TW202143498A - 光子裝置和其製造方法、以及成像裝置 - Google Patents

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Abstract

提供了具有增加的量子效應長度的光子裝置和方法。在一些實施方式中，光子裝置包括具有第一表面的一基板。一凹穴延伸入基板中，從第一表面至第二表面。一半導體層設置在基板的凹穴中的第二表面上，並且一覆蓋層設置在半導體層上。半導體層配置為接收穿過基板的入射輻射，並且配置為在介於半導體層與覆蓋層之間的界面處將輻射全內反射。

Description

具有增加的量子效應長度的光子裝置和方法
無
光子裝置，諸如影像感測器、光探測器、光感測器、或類似者，是光或其他電磁輻射的感測器。這樣的裝置通常將入射光光子轉換為電信號，例如電流。入射光可能經由半導體材料轉換為電流，此半導體材料吸收光子，從而使電子從材料的傳導帶躍遷為自由電子。
光子裝置通常具有量子效率，此量子效率受到吸收光子以產生電信號的半導體材料(或量子效應材料)的尺寸的限制。量子效率(QE)是貢獻於電信號的入射光子的部分。
無
之後的揭示內容提供了許多不同的實施方式或實施例，以實現所提供的主題的不同的特徵。以下描述組件和配置的具體實施例，以簡化本揭示內容。這些當然僅是實施例，並不意圖為限制性的。例如，在隨後的描述中，形成第一特徵其在第二特徵上方或之上，可能包括第一和第二特徵以直接接觸而形成的實施方式，且也可能包括附加的特徵可能形成於第一和第二特徵之間，因此第一和第二特徵可能不是直接接觸的實施方式。另外，本揭示內容可能在各個實施例中重複標示號碼和/或字母。這樣的重複，是為了是簡化和清楚起見，重複本身並不是意指所討論的各個實施方式之間和/或配置之間的關係。
此外，為了便於描述一個元件或特徵與另一個元件或特徵之間，如圖式中所繪示的關係，在此可能使用空間上的相對用語，諸如「之下」、「低於」、「較下」、「高於」、「較上」、和類似的用語。除了圖式中繪示的方向之外，空間上的相對用語旨在涵蓋裝置在使用中或操作中的不同方向。設備可能有其他方向(旋轉90度或其他方向)，並且此處所使用的空間上相對用語也可能相應地解釋。
參看整份說明書，用於沉積介電層、金屬、或任何其他材料的沉積技術包括多個製程諸如化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、電漿氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、分子束磊晶(MBD)、電鍍、無電鍍、或類似者。本文參考這樣的多個製程的實施例來描述具體的實施方式。然而，本揭示內容和對某些沉積技術的參考不應限於所描述的那些內容。
參看整份說明書，用於半導體材料、介電材料、金屬、或任何材料的選擇性移除的蝕刻技術包括多個製程，諸如乾式蝕刻、濕式蝕刻、反應性離子(電漿)蝕刻(RIE)、清洗、濕式清潔、預清潔、噴霧清潔、化學機械研磨(CMP)、和類似者。本文參考這樣的多個製程的多個實施例來描述具體的實施方式。然而，本揭示內容和對某些蝕刻技術的參考不應限於所描述的那些內容。
一些影像感測器(例如互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器)包括半導體基板(例如，單晶矽的)、和排列在半導體基板中的一陣列的多個光探測器。在半導體基板中形成多個光探測器並且將例如電晶體的電路排列在半導體基板上或半導體基板中並且電性耦點到多個光探測器。光探測器配置為吸收入射輻射並產生與入射輻射相對應的電信號。
影像感測器的挑戰是入射輻射具有受光探測器的尺寸所限制的路徑長度(在本文中可能稱為「量子效應長度」)。因此，光探測器通常具有類似地受光探測器的尺寸所限制的量子效率。量子效率(QE)是貢獻於電子信號的入射的光子的部分。
一種提高互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器的量子效率的潛在方式是增加半導體基板的厚度並且增加光探測器延伸到半導體基板中的深度。經由增加光探測器的深度，可能增加傳播通過光探測器的入射輻射的量子效應長度，從而提高影像感測器的量子效率。然而，這對於現有的互補式金屬氧化物半導體製程是困難的，並且增加了互補式金屬氧化物半導體影像感測器的製造成本。進一步地，增加光探測器延伸到半導體基板中的深度會增加串擾(cross talk)和晶粒尺寸。
鑑於上述內容，本申請的各個實施方式針對光子裝置、結構、和方法，其中接收入射輻射並將接收的輻射轉換成電信號的半導體層具有高的量子效率。可能經由增加通過半導體材料而接收的輻射的量子效應長度來實現這樣的量子效率，這在一些實施方式中，經由在半導體材料之內的全內反射促進了量子效率的提高。
第1圖是截面視圖其繪示根據本揭示內容的一或多個實施方式的裝置10。
在各個實施方式中，裝置10可能是適合於將光信號轉換成電信號的任何結構。在一些實施方式中，裝置10是光探測器，其可能被包括在影像感測器中，諸如互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。
如在第1圖中所示，裝置10包括基板12。凹穴14延伸到基板12中，例如，從基板12的前表面16朝向與前表面16相對的基板12的背表面17。在替代的實施方式中，凹穴14可能從背表面17朝向前表面16延伸到基板12中。所示出的凹穴14具有矩形橫截面；然而，本揭示內容的實施方式不限於此。在各個實施方式中，凹穴14可能具有任何形狀。在各個實施方式中，凹穴14可能具有大致上矩形或立方體形狀、環形、圓形、或圓柱形狀、或任何其他合適的形狀。
在一些實施方式中，凹穴14具有小於750 μm的寬度(例如，沿著如在第1圖中所示的X軸方向)。在一些實施方式中，凹穴14具有小於750 μm的長度(例如，沿著Z軸方向)。在一些實施方式中，凹穴14具有小於700 μm的高度或深度(例如，沿著Y軸方向)。然而，本實施方式的多個實施方式不限於此，並且在各個實施方式中，凹穴14可能具有各種不同的尺寸和形狀。
基板12可能是任何合適的半導體基板。在各個實施方式中，基板12可能由晶體半導體材料形成，例如，單晶矽、多晶矽、或一些其他類型的晶體半導體材料。在一些實施方式中，基板12是矽基板；然而，本文提供的實施方式不限於此。例如，在各個實施方式中，基板12可能包括砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、矽碳化物(SiC)、或任何其他的半導體材料。取決於設計規範，基板12可能包括各種摻雜配置。在一些實施方式中，基板12是p型基板其具有一濃度的p型摻雜劑。在其他的實施方式中，基板12是n型基板其具有一濃度的n型摻雜劑。
在基板12的凹穴14中形成半導體層18。半導體層18可能由適合於吸收輻射(例如，來自入射光)並基於吸收的輻射而產生電信號的任何半導體材料形成。在一些實施方式中，半導體層18由與基板12的半導體材料不同的半導體材料形成。在一些實施方式中，半導體層18是磊晶半導體層。
在各個實施方式中，半導體層18可能由例如，鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、任何III-V族半導體材料或III-V族化合物半導體材料、或任何其他適合於吸收輻射並基於所吸收的輻射而產生電信號的半導體材料。在一些實施方式中，半導體層18由具有低能帶隙的半導體材料形成，並且低能帶隙可能是例如小於約1電子伏特(eV)的能帶隙。在一些實施方式中，半導體層18可能具有一能帶隙其小於基板12的能帶隙。
由半導體層18產生的電信號可能例如來自響應於吸收輻射30的光子而產生的電子-電洞對產生。
如在第1圖中所示，半導體層18包括側表面19、上表面21、和在介於側表面19和上表面21之間延伸的一或多個晶面或傾斜的表面23。半導體層18的側表面19可能與在凹穴14之內的基板12的相應的側壁間隔開。
在一些實施方式中，半導體層18具有一高度(例如，沿者Y軸方向，如在第1圖中所示)其大於凹穴14的深度。例如，如在第1圖中所示，半導體層18的至少一部分可能在Y軸方向上延伸超過基板12的前表面16。在一些實施方式中，半導體層18的高度可能小於750 μm。在一些實施方式中，半導體層18的高度可能小於500 μm、小於300 μm、或小於200 μm。如本文稍後將更詳細描述的，由於在半導體層18之內的輻射的全內反射，可能將半導體層18的高度減小幾個數量級同時提供良好的量子效應長度。亦即，由於在半導體層18之內輻射的全內反射，與其他輻射沒有被全內反射的結構相比，半導體層18的高度以及其他尺寸可能顯著地減小。半導體層18可能具有一寬度(例如，沿著X軸方向)其小於凹穴14的寬度。
裝置10還包括在半導體層18和基板12上的覆蓋層20。覆蓋層20覆蓋半導體層18。例如，如在第1圖中所示，覆蓋層20覆蓋半導體層18的上表面21、傾斜的表面23、和側表面19。在一些實施方式中，覆蓋層20直接地接觸半導體層18的上表面21、傾斜的表面23、和側表面19。在一些實施方式中，覆蓋層20完全地圍繞半導體層18，除了半導體層18的與基板12接觸的表面之外(例如，除了如在第1圖中所示的半導體層18的下表面之外)。
裝置10可能還包括側壁間隔物22其延伸在介於基板12的側壁和半導體層18的所面對的側表面19之間。側壁間隔物22可能由任何介電材料形成，並且在一些實施方式中，側壁間隔物22由與覆蓋層20相同的材料形成。在一些實施方式中，多個側壁間隔物22可能是覆蓋層20的多個部分。亦即，覆蓋層20的多個部分可能延伸到介於基板12的側壁和半導體層18的側表面19之間的空間中。
在一些實施方式中，側壁間隔物22具有一寬度(在介於基板12的側壁和半導體層18的所面對的側表面19之間)其適合於防止或阻止半導體層18在基板的側壁上成長或從基板的側壁上成長，例如，在半導體層18的形成期間。在一些實施方式中，側壁間隔物22的寬度小於50 μm。在一些實施方式中，側壁間隔物22的寬度小於10 μm。在一些實施方式中，側壁間隔物22的寬度在從50 nm到10 μm的範圍之內，包括端點。
在一些實施方式中，覆蓋層20可能是覆蓋膜，並且可能由任何電性絕緣材料或介電材料所形成。在一些實施方式中，覆蓋層20由矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物(SiN)、或類似者形成，或包括矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物(SiN)、或類似者。類似地，側壁間隔物22可能由任何電性絕緣材料或介電材料所形成，包括矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物(SiN)、或類似者中的一或多者。
裝置10可能進一步包括介電層24其介於覆蓋層20和基板12的前表面16之間。介電層24可能由任何介電材料形成或包括任何介電材料。在一些實施方式中，介電層24由氧化物、氮化物、矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物(SiN)、或類似者形成，或包括氧化物、氮化物、矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物(SiN)、或類似者。在一些實施方式中，介電層24在介於基板12的前表面16和覆蓋層20之間直接地延伸。介電層24可能具有與在基板12中的凹穴14的側表面對準的邊緣，如在第1圖中所示。
在一些實施方式中，半導體層18的折射率η1 大於覆蓋層20的折射率η2 。這促進了在半導體層18之內的輻射30(例如，光)的全內反射。如在第1圖中所示，輻射30可能在基板12的背表面17處被接收，並且可能通過基板12傳輸到半導體層18中。輻射30在半導體層18之內被全內反射。例如，輻射30可能在半導體層18的傾斜的表面23和覆蓋層20的界面處被全內反射。在一些實施方式中，半導體層18的折射率η1 在從1至10的範圍之內，並且覆蓋層20的折射率η2 在從0至9的範圍之內，並且覆蓋層20的折射率η2小於半導體層18的折射率η1 。在一些實施例中，半導體層18的折射率η1 在從2至6的範圍之內，並且覆蓋層20的折射率η2 在從0至2的範圍之內。
全內反射將在以下參看第2圖進行詳細描述。第2圖繪示了在介於具有第一折射率η1 的第一材料102與具有第二折射率η2 的第二材料104之間的界面101處的光的全內反射。第一材料102可能代表裝置10的半導體層18，並且第二材料104可能代表覆蓋層20。
當光的入射角大於臨界角θC 時，會發生全內反射。臨界角θC 是產生全反射的最小入射角。對於具有不同折射率的兩種材料之間的界面(例如，介於第一材料102和第二材料104之間的界面101)，臨界角θC 由以下公式給出：
Figure 02_image001
。
在半導體層18是鍺並且覆蓋層20是矽氧化物的實施方式中，半導體層18可能具有大約4的第一折射率η1 ，並且覆蓋層20可能具有大約1.46的第二折射率η2 。因此，臨界角θC 為21.4°。以相對於介在第一材料102和第二材料104之間的界面101的法線103來測量光的臨界角θC 和入射角。
在第2圖中所示的實施例中，第一光106(具有小於臨界角θC 的入射角θ1 )在介於第一材料102和第二材料104之間的界面101處僅被部分地反射。亦即，第一光106的第一部分1061 被折射並透射到第二材料104中，而第一光106的第二部分1062 在界面101處被反射。相對而言，第二光108(具有大於臨界角θC 的入射角θ2 )在介於第一材料102和第二材料104之間的界面101處被全內反射。
參看第1圖，輻射30可能在半導體層18和覆蓋層20的傾斜的表面23的界面處被全內反射。傾斜的表面23的存在有利於輻射30的全內反射。例如，在沒有傾斜的表面23的情況下，沿著輻射30的方向傳輸的光會遇到與光的方向基本上正交的表面(例如，半導體層18的上表面)，並且相對於這樣的表面的法線的入射角基本上為0°，其小於臨界角。在這樣的情況下，光將不會被全內反射，並且即使不是大部分或甚至全部，一些光也會被透射到覆蓋層20中。
另一方面，如在第1圖中所示，由於至少部分由於半導體層18的傾斜的表面23的存在，在介於傾斜的表面23和覆蓋層20之間的界面處的輻射30的入射角可能大於臨界角，並且因此，輻射30可能在半導體層18之內被全內反射。再者，如在第1圖中所示，輻射可能在第一傾斜的表面23處(例如，示出在右手側)被全內反射，且可能再次地在第二傾斜的表面處(例如，示出在左手側)被全內反射，並且然後輻射30可能透射穿過半導體層18、朝向並穿過基板12的前表面16。
傾斜的表面23具有傾斜角θ(例如，相對於在凹穴14中的基板12的下表面15，或相對於如所示的水平線)，傾斜角θ可能是適合於促進在傾斜的表面23與覆蓋層20的介面處的全內反射的任何角度。在一些實施方式中，傾斜角θ在0°至90°之間。在一些實施方式中，傾斜角θ在介於30°至60°之間，並且在一些實施方式中，傾斜角θ在介於40°至50°之間。
由於輻射30的全內反射，所以可能延長在半導體材料18之內輻射30的路徑長度(或量子效應長度)，這增加了半導體材料18的量子效應率QE)，因為增加了量子效應長度，從而增加了貢獻於由半導體材料18所產生的電信號的輻射30之內的光子的數量或部分。既然光穿過半導體材料18的距離(例如，量子效應長度)由於光的全內反射而增加，並且既然量子效率類似地增加，半導體材料18的大小或尺寸可能減少，因為與在其中輻射沒有被內反射的半導體材料的大小或尺寸相比，同時提供了穿過半導體材料18的相同的量子效應長度。
半導體材料18可能具有各種不同的形狀和尺寸，可以選擇形狀和尺寸以提供期望的量子效應長度。在第1圖中所示的半導體材料18的形狀和尺寸僅作為實施例提供，並且在各個實施例中可能利用各種其他形狀和尺寸，例如，如將在下文參考第5A圖至第10B圖所描述的內容。另外，要注意的是，在各個實施方式中，在半導體材料18和覆蓋層20的界面處的入射輻射的全內反射可能達到，至少部分，結合一或多個配置為導向或聚焦入射輻射的透鏡或微透鏡，使得在介於半導體材料18和覆蓋層20之間的一或多個介面處的輻射的入射角將會大於臨界角θC 。
在一些實施方式中，裝置10可能配置為接收入射輻射30並且配置為在半導體材料18之內至少一次將輻射30全內反射。在一些實施方式中，裝置10可能配置為在半導體材料18之內至少兩次將輻射30全內反射，例如，如在第1圖中所示。
第3A圖至第3E圖是截面視圖其繪示在一些實施方式中形成光探測器裝置的方法，光探測器例如在第1圖中所示的裝置10。
如在第3A圖中所示，在基板12上形成介電層24。在一些實施方式中，基板12是矽基板；然而，本文所提供的實施方式不限於此。例如，在各個實施方式中，基板12可能包括砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、矽碳化物(SiC)、或任何其他半導體材料。在一些實施方式中，基板12是p型基板其具有一濃度的p型摻雜劑，並且在其他的實施方式中，基板12是n型基板其具有一濃度的n型摻雜劑。
在一些實施方式中，介電層24由氧化物、氮化物、矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物、或類似者形成，或者包括氧化物、氮化物、矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物、或類似者。形成介電層24可能經由任何合適的製程，包括，例如，沉積、陽極氧化、熱氧化、或類似者。在一些實施方式中，形成介電層24經由沉積製程。沉積製程可能是用於沉積介電層的任何合適的沉積製程，包括例如，化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、電漿氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或類似者。在一些實施方式中，介電層24具有小於200 μm的厚度。在一些實施方式中，介電層24具有小於100 μm的厚度，並且在一些實施方式中，介電層24具有小於50 μm的厚度。
如在第3B圖中所示，經由移除介電層24和基板12的多個部分來形成凹穴14。移除介電層24和基板12的多個部分可能經由任何合適的製程，包括，例如，經由蝕刻製程。在一些實施方式中，在介電層24的多個區域上方形成遮罩並且暴露將被移除的介電層24的多個部分。然後可能使用蝕刻劑移除介電層24的暴露的多個部分，以及在介電層24下方的基板12的多個部分。可能使用任何合適的蝕刻劑，包括例如，任何合適的乾式蝕刻劑或濕式蝕刻劑，例如氫氟酸。然後可能移除遮罩，在基板12的前表面16上留下介電層24。
凹穴14可能具有任何合適的形狀。在各個實施方式中，凹穴14可能具有大致上矩形或立方體形狀、環形、圓形、或圓柱形狀。在一些實施方式中，可能在凹穴14中形成一或多個傾斜的表面，例如，在介於側壁和凹穴的下表面之間。在一些實施方式中，凹穴14具有小於750 μm的寬度。在一些實施方式中，凹穴14具有小於750 μm的長度。在一些實施方式中，凹穴14具有小於700 μm的高度或深度。然而，本實施方式的多個實施方式不限於此，並且在各個實施方式中，凹穴14可能具有各種不同的尺寸和形狀。
如在第3C圖中所示，在凹穴14中的基板12的側壁上形成側壁間隔物22。形成側壁間隔物22可能經由任何合適的製程，包括，例如，沉積、陽極氧化、熱氧化、或類似者。在一些實施方式中，形成側壁間隔物22可能經由熱氧化，以在凹穴14之內的基板12的暴露的表面上產生氧化物(例如，二氧化矽)的薄層。在熱氧化製程中，迫使氧化劑在適當的高溫下擴散到基板12中，並且氧化劑與基板反應以形成氧化物層。在一些實施方式中，移除除了側壁之外的基板12的表面上的氧化物的多個部分(例如，在凹穴14的底部上或在基板12的上表面上的多個部分)，僅留下在基板12的側壁上的氧化物，其形成側壁間隔物22。移除氧化物的這些部分可能經由任何合適的製程，包括，例如，經由異向性蝕刻製程。
在一些實施方式中，側壁間隔物22具有一寬度，其適合於例如在半導體層18的形成期間預防或阻止隨後形成的半導體層在基板12的側壁上的成長或從基板12的側壁成長。在一些實施方式中，側壁間隔物22的寬度小於50 μm。在一些實施方式中，側壁間隔物22的寬度小於10 μm。在一些實施方式中，側壁間隔物22的寬度在從50 nm到10 μm的範圍之內，包括端點。
在一些實施方式中，側壁間隔物22從凹穴14之內的基板12的底部或下表面15延伸到與基板12的上表面基本上共平面的水平面。然而，本揭示內容的多個實施方式不限於此，並且在各個實施方式中，側壁間隔物22可能具有上表面其高於或低於基板12的上表面的水平面。
如在第3D圖中所示，在基板12的凹穴14中形成半導體層18。半導體層18可能由適合於吸收輻射(例如，來自入射光)並且基於吸收的輻射產生的電信號的任何半導體層來形成。在一些實施方式中，半導體層18由與基板12的半導體材料不同的半導體材料來形成。在一些實施方式中，半導體層18是磊晶半導體層其由鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、任何III-V族半導體材料或III-V族化合物半導體材料、或任何其他適合於吸收輻射並且產生基於所吸收的輻射的電信號的半導體材料所形成。
半導體層18可能從在凹穴14中的基板12的暴露的表面(例如，凹穴14的下表面或底部)磊晶式成長。側壁間隔物22預防或阻止半導體層18從基板12的側壁成長，因此半導體層18從在凹穴14中的基板12的底部向上成長並且與基板12的側壁經由側壁間隔物22而隔開。半導體層18的成長可能被側壁間隔物22側向地限制。在側壁間隔物22的上表面處，半導體層18形成一或多個晶面或傾斜的表面23，其在半導體層18的介於側表面19和上表面21之間延伸。半導體層18可能由以晶面的形狀自然成長的晶體結構形成，從而一旦半導體層18向外成長超過側壁間隔物22的上表面，則形成傾斜的表面23。
半導體層18的形狀(例如，傾斜的表面23)是半導體層18的材料的晶體結構和表面能量、以及在形成晶體的一般條件下的結果。半導體層18的形狀可能根據各種因素而不同地形成，諸如選擇的或期望的成長條件(例如，溫度、濕度、壓力等)、半導體層18的所成長於其上的表面的晶體取向(例如，在凹穴14中基板12的暴露的表面的)、來自基板12的應力，不同平面的相對能量、和類似者。
在一些實施方式中，半導體層18形成為具有大於凹穴14的深度的高度，並且半導體層18的一部分可能朝外(例如，在Y軸方向上)延伸超過基板12的前表面16。在一些實施方式中，半導體層18的高度可能小於750 μm。在一些實施方式中，半導體層18的高度可能小於500 μm、小於300 μm、或小於200 μm。
如在第3E圖中所示，在半導體層18上形成覆蓋層20。形成覆蓋層20可能經由任何合適的製程，包括例如，沉積、陽極氧化、熱氧化、或類似者。在一些實施方式中，形成覆蓋層20經由沉積製程。沉積製程可能是用於沉積介電層的任何合適的沉積製程，包括例如，化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、電漿氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或類似者。
覆蓋層20可能形成為覆蓋半導體層18，例如，可能形成覆蓋層以覆蓋半導體層18的上表面21、傾斜的表面23、和側表面19。在一些實施方式中，覆蓋層20直接地接觸半導體層18的上表面21、傾斜的表面23、和側表面19。在一些實施方式中，覆蓋層20完全地圍繞半導體層18，除了半導體層18的與基板12接觸的表面之外(例如，除了半導體層18的下表面之外)。
在一些實施方式中，覆蓋層20可能是覆蓋膜，並且可能由任何電性絕緣材料或介電材料所形成。在一些實施方式中，覆蓋層20由矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物(SiN)、或類似者形成，或包括矽氧化物(SiOx )、矽氧氮化物(SiON)、矽氮化物(SiN)、或類似者。在一些實施方式中，覆蓋層20可能由與側壁間隔物22相同的材料形成。
儘管第3A圖至第3E圖繪示了形成光探測器裝置的方法，例如在第1圖中所示的裝置10，但會容易理解的是，在各個實施方式中，在第3A圖至第3E圖中所繪示的方法可能實施為形成複數個光探測器裝置，例如光探測器或像素的陣列。例如，經由所繪示的方法，可能製造彼鄰近的複數個光探測器，例如，在一陣列中。
第4圖是截面視圖其繪示根據本揭示內容的一或多個的實施方式的成像裝置100。成像裝置100可能是將接收的輻射轉換為電信號的任何裝置，並且在一些實施方式中，成像裝置100可能是影像感測器，例如互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器。
成像裝置100包括光子晶圓102'和互補式金屬氧化物半導體晶圓202。光子晶圓102'包括在基板112中形成的複數個光探測器110。基板112可能與基板12基本上相同或一樣，並且光探測器110可能與關於第1圖至第3E圖所示出和描述的裝置10基本上相同或一樣。例如，光探測器110中的各者可能包括在基板112中的凹穴中形成的各自的半導體層，並且半導體層可能包括一或多個晶面或傾斜的表面其可能可操作地增加接收的光111的量子路徑長度。進一步地，雖然在第4圖中未明確地示出，光探測器110可能包括覆蓋層，諸如覆蓋層20，其覆蓋半導體層，並且半導體層可能具有一折射率其大於覆蓋層的折射率。
光子晶圓102'的光探測器110可能形成為光探測器的像素陣列。例如，光探測器110可能排列為一陣列其具有多個光探測器110的多個橫列和多個直行。成像裝置100可能是背照式(backside illunination)裝置，在光子晶圓102'的背側處接收輻射，如圖所示。
在一些實施方式中，在光子晶圓102'的基板112的背側上形成介電層134。光學透鏡136可能形成在介電層134上，並且光學透鏡136配置為將接收的光111聚焦到各自的光探測器110。在一些實施方式中，光學透鏡136是微透鏡，微透鏡中的各者具有一寬度其類似於(並且在一些實施方式中，略大於)光探測器110的寬度。
在光探測器110的背側上形成互連結構138，並且形成光子晶圓102'的背側。互連結構138包括層間介電(ILD)層140、和複數個金屬層142，其可能形成各種佈線層、導孔、或用於傳輸從光探測器110接收的電荷的任何導電路徑。層間介電層140可能是例如二氧化矽、矽氮化物、低κ(介電常數)介數質(例如，氟矽玻璃(FSG)、一些其他介電質、或上述的組合。低介電常數介電質是介電常數κ小於約3.9、3.0、2.0、或1.0的介電質。
金屬層142在層間介電層140之內各式地排列，例如，金屬線、以及和金屬線電性耦合在一起的導孔。金屬層142可能由導電材料形成，諸如，例如，鋁銅、銅、鋁、鎢、一些其他的導電材料、或上述的組合。金屬層142將光探測器110電性耦合到在光子晶圓102'的前側處的接合墊144。據此，金屬層142可能將從光探測器110接收的電信號傳輸到接合墊144。接合墊144可能由任何導電材料形成，並且在一些實施方式中，接合墊144由鋁銅、鋁鍺、銅鍚、一些其他的導電材料、或上述的組合而形成。
互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶圓202包括基板212和在基板212中或在基板212上形成的電路250。基板212可能是任何合適的半導體基板。在各個實施方式中，基板212可能由晶體半導體材料形成，例如單晶矽、多晶矽、或一些其他類型的晶體半導體材料。在一些實施方式中，基板212是矽基板；然而，本文所提供的實施方式不限於此。例如，在各個實施方式中，基板212可能包括砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、矽碳化物(SiC)、或任何其他的半導體材料。在一些實施方式中，基板212可能光子晶圓102'的基板112基本上相同。
電路250配置為響應於接收到光111而接收和處理由光探測器110產生的電信號。電路250可能包括例如，邏輯或記憶體裝置其配置為響應於入射光111而讀取或儲存由光探測器110產生的數據。在一些實施方式中，電路250可能包括與光探測器110對應的像素電晶體，以促進光探測器110的讀出。
互補式金屬氧化物半導體晶圓202包括在基板上的互連結構238。互連結構238可能基本上類似於光子晶圓102'的互連結構138。例如，互連結構可能包括層間介電層240和複數個金屬層242，其可能形成各種佈線層、導孔、或任何導電路徑，以將從光探測器110接收的電荷傳輸到電路250。層間介電層240可能例如二氧化矽、矽氮化物、低介電常數介電質(例如，氟矽酸鹽玻璃(FSG))、一些其他的介電質、或上述的組合。
金屬層242在層間介電層240之內各式地排列，例如，金屬線、以及和金屬線電性耦合在一起的導孔。金屬層242可能由導電材料形成，諸如，例如，鋁銅、銅、鋁、鎢、一些其他的導電材料、或上述的組合。金屬層242將在互補式金屬氧化物半導體晶圓202的背側處的接合墊244電性耦合到電路250。
經由任何合適的接合技術，包括經由使用一或多種接合材料、黏合劑、或類似者，將光子晶圓102'物理性地接合到互補式金屬氧化物半導體晶圓202。一互接合在一起，光子晶圓102'的接合墊144與互補式金屬氧化物半導體晶圓202的對應的接合墊244對準並電性耦合。據此，互補式金屬氧化物半導體晶圓202的金屬層242可操作地將來自接合墊244的電信號(其經由接合墊244從光探測器110接收)傳輸到電路250。接合墊244可能由任何導電材料形成，並且在一些實施方式中，接合墊244由鋁銅、鋁鍺、銅鍚、一些其他的導電材料、或上述的組合而形成。
根據本揭示內容的一或多個實施方式，第5A圖是繪示裝置10的截面視圖，並且第5B圖是繪示裝置10的半導體層的透視圖。在第5A圖和第5B圖中所示的裝置10與本文先前關於第1圖所示出和所描述的裝置10相同。為了簡潔起見，本文將不對第5A圖和第5B圖描述先前描述過的裝置10的特徵。
如在第5A圖中所示，在半導體層18之內的入射輻射30的光程長度(或量子效應長度)包括第一區段31、第二區段32、和第三區段33。入射輻射30沿著量子效應長度的第一區段31傳播，直到入射輻射30遇到第一傾斜的表面23(例如，如在第5A圖中在右手側所示)，在此處入射輻射30在介於第一傾斜的表面23和覆蓋層20之間的界面處被全內反射。然後，全內反射的輻射沿著量子效應長度的第二區段32傳播，直到此全內反射的輻射遇到第二傾斜的表面23(例如，如在第5A圖中在左側所示)，在此處f此全內反射的輻射可能再次被全內反射，在此點處，輻射30沿著量子效應長度的第三區段33傳播並且可能穿透基板12離開。因此，與輻射沒有在其中被全內反射的結構相比，在半導體層18之內的輻射30全內反射延長了量子效應長度。如在第5A圖中所示，入射輻射30可能在半導體層18的兩個界面處(例如在介於每個傾斜的表面23和覆蓋層20之間的界面)被全內反射。
根據本揭示內容的一或多個實施方式，第6A圖是繪示裝置310的截面視圖，並且第6B圖是繪示裝置310的半導體層的透視圖。在第6A圖和第6B圖中所示的裝置10與本文先前關於第1圖所示出和所描述的裝置10在許多方面基本上相似。裝置310的描述將聚焦在與本文先前描述的裝置10的差異。如在第6A圖和第6B圖中所示，在裝置310的半導體層18包括在半導體層18的下側處的傾斜的表面325，此外還包括在半導體層18的上側處的傾斜的表面323，其在介於側表面319和上表面321之間延伸。
傾斜的表面323和上表面321分別地與本文先前所示出和所描述的裝置10的傾斜的表面23和上表面21基本上相同或一樣。
裝置310的傾斜的表面325在半導體層18的下表面315和側表面319之間延伸。傾斜的表面323與傾斜的表面325可能基本上對稱(例如，沿著水平軸)。在一些實施方式中，傾斜的表面325具有傾斜角θ，其可能是適合於促進在傾斜的表面323和覆蓋層20的界面處的輻射的全內反射的任何角度。在一些實施方式中，傾斜的表面325的傾斜角θ與傾斜的表面323的傾斜角基本上相同。在一些實施方式中，傾斜角θ在介於0°至90°之間。在一些實施方式中，傾斜角θ在介於30°和60°之間，並且在一些實施方式中，傾斜角θ在介於40°和50°之間。
在一些實施方式中，在其中有形成半導體層18的基板12中的凹穴314可能具有一形狀其基本上對應於半導體層18的下部分的形狀。例如，基板12可能在凹穴314中具有傾斜的表面345其基本上對應於半導體層18的傾斜的表面325。
裝置310可能還包括側壁間隔物322其在凹穴314中在介於基板12的側壁和半導體層18之間延伸，並且側壁間隔物322可能與本文先前關於裝置10所描述的側壁間隔物22相同，並且可能由任何介電材料形成。側壁間隔物322從在開口340中的基板12的側壁和傾斜的表面345延伸，以對應於半導體層18的所面對的表面。
在一些實施方式中，裝置310可能包括開口340，其從基板12的背表面17延伸到凹穴314中，在凹穴314中形成半導體層18。開口340允許入射輻射30直接穿過開口340，使得至少一些輻射30不穿過基板12。開口340可能是可選的，並且在一些實施方式中，可能省略開口340。
如在第6A圖中所示，在半導體層18之內的入射輻射30的光程長度(或量子效應長度)包括第一區段331、第二區段332、第三區段333、和第四區段334。入射輻射30可能在半導體層18的第一下傾斜的表面325處被接收(例如，如在第6A圖中的右手側所示)，並且沿著量子效應長度的第一區段331傳播，直到入射輻射30遇到第一上傾斜的表面323(例如，如在第6A圖中的右手側所示)，其中輻射30在介於第一上傾斜的表面323和覆蓋層20之間的界面處被全內反射。然後，全內反射的輻射沿著量子效應長度的第二區段332傳播，直到全內反射的輻射遇到第二上傾斜的表面323(例如，如在第6A圖中的左手側所示)，在此處全內反射的輻射可能再次地被全內反射。輻射30然後沿著量子效應長度的第三區段333傳播，直到輻射30遇到半導體層18的第二下傾斜的表面325(例如，如在第6A圖的左手側所示)，在此處輻射30在介於第二下傾斜的表面325與覆蓋層20或凹穴314之內的側壁間隔物322之間的界面處被全內反射。然後，輻射30沿著量子效應長度的第四區段334傳播，直到輻射30再次遇到介於半導體層18的第一下傾斜的表面325與覆蓋層20或側壁間隔物322之間的界面。
會容易理解的是，在第6A圖和第6B圖中所示的裝置310可能經由在第3A圖至第3E圖中所繪示的方法加上一或多種修改而形成。例如，形成凹穴314可能經由與關於第3B圖所描述和所繪示的基本上相同的製程來形成；然而，凹穴314可能形成為具有傾斜的表面345。此外，在一些實施方式中，可能移除基板12的多個部分(例如，經由蝕刻、或任何合適的技術)以形成開口340。形成側壁間隔物322可能經由熱氧化，如關於第3C圖所描述的內容；然而，可能在側壁上以及在凹穴314中的傾斜的表面345上形成裝置310的側壁間隔物322。半導體層18可能從基板12的暴露的下表面315磊晶式成長，如關於第3D圖所描述的內容。
根據本揭示內容的一或多個實施方式，第7A圖是繪示裝置410的截面視圖，並且第7B圖是繪示裝置410的半導體層的透視圖。在第7A圖和第7B圖中所示的裝置410與本文先前關於第1圖所示出和所述的裝置10在很多方面基本上類似。裝置410的描述將聚焦在與本文先前描述的裝置10的差異。如在第7A圖和第7B圖中所示，裝置410的半導體層18包括傾斜的側表面427，其沿著半導體層18的側部分從半導體層18的下側延伸到上側(例如，在第7B圖中所示的左手側部分)。裝置410的半導體層18還包括傾斜的表面423，其沿著與傾斜的側表面427相對的側部分(例如，在第7B圖所示的右手側部分)在半導體層18的上側處。
半導體層18的傾斜的表面423可能與本文先前所示和所描述的第1圖的裝置10的傾斜的表面23和/或第6A圖和第6B圖的裝置310的傾斜的表面323基本上相同或一樣。
裝置410的傾斜的側表面427可能彼此基本上對稱，並且可能形成為在傾斜的側表面427與覆蓋層20、在凹穴414中的覆蓋層20的部分、或在凹穴414中的側壁間隔物422的界面處具有適合於促進輻射的全內反射的任何角度。
如在第7B圖中所示，在半導體層18之內的入射輻射30的光程長度(或量子效應長度)包括第一區段431、第二區段432、第三區段433、第四區段434、和第五區段435。入射輻射30可能在半導體層18的下表面處被接收，並且沿著量子效應長度的第一區段431傳播，直到入射輻射30遇到在半導體層18的上側處的傾斜的表面423，在此處輻射30在介於傾斜的表面423與覆蓋層20之間的界面處被全內反射。然後，全內反射的輻射沿著量子效應長度的第二區段432傳播，直到全內反射的輻射遇到第一傾斜的側表面427(例如，在第7B圖的左手側的前部所示)，在此處全內反射的輻射在第一傾斜的側表面427與覆蓋層20或側壁間隔物422的界面處被全內反射。然後，輻射30沿著量子效應長度的第三區段433傳播，直到輻射30遇到第二傾斜的側表面427(例如，在第7B圖中的左手側的背部處所示)，其中輻射30在第二傾斜的側表面427與覆蓋層20或側壁間隔物422的界面處可能被全內反射。然後輻射30可能沿著量子效應長度的第四區段434傳播，直到輻射30遇到第三傾斜的側表面427(例如，在第7B圖中的右手側的背部處所示)，在此處輻射30可能被全內反射而朝向半導體層18的前側。
會容易理解的是，在第7A圖和第7B圖中所示的裝置410可能經由在第3A圖至第3E圖中所繪示的方法加上一或多個修改而形成。例如，形成凹穴414可能經由與關於第3B圖所描述和所繪示的基本上相同的製程，並且可能具有矩形形狀，或者可能形成為具有與半導體層18的側表面對應的形狀，例如，具有在凹穴414中的傾斜的表面其對應於半導體層18的傾斜的側表面427。形成側壁間隔物422可能經由熱氧化，如關於第3C圖所描述的內容。半導體層18可能從基板12的暴露的下表面磊晶式成長，如關於第3D圖所描述的內容。在一些實施方式中，半導體層18可能在凹穴414中磊晶式成長，並且可能執行成長後製程(例如，微影、蝕刻、膜沉積等)，以實現半導體層18的期望形狀。
根據本揭示內容的一或多個實施方式，第8A圖是繪示裝置510的截面視圖，並且第8B圖是繪示裝置510的半導體層的透視圖。在第8A圖和第8B圖中所示的裝置510與本文先前關於第1圖所示出和所描述的裝置10在很多方面基本上類似。裝置510的描述將聚焦在與本文先前描述的裝置10的差異。如在第8A圖和第8B中所示，裝置510的半導體層18包括在凹穴514的底部處的基板12上的下表面515。下傾斜的表面525從半導體層18的下表面515向外和向上延伸，並且上傾斜的表面523從下傾斜的表面525向上和向內延伸。
裝置510的下傾斜的表面525和上傾斜的表面523可能彼此基本上對稱，並且可能形成為在介於下傾斜的表面525和上傾斜的表面523與覆蓋層20、在凹穴514中的覆蓋層20的多個部分、或在凹穴514中的側壁間隔物522之間的各個界面處具有適合於促進輻射的全內反射的任何角度。
如在第8A圖中所示，在半導體層18之內的入射輻射30的光程長度(或量子效應長度)包括第一區段531、第二區段532、第三區段533、第四區段534、和第五區段535。入射輻射30可能在半導體層18的下表面515處被接收，並且沿著量子效應長度的第一區段531傳播，直到輻射30遇到在半導體層18的上側處的第一上傾斜的表面523(例如，如在第8A圖中的右手側上部處所示)，在此處輻射30在介於第一上傾斜的表面523和覆蓋層20之間的界面處被全內反射。然後，全內反射的輻射沿著量子效應長度的第二區段532傳播，直到全內反射的輻射遇到第二上傾斜的表面523(例如，如在第8A圖中的左手側上部處所示)，在此處全內反射的輻射在第二上傾斜的表面523和覆蓋層20的界面處可能被全內反射。然後，輻射30沿著量子效應長度的第三區段533傳播，直到輻射30遇到第一下傾斜的表面525(例如，如在第8A圖中的左手側下部處所示)，在此處輻射30在第一下傾斜的表面525和覆蓋層20或側壁間隔物522的界面處可能被全內反射。然後，輻射30可能沿著量子效應長度的第四區段傳播，直到輻射30遇到第二下傾斜的表面525(例如，如在第8A圖中的右手側下部處所示)，在此處輻射30可能被全內反射並且沿著第五區段535朝向半導體層18的第一傾斜的表面523傳播，在此處輻射30可能再次地被全內反射。輻射30可能繼續在半導體層18和覆蓋層20或側壁間隔物522的各個界面處被全內反射。
會容易理解的是，在8A圖和第8B圖中所示的裝置510可能經由在第3A圖至第3E圖中所繪示的方法加上一或多種修改而形成。例如，形成凹穴514可能由與關於第3B圖所描述和所繪示的基本上相同的製程來形成；然而，凹穴14可能形成為具有傾斜的表面其對應於半導體層18的下傾斜的表面525。形成側壁間隔物522可能經由熱氧化，如關於第3C圖所描述的內容。半導體層18可能從基板12的暴露的下表面515磊晶式成長，如關於第3D圖所描述內容。在一些實施方式中，半導體層18可能在凹穴514中磊晶式成長，並且可能執行後成長製程(例如，微影、蝕刻、膜沉積等)，以實現半導體層18的期望形狀。
根據本揭示內容的一或多個實施方式，第9A圖是繪示裝置610的截面視圖，並且第9B圖是繪示裝置610的半導體層的透視圖。在第9A圖和第9B圖中所示的裝置610與本文先前關於第1圖所示出和所描述的裝置10在很多方面基本上類似。裝置610的描述將聚焦在與本文先前描述的裝置10的差異。如在第9A圖和第9B圖中所示，裝置610的半導體層18可能具有基本上倒U的形狀，在凹穴614的底部處的基板12上具有下表面615。半導體層18的多個部分在半導體層18的下部區域處經由介電材料650的一區段而彼此分隔或間隔開，介電材料650在一些實施方式中可能由與覆蓋層20或側壁間隔物622相同的材料形成。
半導體層18具有鄰接或接觸側壁間隔物622的外側表面619、以及鄰接或接觸介電材料650的區段的內側表面627。裝置610的半導體層18還包括在半導體層18的上側處的傾斜的表面623其在介於外側表面619和上表面621之間延伸。
傾斜的表面623和上表面621可能分別地與本文先前所示出和所描述的裝置10的傾斜的表面23和上表面21基本上相同或一樣。
如在第9A圖中所示，在半導體層18之內的入射輻射30的光學路徑長度(或量子效應長度)可能包括各個區段，並且入射輻射30在介於半導體層18和一或多個覆蓋層20、側壁間隔物622、或介電材料650的區域之間的各個界面處可能被全內反射。
會容易理解的是，在第9A圖和第9B圖中所示的裝置610可能經由在第3A圖至第3E圖中所繪示的方法加上一或多種修改而形成。例如，形成凹穴614可能經由與關於第3B圖所描述和繪示的基本上相同的製程來形成。形成側壁間隔物622可能經由熱氧化，如關於第3C圖所描述的內容，形成介電材料650的區段可能經由任何合適的技術，包括，例如，經由熱氧化或類似者。在一些實施方式中，形成介電材料650的區段可能經由在凹穴614(其可能以與側壁間隔物622的形成相同的製程來執行)中形成介電層(例如，經由沉積、氧化、或任何合適的技術)，並且可能選擇性地移除介電層的多個部分，以形成介電材料650的區段。半導體層18可能從基板12的暴露的下表面615磊晶式成長，如關於第3D圖所描述的內容。
根據本揭示內容的一或多個實施方式，第10A圖是繪示裝置710的截面視圖，並且第10B圖是繪示裝置710的半導體層的透視圖。除了以下所指出的差異之外，在第10A圖和第10B圖中所示E出的裝置710與關於第9A圖和第9B圖所示出和所描述的裝置610基本上相同。特別是，第10A圖和第10B圖的裝置710與第9A圖和第9B圖的裝置610之間的差異在於裝置710不包括傾斜的表面623。代替地，裝置710的半導體層18具有上表面721其在介於多個外側表面719之間延伸。
如在第10A圖中所示，在半導體層18之內的入射輻射30的光學路徑長度(或量子效應長度)可能包括各個區段，並且入射輻射30在介於半導體層18與一或多個覆蓋層20、側壁間隔物722、或介電材料750的區域之間的各個界面處可能被全內反射。
形成裝置710可能以與關於形成裝置610所描述的基本上類似的方式；然而，裝置710的上部分處沒有形成傾斜的表面。替代的是，形成裝置710的上表面721，可能例如，經由半導體層的磊晶成長或可能執行成長後製程(例如，微影、蝕刻、化學機械研磨等)，以實現半導體層18的期望形狀。例如，在一些實施方式中，形成裝置710可能經由平坦化(例如，經由化學機械研磨)裝置610的半導體層18的上表面，以移除傾斜的表面。
在各個實施方式中，本揭示內容提供光子裝置、結構、和方法，其中接收入射輻射並且將接收的輻射轉換為電信號的半導體層具有高的量子效率。達成量子效率可能經由增加通過半導體材料的接收的輻射的量子效應長度，這在一些實施方式中經由增加在半導體材料之內的輻射的全內反射來促進。與在其中輻射沒有被全內反射的結構相比，經由增加通過全內反射的接收的輻射的量子效應長度，可以顯著地減小半導體層的高度以及其他尺寸。
根據一實施方式，光子裝置裝置包括一基板其具有第一表面。一凹穴延伸入基板中，從第一表面至第二表面。一半導體層設置在基板的凹穴中的第二表面上，並且覆蓋層設置在半導體層上。半導體層設置在基板的凹穴中的第二表面上，並且覆蓋層設置在半導體層上。半導體層配置為接收穿過基板的入射輻射，並且在介於半導體層和覆蓋層之間的界面處將輻射全內反射。
根據另一實施方式，提供了一種方法其包括在基板中形成凹穴。凹穴形成為延伸入基板中，從第一表面至第二表面。在凹穴中的基板的側壁上形成側壁間隔物。在基板的凹穴中的第二表面上形成半導體層，並且半導體層鄰接在凹穴中的側壁間隔物。
根據又另一個實施方式，一種成像裝置其包括具有第一表面的第一基板。複數個凹穴從第一表面延伸到基板中。在第一表面的複數個凹穴中形成一陣列的多個光探測器。這些光探測器中的各者包括在基板的凹穴中的第二表面上的半導體層、以及在半導體層上的覆蓋層。半導體層配置為接收通過第一基板的入射輻射並且在介於半導體層與覆蓋層之間的界面處將輻射全內反射。成像裝置還包括電路其電性耦合到所述陣列的光探測器並且配置為響應於接收的入射輻射而接收和處理由所述陣列的多個光探測器產生的電信號。
以上概述了數個實施方式，以便本領域技術人員可以較佳地理解本揭示內容的各方面。本領域的技術人員應理解，他們可能容易地使用本揭示內容，作為其他製程和結構之設計和修改的基礎，以實現與在此介紹的實施方式之相同的目的，或是達到相同的優點。本領域技術人員亦會理解，這樣的均等的建構不脫離本揭示內容的精神和範圍，並且他們可能進行各種改變、替換、和變更而不脫離本揭示內容的精神和範圍。
上述各個實施方式可以組合以提供進一步的實施方式。根據以上的詳細描述，可以對這些實施方式做這些和其他的改變。一般而言，在以下的請求項中，所使用的用語不應該被解釋為將請求項限制為說明書中公開的具體實施方式和請求項，而是應該被解釋為包括所有可能的實施方式，以及所請求標的之均等的全部範圍。因此，請求項不受本揭示內容的限制。
10:裝置 12:基板 14:凹穴 15:下表面 16:前表面 17:背表面 18:半導體材料(半導體層) 19:側表面 20:覆蓋層 21:上表面 22:側壁間隔物 23:傾斜的表面 24:介電層 30:輻射 31:第一區段 32:第二區段 33:第三區段 100:成像裝置 101:界面 102:第一材料 102':光子晶圓 103:法線 104:第二材料 106:第一光 1061 :第一光106的第一部分 1062 :第一光106的第二部分 108:第二光 110:光探測器 111:光 112:基板 134:介電層 136:光學透鏡 138:互連結構 140:層間介電層 142:金屬層 144:接合墊 202:互補式金屬氧化物半導體晶圓 212:基板 238:互連結構 240:層間介電層 242:金屬層 244:接合墊 250:電路 310:裝置 314:凹穴 315:下表面 319:側表面 321:上表面 322:側壁間隔物 323:傾斜的表面 325:傾斜的表面 331:第一區段 332:第二區段 333:第三區段 334:第四區段 340:開口 345:傾斜的表面 410:裝置 414:凹穴 422:側壁間隔物 423:傾斜的表面 427:傾斜的側表面 431:第一區段 432:第二區段 433:第三區段 434:第四區段 435:第五區段 510:裝置 514:凹穴 515:下表面 522:側壁間隔物 523:傾斜的表面 525:傾斜的表面 531:第一區段 532:第二區段 533:第三區段 534:第四區段 535:第五區段 610:裝置 614:凹穴 615:下表面 619:外側表面 621:上表面 622:側壁間隔物 623:傾斜的表面 627:內側表面 650:介電材料 710:裝置 719:外側表面 721:上表面 750:介電材料 η1 :折射率 η2 :折射率 θ:傾斜角 θ1 :入射角 θ2 :入射角
本揭示內容的各方面，可由以下的詳細描述，並與所附圖式一起閱讀，而得到最佳的理解。值得注意的是，根據產業界的標準慣例，各個特徵並未按比例繪製。事實上，為了清楚地討論，各個特徵的尺寸可能任意地增加或減小。 第1圖是繪示根據本揭示內容的一些實施方式的一裝置的截面視圖。 第2圖繪示了在介於具有第一折射率η1 的第一材料與具有第二折射率η2 的第二材料之間的界面處的光的全內反射。 第3A圖至第3E圖是多個截面視圖其繪示了在一些實施方式中形成一光探測器裝置(例如在第1圖中所示的裝置)的方法。 第4圖是繪示根據一些實施方式的成像裝置的截面視圖。 第5A圖是繪示根據一些實施方式的一裝置的截面視圖，並且第5B圖是繪示第5A圖的裝置的半導體層的透視圖。 第6A圖是繪示根據一些實施方式的裝置的截面視圖，並且第6B圖是繪示第6A圖的裝置的半導體層的透視圖。 第7A圖是繪示根據一些實施方式的裝置的截面視圖，並且第7B圖是繪示第7A圖的裝置的半導體層的透視圖。 第8A圖是繪示根據一些實施方式的裝置的截面視圖，並且第8B圖是繪示第8A圖的裝置的半導體層的透視圖。 第9A圖是繪示根據一些實施方式的裝置的截面視圖，並且第9B圖是繪示第9A圖的裝置的半導體層的透視圖。 第10A圖是繪示根據一些實施方式的裝置的截面視圖，並且第10B圖是繪示第10A圖的裝置的半導體層的透視圖。
10:裝置
12:基板
14:凹穴
15:下表面
16:前表面
17:背表面
18:半導體材料(半導體層)
19:側表面
20:覆蓋層
21:上表面
22:側壁間隔物
23:傾斜的表面
24:介電層
30:輻射
θ:傾斜角

Claims (20)

  1. 一種光子裝置，包含： 一基板，具有一第一表面和一凹穴，該凹穴延伸入該基板中從該第一表面至一第二表面； 一半導體層，在該基板的該凹穴中的該第二表面上；以及 一覆蓋層，在該半導體層上， 其中，該半導體層配置為接收通過該基板的入射輻射，並且配置為在介於該半導體層和該覆蓋層之間的一界面處將該入射輻射全內反射。
  2. 如請求項1所述之光子裝置，其中該半導體層具有一第一折射率，並且該覆蓋層具有一第二折射率其小於該第一折射率。
  3. 如請求項2所述之光子裝置，其中該第一折射率在從2至6的範圍之內，並且該第二折射率在從0至2的範圍之內。
  4. 如請求項1所述之光子裝置，其中該半導體層包括鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、或任何III-V族半導體材料中的至少一種。
  5. 如請求項4所述之光子裝置，其中該覆蓋層包括矽氧化物(SiOX )、矽氧氮化物(SiON)、或矽氮化物(SiN)。
  6. 如請求項1所述之光子裝置，還包含多個側壁間隔物其介在該凹穴的多個側表面和該半導體層的多個側表面之間。
  7. 如請求項6所述之光子裝置，其中該些側壁間隔物由與該覆蓋層相同的一材料形成。
  8. 如請求項1所述之光子裝置，還包含一介電層其介在該基板的該第一表面和該覆蓋層之間。
  9. 如請求項1所述之光子裝置，其中該半導體層具有至少一個傾斜的表面其相對於該基板的該第二表面具有介在30°與60°之間的一傾斜角。
  10. 如請求項1所述之光子裝置，其中該凹穴在該基板的介於該第二表面和該第一表面之間的一深度小於700微米(μm)，並且該半導體層的從該基板的該第二表面的一高度小於750微米。
  11. 如請求項1所述之光子裝置，還包含一介電材料其在該基板的該凹穴中的該第二表面上，該半導體層的多個部分在該凹穴中經由該介電材料在側向上彼此間隔開。
  12. 一種製造光子裝置的方法，包含： 在一基板中形成一凹穴，該凹穴延伸入該基板中從一第一表面至一第二表面； 在該凹穴中的該基板的多個側壁上形成多個側壁間隔物；以及 在該基板的該凹穴中的該第二表面上形成一半導體層，該半導體層鄰接在該凹穴中的該些側壁間隔物。
  13. 如請求項12所述之製造光子裝置的方法，還包含： 在該半導體層上、該基板的該第一表面上、和該些側壁間隔物上形成一覆蓋層。
  14. 如請求項13所述之製造光子裝置的方法，其中所述形成該覆蓋層包括以與該些側壁間隔物相同的一材料形成該覆蓋層。
  15. 如請求項13所述之製造光子裝置的方法，其中所述形成該覆蓋層包括由一材料來形成該覆蓋層，該材料具有一折射率其小於該半導體層的一折射率。
  16. 如請求項13所述之製造光子裝置的方法，還包含在該基板的該第一表面上形成一介電層，其中所述形成該凹穴包括蝕刻穿過該介電層並進入到該基板中，並且其中所述形成該覆蓋層包括在該介電層上形成該覆蓋層。
  17. 如請求項12所述之製造光子裝置的方法，其中所述形成該半導體層包含形成該半導體層以具有至少一個傾斜的表面，所述至少一個傾斜的表面在該半導體層的一側表面和一上表面之間延伸。
  18. 一種成像裝置，包含： 一第一基板，具有一第一表面和複數個凹穴其從該第一表面延伸入該第一基板中； 一陣列的多個光探測器，形成在該第一基板的該些複數個凹穴中，該些光探測器中的各者包括： 一半導體層，在該基板的所述凹穴中的該第二表面上；和 一覆蓋層，在該半導體層上，其中該半導體層配置為接收通過該第一基板的入射輻射，並且配置為在介於該半導體層與該覆蓋層之間的一界面處將該入射輻射全內反射；以及 電子電路，電性耦合到所述陣列的多個光探測器並且配置為響應於接收該入射輻射而接收和處理由所述陣列的多個光探測器產生的多個電信號。
  19. 如請求項18所述之成像裝置，還包含： 一第二基板，該電子電路至少部分地形成在該第二基板中；以及 一互連結構，電性和物理性耦合在介於該第一基板和該第二基板之間，該電子電路通過該互連結構而電性耦合到所述陣列的多個光探測器。
  20. 如請求項18所述之成像裝置，還包含： 複數個光學透鏡，在該基板的一表面上，該表面相對於該第一表面，該些光學透鏡中的各者配置為將該入射輻射聚焦到該些光探測器中的一相應的一者。
TW109139986A 2020-05-06 2020-11-16 光子裝置和其製造方法、以及成像裝置 TWI739664B (zh)

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