播長度L1的50%至約200%之間的範圍內。
長度L3與長度L1有關，且合乎需要的是（L1+L3）足夠大以使得在前部部分26B-F的右端處，大部分（但並不過量）的光功率（諸如在約50%至約90%之間的範圍內）已由鍺區46吸收。應注意，由於吸收均勻性（uniformity）的改善，謹慎地調諧（tuning）L3的長度可有利地增加光的飽和功率。藉由謹慎地選定長度L1、長度L3以及長度L4，有可能減小後部部分26B-B的長度L5。
圖15示出來自MMI區26B的光洩漏的速率作為光的波長（λ）的函數。示出兩條線66及線68，其中線66模擬不具有漸縮（taper-down）結構的結構（諸如在圖9B中），且線68模擬具有漸縮結構的結構（諸如在圖10中）。結果指示在使用漸縮結構的情況下，針對大跨度的光波長（自1.26微米至1.36微米）洩漏顯著減少。模擬結果亦顯露藉由選定長度L3及長度L4，當長度L5（圖10）為5微米時光洩漏（在MMI區26B的末端處剩餘的未被吸收的光功率）減少10分貝。
圖11及圖12示出根據一些實施例的多模鍺光偵測器60，其中形成反射器以反射否則會被洩漏的光。在圖11中，反射光柵26F用於反射。在圖12中，波導環路（waveguide loop）26G用於經由環路將光引導回至MMI區26B。根據一些實施例，另一錐形區26H連接至MMI區26B的末端以首先使光會聚，且將經會聚光引導至波導環路26G中。亦可藉由在用於形成MMI區26B的相同製程中圖案化矽區26（圖1）來形成反射光柵26F及波導環路26G。
圖13及圖14示出根據本揭露的替代性實施例的多埠多模鍺光偵測器60。寬MMI區26B的形成使得能夠將更多埠的添加用作輸入或反射聚集。舉例而言，圖13示出兩埠多模鍺光偵測器60，其包含埠26C及埠26E。光可經由埠26C或埠26E或取決於應用經由兩個埠輸入。就使用埠26C的單輸入而言，埠26E可用於聚集被反射光。根據一些實施例，終止器70連接至反射埠26E，且用於吸收自反射埠26E接收到的光。根據一些示例實施例，終止器70可為具有高摻雜濃度磷的矽區，例如具有高於約1020 /cm3 的摻雜濃度。
埠26C的位置自中心線ML1偏移，所述埠26C處於側壁26B-SW1與MMI區26B的中線ML1的中間。根據一些實施例，輸入埠26C可處於側壁26B-SW1與中線ML1的中間。反射埠26E可處於側壁26B-SW2與中線ML1的中間。根據其他實施例，輸入埠26C的位置調整為自側壁26B-SW1與中線ML的中間偏移。模擬結果已顯露，藉由謹慎地選擇輸入埠26C的位置，干擾多模態光的電場可具有彼此分離的兩個峰值。當第一峰振盪至側壁26B-SW1時，第二峰可落在鍺區46上，使得其功率被吸收，且當第二峰振盪至側壁26B-SW2時，第一峰可落在鍺區46上，使得其功率被吸收。因此，藉由選擇輸入埠26C的位置，在鍺區46的前端處，光強度有效地減少一半，且因此鍺區46的前部部分對光的吸收率降低，從而改善多埠多模鍺光偵測器60的飽和功率。
根據一些實施例，為併入（incorporate）多個埠，MMI區26B的寬度W1及自由傳播長度L1可進一步增大。舉例而言，MMI區的寬度W1可增大至約1.5微米至約4微米之間的範圍內。自由傳播長度L1可增大至約1微米至約20微米之間的範圍內。其他值亦處於本揭露的範疇內。
應理解，可添加更多埠。因此，埠的總數目亦可為三、四、五或更多。這些埠當中的一或多個埠可用作輸入端，且其他埠可用作用於使被反射光聚集的反射埠。舉例而言，圖14示出三埠多模鍺光偵測器60作為示例。圖14示出根據一些實施例，埠26C用作輸入埠且處於用作反射埠的埠26E的中間。根據一些實施例，輸入埠可處於任何其他位置，諸如處於圖14中的所示出反射埠26E中的任一者的位置。前述實施例中的埠可對稱或不對稱地分佈。舉例而言，輸入埠26C可處於MMI區26B的中間，或輸入埠26C的位置可與反射埠26E中的任一者交換。根據其他實施例，兩個埠26E可用作輸入端，且埠26C用作反射埠。
本揭露的實施例具有一些有利特徵。鍺具有在1,200奈米至1,600奈米的波長範圍內的強吸收係數，所述波長範圍為在光學應用中廣泛使用的範圍。強吸收係數在輸入功率高時可導致功率飽和及速度降低。根據本揭露的一些實施例，由於多模鍺光偵測器中的光場強度經重新分佈，藉由適當地定位鍺區，光由鍺區的前部部分、中間部分以及後部部分更均勻地吸收。因此，鍺光偵測器的飽和功率增大。光偵測器的速度亦增大，尤其在高光學輸入處。反射相較於單模態鍺光偵測器減少約10分貝。此外，罩蓋層對鍺區施加應力，其將鍺在約1,550奈米的C波段的光的吸收係數提高，且從而擴展C波段處的鍺吸收率的覆蓋範圍。根據本揭露的實施例的光偵測器良好適合於自約1,200奈米至約1,600奈米的頻寬。此外，由於MMI區較寬且延伸超出鍺區達顯著（significant）距離，用於形成鍺光偵測器的製程具有更寬鬆（relaxed）的製程範圍。
根據本揭露的一些實施例，一種方法包括：蝕刻矽層以形成矽平板及在矽平板上方的上部矽區；植入矽平板及上部矽區以形成p型區、n型區以及在p型區與n型區之間的固有區；蝕刻p型區、n型區以及固有區以形成溝渠，其中上部矽區的剩餘部分形成MMI區；執行磊晶製程以在溝渠中生長鍺區；以及形成連接至p型區及n型區的電連接件。在一實施例中，MMI區包括在鍺區的相對側上的p型區的第一剩餘部分及n型區的第二剩餘部分，且其中第一剩餘部分及第二剩餘部分的外部側壁以大於約0.4微米的間距與鍺區間隔開。在一實施例中，所述方法更包括在鍺區上沈積罩蓋層；以及在罩蓋層的頂部表面及側壁上沈積介電層。在一實施例中，罩蓋層包括氮化矽，且介電層包括氧化矽。在一實施例中，MMI區的側壁包括與鍺區的相應側壁具有第一間距的前部部分；與鍺區的相應側壁具有第二間距的後部部分，其中第二間距小於第一間距；以及將前部部分連接至後部部分的錐形部分，其中錐形部分與鍺區的相應側壁具有第三間距，且第三間距自第一間距過渡至第二間距。在一實施例中，所述方法更包括圍繞矽平板及上部矽區沈積隔離區，其中隔離區具有小於上部矽區的第二折射率的第一折射率。在一實施例中，蝕刻矽層產生可用作輸入埠及反射埠的多個埠。
根據本揭露的一些實施例，裝置包括：P-I-N二極體，其包括p型區、n型區以及在p型區與n型區之間的固有區；延伸至P-I-N二極體中的鍺區；以及輸入埠，其中P-I-N二極體及鍺區組合形成經組態以將自輸入埠輸入的輸入光的單模態激發為具有高階模態的光的多模干涉儀。在一實施例中，裝置更包括p型區的第一部分在鍺區的第一側面，且n型區的第二部分在鍺區的第二側面上，且第一部分及第二部分具有以大於約0.4微米的間距與鍺的相應接近邊緣間隔開的外邊緣。在一實施例中，P-I-N二極體包括矽平板及矽平板上方的上部矽區，其中鍺區穿透上部矽區，且上部矽區包括具有第一寬度的前部部分；具有小於第一寬度的第二寬度的後部部分；以及將前端連接至後端的錐形部分，其中錐形部分具有自第一寬度過渡至第二寬度的寬度。在一實施例中，裝置更包括：第一介電層，其中P-I-N二極體在第一介電層中；在鍺區上的罩蓋層；以及在罩蓋層的頂部表面及側壁上的第二介電層。在一實施例中，罩蓋層包括氮化矽，且第一介電層及第二介電層包括氧化矽。在一實施例中，裝置更包括輸入埠；且反射埠處於與輸入埠相同的鍺區的側面上。
根據本揭露的一些實施例，裝置包括：矽區，其包括矽平板，在矽平板上方且接合矽平板的上部矽區，其中矽區形成延伸至矽平板及上部矽區兩者中P-I-N二極體；以及鍺區，其穿透上部矽區，其中上部矽區包括多模干涉儀區，所述多模干涉儀區包括在鍺區的第一側面上的第一部分，在鍺區的與第一側面相對的第二側面上的第二部分，以及連接至上部矽區的輸入埠。在一實施例中，多模干涉儀區更包括在輸入埠與鍺區之間的自由傳播區，並且自由傳播區具有大於約1微米的長度。在一實施例中，裝置更包括連接至多模干涉儀區的同一側壁的反射埠。在一實施例中，多模干涉儀區包括前部部分；以及比前部部分窄的後部部分。在一實施例中，多模干涉儀區更包括將前部部分連接至後部部分的錐形部分。在一實施例中，裝置更包括在鍺區上方且接觸所述鍺區的罩蓋層，其中罩蓋層經組態以對鍺區施加應力。
前文概述若干實施例的特徵以使得所屬領域中具通常知識者可更佳地理解本揭露的態樣。所屬領域中具通常知識者應理解，其可易於使用本揭露作為設計或修改用於實現本文中所引入的實施例的相同目的及/或達成相同優勢的其他方法及結構的基礎。所屬領域中具通常知識者亦應認識到，此類等效構造並不脫離本揭露的精神及範疇，且所屬領域中具通常知識者可在不脫離本揭露的精神及範疇的情況下在本文中作出改變、替代及更改。
2A-2A、3A-3A、9A-9A、9C-9C:橫截面 10:晶圓 20:基板 20A:半導體基板 20B:BOX層 20C:半導體層 22:光柵耦合器 24、26C:波導 26、26B:矽區 26':固有矽區 26A:矽平板 26B-B:後部部分 26C、26E:埠 26B-F:前部部分 26B-SW1、26B-SW2:側壁 26B-T:錐形部分 26D、26H:錐形區 26F:反射光柵 26G:波導環路 26T:頂部表面 30:p型區 32:n型區 34:重度摻雜p型區 36:重度摻雜n型區 38:光阻 40:開口 42、52:介電層 44:溝渠 46:鍺區 46n:n型區 46p:p型區 47:虛線 47A、47B、49A、49B:界面 48:經圖案化植入罩幕 50:罩蓋層 54:矽化物區 56:接觸插塞 60:鍺光偵測器 64:光 66、68:線 70:終止器 200:製程流程 202、204、206、208、210、212、214、216、218、220:製程 L1、L2、L3、L4、L5:長度 ML1:中心線 S1、S2、S3:間距 T1、T2、T3:厚度 W1、W2、W3:寬度 Wdope :摻雜寬度 θ:角度
當結合附圖閱讀時，自以下詳細描述最佳地理解本發明的態樣。應注意，根據業界中的標準慣例，各種特徵未按比例繪製。事實上，出於論述清楚起見，可任意地增大或減小各種特徵的尺寸。 圖1、圖2A、圖2B、圖3A、圖3B、圖4至圖8、圖9A、圖9B以及圖9C示出根據一些實施例的多模鍺光偵測器的形成中的中間階段的橫截面圖及俯視圖。 圖10、圖11以及圖12示出根據一些實施例的多模鍺光檢測器的平面視圖。 圖13及圖14示出根據一些實施例的鍺多埠多模光檢測器的平面視圖。 圖15示出根據一些實施例的兩個光偵測器（具有或不具有漸縮結構）的洩漏作為波長的函數。 圖16示出根據一些實施例的用於形成多模鍺光偵測器的製程流程。
200:製程流程
202、204、206、208、210、212、214、216、218、220:製程

Claims (20)

  1. 一種方法，包括： 蝕刻矽層以形成矽平板以及在所述矽平板上方的上部矽區； 植入所述矽平板以及所述上部矽區以形成： p型區； n型區；以及 在所述p型區與所述n型區之間的固有區； 蝕刻所述p型區、所述n型區以及所述固有區以形成溝渠，其中所述上部矽區的剩餘部分形成多模干涉儀（MMI）區； 執行磊晶製程以在所述溝渠中生長鍺區；以及 形成連接至所述p型區以及所述n型區的電連接件。
  2. 如請求項1所述的方法，其中所述多模干涉儀區包括在所述鍺區的相對側上的所述p型區的第一剩餘部分以及所述n型區的第二剩餘部分，且其中所述第一剩餘部分及所述第二剩餘部分的外部側壁以大於實質上0.4微米的間距與所述鍺區間隔開。
  3. 如請求項1所述的方法，更包括： 在所述鍺區上沈積罩蓋層；以及 在所述罩蓋層的頂部表面以及側壁上沈積介電層。
  4. 如請求項3所述的方法，其中所述罩蓋層包括氮化矽，且所述介電層包括氧化矽。
  5. 如請求項1所述的方法，其中所述多模干涉儀區的側壁包括： 與所述鍺區的相應側壁具有第一間距的前部部分； 與所述鍺區的所述相應側壁具有第二間距的後部部分，其中所述第二間距小於所述第一間距；以及 將所述前部部分連接至所述後部部分的錐形部分，其中所述錐形部分與所述鍺區的所述相應側壁具有第三間距，且所述第三間距自所述第一間距過渡至所述第二間距。
  6. 如請求項1所述的方法，更包括： 圍繞所述矽平板以及所述上部矽區沈積隔離區，其中所述隔離區具有小於所述上部矽區的第二折射率的第一折射率。
  7. 如請求項1所述的方法，其中被蝕刻的所述矽層產生經組態以作為待形成的輸入埠及反射埠的多個埠。
  8. 一種裝置，包括： 二極體，包括： p型區； n型區；以及 在所述p型區與所述n型區之間的固有區； 延伸至所述二極體中的鍺區；以及 輸入埠，其中所述二極體及所述鍺區組合形成光偵測器，其經組態以將自所述輸入埠輸入的輸入光的單模態轉換成具有高階模態的光。
  9. 如請求項8所述的裝置，其中所述p型區的第一部分在所述鍺區的第一側面上，且所述n型區的第二部分在所述鍺區的第二側面上，且所述第一部分及所述第二部分具有外邊緣，其以大於實質上0.4微米的間距與所述鍺區的相應接近邊緣間隔開。
  10. 如請求項9所述的裝置，其中所述間距介於實質上0.4微米至實質上1.5微米的範圍內。
  11. 如請求項8所述的裝置，其中所述二極體包括： 矽平板以及在所述矽平板上方的上部矽區，其中所述鍺區貫穿所述上部矽區，且所述上部矽區包括： 具有第一寬度的前部部分； 具有小於所述第一寬度的第二寬度的後部部分；以及 將所述前部部分連接至所述後部部分的錐形部分，其中所述錐形部分具有自所述第一寬度過渡至所述第二寬度的寬度。
  12. 如請求項8所述的裝置，更包括： 第一介電層，其中所述二極體在所述第一介電層中； 在所述鍺區上的罩蓋層；以及 在所述罩蓋層的頂部表面以及側壁上的第二介電層。
  13. 如請求項12所述的裝置，其中所述罩蓋層包括氮化矽，且所述第一介電層以及所述第二介電層包括氧化矽。
  14. 如請求項8所述的裝置，更包括與所述輸入埠位在所述鍺區的同一側上的反射埠。
  15. 一種裝置，包括： 矽區，包括： 矽平板； 在所述矽平板上方且接合所述矽平板的上部矽區，其中所述矽區形成延伸至所述矽平板及所述上部矽區兩者中的二極體；以及 貫穿所述上部矽區的鍺區，其中所述上部矽區包括多模干涉儀區，所述多模干涉儀區包括： 在所述鍺區的第一側上的第一部分； 在與所述第一側相對的所述鍺區的第二側面上的第二部分；以及 連接至所述上部矽區的輸入埠。
  16. 如請求項15所述的裝置，其中所述多模干涉儀區更包括在所述輸入埠與所述鍺區之間的自由傳播區，且所述自由傳播區具有大於實質上1微米的長度。
  17. 如請求項15所述的裝置，更包括連接至所述多模干涉儀區的同一側壁的反射埠。
  18. 如請求項15所述的裝置，其中所述多模干涉儀區包括： 前部部分；以及 比所述前部部分窄的後部部分。
  19. 如請求項18所述的裝置，其中所述多模干涉儀區更包括將所述前部部分連接至所述後部部分的錐形部分。
  20. 如請求項15所述的裝置，更包括在所述鍺區上方且接觸所述鍺區的罩蓋層，其中所述罩蓋層經組態以對所述鍺區施加應力。
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