TWI411120B - 側壁光偵測器 - Google Patents

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Description

側壁光偵測器
本發明之實施例係屬於整合式光學組件(Integrated Optical Component；簡稱IOC)之領域，尤係有關光偵測器。
光學(光電)組件之進展正啟動了電及光裝置互連的整合。第一代整合式輸入/輸出(I/O)模組將可能基於10Gb/秒850奈米之垂直腔表面發射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser；簡稱VCSEL)及III-V族光偵測器，但是預期後續各世代將移至1310奈米的載波波長分割多工(Carrier Wavelength Division Multiplexing；簡稱CWDM)結構，以便以較低成本實現諸如40Gb/秒及100Gb/秒之較高資料速率。
為了提供跨越各世代之相容性，整合式I/O接收器理想上應能夠有效率地偵測850奈米及1310奈米頻帶。因為預期為了降低封裝成本而將經由多模光纖(multi-mode fiber)而提供光，所以將在同一點上加入850奈米及1310奈米的光。一般而言，基於矽的光解決方案優於III-V族技術，這是因為矽提供顯著的成本節省。然而，因為矽吸收850奈米的光，所以某些整合式I/O應用可能排除基於矽的解決方案。
本發明揭示了用於整合式光電裝置之側壁光偵測器及其製造方法。一實施例包含在具有一基材半導體特徵的一側壁上形成之一p-i-n膜堆疊，該側壁具有大到足以容納一多模光纖的光點大小之面積。一實施例包含被一波導耦合到一第二側壁光偵測器之一第一側壁光偵測器，該第一側壁光偵測器具有一i層，該i層被調整成吸收入射到該第一側壁的光之第一波長且使該光之第二波長通過到該第二側壁光偵測器，而該第二側壁光偵測器具有被調整成吸收該第二波長之一i層。
本發明將參照各圖式而說明側壁光偵測器之實施例、其製造、以及在整合式光學組件中之應用。一般而言，一側壁光偵測器包含一p型及一n型膜層、以及介於其間之一本質(intrinsic)膜層，而本發明中將該組合稱為p-i-n膜堆疊，且該p-i-n膜堆疊係被配置在一基材的一構形特徵的一側壁之上。在一實施例中，在一矽深溝槽的一側壁上形成一矽上覆鍺(germanium on silicon)p-i-n側壁光偵測器。該側壁光偵測器之活性區係取決於該活性側壁之表面積，且該活性區能夠偵測入射至不垂直於該基材的上表面的該活性側壁之光。在一進一步之實施例中，在多個側壁表面上形成p-i-n膜堆疊，以便形成複數個側壁光偵測器。在一個此類實施例中，一第一p-i-n膜堆疊包含一本質或"i層"成分，且該i層成分被調整成提供諸如850奈米的第一波長的入射輻射之高響應性給一第一側壁光偵測器；而一第二p-i-n膜堆疊包含一i層成分，且該i層成分被調整成提供諸如1310奈米的第二波長的入射輻射之高響應性給一第二側壁光偵測器。在一特定實施例中，經由一光波導將第一及第二光偵測器耦合在一起，使通過該第一光偵測器的光之一波長(例如，1310奈米)被傳導到該第二光偵測器以供偵測，因而可分別地偵測自一光點大小入射到該第一側壁的光之多個波長。
然而，可在沒有這些特定細節中之一或多個特定細節之情形下實施各特定實施例，或者可結合其他習知方法、材料、及設備而實施各特定實施例。例如，雖然係在基於矽的系統之環境下說明一側壁光偵測器，但是可易於將本發明所述之側壁光偵測器及技術改作為諸如(但不限於)光塞取濾波器(Optical Add/Drop Filter)或信號調節器等的其他整合式光學組件。在下文的說明中，述及了諸如特定材料、尺寸、及材料參數等的許多特定細節，以便提供對本發明的徹底了解。在其他的情形中，並未特別詳述習知的光學設計及極大型積體電路(VLSI)製造技術，以避免非必要地模糊了本發明。在本說明書中提及"一實施例"時，意指參照該實施例而述及的一特定特徵、結構、或特性被包含在本發明的至少一實施例中。因此，在本說明書中之各部分中出現用語"一實施例"時，不必然都參照到本發明之相同實施例。此外，可在一或多個實施例中以任何適當之方式結合該等特定特徵、結構、材料、或特性。我們也應可了解：在不互斥之情形下，可結合各特定實施例。
在本說明書的用法中，術語"在...之上"、"在...之下"、"在...之間"、以及"在...上"意指一構件相關於其他構件之相對位置。因此，例如，被配置在另一構件之上或之下的一構件可能與該另一構件直接地接觸，或可能有一或多個介於其間的構件。此外，被配置在一些構件之間的一構件可能與兩個構件直接地接觸，或可能有一或多個介於其間的構件。相比之下，"在"一第二構件"上"之一第一構件係與該第二構件密切地接觸。此外，係在假定相對於該等構件共同的一基材之方式執行各操作而不考慮該基材或該等構件的絕對方位之情況下，提供一構件相關於其他構件之相對位置。
第1圖是一例示側壁光偵測器100之一等角圖。一活性溝槽側壁105被諸如一p-i-n膜堆疊121等的一光電二極體膜堆疊覆蓋，該p-i-n膜堆疊121具有一被摻雜層110A、一本質或i層120A、以及被配置在一基材101的一構形特徵的一部分之上之一互補被摻雜層130A。p-i-n膜堆疊121可被配置在基材101的一構形特徵之上，其中一n型或一p型層被直接配置在基材101的側壁上(亦即，以便形成一p-i-n或n-i-p堆疊。p-i-n膜堆疊121內之個別層的厚度及成分係取決於被選擇的基材材料、以及某一或多個波長的響應所需。雖然在本發明的某些實施例中可採用IIIV族材料，但是在特定實施例中，p-i-n膜堆疊121只包含被摻雜的或本質IV族材料。在一個此類實施例中，p-i-n膜堆疊121包含矽、鍺、或其合金。
在一實施例中，該p-i-n膜堆疊之被摻雜層110A及互補被摻雜層130A分別有小於0.8微米之膜厚度。如此項技術中習知的，被摻雜層110A及互補被摻雜層130A可以是被摻雜了一適當的n型或p型摻雜劑物種之磊晶矽(例如，實質上為單晶矽)或其合金。被摻雜層110A也可以是基材101的一上磊晶層104之一被摻雜區。在一特定實施例中，互補被摻雜層130A及被摻雜層110A中之至少一層包含至少60原子百分比的矽以及其餘百分率的鍺，而形成了一或多個矽鍺電極半導體層。已發現加入大約40原子百分比的鍺時，可改善該光電二極體的主要是鍺的i層與p型/n型被摻雜層間之界面。將鍺加入該p型/n型層時，該界面變得較平滑，且亦可減少磊晶i層120A中之缺陷。將鍺加入被摻雜層110A時，亦可影響到p-i-n膜堆疊121的沈積之選擇性，因而在一特定實施例中，被摻雜層110A是矽，而互補被摻雜層130A是一矽鍺合金。
在所示實施例中，p-i-n膜堆疊121被配置在基材101中形成的一深溝槽之一側壁上。側壁光偵測器100包含界定了一偵測器側壁面積之一活性溝槽側壁105，而該偵測器側壁面積係取決於一活性溝槽側壁寬度W及一活性溝槽側壁高度H。一般而言，活性溝槽側壁105具有大到足以容納入射到活性溝槽側壁105且具有一光點大小109的光之一面積，而該光點大小109可大約為300-700平方微米(亦即，20-30微米之直徑)或更大。在各實施例中，活性溝槽側壁105實質上垂直於基材101之上表面，且活性溝槽側壁高度H及活性溝槽側壁寬度W係介於10微米與30微米之間。在一特定實施例中，活性溝槽側壁高度H及活性溝槽側壁寬度W都大約為20微米，而提供了大約300平方微米的一側壁偵測器面積。
在所示實施例中，p-i-n膜堆疊121的大部分被配置在活性溝槽側壁105之上，而只有p-i-n膜堆疊121的較小區域被配置在非側壁基材表面上，例如，被配置在一埋入絕緣層103或基材101的上表面上。因此，側壁光偵測器100對特定光點大小109的總容量可能減少。側壁光偵測器100包含被配置在基材101的該上表面之電極125及135，用以將被摻雜層110A及互補被摻雜層130A在電氣上耦合到一偵測電路。當然，具有被配置在活性溝槽側壁105之上及(或)被配置在絕緣層103之上的p-i-n膜堆疊121的一些部分之上的電極125及135也是可行的。
本發明所述之該等側壁光偵測器一般地適用於膜光偵測器所習知的任何材料體系。例如，可由適用於整合式光學組件製造的任何材料構成基材101。在一實施例中，基材101是一種由單晶材料構成之單體(bulk)基材，該單晶材料可包括(但不限於)矽、矽鍺、或諸如磷化銦(InP)等的三五族化合物半導體(compound semiconductor)材料。在另一實施例中，基材101包含一基體層102，而在基體層102之上形成一上磊晶層104。在一特定實施例中，係由可包括(但不限於)矽或三五族化合物半導體材料之一單晶材料構成基體層102，而係由可包括(但不限於)矽、矽鍺合金、或三五族化合物半導體材料之一單晶層構成上磊晶層104。在另一實施例中，諸如二氧化矽、氮化矽、或氮氧化矽(silicon oxy-nitride)層等的介於中間的絕緣層103將上磊晶層104與基體層102隔離(例如，以便形成一絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator)基材)。
在一進一步之實施例中，可在i層120A與被摻雜層110A及互補被摻雜層130A中之任一層之間配置一界面層(圖中未示出)。該界面層可以是用來將該半導體膜成分自i層120A過渡到該被摻雜層或互補被摻雜層中之任一者或兩者之一漸變(graded)層、線性層、或其他形式的層。例如，當i層120A具有至少80原子百分比的鍺，且一p型層及一n型層具有大量的矽(亦即，具有不多於40原子百分比的鍺)時，一介於其間的界面層可將矽鍺成分自該被摻雜/互補被摻雜層之成分漸變至該i層之成分。
在一實施例中，該側壁光偵測器是一通過光偵測器。如第1圖所示，入射到活性溝槽側壁105之光包含諸如hv1 及hv2 等的複數個能量。在一實施例中，側壁光偵測器100偵測入射到活性溝槽側壁105的光之某些能量，但是使該入射光的某些其他能量通過。例如，側壁光偵測器100可在hv1 能帶(energy band)上有高響應性，但是在hv2 能帶上有低響應性，因而入射hv2 光的大部分通過p-i-n膜堆疊121，且沿著所示之a-a'方向而進入基材101之構形特徵。在一特定實施例中，側壁光偵測器100包含針對在850奈米下具有比在1310奈米下較大的響應性而配置之一p-i-n膜堆疊。上磊晶層104之上形成了活性溝槽側壁105，使850奈米的光不會被上磊晶層104吸收，因而在850奈米的光進入上磊晶層104之前就偵測到該光(亦即，偵測到入射光)。然而，通過側壁光偵測器100的光進入上磊晶層104，該光在上磊晶層104中可被較少程度地吸收(例如，矽或某些矽鍺合金吸收較少的1310奈米光)。
在一實施例中，側壁光偵測器100包含由磊晶生長的半導體(例如，具有可以是實質上為單晶的晶種基材之晶性(crystallinity))構成之一i層120A，而該磊晶生長的半導體具有與基材半導體膜的晶格常數(lattice constant)不同之一晶格常數。舉例而言，當上磊晶層104是矽時，i層120A是具有比上磊晶層104的晶格常數大的一晶格常數(在寬鬆時)之一矽鍺合金。調整i層120A的厚度內之矽鍺比率，而使i層120A的能帶間隙(band gap)比上磊晶層104的能帶間隙小，且因而增加側壁光偵測器100對光的特定波長之響應性。
可根據應用而選擇矽與鍺之百分率。例如，在i層120A將吸收850奈米的光之一實施例中，矽鍺i層120A之矽含量小於20原子百分比，且最好是可在大約10與15原子百分比之間。在i層120A將吸收1310奈米的光之另一實施例中，i層120A實質上是純鍺。亦可根據應用及性能要求(例如，響應性等的要求)而選擇i層120A之厚度，而在850奈米及1310奈米之實施例中，將有大約1.5微米與大約3.0微米之間的一i層120A。在側壁光偵測器100將偵測入射光的一第一波長且通過光的一第二波長之實施例中，可調整i層120A之成分及厚度，以便提供在該第一波長下比在該第二波長下高許多的響應性。
在一實施例中，在其上形成側壁光偵測器100之該構形特徵是一光波導。如第1圖所示，被動溝槽側壁106及107不平行於活性溝槽側壁105，而形成了一光波導108。與活性溝槽側壁105不同，被動溝槽側壁106及107並未被一p-i-n膜堆疊覆蓋，而是可以諸如二氧化矽(在該光波導是矽之情形中)等的提供良好折射率對比(index contrast)之一材料(圖中未示出)覆蓋被動溝槽側壁106及107。因此，通過側壁光偵測器100的hv2 光然後可經由光波導108而被傳導到基材101之其他區域。
如圖所示，該例示光波導108具有大約等於該活性溝槽側壁寬度W之一肋寬或脊寬、以及大約等於該活性溝槽側壁高度H之一肋高，因而側壁光偵測器100具有大約等於光波導108的橫斷面面積之一偵測面積。然而，在一替代實施例中，光波導108可具有不等於該活性溝槽側壁寬度W之一肋寬、或不等於該活性溝槽側壁高度H之一肋高(例如，該波導之寬度或高度可沿著該a-a'方向等的方向而逐漸變窄或漸變。
在一實施例中，在一或多個光波導的一側壁上形成一第一及第二側壁光偵測器。該第一及第二側壁光偵測器可被設計成偵測一相同的波長。或者，可針對一第一及第二波長下之峰值響應性而調整該第一及第二側壁光偵測器，且該第一及第二側壁光偵測器可被配置在一相同波導的不同側壁上、或一第一及第二波導的側壁上(例如，在一光解多工器(optical demux)之下游)。在一實施例中，被配置在一波導的一第一側壁上之一第一側壁光偵測器將偵測入射到該第一側壁的光之一第一波長(例如，850奈米)，且將使該入射光的一第二波長(例如，1310奈米)通過進入該光波導，且該光波導將該通過的光傳導至被配置在該波導的一第二側壁上之一第二側壁光偵測器，以便偵測該光的該第二波長。
第2圖是一對在光學上被耦合的側壁光偵測器之一橫斷面圖。如圖所示，實質上如同前文中參照第1圖所述的，側壁光偵測器100被配置在基材中形成的光波導250之一第一側壁上。第二側壁光偵測器270被以一種類似之方式配置在光波導250的一第二側壁上，而光波導250跨越了該第一與第二側壁光偵測器間之一任意的距離255。如進一步示出的，在可以是諸如二氧化矽的一披覆層240中覆蓋了光波導250，其中光波導250是矽或矽鍺。
第二側壁光偵測器270可包含一第二p-i-n膜堆疊，該第二p-i-n膜堆疊包含能帶間隙與側壁光偵測器100的i層的能帶間隙不同之一i層，用以吸收與側壁光偵測器100所吸收的光波長不同之一光波長。在一個此類實施例中，第一及第二側壁光偵測器都包含鍺，其中針對在1310奈米下比在850奈米下有較低的響應性，而使i層120A具有比第二側壁光偵測器270的i層的矽含量大之一矽含量，但是針對在1310奈米下有較大的響應性，而使第二側壁光偵測器270具有鍺濃度大於i層120A的鍺濃度之一磊晶i層。在側壁光偵測器100將吸收850奈米波長的光且第二側壁光偵測器270將吸收1310奈米波長的光之一實施例中，矽鍺i層120A之矽含量少於20%，且在一個此類實施例中，矽鍺i層120A之矽含量至少為10原子百分比，而第二側壁光偵測器270的矽鍺i層有少於10原子百分比的矽，且可實質上為純鍺。在一進一步之實施例中，側壁光偵測器100的i層膜厚度等於該第二光偵測器中之i層膜厚度，且每一膜厚度係在大約1.5微米與大約3.0微米之間。
在一進一步之實施例中，第二側壁光偵測器270包含在該p-i-n膜堆疊之上的一反射體(圖未示)，用以送回該第二側壁光偵測器之上的第二波長的光之一部分。包含此種反射體時，改善了對該第二波長的響應性，且同時減少用於較快速的偵測器的載子(carrier)之傳輸時間。一般而言，該反射體可以是諸如由被配置在該p-i-n膜堆疊之上的兩種或更多種介電材料的交替的層構成之四分之一波長(quarter wave)反射體或由在該p-i-n膜堆疊之上生長的一些半導體層構成之布拉格反射鏡(Bragg mirror)等的此項技術中習知的任何類型之反射體。在一特定實施例中，該反射體是在該p-i-n膜堆疊之上形成的一金屬層(亦即，覆蓋該活性側壁)。在一個此類實施例中，該金屬反射層也被用來作為電極125及135諸之一電極。
第3圖是根據本發明的一實施例的具有經由一光解多工器而在光學上被耦合的一些側壁光偵測器的一例示整合式I/O晶片300之一平視圖。如圖所示，側壁光偵測器100被耦合到光波導250，而光波導250將通過側壁光偵測器100的光傳導到一中階梯(Echelle)繞射光柵355，以便將通過側壁光偵測器100的光波長光學地解多工。該等繞射波導然後自中階梯繞射光柵355經由光波導250而被傳輸到第二側壁光偵測器270、以及側壁光偵測器371、372、373等的側壁光偵測器。在一特定實施例中，側壁光偵測器100被配置成在諸如850奈米的一較短標稱波長下提供較高響應性，而側壁光偵測器270及371-373被配置成在諸如大約1310奈米等的一較長標稱波長提供較高響應性。
如圖所示，側壁光偵測器100相當適於耦合到一側面照光式(edge-illuminating)大面積光源。與通常用於側面照光式應用的波導光偵測器結構對比之下，側壁光偵測器100無須一被仔細設計的波導即可導引入射光。更確切地講，側壁光偵測器100被用來作為有利於側面照光的一極大面積水平方位偵測器。除了減少光損之外，極高頻寬不需要光點大小的減少，這是因為含有鍺的i層縱然在較大的偵測器面積(例如，300平方微米)下也可提供高頻寬。
第4A、4B、4C、及4D圖是根據一實施例而在一對在光學上被耦合的側壁光偵測器的製造期間所形成的中間結構之橫斷面圖。第4圖示出一基材中之一構形特徵的形成。例如，可在基材101的一層中形成光波導250。在一實施例中，利用電漿為主蝕刻製程將具有實質上垂直的側壁之一溝槽非等向地蝕刻進入基材101，而形成光波導250。在一特定實施例中，該溝槽在界定該活性溝槽側壁高度H的一深度時終止於諸如絕緣層103的一下方終止層。雖然該溝槽深度可因而大約為20微米，但是溝槽寬度最好是較窄的，以便促進平面處理。例如，溝槽寬度可大約為3-5微米。然而，在其他實施例中，當不需要平面處理時，該溝槽寬度可大約為幾百微米。在利用溝槽蝕刻界定了光波導250之後，可利用此項技術中習知的任何間隙填滿或平坦化製程而以二氧化矽等的披覆材料實質上填滿該溝槽。
如第4A圖進一步所示，並不披覆將在其上形成一側壁偵測器之活性溝槽側壁，但是以披覆層240披覆非偵測器之側壁(例如，被動溝槽側壁106及107)。可使用此項技術中習知的任何圖案產生及蝕刻技術以去除披覆層240，或形成用來界定隨後將被披覆的被動側壁(例如，被動溝槽側壁106及107)之一第一溝槽，然後沈積一披覆層，然後在該等被動側壁被披覆之後界定將不被披覆的一活性側壁(例如，活性溝槽側壁105)，而實現選擇性披覆。
如第4B圖所示，係在該活性溝槽側壁(亦即，光波導250的活性側壁)上形成被摻雜層110A，作為一p-i-n膜堆疊的一部分。在一個此類實施例中，被摻雜層110A包含以磊晶方式生長在光波導250的一活性側壁上之矽或矽鍺合金。如圖進一步所示，光波導250的一第二活性側壁上也形成了一第二被摻雜層110。在一個此類實施例中，同時以磊晶方式生長被摻雜層110A及第二被摻雜層110至一相同的厚度及成分。
在形成了被摻雜層110A之後，可在被摻雜層110A上以磊晶方式生長i層120A。在被摻雜層110A及基材主要是矽之特定實施例中，使用至少一鍺來源而使i層120A生長到足夠的厚度，因而減少該i層相對於該基材之能帶間隙，以便提供本發明的其他段落中述及之光學特性。如第4B圖進一步所示，也在第二被摻雜層110上形成一第二i層120。在一個此類實施例中，同時以磊晶方式生長i層120A及第二i層120至一相同的厚度及成分。然後可利用最後的磊晶生長而形成互補的被摻雜層130A及130，以便實現本發明的其他段落中述及之成分，且完成第一及第二光偵測器之p-i-n膜堆疊。
在一實施例中，以一物種佈植i層120A及第二i層120中之至少一i層，以便修改所生長的該p-i-n膜堆疊之光學特性。在該i層主要是鍺之一實施例中，係以矽佈植一鍺磊晶層，以便修改該i層之光學特性(例如，調整側壁光偵測器100之響應性)。在替代實施例中，以鍺佈植一矽i層，以便修改該i層之光學特性。以佈植調整偵測器光學特性是特別有利的，這是因為可將單一磊晶製程用來形成i層120A及第二i層120，且無須沈積及剝離犧牲層(sacrificial layer)。在同時形成了i層120A及120之後，然後可利用遮罩式佈植或高角度佈植而選擇性地修改i層120A或第二i層120之光學特性。
第4C圖進一步示出一有利的高角度佈植實施例，其中基材被傾斜了大約50-60度，使i層120A接收佈植物種通量，同時光波導250的遮蔽使第二i層120接收不到佈植物種通量。雖然在該實施例中，係在形成了互補被摻雜層130A及(或)130之後執行該i層佈植，但是亦可在形成該互補被摻雜層之前執行該i層佈植。視活性溝槽側壁高度H而定，在光波導250末端上將接收佈植物種之深溝槽必須比用來界定非偵測器側壁(例如，被動溝槽側壁106及107)的被披覆材料填滿之溝槽寬許多。例如，在活性溝槽側壁高度H大約為20-30微米之一實施例中，用來界定活性溝槽側壁105的深溝槽具有大約為100微米的一寬度尺寸(沿著與活性溝槽側壁105垂直的一方向向量而量測之寬度尺寸)，以便容許佈植實質上整個活性溝槽側壁。
在採用一鍺磊晶i層120A及一鍺磊晶第二i層120之一實施例中，在一高角度下將矽佈植到i層120A，以便針對在1310奈米下有比在850奈米光波長下較低的響應性而達到至少10原子百分比的矽。高角度矽佈植期間被光波導250遮蔽的第二i層120保持所生長的幾乎純鍺，且因而在1310奈米下保持高響應性。鍺佈植到一矽i層且同時遮蔽一第二矽i層之替代實施例也是可行的，但是可能較難佈植鍺，且可能需要較大劑量的鍺才能調整出具有可接受性能的響應性(例如，需要超過30原子百分比的鍺)。
在該光學特性調整佈植之後，一熱退火(thermal anneal)製程活化該佈植物種，以便修改該第一i層半導體膜相對於該第二i層半導體膜之光學特性。在一個此類實施例中，執行攝氏600度至850度的溫度範圍內之退火，以便將側壁光偵測器100的1310奈米透射率增加到明顯高於第二側壁光偵測器270的1310奈米透射率之一程度。在該退火期間，可預期i層120A及第二i層120中之矽及鍺之一些擴散。然而，i層120A中之矽濃度分佈將指示一佈植。例如，矽濃度分佈可以是i層120A的膜厚度之一非線性函數。相比之下，在矽佈植中被遮蔽的第二i層120之剛沈積(as-deposited)鍺將只在i層120的界面(例如，擴散混合)上有濃度增加的矽，而該i層厚度的大部分保持實質上是純鍺。
在利用傳統的製造技術完成了第4D圖所示之結構之後，例如，將各電極(圖中未示出)耦合到側壁光偵測器100及270的該等p-i-n膜堆疊之後，在光學上被耦合的該側壁光偵測裝置即起作用而偵測多個光波長(例如，hv1 及hv2 )。
至此，已揭示了一種側壁光偵測器、製造方法、以及光學組件整合中之應用。雖然已以結構特徵或方法行動之特定語文說明了本發明，但是我們應可了解：最後的申請專利範圍中界定之本發明無須被限定於所述之特定特徵或行動。理解所揭示之該等特定特徵及作動只是作為申請專利範圍的本發明之較佳實施例，且係以試圖例示而非限制本發明之方式提供該等較佳實施例。
100,371,372,373．．．側壁光偵測器
104．．．上磊晶層
105．．．活性溝槽側壁
121．．．p-i-n膜堆疊
110A．．．被摻雜層
120A．．．i層
130,130A．．．互補被摻雜層
101．．．基材
109．．．光點大小
103．．．埋入絕緣層
125,135．．．電極
102．．．基體層
106,107．．．被動溝槽側壁
108,250．．．光波導
270．．．第二側壁光偵測器
255．．．距離
240．．．披覆層
300．．．整合式輸入/輸出晶片
355．．．中階梯繞射光柵
110．．．第二被摻雜層
120．．．第二i層
在本說明書的最後部分中特別指出本發明之實施例且清楚地申請該等實施例之專利範圍。然而，若參照前文中之詳細說明並配合各附圖，將可對本發明在組織及操作方法上之實施例、以及其目的、特徵、及優點有最佳的了解，在該等附圖中：
第1圖是根據一實施例的一側壁光偵測器之一等角圖；
第2圖是根據一實施例的一對在光學上被耦合的側壁光偵測器之一橫斷面圖；
第3圖是根據一實施例的經由一光解多工器而在光學上被耦合的一些側壁光偵測器之一平視圖；
第4A圖是根據一實施例而在一對在光學上被耦合的側壁光偵測器的製造期間形成的一結構之一橫斷面圖；
第4B圖是根據一實施例而在一對在光學上被耦合的側壁光偵測器的製造期間形成的一結構之一橫斷面圖；
第4C圖是根據一實施例而在一對在光學上被耦合的側壁光偵測器的製造期間形成的一結構之一橫斷面圖；以及
第4D圖是根據一實施例而在一對在光學上被耦合的側壁光偵測器的製造期間形成的一結構之一橫斷面圖。
100．．．側壁光偵測器
104．．．上磊晶層
105．．．活性溝槽側壁
121．．．p-i-n膜堆疊
110A．．．被摻雜層
120A．．．i層
130A．．．互補被摻雜層
101．．．基材
109．．．光點大小
103．．．埋入絕緣層
125,135．．．電極
102．．．基體層
106,107．．．被動溝槽側壁
108．．．光波導
110．．．第二被摻雜層

Claims (16)

  1. 一種光電裝置，包含：一基材半導體膜，該基材半導體膜具有第一與第二溝槽側壁形成於其中；包含第一p-i-n膜堆疊被配置在該第一溝槽側壁之上的一第一光偵測器，其中該第一p-i-n膜堆疊包含第一i-層半導體膜，以吸收入射至該第一溝渠側壁之具有第一波長的光的至少一部分並使具有第二波長的該入射光的至少一部分通過；第二光偵測器包含被配置在該第二溝槽側壁之上的第二p-i-n膜堆疊，其中該第二p-i-n膜堆疊包含與該第一i-層半導體膜不同的第二i-層半導體膜，以吸收具有該第二波長的光的至少一部分；及光波導被配置在該基板半導體膜中並跨越該第一與該第二光偵測器間之一距離的至少一部分，以將為該第一側壁光偵測器所通過的包含該第二波長的該入射光的至少一部分光耦合至該第二光偵測器。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中該第一i-層半導體具有與該基材半導體膜的晶格常數不同之晶格常數。
  3. 如申請專利範圍第2項之光電裝置，其中該第一i-層半導體膜具有比該基材半導體膜之能帶間隙窄的一能帶間隙，且其中該第二光波長大於該第一光波長。
  4. 如申請專利範圍第3項之光電裝置，其中該基材半 導體膜主要包含矽晶格原子，且其中該第一i-層半導體膜包含具有至少10原子百分比的矽之一矽鍺合金。
  5. 如申請專利範圍第2項之光電裝置，其中該溝槽側壁上之該光偵測器面積是至少300平方微米，且該第一i-層半導體膜之膜厚度是在大約1.5微米與大約3.0微米之間。
  6. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，其中該基材半導體膜實質上是矽，該第一i-層半導體膜包含具有比該第二i-層半導體膜的矽含量高的一矽含量之一矽鍺合金，且其中該第一i-層半導體膜具有與該第二i-層半導體膜的膜厚度實質上相同之膜厚度。
  7. 如申請專利範圍第6項之光電裝置，其中該第一i-層半導體中之矽濃度分佈是該第一i-層半導體膜厚度之一非線性函數，且其中該第二i-層半導體是實質上純的鍺。
  8. 如申請專利範圍第1項之光電裝置，進一步包含在該第二p-i-n膜堆疊之上的一反射層，用以將該第二光波長反射回到該第二p-i-n膜堆疊。
  9. 一種整合式光學晶片，包含：如申請專利範圍第1項之光電裝置；以及光學地被耦合到該第一光偵測器的一光解多工器。
  10. 一種形成光電裝置之方法，該方法包含下列步驟：蝕刻基材半導體膜，以在該基材半導體中形成光波導，具有一實質上垂直的第一溝槽側壁，其被該光波導所光學耦合到第二溝槽側壁； 在該第一溝槽側壁之上形成一第一p-i-n膜堆疊，其中該第一p-i-n膜堆疊包含第一i-層半導體膜，吸收入射至該第一溝槽側壁的具有第一波長的光的至少一部分並使具有第二波長的該入射光的至少一部分通過進入該光波導；形成一第一對電極，該第一對電極被耦合到該第一p-i-n膜堆疊的p-型及n-型層，而在該第一溝槽側壁上形成具有一偵測器面積的大部分之一第一光偵測器；在該第二溝槽側壁之上，形成第二p-i-n膜堆疊並形成第二對電極，耦合至該第二p-i-n膜堆疊，以在該第二溝槽側壁上形成第二光偵測器，其中該第二p-i-n膜堆疊包含與該第一i-層半導體膜不同的第二i-層半導體膜，以吸收為該光波導所傳送的來自該第一p-i-n膜堆疊的具有第二波長的光的至少一部分。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中形成該第一p-i-n膜堆疊之該步驟進一步包含下列步驟：在該第一溝槽側壁之上形成具有第一傳導類型之一第一被摻雜半導體層；在該被摻雜半導體層上以磊晶方式生長一第一i-層半導體膜，該第一i-層半導體膜具有與該基材半導體膜的晶格常數不同之一晶格常數；以及在該第一i-層半導體膜之上形成具有與該第一傳導類型互補的第二傳導類型之一第二被摻雜半導體層。
  12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該形成該第二p-i-n膜堆疊包含在該第二溝槽側壁之上以磊晶方式生長 一第二i-層半導體。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中形成該第二p-i-n膜堆疊之該步驟進一步包含下列步驟：與在該第一溝槽側壁上形成該第一被摻雜半導體層實質上同時地在該第二溝槽側壁之上形成該第一被摻雜半導體層；以及與以磊晶方式生長該第一i-層半導體膜實質上同時地在該第一被摻雜半導體層上以磊晶方式生長該第二i-層半導體。
  14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中形成該第一p-i-n堆疊之該步驟包含下列步驟：執行一高角度佈植，使該第一溝槽側壁暴露於佈植物種通量，而將一物種佈植到該第一i-層半導體膜，同時對該第二溝槽側壁遮蔽該佈植物種通量，而防止將該物種佈植到該第二i-層半導體膜。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，進一步包含下列步驟：執行一熱退火而活化該佈植物種，以便更改該第一i-層半導體膜相對於該第二i-層半導體膜之能帶間隙。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其中形成該第一被摻雜層之該步驟進一步包含下列步驟：以磊晶方式生長具有一漸變的或固定的至少60原子百分比之矽濃度之一矽鍺合金。
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