光吸收结构及具有其的光感测器件的制作方法

1.本公开的示例实施方式涉及光吸收结构和具有其的光感测器件。


背景技术：

2.用于诸如近红外(nir)波长光的长波长光的感测器件已经广泛应用于相机(例如，用于防御和安保)、用于飞机和卫星的相机(例如，用于监测森林/气候)和传感器(例如，用于成像医学)，并已经新应用于移动设备的面部识别模块和自动驾驶运载工具的传感器。
3.然而，用于光感测器件的一般半导体材料(例如，硅)可能对长波长带(诸如近红外波长)中的光具有低吸收率。因此，为了补偿低吸收率，可以增加器件的厚度以获得足够的吸收率，和/或可能需要添加其他材料(和/或附加材料)。然而，这样的添加可能难以由一般的半导体处理操作实现(和/或可能与一般的半导体处理操作不兼容)。


技术实现要素：

4.本公开的一些示例实施方式提供一种光吸收结构，其对长波长光(例如，近红外(nir)线和/或短波长红外(swir)线)具有高光吸收率。
5.本公开的一些示例实施方式提供一种具有光吸收结构的光感测器件，该光吸收结构对长波长光具有高光吸收率。
6.根据本公开的一示例实施方式，一种基于谐振器的光吸收结构包括：第一半导体层，配置为谐振器的光学腔；分布式布拉格反射器层，包括在第一半导体层的第一表面上的多个孔，在剖视图中，所述多个孔中的每个具有根据宽度变化周期从第一宽度逐渐变化到第二宽度然后从第二宽度逐渐变化到第一宽度的宽度；以及在第一半导体层的第二表面上的反射层，第一半导体层的第二表面与第一半导体层的第一表面相反。
7.根据本公开的一示例实施方式，一种光感测器件包括：半导体层，包括分布式布拉格反射器和光电转换单元，分布式布拉格反射器包括半导体层的第一表面，光电转换单元包括半导体层的第二表面，并且分布式布拉格反射器具有多个孔，在剖视图中，所述多个孔中的每个具有根据宽度变化周期从第一宽度逐渐变化到第二宽度然后从第二宽度逐渐变化到第一宽度的宽度；在半导体层的一个区域中的第一电极；以及第二电极，在半导体层的第二表面上并具有反射金属。
8.根据本公开的一示例实施方式，一种光感测器件包括：半导体层，包括分布式布拉格反射器和光电转换单元，分布式布拉格反射器包括半导体层的第一表面，光电转换单元包括半导体层的第二表面，并且分布式布拉格反射器具有多个孔，在剖视图中，所述多个孔中的每个具有根据宽度变化周期从第一宽度逐渐变化到第二宽度然后从第二宽度逐渐变化到第一宽度的宽度；在半导体层的一个区域中的第一电极；第二电极，在半导体层的第二表面上并具有反射金属；以及包括逻辑电路的逻辑基板，逻辑基板在半导体层的第二表面上并电连接到第一电极和第二电极，逻辑电路配置为处理光电转换单元输出的信号。
9.根据本公开的一示例实施方式，一种基于谐振器的光吸收结构包括：半导体层，配
置为谐振器的光学腔；在半导体层的第一表面上的包括多个柱的分布式布拉格反射器结构，所述多个柱包括半导体材料，在剖视图中，所述多个柱中的每个具有根据宽度变化周期从第一宽度逐渐变化到第二宽度然后从第二宽度逐渐变化到第一宽度的宽度；以及在半导体层的第二表面上的反射层，半导体层的第二表面与半导体层的第一表面相反。
附图说明
10.本公开的以上及其他方面、特征和优点将从以下结合附图的详细描述被更清楚地理解，附图中：
11.图1是示出根据本公开的一些示例实施方式的基于谐振器的光吸收结构的剖视图；
12.图2是示出图1所示的基于谐振器的光吸收结构的平面图；
13.图3是示出图1中包括的分布式布拉格反射器层的一部分的透视图；
14.图4a是示出图3所示的分布式布拉格反射器层的孔结构的剖视图；
15.图4b是示出图4a中包括的孔结构的有效折射率分布的图；
16.图5a和图5b是示出取决于孔的半径的反射特性变化的曲线图；
17.图6a和图6b是示出取决于垂直方向上的周期的反射特性变化的曲线图；
18.图7a和图7b是示出取决于垂直方向上的宽度变化周期的重复次数的反射特性变化的曲线图；
19.图8a至图8c是示出取决于垂直方向上的宽度变化周期的重复次数的吸收性能变化的曲线图；
20.图9a至图9c是示出形成基于孔的分布式布拉格反射器层的方法的工艺的主要剖视图；
21.图10a和图10b是示出对于te偏振光和tm偏振光的取决于吸收光谱的入射角的反射特性变化的曲线图；
22.图11和图12是示出适用于光吸收结构的分布式布拉格反射器层的各种示例的平面图；
23.图13和图14是示出根据本公开的一些示例实施方式的光吸收结构的剖视图；
24.图15和图16是示出根据本公开的一些示例实施方式的光感测器件的剖视图；以及
25.图17至图19是示出根据本公开的一些示例实施方式的光感测器件的剖视图。
具体实施方式
26.在下文中，将如下参照附图描述本公开的一些示例实施方式。
27.尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等在此可以用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以另外称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离本公开的范围。
28.为了描述的容易，空间关系术语，诸如“下部”、“上部”等，可以在此用于描述如图中所示的一个元件或特征的与另外的(多个)元件或(多个)特征的关系。将理解，除图中描绘的取向之外，空间关系术语还旨在涵盖器件在使用或在操作中的不同取向。例如，器件可
以被另外取向(旋转90度或处于另外的取向)，且此处使用的空间关系描述语被相应地解释。
29.图1是示出根据一些示例实施方式的基于谐振器的光吸收结构的剖视图。图2是示出图1所示的基于谐振器的光吸收结构的平面图。图3是示出图1中包括的分布式布拉格反射器层的一部分的透视图。图4a是示出图3所示的分布式布拉格反射器层的孔结构的剖视图。图4b是示出图4a中包括的孔结构的有效折射率分布的图。
30.参照图1和图2，根据一些示例实施方式的光吸收结构100可以具有：腔层50(也称为“第一半导体层”)，具有设置为彼此相反的第一表面50a和第二表面50b；设置在腔层50的第一表面50a上的分布式布拉格反射器层20(也称为“第二半导体层”)；以及设置在腔层50的第二表面50b上的反射层80。
31.腔层50和分布式布拉格反射器层20中的每个可以由半导体形成，并且可以分别被配置为单个半导体层sl的上部区域和下部区域。半导体层sl可以包括由分布式布拉格反射器层20提供的第一表面sl_1以及由腔层50提供的第二表面sl_2。半导体层sl可以被配置为使得光l入射到第一表面sl_1并且可以穿过分布式布拉格反射器层20入射到腔层50中。
32.在一些示例实施方式中，分布式布拉格反射器层20可以具有多个孔h，每个孔h具有在半导体层sl的厚度方向上以预定(和/或以其他方式确定的)周期p变化的宽度。如图3和图4a所示，多个孔h可以具有以周期p从第一宽度d1逐渐变化到第二宽度d2然后从第二宽度d2逐渐变化到第一宽度d1的宽度。
33.对于半导体层sl的与第一表面sl_1相邻的具有相对高折射率(例如，si折射率：约3.5)的区域，可以通过填充有低折射率介质诸如空气(折射率：1)的孔h来(例如，在厚度方向(例如，z方向)上)改变有效折射率。
34.例如，参照图4b，在半导体层sl的与第一表面sl_1相邻的区域中，具有第一宽度d1的区域可以具有第一有效折射率ne1，而具有第二宽度d2的区域(例如，其中第二宽度d2大于第一宽度d1)可以具有第二有效折射率ne2(例如，其中第二有效折射率ne2小于第一有效折射率ne1，因为低折射率介质的影响相对大)。
35.在一些示例实施方式中，由于从第一宽度d1到第二宽度d2的变化是渐进的，因此有效折射率在厚度方向(例如，z方向)上的变化可以由在第一有效折射率ne1和第二有效折射率ne2之间(例如，以周期p)的曲线变化表示。由于有效折射率的变化，半导体层sl的与第一表面sl_1相邻的区域可以提供为分布式布拉格反射器层20，其中第一层20a(其可以是高折射率区域)和第二层20b(其可以是低折射率区域)交替堆叠。
36.此外，如图2所示，孔h可以以排列周期a在水平方向(例如，x方向和/或y方向)上排列。水平方向上的排列周期a也可以是用于与上述结构参数一起确定有效折射率和反射率的主要参数。
37.在下文中，将参照图5a至图7b更详细地描述在一些示例实施方式中使用上述参数来调整分布式布拉格反射器层20的反射特性的方法。
38.随着两个重复层之间的折射率差增加，一般分布式布拉格反射器(dbr)结构可以具有更宽的光子带隙，因此，反射波长带可能扩展。术语“光子带隙”是指由于不存在在光子晶体和/或dbr结构中执行的传播模式而可能不被传输的频带。类似地，在分布式布拉格反射器层20中，可以使用第一宽度d1和第二宽度d2来调整反射波长带。
39.图5a和图5b是示出根据分布式布拉格反射器层20的宽度变化的反射率的计算模拟结果的曲线图。图5a示出了在d1＝50nm、d2＝200nm的条件(示例1a)下的结果，图5b示出了在d1＝50nm、d2＝160nm的条件(示例1b)下的结果。
40.参照图5a和图5b，与示例1b的结果相比，示例1a的结果示出了反射波长带增加的趋势。这样，当分布式布拉格反射器层20中其他条件(例如，水平周期、垂直周期和重复次数)恒定时，通过增加第一宽度d1和第二宽度d2之间的差，有效折射率的差可以增加，并且反射波长带也可以变宽。
41.此外，参照图5a和图5b，波长带的宽度的变化以及中心波长的变化可以偏移。例如，与示例1a中的中心波长相比，示例1b中的中心波长表现出波长增加到更长波长的红移现象。
42.在一般dbr结构中，每个层的厚度可以由期望的有效折射率和目标反射波长(例如，光子带隙的位置)确定。该厚度可能具有这样的效果，其中有效介质层(参见图4b中的20a和20b)的宽度变化周期(例如，厚度)可以在分布式布拉格反射器层20中在厚度方向(例如，z方向)上改变宽度变化周期p；因此，可以调整光子带隙的中心位置。在示例实施方式中，术语“宽度变化周期”也被称为“厚度方向(或垂直方向)上的周期”。
43.图6a和图6b是示出根据分布式布拉格反射器层20在垂直方向上的周期的反射率计算模拟结果的曲线图。图6a是在p＝160nm的条件(示例2a)下的结果，图6b是在p＝180nm的条件(示例2b)下的结果。当其他条件(例如，宽度比和重复次数)恒定时，随着垂直方向上的周期p变长，中心波长向更长波长移动，并且波长带趋于变宽。
44.图7a和图7b是示出根据分布式布拉格反射器层20在垂直方向上的周期的重复次数n的反射率计算模拟结果的曲线图。
45.参照图7a，当周期重复两次时，在特定波长带中没有明显显示高反射率特性，但是当周期重复20次时，实现了在特定波长带中具有高反射性的dbr结构。
46.参照图7b，示出了根据重复次数n的940nm波长的反射率，随着重复次数n增加，940nm波长的反射率逐渐增加，并且当重复次数大于10次时，显示出类似于dbr的反射特性的几乎全部反射率(例如，99％或更大)。
47.因此，随着重复次数n增加，dbr的反射率增加，并且随着dbr的光子带隙尺寸增加，即使利用相对少的重复次数n也可以获得足够的反射率。
48.图1所示的基于谐振器的光吸收结构100可以将与半导体层sl的入射表面sl_1相邻的区域(其是具有高折射率的介质)实现为基于孔的dbr层20，并且通过将具有镜面结构的反射层80引入到半导体层sl的相反表面sl_2，可以获得谐振器结构。谐振频率(和/或目标波长λ)可以取决于腔层50的厚度t而变化，并且腔层50的厚度t可以被设计为使得谐振频率设置在dbr层20的光子带隙的中心。例如，dbr层20的光子带隙的中心可以是通过dbr层20输入到腔层50的光的波长(dbr层的反射率为大约1)，并且可以确定腔层50的厚度t使得该波长可以变成谐振频率。
49.在根据一些示例实施方式的光吸收结构100中，由于入射到dbr层的光l不透射到设置在第二表面上的反射层(这可以近似为单端口谐振器结构)，所以可以通过应用时域耦合模理论来分析光吸收结构100。在这些情况下，光吸收结构100的吸收率“a”可以由如下包括谐振器参数的等式表示：
[0050][0051]
在等式中，ω是角频率，ω0是谐振角频率，γa和γr分别是谐振器的固有损耗率和辐射损耗率。
[0052]
根据以上等式，当具有与谐振器的谐振频率对应的频率(例如，目标波长)的光入射并且满足条件γa＝γr时，可以发生全部入射光被吸收的完全吸收，也可以称为临界耦合。固有损耗率小于辐射损耗率(γa《γr)的情况称为“欠耦合”，固有损耗率大于辐射损耗率(γa》γr)的情况称为“过耦合”，在这些情况下，完全吸收是不可能的，取决于两个要素之间的比率，仅部分吸收是可能的。
[0053]
例如，对于硅，与固有损耗因子相关的虚介电常数(κ)为非常低的0.001级，对(例如，在近红外波段的)光的吸收率也可能非常低。然而，当使用上述“临界耦合”原理时，即使在近红外波段，使用硅的全部或几乎全部吸收也是可能的。
[0054]
在基于谐振器的光吸收结构100中，可以通过调整dbr层的重复次数n来获得临界耦合条件，使得即使在长波长带(诸如近红外波段)的目标波长λ中，也可以获得使用诸如硅的半导体的全部或几乎全部吸收。
[0055]
图8a至图8c是示出取决于垂直方向上的宽度变化周期的重复次数的吸收性能变化的曲线图。在该计算模拟中，介电常数(κ)设置为0.001。
[0056]
图8a示出了具有dbr层20的光吸收结构100的根据波长的吸收率，其中垂直方向上的周期的重复次数n为8。发生具有相对大的辐射损耗的欠耦合，使得在940nm的波长处显示低吸收率(约0.5)。类似地，图8c示出了具有dbr层20的光吸收结构100的根据波长的吸收率，其中垂直方向上的周期的重复次数n为16。发生具有相对大的固有损耗率的过耦合，使得在940nm的波长处显示低吸收率(约0.45)。
[0057]
相比之下，图8b示出了具有dbr层20的光吸收结构100的根据波长的吸收率，其中垂直方向上的周期的重复次数n为12。发生其中固有损耗率几乎等于辐射损耗率的临界耦合，使得在940nm的波长处显示几乎完全吸收(约1.0)。
[0058]
这样，可以通过将与垂直方向上的单个周期p对应的单元的数量(例如，重复次数n)调整到位于适当的范围内来形成其中发生临界耦合的dbr层20，并且具有这种dbr层20的基于谐振器的光吸收结构100对于目标波长可以具有全部或几乎全部吸收率(99％或更大)。
[0059]
随着半导体层50(其为介质)的消光系数增加，临界耦合的反射率趋于降低。因此，重复次数n也可以减少。
[0060]
如上所述，对于dbr层20，为了实现用于目标波长的高吸收率(例如，99％或更大)的谐振器，第一宽度d1和第二宽度d2、垂直方向上的周期p、水平方向上的排列周期a、以及垂直方向上的周期的重复次数n可以被适当地设计。在一些示例实施方式中，dbr层20可以被设计为具有用于吸收近红外(nir)波长带中的光(诸如例如700nm-1000nm波段中的光)的结构。
[0061]
这样的设计要素可以取决于目标波长λ和形成半导体层50的材料的复折射率而变化。例如，当设计在940nm的波长用于光吸收结构100的dbr层20时(假设复折射率(3.48 0.001i)，例如，类似于硅)，第一宽度d1可以在20nm-800nm的范围内，第二宽度d2可以在
100nm-1000nm的范围内，并且垂直方向上的宽度变化周期p可以在50nm-600nm的范围内。在一些示例实施方式中，第一宽度d1可以在20nm-200nm的范围内，第二宽度d2可以在160nm-300nm的范围内，并且垂直方向上的周期p可以在100nm-300nm的范围内。此外，宽度变化周期p可以重复2至30次，并且在示例实施方式中，宽度变化周期p可以重复5至20次。
[0062]
如上所述，用于谐振条件的腔层50的厚度t可以与谐振器的目标波长λ成比例地增加，并且可以随着谐振器的材料(半导体层50)的折射率增加而减小。在上述针对940nm的波长的光吸收结构100的dbr层20的设计条件下，腔层50的厚度t可以在100nm-500nm的范围内，在示例实施方式中，腔层50的厚度t可以在140nm-200nm的范围内。
[0063]
例如，当设计dbr层20使得垂直方向上的宽度变化周期p重复12次以引发临界耦合时，除了反射层80之外，谐振器结构的厚度，即半导体层sl的厚度，可以在2000nm至2400nm的范围内(例如，2089nm)。这样，基于谐振器的光吸收结构100可以以超薄形状实现。
[0064]
dbr层20的有效折射率可以通过调整第一宽度d1和第二宽度d2、垂直方向上的周期p、水平方向上的排列周期a以及垂直方向上的周期的重复次数n的结构参数而确定，并且光子带隙的中心位置(目标波长λ)可以通过考虑到有效折射率的平均值和物理距离的光路长度来确定。
[0065]
在一些示例实施方式中，水平方向上的排列周期a可以小于目标波长λ。在这些条件下入射的光可以不在自由空间中发生衍射。例如，dbr层20中水平方向上的排列周期a可以在100nm-700nm的范围内，在示例实施方式中，水平方向上的排列周期a可以在150nm-400nm的范围内。
[0066]
半导体层的材料和参数的上述条件已经作为吸收近红外光的吸收结构的条件被举例说明，并且也可以修改为针对其他波段的长波长的光吸收结构。在一些示例实施方式中，基于谐振器的光吸收结构可以设计为针对短波红外光(诸如例如在1000nm-3000nm波段的光)的结构。在这些情况下，作为用于光吸收结构的半导体层，可以使用相对于相应波长具有相对大的消光系数的材料。例如，半导体层可以包括锗(ge)、硅锗(sige)、镓砷化物(gaas)和/或铟镓砷化物(ingaas)中的至少一种。此外，dbr层可以相对于目标波长具有高反射率，并且为了在谐振器结构中发生临界耦合，可以适当地改变参数条件。
[0067]
腔层50可以是半导体层sl的一部分，并且可以被提供为吸收光的区域。腔层50可以例如是用于基于谐振器的光吸收结构100的光学腔和/或用作用于基于谐振器的光吸收结构100的光学腔。
[0068]
如图1所示，腔层50可以具有光电转换区pd。光电转换区pd可以接收从dbr层入射的光(例如，近红外线)，并且可以基于接收到的光产生光电荷。光电转换区pd可以是包括p型杂质区、n型杂质区和/或本征区(例如，低浓度n型杂质区)中的至少一种的光电二极管。在一些示例实施方式中，光电转换区pd可以包括光电晶体管、光门、钉扎光电二极管等，而不是光电二极管。
[0069]
在示例实施方式中，由于腔层50被实现为半导体层，因此可以容易地形成光电转换区pd(诸如光电二极管)。此外，如上所述，目标波长的光(诸如近红外光)可以在光电转换区pd中被腔层50全部吸收，并且该元件可以提供为优良的光感测器件(参见图15至图19)。
[0070]
图9a至图9c是示出形成基于孔的分布式布拉格反射器层的方法的工艺的主要剖视图。图9a至图9c所示的工艺是在用于形成分布式布拉格反射器层的方法中使用的博世工
艺(bosch process)的示例。
[0071]
参照图9a，可以利用掩模图案ms使用蚀刻工艺在半导体层20中形成第一凹陷pa1。多个开口可以在掩模图案ms中排列为对应于多个孔的排列(参见图2)。蚀刻工艺可以是例如各向同性蚀刻工艺，其中可以使用sf
x
(例如sf6)气体，并且可以使用气体的自由基作为反应成分来蚀刻半导体层20；从而在蚀刻区中形成第一凹陷pa1。例如，可以根据蚀刻时间调整侧蚀刻的程度。第一凹陷pa1的最大宽度可以是第二宽度d2。
[0072]
参照图9b，可以在短时间执行蚀刻工艺之后形成绝缘保护膜pl。在形成绝缘保护膜的工艺中，通过在等离子体中分解诸如cf
x
(例如，c4f8)气体的气体，可以在蚀刻区的侧表面和底表面上形成绝缘保护膜pl(例如，包括cf聚合物)。
[0073]
此后，参照图9c，可以使用诸如sf
x
(例如sf6)气体的蚀刻气体去除绝缘保护膜pl的设置在底表面上的部分。暴露的半导体层20可以被各向同性地蚀刻，从而形成第二凹陷pa2。第二凹陷pa2的最大宽度可以是第二宽度d2。可以在向半导体层20施加高偏压的同时执行去除保护膜的工艺。通过该工艺，可以在相邻的第一凹陷pa1和第二凹陷pa2之间设置突出的第一凸出部分pb1。第一凸出部分pb1的最短宽度可以定义为第一宽度d1。
[0074]
通过重复图9a至图9c中的循环，如图1所示，可以形成具有周期性变化的宽度的孔h，因此，可以在与半导体层sl的入射表面相邻的区域中形成期望的分布式布拉格反射器层20。
[0075]
图10a和图10b是示出对于te偏振光和tm偏振光的取决于吸收光谱的入射角的反射特性变化的曲线图。
[0076]
参照图10a和图10b，图1和图2所示的基于谐振器的光吸收结构100可以通过将入射角改为10
°
、20
°
和30
°
而在te模式下改变0.98％，并且可以在tm模式下改变0.86％。这样，对于基于谐振器的光吸收结构100，针对入射角的吸收率变化可以相对不敏感。
[0077]
与以上示例不同地，已知相对于30
°
的入射角，一般光子晶体和基于石墨烯的完全吸收体可以在te模式下改变1.05％(＝δf/f0
×
100)，并且可以在tm模式下改变9.76％(其可以相对大)。这样，在一般吸收体中，当谐振频率随着入射角的变化而变化时，具有高吸收率的波长带可能改变，但是在一些示例实施方式中的基于谐振器的光吸收结构100中，根据入射角的波长变化可以不敏感。
[0078]
这是因为(不限于特定理论)根据示例实施方式的基于谐振器的光吸收结构100可以基于由相对高折射率材料(例如，硅)形成的法布里-珀罗谐振器(或者类法布里-珀罗谐振)。
[0079]
图11和图12是示出适用于光吸收结构的分布式布拉格反射器层的各种示例的平面图。
[0080]
参照图11，根据一些示例实施方式的光吸收结构100a可以具有与图1和图2所示的光吸收结构100相似的结构，除了孔的平面形状可以类似于多边形(例如，矩形)形状的构造之外。此外，示例实施方式中的部件可以从图1和图2所示的光吸收结构100的相同和/或相似部件的描述中理解，除非另有说明。
[0081]
在示例实施方式的dbr层20a中，具有大致矩形平面形状的多个孔ha在水平方向(例如，x方向和y方向)上排列。此外，x方向上的排列周期a1可以与y方向上的排列周期a2不同。例如，x方向上的排列周期a1可以小于y方向上的排列周期a2。多个孔ha中的每个可以在
具有窄宽度的区域中具有第一短宽度d1a和第一长宽度d1b，并且可以在具有宽宽度的区域中具有大于第一短宽度d1a的第二短宽度d2a以及大于第一长宽度d1b的第二长宽度d2b。
[0082]
根据一些示例实施方式的光吸收结构100a可能由于孔ha的形状而具有偏振依赖性。例如，在x方向入射的光和在y方向入射的光可以具有不同的吸收率。此外，孔ha的形状可以由图9a所示的掩模图案ms的开口的平面形状限定。
[0083]
参照图12，根据示例实施方式的光吸收结构100b可以具有与图1和图2所示的光吸收结构100(和/或图11所示的光吸收结构100a)相似的结构，除了多个孔hb可以六角地且密集地排列的构造之外。多个孔hb的排列也可以称为六角密堆积(hcp)。此外，示例实施方式中的部件可以从图1和图2所示的光吸收结构100的相同或相似部件的描述中理解，除非另有说明。
[0084]
示例实施方式中的dbr层20b可以具有多个孔hb，该多个孔hb具有与图1和图2所示的示例实施方式相似的圆形剖面形状，但是孔可以六角地且密集地排列，使得孔可以密集地排列并且相邻孔之间的距离可以相同(a1'＝a2')。孔hb的排列可以由图9a所示的掩模图案ms的开口的排列来限定。
[0085]
图13是示出根据一些示例实施方式的光吸收结构的剖视图。
[0086]
参照图13，根据一些示例实施方式的光吸收结构100c可以具有与图1和图2所示的光吸收结构100相似的结构，除了dbr层20c可以实现为多个柱pst而不是多个孔h的构造之外。此外，示例实施方式中的部件可以从图1和图2所示的光吸收结构100的相同或相似部件的描述中理解，除非另有说明。
[0087]
分布式布拉格反射器层20c可以在腔层50的上表面上具有多个柱pst，该多个柱pst具有在腔层50的厚度方向(例如，z方向)上以宽度变化周期变化的宽度。与上述示例实施方式中的孔类似，多个柱pst可以具有以宽度变化周期从第一宽度da逐渐变化到第二宽度db然后从第二宽度db逐渐变化到第一宽度da的宽度。多个柱pst可以具有与腔层50集成的结构。例如，多个柱pst可以是通过图案化与半导体层sl的入射表面相邻的区域(例如，上部区域)而获得的结构。
[0088]
多个柱pst可以由具有相对高折射率的半导体材料形成，并且由于多个柱pst周围的空的空间填充有低折射率介质(例如，空气)，因此有效折射率可以通过多个柱pst在厚度方向(例如，z方向)上改变。例如，具有第一宽度da的区域可以具有第一有效折射率，但是具有大于第一宽度da的第二宽度db的区域可以由于低折射率介质的减小的影响而具有大于第一有效折射率的第二有效折射率。利用有效折射率的变化，设置在腔层50的上表面上的多个柱pst可以被提供为分布式布拉格反射器层20c。
[0089]
根据以上示例实施方式的基于谐振器的光吸收结构100、100a、100b和100c可以包括在腔层50中实现的光电转换器件。
[0090]
在一些示例实施方式中，由于腔层50包括半导体，因此可以容易地形成诸如光电二极管的光电转换器件。此外，光吸收结构100、100a、100b和100c的dbr层20、20a、20b和20c可以不形成为绝缘层，并且可以通过图案化上部区域(与入射面相邻的区域)而与腔层50一起形成为三维结构(孔或柱)。这样，由于dbr层20、20a、20b和20c(其是提供在腔层50的一个表面上的反射结构)也提供为半导体层sl的一部分，因此可以容易地执行与要形成在腔层20上的光电转换器件的电连接(参见图15和图16)。在下文中，在一些示例实施方式中，腔层
50中实现的光电转换器件也被称为“光电转换层”或“光电转换单元”。
[0091]
图14是示出根据一示例实施方式的光吸收结构的剖视图。
[0092]
参照图14，根据一些示例实施方式的光吸收结构100d可以具有与图1和图2所示的光吸收结构100相似的结构，除了腔层可以被图案化的构造之外。此外，示例实施方式中的部件可以从图1和图2所示的光吸收结构100的相同或相似部件的描述中理解，除非另有说明。
[0093]
示例实施方式中的腔层50可以具有分别布置在与dbr层20的孔h1对应的位置的孔图案h2。腔层50的孔图案h2可以具有比孔h1的宽度(其是第二宽度d2)小的宽度。孔图案h2可以在形成孔h1的工艺中一起形成，而不对谐振作用产生不利影响。
[0094]
形成在腔层50中的图案不限于所示的孔图案，并且可以具有其他各种类型的图案。例如，腔层50的图案可以具有部分穿透的结构而不是全部穿透的结构，和/或可以形成为与dbr层20的孔h1的排列不同的排列。
[0095]
图15和图16是示出根据一些示例实施方式的光感测器件的剖视图。
[0096]
参照图15，光感测器件200可以包括其中实现分布式布拉格反射器层20'和光电转换层50的半导体层sl'、设置在半导体层sl'的上表面上的第一电极60、以及设置在半导体层sl'的下表面上的第二电极80。
[0097]
示例实施方式中的半导体层sl'可以包括其中排列有多个孔h的感测区i和设置在感测区i周围的外围区ii。光电转换层50可以具有在垂直方向上重叠至少感测区i的区域。
[0098]
分布式布拉格反射器层20'可以设置在半导体层sl'的与提供为光入射表面的上表面相邻的区域中，并且光电转换层50可以设置在半导体层sl'的与下表面相邻的区域中。如上所述，分布式布拉格反射器层20'和光电转换层50可以在光入射的方向上依次排列。光电转换层50可以对应于根据前述示例实施方式的光吸收结构100的腔层50，并且可以在其中实现光电转换器件。
[0099]
光电转换层50可以包括第一导电类型杂质区s1、第二导电类型杂质区s2和设置在它们之间的本征区s0。本征区s0可以提供为光接收区并且可以是未掺杂区或以低浓度掺杂的区域。
[0100]
如图15所示，第二电极80可以在半导体层sl'的下表面上连接到第二导电类型杂质区s2。第一导电类型杂质区s1可以贯穿光电转换层50的部分区域和dbr层20'形成，并且第一电极60可以设置在dbr层20'的外围区ii中并且可以连接到第一导电类型杂质区s1。换言之，dbr层20'可以具有与光电转换层50的第一导电类型杂质区s1相同的杂质区，并且第一电极60可以设置在半导体层sl'的上表面上。
[0101]
如上所述，第一电极60和第二电极80可以分别设置在半导体层sl'的上表面和下表面上，并且可以电连接到光电转换层50。
[0102]
第二电极80可以被提供为包括金属反射材料的反射层。第二电极80和dbr层20'(它们是反射层)可以与光电转换层50(其为腔)一起形成谐振器结构。如上所述，通过经由调整与dbr层20相关的参数(例如，第一宽度和第二宽度、宽度变化周期和重复次数)来满足匹配条件，谐振器结构可以具有目标波长(例如，近红外波长)的全部和/或接近全部吸收率或者类似于完全吸收率的高吸收率。
[0103]
目标波长的吸收光可以在光电转换层50的本征区s0中被接收并且可以产生光电
荷，并且产生的光电荷可以通过第一电极和第二电极传输到信号处理单元150。
[0104]
信号处理单元150可以基于传输的光电荷产生与接收的光对应的电信号。在示例实施方式中，当光感测器件200用作图像传感器时，信号处理单元150可以包括行驱动器、相关双采样器(cds)、模数转换器(adc)和/或定时控制器中的至少一个。信号处理单元150的部件的至少一部分可以被实现为具有各种逻辑电路的基板(下文中称为“逻辑基板”)，并且逻辑基板可以被实现为与光感测器件结合(参见图17至图19)。
[0105]
dbr层20'可以具有多个孔h，每个孔h具有在半导体层sl'的厚度方向上以宽度变化周期逐渐变化的宽度。根据另一示例实施方式的光感测器件200a可以具有使用柱pst而不是孔h来实现的dbr层20”。
[0106]
例如，参照图16，根据一些示例实施方式的光感测器件200a可以具有与图15所示的光感测器件200的结构相似的结构，除了dbr层20”可以实现为柱pst并且可以不具有外围区的构造之外。此外，示例实施方式中的部件可以从图15所示的光感测器件200的相同或相似部件的描述中理解，除非另有说明。
[0107]
多个柱pst可以是通过图案化半导体层sl”的上部区域而获得的结构，并且可以与光电转换层50集成。包括在dbr层20”中的多个柱pst可以包括与光电转换层50的第一导电类型杂质区s1的半导体相同的半导体。第一电极60可以设置在dbr层20”的上表面上。
[0108]
根据示例实施方式的光感测器件200a可以包括设置在光电转换层50的上表面上并且围绕多个柱pst的透明树脂层25。第一电极60可以设置在多个柱pst和透明树脂层25上。第一电极60可以设置在dbr层20”的边缘区域中。例如，第一电极60可以包括透明电极材料，但其示例实施方式不限于此。
[0109]
图17至图19是示出根据一些示例实施方式的光感测器件的剖视图。
[0110]
参照图17，光感测器件200b可以具有与图15所示的光感测器件200的结构相似的结构，除了逻辑基板150l可以设置在第二电极80'的下表面上并且第一电极60可以通过贯穿通路结构90电连接到逻辑基板150l的构造之外。此外，示例实施方式中的部件可以从图15所示的光感测器件200的相同或相似部件的描述中理解，除非另有说明。
[0111]
光感测器件200b可以包括设置在半导体层sl'的下表面上以覆盖第二电极80'(其为金属反射层)的逻辑基板150l。逻辑基板150l可以包括电连接到第一电极60和第二电极80'并且配置为处理由光电转换层50输出的光信号的逻辑电路。逻辑基板150l可以包括布线结构，该布线结构包括多个层间绝缘层151以及形成在层间绝缘层151上的布线图案152和布线通路153。
[0112]
逻辑基板150l的布线结构可以连接到第一电极60和第二电极80'中的每个。在一些示例实施方式中，贯穿通路结构90可以穿透半导体层sl'的外围区ii并将第一电极60连接到布线结构(例如，布线图案152)。在一些示例实施方式中，贯穿通路结构90可以包括导电插塞95和围绕导电插塞95的侧壁的绝缘阻挡物91。绝缘阻挡物91可以使贯穿通路结构90和光电转换层50电绝缘。
[0113]
参照图18，根据一些示例实施方式的光感测器件200c可以具有与图17所示的光感测器件200b的结构相似的结构，除了第一电极60a可以设置在光电转换层50上并且用于dbr层20'的半导体部分可以形成为覆盖第一电极60a的构造之外。此外，示例实施方式中的部件可以从图17所示的光感测器件200b的相同或相似部件的描述中理解，除非另有说明。
[0114]
第一电极60a可以设置在光电转换层50的第一导电类型杂质区s1上，并且dbr层20'可以具有在光电转换层50上再生长的半导体部分。在示例实施方式中，dbr层20'的半导体部分不限于第一导电类型区，并且可以具有例如未掺杂区。
[0115]
贯穿通路结构90可以穿透光电转换层50的外围区ii并且可以将第一电极60a连接到布线结构(例如，布线图案152)。贯穿通路结构90的导电插塞95可以通过绝缘阻挡物91与光电转换层50电隔离。
[0116]
在上述示例实施方式中，贯穿通路结构90被示出为用于引出第一电极60a的结构，但是第一电极60a可以使用诸如导线或其他电极图案的连接导体而不是贯穿通路结构90连接到期望的外部电路(例如，信号处理单元)。
[0117]
参照图19，根据一些示例实施方式的光感测器件200d可以具有与图15所示的光感测器件200的结构相似的结构，除了光电转换层50'的内部构造可以不同并且第一电极60”和第二电极80”可以设置在半导体层sl的下表面和逻辑基板150l之间而不使用贯穿通路结构90的构造之外。此外，示例实施方式中的部件可以从图15所示的光感测器件200的相同或相似部件的描述中理解，除非另有说明。
[0118]
半导体层sl可以是第一导电类型基板和/或第一导电类型半导体层s1，但是示例实施方式不限于此，并且半导体层sl可以是具有第一杂质区的基板。光电转换层50'可以从半导体层sl的下表面形成并且可以包括本征区阱s0和形成在本征区阱s0中的第二导电类型杂质区s2。
[0119]
绝缘膜110可以设置在半导体层sl的下表面上。绝缘膜110可以由具有透光率的绝缘材料形成，从而不使第二电极80”的镜面功能劣化。在一些示例实施方式中，第一电极60”也可以类似于第二电极80”形成为金属反射层并且可以用作镜子的一部分。
[0120]
在一些示例实施方式中，第一电极60”和第二电极80”可以设置在绝缘膜110上。第一通路90a和第二通路90b可以穿透绝缘膜110，第一通路90a可以将第一电极60”连接到第一导电类型基板s1(或第一导电类型杂质区)，并且第二通路90b可以连接到第二电极80”和第二导电类型杂质区s2中的每个。如上所述，由于第一电极60”和第二电极80”都可以设置在半导体层sl的下表面上，因此与前述示例实施方式不同，半导体层sl可以不包括外围区ii(图17和图18)。
[0121]
在一些示例实施方式中，诸如传输栅和浮置扩散区的信号处理器件可以设置在光电转换层50或50'的部分区域中。当示例实施方式中的光感测器件被实现为近红外图像传感器时，可以有利地考虑这种结构。
[0122]
根据上述示例实施方式，通过包括在与半导体层的第一表面(光入射表面)相邻的区域中的使用具有在厚度方向上周期性变化的宽度的孔或柱的分布式布拉格反射器层以及在与第一表面相反的第二表面上的反射层，可以提供基于谐振器的光吸收结构，其相对于长波长带中的光(例如，近红外线和/或短波长红外线)具有几乎完全的吸收率。光吸收结构即使具有相对薄的厚度也可以获得几乎完全的吸收率。
[0123]
此外，由于单侧反射层(例如，dbr层)和腔层可以一起实现在单个半导体层上，可以在腔层中形成诸如光电二极管的光电转换区。因此，示例实施方式中的光吸收结构可以通过各种类型的光感测器件结构(其中电连接是可用的)来容易地实现。
[0124]
尽管上面已经示出和描述了示例实施方式，但是对于本领域技术人员来说将明显
的是，可以进行修改和变化而不背离由所附权利要求限定的本公开的范围。
[0125]
本技术要求享有2021年5月27日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2021-0068627号以及2021年8月11日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2021-0105860号的优先权的权益，其公开内容通过引用全文在此合并。