TW202143500A - 積體電路、光電偵測器以及形成積體電路的方法 - Google Patents

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Abstract

一種積體電路包括光電偵測器。光電偵測器包括圓形光柵，此光柵形成在半導體基板中之環形溝槽中。圓形光柵包括定位在環形溝槽中之複數個介電鰭片及複數個光敏鰭片。圓形光柵配置用以接收入射光，並引導入射光圍繞環形溝槽穿過複數個介電鰭片及複數個光敏鰭片，直至光被複數個光敏鰭片中之一者吸收為止。

Description

光子元件的圓形光柵結構
無
本揭示案是關於積體電路光子元件的領域。本揭示案特定言之是關於積體電路內之光電偵測器。許多光子積體電路包括光電偵測器。光電偵測器偵測光並產生指示此光之電信號。若光電偵測器未吸收入射光，則即使光入射在光電偵測器上，光電偵測器將亦不會產生電信號。此表示光電偵測器缺乏靈敏度。
無
在以下描述中，描述了積體電路內之各種層及結構的許多厚度及材料。對於各種實施例而言，藉助於實例給出特定尺寸及材料。熟習此項技術者將認識到，根據本揭示案，可在不脫離本揭示案之範疇的情況下在許多情形下使用其他尺寸及材料。
以下揭示內容提供用於實施所描述標的之不同特徵的許多不同實施例或實例。以下描述部件及佈置的特定實例以簡化本描述。當然，此些僅為實例，且並不意欲為限制性的。舉例而言，在如下描述中第一特徵在第二特徵之上或在第二特徵上形成可包括其中第一特徵與第二特徵形成為直接接觸之實施例，且亦可包括其中額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成而使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭示案可在各種實例中重複元件符號及/或字母。此重複是出於簡化及清楚目的，且其自身並不表示所論述之各種實施例及/或配置之間的關係。
另外，為了描述簡單，可在本文中使用諸如「在…下面」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」及其類似術語之空間相對術語，以描述如諸圖中所繪示之一個元件或特徵與另一（多個）元件或特徵的關係。除了諸圖中所描繪之定向以外，此些空間相對術語意欲涵蓋元件在使用中或操作中之不同定向。裝置可以其他方式定向（旋轉90度或以其他定向），且可同樣相應地解釋本文中所使用之空間相對描述詞。
在以下描述中，為了提供對本揭示案之各種實施例的透徹理解，闡述某些特定細節。然而，熟習此項技術者將理解，本揭示案可在無此些特定細節的情況下實踐。在其他情況下，並未詳細描述與電子部件及製造技術相關聯之熟知結構，以免不必要地混淆本揭示案之實施例的描述。
除非上下文另外要求，否則貫穿本說明書及以下申請專利範圍，詞語「包括(comprise)」及其變體（諸如，「包括(comprises)」及「包括(comprising)」）應以開放性、包括性的意義來解釋，亦即，「包括但不限於」。
諸如第一、第二及第三之序數的使用未必暗示次序的有序含義，而僅可在動作或結構的多個個例之間進行區分。
貫穿本說明書對「一個實施例」或「實施例」之引用意謂結合實施例描述之特定特徵、結構或特性被包括在至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書在各處出現的短語「在一個實施例中」或「在實施例中」未必皆指同一實施例。另外，可在一或更多個實施例中以任何適當方式組合特定特徵、結構或特性。
如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，除非內容另外明確指出，否則單數形式「一」及「該」包括複數對象。亦應注意，除非內容另外明確指出，否則術語「或」在其包括「及/或」的含義上使用。
第1圖為根據一個實施例之光子系統的方塊圖。光子系統100包括積體電路101及光源111。光源111輸出光114。積體電路101偵測光114並基於光114產生信號。
在一個實施例中，積體電路101包括光電偵測器102及控制電路系統112。光電偵測器102包括半導體基板104。在此實施例中，在半導體基板104中形成圓形光柵106。圓形光柵106包括介電鰭片108及光敏鰭片110。
積體電路101可包括未在第1圖中詳細繪示之各種層及結構。舉例而言，積體電路101可包括各種半導體材料層、各種介電材料層以及各種金屬互連結構。積體電路101可包括以複雜佈置耦合在一起之電晶體。
積體電路101之光電偵測器102配置用以偵測入射在光電偵測器102上之光114。舉例而言，光114可經由積體電路101之各種透明材料層入射在光電偵測器102上。光電偵測器102偵測光114。
控制電路系統112耦合至光電偵測器102。控制電路系統112可接收來自光電偵測器102之信號，包括響應於偵測光而產生之電信號。控制電路系統112可處理電信號，並可輸出指示由光電偵測器102所偵測之光114的一或更多個參數之輸出資料或其他信號。
在一個實施例中，控制電路系統112包括形成在積體電路101中之複數個電晶體。電晶體可參與操作光電偵測器102並處理自光電偵測器102接收之信號。電晶體亦可參與和積體電路101的功能有關之其他處理，包括自記憶體讀取資料，將資料寫入記憶體，處理資料，輸出資料以及控制通訊。
在一個實施例中，控制電路系統112可將電壓施加至光電偵測器102。控制電路系統112可將光電偵測器偏置，以確保光電偵測器102所接收之光將導致電信號的產生，此些電信號可由控制電路系統112讀取。因此，控制電路系統112可藉由金屬互連接線、金屬插塞及導電接觸件（可藉由此些將電壓施加至光電偵測器102並可自光電偵測器102接收信號）耦合至光電偵測器102。
在一個實施例中，光電偵測器102藉由吸收光114來工作。更特定而言，光114由可被光電偵測器102吸收之光子構成。當光電偵測器102吸收光子時，電信號響應於光子的吸收而產生。因此，由光電偵測器102響應於吸收光子而產生之電信號來指示光114的特性或僅指示光114的存在。
當光穿越第一材料且入射在第一材料與第二材料之邊界上時，光可在此邊界處被反射或可經由邊界透射至第二材料中。光在兩種材料之間的邊界處之反射或透射是基於兩種材料的特性及光的特性。兩種材料的相關特性可包括其透射係數及反射係數。光的相關特性可包括光的波長及光入射在邊界上之角度。
當光穿越材料時，光的一部分可被材料吸收。將被材料吸收之光的量是（部分地）基於材料之吸收係數及光穿過材料之路徑的長度。越高的吸收係數導致越高的吸收率。同樣，穿越材料之越長路徑導致材料中之越高吸收率。另外，材料之吸收係數隨著光的波長變化。相比於其他波長的光，一種材料可能更容易吸收某些波長的光。
穿過材料之個別光子具有被材料吸收的機率。吸收機率取決於光子的波長、材料對彼波長之吸收係數，及光子穿越材料之路徑的長度。所有此些因素皆與光電偵測器102偵測光之方式有關。
光電偵測器102利用光敏鰭片110來吸收並藉此偵測光。光敏鰭片110由光敏材料製成。光敏材料為對選定波長範圍之光具有相對高的吸收係數之材料。此選定範圍可對應於可視光之特定顏色。選定範圍可對應於與光學通訊相關聯之波長範圍。可視光及具有與光學通訊相關聯之波長的光為根據本文所揭示之實施例的光電偵測器可偵測之光的實例。本揭示案之實施例並不限於偵測可視光及具有與光學通訊相關聯之波長的光之光電偵測器。根據本揭示案之實施例包括能夠偵測除了可視光或具有與光學通訊相關聯之波長的光以外的光之光電偵測器。
積體電路101配置用以允許光114穿過各種層至圓形光柵106，而不會在到達圓形光柵106之前被吸收或反射。因此，積體電路101可包括具有低吸收係數及低反射係數之多個透明層，藉此使得光114能夠穿過積體電路101之此些透明層至圓形光柵106。
在一個實施例中，圓形光柵106包括形成在半導體基板104中之環形溝槽。介電鰭片108及光敏鰭片110各自在溝槽的內壁與溝槽的外壁之間延伸。介電鰭片108及光敏鰭片110以交替次序定位，使得每一光敏鰭片110定位在兩個介電鰭片108之間。對應地，每一介電鰭片108定位在兩個光敏鰭片110之間。
光電偵測器102利用圓形光柵106來增強光電偵測器102之靈敏度。圓形光柵106藉由增大個別光子穿過光敏材料之路徑的長度來增強光電偵測器102之靈敏度。特定而言，圓形光柵106配置用以接收相對於垂直成選定角度之入射光，將來自選定角度之光重新引導至實質上水平的角度，且接著使光114圍繞圓形光柵106行進，直至其被光敏鰭片110中之一者吸收為止。因此，圓形光柵106配置用以使光114無限期地圍繞圓形光柵106行進。
個別光子穿過光敏鰭片110中之一者的次數越多，光子會被光敏鰭片中之一者吸收的可能性便越大。圓形光柵106使光在實質上圓形之路徑中無限期地穿越圓形光柵106。當光圍繞圓形光柵106行進時，光將不斷地遇到光敏鰭片110。因此，圓形光柵106有效地增大了光子穿越光敏材料之長度。在光敏材料內之越長路徑導致光子會被光敏材料吸收的越高可能性。因此，在光敏材料內之較長路徑導致光電偵測器102之靈敏度的有效增大。
在一個實施例中，圓形光柵106藉助於在圓形光柵106內實施透鏡效應(lensing effect)而有助於引導光子停留在圓形光柵106內直至吸收為止。特定而言，介電鰭片108及光敏鰭片110形成為圓形光柵中之透鏡。當每一鰭片在溝槽的內側壁與外側壁之間延伸時，每一鰭片具有選定曲率。鰭片的曲率具有透鏡效應。鰭片之累積透鏡效應引導光沿圓形路徑穿過溝槽。此透鏡效應的結果在於，光傾向於呈圓圈無限期地行進，直至其最終被光敏鰭片110中之一者吸收為止。
在一個實施例中，圓形光柵106有助於基於全內反射(total internal reflection)原理將光限制在圓形光柵106內。當穿越具有第一折射率n1 之第一材料的光遇到此第一材料與具有第二折射率n2 之第二材料之間的邊界時，會發生全內反射，此第二折射率n2 低於第一材料之折射率n1 。若光在邊界上之入射角大於臨界角度θC ，則全內反射將發生，且光將在邊界處被反射，而非經由邊界透射至第二材料中。臨界角度θC的值由以下關係給出： θC = arcsin(n2 /n1 )， 其中n2 ＜n1 。溝槽的內部及外部側壁被介電材料覆蓋。選定光敏鰭片110之光敏材料以及介電材料，以使得光敏材料具有比介電材料的折射率高的折射率。因此，當光在溝槽的內部或外部側壁處入射在介電材料與光敏鰭片110之間的邊界上時，全內反射可發生，且光可在圓形光柵106內繼續傳播。
在一個實施例中，光電偵測器102包括光電二極體。光電二極體包括多個具有半導體材料之區域。舉例而言，光敏鰭片110之光敏材料可包括摻雜有第一摻雜劑類型（P型或N型）之單晶半導體材料。半導體基板104可包括摻雜有第二摻雜劑類型之單晶半導體材料，此第二摻雜劑類型為第一摻雜劑類型的補充。光敏鰭片110及半導體基板104形成P-N接合區。當光子被光敏鰭片中之一者的光敏材料吸收時，電子接收對應於光子波長的能量，並自價帶移至導帶。控制電路系統112將光敏鰭片110及半導體基板104偏置，以使得導帶中之電子流動成控制電路系統112所偵測到之電流。因此，控制電路系統112將光114的亮度或強度偵測為由電子形成之電流，此些電子藉由光的吸收自價帶過渡至導帶。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，光電二極體可包括除了上述彼些以外之P及N半導體區域的其他配置。另外，光電二極體可包括由固有半導體區域(intrinsic semiconductor regions)分離開之P及N區域。固有半導體區域可對應於實質上無摻雜劑之半導體區域。
在一個實施例中，光電偵測器102可為光電偵測器而非光電二極體。利用光敏鰭片110對光的吸收，光電偵測器之許多可能配置是可能的。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，如本文所述之利用圓形光柵106來增大光在光敏鰭片110內之路徑長度的原理可在此些其他類型之光電偵測器中實施。
在一個實施例中，光敏鰭片110之光敏材料包括鍺，介電鰭片108之介電材料包括二氧化矽，且覆蓋溝槽側壁之介電材料包括二氧化矽。鍺對100 nm至1700 nm之間的光的波長具有相對高的吸收係數。另外，鍺具有為4之相對高的折射率。二氧化矽具有為1.46之折射係數。此材料組合導致以下的臨界角度： θC = arcsin(1.46/4) = 21.4°。 因此，光敏材料與覆蓋側壁之介電材料之間的任何大於21.4°之光入射角將導致全內反射。
光敏材料可包括除了鍺以外的材料。舉例而言，光敏材料可包括矽、矽鍺、銦鎵砷化物、硫化鉛、汞鎘碲化物或其他光敏材料。熟習此項技術者將認識到，根據本揭示案，在不脫離本揭示案之範疇的情況下，光敏材料可包括除了上述彼些以外的材料。光敏材料可包括一或更多個P摻雜區域。光敏材料可包括一或更多個N摻雜區域。光敏材料可包括P摻雜區域以及N摻雜區域。
介電鰭片108可包含除了二氧化矽以外的材料。舉例而言，介電鰭片108可包含氮化矽、碳摻雜氧化矽，或其他介電材料。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，可將許多種介電材料用於介電鰭片108。
覆蓋溝槽的側壁之介電材料層可包括除了二氧化矽以外之材料。舉例而言，介電材料可包括氮化矽、碳摻雜氧化矽，或其他介電材料。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，可利用許多種介電材料來覆蓋溝槽的側壁。
半導體基板104可包括一或更多個具有半導體材料的層，此半導體材料包括矽、鍺、矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化銦、磷化銦、矽鍺碳化物、鎵砷磷化物或鎵銦磷化物。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，可將其他半導體用於半導體基板104。
積體電路101可接合至第二積體電路。積體電路101可將光電偵測器102所產生之電子信號傳遞至包括在第二積體電路中之電路系統。第二積體電路可包括處理電路系統，以處理電信號。
第2圖為根據一個實施例之處在處理的中間階段之積體電路101的一部分之橫截面圖。特定而言，第2圖的視圖繪示用於在積體電路101內形成光電偵測器102之製程的一部分。在第2圖中所示之階段，積體電路101之所繪示部分包括半導體基板104及介電材料層118。
半導體基板104可包括一或更多個具有半導體材料的層。半導體材料可包括矽、鍺、矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化銦、磷化銦、矽鍺碳化物、鎵砷磷化物或鎵銦磷化物。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，可將其他半導體材料用於半導體基板104。半導體基板104可包括一種單晶半導體材料或單晶半導體材料的多個層。
在一個實施例中，介電材料層118可包括氮化矽、氧化矽或另一介電材料。介電材料層118厚度在1 µm與100 µm之間。介電材料層118可藉由一或更多個薄膜沉積製程來沉積，一或更多個薄膜沉積製程包括化學氣相沉積、物理氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積或其他類型的沉積製程。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，介電材料層118可包括除了上述彼些以外之材料、厚度及沉積製程。
第3A圖為根據一個實施例之處在處理的中間階段之積體電路101的一部分之橫截面圖。在第3A圖中，已在半導體基板104中打開溝槽120。溝槽120限定底表面122、外側壁124及內側壁125。在一個實施例中，溝槽120可具有高達700 µm之深度。在一些實施例中，溝槽120可具有高達700 µm之寬度。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，溝槽120可具有除了上述彼些以外之深度及寬度尺寸。
溝槽120為具有實質上矩形的橫截面之環形或圓形溝槽。溝槽120在半導體基板104中形成完整的圓。此在第3B圖之俯視圖中繪示地更清晰。溝槽的外側壁之半徑在100 µm與2 mm之間。內側壁125之半徑在10 µm與1 mm之間。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，可將其他尺寸用於溝槽120。環形溝槽120之一個目的在於形成光柵，此光柵使光114在環形溝槽周圍行進，直至被光敏材料吸收為止。因此，如以下將更詳細描述，可基於入射光114之預期波長以及介電鰭片及光敏鰭片之透鏡效應來選定溝槽的尺寸。
在一個實施例中，藉由利用光微影技術形成溝槽120。光微影技術可包括在介電材料層118上沉積光阻劑，經由光微影遮罩將光阻劑暴露於光，以及根據遮罩所限定之環形圖案移除光阻劑之部分。
在光阻劑已圖案化之後，將積體電路101暴露於蝕刻製程。蝕刻製程首先蝕刻介電材料層118之已曝光部分。可使用一或更多個濕式蝕刻、乾式蝕刻或其他類型的蝕刻製程來蝕刻介電材料層118。可在蝕刻介電材料層118之同一蝕刻製程期間蝕刻半導體基板104。或者，可在已蝕刻介電材料層118之已曝光部分之後，使用單獨蝕刻製程來蝕刻半導體基板104。
在已對介電材料層118之已曝光部分及半導體基板104執行一或更多個蝕刻製程之後，溝槽120已形成。溝槽120包括外側壁124、內側壁125及底表面122。
第3B圖為根據一個實施例之第3A圖的積體電路101之俯視圖。溝槽120具有環形或圓形的形狀。介電材料層118覆蓋半導體基板104之在溝槽120外部的表面。
第4圖為根據一個實施例之處在處理的中間階段之積體電路101的一部分之橫截面圖。在第4圖中，介電材料層127已沉積在介電材料層118上及溝槽120中之半導體基板104上。介電材料層已經受平坦化製程，此平坦化製程自介電材料層118之頂部移除介電材料層127。介電材料層127可包括二氧化矽、氮化矽或另一介電材料。介電材料層127可藉由薄膜沉積製程來沉積，該薄膜沉積製程包括化學氣相沉積、物理氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積或其他薄膜沉積技術中之一或更多者。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，可將除了上述彼些以外之其他介電材料及沉積製程用於介電材料層127。
第5A圖為根據一個實施例之處在處理的中間階段之積體電路101的一部分之橫截面圖。第5B圖為第5A圖之積體電路101的俯視圖。在第5A圖及第5B圖中，已圖案化並蝕刻了介電材料層127，在一或更多個蝕刻製程之後，在溝槽120之外側壁124及內側壁125上留下側壁介電塗層130。蝕刻製程亦留下自溝槽120的底表面122延伸之複數個介電鰭片108（參見第5B圖及第5C圖）。側壁介電塗層130及介電鰭片108為介電材料層127之殘留物。
介電鰭片108及側壁介電塗層130可（部分地）藉由利用光微影技術來形成。舉例而言，光微影技術可包括在介電材料層127上沉積光阻劑，經由光微影遮罩將光阻劑暴露於光，以及根據遮罩所限定之圖案移除光阻劑之部分。
在光阻劑已圖案化之後，介電材料層127之已曝光部分經受各向異性蝕刻製程。各向異性蝕刻製程在向下方向上選擇性地進行蝕刻。此意謂各向異性蝕刻製程在向下方向上但不在其他方向上蝕刻介電材料層127。更特定而言，各向異性蝕刻在向下方向上比在其他方向上更迅速地蝕刻介電材料層。
在一個實施例中，介電鰭片108具有彎曲的形狀，如在第5B圖之俯視圖中所見。特定而言，介電鰭片108彎曲成透鏡的形狀。選定介電鰭片108之彎曲透鏡形狀，以使入射光114連續聚焦至環形溝槽120周圍之圓形路徑中。
蝕刻製程亦限定介電鰭片108之間的縫隙131。縫隙131具有透鏡的彎曲形狀。每對介電鰭片108藉由縫隙131分離開。
第5A圖之橫截面圖穿過溝槽120中之縫隙131。然而，在實踐中，由於介電鰭片108及縫隙131的彎曲形狀，因此穿過環形溝槽120之中心的筆直橫截線將穿過介電鰭片108以及縫隙131兩者的部分。為了簡化，第5A圖圖示了仿佛沿僅穿過環形溝槽120的任一側上之縫隙131的線截取之橫截面。
第5C圖為根據一個實施例之沿第5B圖中所示之線5C穿過溝槽120的一部分之橫截面圖。線5C穿過多個介電鰭片108以及介電鰭片108之間的縫隙131。
在一個實施例中，介電鰭片108各自具有在1 nm與100 nm之間的寬度。縫隙131可具有與介電鰭片108相同之寬度。或者，縫隙131及介電鰭片108可具有不同寬度。
第6A圖為根據一個實施例之處在處理的中間階段之積體電路101的橫截面圖。第6B圖為根據一個實施例之第6A圖的積體電路101之俯視圖。在第6A圖及第6B圖中，光敏鰭片110已形成在介電鰭片108之間的縫隙131中之溝槽120中。可執行平坦化製程，以使介電鰭片及光敏鰭片110之高度均勻。
光敏鰭片110可彎曲且可具有透鏡的形狀，如在第6B圖之俯視圖中所見。選定光敏鰭片110及介電鰭片108之透鏡形狀，以使光114在環形溝槽120周圍之圓形路徑中行進。如先前關於第5A圖至第5C圖所述，光敏鰭片110具有對應於介電鰭片108之間的縫隙131之寬度的寬度。
如先前關於第1圖所述，光敏材料為對選定波長範圍的光有相對高的吸收係數之材料。另外，光敏鰭片110為與介電鰭片108之介電材料以及側壁介電塗層130相比較而言具有相對高的折射率之材料。
在一個實施例中，光敏鰭片110之光敏材料包括鍺、矽、矽鍺、銦鎵砷化物、硫化鉛、汞鎘碲化物或其他光敏材料中之一或更多者。熟習此項技術者將認識到，根據本揭示案，在不脫離本揭示案之範疇的情況下，光敏材料可包括除了上述彼些以外的材料。
在一個實施例中，光敏鰭片110結合半導體基板104共同地形成光電二極體。因此，光敏鰭片110之光敏材料可包括單晶半導體結構。光敏鰭片110可各自包括用於當作光電二極體之一或更多個摻雜區域。光敏鰭片110可各自包括一或更多個P摻雜區域。光敏鰭片110可各自包括一或更多個N摻雜區域。光敏鰭片110可各自包括P摻雜區域以及N摻雜區域。
在一個實施例中，光敏鰭片經由磊晶生長沉積在溝槽120中。光敏鰭片110可自半導體基板104磊晶生長。特定而言，光敏鰭片110可自環形溝槽120之底表面122磊晶生長。半導體基板104之晶體結構當作種晶，以便生長光敏鰭片110之晶體結構。
磊晶生長可發生在一或更多個階段中。若光敏鰭片110將經摻雜，則摻雜可在光敏鰭片110之磊晶生長期間原位發生。若光敏鰭片110包括多個不同摻雜的區域，則摻雜可在磊晶生長製程之連續階段期間原位發生。光敏鰭片110可各自包括具有相對少的摻雜或無摻雜之固有區域。根據光電偵測器102之設計結合半導體基板104來選擇各自區域中之摻雜分佈及摻雜類型或摻雜不足。
環形溝槽120、光敏鰭片110及介電鰭片108共同地形成圓形光柵106。圓形光柵106配置用以將相對於垂直成45°至90°之間的角度入射之光114重新引導為實質上在水平方向上穿越圓形光柵106。在一個實例實施例中，光114相對於垂直成45°至90°之間的角度自光源111（諸如，光纖纜線）入射在圓形光柵106上。圓形光柵106將光重新引導至圓形光柵106內之實質上水平的軌跡，如藉由第6C圖中之光114的路徑所指示。透鏡形介電鰭片108及光敏鰭片110之透鏡效應導致現在實質上水平之光在溝槽120周圍成圓形地行進，直至光114被光敏鰭片110中之一者吸收為止。在第6B圖中繪示光114之圓形路徑。因為光成環形地穿越圓形光柵106，所以光極有可能最終被光敏鰭片110中之一者吸收，藉此增強包括圓形光柵106之光電偵測器102的靈敏度。
第6C圖為根據一個實施例之沿第6B圖中所示之線6C穿過溝槽120的一部分之橫截面圖。線6C穿過多個介電鰭片108及多個光敏鰭片110。每一光敏鰭片110定位在兩個介電鰭片108之間。每一介電鰭片108定位在兩個光敏鰭片110之間。
第7圖為根據一個實施例之處在處理的中間階段之積體電路101的橫截面圖。第7圖中，介電材料層133已沉積在圓形光柵106之上以及介電材料層118之上。介電材料層133可包括氧化矽、氮化矽或其他介電材料中之一或更多者。因此，介電材料層133可為另一介電材料層。
在一個實施例中，介電材料層133為與介電鰭片108及側壁介電塗層130相同之材料。或者，介電材料層133可為與介電鰭片108及側壁介電塗層130不同之材料。將介電材料層133選定為對將入射在圓形光柵106上之光114透明。此介電材料層可具有與光敏鰭片的折射率相同或不同之折射率。
第8A圖為根據一個實施例之處在處理的中間階段之積體電路101的橫截面圖。第8B圖為根據一個實施例之第8A圖的積體電路101之俯視圖。在第8A圖及第8B圖中，已在介電材料層133中蝕刻開口，且已在此開口中形成了電極136。
電極136包括一或更多種導電材料，諸如，金屬或多晶矽。電極136為環形的，因為其接觸光敏鰭片110中之每一者。電極136可將偏置電壓施加至光敏鰭片110及/或可自光敏鰭片110讀取信號。一或更多個電極亦可接觸半導體基板104，以使得能夠在半導體基板104與光敏鰭片110之間施加偏置電壓。在不脫離本揭示案之範疇的情況下，接觸光敏鰭片110之電極136可具有其他形狀、位置及配置。
第9圖為根據一個實施例之積體電路101的橫截面。第9圖繪示光電偵測器102，此光電偵測器102包括定位在半導體基板104上之圓形光柵106。為了簡化，第9圖中未圖示圓形光柵106之介電鰭片108及光敏鰭片110。複數個電晶體141與半導體基板104結合形成。
介電堆疊135形成在介電材料層133上。積體電路101包括定位在整個介電堆疊135之金屬互連件142。積體電路101包括一或更多個外部連接襯墊144。金屬互連件142實現了電晶體141、光電偵測器102、連接襯墊144及可包括在積體電路101中之任何其他電路部件之間的連接。電晶體141可包括關於第1圖所描述之控制電路系統112。金屬互連件142使得能夠將偏置電壓施加至光電偵測器102，以及自光電偵測器102讀取信號。
開口140形成在介電堆疊135中。光源111（諸如，光纖纜線）將光114輸出至開口140中。光114行進至圓形光柵106，且被重新引導為在圓形光柵106周圍行進，直至光114被光敏鰭片110中之一者吸收為止。
積體電路101可為將來自光源111之光學信號變換成電信號之光子積體電路。邏輯積體電路可經由連接襯墊144耦合至積體電路101。邏輯積體電路可接收由光子積體電路101產生之電信號，且可處理此些電信號以自其提取資料。在此情形下，光子積體電路101可包括或可不包括電晶體141。邏輯積體電路可包括用於處理電信號之電晶體141。
在一個實施例中，圓形光柵106利用光柵耦合器之熟知原理來重新引導幾乎垂直的入射光之軌跡。傳統光柵耦合器並非圓形的。通常，傳統光柵耦合器將光聚焦至波導中，此波導將光導引至可吸收光之光敏材料上。然而，若光敏材料在光首次通過時不吸收光，則光可能未經偵測便離開光敏材料。因此，因為大量入射光從未被光敏材料吸收，所以使用傳統光柵耦合器之傳統光電偵測器是低效的。第1圖至第9圖之圓形光柵106提供了一種具有增強的靈敏度之光電偵測器，因為光114環繞圓形光柵，直至其被光敏鰭片110中之一者吸收為止。
關於光柵耦合器之另外細節可在「用於光纖與奈米光子波導之間的耦合之光柵耦合器（Grating Couplers for Coupling between Optical Fibers and Nanophotonic Waveguides）」（《日本應用物理學雜誌（Japanese Journal of Applied Physics）》第45卷，第8A期，2006年，第6071-6077頁）中找到，此案以引用方式併入本文中。
第10圖為根據一個實施例之用於形成積體電路的方法1000之流程圖。在1002處，方法1000包括在半導體基板中形成環形溝槽。半導體基板的一個實例為第6A圖至第6C圖之半導體基板104。環形溝槽的一個實例為第6A圖至第6C圖之環形溝槽120。在1004處，方法1000包括在環形溝槽中形成複數個介電鰭片。介電鰭片的一個實例為第6B圖、第6C圖之介電鰭片108。在1006處，方法1000包括在環形溝槽中形成複數個光敏鰭片(110)，每一光敏鰭片(110)定位在相鄰的複數個介電鰭片之間。光敏鰭片的一個實例為第6A圖至第6C圖之光敏鰭片110。
在一個實施例中，一種積體電路包括半導體基板、在半導體基板中之環形溝槽，及在環形溝槽中之複數個介電鰭片。積體電路包括定位在環形溝槽中之複數個光敏鰭片，每一光敏鰭片在兩個相鄰的介電鰭片之間。複數個介電鰭片及複數個光敏鰭片配置作為圓形光柵，圓形光柵配置用以引導入射光圍繞環形溝槽。
在一個實施例中，一種光電偵測器包括半導體基板，及形成在半導體基板中之圓形光柵。圓形光柵包括複數個介電鰭片及複數個光敏鰭片，每一光敏鰭片定位在相鄰的複數個介電鰭片之間。
在一個實施例中，一種方法包括在半導體基板中形成環形溝槽，及在環形溝槽中形成複數個介電鰭片。此方法包括在環形溝槽中形成複數個光敏鰭片，每一光敏鰭片定位在相鄰的複數個介電鰭片之間。
可組合上述各種實施例以提供另外實施例。必要時可修改實施例之態樣，以採用各個專利、申請案及公佈的概念，以便提供另外實施例。
可根據以上詳細描述對實施例作出此些及其他改變。大體而言，在以下申請專利範圍中，所使用之術語不應被解釋為將請求項限制為說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例，而應解釋為包括所有可能的實施例以及此些請求項享有之等效物的全部範疇。因此，申請專利範圍並不受揭示內容限制。
100:光子系統 101:積體電路 102:光電偵測器 104:半導體基板 106:圓形光柵 108:介電鰭片 110:光敏鰭片 111:光源 112:控制電路系統 114:光 118:介電材料層 120:環形溝槽 122:底表面 124:外側壁 125:內側壁 127:介電材料層 130:側壁介電塗層 131:縫隙 133:介電材料層 135:介電堆疊 136:電極 140:開口 141:電晶體 142:金屬互連件 144:連接襯墊 1000:方法
第1圖為根據一個實施例之積體電路的方塊圖。 第2圖為根據一個實施例之處在製造的中間階段之積體電路的橫截面圖。 第3A圖為根據一個實施例之處在製造的中間階段之積體電路的橫截面圖。 第3B圖為根據一個實施例之第3A圖的積體電路之俯視圖。 第4圖為根據一個實施例之處在製造的中間階段之積體電路的橫截面圖。 第5A圖為根據一個實施例之處在製造的中間階段之積體電路的橫截面圖。 第5B圖為根據一個實施例之第5A圖的積體電路之俯視圖。 第5C圖為根據一個實施例之第5B圖的積體電路的一部分沿橫截線5C之橫截面圖。 第6A圖為根據一個實施例之處在製造的中間階段之積體電路的橫截面圖。 第6B圖為根據一個實施例之第6A圖的積體電路之俯視圖。 第6C圖為根據一個實施例之第6B圖的積體電路的一部分沿橫截線6C之橫截面圖。 第7圖為根據一個實施例之處在製造的中間階段之積體電路的橫截面圖。 第8A圖為根據一個實施例之處在製造的中間階段之積體電路的橫截面圖。 第8B圖為根據一個實施例之第8A圖的積體電路之俯視圖。 第9圖為根據一個實施例之積體電路的橫截面圖。 第10圖為根據一個實施例之用於形成積體電路的方法之流程圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:光子系統
101:積體電路
102:光電偵測器
104:半導體基板
106:圓形光柵
108:介電鰭片
110:光敏鰭片
111:光源
112:控制電路系統
114:光

Claims (20)

  1. 一種積體電路，包括： 一半導體基板； 一環形溝槽，在該半導體基板中； 複數個介電鰭片，在該環形溝槽中；以及 複數個光敏鰭片，定位在該環形溝槽中，每一光敏鰭片在兩個相鄰的介電鰭片之間，其中該些介電鰭片及該些光敏鰭片配置作為一圓形光柵，該圓形光柵配置用以引導入射光圍繞該環形溝槽。
  2. 如請求項1所述之積體電路，其中該圓形光柵及該半導體基板配置作為一光電偵測器，該光電偵測器配置用以偵測入射在該圓形光柵上之光。
  3. 如請求項2所述之積體電路，其中該光電偵測器藉由在該些光敏鰭片中吸收光來偵測光。
  4. 如請求項3所述之積體電路，其中該些光敏鰭片及該半導體基板配置作為一光電二極體。
  5. 如請求項1所述之積體電路，其中該些光敏鰭片包含鍺。
  6. 如請求項5所述之積體電路，其中該半導體基板包含矽。
  7. 如請求項1所述之積體電路，其中該些介電鰭片包含氧化矽。
  8. 如請求項1所述之積體電路，其中該環形溝槽包括： 一內側壁，限定該環形溝槽之一內部橫向邊界； 一外側壁，限定該環形溝槽之一外部橫向邊界；以及 一側壁介電塗層，覆蓋該內側壁及該外側壁。
  9. 如請求項1所述之積體電路，進一步包括一環形電極，該環形電極接觸該些光敏鰭片。
  10. 如請求項1所述之積體電路，其中該環形溝槽具有一實質上矩形的橫截面。
  11. 如請求項1所述之積體電路，其中該些光敏鰭片及該些介電鰭片是彎曲的。
  12. 如請求項11所述之積體電路，其中該些光敏鰭片及該些介電鰭片當作複數個透鏡，該些透鏡引導光圍繞該環形溝槽。
  13. 一種光電偵測器，包括： 一半導體基板；以及 一圓形光柵，形成在該半導體基板中，該圓形光柵包括： 複數個介電鰭片；以及 複數個光敏鰭片，每一光敏鰭片定位在相鄰的該些介電鰭片之間。
  14. 如請求項13所述之光電偵測器，進一步包括一環形溝槽，該環形溝槽形成在該半導體基板中，其中該些介電鰭片及該些光敏鰭片定位在該環形溝槽中。
  15. 如請求項14所述之光電偵測器，其中該圓形光柵配置用以引導光圍繞該環形溝槽。
  16. 一種方法，包括： 在一半導體基板中形成一環形溝槽； 在該環形溝槽中形成複數個介電鰭片；以及 在該環形溝槽中形成複數個光敏鰭片，每一光敏鰭片定位在相鄰的複數個介電鰭片之間。
  17. 如請求項16所述之方法，進一步包括藉由一磊晶生長自該環形溝槽之一底表面形成該些光敏鰭片。
  18. 如請求項16所述之方法，其中該些光敏鰭片為單晶半導體鰭片。
  19. 如請求項16所述之方法，進一步包括形成與該些光敏鰭片接觸之一電極。
  20. 如請求項16所述之方法，進一步包括在一積體電路中形成一開口以將光接收至該環形溝槽中。
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