(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料の表面および領域、ならびに前記表面の一方の側の発光源を有する本体からなる発光素子のための光誘導機構を形成する方法において、
光の通路を画定する光誘導機構を前記表面の一方の側とは反対側に隣接して形成するステップであって、前記光誘導機構を前記表面上に光反射材料の層および絶縁材料の層を交互に堆積することによって形成し、光反射材料の層の露出した縁部を利用し、かつ、光反射材料の領域で絶縁材料の層の隣接する縁部を覆うことにより、円形横断面を有するとともに主軸を有する前記通路を画定する光反射側壁を形成する、ステップ、および
前記主軸から前記光反射材料のいずれかの一つの層の露出した端部までの距離を、前記主軸から光反射材料の前記一つの層の前記表面に向かう方向においてすぐ隣に隣接する絶縁材料の層の隣接する縁部を覆う領域までの距離以上とする、ステップ
からなることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記表面上に光反射材料の前記層のうちの第１の層を堆積させ、光反射材料の前記第１の層を光反射材料の第２の層から絶縁材料の前記層のうちの第１の層によって分離させ、光反射材料の前記第１および第２の層の前記隣接する縁部間に金属の相互接続バイアを形成し、絶縁材料の前記第１の層の前記露出した縁部を覆うことによって、前記光誘導機構を前記表面上に一体化して形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
光反射材料の前記第２の層が、金属の相互接続バイアを部分的にのみ覆っている、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
それぞれ絶縁材料の層の隣接する縁部を覆う少なくともいくつかの領域および光反射材料の前記層の前記露出した縁部のための、前記通路の主軸に対する鋭角の傾斜を形成するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
絶縁材料の層の隣接する縁部を覆う領域のための前記傾斜および光反射材料の前記層の露出した縁部のための前記傾斜が、放物線の形態のプロファイルを前記通路に与えるように配置され、前記絶縁材料の層の隣接する縁部を覆う領域のための前記傾斜および光反射材料の前記層の前記露出した縁部のための前記傾斜の角度が一定であり、前記通路の前記主軸と前記傾斜との間の距離が、前記角度と前記放物線上の対応する場所における前記放物線の接線との間の差を最小にするように選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
絶縁材料の層の隣接する縁部を覆う領域のための前記傾斜および光反射材料の前記層の露出した縁部の前記傾斜が、放物線の形態のプロファイルを前記通路に与えるように配置され、前記絶縁材料の層の隣接する縁部を覆う領域のための前記傾斜のそれぞれの角度および光反射材料の前記層の前記露出した縁部のそれぞれの角度が、前記放物線上の対応する場所における前記放物線の接線に近づくように変化する、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はオプトエレクトロニック・デバイスに関し、より詳細には、光を誘導するための機構を含むデバイスに関する。本発明は、さらに、オプトエレクトロニック・デバイス用の光誘導機構を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの既知のタイプの発光デバイスはシリコンの本体に接合を含み、その接合はなだれまたは電界放出破壊モードで駆動され、それによって光を放出するように構成される。これらのデバイスに関連する問題は、酸化ケイ素−空気界面での内面反射の臨界角が材料の屈折率によって決定されることである。シリコンおよび空気では、臨界角はわずか約１５．３°であり、放出の立体角を考慮に入れると、それは、デバイスによって生成された光の約１．８％しか表面から出て行かないことになることを意味する。この光の大部分は、本体の表面から、その表面と実質的に平行に出て行き、したがって、離間した光ファイバの入力部にこの光を効率的に結合するのは困難である。
【０００３】
半導体ｐｎ接合ダイオードの光検出器が動作する速度は固有の接合容量と相関関係にあることも知られている。検出用ｐｎ接合のサイズを低減することによって、固有のｐｎ接合容量を低減することができ、検出用ダイオード・デバイスは、より高いスイッチング周波数で動作することができる。しかし、同時に、検出器の感知面積も低減し、その結果、検出される光信号がより小さくなり、それは望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、前述の欠点を少なくとも緩和することができると出願人が考えるオプトエレクトロニック・デバイスおよびそのデバイス用の光誘導機構を形成する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、間接遷移半導体材料の表面および領域を有する本体と、表面の一方の側の光子活性領域と、表面の反対側に隣接する光誘導機構とを含むオプトエレクトロニック・デバイスが提供される。
【０００６】
光子活性領域は、発光領域および光検出領域の少なくとも一方とすることができる。
【０００７】
間接遷移材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、およびＳｉＧｅのうちの１つとすることができるが、それらに限定されない。好ましい一実施形態では、材料はＳｉとすることができ、光子活性領域はシリコン材料中に形成されたｐｎ接合を含むことができ、光誘導機構は表面上の光送出区域を囲むことができる。他の実施形態では、間接遷移材料の領域または本体上の不活性化層、例えば二酸化ケイ素の層に埋め込まれたシリコン・ナノ結晶などの他の形態の光子活性領域を使用することができる。
【０００８】
光誘導機構は、例えば標準ＣＭＯＳプロセスを使用することによって表面上に一体化して形成することができる。
【０００９】
実施形態によっては、オプトエレクトロニック・デバイスは発光デバイスとすることができ、ｐｎ接合は、使用中、光送出区域を通して光誘導機構の方に光を送出するための発光源である。
【００１０】
他の実施形態では、オプトエレクトロニック・デバイスは光検出器デバイスとすることができ、ｐｎ接合は、使用中、光誘導機構から光送出区域を通して光を受け取るための光検出器である。
【００１１】
光誘導機構は、光の通路を画定する光反射側壁を形成する光反射材料および絶縁材料の交互層の構造体を含むことができ、光の通路は区域と光連通関係にあり、通路の横断面積は区域から離れる方向において増加する。
【００１２】
光反射材料は、アルミニウム、銅、金、およびポリシリコンからなる群から選択することができる。
【００１３】
側壁は、光反射材料の環状領域が絶縁材料の層の隣接する縁部を覆うことによって連結される光反射材料の層の露出した縁部を含むことができる。覆う光反射材料は光反射層の材料と同じとすることができる。
【００１４】
露出した縁部および環状領域のうちの少なくともいくつかは、通路の主軸に対して鋭角で傾斜することができる。好ましくは、環状領域および露出した縁部はすべて主軸に対して傾斜する。好ましい実施形態では、角度は区域から離れる方向において減少する。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、間接遷移半導体材料の表面および領域を有する本体と、表面の一方の側の光子活性領域とを含むオプトエレクトロニック・デバイスのための光誘導機構を形成する方法が提供され、この方法は、表面上の光送出区域を囲み、光の通路を画定するように表面の反対側に光反射材料の少なくとも１つの層を形成するステップを含む。
【００１６】
この方法は、通路を画定するように光反射材料の１つを超える重畳された層を形成し、隣接する層を絶縁材料の中間層によって互いから離間させるステップを含むことができる。
【００１７】
この方法は、通路に隣接する中間層の縁部を光反射材料で覆うステップを含むことができる。
【００１８】
この方法は、覆われた縁部、および通路に隣接する光反射材料の層の縁部のうちの少なくともいくつかに通路の主軸に対して鋭角の傾斜を与えるステップを含むことができる。
【００１９】
この機構は、従来のＣＭＯＳ技術を利用し、表面上に光反射材料の層のうちの第１の層を堆積させ、光反射材料の第１の層を光反射材料の層のうちの第２の層から前記中間層のうちの１つによって分離させ、バイア輪郭を利用して第１の層と第２の層との間にバイアを形成し、通路に隣接する中間層の縁部を覆い、それぞれバイアおよび光反射材料の層の縁部のための傾斜を形成することによって形成することができる。
【００２０】
この方法の一形態では、バイアのための傾斜および光反射材料の層のための傾斜は、放物線の形態のプロファイルを通路に与えるように配置することができ、バイアのための傾斜および光反射材料の層の縁部のための傾斜の角度は一定とすることができ、通路の主軸と傾斜との間の距離は、前記角度と放物線上の対応する場所における放物線の接線との間の差を最小にするように選択することができる。
【００２１】
この方法の別の形態では、バイアのための傾斜および光反射材料の層の傾斜は、さらに、放物線の形態のプロファイルを通路に与えるように配置することができるが、バイアのための傾斜の角度および光反射材料の層の縁部のためのそれぞれの角度は、放物線上の対応する場所における放物線の接線に近づくように変化することができる。
【００２２】
次に、本発明が、単に例として、添付の図を参照しながらさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】シリコンの本体にｐｎ接合の形態で光源を含む従来技術の発光デバイスの概略図である。
【図２】放出光誘導機構を含む発光デバイスの形態の本発明によるオプトエレクトロニック・デバイスの第１の実施形態による概略断面図である。
【図３】機構の一実施形態のいくつかの寸法と角度との間の関係を示す図である。
【図４】放出光誘導構造体の一部を形成する複数の光反射層を示す概略図である。
【図５】構造体のさらに詳細な断面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は構造体によって画定される光の通路の側壁上への傾斜面の形成を示す図である。
【図７】構造体のさらに詳細な断面図である。
【図８】構造体の別の実施形態の概略図である。
【図９】従来技術の光検出器の概略図である。
【図１０】照射光誘導機構を含む光検出器の形態の本発明によるオプトエレクトロニック・デバイスの第２の実施形態による概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
背景として、既知のシリコン発光デバイス１０の光放射パターンが図１に示される。本明細書の冒頭部で述べたように、酸化ケイ素−空気界面での内面反射の臨界角βはわずか約１５．３°である。その結果、シリコンの本体１４中の接合１２で生成された光の約１．８％しか本体の表面１６から出て行かない。その光の大部分は表面１６と実質的に平行な方向に表面から出て行き、したがって、離間した光ファイバ１９の入力部１８にその光を結合させるのは困難である。
【００２５】
図２を参照すると、発光デバイス２０の形態の本発明によるオプトエレクトロニック・デバイスは、Ｓｉ、Ｇｅ、およびＳｉＧｅなどの間接遷移材料の表面１６および領域１４を有する本体と、その表面の一方の側の発光源１２と、表面１６の反対側に隣接する放出光誘導機構２２とを含む。放出光誘導機構は、通路２４に沿って、表面から離れる光を集束するように働き、その結果、光を光ファイバ１９の入力部１８により効率的に結合することができる。
【００２６】
本明細書に示される実施形態では、領域１４上の不活性化層は必ずしも示されない。不活性化層を設けることができ、その場合、前述の表面は領域１４から隔たった層の表面となることが当業者なら理解されよう。
【００２７】
放出光誘導機構は、以下でより詳細に説明されるように、表面の前述の反対側に一体化して形成される。機構２２は、交互の光反射材料の層２８．１から２８．４および絶縁材料の層３０．１から３０．４の構造体２６を含む。光反射材料は、アルミニウム、銅、金、およびポリシリコンからなる群から選択することができる。絶縁材料は酸化物とすることができる。
【００２８】
構造体２６は、表面１６上の光送出区域３４を囲む実質的にカップ形状の側壁３２を含む。壁３２は、区域３４を通って表面に垂直に延びる主軸３６を有する通路２４を画定する。通路２４はこの区域と光連通関係にある。
【００２９】
側壁３２上の反射点Ｒにおける角度間の関係は、
【数１】
0005550558.tif 000002
であり、点Ｒにおける構造体の接線は、
【数２】
0005550558.tif 000003
によって与えられることが図３から導出される。前述の式を使用して、壁３２上の点における構造体２６の物理的形状を計算することができる。
【００３０】
標準ＣＭＯＳ技術では、金属導体層（通常、アルミニウム）を使用して構造体湾曲を近似することができる。４つの金属層２８．１から２８．４がある場合、反射器構造は図４に示されるようになるはずである。ＣＭＯＳ技術では、表面１６の上の金属層２８．１から２８．４の平均高さｙ１、ｙ２、ｙ３、およびｙ４は処理順序によって定められる。放出角θの値ごとに（図３を参照）、横方向寸法ｘｎの対応する値を、所与のｙｎに対して計算することができる。最上部金属層２８．４により、用途に応じて反射されるべき最大放出角が決定され、ｘｎ（図４の例ではｎ＝４）のこの値から、他の横方向寸法ｘ１からｘ３を決定することができる。
【００３１】
図５を参照すると、反射面積を増加させ、かつ金属層２８．１から２８．４の間の酸化物界面３０．１から３０．４に光が入らないようにするために、隣接する金属層間の接続に通常通り役立つ相互接続バイア４０が使用される。図５に示された構造体２６では、すべてのレイアウト規則に従い、すなわち、金属層２８．１から２８．４はバイア４０を完全に覆い、充填する。図５では、追加層、すなわちポリシリコン層４２が反射層として使用される。金属層２８．１は、金属製接触部５４を介してポリシリコン層４２に接触する。
【００３２】
改善された集束作用を得るために、通路２４に隣接する金属層２８．１から２８．４の縁部、および分離層３０．１から３０．４の隣接する縁部を被覆するためにバイアを充填する金属４０の縁部に傾斜を与えることができる。
【００３３】
反射表面の非垂直傾斜を達成するために、ＣＭＯＳレイアウト規則を破ることができる。破る規則はバイア形成および金属堆積後の金属エッチングのマスク輪郭である。図６（ａ）を参照すると、これは、金属マスク５０がバイア輪郭４０を完全に覆うのではなく、バイアの領域内で通路から離してバイアを単に部分的に覆うことによって行うことができる。これは、特有の部分的に覆われたバイアによって、電気的機能ではなく機械的／光学的機能だけが行われることになるので行うことができる。
【００３４】
図６（ｂ）を参照すると、金属のエッチングの後、残っている金属は垂直または軸３６に対して角度εの非垂直傾斜５２を有することになり、したがって、垂直の方に光を照射する反射を引き起こすことになる。図６（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明および図示した手順は、すべての金属層２８．１から２８．４、ならびに金属製接触部５４からポリシリコン層まで使用することができることが理解されよう。角度εは、表面１６から離れる方向において減少させることができる。
【００３５】
図７に、上文で説明した手順に由来する構造体２２が示される。この場合、利用可能な光信号の多くは実質的に垂直の方に誘導されるが、恐らく細いビームではないことが予想される。
【００３６】
金属縁部の比較的急峻な傾斜５２のため、出口角が小さい場合、この構造体はより良好な性能を与えることができることが理解されよう。
【００３７】
図８に、構造体２２の別の実施形態が示される。この構造体は、実質的に放物線Ｐの形態のプロファイルをもつ通路２４を画定し、光源１２は焦点にある。直交座標系の原点（０，０）に焦点を設定すると、放物線の
ｙ＝ａｘ２−１／４ａ
が与えられる。
【００３８】
いくつかの標準半導体処理技術では、金属高さおよびバイア高さが一定であること、ならびに側壁３２を形成する層の傾斜が一定角度であることが要求され、そのため、唯一の設計自由度として軸３６から層の内側縁部までの水平距離ｘが残される。
【００３９】
図８は、ポリシリコン層４２、接触部５４、金属層２８．１から２８．４、およびバイア相互接続層４０の傾斜した内側縁部を放物線Ｐに位置合せすることができ、その結果、それらは、放物線の焦点にある光源１２からの光線を、焦点を通る放物線の対称軸３６と平行に上に向かって垂直に反射する。
【００４０】
放物線変数ａと、放物線の対称軸３６からの距離ｘｐ、ｘｃ、ｘｍ１、ｘｖ１、ｘｍ２、ｘｖ２、ｘｍ３、ｘｖ３、およびｘｍ４とを変更すると、内側縁部の一定角度と放物線上の対応する場所における放物線の接線との間の差が最小になるような最適距離を見いだすことが可能になる。
【００４１】
上述の手順は、各金属縁部がそれの真下の層よりも放物線の対称軸３６から常に遠くになるようにしながら（すなわち、ｘｐ＜ｘｃ＜ｘｍ１＜ｘｖ１＜ｘｍ２＜ｘｖ２＜ｘｍ３＜ｘｖ３＜ｘｍ４）遂行可能である。
【００４２】
金属縁部が急峻であるほど、放物線変数ａは大きく、放物線および結果として生じる出射光ビームは狭くなる。
【００４３】
他の実施形態では、傾斜が増大している、言い換えれば角度ε（図６（ｂ）を参照）が減少している層の内側縁部を提供することを可能にすることができ、その結果、縁部の角度は放物線上の対応する場所における放物線の接線に近づく。そのような場合、層の縁部は関連する点における放物線の接線と実質的に一致するように形成することができる。
【００４４】
通路２４は、半透明の物質、好ましくは透明な物質、例えば二酸化ケイ素などで充填することができる。
【００４５】
図９は、光ファイバ６４から放出される光を収集する従来技術または従来の光検出器６０を示す。比較的大きいｐｎ接合域６２が、大部分の光信号を収集するのに必要である。本明細書の冒頭部で述べたように、半導体ｐｎ接合ダイオードの光検出器が動作する速度は固有の接合容量と相関関係にあることが知られている。検出用ｐｎ接合６２のサイズを低減することによって、固有のｐｎ接合容量を低減することができ、検出用ダイオード・デバイスは、より高いスイッチング周波数で動作することができる。しかし、同時に、検出器の感知面積も低減し、その結果、検出される光信号がより小さくなり、それは満足のいくものではない。
【００４６】
図１０を参照すると、光を照射するための集光器６６の形態の上文で説明したような光誘導機構が光検出器７０に設けられる。集光器６６を使用することによって、光感知面積６８は依然としてかなり大きくすることができるが、検出器ｐｎ接合６２は小さくすることができる。これは、実質的に同じ量の光エネルギーをより大きい動作周波数で検出できることを意味する。より詳細には、集積化されたＣＭＯＳ技術集光器６６は、実質的に同じ光信号パワーを非常に小さいｐｎ接合ダイオード検波器６２上に集中させ、それにより、より小さい検出器容量のためより高い周波数の動作がもたらされる。
【図１】
0005550558.tif 000004
【図２】
0005550558.tif 000005
【図３】
0005550558.tif 000006
【図４】
0005550558.tif 000007
【図５】
0005550558.tif 000008
【図６】
0005550558.tif 000009
【図７】
0005550558.tif 000010
【図８】
0005550558.tif 000011
【図９】
0005550558.tif 000012
【図１０】
0005550558.tif 000013