相關(guān)申請的引用

本專利申請要求下述每個臨時申請的權(quán)益并將下述每個臨時申請通過引用并入本文：

2014年11月18日提交的美國臨時申請序列號62/081,538；

2014年12月11日提交的美國臨時申請序列號62/090,879；

2015年1月5日提交的美國臨時申請序列號62/100,025；

2015年2月3日提交的美國臨時申請序列號62/111,582；

2015年3月27日提交的美國臨時申請序列號62/139,511；

2015年4月27日提交的美國臨時申請序列號62/153,443；

2015年4月29日提交的美國臨時申請序列號62/154,675；

2015年5月6日提交的美國臨時申請序列號62/157,876；

2015年6月5日提交的美國臨時申請序列號62/171,915；

2015年6月11日提交的美國臨時申請序列號62/174,498；

2015年6月15日提交的美國臨時申請序列號62/175,855；

2015年6月21日提交的美國臨時申請序列號62/182,602；

2015年7月6日提交的美國臨時申請序列號62/188,876；

2015年7月27日提交的美國臨時申請序列號62/197,120；

2015年7月31日提交的美國臨時申請序列號62/199,607；

2015年8月15日提交的美國臨時申請序列號62/205,717；

2015年8月24日提交的美國臨時申請序列號62/209,311；

2015年9月2日提交的美國臨時申請序列號62/213,556；以及

2015年9月25日提交的美國臨時申請序列號62/232,716。

本專利申請涉及通過引用均并入本文的下述臨時申請和非臨時申請：

2014年5月22日提交的第pct/us14/39208號國際專利申請；

2013年5月22日提交的美國臨時申請序列號61/826,446；

2013年6月13日提交的美國臨時申請序列號61/834,873；

2013年7月4日提交的美國臨時申請序列號61/843,021；

2013年11月15日提交的美國臨時申請序列號61/905,109；以及

2014年6月27日提交的美國臨時申請序列號62/017,915。

所有上述引用的臨時專利申請和非臨時專利申請在本文中統(tǒng)稱為“共同轉(zhuǎn)讓并入的申請”。

本發(fā)明的專利說明書總體上主要涉及光敏器件。更具體地，一些實(shí)施方式涉及具有微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)吸收特性的光敏器件。

背景技術(shù)：

光纖通信廣泛用于大數(shù)據(jù)中心內(nèi)的通信和遠(yuǎn)程通信等應(yīng)用。由于與使用較短光波長相關(guān)聯(lián)的衰減損耗，大多數(shù)光纖通信使用800nm以上的光波長。常用的傳輸窗口存在于800nm至1675nm之間。用于光纖通信系統(tǒng)的光接收機(jī)的主要部件是光電檢測器，通常為光電二極管(pd)或雪崩光電二極管(apd)的形式。

高質(zhì)量低噪聲apd可以由硅制成。然而，雖然硅會吸收可見光和近紅外范圍的光，但是硅在較長光波長下變得更透明。針對800nm以上的光波長可以通過增加器件的吸收“i”區(qū)的厚度來制造硅pd和apd。然而，為了獲得足夠的量子效率，硅“i”區(qū)的厚度變得很大，使得器件的最大帶寬對于許多當(dāng)前和未來的遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用來說太低。

為了避免硅pd和硅apd具有較長波長和較高帶寬的固有問題，使用其他材料。鍺(ge)檢測出達(dá)到1700nm波長的紅外線，但是具有相對高的倍增噪聲。ingaas可以檢測出長于1600nm波長的紅外線，并且具有比ge小的倍增噪聲，但是仍然具有比硅大的倍增噪聲。已知ingaas被用作異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管的吸收區(qū)，最典型地涉及inp作為襯底和作為倍增層。該材料系統(tǒng)與約900nm至1700nm的吸收窗口兼容。然而，與硅相比，兩種ingaas器件相對昂貴并且具有相對高的倍增噪聲，并且難以與si電子器件集成作為單個芯片。

光電檢測器業(yè)務(wù)方面的一家大型公司發(fā)布的信息(參見http://files.shareholder.com/downloads/fnsr/0x0x382377/0b3893ea-fb06-417d-ac71-84f2f9084b0d/finisarinvestorpresentation.pdf，)在第10頁指出目前光通信器件的市場超過70億美元，復(fù)合年增長率達(dá)12％。用于850nm波長的光電二極管(pd)采用gaas材料，以及針對1550nm波長，光電二極管是基于inp材料，這既昂貴且難以與si基電子器件集成。因此，還沒有滿足對更好器件的開發(fā)，所以存在很大的市場和長期需求。迄今為止，沒有根據(jù)本發(fā)明人的知識商業(yè)可用的針對850nm的基于si材料的光電二極管或雪崩光電二極管(apd)，以及沒有針對1550nm的基于si上ge材料的光電二極管或雪崩光電二極管，其是頂部或底部照射的并且具有5gb/s或更大的數(shù)據(jù)速率。然而，這個大市場并不缺乏試圖開發(fā)出更好的器件。例如，提出了在si材料中制造的諧振光電二極管(參見schaub等人的resonant-cavity-enhancedhigh-speedsiphotodiodegrownbyepitaxiallateralovergrowth，ieeephotonicstechnologyletters，第11卷，第12期，1999年12月)，但尚未達(dá)到知名的商業(yè)市場。例如在下述參考文獻(xiàn)中提出了波導(dǎo)配置中的其他形式的高速光電二極管：piels等人的40ghzsi/geuni-travelingcarrierwaveguidephotodiode，doi10.1109/jlt.2014.2310780，journaloflightwavetechnology；kang等人的monolithicge/siavalanchephotodiodes，978-1-4244-4403-8/09/$25.00ieee；feng等人的high-speedgephotodetectormonolithicallyintegratedwithlargecross-sectionsilicon-on-insulatorwaveguide，appliedphysicsletters95,261105(2009)；doi：10.1063/1.3279129；其中光邊緣地耦合到光波導(dǎo)中，并且其中吸收長度可以為100μm或更長以補(bǔ)償在1550nm處的ge的弱吸收系數(shù)。在這些先前提出的波導(dǎo)光電二極管結(jié)構(gòu)中，光沿著波導(dǎo)的長傳播，并且跨pin波導(dǎo)施加有電場，使得光傳播的方向和電場的方向主要垂直。由于光在si中行進(jìn)是電子/空穴的飽和速度的約1000倍，因此，例如，波導(dǎo)pd可以為200微米長，以及例如，pin中的“i”可以是2微米，并且實(shí)現(xiàn)超過10gb/s的帶寬。與本專利說明書中所述的表面照射相比，光的這種邊緣耦合在封裝中是昂貴的，其中與已知表面照射光電二極管或雪崩光電二極管的幾十微米相比，波導(dǎo)截面的尺寸通常為幾微米。已知的波導(dǎo)pd/apd通常僅是單模光學(xué)系統(tǒng)，而本專利說明書中描述的表面照射pd/apd可以用于單模光學(xué)系統(tǒng)和多模光學(xué)系統(tǒng)兩者。此外，已知的波導(dǎo)光電二極管難以在晶圓級進(jìn)行測試，而本專利說明書中描述的表面照射光電二極管可以易于在晶圓級進(jìn)行測試。已知的波導(dǎo)光電二極管/雪崩光電二極管主要用于專業(yè)光子電路中，并且不是廣泛可商購的。在850nm和1550nm的波長下以5gb/s或更高的數(shù)據(jù)速率的情況下，不認(rèn)為可以與si集成的頂部或底部照射si和si上gepd/apd可商購。相比之下，如本專利說明書所描述的，si基材料上的光電二極管可以與集成電子電路在單個si芯片上單片集成，從而顯著降低封裝成本。此外，本專利說明書中描述的850nm標(biāo)稱波長下的微結(jié)構(gòu)型pd/apd可以主要用于短程，例如光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸距離小于一米，以及在某些情況下小于10米，在某些情況下小于100米，在某些情況下小于1000米。入射光束的微結(jié)構(gòu)型pd/apd方向以及pin或nip結(jié)構(gòu)的“i”區(qū)中的電場主要是共線的或幾乎共線的。本專利說明書實(shí)現(xiàn)這樣的器件并且期望將當(dāng)前數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)換成葉片之間和/或在葉片內(nèi)的幾乎所有光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸，這將大大增加數(shù)據(jù)傳輸帶寬能力并顯著降低電力使用。

本文要求保護(hù)的主題不限于解決任何特定缺點(diǎn)或者僅在諸如上述環(huán)境下操作的實(shí)施方式。相反，提供該背景技術(shù)僅用于說明可以實(shí)踐本文描述的一些實(shí)施方式的一個示例性技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)一些實(shí)施方式，一種用于數(shù)據(jù)通信的集成檢測器/處理器電路包括形成在單個半導(dǎo)體芯片中的電子處理器和具有經(jīng)微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的光吸收的光電檢測器兩者。單個芯片包括：光電檢測器，光電檢測器形成在半導(dǎo)體襯底上并且包括光子吸收區(qū)，光子吸收區(qū)被配置成從被調(diào)制以用于數(shù)據(jù)通信的光源信號吸收光子并提供與該光源信號對應(yīng)的輸出電信號；其中，光子吸收區(qū)中包括朝向所述襯底延伸的多個孔并且被配置成在多個孔處同時接收同一源信號；電子處理器，電子處理器也形成在所述半導(dǎo)體襯底上并且與光子吸收區(qū)操作上相關(guān)聯(lián)以從光子吸收區(qū)接收所述輸出電信號并將所述輸出電信號處理為經(jīng)處理的輸出，由此形成接收光源信號并輸出經(jīng)處理的輸出的單個半導(dǎo)體芯片；其中，光子吸收區(qū)和電子處理器各自的厚度具有相同數(shù)量級；以及陰極區(qū)和陽極區(qū)與光子吸收區(qū)操作上相關(guān)聯(lián)，并且反向偏置電路系統(tǒng)被配置成在陰極區(qū)與陽極區(qū)之間施加電壓，使得與陽極區(qū)相比陰極區(qū)被驅(qū)動至更正的電壓。光子吸收區(qū)的厚度優(yōu)選地在0.5微米至5微米的范圍內(nèi)。電子處理器可以是專用集成電路(asic)，專用集成電路包括互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)器件、雙極(bi)器件和bicmos器件中至少之一。光子吸收區(qū)可以被配置成在800nm至900nm的波長或1400nm至1700nm的波長處吸收超過40％或50％或60％的入射源信號并提供與其對應(yīng)的輸出電信號。光子吸收區(qū)可以被配置成以在800nm至900nm或者1400nm至1700nm的源信號波長的為至少20nm的選定波長跨度上變化小于20％的吸收百分比來吸收入射源信號。每個孔可以具有與襯底的表面平行的截面，并且所述截面的最大尺寸在400nm與2500nm之間，以及每個孔的中心可以與多個孔中的最近相鄰孔的中心間隔小于3500nm。光電檢測器優(yōu)選地還包括以10¹⁹每cm³或超過10¹⁹每cm³高摻雜并且位于光子吸收區(qū)兩側(cè)的p層和n層，以及光子吸收區(qū)優(yōu)選地被至多以10¹⁶每cm³輕摻雜或者非有意摻雜。光電檢測器可以包括雪崩光電檢測器，以及光子吸收區(qū)包括si和ge中至少之一。光電檢測器可以包括錐形孔或階梯孔，錐形孔或階梯孔被配置成容納用于傳送所述源信號的光纖并且將光纖的端部保持在距光子吸收區(qū)選定距離處。透鏡可以包括在光纖的所述端部與光子吸收區(qū)之間。光電檢測器還可以包括反射結(jié)構(gòu)，反射結(jié)構(gòu)被配置成引起源信號的多次反射，從而使所述源信號多次穿過光子吸收區(qū)。光電檢測器可以被配置成從光子吸收區(qū)的兩個相對側(cè)接收源信號，以及所述孔可以被配置成在多組孔處將光轉(zhuǎn)換成電信號時引起耦合諧振，從而增強(qiáng)源信號吸收。

一個或更多個附加光電檢測器可以形成在所述半導(dǎo)體襯底上并且具有相應(yīng)光子吸收區(qū)，相應(yīng)光子吸收區(qū)接收相應(yīng)附加源信號并提供與其對應(yīng)的相應(yīng)輸出電信號；以及一個或更多個附加電子處理器也可以形成在所述半導(dǎo)體襯底上并且與所述附加光電檢測器的相應(yīng)光子吸收區(qū)操作上相關(guān)聯(lián)以從相應(yīng)光子吸收區(qū)接收所述相應(yīng)輸出電信號并由此處理相應(yīng)輸出電信號。與無孔但其他方面相同的光電檢測器相比，多個孔可以被配置成在包括所述源信號的波長的波長范圍內(nèi)增強(qiáng)光子的吸收。電子處理器可以包括選自下述的一種或更多種類型：跨阻抗放大器、信號處理電子器件和路由電子器件。與其陽極區(qū)和陰極區(qū)操作上連接到常規(guī)接合焊盤但其他方面相同的光電檢測器相比，與上述光電檢測器相關(guān)聯(lián)的電容減小。光電檢測器還可以包括倍增區(qū)，使光電檢測器是被配置成在800納米至900納米的源信號波長處以大于10千兆比特每秒的數(shù)據(jù)帶寬來檢測源信號并且具有大于2的增益的雪崩光電二極管。

在一些實(shí)施方式中，一種光學(xué)/電子系統(tǒng)包括：光電檢測器和有源電子電路，二者構(gòu)建在同一半導(dǎo)體襯底上并且彼此操作上相關(guān)聯(lián)從而形成單個集成電路芯片；激光器，其以千兆比特每秒的數(shù)據(jù)速率被調(diào)制從而產(chǎn)生以千兆比特每秒的速率傳送信息的光源信號；以及光纖，其與激光器相關(guān)聯(lián)以在其輸入端接收光源信號并將光源信號輸送到其輸出端；其中，光電檢測器與光纖的輸出端相關(guān)聯(lián)以從輸出端接收光源信號，并且光電檢測器被配置成將光源信號轉(zhuǎn)換為電輸出信號；以及其中，有源電子電路與光電檢測器相關(guān)聯(lián)以從光電檢測器接收輸出電信號，并且有源電子電路被配置成對電輸出信號進(jìn)行處理并輸出經(jīng)處理的電信號。源信號和電輸出信號中的每一個可以以至少5千兆比特每秒的速率被調(diào)制。光電檢測器和有源電子電路可以具有相同數(shù)量級的厚度。光電檢測器可以包括光子吸收區(qū)，光子吸收區(qū)包括朝向半導(dǎo)體襯底延伸的多個孔，其中，多個孔被配置成同時接收同一源信號。高摻雜的p層和n層可以位于光子吸收區(qū)兩側(cè)，以及光子吸收區(qū)的厚度可以在0.1微米至5.0微米的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地與p區(qū)和n區(qū)相比光子吸收區(qū)是非有意摻雜的或者是輕摻雜的。光電檢測器可以被偏置以使電子或空穴在沿著光電檢測器接收源信號的方向的方向上被掃掠。光電檢測器和有源電子電路中的每一個可以是硅基的。光電檢測器可以是雪崩光電檢測器。

在一些實(shí)施方式中，一種具有經(jīng)微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的光吸收的光電檢測器包括：光子吸收區(qū)，光子吸收區(qū)的厚度優(yōu)選地在0.5微米與5微米之間以及光子吸收區(qū)被配置成從被調(diào)制以用于數(shù)據(jù)通信的源信號吸收光子并提供與源信號對應(yīng)的輸出電信號；光子吸收區(qū)包括延伸通過光子吸收區(qū)的厚度的至少一部分的多個孔并且被配置成在多個孔處同時接收同一源信號；以及光子吸收區(qū)被配置成在800nm至900nm范圍和1400nm至1700nm范圍中至少之一中的波長處吸收超過40％的入射源信號并提供與其對應(yīng)的輸出電信號。光子吸收區(qū)可以被配置成在800nm至900nm或1400nm至1700nm的波長處吸收超過40％或50％或60％的入射源信號并提供與其對應(yīng)的輸出電信號。光子吸收區(qū)可以被配置成以在800nm至900nm或1400nm至1700nm的源信號波長的為至少20nm的波長跨度上變化小于20％的吸收百分比來吸收入射源信號。每個孔具有與襯底的上表面平行的截面，并且截面的最大尺寸優(yōu)選地在400nm與2500nm之間，以及每個孔的中心優(yōu)選地與多個孔中的最近相鄰孔的中心間隔小于3500nm。光電檢測器還可以包括優(yōu)選地以10¹⁹每cm³或超過10¹⁹每cm³高摻雜并且位于光子吸收區(qū)兩側(cè)的p層和n層，以及光子吸收區(qū)優(yōu)選地被至多以10¹⁶每cm³輕摻雜或者非有意摻雜。光電檢測器可以包括雪崩光電檢測器。光子吸收區(qū)可以包括si或ge。光電檢測器可以包括錐形孔或階梯孔，錐形孔或階梯孔被配置成容納用于傳送所述源信號的光纖并且將光纖的端部保持在距光子吸收區(qū)選定距離處，以及透鏡可以被包括在光纖的所述端部與光子吸收區(qū)之間。光電檢測器可以包括反射結(jié)構(gòu)，反射結(jié)構(gòu)被配置成引起源信號的多次反射，從而使所述源信號多次穿過光子吸收區(qū)。光電檢測器光電檢測器可以被配置成從光子吸收區(qū)的兩個相對側(cè)接收源信號。

在一些實(shí)施方式中，一種具有經(jīng)微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的光吸收的光電檢測器包括：陰極區(qū)；陽極區(qū)；反向偏置電路系統(tǒng)，反向偏置電路系統(tǒng)被配置成在陰極區(qū)與陽極區(qū)之間施加電壓，使得與陽極區(qū)相比陰極區(qū)被驅(qū)動至更正的電壓；具有上表面的襯底材料；以及由硅制成的光子吸收區(qū)，光子吸收區(qū)與陰極區(qū)和陽極區(qū)操作上相關(guān)聯(lián)并且光子吸收區(qū)被配置成從源信號吸收光子，硅吸收區(qū)包括多個孔，每個孔具有與襯底上表面平行的截面，截面的最大尺寸在400nm與2500nm之間，以及每個孔的中心與多個孔中的最近相鄰孔的中心間隔小于3500nm。源信號可以具有大于800nm且小于1000nm的波長。多個孔可以被布置成周期性間隔陣列，周期性間隔陣列可以具有六角形晶格圖案或正方形晶格圖案。與無孔但其他方面相同的光電檢測器相比，多個孔在包括所述源信號的波長的波長范圍內(nèi)增強(qiáng)光子的吸收。每個孔可以具有與襯底上表面平行的主要為圓形的截面。陰極區(qū)和陽極區(qū)可以操作上連接到集成電路電子器件，并且光電檢測器和集成電路電子器件可以集成到單個硅芯片中，其中集成電路電子器件可以包括選自下述的一種或更多種類型：跨阻抗放大器、信號處理電子器件和路由電子器件。與其陽極區(qū)和陰極區(qū)操作上連接到常規(guī)接合焊盤但其他方面相同的光電檢測器相比，與上述光電檢測器相關(guān)聯(lián)的電容減小。光電檢測器還可以包括由硅形成的倍增區(qū)，以及其中，光電檢測器是被配置成在850納米的源信號波長處以大于5千兆比特每秒的數(shù)據(jù)帶寬來檢測源信號并且具有大于2的增益的雪崩光電二極管。光電檢測器可以被配置成在850納米的源信號波長處在至少30％或50％的量子效率的情況下以大于2.5千兆比特每秒或者大于或等于5千兆比特每秒的數(shù)據(jù)帶寬來檢測所述源信號。多個孔可以通過蝕刻掉部分硅來形成。光電檢測器可以被配置成使源信號的一部分首次穿過光子吸收區(qū)，從表面反射，然后二次穿過光子吸收區(qū)。光電檢測器還可以包括襯底，其中，陰極區(qū)、吸收區(qū)和陽極區(qū)形成在襯底上方，并且光電檢測器被配置成從面對光電檢測器的與襯底相反的一側(cè)的方向接收源信號。

在一些實(shí)施方式中，一種具有經(jīng)微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的光吸收的光電檢測器包括：陰極區(qū)；陽極區(qū)；反向偏置電路系統(tǒng)，反向偏置電路系統(tǒng)被配置成在陰極區(qū)與陽極區(qū)之間施加電壓，使得與陽極區(qū)相比陰極區(qū)被驅(qū)動至更正的電壓；具有上表面的襯底材料；以及由鍺基材料制成的光子吸收區(qū)，光子吸收區(qū)與陰極區(qū)和陽極區(qū)操作上相關(guān)聯(lián)并且光子吸收區(qū)被配置成從源信號吸收光子，鍺基吸收區(qū)包括多個孔，每個孔具有與襯底上表面平行的截面，截面的最大尺寸在750nm與3000nm之間，以及每個孔的中心與多個孔中的最近相鄰孔的中心間隔小于5000nm。鍺基光子吸收層可以在由硅制成的一層或更多層材料上方通過外延生長和外延橫向過生長工藝中至少之一形成。光電檢測器還可以包括ge緩沖層，ge緩沖層被配置成引發(fā)ge在最上層硅層上的結(jié)晶生長。光電檢測器的陽極區(qū)可以包括通過外延生長和外延橫向過生長工藝中至少之一形成的p摻雜鍺層。光電檢測器可以是雪崩光電二極管并且還可以包括由硅形成的倍增區(qū)。源信號可以具有大于1200nm且小于1900nm的波長或者具有大于1400nm的波長。光電檢測器可以被配置成在1550納米的源信號波長處在至少30％或50％的量子效率的情況下以大于2千兆比特每秒或者5千兆比特每秒的數(shù)據(jù)帶寬來檢測所述源信號。

如本文所使用的，連詞“和”、“或”以及“和/或”都旨在表示可能出現(xiàn)或存在其連接的一個或更多個情況、對象或主題。鑒于此，如本文所使用的，在所有情況下術(shù)語“或”都表示“包含或”的含義而不是“排他或”的含義。

如本文所使用的，術(shù)語“孔”和“多個孔”是指進(jìn)入或者穿過材料或多種材料的任何開口。通常，開口可以具有任何形狀和橫截面，包括圓形、橢圓形、多邊形和隨機(jī)形狀。

附圖說明

為了進(jìn)一步闡明本專利說明書的主題的上述和其他優(yōu)點(diǎn)以及特征，在附圖中示出其實(shí)施方式的具體示例。應(yīng)當(dāng)理解，這些附圖僅描繪了說明性實(shí)施方式，并且因此不應(yīng)被認(rèn)為是對本專利說明書或所附權(quán)利要求書的范圍的限制。將通過使用附圖更具體和詳細(xì)地描述和解釋本發(fā)明的主題，在附圖中：

圖1是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的可以使用微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的圖示；

圖2是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的在微結(jié)構(gòu)型光電二極管(ms-pd)和微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)中包含波長選擇元件的圖示；

圖3是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有多個波長選擇元件的ms-pd/apd的圖示；

圖4a至圖4d是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的各種帶通濾波器特性的圖；

圖5是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的粗波分復(fù)用(cwdm)配置的圖示；

圖6a和圖6b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型光電二極管的一些基本部分的圖示；

圖7a和圖7b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的底部照射光電二極管的一些基本部分的圖示；

圖8a和圖8b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-apd結(jié)構(gòu)的一些基本部分的圖示；

圖9a和圖9b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的在第iii-v族或ge材料的選擇性區(qū)域生長(sag)之前和之后的選擇性區(qū)域生長apd結(jié)構(gòu)的方面的圖示；

圖10是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有pin外延層的簡化微結(jié)構(gòu)型硅光電二極管的圖示；

圖11是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有pin外延層的簡化微結(jié)構(gòu)型硅光電二極管的圖示；

圖12a至圖12c示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的對特定微結(jié)構(gòu)型孔圖案進(jìn)行的模擬的方面；

圖13是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有p-i-n摻雜的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的外延層結(jié)構(gòu)的圖示；

圖14是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有p-i-n摻雜的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的外延層結(jié)構(gòu)的圖示；

圖15是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有p-i-n摻雜的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的外延層結(jié)構(gòu)的圖示；

圖16是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的制造高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些方面的圖示；

圖17a至圖17d是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的孔布置、間隔、大小和鈍化層的示例的圖示；

圖18是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的制造高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些其他方面的圖示；

圖19是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的制造高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些其他方面的圖示；

圖20是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的制造高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些其他方面的圖示；

圖21是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些方面的圖示；

圖22a至圖22b示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的對特定微結(jié)構(gòu)型pd進(jìn)行的模擬的方面；

圖23是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的高對比度微結(jié)構(gòu)型pd的方面的圖示；

圖24是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的異質(zhì)外延微結(jié)構(gòu)型pd的方面的圖示；

圖25示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的用于光發(fā)射器諸如發(fā)光二極管(led)或垂直表面發(fā)射激光器(vcsel)的高對比度結(jié)構(gòu)；

圖26示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的例如用于高對比度1.3微米波長光電發(fā)射器(pe)的基本結(jié)構(gòu)；

圖27是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有蝕刻孔的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電發(fā)射器(pe)結(jié)構(gòu)的一些基本特征的圖示；

圖28是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的pe的一些方面的圖示；

圖29是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的pe的一些方面的圖示；

圖30是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的pe的一些方面的圖示；

圖31是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的簡單pin光電二極管結(jié)構(gòu)的一些方面的圖示；

圖32是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd制造的方面的圖示；

圖33是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd制造的方面的圖示；

圖34是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd制造的方面的圖示；

圖35是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的方面的圖示；

圖36是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的方面的圖示；

圖37是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的減少少數(shù)載流子壽命的技術(shù)的圖示；

圖38a至圖38c描述了被模擬的微結(jié)構(gòu)型光電二極管的各種參數(shù)；

圖39是繪制微結(jié)構(gòu)型孔光電二極管的模擬結(jié)果的曲線圖；

圖40是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有p-i-p-i-n外延結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(apd)的圖示；

圖41是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的具有p-i-p-i-n外延結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(apd)的圖示；

圖42是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有g(shù)e吸收層和gep覆蓋層的微結(jié)構(gòu)型apd的圖示；

圖43a至圖43d示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型光電二極管和apd的偏振敏感度；

圖44示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的與跨阻抗放大器和/或用于數(shù)據(jù)處理和路由的另一asic(專用集成電路)集成的ms-pd/apd；

圖45是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示；

圖46是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示；

圖47是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示；

圖48是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示；

圖49是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示；

圖50是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示；

圖51是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示；

圖52是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的與ic電子器件諸如tia和/或其他信號處理和路由電子器件集成在單個si芯片上的ms-pd/apd陣列的圖示；

圖53是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的高數(shù)據(jù)速率ms-pd的外延結(jié)構(gòu)的圖示；

圖54是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的高數(shù)據(jù)速率ms-pd的外延結(jié)構(gòu)的圖示；

圖55是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的高數(shù)據(jù)速率ms-pd的外延結(jié)構(gòu)的圖示；

圖56是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的臺面大小、孔直徑、孔周期距離和晶格圖案的表。

圖57a和圖57b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的六角形晶格孔圖案和正方形晶格孔圖案的圖示；

圖58是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的硅ms-pd的外延層結(jié)構(gòu)的圖示；

圖59是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的方面的圖示；

圖60是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的方面的圖示；

圖61是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的方面的圖示；

圖62示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的si上gepin外延層結(jié)構(gòu)；

圖63至圖65是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上gems-pd的方面的圖示；

圖66至圖67是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上gepd的方面的圖示；

圖68至圖69是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-apd的方面的圖示；

圖70是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的沒有sio2層的ms-apd的圖示；

圖71至圖72是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的圖示；

圖73是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有蝕刻停止層的si上ge微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的圖示；

圖74是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的圖示；

圖75是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的另一sinip外延層結(jié)構(gòu)的圖示；

圖76a至圖76c是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的掩埋氧化物上的sin-i-p外延層的圖示；

圖77是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的在psi襯底上具有sinip外延層和sigeb停止蝕刻層的ms-pd的圖示；

圖78是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的sigeb外延層結(jié)構(gòu)上的si上genip的圖示；

圖79是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的si上ge外延結(jié)構(gòu)的圖示；

圖80是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的另一si上ge外延結(jié)構(gòu)的圖示；

圖81是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge外延結(jié)構(gòu)的圖示；

圖82a至圖82c涉及對與圖79所示的結(jié)構(gòu)類似的si上ge微結(jié)構(gòu)型光電二極管使用有限差分時域(fdtd)進(jìn)行的模擬；

圖83a至圖83c涉及對與圖80所示的結(jié)構(gòu)類似的si上ge微結(jié)構(gòu)型光電二極管使用有限差分時域(fdtd)進(jìn)行的模擬；

圖84a和圖84b示出了對與圖79所示的結(jié)構(gòu)類似的si上ge微結(jié)構(gòu)型光電二極管使用有限差分時域(fdtd)進(jìn)行模擬的結(jié)果；

圖85示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型光電二極管芯片的示意性俯視圖；

圖86是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的在單個芯片上與跨阻抗放大器和/或其他電子器件集成的ms-pd/apd的俯視圖；

圖87示出了沒有任何微結(jié)構(gòu)的簡單外延結(jié)構(gòu)；

圖88示出了沒有任何微結(jié)構(gòu)的另一簡單的外延結(jié)構(gòu)；

圖89示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的與圖87相同的外延結(jié)構(gòu)，其中微結(jié)構(gòu)型孔陣列被蝕刻到sip外延層；

圖90示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的與圖88相同的外延結(jié)構(gòu)，其中微結(jié)構(gòu)型孔陣列被蝕刻到boxsio2層；

圖91a至圖91b是示出針對圖87至圖90所示的示例性結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果的圖；

圖91b示出了圖90(情況4)中的外延結(jié)構(gòu)，其中微結(jié)構(gòu)型孔陣列被蝕刻到不同的深度；

圖92是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的硅中孔被蝕刻到硅中的微結(jié)構(gòu)型區(qū)域的圖示；

圖93是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有錐形孔的ms-pd結(jié)構(gòu)的圖示；

圖94是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有逐漸錐形化孔的ms-pd結(jié)構(gòu)的圖示；

圖95是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有不同直徑微結(jié)構(gòu)型孔的材料結(jié)構(gòu)的圖示；

圖96示出了如圖95所示的具有不同直徑微結(jié)構(gòu)型孔的材料結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖97a和圖97b是示出入射到具有如圖82a所示層結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)上的光的吸收的曲線圖；

圖98是示出在圖82a所示且在圖97a和圖97b中模擬的結(jié)構(gòu)的模擬吸收的曲線圖；

圖99示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的在800nm至1000nm的波長范圍內(nèi)操作的si雪崩光電二極管的另一優(yōu)選外延結(jié)構(gòu)；

圖100是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型apd的一些特征的圖示；

圖102是示出微結(jié)構(gòu)型si上geapd的一些特征的圖示。圖103a至圖103c示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型硅和硅上鍺光電二極管以及雪崩光電二極管的孔直徑、周期和其他參數(shù)；

圖104a和圖104b是示出使用fdtd(有限差分時域)對圖82a所示的結(jié)構(gòu)針對吸收相對波長的模擬結(jié)果的曲線圖，圖82a是微結(jié)構(gòu)型sin襯底上gep-gei-sin光電二極管；

圖105a和圖105b涉及根據(jù)一些實(shí)施方式的正方形晶格孔圖案的本征模；

圖106是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有相互交疊布置的兩個正方形晶格的微結(jié)構(gòu)型孔的示意圖；

圖107是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge的外延結(jié)構(gòu)的圖示；

圖108是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge的微結(jié)構(gòu)型光電二極管的基本特征的圖示；

圖109a和圖109b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的使用用于微結(jié)構(gòu)型孔陣列的麥克斯韋方程進(jìn)行fdtd模擬的結(jié)果的曲線圖；

圖110示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的具有不同孔直徑和晶格周期的微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管的吸收相對波長的圖；

圖111a和圖111b示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的使用fdtd方法對圖82a所示的使用兩個晶格和兩個不同的孔直徑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的模擬；

圖112是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有相同周期的兩個六角形晶格彼此組合和交織的另一晶格結(jié)構(gòu)的圖示；

圖113示出了具有6個單位晶胞的六角形晶格，每個晶胞具有其本征模，其中任何場傳播/分布可以是其本征模的擴(kuò)展；

圖114示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的具有孔陣列和紋理表面的sinip微結(jié)構(gòu)型光電二極管；

圖115是示出si和ge相對于波長的吸收系數(shù)的曲線圖；

圖116是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的由于微結(jié)構(gòu)型孔陣列引起的ge的增強(qiáng)有效吸收系數(shù)的曲線圖；以及

圖117是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si微結(jié)構(gòu)型pd/apd的增強(qiáng)吸收的曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下提供優(yōu)選實(shí)施方式的示例的詳細(xì)描述。雖然描述了幾個實(shí)施方式，但應(yīng)該理解，本專利說明書中描述的新主題不限于本文所述的任何一個實(shí)施方式或?qū)嵤┓绞降慕M合，而是包括多種替代、修改和等同方案。此外，雖然為了提供透徹的理解，在下面的描述中闡述了許多具體細(xì)節(jié)，但是可以在沒有這些細(xì)節(jié)中的一些或全部的情況下實(shí)踐一些實(shí)施方式。此外，為了清楚起見，沒有詳細(xì)描述現(xiàn)有技術(shù)中已知的某些技術(shù)材料，以避免不必要地使本文所述的新主題模糊。應(yīng)當(dāng)清楚，本文描述的一個或幾個特定實(shí)施方式的各特征可以與特征或其他所描述的實(shí)施方式組合使用。此外，各附圖中的相同附圖標(biāo)記和標(biāo)號表示相同的元件。

根據(jù)一些實(shí)施方式，微結(jié)構(gòu)用于改進(jìn)材料在半導(dǎo)體材料的帶隙附近的波長處的吸收或體吸收常數(shù)。這允許擴(kuò)展光電傳感器的工作光波長和/或工作頻譜。增強(qiáng)體吸收常數(shù)(或系數(shù))被稱為有效吸收常數(shù)(或系數(shù))。因?yàn)槲粘?shù)或系數(shù)是固有的材料屬性，所以使用術(shù)語“有效”。然而，在諧振效應(yīng)、耦合諧振效應(yīng)、慢波效應(yīng)、等離子體效應(yīng)、場增強(qiáng)效應(yīng)、散射效應(yīng)、近場和亞波長效應(yīng)、線性和非線性效應(yīng)的情況下，有效吸收常數(shù)或系數(shù)可以大于體吸收常數(shù)或系數(shù)或者材料吸收常數(shù)或系數(shù)。由于吸收指數(shù)地取決于吸收系數(shù)和吸收長度的乘積，所以通過保持體吸收系數(shù)，有效吸收長度可以大于pd/apd的“i”吸收區(qū)的物理長度以實(shí)現(xiàn)與量子效率成比例的相同吸收。如本文所使用的，以下術(shù)語可互換使用：增強(qiáng)吸收常數(shù)，增強(qiáng)吸收系數(shù)；增強(qiáng)有效吸收常數(shù)；增強(qiáng)有效吸收系數(shù)；有效吸收常數(shù)；有效吸收系數(shù)，增強(qiáng)吸收長度，有效吸收長度，增強(qiáng)有效吸收長度。增強(qiáng)吸收或有效吸收可能是由于增強(qiáng)吸收系數(shù)和或增強(qiáng)吸收長度中之一或兩者引起的。

根據(jù)一些實(shí)施方式，增強(qiáng)吸收還可以對路徑長度產(chǎn)生劇烈的影響。在一個體吸收示例中，光子被吸收到其原始幅度的1/e的路徑長度為100微米(μm)，而根據(jù)本專利說明書中描述的一些實(shí)施方式的增強(qiáng)吸收的情況下，針對光學(xué)幅度衰減到其原始幅度的1/e，路徑長度為1微米。等效地，如果路徑長度保持恒定到一微米，則增強(qiáng)吸收系數(shù)是體吸收系數(shù)的100倍，和/或增強(qiáng)有效吸收長度是實(shí)際物理長度的100倍。

這可以通過關(guān)系式a＝aoe^-αl看出，其中a是入射光子通量ao的衰減幅度，α是吸收系數(shù)，l是發(fā)生吸收的路徑長度。因此，可以將有效α限定為非增強(qiáng)吸收系數(shù)如體吸收系數(shù)的100倍，而不是使l為100倍。例如，微結(jié)構(gòu)的諧振/耦合諧振/散射/近場效應(yīng)給出了諧振/散射/近場微結(jié)構(gòu)僅僅一微米長的情況下路徑長度為100倍的等效。更簡單的描述是諧振/耦合諧振結(jié)構(gòu)中的光子在達(dá)到其原始幅度的1/e值之前進(jìn)行50次往返，因此等效線性長度是耦合諧振結(jié)構(gòu)長度的100倍。為了簡單起見，諧振/耦合諧振/線性和非線性場增強(qiáng)/散射/近場效應(yīng)在本文統(tǒng)稱為“諧振”，其可以包括諧振、耦合諧振、慢波、散射、近場、等離子體、非線性和線性光場效應(yīng)。

如本文所使用的，術(shù)語“微結(jié)構(gòu)”和“微結(jié)構(gòu)型”是指各種形狀和大小的柱、空隙、孔和臺面，其具有微米級或亞微米級、和/或亞波長級和或波長級中至少一個尺寸。

根據(jù)一些實(shí)施方式，用于增強(qiáng)有效吸收的技術(shù)可以應(yīng)用于各種材料，包括：硅、鍺、第iii-v族材料諸如inp、gaas、gan、ingaas，以及第iii-v族材料族的任何組合。如本文所使用的，第iii-v族材料的術(shù)語“材料族”被限定為與gaas、inp、gan、insb半導(dǎo)體晶格匹配或大致晶格匹配(在幾個百分點(diǎn)之內(nèi))的任何材料。例如，inp材料族可以包括ingaas、ingaasp、inalas、inas。根據(jù)一些實(shí)施方式，在微結(jié)構(gòu)的情況下，因?yàn)楣枭系木Ц袷洳牧系恼加每臻g的尺寸很小(約幾微米至幾亞微米)，所以在硅微結(jié)構(gòu)中具有或不具有g(shù)e、ingaas或其他第iii-v族材料的薄緩沖層的再生長——諸如選擇性區(qū)域生長(sag)、外延橫向過生長(elog)、外延生長(eg)——可以在沒有晶格失配的有害影響的情況下進(jìn)行。這使得ge和其他第iii-v族材料能夠在不使用常規(guī)緩沖層(諸如在si上ge生長的情況下的非晶ge)的情況下與硅整合。材料的非均質(zhì)整合可以是同質(zhì)結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶和微結(jié)晶以及非晶半導(dǎo)體、導(dǎo)體的組合，例如碳、石墨烯、絕緣體、電介質(zhì)、固體、氣體、液體諸如可以是半導(dǎo)電的玻璃或聚合物。ge和第iii-v族材料還可以使用sog、elog、eg方法在具有或不具有緩沖層的si上生長，可以覆蓋超過微米級的區(qū)域至覆蓋晶圓級的區(qū)域。

根據(jù)一些實(shí)施方式，使用低折射率材料例如掩埋氧化物(box)，絕緣體上硅(soi)，藍(lán)寶石上硅(sos)，低密度半導(dǎo)體如非晶半導(dǎo)體、納米線半導(dǎo)體、空隙和孔，以降低有效折射率。折射率是材料的固有屬性。然而，根據(jù)一些實(shí)施方式，當(dāng)諸如空隙、空氣隙和/或孔之類的結(jié)構(gòu)(其可以填充低折射率材料和/或再生長)具有光學(xué)波長級的尺寸時，光電磁場將看到由材料折射率和結(jié)構(gòu)(其可以由低折射率材料填充或部分填充)構(gòu)成的平均折射率。該平均值在本文中稱為有效折射率。根據(jù)一些實(shí)施方式，不需要在微結(jié)構(gòu)中使用低折射率或低有效折射率材料。

根據(jù)一些實(shí)施方式，用于增強(qiáng)有效吸收的技術(shù)可以應(yīng)用于各種材料，包括：硅，鍺，第iii-v材料諸如inp、gaas、gan、ingaas以及第iii-v族材料族的任何組合。

由于微結(jié)構(gòu)，電容還可以由有效電容表示，有效電容是下述的并聯(lián)電容：(1)一個半導(dǎo)體的介電常數(shù)，和(2)另一材料的介電常數(shù)，另一材料可以是半導(dǎo)體、電介質(zhì)、氣體、真空、部分真空、液體例如玻璃或聚合物(聚酰亞胺、聚酯薄膜或其他有機(jī)化合物)。器件的有效電容是并聯(lián)電容器的電容的組合，電容器可以是兩個或更多個。根據(jù)一些實(shí)施方式，使用微結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是有效電容可以明顯低于同質(zhì)材料諸如半導(dǎo)體的電容。rc時間(電阻電容)是確定光電二極管和雪崩光電二極管的帶寬的基本時間之一。較低的電容使得器件具有較大的面積，同時仍然保持適當(dāng)高的數(shù)據(jù)速率帶寬，和/或通過減小器件的厚度以減少電子和或空穴渡越時間來增加數(shù)據(jù)速率帶寬，電子和或空穴渡越時間也是確定pd/apd的帶寬的基本時間。另一基本時間是光學(xué)渡越時間。

根據(jù)一些實(shí)施方式，光電傳感器可以是光電二極管(pd)、雪崩光電二極管(apd)、光伏(pv)或太陽能電池、或者將光子轉(zhuǎn)換成電子的任何光電子器件。根據(jù)一些實(shí)施方式，還可以使用微結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)發(fā)射器諸如激光器和將電子/空穴轉(zhuǎn)換成光子的發(fā)光二極管。

根據(jù)一些實(shí)施方式，增強(qiáng)吸收使得apd/pd能夠：(1)將apd/pd的敏感度擴(kuò)展到具有更靠近材料帶隙的能量(或波長)的光子，在材料帶隙中體吸收系數(shù)弱，例如在qe(量子效率)大于30％或大于50％，數(shù)據(jù)帶寬大于3gb/s的情況下約10001/cm或更小；(2)由于較短的吸收長度由此較短的渡越時間，以高數(shù)據(jù)速率帶寬(例如>10gb/s)操作；(3)使用增強(qiáng)吸收來增大量子效率；(4)由硅制造，對于雪崩光電二極管具有優(yōu)異的倍增特性以及低過剩噪聲；(5)與si光子學(xué)和cmos工藝兼容。根據(jù)一些實(shí)施方式，pd/apd可以與asic(專用集成電路)集成，asic(專用集成電路)諸如信號處理、信號放大、存儲器、cpu、電發(fā)射器、光波導(dǎo)、集成光學(xué)器件和特定應(yīng)用的其他ic。這對于使用cmos代工廠進(jìn)行的批量生產(chǎn)是有利的。此外，可以在晶圓級檢測中測試表面(或底部)照射pd/apd是否集成有電子器件，此外表面(或底部)照射pd/apd可以處理單模和多模兩者。單個光學(xué)和電子芯片繞過對陶瓷多芯片載體的需要，并大大降低了組裝和封裝的成本。如果需要，硅工作臺還可以結(jié)合用于與光學(xué)部件如鏡頭、光纖的光學(xué)對準(zhǔn)。

根據(jù)一些實(shí)施方式，硅用于雪崩增益。對于雪崩光電二極管，硅具有較低的過剩噪聲。通過將ge與硅整合，吸收發(fā)生在ge材料中，以及電子增益發(fā)生在硅中。根據(jù)光波長，例如短于1100nm的光波長，在使用微結(jié)構(gòu)的情況下硅可以用于吸收和電子增益兩者。

根據(jù)一些實(shí)施方式，通過使用微結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)半導(dǎo)體中光子的吸收。微結(jié)構(gòu)可以具有下述效應(yīng)諸如諧振、耦合諧振、場增強(qiáng)、近場和亞波長效應(yīng)、散射、等離子體、線性和非線性光場、光子晶體、在近場狀態(tài)的高對比度光柵中的有損模式或吸收模式，這些都是可以有效地增加有效吸收長度的線性和非線性效應(yīng)，導(dǎo)致針對給定物理長度對光子的更大的吸收和或吸收系數(shù)可以被增強(qiáng)到有效系數(shù)。

根據(jù)一些實(shí)施方式，由于長度和/或系數(shù)增強(qiáng)，硅光電二極管和硅雪崩光電二極管的用于吸收增強(qiáng)的微結(jié)構(gòu)可以在光子約850nm波長(其是當(dāng)前數(shù)據(jù)通信優(yōu)選波長)處在量子效率約為50％以上的一些情況下qe為70％以上的情況下產(chǎn)生帶寬超過10gb/s(或根據(jù)數(shù)字編碼格式的約等效于6.75ghz)的硅pd和apd。

由于材料和加工技術(shù)的成熟，硅光學(xué)檢測器非常魯棒，表面可以易于鈍化，以消除可能導(dǎo)致表面狀態(tài)和載流子復(fù)合中心的懸掛鍵，由于低缺陷和高材料純度，硅光學(xué)檢測器具有優(yōu)異的載流子壽命，以及對于apd應(yīng)用，由于空穴與電子之間的電離比小(k因子，硅具有比任何第iii-v族材料都低的k因子)，因此噪聲較低，并且這些檢測器是cmos兼容的以用于與用于信號處理的電子器件集成以及與si光子學(xué)集成。

根據(jù)一些實(shí)施方式，在對于高電流增益(增益大于3db)的apd以及對于高調(diào)制帶寬(大于或等于10gb/s帶寬)和高量子效率的p-i-n二極管(pd)或p-l-p-l-n二極管(apd)的吸收“i”(有時稱為“i”)區(qū)中使用外部反向偏置來清除光生載流子。

在通信中使用帶寬大于1gb/s的微結(jié)構(gòu)型光電二極管和雪崩光電二極管。光信號具有使用下述技術(shù)外加于光上的信息：諸如二進(jìn)制(強(qiáng)度)、相移/頻移(相干、外差通信)；偏振編碼；多波長如波分復(fù)用；以及偏振復(fù)用。光信號通過空氣和/或光纖行進(jìn)，并照射微結(jié)構(gòu)光電二極管和/或雪崩光電二極管，其中外加于可見光上的信息可被提取成電信號。在一些情況下，另一個或另一些光源需要像外差或零差一樣混合。

圖1是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的可以使用微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的圖示。光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)100包括一個或更多個光源110、傳輸介質(zhì)120諸如空氣和/或光纖、以及一個或更多個微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管(ms-pd/apd)130。根據(jù)一些實(shí)施方式，光源110可以是激光器。在電源114正向偏置激光器110以進(jìn)行直接調(diào)制的情況下，將電氣數(shù)據(jù)112附加在光信號上。激光器110的輸出可以經(jīng)由耦合器122諸如球形透鏡耦合到光纖120。光信號通過光纖120(或空氣)傳播，并且可以經(jīng)由透鏡124從光纖120耦合到例如高速微結(jié)構(gòu)光電二極管/雪崩光電二極管130，其中光信號被轉(zhuǎn)換成電信號，并且恢復(fù)所得到的數(shù)據(jù)132(與數(shù)據(jù)112匹配)。微結(jié)構(gòu)光電二極管/雪崩光電二極管使用電源134反向偏置。

根據(jù)一些實(shí)施方式，波長選擇元件可以與微結(jié)構(gòu)型光電二極管和微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管集成。特別地，微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管的陣列可以制造在可以包括專用集成電路的單個芯片上，例如專用集成電路包括cmos、雙cmos、雙極器件和電路。波長選擇元件諸如帶通濾波器可以用于粗波分復(fù)用(cwdm)，其中例如每個攜帶10gb/s至40gb/s的調(diào)制數(shù)據(jù)的810nm、820nm、830nm、840nm、850nm、860nm、870nm、880nm波長可以在單個傳輸介質(zhì)內(nèi)具有80gb/s至320gb/s的聚合數(shù)據(jù)速率。

波長選擇元件的示例包括：高對比度亞波長光柵；金屬膜或電介質(zhì)膜中的亞波長孔陣列，以及如在布拉格反射器中具有交替折射率的電介質(zhì)層。波長選擇元件可以是包括多個高對比度光柵以形成諧振腔的帶通濾波器。元件還可以是光柵和其他波長選擇元件諸如金屬或半金屬膜和/或布拉格鏡上的亞波長孔陣列的組合。

此外，光電二極管/雪崩光電二極管的微結(jié)構(gòu)本身可以形成反射器諸如高對比度光柵，使其可以是波長選擇性和吸收長度增強(qiáng)兩者。特別地，可以增強(qiáng)光電二極管/雪崩光電二極管的光子吸收區(qū)。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以在微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管之上制造附加高對比度光柵以形成用于波長選擇的諧振光學(xué)腔。如果高對比度光柵中的一個可以被電偏壓使得在兩個波長選擇元件之間產(chǎn)生電壓，則所選波長可以被調(diào)諧，例如可調(diào)諧光濾波器。

圖2是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的在微結(jié)構(gòu)型光電二極管(ms-pd)和微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)中包含波長選擇元件的圖示。使用波長選擇元件220的情況下，僅所選波長范圍內(nèi)的波長才能照射在ms-pd/apd130上。根據(jù)一些實(shí)施方式，窗口的寬度可以為1nm至20nm(例如，中心波長為820nm+/-5nm，其中帶通是以820nm為中心的10nm)。在圖2的情況下示出由硅制成的高對比度光柵220可以與硅ms-pd/apd130集成。根據(jù)一些實(shí)施方式，微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管130的微結(jié)構(gòu)特征210除了增強(qiáng)光電二極管和雪崩光電二極管的吸收特性的功能之外還可以自身作為波長選擇器。如果ms-pd/apd130的微結(jié)構(gòu)210被設(shè)計為波長選擇器，則加入高對比度光柵220將產(chǎn)生可用作帶通濾波器的諧振腔。

圖3是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有多個波長選擇元件的ms-pd/apd的圖示。在這種情況下，多個波長選擇元件即波長選擇元件320和波長選擇元件322被制造并被集成到ms-pd/apd130中。波長選擇元件320和波長選擇元件322可以是用作帶通濾波器的雙高對比度光柵。根據(jù)一些實(shí)施方式，如果相對于另一波長選擇元件向一個波長選擇元件施加電壓，則可以制造出可調(diào)諧帶通濾波器。

圖4a至圖4d是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的各種帶通濾波器特性的圖。圖4a、圖4b、圖4c和圖4d中的圖分別具有820nm、830nm、840nm和850nm的中心波長，其中“r”是反射率。例如，在帶寬為10nm的中心波長處，反射率實(shí)際上為零，并且大部分光被透射，而在帶寬外的情況下，反射率幾乎為100％并且透射率幾乎為零。

圖5是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的粗波分復(fù)用(cwdm)配置的圖示。在這種情況下，四個波長在傳輸介質(zhì)中傳播，傳輸介質(zhì)諸如具有820nm、830nm、840nm和850nm的中心波長的多模光纖，每個針對100gb/s的聚合數(shù)據(jù)速率具有25gb/s的調(diào)制數(shù)據(jù)速率。ms-pd/apd530、ms-pd/apd532、ms-pd/apd534和ms-pd/apd536上的帶通濾波器通過反射每個波長選擇ms-pd/apd來分離光帶。在每次反射之后，光經(jīng)由反射器550被反射到下一個波長選擇ms-pd/apd等等，直到所有的光帶被指定ms-pd/apd吸收為止。每個中心波長承載數(shù)據(jù)通道，例如820nm以25gb/s的數(shù)據(jù)速率承載數(shù)據(jù)通道1，而具有820nm的帶通濾波器的ms-pd530將820nm信號與其余的光信號分開，并且產(chǎn)生經(jīng)恢復(fù)的數(shù)據(jù)通道1，用于由集成cmosasic(未示出)進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。

根據(jù)一些實(shí)施方式，ms-pd/apd外延層厚度與cmos(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝的外延層厚度和結(jié)構(gòu)兼容，并且因此可以與cmosasic集成。相比之下，在850nm處數(shù)據(jù)速率為1.25gb/s的常規(guī)硅光電二極管具有大于10μm厚度的外延層和53％的量子效率。因此，常規(guī)硅光電二極管的相對較厚的層不容易與cmos工藝兼容。

根據(jù)一些實(shí)施方式，光吸收層可以是非結(jié)晶體。特別地，光吸收層可以是例如通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(pecvd)和/或熱絲化學(xué)氣相沉積(hwcvd)沉積的氫化非晶si(a-si：h)。該層的厚度一般在0.3μm至3μm數(shù)量級。在反向偏置下將電壓施加在光吸收區(qū)(或pin光電二極管結(jié)構(gòu)的i區(qū))上以清除光生載流子，從而實(shí)現(xiàn)用于高速數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的高效率和高帶寬。非結(jié)晶層頂部的層可以是透明或半透明導(dǎo)電金屬或?qū)щ娧趸镏T如氧化銦錫。頂層可以是摻雜非結(jié)晶體材料的薄層以形成pin結(jié)構(gòu)。

圖6a和圖6b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型光電二極管的一些基本部分的圖示。圖6a示出了在蝕刻微結(jié)構(gòu)之前的材料結(jié)構(gòu)600，圖6b示出了蝕刻后的ms-pd660。應(yīng)注意，根據(jù)一些實(shí)施方式，微結(jié)構(gòu)是孔622，以及在一些其他實(shí)施方式中，微結(jié)構(gòu)是柱。在一些其他實(shí)施方式中，微結(jié)構(gòu)是孔和柱的組合?！癷a”層608可以是在結(jié)晶或非結(jié)晶n層上生長的非結(jié)晶體(例如氫化非晶si(a-si：h))。p層610可以是非結(jié)晶體和高摻雜的p或?qū)щ娧趸锘蚪饘?。n層606也可以是金屬或?qū)щ娧趸?。使用歐姆接觸628和歐姆接觸630在p層與n層之間施加偏壓，以在i層608中產(chǎn)生強(qiáng)場，這會清除光生載流子。例如，襯底602可以是非結(jié)晶體和/或電介質(zhì)例如石英，玻璃，陶瓷和/或?qū)w諸如金屬、硅化物、導(dǎo)電聚合物。根據(jù)一些實(shí)施方式，也稱為“i”層的“ia”層608的厚度范圍可以為0.3微米至3微米。

圖7a和圖7b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的底部照射光電二極管的一些基本部分的圖示。圖7a示出了在蝕刻微結(jié)構(gòu)之前的材料結(jié)構(gòu)700，圖7b示出了在蝕刻微結(jié)構(gòu)(例如孔722)之后的底部照射ms-pd760。對于底部照射pd/apd，“ia”或“i”區(qū)708可以是非結(jié)晶體諸如a-si：h，“n”層710也可以是非結(jié)晶體，而“p”層706可以是box/soi704以及結(jié)晶或非結(jié)晶襯底702上的結(jié)晶體或非結(jié)晶體。然而，為了使光學(xué)損耗最少，理想的是襯底702和p層706是結(jié)晶體，因?yàn)樵?00nm至1100nm范圍的波長處結(jié)晶體比非晶硅有更少的吸收。對于“兩次或多次反彈”pd/apd，吸收區(qū)“ia”層708的厚度范圍可以為0.2微米至2微米，因?yàn)楣庑盘枌膎金屬接觸部726反射并返回到“ia”吸收層708?？梢詼p小“ia”層708的厚度，并因此減少渡越時間并增加光電二極管或雪崩光電二極管的帶寬。

圖8a和圖8b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-apd結(jié)構(gòu)的一些基本部分的圖示。圖8a示出了在蝕刻微結(jié)構(gòu)之前的材料結(jié)構(gòu)800，圖8b示出了蝕刻后的ms-apd860。用于光吸收的“ia”區(qū)808可以是結(jié)晶體或非結(jié)晶體諸如a-si：h。pin硅的結(jié)晶雪崩增益區(qū)(820，818和806)生長在硅襯底或box/soi(掩埋氧化物/絕緣體上硅)襯底802上。pa頂層810可以是結(jié)晶體或非結(jié)晶體?？梢栽O(shè)置透明金屬氧化物層826以與psi層810形成歐姆接觸，或者降低薄層電阻。應(yīng)注意，光信號可以直沖(垂直)上表面出現(xiàn)或者以如光子箭頭所示的角度出現(xiàn)。微結(jié)構(gòu)822可以是孔、柱或兩者的組合。如圖8b所示是頂部照射apd860，然而，根據(jù)一些實(shí)施方式，使用box/soi可以去除大部分襯底，并且可以在800nm至1100nm的波長范圍內(nèi)從底部照射apd。反向偏壓通過p層810施加在p歐姆與接合金屬828之間，通過n襯底806施加在n歐姆與接合金屬830之間。反向偏壓既清除光生載流子也提供電子增益。pd的常用偏置電壓為1伏至10伏反向偏壓，對于apd，偏置電壓的范圍約為5伏至50伏反向偏壓。對于光電二極管和雪崩光電二極管，如在本文所述的所有pin、pipin器件中，p和n可以互換，例如pin可以是nip，pipin可以是ninip。陽極或p層相對于陰極n層負(fù)向偏置。

圖9a和圖9b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的在第iii-v族或ge材料的選擇性區(qū)域生長(sag)之前和之后的選擇性區(qū)域生長apd結(jié)構(gòu)的方面的圖示。圖9a示出了具有蝕刻孔922(或柱周圍的區(qū)域)的siapd結(jié)構(gòu)?？梢赃M(jìn)行第iii-v族材料或ge的選擇性區(qū)域生長(sag)外延生長，如圖9b所示，其中pa層910和ia層908可以是非結(jié)晶體諸如a-si：h，或者可以是結(jié)晶硅。特別地，微結(jié)構(gòu)的i區(qū)934可以是ingaas或ge，p區(qū)932可以是ingaas。根據(jù)一些實(shí)施方式，從pd結(jié)構(gòu)開始，除去雪崩增益層(p層920和i層918)，可以制造具有ingaas或ge的sagpd。其他材料如gan、znse、inp、gaas也可用于sag。根據(jù)一些實(shí)施方式，還可以使用其他非晶半導(dǎo)體諸如非晶ge。根據(jù)一些實(shí)施方式，因?yàn)榉蔷Ч杈哂斜雀哂陂g接帶隙的能量的光子的結(jié)晶硅更高的吸收系數(shù)，所以可以使用非晶硅。

圖10是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有pin外延層的簡化微結(jié)構(gòu)型硅光電二極管的圖示?？?022被蝕刻到掩埋氧化物層(box)1004，掩埋氧化物層(box)1004可以為0.2微米至10微米厚。該結(jié)構(gòu)1060提供硅與二氧化硅之間折射率的高對比度，這可以導(dǎo)致吸收增強(qiáng)。i層1008的厚度可以在0.5微米至5微米的范圍內(nèi)，以及p層1010和n層1006的厚度可以在0.1微米至5微米的范圍內(nèi)。在800nm至900nm或更大的波長范圍內(nèi)，增強(qiáng)吸收可以大于50％?？梢葬槍νㄟ^直接調(diào)制激光器諸如垂直腔表面發(fā)射激光器或其中光調(diào)制器對激光進(jìn)行調(diào)制的間接調(diào)制而產(chǎn)生的光信號的特定波長范圍來優(yōu)化增強(qiáng)吸收。以gb/s速率調(diào)制的激光是光信號。光信號以法線入射或以與法線呈角度入射照射到微結(jié)構(gòu)型光電二極管1060上。在p歐姆接觸、陽極1028和n歐姆接觸、陰極1030之間施加反向偏壓，用于微結(jié)構(gòu)型光電二極管1060的高速操作。未示出在10nm至100nm厚度的硅表面上的鈍化層，鈍化層例如通過硅的濕(蒸汽)或干燥氧化、二氧化硅的原子層沉積、化學(xué)氣相沉積而生長，以減少導(dǎo)致表面復(fù)合的懸掛鍵。

圖11是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有pin外延層的簡化微結(jié)構(gòu)型硅光電二極管的圖示。ms-pd1160與ms-pd1060類似，不同之處在于微結(jié)構(gòu)孔1122沒有完全蝕刻穿過box層1004。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以留下0.01微米至2微米的n層1006。

圖12a至圖12c示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的使用麥克斯韋傳播方程方法的有限差分時域(fdtd)對特定微結(jié)構(gòu)型孔圖案進(jìn)行的模擬的方面。圖12a示出了孔的中心至中心在x方向上間隔495nm并且在y方向上間隔860nm的六角形孔圖案。如圖12b所示，孔被完全蝕刻穿過2微米的深度，以及頂部的孔直徑為385nm，底部的孔直徑為430nm。圖12c是示出使用有限差分時域技術(shù)的模擬結(jié)果的圖。曲線1210、曲線1212和曲線1214分別表示吸收、反射和透射?？梢钥闯?，在該特定示例中，在2微米厚的硅的情況下，可以吸收波長范圍從805nm至830nm的光的超過60％。通過改變蝕刻的孔直徑、間距和深度，可以針對光信號的特定波長優(yōu)化吸收。根據(jù)一些實(shí)施方式，孔直徑可以在200nm至1800nm之間變化，間隔可以在200nm至3500nm之間變化，以及深度可以在0.1微米至20微米之間變化。

圖13是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有p-i-n摻雜的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的外延層結(jié)構(gòu)的圖示。從si1302中的box(掩埋氧化物)1304開始，其中氧化物層厚度的范圍為0.1微米至10微米或更大，可以在nsi1302的頂部生長薄的ge緩沖層1370。在有或沒有g(shù)e緩沖層1370的情況下，隨后的n層1306，i層1308，和p層1310可以是ge和/或第iii-v族材料族諸如ingaas、inp、ingaasp、gaas、algaas、gan、ingan、algan。如果n層1306，i層1308，和p層1310是si，則可以省略ge緩沖層1370。對于pd的高速操作，n層1306可以在0.1微米至5微米的范圍內(nèi)，i層1308的厚度可以在0.2微米至3微米的范圍內(nèi)，以及p層1310可以在0.1微米至2微米的范圍內(nèi)。在該示例中，最終層p層1310可以是層的組合，例如具有inp具有薄的ingaas覆蓋層的p層。

圖14是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有p-i-n摻雜的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的外延層結(jié)構(gòu)的圖示。pin異構(gòu)結(jié)構(gòu)與圖13類似，不同之處在于ge緩沖層1470可以在i層1408和n層1406的界面處或其附近處，其中i層1408和p層1410可以是ge和/或第iii-v族材料族。該結(jié)構(gòu)示例的優(yōu)點(diǎn)是：對于小于si的帶隙的光子能量，在n層1406中產(chǎn)生較少的電子空穴對，其中光生載流子可以擴(kuò)散到i層1408中的強(qiáng)場區(qū)，導(dǎo)致pd的高速響應(yīng)中的慢成分。ge緩沖層對于異質(zhì)生長可以不是所必需的。

圖15是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有p-i-n摻雜的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的外延層結(jié)構(gòu)的圖示。pin異構(gòu)結(jié)構(gòu)與圖13和圖14類似，不同之處在于僅i區(qū)1508是低帶隙材料諸如ge和/或第iii-v族材料族諸如ingaas、insb、ingaasp、inas。p層1510和n層1506均由高帶隙材料制成。根據(jù)一些實(shí)施方式，p層1510和n層1506具有高于光子能量的帶隙能量，i層1508具有低于或等于光子能量的帶隙能量。例如，n層1506可以是si，i層1508可以是ingaas和/或ge，以及p層1510可以是si和/或inp。ge緩沖層對于異質(zhì)生長可以是或可以不是所必需的。在p區(qū)和n區(qū)中具有較高帶隙材料的優(yōu)點(diǎn)是使在這些區(qū)中產(chǎn)生的光載流子最少。在p區(qū)和n區(qū)中產(chǎn)生的光載流子可以擴(kuò)散到強(qiáng)場區(qū)，導(dǎo)致光電二極管對短光脈沖的響應(yīng)的相對慢的成分。減少在p區(qū)和n區(qū)中產(chǎn)生的光載流子因此減少“尾部效應(yīng)”——如在用于以光學(xué)方式傳輸數(shù)據(jù)的位流中，響應(yīng)于光學(xué)輸入脈沖或脈沖組，pd的電脈沖輸出的下降時間。p區(qū)和n區(qū)的高摻雜還減少少數(shù)載流子壽命，使得在這些區(qū)中產(chǎn)生的光載流子在擴(kuò)散到強(qiáng)場“i”區(qū)之前可以復(fù)合。

圖16是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的制造高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些方面的圖示。圖13所示的示例結(jié)構(gòu)示出了一直蝕刻穿過pin層1310，1308和1306到掩埋在硅層1302中的氧化物層1304的孔1622?？梢允褂酶晌g刻和/或濕蝕刻，可以通過原子層沉積將鈍化層添加到暴露表面。在該示例中，ge緩沖層1370在n層1306和si層1302的界面處。根據(jù)一些實(shí)施方式，類似的制造方法用于圖14和圖15所示的結(jié)構(gòu)。

圖17a至圖17d是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的孔布置、間隔、大小和鈍化層的示例的圖示。圖17a示出了間隔為280nm，鈍化層厚度為50nm的六角形布局。圖17b示出了正方形布局。圖17c和圖17d分別示出了錐形孔輪廓和豎直孔輪廓。所示的示例是針對硅，但是在對尺寸進(jìn)行小的修改的情況下，這些技術(shù)也適用于ge和第iii-v族材料族。孔可以具有圓形截面或根據(jù)一些實(shí)施方式，例如可以實(shí)施為其他形狀，例如橢圓形、矩形。

圖18是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的制造高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些其他方面的圖示。示出了圖13和圖16所描繪的示例結(jié)構(gòu)。在微結(jié)構(gòu)孔1622被蝕刻之后，沉積且退火p歐姆接觸層1828。

圖19是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的制造高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些其他方面的圖示。示出了圖13、圖16和圖18所描繪的示例結(jié)構(gòu)。在沉積和退火p歐姆金屬1828之后，可以蝕刻臺面，去除材料1972以限定pd的電容。根據(jù)pd所需的rc時間，臺面的直徑可以在5微米到超過100微米之間。對暴露的p區(qū)，i區(qū)和n區(qū)進(jìn)行鈍化以使由于例如懸掛鍵而導(dǎo)致的泄漏電流最小。根據(jù)一些實(shí)施方式，還可以使用離子注入諸如質(zhì)子轟擊來代替臺面蝕刻，以通過產(chǎn)生電半絕緣或絕緣區(qū)來限定pin結(jié)構(gòu)的電容。

圖20是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的制造高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些其他方面的圖示。示出了圖13、圖16、圖18和圖19所描繪的示例結(jié)構(gòu)。在臺面蝕刻之后，在n層1306上形成環(huán)形或部分環(huán)形n歐姆接觸2030。未示出完成pd的附加工藝步驟，例如由材料諸如聚酰亞胺形成絕緣層，使得形成橋接路徑，用于從p歐姆接觸1828到接合焊盤(也未示出)連接金屬化以用于向p區(qū)1310施加電偏壓。此外，為簡單起見，未示出n歐姆接觸2030與n接合焊盤之間的連接金屬。反向電偏壓被施加到p歐姆接觸1828和n歐姆接觸2030以在i層1308中產(chǎn)生強(qiáng)場。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以施加負(fù)1伏至負(fù)10伏的電壓。

圖21是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的有損耗的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電二極管(pd)的一些方面的圖示。圖21示出了光在吸收層1308中經(jīng)過兩次的微結(jié)構(gòu)型pd。這通過將si襯底1302到氧化物層1304的部分2174去除并且用金屬反射器2176諸如au、ag、al或cu涂覆氧化物來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)一些實(shí)施方式，布拉格反射器可以被配置成寬帶或波長選擇性。根據(jù)一些實(shí)施方式，布拉格層還可以被包括在p層1310的上表面上，以進(jìn)一步提供波長選擇性，特別是用于粗波分復(fù)用或波分復(fù)用。

圖22a和圖22b示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的使用fdtd方法對特定微結(jié)構(gòu)型pd進(jìn)行的模擬的方面。圖22b是示出對于圖21所描繪的兩次反彈結(jié)構(gòu)的光子的吸收與光子的波長的模擬結(jié)果的圖。在模擬中使用以下示例厚度：氧化物1304為2微米；p硅1310為300nm，isi1308為2微米，n硅1302為300nm，反射器2176是厚度為100nm的au。如圖22a所示假設(shè)六角形微結(jié)構(gòu)型孔。如圖22a所示，孔為600nm的中心到中心的六角形周期，480nm的孔直徑和30nm的sio2鈍化。這些尺寸僅是微結(jié)構(gòu)型孔以及其吸收特性與波長的相應(yīng)模擬的一個示例。如圖22b的曲線2210(吸收)和2212(反射)所示，發(fā)現(xiàn)在沒有微結(jié)構(gòu)型孔的si的情況下吸收明顯高。例如，在850nm波長附近，吸收大于70％。

圖23是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的高對比度微結(jié)構(gòu)型pd的方面的圖示。下部結(jié)構(gòu)類似于圖20的結(jié)構(gòu)：si襯底2302，sio2層2304和sin層2306。還可以設(shè)置下sii層2308。在這種情況下，ge用作上i層2309和p層2310。p層2310還可以由可以在gei層2309上生長的inp制成。inpp層2310的優(yōu)點(diǎn)是在0.9微米至2微米的波長處吸收較少。p層2310還可以由在gei層2309上生長的gaas制成。還示出了微結(jié)構(gòu)孔2322、p歐姆接觸2328和n歐姆接觸2330。應(yīng)注意，光可以照射到p層2310的上表面上和/或si襯底表面2302上。

圖24是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的異質(zhì)外延微結(jié)構(gòu)型pd的方面的圖示。在這種情況下，i區(qū)可以是由ge層2470分離的si(下i層2408)和ingaas(上i層2409)的復(fù)合物。p區(qū)2410是inp。根據(jù)一些實(shí)施方式，i區(qū)還可以完全是在緩沖ge層2470的薄層上生長的ingaas。還示出了si襯底2402、氧化物層2404、n層2408、微結(jié)構(gòu)孔2422、p歐姆接觸2428和n歐姆接觸2430。這是高對比度微結(jié)構(gòu)型pd結(jié)構(gòu)的示例。高對比度微結(jié)構(gòu)型pd結(jié)構(gòu)還可以包括如圖21所示的金屬反射器，其中通過在pd下方蝕刻到氧化物層來去除si，并且可以沉積au、ag、al或cu金屬層以將光反射回i吸收層。還可以如上所述使用布拉格反射器。在本示例中，光來自p層側(cè)。光還可以來自si襯底側(cè)，在這種情況下，反射器被放置在p層表面上，以兩次經(jīng)過i層。這樣的布置的優(yōu)點(diǎn)包括保持單程i層厚度不變化，同時通過兩次或更多次經(jīng)過吸收區(qū)來大大改進(jìn)吸收。通過將吸收區(qū)厚度減小到例如單程pd的一半，因?yàn)楣馍d流子的經(jīng)過時間必須要僅穿過單程pd的距離的一半，所以pd的速度增大。高對比度微結(jié)構(gòu)是指一個表面界面處的微結(jié)構(gòu)和空間或大氣與另一表面界面處的sio2和或體半導(dǎo)體材料之間的折射率差異。光以耦合本征晶胞或諧振器晶胞的復(fù)雜方式與微結(jié)構(gòu)相互作用，其中除了可能會發(fā)生線性和非線性光場增強(qiáng)之外，晶格中的每個六角形晶胞或正方形晶胞可以被認(rèn)為是耦合到其相鄰晶胞或諧振器的單個諧振器。如果沒有或有很少的光學(xué)損耗，則耦合諧振器結(jié)構(gòu)可以具有高的q(諧振器的品質(zhì)因數(shù))，或者換句話說，例如，光可以在漸次減弱之前在微結(jié)構(gòu)中來回反彈超過10⁴次至超過10⁶次。然而，在光學(xué)損耗如由于吸收弱的情況下，q可以較低，并且光可以在微結(jié)構(gòu)中來回反彈小于100次，或甚至小于20至30次。pd/apd中的微結(jié)構(gòu)是低q高對比度結(jié)構(gòu)或有損耗的高對比度結(jié)構(gòu)，每個晶胞的q耦合到相鄰晶胞。

圖25示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的用于光發(fā)射器諸如發(fā)光二極管(led)或垂直表面發(fā)射激光器(vcsel)的高對比度結(jié)構(gòu)。光發(fā)射器2500是異質(zhì)外延層結(jié)構(gòu)。si層2506形成在si襯底2502和box/sio2層2504上。緩沖ge層2570可以在si層2506上生長隨后是層2510，層2510可以是由gaas和algaas包覆的inas量子點(diǎn)2572。此外，其中“i”層可以薄到約1000nm或更薄并且其中結(jié)構(gòu)是正向偏置的簡單sipin微結(jié)構(gòu)可以是光子發(fā)射器。

圖26示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的例如用于高對比度1.3微米波長光電發(fā)射器(pe)的基本結(jié)構(gòu)。使用下述來形成1.3微米波長發(fā)射器的有源層：inas量子點(diǎn)層2570(圖25所示)或圖26中的2670，其被夾在gaasp層2604與n層2606之間，進(jìn)而又被夾在algaasp層2608與n層2602之間，并且pgaas覆蓋層2610作為最終層?？梢栽谖墨I(xiàn)中找到常用厚度。參見，例如ayliu，ssrinivasan，jnorman，acgossard，jebowers，quantumdotlasersforsiliconphotonics，photonicsresearch3(5)，b1-b9(2015)，其通過引用并入本文。此外，還可以有多層量子點(diǎn)和/或包覆層。微結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計成使得駐波波峰位于一個或更多個qd層以優(yōu)化增益和光場交疊。對于ms-pd/apd，微結(jié)構(gòu)的長度還可以使得在特定波長處，整數(shù)個波長是往復(fù)行程，以優(yōu)化例如在該特定波長處的吸收增強(qiáng)。此外，相較于沒有任何微結(jié)構(gòu)的類似結(jié)構(gòu)，單個微結(jié)構(gòu)例如單孔還可以增強(qiáng)pe或ms-pd/apd的吸收或發(fā)射。

圖27是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有蝕刻孔的高對比度微結(jié)構(gòu)型光電發(fā)射器(pe)結(jié)構(gòu)的一些基本特征的圖示。材料結(jié)構(gòu)類似于圖25所示的pe2500的材料結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)孔2722被蝕刻到有源層2510中。使用p和n歐姆接觸2728和2730，器件2700以正向偏壓偏置，p相對于n為正以從有源層2510生成光子，在本示例中有源層2510包括1.3微米波長的inas量子點(diǎn)2572。其他有源層、包覆層可用于產(chǎn)生從可見光到紅外的其他波長的光。根據(jù)光的波長，可以從頂表面和/或底表面發(fā)射光穿過氧化層2504。微結(jié)構(gòu)型高對比度光子發(fā)射器的優(yōu)點(diǎn)在于因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)具有非常小的光損耗并且量子點(diǎn)提供光學(xué)增益，由于高對比度結(jié)構(gòu)可以具有非常高的q，q的范圍在10³至100萬以上，所以在激光較長的情況下光子與有源層和/或增益層相互作用。高對比度低損耗微結(jié)構(gòu)型光電發(fā)射器可以作為led、vcsel和/或激光器和/或超輻射led進(jìn)行操作。pe使用陽極被正向偏置，2728是p歐姆，或p層相對于陰極為正電壓，2730是n歐姆或n層。

圖28是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的pe的一些方面的圖示。pe2800類似于圖27所示的pe2700，不同之處在于襯底2502的在發(fā)光區(qū)下方到氧化物層2504的部分2874被去除。反射器、金屬和/或布拉格如分布式布拉格反射器(dbr)2876形成在氧化物層上以將在有源層產(chǎn)生的光反射回p層2510表面。根據(jù)一些實(shí)施方式，器件2800以led模式和/或以激光模式進(jìn)行操作。

圖29是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的pe的一些方面的圖示。pe2900類似于圖28的pe2800，不同之處在于pe2900包括反射器2928，反射器2928可以是金屬并且如果需要還可以用作p歐姆接觸。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以設(shè)置單獨(dú)的p歐姆。反射器2928還可以是分布式布拉格反射器和/或部分金屬且部分dbr。光從氧化物層2504的下表面發(fā)射并通過襯底2502，襯底2502的部分2874被去除。光發(fā)射器2900可以以led和/或激光模式諸如vcsel模式進(jìn)行操作。根據(jù)一些實(shí)施方式，光發(fā)射器2900可以以邊緣模式進(jìn)行操作，其中在沿著發(fā)射邊緣有或沒有鏡子諸如dbr或金屬的情況下，光沿有源層的平面而不是垂直于有源層的平面發(fā)射。

圖30是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的pe的一些方面的圖示。pe3000類似于圖29的pe2900但被配置為vcsel(垂直腔表面發(fā)射激光器)。pe3000異質(zhì)外延生長在si上具有高對比度微結(jié)構(gòu)型孔(或柱)。應(yīng)注意，為簡單起見，僅顯示非?；镜牟考８邔Ρ榷冉Y(jié)構(gòu)可以夾在反射器2928和反射器3076之間。p層2510可以是通過半導(dǎo)體外延生長的dbr并且隨后是p歐姆金屬化層2928。根據(jù)一些實(shí)施方式，dbr可以由導(dǎo)電氧化物或非導(dǎo)電氧化物以及如圖28所示dbr側(cè)和/或dbr上的p金屬形成。氧化物層2504的底側(cè)上的鏡子3076可以是不同折射率的介電層的dbr和/或金屬。如圖所示光輸出是從底部，但也可以是從頂部。

圖31是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的簡單pin光電二極管結(jié)構(gòu)的一些方面的圖示。為了使由于強(qiáng)場區(qū)外部的區(qū)域中產(chǎn)生的光載流子引起的擴(kuò)散電流最小，“i”層3108、p層和n層3110和3106被高摻雜和/或簡并摻雜以減少少數(shù)載流子壽命。n和p摻雜可以在1×10¹⁸至8×10²¹/cm³或更高的范圍內(nèi)。i層3108被非有意摻雜，并且可以小于5×10¹⁶/cm³。還示出了氧化物層3104和si襯底3102。如在先前的示例中，在添加或未添加ge緩沖層的情況下，可以生長ge和/或第iii-v族材料，并且p層和n層還可以被高摻雜和/或簡并摻雜。摻雜不需要是均勻的，并且可以具有層次，例如摻雜在p或n層在“i”層界面附近減少以使外延生長期間進(jìn)入“i”層的摻雜物的擴(kuò)散最小。

通過減少p層和n層中的少數(shù)載流子壽命，這些層中的光生載流子在擴(kuò)散和/或漂移到強(qiáng)場“i”之前可以復(fù)合，其中電子和/或空穴可以產(chǎn)生可導(dǎo)致光電二極管調(diào)制頻率響應(yīng)劣化的光電流。因此，有利于使由于在強(qiáng)場區(qū)外部產(chǎn)生的載流子造成的光電流的貢獻(xiàn)最小。

減少少數(shù)載流子壽命的其他方法包括諸如經(jīng)由在p區(qū)和/或n區(qū)中部分和/或完全進(jìn)行離子注入來引入缺陷。引入的離子可以是惰性離子，和/或在部分、全部或未熱退火情況下的活性離子。此外，微結(jié)構(gòu)型孔(和/或柱)可以具有或不具有部分鈍化，使得n層和p層的低場區(qū)中的表面狀態(tài)可以用作載流子阱，而在“i”層的強(qiáng)場區(qū)中，載流子被快速清除。鈍化還可以是選擇性的，主要在“i”層。

圖32是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd制造的方面的圖示。初始材料結(jié)構(gòu)可以如圖31的結(jié)構(gòu)3100所描繪的那樣。示出了簡單nip(針對pin，n和p可互換)微結(jié)構(gòu)型光電二極管，其中孔3222被蝕刻到p層3106的頂部。目的是鈍化n和“i”層壁，并且不鈍化p層壁，從而減少p層中的由例如780nm至980nm波長的光產(chǎn)生的少數(shù)載流子的壽命。未鈍化的p壁上的表面狀態(tài)可以用作少數(shù)載流子在其中被復(fù)合的電勢阱。

圖33是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd制造的方面的圖示。示出了n和“i”層的孔3222的側(cè)壁的鈍化，其結(jié)果是鈍化層3324?？梢允褂胹io2的熱氧化和或原子層沉積來實(shí)現(xiàn)鈍化。例如，5nm至50nm厚的熱氧化物3324可以生長在側(cè)壁上。也可以生長其他厚度，在熱氧化之后，可以繼續(xù)蝕刻孔，例如，蝕刻穿過p層3106到達(dá)sio2層3104。并未示出所有的工藝步驟，例如，在繼續(xù)蝕刻孔期間，n層可被熱氧化物保護(hù)(未示出)。

圖34是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd制造的方面的圖示。在鈍化之后，如區(qū)域3422所示，孔3222被進(jìn)一步蝕刻。應(yīng)注意，n層和p層可以互換，從而替代如本示例所示的nip結(jié)構(gòu)，也可以是pin結(jié)構(gòu)?？?222可以被蝕刻到sio2層3104和/或孔3222可以僅部分蝕刻穿過p層3106，從而保留薄的p層。在本示例中，孔3222在p層3106內(nèi)的側(cè)面未被鈍化，以使得表面狀態(tài)將由光生成的任何少數(shù)載流子拉向其電勢阱并導(dǎo)致復(fù)合。根據(jù)一些實(shí)施方式，p層3106還可以被鈍化和/或部分鈍化。由于層3106還可以是重?fù)诫s的，所以少數(shù)載流子壽命可以在10s皮秒或更小。

圖35是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的方面的圖示。微結(jié)構(gòu)型nip光電二極管3560包括具有n和“i”層的鈍化側(cè)壁但不具有p層的鈍化側(cè)壁的微結(jié)構(gòu)孔3222。分別添加n和p層的歐姆接觸3528和歐姆接觸3530以提供用于光電二極管3560的高速操作的反向偏壓。照射在光電二極管的n側(cè)的光與n層平面呈法線和/或偏離法線。

圖36是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的方面的圖示。微結(jié)構(gòu)型孔光電二極管3660具有sinip層，其中與圖35所示的pd3560類似，在側(cè)壁上部分鈍化。然而，使用pd3660，光經(jīng)由光纖3680從si襯底側(cè)進(jìn)入，其中過孔3672被蝕刻以使得能進(jìn)行自對準(zhǔn)處理，其中具有或不具有透鏡3682的光纖3680沿著過孔3672被引導(dǎo)至用于將光最佳耦合到微結(jié)構(gòu)型光電二極管3660中的正確位置。約0.1微米至10微米厚的電介質(zhì)層3676可以位于孔3222上方的n層3110上。在電介質(zhì)層3676的頂部可以是金屬反射器3678諸如ag或au(例如，或任何其他合適的金屬或合金，諸如al、ni、cr)和/或電介質(zhì)堆疊諸如布拉格反射器(br)，以將光反射回吸收“i”層3108。還可以設(shè)置抗反射涂層3674。同樣如在前面的示例中，還可以在添加或不添加ge緩沖層的情況下生長ge和/或第iii-v族材料。

圖37是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的減少少數(shù)載流子壽命的技術(shù)的圖示。在這種情況下，使用表面和體復(fù)合，而不是鈍化或部分鈍化孔表面。大于10²⁰/cm³的高摻雜可以將擴(kuò)散長度減小到例如小于0.1微米(俄歇(auger)復(fù)合)。此外，離子注入用于在層3710和層3706中引入缺陷3770和缺陷3772。半導(dǎo)體中的缺陷還可以經(jīng)由shockley-read-hall復(fù)合處理導(dǎo)致壽命縮短。可以將離子諸如xe、bi、ti、cr、ar、n等注入到n層和/或p層中。與對于器件操作期望長的少數(shù)載流子壽命的已知結(jié)構(gòu)相比，所描述的技術(shù)通過外延生長和/或金屬、非金屬和惰性離子的離子注入引入缺陷，以增加由于shockley-read-hall效應(yīng)產(chǎn)生的復(fù)合率。由于可以導(dǎo)致少數(shù)載流子壽命短的缺陷，可以產(chǎn)生深和/或淺的陷阱。在p區(qū)和n區(qū)期望少數(shù)載流子的短壽命，以使擴(kuò)散電流的貢獻(xiàn)最小，這些擴(kuò)散電流找到可以產(chǎn)生光電流的到強(qiáng)場區(qū)“i”層的路徑。擴(kuò)散和/或漂移到“i”區(qū)的這些“慢”擴(kuò)散電流可以通過對光電二極管的光電流時間響應(yīng)特性貢獻(xiàn)緩慢的成分而導(dǎo)致光電二極管的時間響應(yīng)降低。

圖38a至圖38c描述了被模擬的微結(jié)構(gòu)型光電二極管的各種參數(shù)。圖38a示出了在孔中心之間具有距離“d”的六角形孔圖案。圖38b示出了在孔中心之間具有距離“d”的正方形圖案。圖38c是用于使用fdtd方法進(jìn)行模擬的參數(shù)表。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于光信號的波長范圍為例如850nm至950nm以及至980nm而言，在2微米至2.5微米厚的sio2層上有2微米厚的硅層以及在孔的六角形晶格中孔直徑為1300nm至1500nm并且周期為2000納米的情況下可以實(shí)現(xiàn)大于90％的吸收。此外，波長可以在750nm至1000nm范圍內(nèi)?？字睆娇梢允莵啿ㄩL到大于入射光信號的波長，直徑范圍從100nm到3000nm。si吸收層的厚度可以在0.3微米至10微米的范圍內(nèi)。sio2層的范圍可以為0.2微米至10微米。根據(jù)一些實(shí)施方式，還可以使用混合孔直徑來優(yōu)化入射光子的吸收。

圖39是描繪使用fdtd對微結(jié)構(gòu)型孔光電二極管針對吸收相對波長模擬的結(jié)果曲線圖。光電二極管吸收“i”層的厚度為2微米，孔直徑范圍為1000nm至1500nm。入射能量波長范圍為850nm至950nm。三條曲線3910，3912和3914分別繪制了1000nm，1300nm和1500nm孔直徑的吸收。模擬結(jié)果表明，對于具有2000nm的周期的孔的六角形晶格，在850nm至870nm的波長范圍內(nèi)，1500nm的孔直徑實(shí)現(xiàn)大于90％的吸收，以及在875nm至950nm的波長范圍內(nèi)，1300nm的孔直徑可以實(shí)現(xiàn)大于80％的吸收。2微米si位于2微米至2.5微米的sio2層的頂部?？梢钥闯?，相較于沒有任何特征的常規(guī)硅層，具有大于入射波長的孔直徑可以用于增強(qiáng)吸收。

圖40是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有p-i-p-i-n外延結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(apd)的圖示。在圖40的情況下，例如，apd4060的所有層均為用于780nm至1000nm的光通信波長的硅。apd4060還可以在可見的波長范圍內(nèi)操作。數(shù)據(jù)速率的范圍在100mb/s至50gb/s或更大。反向偏置電壓施加在p歐姆接觸4028和n歐姆接觸4030之間，電壓范圍為-4伏至-50伏。例如，雪崩微結(jié)構(gòu)型光電二極管4060可以具有以下?lián)诫s和厚度：p層4010，摻雜>1×10¹⁹/cm³，厚度0.1μm至1.0μm；i層4008，摻雜<1×10¹⁶/cm³，厚度為0.5μm至3μm；p層4020，摻雜1×10¹⁷/cm³至3×10¹⁷/cm³，厚度0.1μm至0.5μm；i層4018，摻雜<1×10¹⁶/cm³，厚度0.3μm至1μm；以及n層4006，摻雜>1×10¹⁹/cm³，厚度為0.5μm至3μm。根據(jù)一些實(shí)施方式，頂部兩層4010和4008還可以是ge而不是si?？?022可以被部分蝕刻穿過apd層或者如圖40所示被完全蝕刻到s1o2層4004。

如在微結(jié)構(gòu)型光電二極管的情況下，對于apd，光信號可以從前側(cè)(外延層側(cè))或背面(襯底側(cè))照射。此外，通過襯底中的過孔，可以在sio2上沉積反射器，導(dǎo)致apd結(jié)構(gòu)內(nèi)的光信號的雙重或多次反彈。根據(jù)一些實(shí)施方式，p和n可互換，得到n-i-n-i-p微結(jié)構(gòu)的apd。

圖41是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的具有p-i-p-i-n外延結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(apd)的圖示。apd4160與圖40所描繪的apd4060類似，不同之處在于孔4122(或柱)被部分蝕刻。在圖41所示的示例中，孔4122被部分蝕刻到p層4020中和/或在p層4020處停止。根據(jù)一些其他實(shí)施方式，孔4122可以被部分蝕刻到i吸收層4008中。

圖42是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有g(shù)e吸收層和gep覆蓋層的微結(jié)構(gòu)型apd的圖示。apd4260與圖40所描繪的apd4060相似或相同，除了兩個上層4210和4208是ge而不是si之外。apd4260可以具有與上述apd4060相同的摻雜和厚度范圍，除了pge層4210可以具有大于1×10²⁰/cm³的摻雜水平之外。在掩埋氧化物(box)硅襯底上外延生長apd結(jié)構(gòu)p(ge)-i(ge)-p(si)-i(si)-n(si)之后，然后蝕刻微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)可以是孔/柱或兩者的組合。可以對sio2層進(jìn)行蝕刻，或者還可以部分蝕刻到在到達(dá)sio2層4004之前的深度，例如，可以將孔蝕刻至psi層4020或蝕刻到psi層4020中。期望具有微結(jié)構(gòu)的ge吸收層4208使得光信號能夠在780nm至2000nm的波長處以100mb/s至50gb/s或更高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行操作。光信號可以從頂表面(外延表面)或底表面(襯底表面)照射。使用沉積在sio2上的過孔和反射器，從頂表面照射的光信號可以被二次和/或多次反射回吸收i(ge)層4208。由于si、空氣和ge之間存在光學(xué)折射率差異，所以可以建立駐波，并且可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的厚度以使吸收層處于駐波也稱為靜止波或本征模的峰值強(qiáng)度。此外，在si是透明的波長處，可以將微透鏡蝕刻到si襯底中，以幫助將光信號從底表面耦合到apd中。sio2和反射器還可以被放置在p(ge)4210表面上以將從底部照射的光學(xué)信號反射回吸收i(ge)層4208。反向偏置電壓施加在p歐姆接觸4028和n歐姆接觸4030之間，反向偏置電壓范圍從-4伏到-50伏。

圖43a至圖43d示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型光電二極管和apd的偏振敏感度。圖43a示出了用于模擬的幾何形狀?？自诖笮『椭芷谏鲜菍ΨQ的；光信號沿著b或a的電場偏振示出了ms-pd/apd的吸收特性的差異小于5％。吸收等于入射光減去光的透射和反射，量子效率與吸收成正比。在孔尺寸“a”和“b”的尺寸不相同的情況下，ms-pd/apd示出偏振敏感度。在圖43b中，曲線4310繪出“a”和“b”尺寸均等于1000nm時的吸收相對波長。吸收特性顯示小于5％的差異。圖43c示出了a＝1300nm和b＝870nm的情況下的結(jié)果。曲線4320和曲線4322示出了沿著a或b的偏振下吸收值的差異可以看出多達(dá)2倍。圖43d示出了a＝1500nm和b＝650nm的情況下的結(jié)果。曲線4330和曲線4332示出了由偏振取向引起的吸收差異也可以多達(dá)2倍。在“a”，“b”，a和b的尺寸都進(jìn)一步變化時，由于偏振取向引起的吸收差異可以是10至100倍或更多。偏振“不敏感”(由于偏振取向引起的吸收變化小于5％的)和偏振敏感(吸收變化為10或更多倍的偏振取向)的光電二極管和apd都是有用的。在信號不被偏振復(fù)用的情況下，例如在使用相同波長的情況下，可以傳輸兩個通道，一個通道具有一個偏振，另一通道與第一通道正交。例如，每個通道可以在相同波長處以特定偏振以25gb/s傳輸。在接收端，使用偏振敏感光電檢測器對信號進(jìn)行解復(fù)用。在850nm的波長下，聚合數(shù)據(jù)速率為50gb/s。在激光器的直接調(diào)制中，激光器的光譜總是比例如以cw模式操作的激光器的光譜寬。光譜可以加寬多達(dá)幾納米(例如3nm)。因此，在850nm處，如果激光器被直接調(diào)制，則中心頻率可以在850nm處加寬多達(dá)約正負(fù)1.5wnm。在垂直腔表面發(fā)射激光器中，由于多個橫向模式，所以橫向模式可以明顯地貢獻(xiàn)更寬的頻譜。在多模系統(tǒng)中，這是可取的，因?yàn)檫@減少了模式選擇的損耗。

圖44示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的與跨阻抗放大器和/或用于數(shù)據(jù)處理和路由的另一asic(專用集成電路)集成的ms-pd/apd。工藝可以是cmos和/或bicmos。示出ms-pd/apd4420通過電引線4422電連接到電子器件4430(例如跨阻抗放大器(tia)和/或另一asic)。這些部件全部集成到單個硅襯底4410上。將微結(jié)構(gòu)型pd/apd與ic電子器件集成的一個優(yōu)點(diǎn)是減少封裝成本，其中，使用還可以在不使用多芯片陶瓷載體的情況下直接放置在電路板上的單個芯片替代兩個或更多個單獨(dú)器件。將ms-pd/apd與電子器件集成在單個芯片上的另一個優(yōu)點(diǎn)是由于省略了連接到歐姆接觸的相對較大的接合焊盤所以可能具有低電容。針對所有硅微結(jié)構(gòu)型pd/apd的工作波長范圍為800nm至990nm。隨著ge微結(jié)構(gòu)型吸收層的添加，工作波長可以擴(kuò)展到1800nm。可以單獨(dú)或以陣列方式實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)速率10gb/s、28gb/s、58gb/s進(jìn)行操作。根據(jù)協(xié)議和鏈路應(yīng)用，數(shù)據(jù)速率還可以是1gb/s、5gb/s、20gb/s、25gb/s、30gb/s、40gb/s。通常在多模光纖和/或光纖上的高數(shù)據(jù)速率在距離1米以下至100米以上的長度的距離處使用。多重光纖和微結(jié)構(gòu)型pd/apd(ms-pd/apd)陣列可用于提供100gb/s至超過400gb/s的聚合數(shù)據(jù)速率。例如，10個光纖通道，每個光纖以10gb/s運(yùn)行，以及與ic電子器件諸如跨阻抗放大器(tia)和/或其他信號處理/路由ic電子器件集成在單個硅芯片上的10個ms-pd/apd陣列可以具有100gb/s的聚合數(shù)據(jù)速率。如果每個通道為56gb/s，則10個通道的聚合數(shù)據(jù)速率可以超過500gb/s。

圖45是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示。根據(jù)一些實(shí)施方式，tia和/或其他信號處理集成電路4530是使用cmos和/或bicmos工藝制造。使用焊料凸塊4512和焊料凸塊4514和/或類似的凸塊技術(shù)將芯片4510附接到pcb(印刷電路板)4550。根據(jù)一些實(shí)施方式，使用一些或全部焊料凸塊4512在芯片4510與pcb4550之間進(jìn)行電連接，而因?yàn)榭梢圆恍枰苯釉趍s-pd/apd4520與pcb4550之間進(jìn)行電連接，所以焊料凸塊4514僅用于物理安裝和/或穩(wěn)定。根據(jù)一些實(shí)施方式，芯片4510附接到另一芯片或多芯片載體而不是pcb4550。將芯片4510直接封裝到pcb4550上比已知現(xiàn)有技術(shù)封裝降低多達(dá)80％的封裝成本，其中在將多芯片陶瓷載體放置在pcb上之前，首先將pd和ic電子器件安裝在該載體上。此外，可以在硅芯片4510上制造集成光學(xué)透鏡4522，以將光從光纖4524聚焦到ms-pd/apd4520。應(yīng)注意，在這種布置中，光信號從ms-pd/apd4520的襯底側(cè)進(jìn)入。si上的集成透鏡4522可用于工作波長大于1100nm(例如1100nm至1800nm)的情況，ge微結(jié)構(gòu)可用于對進(jìn)入光信號的吸收。

圖46是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示。芯片和安裝技術(shù)與圖45中所描繪和針對圖45所描繪的芯片和安裝技術(shù)相似或相同。在這種情況下，芯片4510包括其中將至ms-pd/apd4520的光路中的大部分或全部硅去除的過孔4626。設(shè)置集成電介質(zhì)透鏡4622以收集光并將其引導(dǎo)到ms-pd/apd4520上。根據(jù)一些實(shí)施方式，使用光導(dǎo)管代替透鏡4622。過孔4626的側(cè)壁可以涂覆有電介質(zhì)和/或金屬以幫助收集光?？梢栽谕哥R4622上設(shè)置抗反射涂層，以減少光信號反射回光纖4524中的任何反射。此外，可以傾斜光纖4524或芯片4510以減少反射回光纖4524中的任何反射。光纖4524用于以小于1gb/s到大于60gb/s范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率將光信號從激光源帶到集成的pd/apd和ic電子芯片4510。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以使用約1gb/s、5gb/s、10gb/s、20gb/s、28gb/s、50gb/s、56gb/s的數(shù)據(jù)速率。根據(jù)一些實(shí)施方式，對于所有硅微結(jié)構(gòu)型pd/apd(ms-pd/apd)，光信號波長可以在800nm至990nm范圍內(nèi)，以及在微結(jié)構(gòu)型ge用于吸收層的情況下，波長可以擴(kuò)展到1800nm。

圖47是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示。芯片和安裝技術(shù)與圖45和圖46中描繪的以及針對圖45和圖46描述的芯片和安裝技術(shù)相似或相同。如圖45和圖46所示，單個芯片4510包含光學(xué)元件和電子元件。在芯片4510的襯底中有過孔4626從而除去到與集成的菲涅耳透鏡4722一起的ms-pd/apd4520的光路中的si的大部分或全部的情況下，從光纖4524高效地收集光信號。所收集的光信號照射在ms-pd/apd4520上。根據(jù)一些實(shí)施方式，替代菲涅爾透鏡4722，使用高對比度光柵(hcg)。根據(jù)一些實(shí)施方式，hcg可以具有濾波效果，使得僅特定的光波長可以傳輸至ms-pd/apd，而其余的光波長被反射。該帶通性質(zhì)對于在單條光纖中使用多個波長的粗波分復(fù)用(cwdm)而言是有用的。

圖48是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示。芯片和安裝技術(shù)與圖45至圖47中描繪的以及針對圖45至圖47描述的芯片和安裝技術(shù)相似或相同。過孔4626的壁可以使用電介質(zhì)和/或金屬來涂覆以提供用于使光照射在ms-pd/apd4520上的光導(dǎo)管。然后可以將光纖4524插入到過孔4626中，使得光纖4524提供用于將光纖4524對準(zhǔn)ms-pd/apd4520的引導(dǎo)，從而簡化了光纖到ms-pd/apd的光學(xué)封裝和對準(zhǔn)，并且成本降低大約30％或更多。根據(jù)一些實(shí)施方式，光纖4524也可以逐漸變細(xì)以及/或者過孔4626可以具有多個直徑，使得過孔4626向光纖4524提供停止。例如，過孔4626中的階梯設(shè)置成使得光纖4524的邊緣可以擱置在階梯上，在此處可以將光纖附接至硅。該階梯式布置還提供光纖與ms-pd/apd之間的精確距離，以獲得最佳光采集。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以在過孔4626中——特別是在光纖4524與ms-pd/apd4520之間的空間中——使用折射率匹配流體、凝膠和/或聚合物和/或電介質(zhì)體或薄膜，以優(yōu)化從光纖到ms-pd/apd的光信號的傳輸。

如上面所提及的，在光從襯底側(cè)進(jìn)入(底部照明)情況下，ms-pd/apd可以采用ms-pd/apd內(nèi)的光信號的雙次反彈和/或多次反彈。這使得吸收層變薄，同時仍獲得高量子效率。更薄的吸收層也將允許更快的渡越時間，從而使得ms-pd/apd以更高的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行操作。

圖49是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示。芯片和安裝技術(shù)與圖45至圖48中描繪的以及針對圖45至圖48描述的芯片和安裝技術(shù)相似或相同。在該示例中，球透鏡4922位于過孔4626內(nèi)，以高效地將光從光纖4524耦合至ms-pd/apd4520。球透鏡4922可以坐于過孔4626中，以將透鏡對準(zhǔn)ms-pd/apd4520。

圖50是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示。芯片和安裝技術(shù)與圖45至圖49中描繪的以及針對圖45至圖49描述的芯片和安裝技術(shù)相似或相同。在該示例中，球透鏡5022坐于過孔4626中，其中，大部分或全部硅被蝕刻掉，使得光主要在空氣和/或折射率匹配材料例如流體、凝膠、聚合物、固體中傳播。此外，過孔4626用作用于將光纖4626對準(zhǔn)球透鏡5022并轉(zhuǎn)而對準(zhǔn)ms-pd/apd4520的引導(dǎo)和/或停止。

圖51是示出根據(jù)一些其他實(shí)施方式的與tia和/或另一信號處理ic集成在單個硅芯片上的ms-pd/apd的倒裝芯片布置的一些方面的圖示。除了ms-pd/apd5120和tia和/或其他信號處理集成電路5130安裝在硅芯片5110的上表面上或上表面附近之外，芯片和安裝技術(shù)與圖45至圖50中描繪的以及針對圖45至圖50描述的芯片和安裝技術(shù)類似。金屬導(dǎo)體管道5132和5134可以由al、cu、mo、w、ni或tin等制成。管道5132將ms-pd/apd5120連接至ic電子器件5130。管道5134使用例如凸塊技術(shù)例如焊料凸塊將ic電子器件5130連接至pcb4550(或芯片載體)上的跡線，從而使得芯片與pcb和/或芯片載體良好對準(zhǔn)。根據(jù)一些實(shí)施方式，還可以采用使用引線接合的其他方法來將ic電子器件連接至pcb和/或芯片載體上的跡線。使光纖4524靠近ms-pd/apd5120，并且該布置可以包括光纖4524的尖端上的球透鏡和/或光纖與ms-pd/apd之間的球透鏡。例如針對圖45至圖50所描述的那樣，還可以使用其他光聚焦元件例如光柵、菲涅耳透鏡等。根據(jù)一些實(shí)施方式，如果存在如上所述的ms-pd/apd結(jié)構(gòu)中所示的折射率不連續(xù)性例如掩埋的二氧化硅層(box，掩埋的氧化物)和/或微結(jié)構(gòu)的有效折射率與體材料的折射率的變化，則從外延表面照射的光(頂部照射)也可以具有ms-pd/apd5120內(nèi)的光信號的雙次反彈和/或多次反彈。ms-pd/apd內(nèi)的光信號的雙次和/或多次反彈允許更薄的吸收層，而不會顯著地犧牲量子效率和短的渡越時間，從而使得ms-pd/apd以更高數(shù)據(jù)速率進(jìn)行操作。雙次反彈或多次反彈的光是指在穿過ms-pd/apd時未吸收并且離開ms-pd/apd結(jié)構(gòu)的光；這些光子朝向ms-pd/apd結(jié)構(gòu)被反射回。在孔和/或柱的微結(jié)構(gòu)內(nèi)，光也可以處于諧振和/或耦合諧振狀態(tài)，這可以引起增大的有效吸收系數(shù)和/或增大的有效吸收長度。

圖52是示出與ic電子器件例如tia和/或其他信號處理及路由電子器件集成在單個si芯片上的ms-pd/apd的陣列的圖。例如，陣列可以包括與用于信號處理、路由、存儲的ic電子器件例如tia和/或asic集成的2至超過10個ms-pd/apd。在所示的示例中，示出了安裝在單個si芯片5210上的四個ms-pd/apd5220、5222、5224和5226。ms-pd/apd5220、5222、5224和5226分別連接至ic電子器件5230、5232、5234和5236。然而，根據(jù)一些實(shí)施方式，多個ms-pd/apd連接至si芯片上的單個ic電子單元，或者多個ic電子單元連接至單個ms-pd/apd。陣列中的ms-pd/apd可以是相同的，例如針對相同波長例如850nm至870nm優(yōu)化微結(jié)構(gòu)例如孔直徑和周期。根據(jù)其他實(shí)施方式，可以針對不同波段的波長來優(yōu)化陣列中的每個ms-pd/apd。例如，如果陣列中存在四個ms-pd/apd，則可以通過優(yōu)化每個ms-pd/apd的孔直徑和周期分別在850nm至870nm、875nm至895nm、900nm至920nm和920nm至950nm(或其任何組合)處來優(yōu)化ms-pd/apd。參見例如molin等人的“850-950nmwidebandom4multimodefiberfornextgenerationwdmsystems”，ofc(2015)，其通過引用并入到本文中。取決于光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議及應(yīng)用，數(shù)據(jù)速率可以是1、5、10、16、20、25、28、32、40、56和更大，并且其間的所有范圍都是可能的。光纖5240、5242、5244和5246可以是分離的光纖或可以被提供作為平行光纖帶。光纖5240、5242、5244和5246可以各自承載用于wdm和cwdm的單個波段的波長和/或多個波段的波長，以給出100gb/s至1tb/s或更大的聚合數(shù)據(jù)速率。例如，具有各自以10gb/s的10個光纖通道的10個ms-pd/apd的陣列提供100gb/s的聚合數(shù)據(jù)速率。具有各自以25gb/s至28gb/s的4個光纖通道的四個ms-pd/apd的陣列提供100gb/s的聚合數(shù)據(jù)速率、具有各自以56gb/s的兩個光纖通道的兩個ms-pd/apd陣列提供100+gb/s的聚合數(shù)據(jù)速率。如果每個光纖通道可以承載多個波長波段例如850nm至870nm和875nm至895nm并且每個波長波段可以以25gb/s至28gb/s傳輸，則4個光纖的陣列可以有效地具有超過200gb/s的聚合數(shù)據(jù)速率。

圖53是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的用于高數(shù)據(jù)速率ms-pd的外延結(jié)構(gòu)的圖。所示的結(jié)構(gòu)能夠大于10gb/s?？?322被蝕刻至sio2box層5304，或者孔5322可以被蝕刻至例如p層5306和/或被部分蝕刻到p層5306中。摻雜和厚度如下：si襯底5302的厚度為150μm；box層5304的厚度為2μm至4μm；p+層5306的厚度為0.2μm至1μm，其中，摻雜>1×10²⁰/cm³；i層5308的厚度為1.5μm至2μm并且被非有意摻雜(小于5×10¹⁶/cm³)；以及n+層5310的厚度為0.2μm至0.5μm，其中，摻雜>1×10¹⁹/cm³。n層5310和p層5308的高摻雜使少數(shù)載流子的壽命減少以使可能導(dǎo)致pd響應(yīng)慢的擴(kuò)散電流最小。根據(jù)一些實(shí)施方式，使用高達(dá)>1×10²⁰/cm³和1×10²¹/cm³的摻雜，使得少數(shù)載流子壽命以皮秒為單位，并且串聯(lián)電阻降低。

圖54是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的用于高數(shù)據(jù)速率ms-pd的外延結(jié)構(gòu)的圖。除了將孔5422蝕刻至p層5306的頂部和/或剛好進(jìn)入到p層5306中之外，結(jié)構(gòu)和摻雜與圖53中描繪的以及針對圖53描述的結(jié)構(gòu)和摻雜類似或相同。

圖55是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的用于高數(shù)據(jù)速率ms-pd的外延結(jié)構(gòu)的圖。除了將孔5522蝕刻到p層5306中至少一半之外，結(jié)構(gòu)和摻雜與圖53和圖54中描繪的以及針對圖53和圖54描述的結(jié)構(gòu)和摻雜類似或相同。

圖56是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的臺面尺寸、孔直徑、孔周期距離和晶格圖案的表。在這些示例中，晶格可以是六角形或正方形?？卓梢允菆A形的、橢圓形的、多邊形的?？自谥芷跒?000nm的情況下直徑為1300nm、在周期為2000nm的情況下直徑為1500nm、在周期為1000nm的情況下直徑為700nm、在周期為900nm的情況下直徑為630nm。操作波長為800nm至990nm，并且材料為si?？梢园ū〉膕io2鈍化層，其厚度范圍為3nm至100nm。取決于ms-pd的數(shù)據(jù)速率，部分地限定ms-pd(不包括接合焊盤和接觸金屬)的電容的臺面尺寸為5μm、10μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm和80μm。低電容和短渡越時間引起更高數(shù)據(jù)速率ms-pd。

圖57a和圖57b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的六角形以及正方形的晶格孔圖案的圖。圖57a示出了六角形的晶格圖案，而圖57b示出了正方形的圖案，其中“d”是每種情況下的周期。根據(jù)一些實(shí)施方式，這些布局針對圖56所示的ms-pd的示例參數(shù)。

圖58是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的硅ms-pd的外延層結(jié)構(gòu)的圖。結(jié)構(gòu)厚度和摻雜如下：si襯底5802為150μm；box(掩埋氧化物)層5804的厚度為2μm至4μm；sip層5806的厚度為0.2μm至0.5μm并且被摻雜成>2×10²⁰/cm³。sii層5808的厚度約為1.5μm至2μm并且被非有意摻雜(具有小于5×10¹⁶/cm³的背景摻雜)；sin層5810的厚度約為0.2μm并且被摻雜成>2×10²⁰/cm³。例如，p層和n層的高摻雜也可以是>1×10¹⁹/cm³。根據(jù)一些實(shí)施方式，在psi5806和isi5808的界面處可以包括由材料例如sigeb、sigec或sigebc制成的厚度為5nm至50nm的蝕刻停止層，以在蝕刻微結(jié)構(gòu)孔和/或臺面期間協(xié)助工藝。如果使用被重p型摻雜的sigeb，則能夠得到結(jié)構(gòu)為n-i-p型。p區(qū)和n區(qū)的高摻雜除了減小薄層電阻之外也減少了少數(shù)載流子壽命，使得在p和n區(qū)中吸收的光子對光電流的貢獻(xiàn)最小。p區(qū)和n區(qū)中的減少的少數(shù)載流子壽命減少了光生載流子向強(qiáng)場“i”區(qū)的擴(kuò)散，其中，少數(shù)載流子被掃掠到陽極和陰極并且對光電流有貢獻(xiàn)。

圖59是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的各方面的圖示。材料結(jié)構(gòu)——包括厚度和摻雜——與圖58中描繪的以及針對圖58描述的材料結(jié)構(gòu)相似或相同。在圖59的情況下，層5910和層5906中的p摻雜和n摻雜被互換，從而得到p-i-n布置。注意，在圖58或圖59中，該布置可以是p-i-n或n-i-p?？?922被蝕刻至sio2層5804，并且p歐姆接觸5928和n歐姆接觸5930分別與p層5910和n層5906接觸。對臺面進(jìn)行蝕刻以限定光敏區(qū)域并限定pin結(jié)構(gòu)的電容。取決于ms-pd被設(shè)計用于的數(shù)據(jù)速率(如針對圖56描述的)，臺面直徑范圍為從10μm到80μm。對于20gb/s至40gb/s，臺面的直徑通常為20μm至40μm的直徑。具有0.2μm厚度和>2×10²⁰/cm³的摻雜的p層5910可以具有小于大約50歐姆的薄層電阻率。具有0.2μm厚度和摻雜>2×10²⁰/cm³的n層5906可以提供小于大約35歐姆的薄層電阻。例如，p層和n層的高摻雜也可以>1×10¹⁹/cm³。較薄的p層和n層使得更高百分比的光功率處于“i”層中，并且在p層和n層中的百分比較小，從而最大化ms-pd的量子效率。為簡單起見，未示出鈍化、聚酰亞胺橋、接合焊盤和其他工藝步驟。在p接觸與n接觸之間施加反向偏置電壓，以在“i”層中形成強(qiáng)場區(qū)。電壓的范圍通常為約2v至6v。在所示的情況下，照明可以以法線角度或偏離法線的角度從頂部進(jìn)行。波長的范圍為800nm至990nm，但也可以使用其他波長例如780nm。標(biāo)稱波長為850nm并且也可以包括波長如810nm至830nm、830nm至850nm、850nm至880nm、930nm至960nm、960nm至990nm。

圖60是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的各方面的圖示。ms-pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖58和圖60中描繪的以及針對圖58和圖60描述的ms-pd類似或相同。在這種情況下，孔6022被蝕刻至n層5906和/或蝕刻到n層5906中，但不會如圖59所示全部蝕刻至sio2層5804。因此，在n層中不存在增強(qiáng)的吸收，這可以引起在“i”層中的光功率的較高百分比，這傾向于提高ms-pd的量子效率。sio2層5804可以是需要的或可以是不需要的。

圖61是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的ms-pd的各方面的圖示。ms-pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖58至圖61中描繪的以及針對圖58至圖61描述的ms-pd類似或相同。在這種情況下，sims-pd從襯底側(cè)被照射(本文中也稱為背面照射或底部照射)。對過孔6170進(jìn)行蝕刻以去除硅襯底并且蝕刻至sio2層5804或近乎至sio2層或到sio2層中或穿過sio2層。去除si襯底5802以使在800nm至990nm波長范圍內(nèi)的光損耗最小。制造p層5910表面上的反射器6132，其可以包括填充工藝?yán)缇埘啺?、固體二氧化碳或旋涂玻璃(sog)，使得反射器6132不會使pin二極管變短。注意，反射器6132不需要精確地為平面的，而是可以在具有孔的區(qū)域中是凹面的，這可以增強(qiáng)光波的俘獲。反射器6132可以是電介質(zhì)、布拉格反射器、導(dǎo)電透明金屬氧化物、金屬或合金例如ag、au或其任何組合。氧化銦錫(ito)也可以與非導(dǎo)電電介質(zhì)一起被使用以形成布拉格反射器。金屬和/或?qū)щ娧趸镞€可以減小p層5910的薄層電阻，從而減小寄生電阻并提高ms-pd的調(diào)制頻率響應(yīng)(數(shù)據(jù)速率)。根據(jù)一些實(shí)施方式，在使用反射器進(jìn)行背面照射的情況下，“i”層5808可以更薄，這是因?yàn)楣饪梢源┻^“i”層傳播至少兩次或可能更多次，在提高ms-pd的調(diào)制頻率(數(shù)據(jù)速率)響應(yīng)的同時不會降低量子效率。這是因?yàn)椤癷”層越薄，光生載流子的渡越時間越短。光電二極管的頻率響應(yīng)由其電容和電阻(rc時間)以及渡越時間來確定。例如，針對某些高數(shù)據(jù)速率，光學(xué)渡越時間可以在比為100或更大的因數(shù)大的高增強(qiáng)的有效吸收長度處變得很重要。

圖62示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的用于ms-pd的si上gepin外延層結(jié)構(gòu)。材料結(jié)構(gòu)——包括厚度和摻雜——與圖58至圖62中描繪的以及針對圖58至圖62描述的材料結(jié)構(gòu)相似或相同。在這種情況下，摻雜>2×10⁹/cm³的nsi層6206可以具有0.2μm至2μm的厚度。還包括被非有意摻雜的小于2×10¹⁶/cm³的摻雜并且厚度為0.5μm至2μm的ge“i”層6208。形成厚度為0.1μm至0.2μm并且摻雜>2×10²⁰/cm³的上部gep層6210。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以在nsi層6206與“i”ge層6208的界面處使用薄的ge緩沖層(未示出)，以引發(fā)ge在si上的良好晶體生長。p和n的高摻雜也減小了少數(shù)載流子壽命，從而使可能被掃掠到可能對總體光電流有貢獻(xiàn)的強(qiáng)場“i”區(qū)中的光生載流子的擴(kuò)散最小。

圖63示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的si上gems-pd。ms-pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖58和圖62中描繪的以及針對圖58和圖62描述的ms-pd類似或相同?？?322被蝕刻至sio2層5804，或者可以將孔蝕刻至nsi層6208，在這種情況下可以需要或不需要sio2層5804，并且從頂部或正面(外延表面)照射ms-pd。在1100nm至1800nm的波長范圍內(nèi)的光子吸收大部分在ge區(qū)而不是si區(qū)中。通過保持薄的pge層6210，在ge“i”層6208中吸收較大百分比的光子，從而提高了量子效率。ge與si之間的高折射率差可能需要僅將孔蝕刻至sin層6206的頂部。然而，在該示例中，孔6322被蝕刻至sio2層5804。在這種情況下，nsi層6206的厚度可以達(dá)到2μm，并且摻雜可以在>1×10¹⁹/cm³的范圍內(nèi)，以提供小于50歐姆的薄層電阻。對于850nm操作而言，或?qū)τ?00nm至990nm范圍內(nèi)的波長而言，薄的nsi層可以增大在ige區(qū)吸收的光子的百分比。具有摻雜>2×10²⁰/cm³的0.2μm厚的nsi層將提供小于50歐姆的薄層電阻并且也減小少數(shù)載流子壽命。還可以針對800nm至990nm或800nm至1800nm的波長范圍使用2μm厚的nsi層，這是因?yàn)閷τ?00nm至990nm范圍內(nèi)的波長而言，ge通過2μm的長度吸收超過90％的光子。因此，少于5％的光子到達(dá)nsi層。在850nm的波長處少于1％到達(dá)nsi層，并且在990nm處少于3％到達(dá)nsi層。

在某些情況下，對于800nm至990nm的波長范圍而言，微結(jié)構(gòu)型孔可能不是主要用于增強(qiáng)吸收，而是減小電容，其中，孔部分或完全蝕刻至(一個或更多個)ge層中。此外，可能不需要孔，并且可以使用體ge。根據(jù)一些實(shí)施方式，微結(jié)構(gòu)還可以用于減少反射。

圖64示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的si上gems-pd。ms-pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖58至圖63中描繪的以及針對圖58至圖63描述的ms-pd類似或相同。在這種情況下，孔6422被蝕刻至si層6206。ge的折射率約為4，而si的折射率約為3.45。該折射率差可以在ge區(qū)域中提供足夠增強(qiáng)的吸收。在這種情況下，可能不需要sio2層5804，并且ms-pd可以在沒有box層5804的si晶片上生長。對于1100nm至1800nm的波長范圍而言，si具有可接受地低的光損耗，并且大部分吸收是在ge區(qū)中。對于頂部照射的ms-pd，可以使pge層變薄，使得大部分光子在ige區(qū)中被吸收，這增大了量子效率。ito(銦錫氧化物)可以與pge層6210結(jié)合使用，以進(jìn)一步減小p層的薄層電阻。

圖65示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的si上gems-pd。ms-pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖58至圖64中描繪的以及針對圖58至圖64描述的ms-pd類似或相同。在這種情況下，ms-pd是背面照射或底部照射。該結(jié)構(gòu)通過使用0.2μm的薄nsi層對于800nm至1800nm的波長范圍而言非常優(yōu)良。少于3％的波長為800nm的光子在nsi層6206中被吸收。此外，在單次穿過1μm的ge時，超過85％的990nm光子被吸收。在雙次穿過時，超過95％的990nm光子被吸收。在gei在nsi上生長的背面照射的ms-pd中，與pge層上的反射器6532一起，光子的雙次和/或多次穿過允許較薄的i吸收層6208，這減少了光生電子和空穴的渡越時間?？梢詫?shí)現(xiàn)40gb/s以上的具有更高帶寬的光電二極管?？梢詫⒖?322蝕刻至sio2層504或蝕刻至si層6206(如圖64所示)。在微結(jié)構(gòu)型孔陣列的情況下，增強(qiáng)的吸收可以發(fā)生在1100nm至1800nm的波長處。例如在1550nm處，在雙次穿過1μm厚的體ge的情況下，小于9％被吸收，而在ge層中具有微結(jié)構(gòu)型孔的情況下，可以實(shí)現(xiàn)大于30％的吸收，并且在一些情況下可以實(shí)現(xiàn)大于50％的吸收。在某些情況下，可以在1550nm處在1μm厚的ge中雙次穿過或在2μm厚的gems-pd中單次穿過實(shí)現(xiàn)在具有g(shù)ei層的ms-pd中的大于70％的吸收。

ms-pd可以具有以下層：ge(或sige)p層6210可以被摻雜成>2×10²⁰/cm³，其厚度約為0.1μm；gei(吸收層)6208可以被非有意摻雜(<5×10¹⁶/cm³)，其厚度為0.5μm至2.0μm；最終sin層6206可以被摻雜成>2×10¹⁹/cm³，其厚度為0.2μm至0.5μm。此外，在過孔蝕刻以去除si襯底期間，sio2層可以保持完整、部分蝕刻或完全蝕刻以去除sio2。

圖66是示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的si上gepd的圖示。pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖58至圖65中描繪的以及針對圖58至圖65描述的pd類似。圖66示出為被布置為倒裝芯片，盡管在由于pge層而輕微退化的情況下正面照射布置也是可以的。pd與圖64所示的ms-pd類似，但沒有微結(jié)構(gòu)型孔陣列。如針對800nm至1300nm——特別是針對1300nm波長區(qū)域——中的操作所示的具有外延結(jié)構(gòu)的si上ge光電二極管具有雙次反彈的優(yōu)點(diǎn)并且仍保持高數(shù)據(jù)速率操作。pd可以與sigebicmos集成。根據(jù)一些實(shí)施方式，省略了sio2層。在焊料凸塊技術(shù)的情況下，如上面對于例如如圖44至圖52所示的其他實(shí)施方式所描述的，pd可以是直接安裝在pcb上的倒裝芯片。根據(jù)一些實(shí)施方式，pd可以具有以下層：被摻雜成>2×10²⁰/cm³的ge(或sige)p層6210，其厚度為約0.1μm；非有意摻雜(<5×10¹⁶/cm³)的gei(吸收層)6208，其厚度為0.5μm至2.0μm；以及最后被摻雜成>2×10¹⁹/cm³的sin層6206，其厚度為0.2μm至0.5μm。此外，在蝕刻過孔6670以去除si襯底期間，sio2層5804可以保持原樣(如圖65所示)、被部分蝕刻或完全蝕刻以去除sio2(如圖66所示)?？梢栽趕in層上施加抗反射層(未示出)，以在完全蝕刻掉sio2層的情況下使反射最小。

圖67是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上gepd的圖示。pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖58至圖66中描繪的以及針對圖58至圖66描述的pd類似。在這種情況下，形成空隙6722以減少器件pin結(jié)電容?？障?722可以部分地蝕刻到ge層中以去除足夠量的材料以將電容減小一定量。電容減小允許更大面積的pd，同時保持與類似的si上gepd相同的數(shù)據(jù)速率帶寬但沒有空隙。較大面積的pd允許在光纖和/或光源與光電二極管的未對準(zhǔn)方面具有更大的公差，從而降低了封裝成本。數(shù)據(jù)速率帶寬是通過rc時間和渡越時間來確定。使用焊料凸塊技術(shù)的情況下，該結(jié)構(gòu)如所討論的所有結(jié)構(gòu)可以與電子器件例如tia集成，該集成可以直接附接至pcb。根據(jù)一些實(shí)施方式，該結(jié)構(gòu)的操作波長范圍為800nm至1300nm，其數(shù)據(jù)速率超過40gb/s。

注意，不需要使用box結(jié)構(gòu)。pd可以具有以下層：被摻雜成>2×10²⁰/cm³的gep層6210，其厚度約為0.1μm；被非有意摻雜(<5×10¹⁶/cm³)的gei(吸收層)6208，其厚度為0.5μm至1.0μm；以及最后被摻雜成>2×10¹⁹/cm³的sin層6206，其厚度為0.2μm至0.5μm；以及2μm至4μm的掩埋氧化物層5804。

圖68是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的各方面的圖示。ms-apd可以具有以下層：被p摻雜成>2×10¹⁹/cm³的sip層6810，其厚度約為0.1μm至0.2μm；被非有意摻雜(<5×10¹⁵/cm³)的sii(吸收層)6808，其厚度為0.5μm至2.0μm；被n摻雜成>2×10¹⁹/cm³的sin層6806，其厚度為0.2μm至0.5μm；以及si襯底6802上的具有2μm至4μm的厚度的掩埋氧化物層6804。ms-apd器件具有兩個附加層，即電荷層和倍增層。電荷層6820位于吸收i層6808的正下方。sip電荷層6820被摻雜成約1.8×10¹⁷/cm³并且具有大約0.1μm的厚度。電荷層正下方為ms-apd的倍增層6818。sii層6818被非有意摻雜(<1×10¹⁶/cm³)并且具有約0.5μm的厚度。過孔6870在硅襯底中被蝕刻至sio2層(可以施加抗反射涂層以使反射最小化)，并且通過過孔施加波長范圍為800nm至990nm的光。ms-apd的頂表面上的反射器6832提供穿過吸收“i”層6808的光子的雙次穿過/多次穿過。優(yōu)點(diǎn)是更薄的吸收層，這引起較短的渡越時間。因此，ms-apd數(shù)據(jù)速率帶寬增強(qiáng)。微結(jié)構(gòu)型孔陣列6822被蝕刻至sio2層6804和/或近乎到sio2層。p接觸6828和n接觸6830被示出在相同的表面上，以使可以施加焊料凸塊，使得ms-apd可以是直接安裝在陶瓷多芯片載體上和/或印刷電路板上的倒裝芯片。為簡單起見，僅示出最基本的工藝步驟。未示出附加步驟或元件例如鈍化、接合焊盤、聚酰亞胺/旋涂玻璃平坦化、抗反射涂層。此外，在蝕刻過孔6870期間，在去除si襯底之后，可以針對ms-apd或ms-pd結(jié)構(gòu)部分蝕刻或完全蝕刻掉sio2層。在沒有反射器6832的情況下，光信號也可以從頂表面照射。

圖69是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的各方面的圖示。ms-apd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖68中描繪的以及針對圖68描述的ms-apd類似。微結(jié)構(gòu)型孔陣列6922被蝕刻至apd結(jié)構(gòu)的電荷層6820、倍增層6818和/或n層6806?？?922未一直蝕刻至sio2層。通過過孔6970照射光，在該過孔6970中，將硅襯底至sio2去除。也可以蝕刻sio2層，使得光直接照射在nsi層6806上。這可以適用于所有底部照射的ms-pd和ms-apd器件，其中，抗反射涂層可以直接施加至si。對于800nm至990nm的范圍內(nèi)的波長而言，優(yōu)選大約為0.2μm的薄的nsi層6806以減少遠(yuǎn)離吸收“i”層6808的區(qū)域中的吸收。光也可以從反射器6832被去除的頂表面/前表面照射。在這種情況下，可以省略過孔，并且針對>30％的量子效率，si“i”層可以增加到1.5μm至2μm。在一些情況下，量子效率>50％；在某些情況下量子效率>70％；在某些情況下量子效率>80％。雪崩的倍增因子或增益可以>2。在某些情況下，增益>5。在某些其他情況下，增益>10。在一些另外的情況下，增益>15，而在其他又一些情況下，增益>20。數(shù)據(jù)速率帶寬可以>10gb/s。在一些情況下，帶寬>15gb/s。在一些情況下，帶寬>20gb/s。在一些情況下，帶寬>25gb/s，并且在一些情況下，帶寬>30gb/s。此外，對于ms-pd和ms-apd而言，可以完全地、部分地去除sio2層和/或sio2層可以具有使用或不使用si填充的空隙，并且可以在去除si襯底期間使用蝕刻停止層例如sigeb、sigec或sigebc以用于形成用于背面照射/底部照射的過孔。

圖70是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的沒有sio2層的ms-apd的圖示。ms-apd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖68至圖69中描繪的以及針對圖68至圖69描述的ms-apd類似。sige或sigec或sigeb(其中，sige具有大約1％的ge并且被使用硼重?fù)诫s至>1×10²⁰/cm³)的蝕刻停止層7034并且其厚度的范圍為0.1μm至2μm。sigebc可以在si襯底6802上和/或(一個或更多個)si外延層例如nsi層6806上生長。根據(jù)一些實(shí)施方式，ms-apd具有以下厚度和摻雜水平：sin層6806具有的厚度范圍為0.2μm至1μm并且摻雜范圍為>2×10¹⁹/cm³至>2×10²⁰/cm³；sii倍增層6818被非有意摻雜(<1×10¹⁶/cm³)并且具有大約0.5μm的厚度；sip電荷層6820被摻雜成大約1.8×10¹⁷/cm³并且具有大約0.1μm的厚度；sii吸收層6808被非有意摻雜(<5×10⁵/cm³)，其厚度為0.5μm至1.0μm；以及sip覆蓋層6810被摻雜成>2×10²⁰/cm³并且具有大約0.1μm的厚度。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以使用多個蝕刻停止層。例如，可以在sii倍增層6818與sin層6806的界面處形成另一蝕刻停止層。蝕刻停止層的厚度可以在1nm至100nm的范圍內(nèi)并且可以p摻雜或n摻雜或被非有意摻雜以匹配相鄰層的電特性。光信號的波長可以在800nm至990nm的范圍內(nèi)，并且如果從背面照射，則反射器可以由電介質(zhì)例如sio2/ag形成。根據(jù)一些實(shí)施方式，反射器6832是由具有不同折射率的兩個電介質(zhì)例如sio2和hfo2或ito與ag、au和/或pt一起組成的布拉格反射器。反射器6832用于反射任何未被吸收的信號光子，以用于雙次和/或多次穿過吸收sii區(qū)6808。此外，該器件可以被正面照射，其中，反射器6832被省略并且吸收sii層6808增厚至1.5μm至2μm，以優(yōu)化量子效率。根據(jù)一些實(shí)施方式，在正面照射/頂部照射的ms-apd中也可以包括過孔。類似地，ms-pd也可以使用該結(jié)構(gòu)，其中，sip電荷層和sii倍增層被省略。正面照射和背面照射的ms-pd可以是有益的，這是因?yàn)槿コ齭i襯底提高了折射率對比度并且提高了微結(jié)構(gòu)中的吸收效率，這進(jìn)而提高了量子效率。

p層和n層的高摻雜是為了降低薄層電阻率并減少p層和n層中的少數(shù)載流子的壽命，以減少少數(shù)載流子擴(kuò)散到強(qiáng)場sii吸收層中，該擴(kuò)散可能導(dǎo)致ms-pd/apd的數(shù)據(jù)速率響應(yīng)(也稱為頻率響應(yīng))的退化。在孔蝕刻期間和/或在過孔蝕刻期間，微結(jié)構(gòu)型孔陣列可以被蝕刻至sigec和/或sigeb停止層和/或穿過停止層。蝕刻停止層也可以在孔蝕刻之后或在過孔蝕刻期間完全或部分地去除。以這種方式，sigec、sigebc或sigeb層不在背面照射的ms-pd/apd的光路中。注意，在ge大約為1％的sigeb(例如si0.99ge0.01)中，帶隙大約為si的帶隙。此外，如圖69所示，微結(jié)構(gòu)型孔陣列可以被蝕刻到與吸收sii層對應(yīng)的深度和/或大于sii吸收層并且部分地進(jìn)入雪崩區(qū)域的深度。

圖71是示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的圖示。ms-apd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖68至圖70中描繪的以及針對圖68至圖70描述的ms-apd類似。gei吸收層7108被非有意摻雜(<5×10¹⁵/cm³)并且具有0.5μm至2.0μm的厚度。上部gep覆蓋層7110被摻雜成>2×10²⁰/cm³，其厚度約為0.1μm。將微結(jié)構(gòu)型孔陣列7122蝕刻至sip電荷層6820或恰好在sip層之前。替代地，可以將孔7122蝕刻到sip電荷層6820中和/或si倍增層6818中。從光路中去除si襯底，蝕刻過孔6970。sio2層可以保持完整、部分地蝕刻或完全蝕刻，或者可以使用不含sio2的nsi襯底。如果被曝露，則可以將抗反射層(未示出)施加至sin層6806以使反射最小化。例如，波長范圍可以是800nm至1800nm、1300nm至1600nm、810nm至880nm以及930nm至990nm。孔尺寸和周期可以針對某些波長范圍進(jìn)行優(yōu)化。反射器6832可以形成在pge或sige層7110上。反射器6832可以由電介質(zhì)和金屬、ito(銦錫氧化物或類似的透明導(dǎo)電氧化物)和金屬、所有電介質(zhì)(例如布拉格反射器)或其任何組合制成。反射器6832將在第一次穿過時未被吸收的光子反射回吸收體gei層7108以進(jìn)行雙次穿過或多次穿過。與具有單次穿過的光電二極管相比，可以使用較薄的gei吸收層7108。較薄的gei層引起較短的渡越時間，從而引起較高的數(shù)據(jù)速率。ge在si上的生長可以使用ge緩沖層，該ge緩沖層被生長以引發(fā)ge的高質(zhì)量結(jié)晶生長。參見例如kang等人的epitaxially-grownge/siavalanchephotodiodesformlightdetection，第16卷，第13期/opticsexpress9365(2008)(下文中簡稱為“kang等人”)，其通過引用并入本文中。對于1200nm至1750nm的波長范圍而言，過孔7270不是必需的，這是因?yàn)閟i在這些波長處幾乎透明。此外，在沒有反射器6832的情況下，光信號可以從頂表面照射，并且ge“i”層7108的厚度可以增加到大約2微米。

圖72是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的圖示。ms-apd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖68至圖71中描繪的以及針對圖68至圖71描述的ms-apd類似。在這種情況下，微結(jié)構(gòu)型孔陣列7222被蝕刻至sio2層6804。根據(jù)一些實(shí)施方式，孔7222被蝕刻至sio2層6804的零點(diǎn)幾微米內(nèi)，并且過孔7270被蝕刻至sio2層。在過孔蝕刻期間，sio2層可以保持完整、部分被蝕刻或可以完全被蝕刻。從背面入射的光的波長范圍為800nm至1800nm。也可以使用其他波長，例如630nm至780nm。一些光生載流子可以發(fā)生在si層中，但是大部分光生載流子——尤其在800nm至1800nm的波長范圍內(nèi)并且特別是在1100nm至1800nm的波長范圍內(nèi)——將在gei層7108中。外延結(jié)構(gòu)與圖71所示的作為gep層上的用于將光反射回gei吸收層的反射器6832的外延結(jié)構(gòu)類似。去除sio2層允許微結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體孔之間的高折射率對比度，這可以改進(jìn)微結(jié)構(gòu)型孔陣列和空氣的聚光性能。此外，可能在sio2-空氣界面和sio2-半導(dǎo)體界面處發(fā)生的反射被去除。對于正面照射的ms-apd而言，去除反射器6832并且將gei吸收層7108加厚成1μm至2μm的范圍?？梢詫φ嬲丈涞膍s-apd實(shí)現(xiàn)過孔和sio2去除。通過去除雪崩層、p電荷和i倍增，ms-apd成為ms-pd。

圖73是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有蝕刻停止層的si上ge微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的圖示。ms-apd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖68至圖72中描繪的以及針對圖68至圖72描述的ms-apd類似。在si晶片上生長蝕刻停止層7334例如sige、sigec、sigeb或sigebc。注意，si襯底(晶片)6802可能已經(jīng)具有層例如nsi外延層、隨后的apd層、其他緩沖層、間隔層或si襯底6802上的其他蝕刻停止層(未示出)，這些層促進(jìn)良好的晶體生長和工藝再現(xiàn)性?；綼pd層是：厚度范圍為0.2μm至0.5μm并且摻雜范圍為>2×10¹⁹/cm³至>2×10²⁰/cm³的sin層6806；被非有意摻雜的sii倍增層6818，其厚度約為0.5μm；被摻雜成約1.8×10¹⁷/cm³并且具有約0.1μm的厚度的sip電荷層6820；被非有意摻雜并且具有0.5μm至1.0μm的厚度的gei吸收層7108；以及被摻雜成>2×10²⁰/cm³并且具有大約0.1μm的厚度的ge或sigep覆蓋層7110。蝕刻具有孔直徑和針對特定波長范圍被優(yōu)化的周期的微結(jié)構(gòu)型孔陣列。特定的波長范圍包括以下：800nm至860nm、860nm至880nm、880nm至920nm、920nm至990nm、990nm至1100nm、1100nm至1350nm、1350nm至1450nm、1450nm至1550nm、1550nm至1650nm以及1650nm至1800nm。為了簡化起見，未提及孔和臺面鈍化，但是可以在kang等人中找到示例。該文獻(xiàn)中存在其他鈍化方法。光從背面通過可以去除蝕刻停止層的過孔7370入射。光也可以從正面入射，但是吸收gei層7108的厚度增加到大約1μm至2μm的范圍。對于正面照射的ms-apd/pd而言，例如，過孔也可以被實(shí)現(xiàn)成增大半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)與空氣之間的折射率對比度。為了簡化起見，也未示出其他層例如平坦化層、橋接層、接合焊盤和填料。

圖74是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge微結(jié)構(gòu)型雪崩光電二極管(ms-apd)的圖示。除了用sige或sigecp層7410替代gep層以減少p接觸層中光載流子的吸收之外，ms-apd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖68至圖73中描繪的以及針對圖68至圖73描述的ms-apd類似。sige和/或sigec比ge具有更大的帶隙，因此對于相同厚度而言吸收系數(shù)小于ge的吸收系數(shù)。參見例如kolodzey等人的“opticalandelectronicpropertiesofsigecalloysgrownonsisubstrates”，journalofcrystalgrowth157，第386頁至第391頁(1995)(下文中稱為“kolodzey等人”)，其通過引用并入本文中。例如，根據(jù)kolodzey等人，在sige0.88c0.12的情況下，與1.11ev的si和ge的0.66ev相比，帶隙為1.3ev(直流)。sige合金將提供si的帶隙與ge的帶隙之間的帶隙，因此向ge任何添加si將增大帶隙并降低p層中的吸收。根據(jù)一些實(shí)施方式，該p層替換技術(shù)被應(yīng)用于本文中所示和描述的所有ms-pd/apd結(jié)構(gòu)。特別地，gep層被sigep和/或sigecp層替代。根據(jù)一些其他實(shí)施方式，在本文中所示和描述的所有ms-pd/apd結(jié)構(gòu)中，sip和n層也可以被sibecp和sigecn完全或部分替代，這減少了ms-pd/apd的p區(qū)和n區(qū)中對光信號的吸收。在一些情況下，apd的倍增區(qū)(為si)也可以用sigeci替代，以減少本發(fā)明中對光子的吸收。在某些波長1200nm至1750nm處，si幾乎透明，過孔7370和蝕刻停止層7334中的任一個或兩者不是必需的。在這種情況下，使用nsi襯底，其背面被拋光并被防反射涂覆。

圖75是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的用于ms-pd的另一sinip外延層結(jié)構(gòu)的圖示?？?522被蝕刻至大約2.3μm的深度并且可以在sip層7506之前和/或之后的零點(diǎn)幾微米終止。摻雜和厚度大致如下：sip襯底7502；0.2μm(或0.1μm至1μm的范圍)的sip層7506，其中p摻雜>2×10²⁰/cm³且也可以>1×10¹⁹/cm³；被非有意摻雜背景摻雜<5×10¹⁶/cm³——在一些情況下<5×10¹⁵/cm³——的sii層7508，其厚度約為2μm或在1μm至2.5μm的范圍內(nèi)；具有摻雜>2×10¹⁹/cm³并且厚度約為0.3μm或在0.2μm至0.5μm的范圍內(nèi)的nsi層7510。n接觸7528位于sin層7150上。(一個或更多個)p接觸可以位于sip襯底的上表面上如接觸7530和/或襯底的底部/背面上如接觸7532。臺面蝕刻用于限定pin結(jié)面積，從而限定電容。將臺面蝕刻至p層7506和/或p襯底7502，并且p接觸7530可以沉積在sip層7506和/或sip襯底7502的背面7532上。根據(jù)一些實(shí)施方式，還可以使用其他電氣絕緣例如質(zhì)子轟擊來限定pin面積或者可以使用其他摻雜技術(shù)例如pn結(jié)摻雜或溝槽摻雜。該結(jié)構(gòu)中的光從正面入射并且具有約800nm至990nm的波長范圍。周期為2000nm的情況下為1300nm的孔直徑、周期為2000nm的情況下為1500nm的孔徑可以與六角形和/或正方形晶格圖案一起使用。根據(jù)一些實(shí)施方式，孔直徑的范圍約為600nm至1500nm，并且周期的范圍約為900nm至2500nm。

圖76a至圖76c是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的用于ms-pd的掩埋氧化物上的sin-i-p外延層的圖示。在圖76a中，孔7622被蝕刻至sip層7606，部分地蝕刻到sip層中和/或被蝕刻至sio2層7604。摻雜和厚度大致如下：例如，襯底7602中的sibox(掩埋氧化物)7604；具有p摻雜>2×10²⁰/cm³并且為1μm(或0.1μm至1μm的范圍內(nèi))的sip層7606；被非有意摻雜有背景摻雜<5×10¹⁶/cm³并且在一些情況下<5×10¹⁵/cm³的sii層7608，其具有為2μm或0.5μm至2.5μm的范圍內(nèi)的厚度；以及具有摻雜>2×10¹⁹/cm³且具有0.3μm或0.2μm至0.5μm的范圍內(nèi)的厚度的nsi層7610。n接觸7628和p接觸7630可以在正面上，其中，在對p層7606進(jìn)行臺面蝕刻之后制作p接觸。在p層7606與i層7608之間的界面處可以使用蝕刻停止層例如sigeb或sigec。例如，如果光從背面入射并且反射器被放置在頂表面sin層7610上使得光可以多次穿過i層7608，則i層7608可以是薄的，例如0.5μm至1μm。例如，p和n可以互換，并且微結(jié)構(gòu)型光電二極管(ms-pd)可以是pin。如果使用sigeb作為蝕刻停止層，則sigeb是重p型，并且優(yōu)選nip結(jié)構(gòu)。蝕刻停止層的厚度例如可以為0.05μm至1μm，并且可以全部或部分地替代sip層。光可以通過適當(dāng)?shù)钠骷蛲庋訉幼冃蛷恼婧?或背面入射。波長范圍大約為800nm至990nm。

在圖76b中，圖76a中的psi7606層由具有p摻雜>2×10²⁰/cm³且厚度為0.5μm或厚度在0.2μm至1μm的范圍內(nèi)的si0.99ge0.01b層7616替代。所有其他層與圖76a中的相同。微結(jié)構(gòu)型孔7622被蝕刻并且可以在sigeb層處停止和/或穿過sigeb層并在sio2層處停止和/或進(jìn)入到sio2層中?？梢晕g刻過孔7670，其停止在sio2層處，或停止到sio2層中或穿過sio2層。n歐姆接觸7628和p歐姆接觸7630分別形成在sin層和sigebp層上。光可以從頂表面(外延層表面)和/或底表面(襯底表面)入射，并且反射器可以放置在具有電介質(zhì)絕緣層的頂部或底部上以用于多次穿過i吸收層。波長范圍為800nm至1000nm。為了簡化起見，未示出其他元件，例如鈍化層、聚酰亞胺橋?qū)?、臺面、接合金屬。

在圖76c中，在sio27604上添加厚度大約為0.1μm且摻雜大于1×10²⁰/cm³的psi層7626作為第一層，在該sio27604上生長具有p摻雜大于1×10²⁰/cm³且厚度大約為0.3μm的si0.99ge0.01b層7616。如圖76a和圖76b所示，光可以從過孔被蝕刻的頂表面和/或底表面入射。n歐姆接觸和p歐姆接觸分別放置在n層和p層上。微結(jié)構(gòu)型孔陣列7622被蝕刻穿過sio2層7604和/或部分地蝕刻到p層7626中。如果光從底部入射，則過孔7670被蝕刻到硅襯底7602中并進(jìn)入sio2層7604中，sio2層7604可以部分或完全蝕刻。在p接觸與n接觸之間施加1伏特至10伏特的反向偏置電壓。

在一些應(yīng)用中，光可以同時從ms-pd/apd的頂部和底部入射。光可以具有針對相干光通信的相同或不同的波長、數(shù)據(jù)速率、偏振和振幅。具有來自頂部和底部的光的優(yōu)點(diǎn)是不需要使用分束器，并且可以在光功率損耗方面節(jié)省3db。

圖77是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的在psi襯底上具有sinip外延層和sigeb停止蝕刻層的ms-pd的圖示。停止蝕刻層7716可以由si0.99ge0.01b或sige中大約1％的ge組成并且具有b摻雜>1×10²⁰/cm³，其中，帶隙與si的帶隙基本上相同。該重p摻雜可以部分或完全替代sip層7706。層和厚度可以如下：sip襯底7702；厚度為0.1μm至2μm的sigeb層7716；為0.2μm(或0.1μm至1μm范圍內(nèi))并且具有p摻雜>2×10²⁰/cm³的sip層7706；被非有意摻雜有背景摻雜<5×10¹⁶/cm³并且在一些情況下<5×10¹⁵/cm³的sii層7708，其厚度為2μm或在0.5μm至2.5μm的范圍內(nèi)；以及具有摻雜>2×10¹⁹/cm³的nsi層7710，其厚度為0.3μm或者在0.2μm至0.5μm的范圍內(nèi)。n接觸7728和p接觸7730都可以位于正面上。p接觸也可以在psi襯底上的背面上如接觸7732。微結(jié)構(gòu)型孔陣列7722可以被蝕刻至sigeb的停止蝕刻層7716。臺面被蝕刻到sip中和/或被蝕刻至sigeb層以限定nip面積，從而限定nip電容。p接觸7730可以放置在psi層7706或psigeb層7716上。n接觸7728被放置在sin層7710上?？梢葬槍i和sigeb使用不同的蝕刻工藝來蝕刻過孔7770以去除si襯底至sigeb層和/或部分地到sigeb層中。sigeb層7716也可以被蝕刻掉，并且過孔7770延伸至sip層7706。此外，sip層7706可以部分地或完全被sigeb層替代。在這種情況下，優(yōu)選保留至少0.2μm至0.3μm的sigeb層。光可以從正面和/或背面入射。可以在正面或背面上設(shè)置電介質(zhì)與厚度為0.5μm至4μm的半導(dǎo)體接觸的電介質(zhì)金屬反射器，其中，電介質(zhì)可以是sog、聚酰亞胺、sio2、氟化鈣或氮化硅、其次是金屬或合金例如ag、au、al或ni。例如，如果將電介質(zhì)金屬反射器放置在背面上，則來自正面的光可以多次反射穿過吸收i層，并且相反地，如果反射器位于正面上，則來自背面的光可以多次反射穿過吸收i層。在反射器的情況下，可以使用更薄的i層，例如1μm或大約是沒有反射器的ms-pd的一半厚度，這可以引起ms-pd的更高的數(shù)據(jù)速率。ms-pd可以使用800nm至990nm的波長范圍。在一些情況下，反射器可以簡單地是金屬，例如布拉格反射鏡。此外，如果光僅從正表面入射并且沒有實(shí)現(xiàn)雙次和/或多次反射，則可以不需要過孔7770。

圖78是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的用于ms-pd的sigeb上si上genip外延層結(jié)構(gòu)的圖示。微結(jié)構(gòu)型孔陣列7822被蝕刻在ge層7810和7808中并被蝕刻到sip層7806中或接近sip層7806。停止蝕刻層7816可以由si0.99ge0.01b或sige中大約1％的ge組成并且具有b摻雜>1×10²⁰/cm³，其中，帶隙與si的帶隙基本上相同。該重p摻雜可以部分或完全替代sip層7806。層和厚度可以如下：sip襯底7802；具有0.1μm至2μm的厚度的sigeb層7816；為0.2μm(或0.1μm至1μm的范圍內(nèi))并且具有p摻雜>1×10¹⁹/cm³的sip層7806；被非有意摻雜有背景摻雜<5×10¹⁶/cm³并且在一些情況下<5×10¹⁵/cm³的gei層7808，其厚度為2μm或在0.5μm至2.5μm的范圍內(nèi)；以及具有摻雜>2×10¹⁹/cm³的nge層7810，其厚度為0.2μm或在0.2μm至0.5μm的范圍內(nèi)。n接觸7828和p接觸7830都可以在正面上。p接觸也可以在psi襯底的背面上如接觸7832?？梢栽趕i與ge層之間生長幾nm的ge緩沖層，并且其中g(shù)e緩沖層的生長條件不同于gei層的生長條件?？梢栽趕i襯底7802中蝕刻過孔7870以去除si至sigeb層7816。在不同的蝕刻條件下，sigeb層7816可以被部分和/或完全蝕刻。光可以從正面或背面入射，并且在反射器的情況下，光子可以多次穿過i吸收層，并且器件可以使用更薄的i層用于更高的數(shù)據(jù)速率操作，這是因?yàn)殡娮雍涂昭ǖ墓馍d流子的渡越時間將會縮短。波長范圍為800nm至1800nm?？梢葬槍绱蠹s30nm至100nm的某些波長范圍來優(yōu)化孔直徑和陣列周期。如果光信號從正/頂表面入射，則可能不需要過孔7870。此外，如果光信號具有在1200nm至1750nm的范圍內(nèi)的波長，則對于底部照明可能不需要過孔，這是因?yàn)楣柙谶@些波長處幾乎透明或引起很低的光學(xué)損耗。

圖79是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的用于ms-pd的si上ge外延結(jié)構(gòu)的圖示。材料結(jié)構(gòu)如下：sin襯底7902(或替代地，psi襯底上的nip結(jié)構(gòu))；為0.2μm(或0.1μm至1μm的范圍)并且具有n摻雜>2×10¹⁹/cm³的sin層7906；被非有意摻雜有背景摻雜<5×10¹⁶/cm³并且在一些情況下<5×10¹⁵/cm³的gei層7908，其厚度為2μm或在為0.5μm至2.5μm的范圍內(nèi)；以及具有摻雜>2×10²⁰/cm³且厚度為0.2μm或在0.2μm至0.5μm的范圍內(nèi)的pge層7910。p接觸7928和n接觸7930都可以在正面上。n接觸也可以在nsi襯底的背面上如n接觸7932。微結(jié)構(gòu)型孔陣列7922被蝕刻至nsi層7906、部分地被蝕刻到nsi層7906中或被蝕刻穿過nsi層7906。臺面蝕刻限定pin面積和電容。n接觸7930和7932在臺面蝕刻之后沉積在nsi襯底上的正表面或背表面上。鈍化未被示出，但是使用kang等人，其中，非晶si可以沉積在暴露的ge表面的側(cè)壁上并在高溫下退火，以及/或者sige可以沉積在暴露的ge的側(cè)壁上并退火以減少泄漏電流。取決于數(shù)據(jù)速率，ms-pd和ms-apd中的臺面直徑的范圍可以是5μm至100μm。根據(jù)一些實(shí)施方式，對于30gb/s的數(shù)據(jù)速率而言，臺面直徑范圍為20μm至40μm。此外，可以使用nsi7906與ige7908之間的緩沖ge層來確保高結(jié)晶質(zhì)量。參見例如kang等人。在光從正面入射的情況下，波長可以在800nm至1800nm的范圍內(nèi)。例如，在優(yōu)選的范圍內(nèi)，波長可以是1450nm至1600nm，并且在另一優(yōu)選的范圍中可以是1250nm至1600nm。ms-pd/apd可以覆蓋數(shù)據(jù)通信波長和遠(yuǎn)程通信波長。

圖80是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的另一si上ge外延結(jié)構(gòu)的圖示。除了厚度為0.2μm至4μm的掩埋氧化物層8004生長在sibox晶片上之外，ms-pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖79中描繪的以及針對圖79描述的ms-pd類似或相同。微結(jié)構(gòu)型孔陣列8022被蝕刻至nsi層7906，并且可以蝕刻到nsi層7906中或蝕刻接近nsi層7906或蝕刻至sio2層8004。臺面蝕刻限定pin電容，并且取決于ms-pd/apd的數(shù)據(jù)速率帶寬，ms-pd/ms-apd的臺面直徑的范圍為5μm至100μm。對于20gb/s至35gb/s的數(shù)據(jù)速率帶寬而言，優(yōu)選20μm至50μm的臺面直徑。光可以從正表面或背表面入射。例如，在>1100nm的波長處，si光損耗很低，并且si襯底可以用于蝕刻透鏡或光柵?？梢晕g刻過孔8070以完全或部分地去除sio2。例如，過孔8070可以用于將光和/或光纖引導(dǎo)至ms-pd。反射器可以沉積在過孔8070中，其中sio2不被完全去除或不被去除，使得來自正面的光可以反射離開反射器并且多次穿過ige吸收區(qū)7908。在反射器位于正面或背面的情況下，ige7908可以更薄，例如為1μm，這將減少電子空穴渡越時間并且增大ms-pd/ms-apd的數(shù)據(jù)速率帶寬。波長范圍可以為800nm至1800nm，其覆蓋數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程通信波長范圍。例如，在連續(xù)的nsi層7906的情況下，如果sio2完全被蝕刻，則可以將抗反射涂層施加至nsi的底表面。

圖81是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge外延結(jié)構(gòu)的圖示。除了過孔8170被蝕刻到sio2box層8004并且厚度為2μm至4μm或在0.2μm至6μm的范圍內(nèi)的sio2層可以被部分蝕刻、完全蝕刻或不被蝕刻之外，ms-pd——包括材料結(jié)構(gòu)的厚度和摻雜——與圖79至圖80中描繪的以及針對圖79至圖80描述的ms-pd類似或相同。此外，可以形成由材料例如ag、au、cr或al制成的反射器8172。反射器8172也可以是寬帶布拉格反射器、窄帶布拉格反射器或通帶布拉格反射器。注意，如果反射器8172是電介質(zhì)，則反射器8172也可以在sio2層蝕刻掉的情況下直接沉積在nsi層7906上。第一次穿過ige層7908時未被吸收的正面入射的光可以被反射回到ige層，以穿過ige吸收層。ige層可以更薄，例如為1μm，這引起ige層中的電子和空穴的渡越時間更短。這可以增大ms-pd/ms-apd的數(shù)據(jù)速率帶寬。

圖82a至圖82c涉及對與圖79所示的結(jié)構(gòu)類似的si上ge微結(jié)構(gòu)型光電二極管使用時域有限差分(fdtd)進(jìn)行的模擬。圖82a是示出被進(jìn)行模擬的si上ge微結(jié)構(gòu)型光電二極管的圖示?？讏D案為正方形晶格圖案。模擬孔周期和孔直徑兩種組合，其中，在直徑為1500nm的情況下的孔徑為2500nm，在直徑為1300nm的情況下孔周期為2300nm。在圖82b和圖82c中，橫軸是以μm為單位的波長，并且縱軸為吸收，該吸收與量子效率直接相關(guān)。在每種情況下，模擬孔的正方形晶格圖案。在圖82b中，針對具有800nm至1000nm的波長范圍的光信號，曲線8210繪制了孔周期為2300nm、直徑為1300nm的吸收，并且曲線8212繪制了孔周期為2500nm、直徑為1500nm的吸收。在圖82c中，針對具有1000nm至1800nm的波長范圍的光信號，曲線8220繪制了孔周期為2300nm、直徑為1300nm的吸收，并且曲線8222繪制了孔周期為2500nm、直徑為1500nm的吸收。發(fā)現(xiàn)：針對0.8μm至0.98μm的波長范圍，吸收大于0.4(吸收40％的光子)至高達(dá)大于0.9(吸收90％的光子)。針對1.55μm觀察到大于0.5的吸收，并且對于大約2μm的ge的吸收層而言，延伸至1.8μm。這顯著大于具有2μm的厚度而沒有微結(jié)構(gòu)的等效ge層，特別是在1550nm和更長波長處。

圖83a至圖83c涉及對與圖80中的結(jié)構(gòu)類似的si上ge微結(jié)構(gòu)型光電二極管使用時域有限差分(fdtd)進(jìn)行的模擬。圖83a是示出在光從頂表面入射的情況下模擬的si上ge微結(jié)構(gòu)型光電二極管的圖示。在圖83b和圖83c的曲線圖中，橫軸是以μm為單位的波長，而縱軸是與周期為2500nm、直徑為1500nm(曲線8312和8322)的孔的正方形晶格的量子效率以及周期為2300nm、直徑為1300nm(曲線8310和8320)的孔的正方形晶格的量子效率直接相關(guān)的吸收。針對1.55μm觀察到大于0.7的吸收(吸收70％的光子)，并且對于大約2μm的ge的吸收層而言，延伸至1.8μm有大于0.5的吸收(吸收50％的光子)。這顯著大于例如與1650nm波長和更長波長處的厚度為2μm的inp匹配的等效ingaas層晶格。

圖84a和圖84b示出了對si上ge微結(jié)構(gòu)型光電二極管使用時域有限差分(fdtd)的模擬的結(jié)果。模擬的結(jié)構(gòu)如圖82a所示。在圖84a和圖84b中，曲線圖橫軸是以μm為單位的波長，而縱軸是與孔陣列的正方形和六角形晶格的量子效率直接相關(guān)的吸收。圖84a示出了周期為2300nm并且孔直徑為1300nm的正方形晶格(曲線8410)和六角形晶格(曲線8412)。針對1.55μm波長示出了大于0.9的吸收(吸收90％的光子)，其具有吸收在50nm波長跨度上改變小于10％的區(qū)域。圖84b示出了周期為2500nm和直徑為1500nm的正方形晶格(曲線8420)和六角形晶格(曲線8422)，該圖示出了1.55μm處為0.7的吸收?？傮w而言，六角形晶格示出了比正方形晶格的光子吸收更好的光子吸收?？梢允褂弥芷诤涂字睆健⒖仔螤詈途Ц竦钠渌M合來改進(jìn)或優(yōu)化某些波長范圍處的吸收。

圖85示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型光電二極管芯片的未按比例的示意性俯視圖。芯片8560的大致尺寸為350μm×300μm×150μm。由臺面邊緣8562限定的臺面的直徑為30μm。臺面限定nip或pin結(jié)電容。在臺面頂部上，上表面8510是與微結(jié)構(gòu)型孔8522一樣可見的(例如假設(shè)為nipms-pd/apd的情況下的n層)。在臺面的外邊緣附近是n歐姆接觸環(huán)8528(假設(shè)nipms-pd)。在臺面的外面是p歐姆接觸環(huán)8530。n接合焊盤8580通過橋互連件8582電連接至n歐姆接觸8528。類似地，p接合焊盤8590通過互連件8592連接至p歐姆接觸。根據(jù)一些實(shí)施方式，使用被沉積在橋互連件8582與區(qū)域8506之間的絕緣體例如聚酰亞胺來防止橋互連件8582與區(qū)域8506(其可以是p層表面)之間的意外短路。注意，如果n層和p層以及接觸顛倒，則上述描述也可以應(yīng)用于pin布置的ms-pd/apd。

根據(jù)一些實(shí)施方式，boxsi晶片上的nipms-pd結(jié)構(gòu)的基本掩模步驟的簡單工藝流程可以包括：(1)將孔陣列8522掩模并且蝕刻至sio2層；(2)將n歐姆接觸金屬環(huán)8528掩模并且沉積在n層8510上；(3)對限定結(jié)電容的臺面進(jìn)行掩模并且蝕刻、蝕刻至p層8506；(4)將p臺面掩模并且蝕刻至sio2；(5)將p歐姆接觸金屬8530掩模并且沉積到p層8506上；(6)對聚酰亞胺橋進(jìn)行掩模，以用于通過接合焊盤8580與n歐姆環(huán)8528接觸；(7)分別針對p歐姆和n歐姆對接合焊盤8590和8580進(jìn)行掩模并且沉積。接合焊盤與n歐姆環(huán)8528接觸大約100×100μm²，因?yàn)榻Y(jié)電容和接合焊盤電容是并聯(lián)的，所以是相加的。rc時間常量由總的結(jié)、焊盤、邊緣電容來確定。舉例而言，所描述的工藝中未考慮鈍化、退火、固化、抗反射、減薄、背面金屬化、切割。nip/pin臺面直徑的范圍可以是10μm至100μm，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的pd/apd相比ms-pd/spd在臺面中具有較少的半導(dǎo)體材料、電容較小、因此與傳統(tǒng)的pd/apd相比，針對相同的數(shù)據(jù)速率帶寬可以具有較大面積的臺面(或相當(dāng)于較大的光敏面積)，使得到ms-pd/apd中的光信號的對準(zhǔn)具有較大的對準(zhǔn)誤差余地，從而轉(zhuǎn)化為降低了封裝成本。根據(jù)圖56和圖57，對于具有2000nm的周期且孔直徑為1300nm的正方形孔晶格而言，在忽略邊緣電容的情況下，電容比沒有孔的等效結(jié)構(gòu)大約小30％，這意味著ms-pd的面積可以比沒有孔但具有相同直徑的臺面、相同i層厚度的pd大約大30％。對于具有周期為2000nm和孔直徑為1300nm的六角形晶格孔而言，ms-pd的面積可以比沒有孔的pd大約大35％。例如在ms-pd/apd結(jié)構(gòu)中，也可以使用不用于吸收增強(qiáng)而用于電容減小的其他晶格、周期和孔直徑、孔來降低電容和/或增大或優(yōu)化吸收。根據(jù)一些實(shí)施方式，也可以使用多個周期和/或多個孔直徑。此外，也可以使用非周期性間隔開的孔。

圖86是示出與跨阻抗放大器和/或其他電子器件集成在單個芯片上的ms-pd/apd的俯視圖。在單個硅芯片8600上，示出了使用互連線8692將ms-pd/apd8660連接至tia或其他電子器件8690。盡管圖85示出了需要接合焊盤將電信號傳輸?shù)狡渌娮硬考杂糜谶M(jìn)一步的信號處理和傳輸?shù)莫?dú)立的ms-pd/apd，但圖86示出了集成在單個芯片中的ms-pd/apd和電子器件。接合焊盤增加非期望電容，并且該電容用于與結(jié)電容一起計算ms-pd的數(shù)據(jù)速率帶寬。例如，具有20ghz(或大約30gb/s)的帶寬的rc時間具有大約0.16pf的電容，其負(fù)載電阻為50歐姆。具有2μmi層和30μm直徑的sipinpd將具有37毫微微法(ff)的結(jié)電容，其中，i層完全被反向偏置電壓耗盡。這使得在2μm的聚酰亞胺的頂部上的90μm乘90μm的接合焊盤給出大約0.2pf的總電容。如果將ms-pd/apd集成到tia和/或電子器件，則不再使用接合焊盤并忽略從ms-pd/apd到tia和/或電子器件的傳輸線的電容，其中，ms-pd/apd電容可以是0.16pf，對于ms-pd而言，與獨(dú)立的器件的直徑為30μm相比，ms-pd將是直徑大約為60μm的器件。這種面積的增加使得光束與ms-pd/apd的對準(zhǔn)誤差的余地更大，并且轉(zhuǎn)化成較低的封裝成本。例如，包括寄生電容的ms-pd的直徑顯著大于獨(dú)立的ms-pd的30μm并且可以大于40μm，并且在一些情況下其直徑大于50μm。

應(yīng)當(dāng)注意，如本專利說明書中所描述的，與不具有微結(jié)構(gòu)型孔陣列(或柱)的類似材料相比，直徑大約為光的波長(或大于或小于)的微結(jié)構(gòu)型孔陣列(或柱)增強(qiáng)對光子的吸收。例如，對于以10s的gb/s進(jìn)行操作的sipinpd而言，i層的厚度必須為大約2μm的數(shù)量級，否則光生載流子、電子和空穴的渡越時間對于實(shí)現(xiàn)10s的gb/s數(shù)據(jù)速率帶寬而言會太長并且仍具有大約大于20％的足夠的量子效率，并且在一些情況下在為850nm的標(biāo)稱波長處大于40％，并且在某些情況下為880nm，以及在某些情況下為980nm。這可以使用具有單個周期和直徑和/或具有多個周期和直徑的微結(jié)構(gòu)型孔陣列(或柱)用本文中所描述的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?？缀?或多個孔(柱和/或多個柱)可以是周期性的和/或非周期性的，并且可以具有除了圓形以外的橫截面形狀以使微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)吸收和/或發(fā)射。在沒有微結(jié)構(gòu)型孔陣列(或柱)的情況下，2μm或更小厚度的si層將吸收大約5％的900nm光子；而在具有微結(jié)構(gòu)型孔陣列或柱的情況下，可以吸收大于20％的900nm光子，并且在一些情況下可以吸收大于30％的900nm光子。在一些其他情況下，在900nm波長的光子處吸收大于40％、50％和80％。

通過使用該專利說明書，si上ge的情況也是這樣的情況，例如，可以在1550nm的波長處實(shí)現(xiàn)10s的gb/s數(shù)據(jù)速率帶寬，并且在一些情況下可以在1600nm處實(shí)現(xiàn)10s的gb/s數(shù)據(jù)速率帶寬，在一些情況下在1700nm至1800nm處實(shí)現(xiàn)10s的gb/s數(shù)據(jù)速率帶寬。

在已知的納米線光電二極管中，不存在吸收增強(qiáng)，與等效體層相比，使得例如大約為2μm或更薄的薄層用于10s的gb/s的高數(shù)據(jù)速率帶寬。例如，大于帶隙的波長處的2μm長inp納米線和2μm體inp大致相等，并且inp納米線的優(yōu)點(diǎn)在于僅減少反射。

圖87示出了沒有任何微結(jié)構(gòu)的簡單外延結(jié)構(gòu)。圖87的結(jié)構(gòu)用于與具有與800nm至880nm的波長范圍的入射光子的吸收有關(guān)的微結(jié)構(gòu)例如孔陣列的相似外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。對于使用fdtd(時域有限差分)的模擬目的而言，在沒有p接觸和n接觸、臺面蝕刻、鈍化、平坦化和其他工藝來制造完整的光電二極管的情況下，僅示出了具有微結(jié)構(gòu)和不具有微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。情況1中的外延結(jié)構(gòu)在摻雜和變薄至大約150μm的硅襯底p8702上生長，其中，第一層是厚度為大約0.2μm并且使用硼摻雜>1×10²⁰/cm³的sip層8706，接著是厚度為大約2μm并且摻雜水平為<5×10¹⁶/cm^-3的被非有意摻雜的si本征層8708，接著是厚度為大約0.3μm并且摻雜有磷摻雜劑>1×10¹⁹cm^-3的sin層8710。

圖88示出了沒有任何微結(jié)構(gòu)的另一簡單外延結(jié)構(gòu)。圖88的結(jié)構(gòu)用于與具有與800nm至880nm的波長范圍的入射光子的吸收有關(guān)的微結(jié)構(gòu)例如孔陣列的相似外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。對于使用fdtd(時域有限差分)的模擬目的而言，僅示出了在沒有p接觸和n接觸、臺面蝕刻、鈍化、平坦化和其他工藝來制造完整的光電二極管的情況下的具有以及不具有微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。情況2中的外延結(jié)構(gòu)在具有2μm的掩埋氧化物(box)層8804的硅襯底8802上生長，在box層上是厚度大約為0.1μm并且使用硼摻雜>1×10²⁰/cm³的sip層8806，接著是p摻雜>1×10²⁰/cm³的sigeb(si0.98ge0.01b0.01)層8816，接著是厚度大約為2μm并且摻雜水平為<5×10¹⁶cm^-3的被非有意摻雜的si本征層8808，接著是厚度為大約0.3μm并且摻雜有磷摻雜劑>1×10¹⁹/cm^-3的sin層8810。情況1和情況2二者的光子將從sin外延層(8710和8810)的頂表面或表面入射以進(jìn)行模擬研究。

圖89示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型孔陣列被蝕刻至sip外延層的與圖87中的外延結(jié)構(gòu)相同的外延結(jié)構(gòu)。在該情況3中，正方形晶格陣列中的孔8922具有1500nm的直徑、2000nm的周期。具有800nm至880nm的波長的光子照射在頂表面或sin外延層8710上。在特定應(yīng)用中n層和p層/襯底可以互換，并且吸收結(jié)果大致相同。

圖90示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型孔陣列被蝕刻至boxsio2層的與圖88中的外延結(jié)構(gòu)相同的外延結(jié)構(gòu)。在該情況4中，正方形晶格陣列中的孔9022具有1500nm的直徑和2000nm的周期。具有800nm至880nm的波長的光子照射在頂表面或sin外延層8810上。在特定應(yīng)用中n層和p層/襯底可以互換，并且吸收結(jié)果大致相同。

此外，可以將孔蝕刻至蝕刻停止層sigeb8816。蝕刻停止層8816是重p摻雜的并且可以用于層結(jié)構(gòu)中，在層結(jié)構(gòu)中存在工藝中所期望的p層和蝕刻停止層，這包括光電二極管和雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)。

圖91a和圖91b是示出圖87至圖90所描繪的示例結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果的圖。圖91a示出了使用fdtd模擬來計算每種情況下由于“i”si本征層引起的吸收相對所示的800nm至900nm的波長的情況1至情況4(分別為圖87至圖90)的比較。在每種情況下入射在頂表面或nsi外延表面上的光子(圖87至圖90中的層8710和8810)。不包括由于除了“i”層以外的其他層引起的吸收。曲線9110、9112、9114和9116分別示出了情況1、2、3和4的結(jié)果(圖87、圖88、圖89和圖90所示的結(jié)果)。在沒有微結(jié)構(gòu)的情況1和情況2中，i層中的吸收小于40％。這意味著40％的入射光子被吸收。在情況1中，吸收小于15％，而在情況2中，在某個波長例如為805nm處，吸收可能僅小于40％并且在880nm和850nm處隨著更長的波長減小成小于20％以及在885nm處小于10％。吸收與量子效率成正比，這是因?yàn)槿绻庾颖晃詹⑥D(zhuǎn)換成電子和空穴，在耗盡“i”區(qū)的電壓偏壓下被清除出“i”區(qū)之前不復(fù)合，則掃掠n區(qū)和p區(qū)的這些光生電子和空穴分別對光電流有貢獻(xiàn)。在情況3和情況4中，包括正方形晶格中的直徑為1500nm和周期為2000nm的微結(jié)構(gòu)型孔，并且在某些波長處觀察到吸收水平接近100％。在情況3和情況4中，對從800nm至900nm的波長的吸收大于40％。在800nm至850nm的范圍內(nèi)，大約大于70％的吸收。而在情況4中，對從880nm至900nm的波長的吸收優(yōu)于70％。在情況4中，與情況2中的吸收小于10％相比，在855nm處吸收超過95％。通過將孔直徑、周期和/或晶格例如從正方形晶格改變成六角形晶格，可以增大在微結(jié)構(gòu)的情況下的“i”層中的吸收百分比，或者在某些波長處對于高吸收進(jìn)行優(yōu)化。

據(jù)發(fā)現(xiàn)，對于如本文中所描述的具有微結(jié)構(gòu)的硅pin光電二極管而言，吸收不一定隨著波長在300k處或大約1117nm處接近1.11ev的硅帶隙而降低。相比而言，對于沒有微結(jié)構(gòu)的pin(或nip)光電二極管而言，吸收隨著波長接近1117nm而降低。這可能是由于隨著光學(xué)損耗減小，微結(jié)構(gòu)的諧振和/或耦合諧振的q(質(zhì)量因子)增大該事實(shí)引起，因此光子在微結(jié)構(gòu)中花費(fèi)更多的時間反復(fù)反彈導(dǎo)致：即使波長接近1117nm，吸收也可以大于50％。微結(jié)構(gòu)中的折射率差可以用有效折射率來表示。例如，因?yàn)榭兹コ璨牧喜⒈豢諝馓娲跃哂锌椎膮^(qū)域的有效折射率(effectiveindex)或有效折射率(effectiverefractiveindex)小于沒有孔的區(qū)域的折射率。簡單的估計是折射率的平均值，例如，如果孔去除具有孔的區(qū)域中的一半的硅，則假設(shè)孔被空氣填充的情況下有效折射率大約為(1+3.44)/2＝2.22，其中，在1000nm波長處的體si折射率大約為3.44。因此，有孔和無孔的區(qū)域?qū)⒖吹秸凵渎什贿B續(xù)性大約為1.22或大約35％的折射率變化。折射率的該不連續(xù)性可以在光學(xué)損耗低時引起具有可以接近一百萬或更大的q的高對比度光柵。這可以解釋微結(jié)構(gòu)型光電二極管和/或雪崩光電二極管中的吸收的增強(qiáng)。如果光子在接近光電二極管/雪崩光電二極管的特征時間——其為渡越時間和rc時間——的時間內(nèi)停留在微結(jié)構(gòu)中，則這將開始不利地影響pd/apd的數(shù)據(jù)速率帶寬。然而，如果數(shù)據(jù)速率帶寬為低，則可以容忍較高的q。q因子被限定為與每個循環(huán)的儲存能量/能量損失成比例。這是對微結(jié)構(gòu)中的吸收增強(qiáng)的可能解釋。微結(jié)構(gòu)由晶格組成并且因此由許多單位晶胞或晶胞組成，每個單位晶胞或晶胞具有其自身的一組諧振并且緊密耦合在一起。與示出僅一個諧振特性的先前已知的諧振光電二極管不同，因?yàn)橄惹耙阎闹C振光電二極管是單個諧振器并且諧振是尖波峰和波谷以及周期性波函數(shù)，所以具有耦合諧振晶胞的微結(jié)構(gòu)具有波長相對吸收中吸收緩慢變化的區(qū)域，例如在一定波長跨度上變化小于10％，例如50nm至100nm和非周期性波函數(shù)。微結(jié)構(gòu)型pd/apd具有多個諧振的和并且因此與先前已知的諧振光電二極管相比具有不太明顯的波峰和波谷。非周期性孔也可以具有本身是非周期性的并且可以與相鄰的鄰近晶胞耦合的諧振晶胞，同時也引起可以增強(qiáng)吸收和/或發(fā)射的耦合諧振結(jié)構(gòu)。

作為粗略估計，對于大約20ghz的3db帶寬而言，特征時間大約為20ps。在20ps時，光在硅中行進(jìn)大約2000μm，這意味著光可以在2μm微結(jié)構(gòu)中反彈大約1000次，因此，厚度為2μm的“i”層在相等的光學(xué)長度方面可以是2000μm厚；因此在本專利說明書中所描述的微結(jié)構(gòu)中，光可以穿過反彈更多次并且可以給出比體吸收系數(shù)增強(qiáng)的有效吸收，并且可以大致地被寫為有效吸收＝體吸收×微結(jié)構(gòu)內(nèi)的反彈次數(shù)。光在微結(jié)構(gòu)中花費(fèi)的時間稱為光學(xué)渡越時間，這是ms-pd/apd的另一基本時間。三個基本時間，即rc時間、渡越時間和光學(xué)渡越時間的平方和相加以給出總時間平方。例如，t(總)²＝t(rc)²+t(渡越)²+t(光渡越)²；對于20ghz而言，總時間可以是20ps，并且為了簡化起見，假設(shè)渡越時間、rc時間和光學(xué)渡越時間大致相同，則每個時間可以大約僅為11.5ps。11.5ps的光學(xué)渡越時間轉(zhuǎn)換為大約1000μm等效的光學(xué)長度，或者假設(shè)所有3個基本時間相等，在光學(xué)渡越時間長于11.5ps的情況下光學(xué)渡越時間開始降低ms-pd的帶寬之前，增強(qiáng)的有效吸收長度可以為1000μm或q大約為250。

圖91b示出了微結(jié)構(gòu)型孔陣列被蝕刻至不同深度的圖90中的外延結(jié)構(gòu)(情況4)。曲線9120示出了“i”si層中的作為從800nm至900nm的波長的函數(shù)的吸收，其中，孔被蝕刻至sio2層8804。曲線9122示出了針對被蝕刻至sigeb層8816的孔的吸收相對波長。在曲線9120和曲線9122兩種情況下，光從頂表面或sin表面8810入射。波峰和波谷交替，但是對于800至900范圍內(nèi)的大多數(shù)波長而言整體蝕刻至sio2層稍微優(yōu)于將孔蝕刻至sigeb層。

圖92是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的將孔蝕刻到硅中的硅中的微結(jié)構(gòu)型區(qū)域的圖示。示例結(jié)構(gòu)包括全部均具有所示的厚度和摻雜水平的sip襯底9202、sip層9206、sii層9208和sin層9210?？?222被蝕刻至大約2.3μm的深度并且在正方形晶格中具有1500nm的直徑和2000nm的周期。大致由虛線圓9280示出的存在孔的區(qū)域具有為n1的有效折射率，該有效折射率小于在1000nm的波長處的300k下大約為3.44的體si的折射率。假設(shè)蝕刻區(qū)域處于空氣、真空中或填充有材料例如折射率低于硅折射率的聚酰亞胺。對于上面給出的微結(jié)構(gòu)的尺寸，具有孔的區(qū)域中的有效折射率大致由空氣的分?jǐn)?shù)0.44×1+si的分?jǐn)?shù)0.56×3.44大約為2.36給出。例如入射在9210頂表面上的光子可以在微結(jié)構(gòu)中被捕獲并且在兩個折射率不連續(xù)點(diǎn)之間反彈。一個不連續(xù)點(diǎn)在折射率差大約為1.36的空氣-微結(jié)構(gòu)界面處而另一不連續(xù)點(diǎn)在折射率差大約為1.07的微結(jié)構(gòu)-硅界面處。該折射率差可以將微結(jié)構(gòu)限定為有損耗的高對比度光柵，這可以解釋觀察到的吸收增強(qiáng)。

圖93是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有錐形孔的ms-pd結(jié)構(gòu)的圖示。錐形漏斗狀孔9322引起有效折射率n1的逐漸變化，該有效折射率n1小于針對孔的直徑?jīng)]有顯著改變但直徑小于區(qū)域1的區(qū)域的折射率，例如具有有效折射率n2，其中，區(qū)域1中的有效折射率小于區(qū)域2中的有效折射率，這僅是因?yàn)閰^(qū)域1具有較少的硅材料該事實(shí)。在區(qū)域1中，靠近表面的有效折射率可以是60％或更多的空隙(空氣或低折射率材料例如聚酰亞胺)以及可以是40％或更少的硅，這可能引起針對法線入射的光子對頂表面的較低反射(在這種情況下為sin層)。在偏離法線入射的光子處，反射可以更少。作為另外的示例，如果在表面附近孔占據(jù)90％或更多而si占10％或更少，則對于法線入射的光子而言菲涅爾反射可以為1％或更少。因?yàn)榭椎闹睆诫S深度逐漸減小，所以區(qū)域1中的有效折射率逐漸變化。所示的示例是漏斗形，然而，其可以是例如僅具有兩個不同孔直徑的階梯，或者具有多個孔直徑的階梯，每個階梯直徑隨著階梯遠(yuǎn)離表面而更小。

圖94是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有逐漸成錐形的孔的ms-pd結(jié)構(gòu)的圖示。描繪了包括具有延伸孔的整個長度的逐漸漏斗形狀的孔9422的另一種配置。有效折射率進(jìn)而也隨著深度逐漸增大。根據(jù)一些實(shí)施方式，孔可以設(shè)置有多個直徑、周期和/或具有不同漏斗形狀的偽隨機(jī)孔或隨機(jī)孔。可以利用各種孔參數(shù)來改進(jìn)或優(yōu)化某些波段處的吸收特性。根據(jù)一些實(shí)施方式，孔9422可以設(shè)置有一系列階梯，每個階梯具有不同的直徑。階梯可以均勻地間隔開和/或非均勻地間隔開。舉例而言，間隔可以是四分之一波長、一半波長或四分之一和一半波長的倍數(shù)，以創(chuàng)建例如濾波器或耦合諧振器來改進(jìn)或優(yōu)化特定波段的吸收特性。對于光發(fā)射器而言，孔或柱直徑中的這樣的階梯可以改進(jìn)例如與增益介質(zhì)的光波交疊。根據(jù)一些實(shí)施方式，孔9422的漏斗形狀可以具有任何斜率。例如，孔9422可以是v形的，并且可以優(yōu)化氣-孔界面和孔-硅界面處的有效折射率，以用于反射以及增強(qiáng)吸收特性或發(fā)射特性。

對與微結(jié)構(gòu)型pd/apd相關(guān)聯(lián)的吸收增強(qiáng)的另一解釋是微結(jié)構(gòu)是超材料并且可以表現(xiàn)為寬波段吸收器。參見例如g.dayal等人的“broadbandinfraredmetamaterialabsorberwithvisibletransparencyusingitoasgroundplane”，opticsexpress15104，2014年6月；n.liu等人的“infraredperfectabsorberanditsapplicationasplasmonicsensor”，nanolett，2010年10月，第2342頁至第2348頁；以及l(fā).meng等人的“polarization-sensitiveperfectabsorbersatnear-infraredwavelengths”，opticsexpressa111，2012年12月(下文中簡稱“meng等人”)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文中。

例如在meng等人中，如果溝槽以交叉圖案交叉，則吸收將與偏振無關(guān)。替代如本文中所描述的長溝槽，meng等人中的au被半導(dǎo)體例如硅和/或鍺替代，并且孔/溝槽是空隙，空隙可以是空氣、氣體、真空、聚酰亞胺和/或部分或完全覆蓋孔的任何電介質(zhì)。特別地，在meng等人中，在圖11處如果結(jié)構(gòu)是交叉式，則在au襯底上存在電介質(zhì)的正方形陣列。根據(jù)一些實(shí)施方式，使用具有填充有空氣、氣體或電介質(zhì)材料—例如二氧化硅、氮化硅、氟化鈣、旋涂玻璃、聚酰亞胺或鈍化電介質(zhì)—的孔的半導(dǎo)體和電介質(zhì)替代au。meng等人中的圖11也示出了吸收相對波長。

高對比度光柵可以被認(rèn)為是某種類型的超材料。這與其他效應(yīng)相結(jié)合可以解釋觀察到的吸收增強(qiáng)。其他效應(yīng)包括：等離子體、非線性、亞波長和近波長效應(yīng)、光子晶體、慢波、耦合諧振、干涉、場增強(qiáng)和有損耗諧振。

圖95是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有不同直徑的微結(jié)構(gòu)型孔的材料結(jié)構(gòu)的圖示?？?522和孔9524具有不同的直徑。如果周期大致相同，則具有較小直徑的孔比具有較大直徑的孔去除更少的硅材料。具有較小直徑的孔9522的陣列的有效折射率是有效折射率n1，并且這些孔可以聚集在ms-pd/apd的中心附近。具有較大直徑的孔9524的陣列具有為n2的有效折射率并且可以圍繞較小直徑的孔(例如以環(huán)形圖案)聚集。例如，因?yàn)樵谳^小直徑孔9522中比在較大直徑孔9524中去除更少的材料，所以n1大于n2。例如，在n1區(qū)中引導(dǎo)光，使得當(dāng)光在孔-硅(在該示例中為p硅)界面與孔-空氣界面之間來回反彈時，由于衍射而損失最少光。此外，臺面蝕刻去除區(qū)域9530中的n硅層和大部分——如果不是全部——“i”硅層。如該示例中所示，蝕刻臺面9540以限定nip結(jié)的電容。在某些情況下，可以使用離子注入和/或擴(kuò)散來限定nip結(jié)電容。并且在某些情況下，僅nsi層需要被去除和/或轉(zhuǎn)換成低摻雜或相反的摻雜。n和p可以互換，例如ms-pd可以是pin，而ms-apd可以是ninip或pipin。

圖96示出了如圖95所描繪的具有不同直徑微結(jié)構(gòu)型孔的材料結(jié)構(gòu)的俯視圖。如可以看到的，較小直徑孔9522聚集在較大直徑的孔9524內(nèi)。在微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管(ms-pd/apd)9600的中心附近的區(qū)域之間的產(chǎn)生的有效折射率差引起與光纖類似的導(dǎo)光效果，使得光被更多地引導(dǎo)至較高有效折射率的區(qū)域。還示出了由蝕刻掉的區(qū)域9530限定的臺面9540，該蝕刻掉的區(qū)域9530還可以提供光引導(dǎo)效果。臺面9540還限定nip結(jié)電容并且也可以被蝕刻恰好穿過n層、“i”層或完全蝕刻至p層。未示出歐姆接觸金屬、接合金屬、鈍化、平坦化、聚酰亞胺和其他電介質(zhì)。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以通過與包層(較大直徑的孔)相比調(diào)節(jié)芯區(qū)域(較小直徑的孔)的孔直徑來調(diào)節(jié)ms-pd/apd9600的數(shù)值孔徑。孔的密度和直徑是調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)的硅材料量以改變有效折射率的方法。這也適用于發(fā)射體以減少由于衍射引起的光損失。

根據(jù)一些實(shí)施方式，具有較高折射率的芯和較低折射率的包層的引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以有效地表現(xiàn)為光導(dǎo)例如光波導(dǎo)，例如以減少或最小化由于衍射導(dǎo)致的光損失。例如，具有周期為2300nm、孔直徑為1500nm的正方形孔晶格可以引起2.63的近似有效折射率，并且具有周期為2000nm、孔直徑為1500nm的正方形晶格可以引起2.36的近似有效折射率。較高的折射率可以是芯，較低的折射率可以是包層。通過改變正方形晶格的周期可以實(shí)現(xiàn)芯與包層之間的大約10％的折射率差。其他組合也是可能的。包層可以具有六角形晶格，并且芯可以具有正方形晶格，其周期和直徑相同或不同。

圖97a和圖97b是示出入射到具有如圖82a所示的層結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)上的光的吸收的曲線圖。六角形晶格陣列和正方形晶格陣列中的孔用孔直徑為1500nm、周期為2000nm和2500nm蝕刻。在圖97a中，曲線9710分別示出了具有孔直徑為1500nm和周期為2000nm的六角形晶格。曲線9712是具有相同周期和孔直徑的正方形晶格。從1.4μm到1.6μm的波長，吸收超過80％，并且在1.55μm處，針對六角形晶格的吸收超過90％。曲線9714是沒有任何微結(jié)構(gòu)型孔的吸收，給出10％或更少的吸收，而在1.55μm處給出僅為幾個百分點(diǎn)的吸收。此外，在六角形晶格的情況下，從1450nm到1600nm的波長跨度中，吸收變化小于10％。圖97a還示出了數(shù)據(jù)和通信頻段；s、c、l和u/xl。在如圖82a所示的結(jié)構(gòu)的情況下，ms-pd/apd可以用于從s到u/xl的所有這些頻段。

在圖97b中，曲線9720示出了針對具有2500nm的周期和1500nm的孔直徑的六角形孔晶格的吸收相對波長，而曲線9722是針對具有相同周期和直徑的正方形晶格。然而，并不是最佳的，在1.55μm的波長處，吸收超過90％。還示出曲線9714以供參考。

吸收和量子效率是成正比的，并且具有最小反射的大約90％的吸收可以等于大約90％的量子效率。例如，外部量子效率可以被限定為qe＝(1-r)(1-e^-αx)，其中，r是來自ms-pd/apd的表面的反射，α是吸收系數(shù)，而x是吸收長度。吸收可以通過作為在吸收系數(shù)為α的長度x中吸收的光子量的(1-e^-αx)給出。在1.55μm的波長處的90％的吸收轉(zhuǎn)化為吸收系數(shù)與吸收長度的乘積；αx大約等于2.3。如果使用體吸收系數(shù)即1.55μm的波長處為460/cm，則x大約為50μm。與ge的物理長度2.2μm相比，光線將穿過吸收區(qū)大約23次。同樣地，如果物理吸收長度為2.2μm，則與1.55μm波長處的大約460/cm的體吸收系數(shù)相比，在1.55μm波長處增強(qiáng)的有效吸收系數(shù)大約為10455/cm。這再次表明增強(qiáng)到大約23倍。

吸收增強(qiáng)可以由以下任何一種單獨(dú)或組合引起：場增強(qiáng)、干涉、等離子體、超材料吸收器、高對比度光柵、波長和亞波長特征大小、非線性效應(yīng)、諧振效應(yīng)、有損耗的高對比度光柵、慢波、耦合波、耦合諧振、耦合模式和光子晶體(參見例如krauss，j.的“slowlightinphotoniccrystalwaveguide”，phys.d：appl.phys.40，第2666頁至第2670頁(2007)，其通過引用并入本文中)。

此外，與吸收成正比的量子效率在數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程通信波長的范圍內(nèi)較高。標(biāo)準(zhǔn)波段為s(1460nm至1530nm)、c(1530nm至1565nm)、l(1565nm至1625nm)和u/xl(1625nm至1675nm)。未示出的也可以具有高的吸收效率的其他波段為o(1260nm至1360nm)、e(1360nm至1460nm)。單個微結(jié)構(gòu)型si上gepd/apd可以覆蓋整個數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程通信波長光譜。參見例如gasca的“fromotol：thefutureofoptical-wavelengthband”|www.broadbandproperties.com|broadbandproperties，2008年6月，其通過引用并入本文中。

圖98是示出圖82a中所示以及圖97a和圖97b所模擬的結(jié)構(gòu)的模擬吸收的曲線圖。曲線9810和9812分別示出了六角形晶格的吸收和正方形晶格的吸收。在每種情況下，孔周期為2000nm并且直徑為1500nm。可以看到的是，結(jié)構(gòu)也在850nm波長范圍內(nèi)吸收良好：830nm至1000nm之間優(yōu)于80％的吸收。優(yōu)點(diǎn)在于，在單個器件的情況下，波長覆蓋范圍可以從具有優(yōu)于70％的吸收和/或量子效率的800nm到1700nm以及更長。si上gems-pd/apd可以與電子器件集成，使得實(shí)現(xiàn)單個芯片具有ms-pd/apd和跨阻抗放大器或用于信號處理的其他集成電路電子器件，這會顯著降低組裝和封裝成本。

圖99示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的用于在800nm至1000nm的波長范圍內(nèi)操作的si雪崩光電二極管的另一優(yōu)選外延結(jié)構(gòu)。特別地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所示的結(jié)構(gòu)在850nm±30nm附近操作良好，在850nm±30nm中，大量的數(shù)據(jù)通信發(fā)生，并且數(shù)據(jù)速率為5gb/s至40gb/s或更大。將使用微結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)吸收，該吸收可以是增強(qiáng)的吸收系數(shù)和/或增強(qiáng)的吸收長度。nsi襯底9902可以在器件工藝之后變薄至150μm。外延層為：例如，作為n接觸層的nsi層9906，其厚度范圍為0.1μm至4μm并且在一些情況下為0.3μm至2μm，并且摻雜大于1×10¹⁹/cm³；作為倍增層或增益層也稱為雪崩層的si本征或“i”層9918，其厚度范圍為0.2μm至1μm，并且在一些情況下為0.5μm，并且背景摻雜小于1×10¹⁶/cm³；作為電荷層的psi層9920，其厚度范圍為0.02μm至0.3μm并且在某些情況下為0.1μm，并且摻雜范圍為1.6×10¹⁷/cm³，并且在一些情況下為1.8×10¹⁷/cm³；作為吸收層的si本征“i”層9908，其厚度范圍為0.3μm至4μm并且在一些情況下為2μm，并且背景摻雜小于1×10¹⁶/cm³；以及作為p接觸層的psi層9910，其厚度范圍為0.1μm至2μm并且在某些情況下為0.3μm，并且摻雜大于1×10²⁰/cm³。

圖100是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型apd的一些特征的圖示。ms-apd使用圖99中所描繪的材料結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)型孔陣列10022被蝕刻到psi接觸層9920中并且部分或全部蝕刻到“i”si吸收層9918中。光從頂表面或psi層9910與表面呈法線和/或偏離表面法線入射。對n接觸層9906執(zhí)行臺面蝕刻，這限定器件的電容。p歐姆接觸10028和n歐姆接觸10030分別形成在psi接觸層9910和nsi接觸層9906上。將10伏特至60伏特的反向偏壓施加至p歐姆接觸和n歐姆接觸。相對于n接觸(陰極)，將負(fù)電壓施加至p接觸(陽極)。為了簡化起見，未示出元件例如鈍化層、平坦化層、橋接層、接合金屬化層和保護(hù)環(huán)。具有增強(qiáng)吸收的微結(jié)構(gòu)型光電二極管與si雪崩或增益層的組合使得微結(jié)構(gòu)型siapd在800nm至1000nm的波長范圍內(nèi)以及特別是在850nm±30nm處以大于5gb/s并且在一些情況下大于10gb/s的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行操作。在其他情況下，數(shù)據(jù)速率可以是15gb/s至40gb/s，具有為2、4、6、8、10或更大的倍增因子。si微結(jié)構(gòu)型apd的優(yōu)點(diǎn)是較低的過量噪聲，其低于例如基于gaas和/或inp的apd。

圖101示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的用于在800nm至1700nm的波長范圍內(nèi)進(jìn)行操作的si上ge雪崩光電二極管的另一優(yōu)選外延結(jié)構(gòu)。特別地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所示的結(jié)構(gòu)在1550nm±200nm附近操作良好，在1550nm±200nm中，大部分遠(yuǎn)程通信發(fā)生，并且數(shù)據(jù)速率為5gb/s至40gb/s或更大。將使用微結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)吸收，該吸收可以是增強(qiáng)的吸收系數(shù)和/或增強(qiáng)的吸收長度。nsi襯底10102可以在器件工藝之后變薄至150μm。外延層為：作為n接觸層的nsi層10106，其厚度范圍為0.1μm至4μm并且在一些情況下為0.3μm至2μm，并且摻雜大于1×10¹⁹/cm³；作為倍增層或增益層也稱為雪崩層的si本征或“i”層10118，其厚度范圍為0.2μm至1μm，并且在一些情況下為0.5μm，并且背景摻雜小于1×10¹⁶/cm³；作為電荷層的psi層10120，其厚度范圍為0.02μm至0.3μm并且在某些情況下為0.1μm，并且摻雜范圍為1.6×10¹⁷/cm³，并且在一些情況下為1.8×10¹⁷/cm³；作為吸收層的ge本征“i”層10108，其厚度范圍為0.3μm至4μm并且在一些情況下為2μm，并且背景摻雜小于1×10¹⁶/cm³；以及作為p接觸層的pge層10110，其厚度范圍為0.1μm至2μm并且在某些情況下為0.2μm，并且摻雜大于1×10²⁰/cm³。通常在si與ge之間的界面處，可以在規(guī)則ge外延生長之前生長低溫ge緩沖層。參見例如kang等人。

圖102是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型si上geapd的一些特征的圖示。ms-apd使用圖101中所描繪的材料結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)型孔陣列10222被蝕刻至pge接觸層10110中并且部分或全部地被蝕刻到具有如圖97a所示的尺寸、直徑和六角形晶格的“i”ge吸收層10108中。光從頂表面或psi層與表面呈法線和/或偏離表面法線入射。對n接觸層10106執(zhí)行臺面蝕刻限定器件的電容，并且p歐姆接觸10228和n歐姆接觸10230分別形成在pge接觸層和nsi接觸層上。將10伏特至60伏特的反向偏壓施加至p歐姆接觸和n歐姆接觸。為了簡化起見，未示出鈍化層、平坦化層、橋接層、接合金屬化層和保護(hù)環(huán)。具有增強(qiáng)吸收的微結(jié)構(gòu)型ge光電二極管與si雪崩或增益層的組合使得微結(jié)構(gòu)型si上geapd在800nm至1700nm的波長范圍內(nèi)以及特別是在1550nm±200nm處以大于5gb/s并且在一些情況下大于10gb/s的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行操作，并且在另外一些情況下數(shù)據(jù)速率大于15gb/s至40gb/s并具有大于2的倍增因子、在一些情況下具有大于4的倍增因子、以及在另一些情況下具有大于8至10的倍增因子。si上ge微結(jié)構(gòu)型apd的優(yōu)點(diǎn)是較低的過量噪聲，其低于例如基于gaas和/或inp的apd。

圖103a至圖103c示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的微結(jié)構(gòu)型硅和硅上鍺光電二極管和雪崩光電二極管的孔直徑、周期和其他參數(shù)。圖103a是示出所使用的各種參數(shù)的表。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以使用六角形晶格和正方形晶格。孔的其他晶格和/或非晶格布置也是可能的，但未示出。使用10μm、25μm、30μm、40μm、50μm、60μm、80μm的直徑的臺面大小來實(shí)現(xiàn)支持5gb/s到超過80gb/s的數(shù)據(jù)速率的電容。根據(jù)一些實(shí)施方式，可以使用限定結(jié)電容的其他方法，例如離子注入或擴(kuò)散來消耗載流子。例如對于六角形和/或正方形晶格，在800nm至1000nm的波長范圍內(nèi)并且特別是在850nm±30nm的波長范圍內(nèi)進(jìn)行操作的si微結(jié)構(gòu)型pd和apd的孔直徑和周期范圍可以為(以nm為單位的直徑/周期)1300/2000、1500/2000、700/1000、630/900。對于在800nm至1700nm的波長范圍內(nèi)并且特別是在1550nm±200nm的波長范圍內(nèi)操作的si上ge微結(jié)構(gòu)型pd和apd而言，用于六角形或正方形晶格的孔直徑和周期組合的示例包括：1300nm/2000nm、1500nm/2000nm、1500nm/2500nm、1300nm/2300nm。其他孔直徑和周期也是可能的。在800nm至1000nm和800nm至1700nm的波長處，以這些孔直徑和周期可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于50％的吸收在一些情況下實(shí)現(xiàn)優(yōu)于70％或90％的吸收。在圖103b和圖103c中，“d”被示出為六角形晶格圖案和正方形晶格圖案的周期。盡管描繪了圓形孔，但非圓形孔例如橢圓形、矩形、多邊形和/或其他不規(guī)則形狀也是可能的。選擇圓形孔是為了簡化使用fdtd進(jìn)行的模擬。

圖104a和圖104b是示出使用fdtd(時域有限差分)對圖82a所示的結(jié)構(gòu)針對吸收相對波長的模擬結(jié)果的曲線圖，該結(jié)構(gòu)是微結(jié)構(gòu)型sin襯底上gep-gei-sin光電二極管。注意，模擬結(jié)果也可以應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)型gepgeisipsiisinapd。該模擬使用孔直徑為1500nm、孔周期為2000nm的六角形晶格，其中，孔被蝕刻至sin層。在該模擬中，波長以1550nm為中心加上以及減去10nm(圖104a中的曲線10410)和1550nm加上以及減去1nm(圖104b中的曲線10412)。模擬晶格比0.1nm更精細(xì)，并且從圖104b中的曲線10412可以看到，對于1549nm至1551nm的波長，吸收從吸收率超過0.9(吸收90％)的高吸收值到超過0.85(吸收85％)的低吸收值變化小于10％。吸收相對波長的該特性在光遠(yuǎn)程通信應(yīng)用中是重要的，其中，在例如以1550nm為中心的波長變化為2nm內(nèi)，吸收沒有快速變化。圖104a中的曲線10410示出了以1550nm為中心的20nm波長變化下吸收從0.8變化到超過0.99。在任何2nm波長變化下，吸收變化小于15％。在某些情況下，吸收小于5％。用于粗wdm的波分復(fù)用(wdm)中的通道間隔可以是2nm或更大，而對于密集的wdm而言，通道間隔可以是0.8nm、0.4nm或更小，使得例如在1550nm處，3個或更多個通道可以適合于2nm光譜寬度，而對于粗wdm而言，需要4nm或更大。

圖105a和圖105b涉及根據(jù)一些實(shí)施方式的正方形晶格孔圖案的本征模。圖105a示出了正方形晶格布置中的單個單位晶胞10510。圖105b示出了si(或ge)材料中的微結(jié)構(gòu)型孔的單位晶胞中的各種2d本征模(固定模式、駐波模式、諧振模式)(來自使用麥克斯韋方程的fdtd模擬)。波沿微結(jié)構(gòu)型孔陣列的長度傳播，例如在空氣/半導(dǎo)體界面與ge/si界面之間傳播。波導(dǎo)和/或諧振器由微結(jié)構(gòu)型孔被蝕刻到的區(qū)域來限定。單位晶胞中的孔和半導(dǎo)體的長度可以被認(rèn)為是光波導(dǎo)和/或諧振器，并且可以耦合相鄰單位晶胞的許多并行光波導(dǎo)/諧振器，從而在2d陣列中引起耦合的波、耦合模式和/或耦合的諧振器。高對比度光柵(hcg)、光子晶體、慢波效應(yīng)和耦合波導(dǎo)/諧振器本征模、超模式、場增強(qiáng)、線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)、橫向模式、引導(dǎo)的諧振模式、bloch模式和耦合的bloch模式的組合可以使量子效率的表達(dá)式中的乘積“αx”有觀察到的增大，該量子效率與作為吸收的(1-e^-αx)成比例，其中，α是體材料吸收系數(shù)，而x是吸收長度。通過保持x恒定，可以增大α；通過保持α恒定，x可以增大；在一些情況下，α和x都可以增大。圖105b示出了圖105a中的正方形晶格的單位晶胞10510的許多復(fù)雜的本征模。正方形晶格中的每個晶胞可以具有這些本征模中的任何一個或多個并且可以耦合至相鄰晶胞的本征模，并且所有晶胞的大量耦合模式可以被稱為超模式。然后，該大量耦合可以引起相對波長的“更平滑”的吸收特性，其中，更平滑可以被限定為在某一波長跨度例如20nm并且在一些情況下為50nm的波長跨度以及在一些情況下為100nm或更大的波長跨度上吸收特性具有小于10％的變化。

圖106是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的彼此交疊布置的具有兩個正方形晶格的微結(jié)構(gòu)型孔的示意圖。點(diǎn)虛線正方形10610表示具有d1作為孔直徑的正方形晶格的單位晶胞。短虛線正方形10612表示具有相似周期但具有d2作為孔直徑的另一正方形晶格，其中，d1不等于d2。如果d1等于d2，則為正方形晶格(傾斜45度)?；蛘叩刃У兀绻麅蓚€正方形晶格的周期相似，則也可以被認(rèn)為是具有兩個不同孔直徑的六角形晶格。晶格圖案也可以具有多于兩個不同的孔直徑；例如，在六角形晶格中晶格圖案可以具有三個不同的孔直徑。在孔的一個優(yōu)選的微結(jié)構(gòu)中，例如，d1可以是1300nm直徑，并且正方形晶格可以具有2000nm的周期，并且d2可以是1500nm直徑，并且正方形晶格可以具有2000nm的周期。在微結(jié)構(gòu)型陣列中包括多于一個的孔直徑的優(yōu)點(diǎn)是，吸收相對波長曲線可以進(jìn)一步變平，使得針對si制成的微結(jié)構(gòu)型pd/apd的超過800nm至990nm的波長以及針對如圖101中由si上ge制成的微結(jié)構(gòu)型pd/apd的1250nm至1750nm的波長，吸收的變化可以小于20％。在一些情況下，吸收在這些波長范圍內(nèi)變化小于10％并且在一些情況下小于5％。此外，可以改進(jìn)微結(jié)構(gòu)型pd/apd的總體吸收或相當(dāng)于量子效率。

散布不同的孔直徑還可以使量子效率變平，該量子效率與對較寬的波長范圍內(nèi)的波長——特別是針對硅中的微結(jié)構(gòu)型pd/apd的800nm至990nm的波長以及針對si上ge中的微結(jié)構(gòu)型pd/apd的1000nm至1800nm的波長——的吸收成正比。根據(jù)一些實(shí)施方式，其他孔直徑和周期也是可能的。

根據(jù)一些實(shí)施方式，例如，對用于增大pd/apd的量子效率的微結(jié)構(gòu)型孔和/或柱的吸收進(jìn)行的改進(jìn)可以應(yīng)用于使用光子的吸收的其他器件例如太陽能電池、成像傳感器、輻射吸收器等，其中，體吸收系數(shù)不足以在設(shè)計參數(shù)例如吸收材料的厚度中保持足夠的量子效率。

圖107是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge的外延結(jié)構(gòu)的圖示。該結(jié)構(gòu)與圖82a所示的結(jié)構(gòu)類似但具有厚度為0.1μm至0.5μm并且背景摻雜(可以是n摻雜或p摻雜)小于1.5×10¹⁶/cm³的附加sii層10718，該附加sii層10718在具有厚度為0.2μm(或0.1μm至2μm的范圍)并且n摻雜>1×10¹⁹/cm³的sin層10706上生長并且在sii層10718之后是被非有意摻雜有背景摻雜<5×10¹⁶/cm³并且在一些情況下<5×10¹⁵/cm³、厚度為2μm或在0.5μm至2.5μm的范圍內(nèi)的gei層10708。具有摻雜>1×10¹⁹/cm³并且厚度為0.2μm或在0.2μm至0.5μm的范圍內(nèi)的pge層10710在頂部上。所有這些層都在nsi襯底10702上生長?？梢允褂脠D103a至圖103c所示的參數(shù)來形成微結(jié)構(gòu)型孔陣列10722。根據(jù)一些實(shí)施方式，六角形晶格或正方形晶格的孔直徑為1300nm至1500nm，并且周期為2000nm。根據(jù)其他實(shí)施方式，使用如圖106所示的布局。在這種情況下，具有多個直徑的孔可以是例如如圖106所示彼此嵌套的周期為2000nm并且直徑為1300nm和1500nm的正方形晶格。

sii層10718用于使si中的摻雜劑達(dá)到低水平，使得減少或最小化擴(kuò)散到gei層10708中的摻雜劑以使得gei層生長。摻雜劑例如用于n型摻雜的磷往往在ge中比在si中更快地擴(kuò)散。

根據(jù)一些實(shí)施方式，圖107中所示的結(jié)構(gòu)用于微結(jié)構(gòu)型pd并且還可以用于如圖101所示的那樣添加有倍增層和電荷層的微結(jié)構(gòu)型apd。該結(jié)構(gòu)的波長范圍可以為800nm至1700nm并且特別地大約為1550nm±200nm。

添加的si“i”層10718還有助于減小器件的電容，這是因?yàn)椤癷”層現(xiàn)在是gei和sii層的總和。電容的減小有助于增大pd/apd的調(diào)制帶寬。例如，在一些情況下，si“i”層的厚度范圍可以為0.1μm至3μm。在一些情況下，可以將孔10722蝕刻至si“i”層和/或蝕刻到si“i”層中。

圖108是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si上ge的微結(jié)構(gòu)型光電二極管的基本特征的圖示。該結(jié)構(gòu)與圖107所示的結(jié)構(gòu)相似或相同。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)ms-pd在1300nm至1700nm的波長范圍以及600nm至1300nm的波長范圍內(nèi)操作良好。如圖所示的光從孔陣列被蝕刻的頂表面入射。在一些小的改變的情況下，光也可以從襯底的底部入射，其中底部上的n歐姆接觸10832具有孔徑，并且si襯底10702的底部用抗反射涂層拋光。此外，可以在底部si襯底10702上形成過孔(未示出)，使得過孔可以向光纖提供引導(dǎo)以與微結(jié)構(gòu)型pd對準(zhǔn)。在該示例中，孔10722被蝕刻至sii層10718。根據(jù)一些實(shí)施方式，孔10722也可以被蝕刻穿過sii層或蝕刻到sii層中或者不被蝕刻透過sii層。孔陣列可以具有多個孔大小和多個周期并且可以是非周期性的?？字睆娇梢栽?00nm至1700nm的范圍內(nèi)，并且周期可以在1000nm至2500nm的范圍內(nèi)。根據(jù)一些實(shí)施方式，在正方形晶格或六角形晶格中，孔直徑為1300nm和1500nm并且周期為2000nm。此外，1300nm和1500nm的孔可以成具有2000nm的周期并且如圖106所示的那樣彼此嵌套的正方形晶格?？字睆胶椭芷诳梢宰兓?0nm至50nm并且在一些情況下可以改變50nm至100nm。未示出在半導(dǎo)體的壁上的可以具有2nm至100nm的厚度的鈍化層。鈍化可以用于暴露的臺面的強(qiáng)場區(qū)中，以減少泄漏電流。在p接觸10828與n接觸10830(和/或10832)之間施加-2伏特至-12伏特的反向偏壓。反向偏壓意味著相對于n(陰極)接觸向p(陽極)施加負(fù)電壓。用負(fù)號或沒用負(fù)號示出的電壓指代在陽極處相對于陰極為負(fù)。此外，孔可以具有不同的形狀，不一定都是圓形的。

已知在光電檢測器中使用納米線。納米線是inp，并且光電檢測器顯示出14ps的響應(yīng)時間，或相當(dāng)于在頻域中被高斯變換限定為大約30ghz3db的調(diào)制帶寬。參見v.j.logeeswaran等人的“a14-psfullwidthathalfmaximumhigh-speedphotoconductorfabricationwithintersectinginpnanowiresonanamorphoussurface”，appl.phys.，第a91期，第1頁至第5頁(2008)(下文中稱為“l(fā)ogeeswaran等人”)，其通過引用并入本文中。在logeeswaran等人中，入射光子在780nm處，并且大約780nm處的inp吸收系數(shù)大約為35000cm^-1，并且不需要增強(qiáng)吸收和吸收長度。類似地，在另一種已知技術(shù)中，850nm的光子入射在納米線上，并且大約850nm處的gaas的吸收系數(shù)大約為12000cm^-1，其中，不需要再次增強(qiáng)吸收和/或長度。參見m.a.seyedi等人的“efficientschottky-likejunctiongaasnanowirephotodetectorwith9ghzmodulationbandwidthwithlargeactivearea”appliedphysicsletters105,041105(2014)，其通過引用并入本文中。相比而言，根據(jù)本文中所描述的技術(shù)，使用ps響應(yīng)時間和/或5gb/s或更大的調(diào)制帶寬來描述高速光電二極管/雪崩光電二極管。在850nm處的si中，吸收系數(shù)大約為700cm-¹，并且使用對吸收和/或吸收長度的增強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)40％或更好的量子效率。類似地，對于大約1550nm處的ge而言，吸收系數(shù)大約為459cm-¹，這也使用對吸收和/或吸收長度的增強(qiáng)。

例如，對于用于典型高速或高調(diào)制帶寬pd/apd以例如大約10gb/s至30gb/s進(jìn)行操作的2μm厚的吸收“i”層(“i”層可以取決于pd/apd的調(diào)制帶寬從0.3μm變化至3.5μm)而言，僅大約13％的850nm處的光子被吸收而沒有被增強(qiáng)。在通過例如本專利申請中所描述的微結(jié)構(gòu)型孔陣列(或柱)將吸收和/或吸收長度增強(qiáng)到大約12倍或更多倍的情況下，超過80％的光子可以在為2μm的物理“i”吸收長度中被吸收。本文中已經(jīng)證明的是，在分別在數(shù)據(jù)通信為850nm和遠(yuǎn)程通信波長為1550nm處使用弱吸收(大約1000cm-¹或更小)材料例如si和ge并且添加微結(jié)構(gòu)型孔和/或柱的情況下，可以將吸收或吸收系數(shù)和/或吸收長度增強(qiáng)到材料變得強(qiáng)烈吸收(大約2000cm-¹或更大)的程度，并且微結(jié)構(gòu)型pd/apd可以用于高速或高調(diào)制帶寬數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程通信應(yīng)用和系統(tǒng)。

在一些情況下，對于某些光學(xué)數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程通信而言僅大約40％的吸收是足夠的，并且例如對于850nm處的2μm的si“i”層而言僅需要對吸收和/或吸收長度增強(qiáng)到大約3倍，或?qū)τ?μm的ge“i”層而言，需要1550nm波長處針對ge的吸收系數(shù)或吸收長度的4.5倍增強(qiáng)因子。較高的增強(qiáng)因子是可能的，因子大于10并且在一些情況下大于20以及在一些情況下大于40。當(dāng)半導(dǎo)體體材料吸收系數(shù)變小時，增強(qiáng)因子變大達(dá)到100或更大。

si納米線的吸收在下述文獻(xiàn)中討論：luhu和gangchen的analysisofopticalabsorptioninsiliconnanowirearraysforphotovoltaicapplications，，nanolett.，第7卷，第11期，2007年(下文中稱為“hu等人”)，其通過引用并入本文中。與薄si膜相比，與850nm波長對應(yīng)的1.46ev處的吸收未被增強(qiáng)，并且其中在大約2.25ev或大約550nm或更短波長以上，與薄si膜相比，吸收被增強(qiáng)。hu等人還補(bǔ)充：“但在低頻狀態(tài)下，由于硅的消光系數(shù)小而無法實(shí)現(xiàn)改進(jìn)”。

另一篇出版物中也得出類似的結(jié)論：chenxilin和michellel.povinelli的“opticalabsorptionenhancementinsiliconnanowirearrayswithalargelatticeconstantforphotovoltaicapplications”，第17卷，第22期/opticsexpress19371，2009年10月26日(下文中稱為“l(fā)in等人”)，其也通過引用并入本文中。lin等人示出了在大約1.5ev處的吸收的諧振增強(qiáng)，這被lin等人歸因于引導(dǎo)引起納米結(jié)構(gòu)中的電磁場強(qiáng)度的增大的諧振模式或慢bloch模式。lin等人闡述：“將來自空氣的入射光耦合成二維周期結(jié)構(gòu)的高q泄漏模式”。在用于數(shù)據(jù)和/或遠(yuǎn)程通信應(yīng)用的光電二極管使用中，高q模式的尖銳諧振是不期望的。諧振光電二極管的該特性在例如j.d.schaub等人的resonant-cavity-enhancedhigh-speedsiphotodiodegrownbyepitaxiallateralovergrowth，ieeephotonicstechnologyletters，第11卷，第12期，1999年12月(下文中稱為“j.d.schaub等人”)中討論，其通過引用并入本文中。schaub等人示出了大約800nm的波長處的高達(dá)40％的量子效率(參見schaub等人中的圖3)。然而，高q模式的尖銳諧振是不期望的，這是因?yàn)橛捎跍囟榷鴮?dǎo)致的發(fā)射器的波長的任何漂移(例如針對某些二極管激光器的0.3nm/度，由于焦耳發(fā)熱和周圍環(huán)境引起的激光器內(nèi)部溫度可以在數(shù)據(jù)中心中變化高達(dá)80℃或更高)可能導(dǎo)致量子效率的顯著改變。具有尖銳諧振的先前已知的諧振光電二極管在量子效率最高的波峰諧振波長方面也可以是溫度敏感的。此外，由于制造變化，所以激光源通常具有激光波長變化，并且不希望在波長方面將激光器與光電二極管準(zhǔn)確地匹配。諧振光電二極管的制造變化也可能導(dǎo)致波長變化的諧振波峰。這降低場并增加光學(xué)系統(tǒng)的成本，這是因?yàn)閷υ春蜋z測器的波長進(jìn)行的仔細(xì)測試需要匹配并保持溫度穩(wěn)定性。

最近的出版物，ruiren，yong-xinguo和ri-hongzhu的“enhancedabsorptioninellipticalsiliconnanowirearraysforsolarenergyharvesting”，opticalengineering53(2)，027102(2014年2月)也示出了在1.5ev下弱增強(qiáng)或無增強(qiáng)但在較高能量下吸收強(qiáng)度增強(qiáng)的類似的結(jié)果，其通過引用的方式并入。

在donnelly等人的“mode-basedanalysisofsiliconnanoholearraysforphotovoltaicapplications”，第22卷第s5期，opticsexpressa1343，2014年8月25日(下文中稱為“donnelly等人”)中，針對光伏應(yīng)用分析納米孔，其通過引用并入本文中。在光伏應(yīng)用中尖銳諧振不是問題，這是因?yàn)槿展夤庾V很廣泛(數(shù)百nm)，而在光學(xué)數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程通信中，激光光譜從遠(yuǎn)小于1nm到幾nm很窄例如<0.01nm至3nm，其取決于激光器的類型例如分布式反饋激光器、法布里-珀羅激光器、垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)，以及是單模激光器還是多模激光器以及激光器在cw中以外部調(diào)制還是直接調(diào)制被操作。例如，donnelly等人還示出了例如在850nm波長區(qū)域處的尖銳諧振，其中，在參考donnelly的圖4中的800nm處的20nm的波長跨度上吸收變化達(dá)75％或更多。donnelly等人的圖5示出了具有各種納米孔深度的500nm的最佳周期并且還示出了例如850nm的波長處的尖銳諧振，其中，在10nm的波長跨度上吸收可以從大約100％變化成20％，即，在吸收方面大約80％的變化。除了諧振引導(dǎo)模式之外，本文獻(xiàn)還包括可以使吸收增強(qiáng)的基本模式和通道模式。

與量子效率成正比的大約為30％至40％并且在一些情況下為≤20％或≤10％的吸收波動對于數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程通信應(yīng)用而言是可以容許的。在一些情況下，對于大約850nm例如±5nm、10nm、20nm、50nm或100nm的中心波長而言期望的是量子效率的波動小于或等于5％。

通過實(shí)驗(yàn)，在erikgarnett和peidongyang的“l(fā)ighttrappinginsiliconnanowiresolarcells”，nanolett.，2010年第10期，第1028頁至第1087頁(下文中稱為“garnett等人”)中觀察到光捕獲和增強(qiáng)的吸收，其通過引用并入本文中。garnett等人的圖4示出了在1100nm的波長處的光透射小于10％、在850nm的波長處的光透射大約為5％，其中，從方程式1＝t+r+a分別得到的是，如果反射可以忽略，則吸收大約為90％至95％，在該方程式中，假設(shè)所有的光都被收集，t是透射，r是反射而a是吸收。

在另一最近的出版物，katherinet.fountaine，christiang.kendall和harrya.atwater的“near-unitybroadbandabsorptiondesignsforsemiconductingnanowirearraysvialocalizedradialmodeexcitation”，第22卷，no.opticsexpressa930，2014年5月5日(下文中稱為“fountaine等人”)中，對具有不同直徑的高度為3μm的si上的gaas納米線的模擬結(jié)果表明可以通過5％的填充因子來實(shí)現(xiàn)接近統(tǒng)一吸收，其通過引用并入本文中。參見fountaine等人的圖4。模擬的目的是減少材料的使用以實(shí)現(xiàn)高效光伏器件；具有3μm的gaas納米線的5％填充因子相當(dāng)于材料量方面的150nm的平面gaas層。然而，吸收增強(qiáng)的適當(dāng)比較是將3μm的gaas納米線與3μm厚的gaas平面層進(jìn)行比較。在這種情況下，3μm的平面gaas層將具有一致吸收直至3μm的平面gaas層達(dá)到1.42ev或大約873nm的帶隙邊緣并且急劇下降為止，在886nm處吸收系數(shù)大約為241/cm，其中，例如241/cm與作為強(qiáng)吸收的大約855nm處的5917/cm相比為弱吸收，并且3μm厚的層在886nm處吸收大約7％、在855nm處吸收大約83％、在827nm處吸收大約99％。通過比較3μm的gaas層與fountaine等人的圖4，不存在明顯的吸收增強(qiáng)。在沒有明顯的吸收增強(qiáng)的情況下，使用納米線光電二極管與體層光電二極管相比沒有優(yōu)勢。在這種情況下，3μm的體gaas光電二極管的作用如果不更良好則與3μm的gaas納米線光電二極管的作用恰好相同以用于在800nm至850nm的波長處進(jìn)行數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程通信。

根據(jù)本文中所描述的技術(shù)，提供吸收(系數(shù)和/或長度)的增強(qiáng)，使得例如si中的2μm的微結(jié)構(gòu)型孔(也可以是柱和/或柱和孔)例如針對5gb/s或更大的高數(shù)據(jù)速率數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程通信比800nm至900nm的波長處的2μm的si體層光電二極管顯著更具吸收性。

圖109a和圖109b是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的針對微結(jié)構(gòu)型孔陣列使用麥克斯韋方程進(jìn)行的fdtd模擬的結(jié)果的曲線圖。孔陣列具有周期為2000nm和兩個孔直徑(如圖106所示)的六角形晶格并且具有與圖92的“i”厚度為2μm并且孔被蝕刻穿過i層的sinip類似的外延結(jié)構(gòu)。圖109a示出了四種情況下的吸收相對波長，其包括使用1670nm和1500nm的孔直徑的曲線10910，而圖109b示出了情況中的兩種情況下的放大比例的吸收相對波長，其包括使用1670nm和1500nm的孔直徑的曲線10910。模擬示出了跨840nm至860nm的波長并且平均吸收大約為90％的小于10％的波動。此外，835nm至875nm的波長之間的區(qū)域可以具有等于或優(yōu)于入射光子的80％的吸收。添加多于一個孔直徑和/或周期減少吸收相對波長曲線中的波動。具有不同孔直徑和/或周期的不同結(jié)構(gòu)的不同諧振模式與本征模的耦合有助于減小波動并改進(jìn)在更寬波長范圍內(nèi)的吸收增強(qiáng)，并且在大約2μm厚的si材料中在850nm處實(shí)現(xiàn)與大于80％的量子效率成正比的高吸收效率。在一些情況下，可以實(shí)現(xiàn)850nm±10nm處的大于90％的量子效率。在一些情況下，在850nm±10nm處可以實(shí)現(xiàn)大于70％、60％、50％或40％的量子效率。

還示出了其他孔直徑例如1330nm和1500nm、1500nm和1500nm、1670nm和1670nm，所有孔具有2000nm的周期，并且波動在某一波長范圍內(nèi)比其他波長范圍內(nèi)更良好，使得在針對某一波長范圍例如850nm±10nm設(shè)計微結(jié)構(gòu)型pd/apd時，具有2000nm的周期的六角形晶格中的1500nm的孔大小可以在2μm的si“i”層中獲得大于80％并且具有小于10％的波動的吸收。此外，具有1330nm和1500nm的孔以及如先前所提及的具有周期為2000nm的六角形晶格、直徑為1500nm和1670nm的孔也可以大致獲得該性能。因此，可以使用具有直徑為600nm至1700nm和周期范圍為900nm至2000nm的孔大小的范圍來設(shè)計具有20nm或更大光譜范圍的特定波長范圍。也可以使用其他直徑和周期，所給出的示例表明孔直徑和周期的某些組合可以引起具有小于10％、20％、30％、40％和50％的波動的吸收增強(qiáng)。

孔直徑可以大于波長或小于波長，并且自由空間中的周期大于波長。亞波長周期也可以與等于或大于波長的周期結(jié)合使用。

該示例表明具有相同周期的各種孔直徑可以用于在si中設(shè)計以超過5gb/s——在一些情況下為10gb/s、在一些情況下為20gb/s以及在一些些情況下為30gb/s至40gb/s或更大——的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行操作的850nmpd/apd，其中，有用的光譜范圍為20nm，在一些情況下為10nm、在一些情況下為40nm或更大?？梢允褂闷渌字睆胶椭芷趤韮?yōu)化例如880nm波長、980nm波長處的吸收增強(qiáng)，其中，通常的孔直徑和/或周期隨著波長變長將相應(yīng)地更大?？梢允褂枚鄠€孔直徑和/或多個周期將微結(jié)構(gòu)型硅pd/apd延伸到更長的波長例如從800nm到1000nm的波長并且具有增強(qiáng)的吸收為40％或更大，在一些情況下為50％或更大、在一些情況下為60％或更大、在一些情況下為70％或更大、在一些情況下為80％或更大以及在某些情況下在特定波長處為90％或更大。對于更長的波長例如1550nm而言，孔和周期可以是例如1300nm的直徑和1500nm的直徑、周期為2300nm和2500nm，其中，周期增大。si上ge中的針對1550nm的波長的其他孔直徑/周期可以是例如2300/3100(以nm為單位)、2000/3100(以nm為單位)，其中，直徑和周期都增大。

此外，還可以使用其他形狀例如人字形或“v”形孔用于吸收增強(qiáng)。其他形狀可以是“x”形、可以是矩形、三角形、多邊形和/或形狀的任何組合以實(shí)現(xiàn)期望的吸收增強(qiáng)和光譜寬度以及偏振靈敏度。

圖110示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的具有不同孔直徑和晶格周期的微結(jié)構(gòu)型光電二極管/雪崩光電二極管的吸收相對波長的圖。模擬的ms-pd/apd具有正方形晶格，其中，光子從頂表面或底表面入射。吸收層是具有大約厚度為2μm的ge。該結(jié)構(gòu)與圖82a所示的結(jié)構(gòu)類似。例如，吸收相對波長曲線中由曲線11010表示的具有孔直徑為1500nm和周期為2000nm的微結(jié)構(gòu)示出對波長范圍為1500nm至1650nm的入射光子的良好吸收特性。例如，由吸收相對波長曲線中的曲線11012表示的具有孔直徑為2250nm和周期為3000nm的微結(jié)構(gòu)示出對例如波長范圍為1650nm至1700nm的入射光子的良好吸收特性。這兩個孔直徑和晶格的組合可能引起針對1500nm至1700nm范圍的波長的吸收優(yōu)于60％?？字睆?周期的其他組合也可以用于實(shí)現(xiàn)良好的吸收特性，例如優(yōu)于50％、在一些情況下優(yōu)于40％、在一些情況下優(yōu)于30％。在某些波長內(nèi)，例如在1550nm±10nm或更多的波長處可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于80％。此外，1669nm±幾納米的波長也可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于80％的吸收效率。還示出了其他孔直徑為1875nm、周期為2500nm并且由曲線11014表示。

在某些情況下，孔直徑可以大于入射在微結(jié)構(gòu)型pd/apd上的要被吸收的光的波長，并且在一些情況下，孔的直徑可以與入射光子波長大致相同，并且在一些情況下，孔的直徑可以小于入射光子波長。關(guān)于晶格的周期可以具有相同的情況，其中，周期可以比要被檢測的光的入射波長更小、大致相同和/或更大。

圖111a和圖111b示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的使用如圖82a中的結(jié)構(gòu)的fdtd方法的模擬，其中，使用了兩個晶格和兩個不同的孔直徑。圖111a示出了孔圖案，其包括具有孔直徑d1為1500nm的六角形晶格與四角處為d1而中心處d2為2250nm的正方形晶格的組合。d1孔被橫向間隔開3μm(d2＝3μm)、被縱向間隔開大約3.46μm。六角形晶格的周期為2μm(d1＝2μm)。圖111b示出了吸收相對波長的曲線。可以看出，2個晶格、2個不同的孔直徑情況(曲線11110)表明，在某些波長處，吸收比單個晶格/孔微結(jié)構(gòu)型pd/apd的吸收更好。例如，在大約1570nm至1600nm或數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程通信波長的l波段處，曲線11110示出了更好的吸收。這是對例如具有孔直徑為1500nm(曲線11112)的2μm周期以及具有孔直徑為2250nm(曲線11114)的3μm周期的正方形晶格進(jìn)行的比較。該結(jié)果僅表明，在孔直徑和周期的不同組合的情況下，吸收響應(yīng)可以具有較少的諧振和/或較少的尖銳諧振并且還可以在某些波長范圍內(nèi)最佳地調(diào)整吸收響應(yīng)。這僅是一個示例，可以模擬晶格、周期、孔直徑和形狀的其他組合，以獲得期望的量子效率、偏振靈敏度、非靈敏度、波長選擇性和/或非選擇性例如寬波段、波動/諧振減少等。例如，直徑或最小尺寸可以在100nm至3000nm的范圍內(nèi)，并且周期和/或多個周期可以在150nm至4000nm的范圍內(nèi)。此外，孔圖案可以不是晶格，例如孔非周期性地分布和/或孔之間的間隔被啁啾。此外，孔的圖案可能不需要是周期性的，但圖案可以是周期性的或非周期性的?？卓梢允请S機(jī)的或偽隨機(jī)分布的，并且孔直徑可以以周期性、非周期性的方式、隨機(jī)方式或偽隨機(jī)方式變化。此外，孔可以至少在一個點(diǎn)處連接，例如，在某些周期處，周期與孔的直徑相同、幾乎相同、小于孔的直徑?？椎年嚵锌梢跃哂卸鄠€周期，并且至少一個周期可以使得孔接觸和/或交疊。

通過根據(jù)本文中所描述的技術(shù)使用諧振晶胞與相鄰鄰近諧振晶胞的耦合，實(shí)現(xiàn)吸收響應(yīng)的平滑，這與僅具有單個諧振器并且在吸收相對波長方面表現(xiàn)出尖銳的諧振行為的現(xiàn)有已知的諧振光電二極管相反。根據(jù)本文中所描述的技術(shù)的諧振晶胞的總效果引起具有受控波動和波長范圍的更加定制的吸收響應(yīng)。此外，本文中所描述的技術(shù)還可以用于在特定波長處定制特定吸收特性以用于特定波長處的更優(yōu)的pd/apd性能。

此外，不參與吸收增強(qiáng)工藝的其他微結(jié)構(gòu)/納米結(jié)構(gòu)可以用于減少反射；例如在具有數(shù)十nm到數(shù)百nm范圍內(nèi)的尺寸(例如直徑)的表面上的亞波長孔或凹處，其深度可以在數(shù)十nm到數(shù)百nm或更大的范圍內(nèi)。

圖112是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的具有相同周期的兩個六角形晶格彼此組合和交織的另一晶格結(jié)構(gòu)的圖示。圖案可以使用相同或不同直徑的孔。如圖所示，該圖案具有兩個不同的直徑，例如，周期可以是2000nm，d1可以是1500nm，d2可以是700nm。周期和直徑的其他組合也是可能的并且用于定制吸收特性并且因此對照入射光子波長和波長跨度來定制量子效率，其中，吸收特性對于光學(xué)數(shù)據(jù)/遠(yuǎn)程通信目的而言是可接受的并且滿足針對特定的一個或更多個光學(xué)系統(tǒng)的任何特定的應(yīng)用要求。

如彼此交疊的兩個六角形晶格的虛線三角形所示的單位晶胞，使得單位晶胞的本征模也彼此交疊，這可以進(jìn)一步減小特定波長范圍內(nèi)的吸收特性的波動并且還可以擴(kuò)展其中吸收特性的波動減小的波長范圍。某一波長范圍內(nèi)的吸收特性的急劇變化在光電二極管/雪崩光電二極管中是不希望的，這是因?yàn)槔缛肷涔庑盘柌ㄩL的漂移和/或光電二極管吸收特性相對于溫度的漂移都可能引起光電信號轉(zhuǎn)換的顯著變化。小于5％的改變是優(yōu)選的，并且在一些其他情況下，在2nm、4nm、10nm、20nm、40nm、60nm、100nm或250nm的波長范圍內(nèi)小于10％、20％、30％、40％或50％的改變是優(yōu)選的。

圖113示出了具有6個單位晶胞的六角形晶格，每個晶胞具有其本征模，其中，任何場傳播/分布可以是其本征模的擴(kuò)展。每個晶胞的本征?？梢耘c形成復(fù)耦合超模的相鄰晶胞的本征模耦合，這可以被認(rèn)為是鐘擺的2d陣列的耦合，僅用于可視化目的，從而使得對鐘擺運(yùn)動的該大量耦合的2d陣列的響應(yīng)或運(yùn)動是很復(fù)雜的，而不是單擺的簡單振蕩運(yùn)動，其中，每個鐘擺經(jīng)由弱彈簧連接至所有相鄰的鐘擺(弱彈簧是機(jī)械耦合機(jī)構(gòu))。為了添加至耦合，可以例如在圖112中添加第二嵌套的六角形晶格。此外，可以在晶胞內(nèi)和/或相鄰晶胞的邊界處添加圓形或任何形狀和任何深度以及任何直徑的孔，其中這些參數(shù)中的任何參數(shù)可以具有多個值，這可以影響晶胞的本征模以及其與相鄰晶胞本征模的耦合。例如，為了簡化起見，可以如圖所示添加直徑為x的孔，其中，x可以具有單個值或多個值，并且孔可以部分或完全被蝕刻在si或ge表面中并被蝕刻到吸收層中。這也可以僅在表面上而不是穿透吸收層。根據(jù)一些實(shí)施方式，孔可以部分地或完全地蝕刻到吸收層中。

與先前已知的結(jié)構(gòu)中的單個諧振器例如諧振光電二極管相比，引起復(fù)雜的駐波或超本征模的晶胞的耦合可以給出更平穩(wěn)的吸收相對波長響應(yīng)，其中，吸收響應(yīng)(與量子效率成比例)具有尖銳的諧振特征。

圖114示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的具有孔陣列和紋理表面的sinip微結(jié)構(gòu)型光電二極管。紋理表面11440可以在頂表面上和/或在自身的孔11422中。例如，紋理可以具有偏離法線的角度，其中，襯底可以相對于干蝕刻光束(方向)傾斜地旋轉(zhuǎn)(或靜止)，并且紋理可以部分地在側(cè)壁上。根據(jù)一些實(shí)施方式，紋理11440減少入射輻射的反射，這是因?yàn)樵诠馔ㄐ沛溌分?，反射回光源的光信號是非期望的，并且可能使?shù)據(jù)通信系統(tǒng)的信噪比退化。在具有或不具有掩模的情況下在半導(dǎo)體表面上執(zhí)行干蝕刻的紋理例如黑色硅可以引起大量納米結(jié)構(gòu)，其可以捕獲光子并減少反射。在沒有任何紋理的情況下，如在圖39中的吸收相對波長曲線中看到的，反射小于10％并且在一些情況下小于5％、在一些情況下小于2％，其中，在某些波長處吸收大于90％至95％。根據(jù)等式1＝t+r+a，其中，t是透射光，r是反射光而a是吸收光，則針對a＝90％至95％，表示t+r為5％至10％。因此，r小于或等于10％并且在一些情況下小于或等于5％。在添加半導(dǎo)體表面的紋理的情況下，反射可以在某些波長處進(jìn)一步減少到小于1％。此外，光信號可以以偏離法線的角度入射在微結(jié)構(gòu)型pd/apd上，并且可以進(jìn)一步減少回到光數(shù)據(jù)通信信道的反射。

圖115是示出si和ge吸收系數(shù)相對波長的曲線圖。參見例如圖6：(http://www.silvaco.com/tech_lib_tcad/simulationstandard/2010/apr_may_jun/a1/a1.html)，其通過引用并入本文中。對于850nm處的si和1550nm處的ge都具有大約小于300/cm的吸收系數(shù)。例如，對于高速光電二極管和/或雪崩光電二極管而言，該弱吸收引起不足的量子效率，其中，針對例如>10gb/s帶寬的數(shù)據(jù)速率，高速光電二極管和/或雪崩光電二極管通常具有大約2μm或更薄的吸收厚度。這是目前沒有針對例如850nm波長的si和1550nm波長的ge具有>5gb/s數(shù)據(jù)速率的商業(yè)高速光電二極管的原因之一。

圖116是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的由于微結(jié)構(gòu)型孔陣列而增強(qiáng)的ge的有效吸收系數(shù)的曲線圖。曲線11610示出了對于2μm厚的ge層而言針對具有周期為1.65μm和孔直徑為1.25μm的六角形晶格的ge的增強(qiáng)的吸收系數(shù)。為了進(jìn)行比較，曲線11612示出了體ge(沒有微結(jié)構(gòu)型孔)的吸收系數(shù)。根據(jù)一些實(shí)施方式，其他微結(jié)構(gòu)也可以給出可以針對某些波長段被優(yōu)化的增強(qiáng)的有效吸收系數(shù)。例如，微結(jié)構(gòu)可以是孔或柱，間隔可以是周期性的或非周期性的，孔或柱可以具有單個直徑或多個直徑，并且形狀可以是圓形或非圓形的。如先前所示，吸收是吸收系數(shù)和吸收長度的乘積。因此，將吸收系數(shù)保持為體材料吸收系數(shù)(ge的曲線11612)，則吸收長度可以是物理吸收長度的5、10、20或更多倍的增強(qiáng)的有效吸收長度。如從圖116中可以看到的，增強(qiáng)的有效吸收系數(shù)在許多波長范圍內(nèi)是ge中的體吸收系數(shù)的10倍以上。ge中的增強(qiáng)的有效吸收系數(shù)由于微結(jié)構(gòu)使得能夠研發(fā)高速pd/apd，其中，在1550nm波長以及更長的波長處的吸收長度通常為大約2μm或更小，而量子效率(與吸收成正比)大于30％、大于40％、大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于90％。材料、吸收長度、波長、數(shù)據(jù)速率和量子效率的這樣的組合在其他方面是未知的，對于si或ge而言都不能商業(yè)上可用。關(guān)于在850nm或更長的波長范圍內(nèi)以高數(shù)據(jù)速率帶寬進(jìn)行操作的si微結(jié)構(gòu)型pd/apd情況相同，其中，吸收長度對于例如5gb/s、10gb/s、20gb/s以及更高的數(shù)據(jù)速率而言通常為大約2μm或更小。

此外，微結(jié)構(gòu)可以由單個元件或晶胞和/或多個元件或晶胞組成并且可以具有增強(qiáng)的有效吸收和/或增強(qiáng)的有效吸收長度，這可以是線性光場效應(yīng)、非線性光場效應(yīng)、耦合模式效應(yīng)和/或慢波效應(yīng)的結(jié)果。

使用微結(jié)構(gòu)對吸收系數(shù)和/或吸收長度的增強(qiáng)也可以用于將其他材料例如iii-v材料、gaas、inp、gan等的操作波長延伸在波段邊緣處，在波段邊緣處，吸收系數(shù)變?nèi)?。對于?.6μm的波長附近的ingaas而言，參見例如slawomirs.piatek中的圖3：http://www.hamamatsu.com/us/en/community/optical_sensors/tutorials/physics_of_mppc/index.html？utm_source＝googleplus&utm_medium＝social&utm_campaign＝hc-social，其通過引用并入本文中。根據(jù)一些實(shí)施方式，微結(jié)構(gòu)可以用于將工作波長延伸到接近1.6μm和更長。

此外，使用微結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)吸收也可以應(yīng)用于非晶材料例如非晶硅并且也可以應(yīng)用于其他材料如聚合物、陶瓷、石墨烯、合金和氧化物。此外，其他形式的能量傳播例如聲學(xué)、微波、紫外線、x射線和壓力波可以從一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量。例如，尺寸近似于壓電陶瓷和/或晶體上的聲波長的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)例如聲能到電能的轉(zhuǎn)換。例如，使用近似于聲波長的尺寸的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)聲吸收，這可以引起更薄的壓電材料，這可以進(jìn)而具有更高的聲頻響應(yīng)。

圖117是示出根據(jù)一些實(shí)施方式的si微結(jié)構(gòu)型pd/apd的增強(qiáng)吸收的曲線圖。模擬的ms-pd/apd具有六角形晶格孔陣列，其周期為2000nm并且直徑為1500nm，并且光子偏離法線入射例如偏離法線10度、20度和40度。圖39示出了類似結(jié)構(gòu)的模擬增強(qiáng)吸收相對波長，其中，光子與表面呈法線入射。如可以看到的，偏離法線10度的光子在850nm的波長處不顯著地改變吸收，并且吸收仍大于90％。在40度時，850nm波長處的吸收仍超過90％，然而在20度時，吸收在850nm處下降到85％?？傊谀承┎ㄩL處，入射在微結(jié)構(gòu)上的光子的入射角的改變可以例如在0度至40度的角度范圍內(nèi)使吸收改變小于10％。在優(yōu)化孔直徑、周期、非周期性微結(jié)構(gòu)的情況下，在某些波長范圍內(nèi)，相對于入射光子的入射角，量子效率(與吸收成正比)的改變可以小于10％，并且在某些情況下小于5％以及在某些情況下小于3％。該特征對于將反射回激光源的反射光最小化而言是重要的，該激光源間接地或以數(shù)據(jù)速率直接地被調(diào)制以傳輸光信號，在間接方式中，使用光學(xué)調(diào)制器來將電信號轉(zhuǎn)換成光信號以用于光纖和/或自由空間和/或光波導(dǎo)中的傳輸。使用非激光源例如發(fā)光二極管作為電信號到光信號轉(zhuǎn)換器減輕對返回光源的反射能量的需求，這是因?yàn)閘ed是較不相干和/或非相干光源；并且相同波長處的反射基本不引起作為電信號到光信號轉(zhuǎn)換器的完整性的損壞。

本專利申請涉及解釋器件的性質(zhì)和操作的某些理論，但應(yīng)該清楚的是，這樣的理論基于目前的理解并且即使未來的發(fā)展證明該理論不正確也不影響所公開的器件的實(shí)際操作。本專利說明書還涉及參數(shù)的數(shù)值范圍，并且應(yīng)當(dāng)理解，從這樣的范圍的非實(shí)質(zhì)偏離仍然在所公開的進(jìn)步的精神內(nèi)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，描繪器件的附圖不是按比例縮放的，并且在某種程度上是理想化的，例如具有直線和直角，而實(shí)際的器件會并且可能具有不是直的或平滑的壁以及一定程度變圓的角。事實(shí)上，取決于加工參數(shù)，壁諸如微結(jié)構(gòu)中的孔或柱的壁可能是不均勻和粗糙的表面并且具有表面特征例如凹陷和凸起，這實(shí)際上可以有助于效果例如減少非期望的反射。

用于檢測光和/或信號處理和分布式集成電路的半導(dǎo)體層可以使用技術(shù)例如氣相外延、化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、分子束外延等外延地生長和/或選擇性區(qū)域外延、選擇性區(qū)域外延橫向過生長、外延橫向過生長、異質(zhì)外延、晶片接合、外延剝離工藝以及生長、接合、剝離工藝的任何組合。半導(dǎo)體層的優(yōu)選工藝是化學(xué)氣相外延或化學(xué)氣相沉積。

此外，微結(jié)構(gòu)孔可以僅在吸收高電場“i”區(qū)中并且不一定延伸到pd/apd的n區(qū)和p區(qū)中和/或穿過pd/apd的n區(qū)和p區(qū)。這些孔也可以與孔的整個長度重疊，或者相鄰的孔可以沿著孔的長度部分地重疊。

p區(qū)、i區(qū)和n區(qū)的摻雜通常在不同摻雜水平區(qū)域之間逐漸過渡，部分原因是摻雜劑在外延生長期間的擴(kuò)散。從高摻雜到低摻雜的過渡可以取決于摻雜劑類型、摻雜水平、生長溫度和外延沉積方法在1nm至1000nm或更大的距離上發(fā)生。pin結(jié)構(gòu)通常是p+、p、p-、i、n-、n、n+，其中，p和p-以及n和n-是過渡區(qū)，并且很窄的過渡區(qū)是期望的。

雖然為了清楚起見已經(jīng)以一定詳細(xì)程度對前述內(nèi)容進(jìn)行了描述，但明顯的是，在不脫離本發(fā)明的原理的情況下可以進(jìn)行某些改變和修改。應(yīng)當(dāng)注意，存在實(shí)現(xiàn)本文中所描述的工藝和設(shè)備的許多替代方式。因此，本實(shí)施方式被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的，并且本文中所描述的工作主體不限于本文中給出的細(xì)節(jié)，其可以在所附權(quán)利要求的范圍和等同內(nèi)容中進(jìn)行修改。