專利名稱：具有光引導(dǎo)裝置的光電器件以及形成該裝置的方法
具有光引導(dǎo)裝置的光電器件以及形成該裝置的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及光電器件(optoelectronic devices)，更具體地，涉及包括引導(dǎo)光的 裝置(arrangement)的器件。本發(fā)明也涉及為光電器件形成光引導(dǎo)裝置的方法。一種已知類型的發(fā)光器件包括硅本體(body)中的結(jié)(junction)，該結(jié)被配置為 待被驅(qū)使進(jìn)入雪崩或場(chǎng)發(fā)射擊穿模式，由此發(fā)光。與這些器件關(guān)聯(lián)的一個(gè)問題是，硅-氧化 物-空氣界面處的內(nèi)反射的臨界角是由材料的折射率決定的。對(duì)于硅和空氣，該臨界角僅 為約15.3°，而考慮到發(fā)射的立體角，這意味著該器件產(chǎn)生的光之中僅有約1.8%將離開 該表面。此光的大部分以基本平行于該表面的方式離開該本體的表面，因此難以有效地把 此光耦合進(jìn)與之間隔的光纖的輸入端。也已知的是，半導(dǎo)體pn結(jié)二極管光探測(cè)器(detector)的運(yùn)行速度是內(nèi)置結(jié)電容 (built-in junction capacitance)的函數(shù)。通過減小該探測(cè)pn結(jié)的尺寸可以減小該內(nèi)置 結(jié)電容，并且該探測(cè)二極管器件可以以更高的開關(guān)頻率運(yùn)行。然而，與此同時(shí)，也減小了該 探測(cè)器的敏感面積，從而導(dǎo)致探測(cè)到較小的光信號(hào)，這是人們不期望的。發(fā)明目的據(jù)此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種光電器件以及形成用于該光電器件的光弓I 導(dǎo)裝置的方法，借此，申請(qǐng)人相信至少可以緩解上述缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種光電器件，其包括本體，其具有一表面和一間接帶隙半 導(dǎo)體材料(indirect bandgap semiconductor material)區(qū)域(region)；光子活性區(qū)域 (photonactive region)，其位于該表面的一側(cè)；以及光引導(dǎo)裝置，其與該表面的相反一側(cè) (opposite side)相鄰。該光子活性區(qū)域可以是光發(fā)射區(qū)域和光探測(cè)區(qū)域中的至少一個(gè)。該間接帶隙材料可以是Si、Ge和SiGe，但不限于此。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該 材料可以是Si，該光子活性區(qū)域可以包括形成于該硅材料中的pn結(jié)，并且該光引導(dǎo)裝置可 以在該表面上限制(circumscribe) —光透射區(qū)(zone)。在其他實(shí)施方案中，可以使用其他 形式的光子活性區(qū)域，諸如嵌入到位于間接帶隙材料區(qū)域或本體上的鈍化層——例如二氧 化硅層——中的硅納米晶體。該光引導(dǎo)裝置可以整體形成在該表面上，例如通過使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。在一些實(shí)施方案中，該光電器件可以是發(fā)光器件，其中該pn結(jié)在使用中是光發(fā)射 源，其用于使光透過該光透射區(qū)射向該光引導(dǎo)裝置。在其他實(shí)施方案中，該光電器件可以是光電探測(cè)器(photodetector)器件，其中 該pn結(jié)在使用中是光電探測(cè)器，其用于透過該光透射區(qū)接收來自該光引導(dǎo)裝置的光。該光引導(dǎo)裝置可以包括交替的(alternate)光反射材料層和絕緣材料層的結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)形成了限定光通路的光反射側(cè)壁，該通路與該區(qū)有光連通關(guān)系，并且其中該通路的 橫截面積在遠(yuǎn)離該區(qū)的方向上增大。
該光反射材料可以選自包括鋁、銅、金和多晶硅的組。該側(cè)壁可以包括該光反射材料層的暴露邊緣(exposed edges)，該暴露邊緣被如 下的光反射材料的環(huán)形區(qū)域聯(lián)接，該環(huán)形區(qū)域包覆(clad)該絕緣材料層的相鄰邊緣。包覆 的光反射材料可以與該光反射層的材料相同。該暴露邊緣和該環(huán)形區(qū)域中的至少一些可以相對(duì)于該通路的主軸成銳角地傾斜。 優(yōu)選地，該環(huán)形區(qū)域和該暴露邊緣中的全部都相對(duì)于該主軸傾斜。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中， 該角度在遠(yuǎn)離該區(qū)的方向上減小。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種為光電器件形成光引導(dǎo)裝置的方法，該光 電器件包括具有一表面和一間接帶隙半導(dǎo)體材料區(qū)域的本體以及位于該表面的一側(cè)的光 子活性區(qū)域，該方法包括如下的步驟在該表面的相反一側(cè)形成至少一個(gè)光反射材料層，以 在該表面上限制一光透射區(qū)并限定一光通路。該方法可以包括如下的步驟形成不止一個(gè)光反射材料疊層(superimposed layer)以限定該通路，并通過絕緣材料中間層將相鄰的層彼此間隔開。該方法可以包括如下的步驟用光反射材料包覆所述中間層的與該通路相鄰的邊
緣。 該方法可以包括如下的步驟向被包覆的邊緣和光反射材料層的與該通路相鄰的 邊緣中的至少一些提供相對(duì)于該通路的主軸成銳角的斜面。該裝置可以如下地形成利用傳統(tǒng)CMOS技術(shù)，并將該光反射材料層中的第一層沉 積在該表面上；通過所述中間層之一將光反射材料的第一層與光反射材料層中的第二層分 隔開；利用通道限界(viadefinition)在該第一層和第二層之間形成一通道，并包覆該中 間層的與該通路相鄰的邊緣；以及分別為所述通道和光反射材料層的邊緣形成斜面。在該方法的一種形式中，該通道的斜面和該光反射材料層的斜面可以被安排，以 向該通路提供拋物線形式的輪廓，該通道的斜面和該光反射材料層的邊緣的斜面的角度可 以是恒定的，并且該通路的主軸與這些斜面之間的距離可以被選擇，以使得所述角度與該 拋物線在該拋物線相應(yīng)位置處的正切(tangent)之間的差最小化。在該方法的另一種形式中，該通道的斜面和該光反射材料層的斜面也可以被安 排，以向該通路提供拋物線形式的輪廓，但是該通道的斜面的角度和該光反射材料層的邊 緣的角度可以是變化的，以在該拋物線的相應(yīng)位置處實(shí)現(xiàn)該拋物線的正切。


現(xiàn)在將僅通過實(shí)施例的方式，參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光器件的示意表現(xiàn)，該器件包括硅本體中的pn結(jié)形式的光源。圖2是穿過根據(jù)本發(fā)明的光電器件的第一實(shí)施方案的示意截面圖，該光電器件的 形式是包括發(fā)射光(emitting light)引導(dǎo)裝置的發(fā)光器件。圖3是圖解了該裝置的一個(gè)實(shí)施方案的特定尺寸與角度之間的關(guān)系的圖表。圖4是圖解了形成發(fā)射光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)一部分的多個(gè)光反射層的示意圖。圖5是該結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)的截面圖。圖6(a)和(b)是圖解了傾斜表面在由該結(jié)構(gòu)限定的光通路的側(cè)壁上的形成的視 圖。
圖7是該結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)的截面圖。圖8是該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖解。圖9是現(xiàn)有技術(shù)光電探測(cè)器的示意表現(xiàn)。圖10是穿過根據(jù)本發(fā)明的光電器件的第二實(shí)施方案的示意截面圖，該光電器件 的形式是包括碰撞光(impinging light)引導(dǎo)裝置的光電探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式作為背景技術(shù)，已知的硅發(fā)光器件10的光輻射模式(pattern)被示出在圖1中。 如在本說明書中介紹的，硅-氧化物-空氣界面處的內(nèi)反射的臨界角β僅為約15. 3°。結(jié) 果是，在硅本體14中的結(jié)12處產(chǎn)生的光之中僅有約1. 8%離開該本體的表面16。此光的 大部分在基本平行于表面16的方向上離開該表面，因此難以有效地把此光耦合進(jìn)與之間 隔的光纖19的輸入端18。參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的形式為發(fā)光器件20的光電器件包括本體，其具有表面16 和間接帶隙材料——諸如Si、Ge和SiGe——區(qū)域14 ；位于該表面的一側(cè)的發(fā)光源12 ；以及 與表面16的相反一側(cè)相鄰的發(fā)射光引導(dǎo)裝置22。該發(fā)射光引導(dǎo)裝置用于使該光沿著通路 24聚焦遠(yuǎn)離該表面，以使得該光可以被更有效地耦合進(jìn)光纖19的輸入端18。在本說明書所示的實(shí)施方案中，區(qū)域14上的鈍化層不一定被示出。本領(lǐng)域的技術(shù) 人員應(yīng)理解，可以提供鈍化層，從而前述表面則成為遠(yuǎn)離區(qū)域14的層的表面。發(fā)射光引導(dǎo)裝置被整體形成在前述表面的相反一側(cè)，在下文中將更詳細(xì)地描述。 裝置22包括由交替的光反射材料層28. 1至28. 4和絕緣材料層30. 1至30. 4構(gòu)成的結(jié)構(gòu) 26。該光反射材料可以選自包括鋁、銅、金和多晶硅的組。該絕緣材料可以是氧化物。結(jié)構(gòu)26包括基本杯形的側(cè)壁32，其環(huán)繞著表面16上的光透射區(qū)34。側(cè)壁32限 定了通路24，通路24具有延伸穿過區(qū)34并垂直于該表面的主軸36。通路24與該區(qū)有光 連通關(guān)系。從圖3可以得出，在側(cè)壁32上的反射點(diǎn)R處，各角度之間的關(guān)系為
Γ ^ θ 90 + (9_r = 45 + - = —^—f$_該結(jié)構(gòu)在點(diǎn)R處的正切由下式給出 使用上面的等式，可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)26在壁32上的各點(diǎn)處的物理形狀。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)中，金屬導(dǎo)體層(通常是鋁)可被用來近似(approximate)結(jié)構(gòu) 曲率(structure curvature)。在存在四個(gè)金屬層28. 1至28. 4的情況下，反射器結(jié)構(gòu)將如 圖4所示。在該CMOS技術(shù)中，金屬層28. 1至28. 4在表面16上方的平均高度yi、y2、y3和 y4由加工順序確定。對(duì)于發(fā)射角θ (見圖3)的每個(gè)值，可以針對(duì)給定的yn計(jì)算出橫向尺 寸Xn的相應(yīng)值。依據(jù)本申請(qǐng)，頂金屬層28. 4確定了待被反射的最大發(fā)射角度，而從Xn(在 圖4的實(shí)施例中η = 4)的此值，可以確定其他橫向尺寸X1至χ3。參考圖5，為增大反射面積，以及為了阻止光進(jìn)入金屬層28. 1至28. 4之間的氧化物界面30. 1至30. 4，使用了互連通道40，該互連通道常規(guī)上促進(jìn)相鄰金屬層之間的連接。 在圖5所示的結(jié)構(gòu)26中，遵循所有的布圖規(guī)則(layout rules)，即，金屬層28. 1至28. 4完 全(fully)覆蓋并填充通道40。在圖5中，使用了一附加層作為反射層，即多晶硅層42。金 屬層28. 1通過金屬制接觸件(metal making contact) 54與多晶硅層42接觸。為了獲得改進(jìn)的聚焦作用，金屬層28. 1至28. 4的與通路24相鄰的邊緣，以及金 屬40的邊緣——金屬40填充該通道以包覆絕緣層30. 1至30. 4的相鄰邊緣，可以被給定 斜率。為了實(shí)現(xiàn)該反射表面的非垂直斜率，可以違反CMOS布圖規(guī)則。要違反的一個(gè)規(guī)則 是在通道形成和金屬沉積之后的金屬蝕刻的掩模限界。參照?qǐng)D6(a)，這可以通過如下的 方式來實(shí)現(xiàn)使金屬掩模50不完全覆蓋通道限界40，而是僅在遠(yuǎn)離該通路的區(qū)域局部地覆 蓋該通道。這是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵撎囟ǖ谋痪植康馗采w的通道不執(zhí)行任何電學(xué)功能，而是 僅執(zhí)行機(jī)械/光學(xué)功能。參照?qǐng)D6(b)，在金屬刻蝕之后，剩余的金屬將具有相對(duì)于垂線或軸36成角度ε的 非垂直斜面52，從而將造成碰撞光朝該垂線反射。應(yīng)意識(shí)到，參照?qǐng)D6(a)和(b)描述和圖 解的程序(procedure)可以用于所有的金屬層28. 1至28. 4以及到該多晶硅層的金屬制接 觸件54。角度ε可以在遠(yuǎn)離表面16的方向上減小。在圖7中，示出了由上文描述的程序產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)22。在此例中預(yù)期，可用光信號(hào) (available optical signal)的大量將被基本朝垂線引導(dǎo)，但也許不是以窄束形式。應(yīng)意識(shí)到，由于該金屬邊緣的相對(duì)陡峭的斜面52，如果出射角小，則此結(jié)構(gòu)可以給 出更好的性能。在圖8中，示出了結(jié)構(gòu)22的另一個(gè)實(shí)施方案。該結(jié)構(gòu)限定了通路24，通路24具 有基本為拋物線P形式的輪廓，并且光源12處于焦點(diǎn)。把該焦點(diǎn)設(shè)置在笛卡爾坐標(biāo)系 (Cartesian coordinate system)的原點(diǎn)(0 ;0)，使該拋物線表達(dá)為y = ax2_l/4a。一些標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體加工技術(shù)要求固定的金屬和通道高度，以及要求形成側(cè)壁32的 層的內(nèi)側(cè)邊緣上的斜面的恒定角度，留作僅有的設(shè)計(jì)自由的是，從軸36到這些層的內(nèi)側(cè)邊 緣的水平距離X。圖8示出，多晶硅層52、接觸件54、金屬層28. 1至28. 4、以及通道互聯(lián)層40的傾 斜的內(nèi)側(cè)邊緣可以向拋物線P對(duì)準(zhǔn)，以使得它們將來自該拋物線的焦點(diǎn)處的光源12的光線 平行于該拋物線的經(jīng)過該焦點(diǎn)的對(duì)稱軸36垂直地向上反射。對(duì)拋物線變量a以及距該拋物線的對(duì)稱軸36的距離xp、xc、xml、xvU xm2、xv2、 xm3、xv3和xm4進(jìn)行改變?cè)试S了找到最佳距離，以使得該內(nèi)側(cè)邊緣的恒定角度與該拋物線 在該拋物線相應(yīng)位置處的正切之間的差被最小化。上面的程序是可實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)仍保持每個(gè)金屬邊緣距該拋物線的對(duì)稱軸36的距 離遠(yuǎn)于其正下方的層距該拋物線對(duì)稱軸36的距離(即xp < xc < xml < xvl < xm2 < xv2 < xm3 < xv3 < xm4)。金屬邊緣越陡峭，拋物線變量a就越大，并且該拋物線以及所產(chǎn)生的出射光束就 將越窄。在其他實(shí)施方案中，可能的是，為各層的內(nèi)側(cè)邊緣提供遞增的斜率，換言之提供遞減的角度ε (見圖6(b))，以使得這些邊緣的角度接近該拋物線在該拋物線相應(yīng)位置處的 正切。在這樣的情況下，各層的邊緣可以被基本形成為在相關(guān)點(diǎn)處與該拋物線的正切一致。通路24可以填充有半透明材料，優(yōu)選地是透明材料，諸如二氧化硅。圖9示出了現(xiàn)有技術(shù)的或常規(guī)的光電探測(cè)器60，其收集從光纖64發(fā)出的光。需要 相對(duì)大的ρη結(jié)面積62來收集該光信號(hào)的大部分。如在本說明書中介紹的，已知的是，半導(dǎo) 體ρη結(jié)二極管光學(xué)探測(cè)器的運(yùn)行速度是內(nèi)置結(jié)電容的函數(shù)。通過減小探測(cè)ρη結(jié)62的尺 寸，可以減小內(nèi)置ρη結(jié)電容，并且可以使該探測(cè)二極管器件以更高的切換頻率工作。然而， 與此同時(shí)，該探測(cè)器的敏感面積也減小了，從而導(dǎo)致探測(cè)到更少的光信號(hào)，這是不令人滿意 的。參照?qǐng)D10，為光電探測(cè)器70提供了如上文所述的形式為用于碰撞光的收集器66 的光引導(dǎo)裝置。使用收集器66，光敏感面積68可以仍相當(dāng)大，但探測(cè)器ρη結(jié)62可以被做 得小。這意味著，在較大的工作頻率下可以探測(cè)到基本相同量的光能。更特別地，集成CMOS 技術(shù)收集器66將基本相同的光學(xué)信號(hào)能量聚集到小得多的ρη結(jié)二極管探測(cè)器62，從而因 該較小的探測(cè)器電容而導(dǎo)致了較高的運(yùn)行頻率。
權(quán)利要求
一種光電器件，包括本體，其具有一表面和一間接帶隙半導(dǎo)體材料區(qū)域；光子活性區(qū)域，其位于所述表面的一側(cè)；以及光引導(dǎo)裝置，其與所述表面的相反一側(cè)相鄰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電器件，其中，所述間接帶隙半導(dǎo)體材料是硅，其中，所述 光子活性區(qū)域包括形成于所述間接帶隙材料區(qū)域中的pn結(jié)，并且其中，所述光引導(dǎo)裝置在 所述表面上限制一光透射區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電器件，其中，所述光引導(dǎo)裝置被整體形成在所述表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3中任一項(xiàng)所述的光電器件，其中，所述pn結(jié)在使用中是光發(fā)射 源，其用于使光透過所述光透射區(qū)射向所述光引導(dǎo)裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2和3中任一項(xiàng)所述的光電器件，其中，所述pn結(jié)在使用中是光電探 測(cè)器，其用于透過所述光透射區(qū)接收來自所述光引導(dǎo)裝置的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求2到5中任一項(xiàng)所述的光電器件，其中，所述光引導(dǎo)裝置包括交替的光 反射材料層和絕緣材料層的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)形成了限定光通路的光反射側(cè)壁，所述通路與 所述光透射區(qū)有光連通關(guān)系，并且其中，所述通路的橫截面積在遠(yuǎn)離所述光透射區(qū)的方向 上增大。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電器件，其中，所述光反射材料選自包括鋁、銅、金和多晶 硅的組。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和7中任一項(xiàng)所述的光電器件，其中，所述側(cè)壁包括所述光反射材料 層的暴露邊緣，所述暴露邊緣被如下的光反射材料的環(huán)形區(qū)域聯(lián)接，所述環(huán)形區(qū)域包覆所 述絕緣材料的相鄰邊緣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電器件，其中，所述暴露邊緣和所述環(huán)形區(qū)域中的至少一 些相對(duì)于所述通路的主軸成銳角地傾斜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光電器件，其中，所述角度在遠(yuǎn)離所述光透射區(qū)的方向上減
11.為光電器件形成光引導(dǎo)裝置的方法，所述光電器件包括具有一表面和一間接帶隙 半導(dǎo)體材料區(qū)域的本體以及位于所述表面的一側(cè)的光子活性區(qū)域，所述方法包括如下的步 驟在所述表面的相反一側(cè)形成至少一個(gè)光反射材料層，以在所述表面上限制一光透射區(qū) 并限定一光通路。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括如下的步驟形成不止一個(gè)光反射材料疊層以 限定所述通路，并通過絕緣材料中間層將相鄰的層彼此間隔開。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括如下的步驟用光反射材料包覆所述中間層的 與所述通路相鄰的邊緣。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括如下的步驟向所述被包覆的邊緣和所述光反 射材料層的與所述通路相鄰的邊緣中的至少一些提供相對(duì)于所述通路的主軸成銳角的斜
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述裝置如下地形成利用傳統(tǒng)CMOS技術(shù)，并 在所述表面上沉積所述光反射材料層中的第一層；通過所述中間層之一將光反射材料的第 一層與光反射材料層中的第二層分隔開；利用通道限界在所述第一層和第二層之間形成一通道，并包覆所述中間層的與所述通路相鄰的邊緣；以及分別為所述通道和所述光反射材 料層的邊緣形成斜面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述通道的斜面和所述光反射材料層的斜面 被安排，以向所述通路提供拋物線形式的輪廓，其中，所述通道的斜面和所述光反射材料層 的邊緣的斜面的角度是恒定的，并且其中，所述通路的主軸和所述斜面之間的距離被選擇， 以使得所述角度與所述拋物線在該拋物線相應(yīng)位置處的正切之間的差最小化。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述通道的斜面和所述光反射材料層的斜面 被安排，以向所述通路提供拋物線形式的輪廓，其中，所述通道的斜面的角度和所述光反射 材料層的邊緣的各角度是變化的，以在所述拋物線的相應(yīng)位置處實(shí)現(xiàn)所述拋物線的正切。
全文摘要
一種光電器件(20)，包括間接帶隙半導(dǎo)體材料的本體(14)，該本體具有表面(16)和位于該表面的一側(cè)的光子活性區(qū)域(12)。光引導(dǎo)裝置(22)與該本體整體形成在該表面的相反一側(cè)。
文檔編號(hào)H01L33/60GK101911320SQ200880123526
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者A·W·包格奇, M·杜普利西斯, R·F·格雷維恩斯坦 申請(qǐng)人:因薩瓦(股份)有限公司