CN105556680B - 微结构增强型吸收光敏装置 - Google Patents

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Abstract

描述了利用微结构来增强半导体中的光子吸收的技术。微结构例如柱和/或孔有效增加了有效吸收长度，引起更大的光子吸收。对于硅光电二极管和硅雪崩光电二极管使用增强吸收的微结构可以得到在波长为850nm的光子处超过10Gb/s的带宽，并且量子效率为大约90％或更高。

Description

微结构增强型吸收光敏装置
相关申请的引用
本专利申请要求下述申请中的每个申请的优先权，并且下述申请中的每个申请通过引用并入本文中：
2013年5月22日提交的美国临时申请第61/826,446号；
2013年6月13日提交的美国临时申请第61/834,873号；
2013年7月4日提交的美国临时申请第61/843,021号；以及
2013年11月15日提交的美国临时申请第61/905,109号；
在本文中将以上引用的临时专利申请统称为“共同转让并入的申请”。
技术领域
本发明一般地主要涉及光敏装置。更具体地，一些实施方式涉及具有微结构增强型吸收特性的光敏装置。
背景技术
光纤通信广泛用在例如远程通信和大型数据中心内的通信的应用中。由于与使用较短光波长相关联的衰减损失，大多数光纤通信使用800nm以上的光波长。通常使用的传输窗口在1260nm与1675nm之间。在光纤通信系统中使用的光接收器的主要部件是光电检测器，通常为光电二极管(PD)或雪崩光电二极管(APD)的形式。
高品质低噪声的APD可以由硅制成。然而，虽然硅会吸收处于可见光和近红外范围内的光，但是硅在较长光波长下变得较透明。可以通过增加装置的吸收“I”区的厚度来制造针对800nm以上的光波长的硅PD及硅APD。图2是常规PIN光电二极管200的截面图，其中“d”是吸收“I”区220的长度。图3A和图3B示出了直径为30微米的常规硅光电二极管在850纳米光波长下的带宽和量子效率。可以看出，为了获得90％的量子效率，“I”区的厚度“d”超过30微米。这导致小于2.5Gb/s的最大带宽，对于许多当前及未来的远程通信和数据中心应用来说，该带宽太低。
为了避免在较长波长和较高带宽的情况下硅PD和APD具有的固有问题，使用其他材料。锗(Ge)检测直至1700nm波长的红外光，但是具有相对高的倍增噪声。InGaAs可以检测直至大于1600nm的波长，并且与Ge相比具有较低的倍增噪声，但与硅相比噪声仍然非常高。已知InGaAs被用作异质结二极管的吸收区，最典型地包括InP作为衬底并且作为倍增层。该材料系统与大体上900nm至1700nm的吸收窗口兼容。然而与硅相比，InGaAs装置和Ge装置均相对昂贵并且具有相对高的倍增噪声。
本文中要求保护的主题不限于解决任何特定缺点或仅在如上述环境中工作的实施方式。相反，背景技术仅被提供以说明可以实践本文中描述的一些实施方式的一个示例性技术领域。
发明内容
根据一些实施方式，描述了一种具有微结构增强型光吸收的光电检测器。该光电检测器(如光电二极管或雪崩光电二极管)包括：阴极区；阳极区；反向偏置电路，该反向偏置电路被配置成在阴极区和阳极区之间施加电压，使得阴极区被驱载至与阳极区更正的电压；以及微结构增强型光子吸收半导体区，该微结构增强型光子吸收半导体区被配置吸收源信号的光子。该吸收区包括多个微结构，所述微结构被定尺度和定位成增加对包括源信号的波长的波长范围处的光子的吸收。根据一些实施方式，微结构具有等于或小于最长信号波长的至少一个尺度。根据一些实施方式，微结构是柱、孔和/或空隙。微结构可以被布置成周期性间隔阵列、非周期性间隔阵列、随机间隔阵列或多重周期性间隔阵列。根据一些实施方式，微结构具有垂直于下面的衬底材料的上表面的主纵轴。根据一些其他实施方式中，微结构具有相互不平行的主纵轴。根据一些实施方式，微结构被取向成减少对任何单个方向的源信号的灵敏度。
根据一些实施方式，微结构至少部分地通过形成利用谐振效应、散射效应、近场效应、亚波长效应和/或干涉效应的吸收模式高对比度光栅来增加吸收。
根据一些实施方式，吸收区和微结构由硅形成。根据一些实施方式，提供了硅光电二极管，其能够在850纳米的波长处以大于5吉比特每秒的数据带宽以及至少60％的量子效率来检测源信号。根据一些实施方式，提供了硅光电二极管，其能够在850纳米的信号波长处以大于10吉比特每秒的数据带宽以及至少60％的量子效率来检测源信号。根据一些实施方式，提供了硅雪崩光电二极管，其能够在850纳米的波长处以大于5吉比特每秒的数据带宽来检测源信号并且具有大于2的增益。根据一些实施方式，硅APD具有倍增区，其具有延伸到P倍增层、N倍增层和/或电荷层中的微结构。根据一些实施方式，提供了硅光电二极管，其能够在980纳米的波长处以大于1吉比特每秒的数据带宽以及至少40％的量子效率来检测源信号。根据一些实施方式，提供了硅光电二极管，其能够在1000纳米的波长处以大于0.5吉比特每秒的数据带宽以及至少30％的量子效率来检测源信号。根据一些实施方式，与具有类似的光子吸收长度的没有微结构的装置相比，多个微结构有效地减小了光电检测器的电容。
根据一些实施方式，吸收半导体区和微结构由硅和锗形成。根据一些实施方式，微结构通过蚀刻掉一部分硅并且使用选择性区域生长工艺在蚀刻掉硅的部分中生长锗来形成。根据一些实施方式，吸收半导体区和微结构由锗形成。根据一些实施方式，光电检测器被配置成从衬底侧接收源信号。阳极区可以包括由横向外延过生长工艺形成的锗P层。该装置可以被配置成使源信号的一部分第一次穿过吸收区、从表面反射、并且之后第二次穿过吸收区。该装置还可以被配置成从上侧接收源信号并且阳极区可以由硅P层制成。根据一些实施方式，提供了雪崩光电二极管设置，其在1750纳米或更短的波长处以大于1吉比特每秒的数据带宽来检测源信号并且具有大于2的增益。根据一些实施方式，吸收半导体区和微结构由一种或更多种III-V族材料形成，例如InP、GaAs、InGaAs、GaN、InGaN、InGaAsP、AIGaAs、AIGaN、GaP、InSb或InAs。
根据一些实施方式，微结构包括埋置在吸收半导体区内的空隙。根据一些实施方式，空隙被埋置在材料层中，以有效地降低在一个或更多个信号波长处的折射率并且降低该材料层的电容。
根据一些实施方式，描述了一种光伏装置，该光伏装置包括其中埋置有多个空隙的半导体材料。该半导体材料被配置成将太阳辐射转换为直流电。根据一些实施方式，空隙是微结构化空隙，并且被配置成增强半导体材料的吸收，从而增加该装置的转换效率。根据一些实施方式，空隙的尺寸小于3微米和/或以小于3微米隔开，并且被配置成改变半导体材料在表面附近的有效折射率，例如，以减少该装置对入射太阳光的反射和/或增加半导体材料内的内反射。
根据一些实施方式，描述了一种玻璃材料，其中该玻璃具有尺度在0.01微米至1000微米之间的多个埋置空隙。在一些示例中，玻璃形成光伏装置的一部分。根据一些实施方式，埋置空隙填充有凝胶、聚合物和气体材料。埋置空隙可以提供玻璃材料的挠性和/或增加玻璃材料对物理损伤和/或损伤扩展的抵抗。
根据一些实施方式，描述了一种微波传输线结构，其包括：半导体衬底材料，该半导体衬底材料具有被配置成减小半导体衬底材料的介电常数的多个高密度的电介质填充空隙；以及多条金属微波传输线，所述多条金属微波传输线中的至少一条金属微波传输线被定位在半导体衬底材料上方。根据一些实施方式，电介质填充空隙填充有材料例如氮、氩、真空、空气、氦、聚合物、金属氧化物、二氧化硅、氮化硅、氟化钙或氧化锌。根据一些实施方式中，空隙还被配置成至少部分地通过减少电流环流和/或涡流来减少与微波传输线相关联的消散和损耗。
根据一些实施方式，描述了一种光波导结构，其包括：光学模式区；以及与该光学模式区相邻的支承半导体材料。支承材料包括多个微结构化空隙，所述多个微结构化空隙被配置成基于微结构化空隙的尺寸、形状、密度等来改变支承材料的有效折射率。
根据一些实施方式，描述了一种热交换器系统，其包括：发热装置；热沉，该热沉被配置成将热散发到周围介质；以及安装在发热装置与热沉之间的中间材料。该中间材料包括被配置成改变中间材料的热导率的多个埋置空隙。根据一些实施方式，多个埋置空隙中的一些埋置空隙填充有导热材料并且其他埋置空隙填充有隔热材料。这两种类型的空隙被定位成将热从发热装置热传导到热沉，并且减少与安装在中间材料上的其他热敏装置的热串扰。
附图说明
为了进一步阐明本专利说明书的主题的上述优点和特征以及其他优点和特征，在附图中示出了其实施方式的具体示例。应理解，这些附图仅描绘了说明性的实施方式，因此不应被视为对本专利说明书或所附权利要求的范围的限制。通过使用附图用附加特征和细节来描述和说明本发明的主题，在附图中：
图1是根据一些实施方式的用于提高光敏装置的体吸收系数的三维微结构的示意性侧截面图；
图2是示出常规PIN光电二极管的典型结构的各方面的截面图；
图3A和图3B是分别示出了常规体硅光电二极管的带宽和量子效率(QE)相对于以微米计的“d”的曲线图；
图4A至图4D是示出了根据一些实施方式的微结构化硅光电检测器的体吸收系数增强相对于带宽和QE的曲线图；
图5A和图5B是示出了根据一些实施方式的顶部照射式微结构化PIN硅光电二极管的各方面的截面图；
图6A和6B是示出了根据一些实施方式的底部照射式微结构化NIP硅光电二极管的各方面的截面图；
图7A和图7B是示出了根据一些实施方式的微结构化雪崩光电二极管的各方面的截面图；
图8是示出了根据一些实施方式的高速高效率的微结构化APD的硅外延结构的截面图；
图9A至图9E是示出了根据一些实施方式的用于高速APD的一些基本微结构处理步骤的一系列截面图；
图10A至图10B是示出了根据一些实施方式的N-Si中具有微结构化空隙的顶部照射式微结构化光电二极管、雪崩光电二极管和/或光伏(PV)的各方面的截面图；
图11A和图11B是示出了根据一些实施方式的Si上Ge型异质外延APD结构的各方面的截面图；
图12是示出了根据一些实施方式的用于微结构上的Ge表面的钝化方法的各方面的截面图；
图13A和图13B是示出了根据一些实施方式的基于Si上Ge的光电二极管和/或雪崩光电二极管的锗体吸收系数的微结构增强的效果的曲线图；
图14A至图14B是示出了根据一些实施方式的具有微结构化柱/孔的顶部照射式Si上Ge型雪崩光电二极管的各方面的截面图；
图15A至图15D是示出了根据一些实施方式的具有微结构化柱/孔的底部照射式Si上Ge型雪崩光电二极管的各方面的截面图；
图16A和图16B比较根据一些实施方式的基于Si上Ge的单程以及双程的光电二极管和/或雪崩光电二极管的曲线图；
图17A至图17B是示出了根据一些实施方式的用于信号波长在700nm至1800nm范围内的应用的在具有微结构化柱/孔的顶部照射式Si上Ge型光电二极管结构的各个方面的截面图；
图18A至图18B是示出了根据一些实施方式的用于信号波长在1200nm至1800nm的范围内的应用的在具有微结构化柱/孔的底部照射式Si上Ge型光电二极管结构的各个方面的截面图；
图19A至图19C是示出了根据一些实施方式的微结构怎样减小光电二极管的电容使得可以在相同的带宽和QE的条件下制造较大面积的光电二极管的图；
图19D至图19E是示出了根据一些实施方式的制造具有在P-I-N硅倍增层上生长的III-V族吸收层的APD装置的各个方面的截面图；
图20示出了根据一些实施方式的具有埋置或者嵌入Si微结构中的微结构化Ge的装置的没有最后的P-Si层的体层；
图21是示出了根据一些实施方式的对于具有埋置或嵌入在Si微结构中的微结构化Ge的装置蚀刻微结构化柱和/或孔的截面图；
图22是示出了根据一些实施方式在蚀刻区中生长Ge“I”层并且进行平坦化之后的具有埋置或者嵌入Si微结构中的微结构化Ge的装置的截面图；
图23是示出了根据一些实施方式的在I-Ge再生长以及平坦化之后的具有埋置或嵌入在Si微结构中的微结构化Ge以及P-Si盖层的装置的截面图；
图24A至图24B是示出了根据一些实施方式的I-Si微结构中埋置/嵌入有I-Ge吸收微结构的微结构化APD的各方面的截面图；
图25A至图25C是示出了根据一些实施方式的在Si微结构化柱和/或孔阵列中埋置/嵌入有的Ge微结构的光电二极管的各方面的截面图；
图25D至图25E是示出了根据一些实施方式的正向偏置装置如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的各方面的截面图；
图26是示出了根据一些实施方式的在其中制造微结构化空隙的起始外延层的截面图；
图27是示出了根据一些实施方式的蚀刻到I-Si层中的微结构化孔/柱的截面图；
图28是示出了根据一些实施方式的被埋置或嵌入在具有Si覆盖P+阳极层2826的Si中的微结构化空隙的截面图；
图29是示出了根据一些实施方式的形成在P-Si表面上以提供高反射镜的布拉格反射器的截面图；
图30示出了根据一些实施方式的具有微结构化空隙以增强吸收、减小体折射率、减小电容以及增加半导体材料上的大片PV的机械挠性的PIN PD/PV结构的示例；
图31是示出了根据一些实施方式的具有埋置/嵌入空隙的再生长I-Ge的截面图；
图32是示出了根据一些实施方式的具有通过再生长的I-Ge被埋置在I-Si中的微结构化空隙并且由外延层覆盖的装置的截面图；
图33是示出了根据一些实施方式的PD/APD中的微结构化柱、孔和/或埋置空隙的分布的顶视图；
图34是示出了根据一些其他实施方式的PD/APD中的微结构化柱、孔和/或埋置空隙的分布的顶视图
图35示出了在N-Si衬底上的常规Si PV/PD二极管的基本外延结构；
图36示出了根据一些实施方式的结合至N-Si层中的微结构化空隙；
图37是示出了根据一些实施方式的具有覆盖Si的再生长Ge的蚀刻的Si微结构化柱/孔的截面图；
图38是示出了根据一些实施方式的在具有嵌入的微结构化空隙的N-Si层上再生长Ge的微结构化Si柱/孔的截面图；
图39是示出了根据一些实施方式的在微结构化Si柱/孔上的部分覆盖I-Ge的截面图；
图40是示出了根据一些实施方式的用于微结构化Si-Ge柱孔阵列PD/PV和/或APD的基本部件的截面图；
图41A至图41B是示出了根据一些实施方式的在N-Si层上方具有埋置微结构化空隙的微结构化柱/孔阵列装置的各方面的截面图；
图42A至图42D是示出了根据一些实施方式的在N-Si层上方具有埋置微结构化空隙的具有微结构化柱/孔阵列的APD的各方面的截面图；
图43至图46是示出了根据一些实施方式的微结构化元件的各种尺寸、间隔和形状的顶视图；
图47至图48是示出了根据一些实施方式的具有不同长度和深度的微结构化柱和微结构孔阵列的截面图；
图49示出了根据一些实施方式的具有柱和孔两者的组合的微结构化表面；
图50是根据一些实施方式的脊形光波导的截面图；
图51是根据一些实施方式的使用空隙的硅中的埋置光波导的截面图；
图52和图53分别是根据一些实施方式的集成有微结构化PD/APD的脊形波导的截面图和顶视图；
图54A和图54B示出了根据一些实施方式的在具有空隙的硅上的微波传输线；
图55是根据一些实施方式的用于发热IC和光发射器的热传导和热隔离的空隙的截面图；以及
图56是示出了根据一些实施方式的增加横向路径长度以用于增大横向电阻率而减小横向热传导的空隙的分布的截面图。
具体实施方式
下面提供了优选实施方式的示例的详细描述。虽然描述了几个实施方式，但是应理解的是，在本专利说明书中所描述的新主题不限于本文所描述的任一实施方式或实施方式的组合，而是包括许多替代方案、修改方案和等同方案。另外，虽然在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供透彻的理解，但是一些实施方式可以在没有这些细节中的一些细节或全部细节的情况下实践。此外，为了清楚起见，未详细描述相关技术中已知的某些技术材料，以避免不必要地使本文所描述的新主题模糊。应当清楚的是，本文所描述的具体实施方式中的一个或几个实施方式的个体的特征可以与特征或其他描述的实施方式组合地使用。此外，各个附图中相同的附图标记和名称指代相同的元件。
根据一些实施方式，微结构用于增强体吸收常数(也称为吸收系数)以实现高量子效率(QE)，同时保持适用于高数据速率应用的吸收长度。如本文所使用的，“QE”指的是内量子效率(IQE)。在反射和透射可忽略不计的情况下，IQE等于外量子效率(EQE)。
根据一些实施方式，微结构用于提高在半导体材料的带隙附近的波长处的体吸收常数。这使得能够扩展光电传感器的工作光波长和/或工作频谱。增强的体吸收常数(或系数)被称为有效吸收常数(或系数)。使用术语“有效”的原因是吸收常数或系数是固有的材料特性。然而，在共振效应、电浆效应、场增强效应、散射效应、近场和亚波长效应的情况下，有效吸收常数或系数可以大于体吸收常数或系数或者材料吸收常数或系数。如本文所使用的，下面的术语可互换地使用：增强的吸收常数、增强的吸收系数、增强的有效吸收常数、增强的有效吸收系数、增强的吸收、增强的有效吸收、有效吸收常数以及有效吸收系数。
根据一些实施方式，增强的吸收还可以对路径长度产生剧烈影响。在一个体吸收示例中，要使光子被吸收至其原始幅度的1/e，路径长度为例如100微米(μm)，而在根据一些实施方式的增强的吸收的情况下，使光的幅度衰减到其原始幅度的1/e，路径长度为1微米。等效地，如果路径长度保持恒定为1微米，则增强的吸收系数是体吸收系数的100倍。
这通过关系A＝A0e-αL看出，其中A是入射光子通量A0的衰减幅度，α是吸收系数，L是发生吸收的路径长度。因此，与其使L为100倍长，可以将有效α限定成使得α是未增强的吸收系数如体吸收系数的100倍。例如，微结构的共振/散射/近场效应给出了100倍长的等效路径长度，其中共振/散射/近场微结构仅为一微米长。换一个非常简单的角度来看，共振结构中的光子在达到其原始幅度的1/e值之前进行50个往返行程，因此，等效线性长度是共振结构的长度的100倍。为了简单起见，在本文中将共振/散射/近场效应统称为“共振”，“共振”可以包括共振效应、散射效应、近场效应、电浆效应、非线性和线性光学效应。
如本文所用的，术语“微结构”和“微结构化”指的是：具有微米级、亚微米级和/或亚波长级中的至少一个尺度的各种形状和尺寸的柱、空隙、孔和台面。
根据一些实施方式，微结构的性质也可以被解释为用于增强有效吸收常数/系数或增强的吸收的高对比度光栅(HCG)的吸收模式。通常，HCG使用在所关注的光波长处透明的材料。相对地，根据一些实施方式，微结构中的至少一种微结构在所关注的光波长处进行吸收或弱吸收。根据一些实施方式，低Q吸收模式HCG增强了吸收(例如Q值在2至200的范围内)。
根据一些实施方式，使用低折射率材料来降低有效折射率，例如埋层氧化物(BOX)、绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SOS)、诸如无定形半导体的低密度半导体、纳米线半导体、空隙和孔。折射率是材料的固有属性。然而，根据一些实施方式，当诸如空隙、气隙和/或孔的结构(其可以填充有低折射率材料，和/或可以再生长)具有光波长量级的尺度时，光学电磁场将满足由材料折射率和结构(该结构可以由低折射率材料填充)引起的平均折射率。在本文中将该平均值称为有效折射率。根据一些实施方式，在微结构中无需使用低折射率材料或低有效折射率材料。
根据一些实施方式，可以将用于增强有效吸收的技术应用于下述各种材料，包括硅、锗、诸如InP、GaAs、GaN、InGaAs的III-V族材料、以及III-V族材料的任何组合。如本文所使用的，术语III-V族材料的“材料”被限定为与GaAs、InP、GaN、InSb半导体晶格匹配或近似晶格匹配(在几个百分点内)的任何材料。例如，InP材料可以包括InGaAs、InGaAsP、InAIAs。根据一些实施方式，在微结构的情况下，可以进行再生长例如在硅微结构中的Ge、InGaAs、其他III-V族材料的选择性区域生长(SAG)，而没有对晶格失配产生不利影响，这是因为在硅上覆盖晶格失配材料的尺度小(大约几微米至亚微米)。这使得Ge和其他III-V族材料能够在无需使用常规的缓冲层(对于在Si上生长Ge的情况下的无定形Ge)的情况下与硅进行集成。材料的异质集成可以是同质或异质结构，下述材料的组合：晶体半导体、微晶半导体和无定形半导体；导体例如碳、石墨；绝缘体；电介质；固体；气体；液体例如可以半导电的玻璃或聚合物。
由于微结构，电容也可以由有效电容表示，有效电容是(1)一种半导体的介电常数和(2)另一种材料的的介电常数的并联电容，所述另一种材料可以是半导体、电介质、气体、真空、部分真空、液体例如玻璃或聚合物(聚酰亚胺、聚酯薄膜或其他有机化合物)。装置的有效电容是可以为两个或更多个的并联电容器的电容的组合。根据一些实施方式，使用微结构的优点是，有效电容可以比均质材料如半导体的电容显著低。较低的电容使得装置具有较大的面积，同时仍保持适当的高数据速率带宽，和/或通过减小装置的厚度以减少传输时间来增加数据速率带宽。
根据一些实施方式，光电传感器可以是光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)、光伏(PV)或太阳能电池、或将光子转换成电子的任何光电装置。根据一些实施方式，将电子/空穴转换成光子的发射器如激光器和发光二极管也可使用微结构来实现。
根据一些实施方式，增强的吸收使得APD/PD能够：(1)扩展APD/PD对能量(或波长)接近材料带隙的光子的灵敏度，使QE大于60％并且数据带宽大于3Gb/s；(2)以高数据速率带宽(例如，>10Gb/s)工作，这是由于更短的吸收长度使传输时间缩短；(3)通过增强的吸收来提高量子效率；(4)由具有优异的APD性能与低过量噪声的硅来制造；(5)与Si光子和CMOS工艺兼容。根据一些实施方式，PD/APD可以与诸如下述的ASIC(专用集成电路)集成，例如信号处理、信号放大、存储器、CPU，电发射器、光波导、集成光学装置和用于特定应用的其他IC。这有利于使用CMOS晶圆厂进行批量生产。
根据一些实施方式，使用微结构例如空隙减小有效折射率来制造共振结构以增强吸收。在使用选择性区域生长将Ge或III-V族材料与硅进行集成的微结构中，可以在硅微结构中形成空隙，使得吸收区是共振结构，以将有效吸收系数增强2至100倍以上。
根据一些实施方式，硅用于雪崩增益。对雪崩光电二极管而言，硅具有最低的过量噪声。通过将Ge和/或III-V族材料与硅进行集成，在Ge和/或III-V族材料中发生吸收，并且在硅中发生电子增益。取决于光波长(例如小于1100纳米)，通过使用微结构，硅可用于吸收和电子增益二者。
根据一些实施方式，微结构例如埋置空隙可以减小横向的电导率和热导率。在电或热(声子)的定向电导率是优选的情况下，可以使用空隙来限制电流和/或热量的流动。
根据一些实施方式，通过使用微结构增强了半导体中的光子吸收。微结构可以具有诸如下述的效应，例如共振效应、场增强效应、近场和亚波长效应、散射效应、电浆效应、光子晶体效应、高对比度光栅在近场区处的吸收模式效应，上述效应是可以有效地增加有效吸收长度的线性效应和非线性效应两者，得到对于给定长度光子的更大的吸收。
根据一些实施方式，用于增强硅光电二极管和硅雪崩光电二极管的吸收的微结构可以引起硅PD和硅APD在波长约为850nm(即当前数据通信优选波长)的光子处具有超过10Gb/s(或取决于数字编码格式等效地约为6.75GHz)的带宽，量子效率约为90％或更高。
由于材料和处理技术的成熟，硅光电检测器非常可靠，表面可以被容易地钝化以消除可引起表面态和载流子复合中心的悬空键，硅光电检测器由于低缺陷和高纯度材料而具有优异的载流子寿命，并且对于APD应用，由于空穴和电子之间的小电离率(K因子，与任何III-V族材料相比硅具有最低的K因子)而使噪声低，并且这样的检测器对于与用于信号处理的电子装置集成以及与硅光子装置集成可CMOS兼容。
根据一些实施方式，其他材料，例如锗、III-V族、a-Si(无定形硅)还可以单独使用或与其他材料一起使用，使得可以以增强吸收的方式来制造并联的多个带隙。
根据一些实施方式，使用微结构和空隙来减小有效折射率和电容以实现吸收模式高对比度光栅效应，并且减小装置的有效电容以实现较低的RC时间常数。
此外，根据一些实施方式，埋置在半导体中的微结构可以减小横向电传导和横向热传导。例如当在硅中埋置有高密度的空隙的情况下，可以存在微波传输线，以减小半导体中的介电常数以及涡电流，得到低的损耗和散射。空隙也可用于热隔离，以及通过使用导热体填充空隙来提高导热性，这在对硅衬底上的部件进行热管理方面是有用的。
已经报道了使用纳米线(Garnett等人，Light trapping in silicon nanowiresolar cells,Nano Letters,2010年10月,第1082至1087页；Kelzenberg等人,Enhancedabsorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaicapplications,Nature Materials,第9卷,2010年3月,第239至244页)和纳米孔(Lin等人，Optical absorption enhancement in silicon nanowire and nanohole arrays forphotovoltaic applications,Proceeding of SPIE,第7772,77721G-1卷,2010年)的增强。已知纳米线用于在光伏应用中的陷光，在光伏应用中，在DC(直流)下的零外部偏置操作的情况下光生载流子扩散到PN结的阳极或阴极。
根据一些实施方式，在外部反向偏置的情况下，将在P-I-N二极管(PD)或用于高调制带宽(大于或等于10GB/s的带宽)和高量子效率的P-I-P-I-N二极管(APD)以及用于高电流增益(增益大于3dB)的APD的吸收“i”区中的光生载流子扫出。
吸收系数提高的一个或更多个原因被认为包括下述原因中的一个或更多个：光场浓度的增加、共振效应、相长及相消的光学干涉(幅度和相位)效应、散射和高对比度光栅(HCG)效应。参见例如Chang-Hasnain等人,High contrast gratings for integratedoptoelectronics,Advances in Optics and Photonics 4,379-440(2012),在下文中称为"Chang-Hasnain"。HCG效应在近波长范围(参见Chang-Hasnain)，在该近波长范围处光栅材料中的光波长和光栅的周围材料中的光波长处于光栅的周期的范围。
图1是根据一些实施方式的增强光敏装置中的体吸收系数的三维微结构的示意性侧截面图。微结构化柱110和/或孔120被蚀刻成“i”Si层100。材料M1中的光波长是λ/n1，其中n1是M1的折射率；并且材料M2中的光波长由λ/n2给出，其中n2是材料M2的折射率。结构110的中心间距离L可以处于λ/n1和λ/n2之间，或者约为100-2000nm，该波长范围被称为近波长范围。衍射范围是L(一个周期)大于上述波长范围，而亚波长范围是L小于上述波长范围。图1的截面图示出了3D(维度)微结构化柱/孔阵列，该阵列将体膜吸收系数提高了1.5倍至100倍以上。3D柱/孔微结构化阵列的周期可被看作是三维高对比度光栅，该光栅的周期Λ可以位于λ/n1和λ/n2之间，其中n1是材料M1的光学折射率，n2是材料M2的光学折射率。如果n1>n2，则λ/n1<Λ<λ/n2，其中，λ是通常位于P-I-N PD的“I”区域中或对于APD的吸收“I”区域P-I-P-I-N(其中第二个“I”区是倍增层)中的微结构化柱/孔阵列所吸收的光的光波长，或者是PD和APD所检测的光信号的波长。如所公知的，在该3D HCG微结构化柱/孔阵列的近波长范围下，如果HCG具有最小吸收损失，则共振Q(品质因数，或者与存储在共振器中的能量/每周期能量损失的比率成比例；其中上述每周期是光周期、射在共振器上或共振器中的光频率)可以高达107(参见，Chang-Hasnain)。此外，在大多数情况下，HCG与周围材料的折射率比仅需为大约为1.1以观察到HCG效应。
可解释体材料的吸收系数被大大增强的HCG效应是：单个或多个HCG层(或单个微结构化柱/孔阵列层)由于其共振效应和/或由于微结构化的柱/孔周期间距的改变，使得在HCG/微结构化柱孔阵列中共振的光信号可以被定向成在HCG/微结构化柱孔阵列的平面中传播，而非垂直于表面传播。结合共振以及面内传播，可以大大增加HCG/微结构化柱孔阵列中的吸收路径长度。根据一些实施方式，对于PD/APD，吸收HCG模式通过反向电压偏置操作，而在光伏装置中通过内建偏置(零施加偏置)操作。
利用近波长以及HCG周期远小于光波长的深波长现象，以及HCG周期大于光波长的衍射范围(参见Chang-Hasnain)，微结构化柱-孔-空隙阵列可以具有体吸收系数的1.1倍至100倍之上的增强的吸收系数。
根据一些实施方式，还以吸收模式或有损耗模式或1至10000的低Q(相比于在非吸收模式或非有损耗模式下以实现大于1,000,000的高Q和高反射率的已知HCG)在Si中埋置/嵌入(未完全埋置)Ge微结构和在锗或Si中埋置/嵌入空隙微结构这二者中利用HCG效应，以提高量子效率(QE)和在在pn结、pin结、pinip结(针对特定装置配置，p和n可以转换)的反向偏置模式下工作的光电二极管和雪崩光电二极管上的Si(400至1100nm)、Ge(400至1800nm)和Ge的工作波长范围，所述pn结、pin结、pinip结可以是同质结或异质结，晶体的或无定形的或其任意组合。此外，该衬底可以在SOI或BOX或空隙上，以减小折射率或有效折射率和介电常数或有效介电常数(具有许多空隙的介电质可以表示为有效介电常数，或等价有效电容)。
已知的硅光电检测器由于1.1eV的间接带隙而被限于200至1000nm的波长范围。特别地，在800至1000nm的带隙波长附近，由于Si在850nm、980nm和1000nm处分别为760cm-1、67cm-1和63cm-1的弱吸收常数，硅光电检测器对Gb/s速率的调制的光信号的频率响应限于约1.5Gb/s或更小，导致材料的长的吸收长度——30微米或更大，这导致了对PD/APD的低的频率响应。波长850nm受关注，因为这是短距离(几米到几公里)多模光纤数据通信的标准波长。
所吸收的入射光子的量由η＝1-eαL近似给出，其中，η(在PD的表面的反射可忽略不计的情况下，也称为量子效率，)是吸收量，“α”是吸收常数并且“L”是吸收体的长度。使用该公式和Si在850nm处的吸收常数，在约30μm的深度处吸收90％的入射光子。已知的高速光电检测器通常具有长度约为2μm的吸收区。其原因是需要考虑光电二极管的渡越时间和RC时间以实现20GHz(或约30Gb/s)以上的带宽并且仍具有为80％至90％或更好的外量子效率。
效率和带宽(渡越时间和RC时间)：在6×104V/cm的场强下，电子漂移速率在300K的温度处为1×107cm/s。由于渡越时间，光电检测器的3dB带宽由以下公式给出：f(3dB)＝0.45/t(渡越)，其中t(渡越)是载流子穿过耗尽强场区的渡越时间。图2是示出了PIN光电二极管结构的典型结构的各方面的截面图。假设在PIN 200的P区210中生成以及大多在“i”区域220中生成的光载流子可忽略不计，渡越时间由电子漂移速度和“d”(强场“i”区)确定。PIN 200被反向偏置(例如在-4Ⅴ和-25Ⅴ之间)。在该情况下，“i”区220被完全耗尽。PIN结构200的RC时间由电容确定，该电容是PIN 220的面积(πw2/4)与d的比。
根据常规技术，在850nm波长处对于Si实现90％的吸收的30μm厚的吸收层将给出1.5GHz(约2.2Gb/s)的受渡越时间限制的3dB带宽，这对于许多目前的应用而言太低。许多目前的应用处于10至20Gb/s的范围内，在不久的将来为40Gb/s。对于当前光学数据通信应用中的高速光电二极管，期望2μm或更小的d以给出超过30GB/s的带宽。
RC时间是在光电二极管(适用于APD和PD二者)中要考虑的另一时间。取决于RC时间的3dB带宽由f(RC)＝1/(2πRC)给出；其中，C是光电二极管的电容并且R是通常为50欧姆(有时25欧姆)的负载电阻。在“i”区由反向偏置完全耗尽的常规PIN结构光电二极管情况下的电容，仅是由εA/d给出的平行板电容；其中ε是材料的介电常数(乘以8.854×10-14F/cm的真空介电常数)，对于Si而言，ε为11.9，A是电容器的面积(π(w/2)2)，并且d是耗尽的“i”(i和I在本文中可互换地使用)。f(RC)随着d增大而变大，这是因为电容在d增大而面积固定的情况下减小，其中，二极管直径例如是30μm(高频PD/APD的直径范围为从5μm至60μm)。二极管的用于计算RC时间的直径是二极管的总电容区域，其包括光敏区域和可能对总电容有贡献的任何金属。
光电二极管的总频率带宽是渡越时间和RC时间的平方和。这由下述式给出：f＝1/(2π(RC)2+(T/2.4)2)1/2)。
图3A和图3B是分别示出了体常规硅光电二极管相对于以微米为单位的“d”的带宽和QE的曲线图。根据图3A和图3B中的曲线310和曲线312，对于渡越时间和RC时间的组合f(3dB)和量子效率η(假设反射损失可忽略不计)，可以看到，对于直径为30μm的PD，在体硅达到10Gb/s的情况下，量子效率(QE)小于40％，这对于大多数数据通信应用而言太低。
根据一些实施方式，为了克服辐射能量在带隙附近的半导体和间接带隙半导体的相对较弱的吸收，例如Si在850至1100nm处的吸收，采用微结构化阵列，该微结构化阵列被蚀刻到通过以下常规方法外延地生长的硅中，如化学气相沉积(CVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)，原子层沉积(ALD)，分子束外延(MBE)。注意，根据一些实施方式，可以使用可以具有带隙或可以不具有带隙的非半导体，例如聚合物；玻璃；陶瓷；复合材料，例如嵌有半导体、金属、碳纳米颗粒和/或原子的过渡金属氧化物、氢化物、氯化物、硫化物。硅的微结构化阵列包括Si柱和/或Si中的孔。参见Garnett and Yang,Light Trapping in SiliconNanowire Solar Cells,Nano Lett.2010,10,1082-1087(在下文中称为"Garnett等人")，其实验地表明硅纳米线的有序阵列使入射光辐射的光路长度增加为体硅的光路长度的73倍大。
根据一些实施方式，如先前所述，引入了有效吸收系数的概念。硅纳米线有序阵列的有效吸收系数是体硅的有效吸收系数的73倍；在850nm处，Si的体α是760/cm，而纳米线Si的α是5.548×104/cm，高于直接带隙III-V族材料的α。
应当注意，还可以使用例如在有催化剂或没有催化剂的情况下的VLS(气液固相外延生长)纳米线或微米线(一些纳米线的最大尺寸例如直径在微米范围内，所以可以将这些纳米导线称为微米线)的方法或者使用用于选择性区域生长(SAG)外延的电介质掩模来外延地生长微结构。
在使用530nm的珠阵列作为干法蚀刻掩模的情况下，Garnett等人中所描述的纳米线阵列的纳米线的直径为约390nm。大约1/2的Si材料被蚀刻掉；纳米线阵列的有效电容小于体的有效电容。有效电容可以被估计为两个并联电容器，其中，一个电容器具有Si并且另一个电容器具有聚酰亚胺(填充物)，Si和聚酰亚胺的介电常数分别为11.9和3.4。每个电容器的面积将是直径为30μm的平行板的面积的1/2。
随着有效电容的降低，直径为30μm的装置的总3dB带宽显著较高。图4A至图4D是示出了根据一些实施方式的针对微结构化Si光电检测器的体吸收系数的增强相对于带宽和QE的曲线图。图4A和图4B示出了微结构化Si光电二极管(PD)或雪崩光电二极管(APD)在850nm的波长的光子单程或双程撞击在PD/APD上的情况下的带宽(曲线图410)和量子效率(曲线图420)。例如，针对直径为30微米的PD/APD，在有效吸收系数(EAC)是体吸收系数(BAC)的73倍(412)、30倍(414)或15倍(416)的情况下，带宽分别为54Gb/s、49Gb/s和28Gb/s且QE分别为98％、90％、90％。在图4C和图4D的曲线图430和曲线图440中所示，在1100nm处，可以使用Si微结构化的PD/APD来通过例如172倍的增强获得90％的QE和26Gb/s的带宽。PD和APD二者均在-2伏特至-50伏特范围内的反向偏压下工作。针对相同的几何形状，由于APD添加了倍增层，所以与PD相比APD通常具有较小的带宽。此外，APD具有增益带宽效果。出于简明起见，将APD和PD示出为大致相同。
根据一些实施方式，由于微结构化柱之间的间隙而引起的低电容以及增强的吸收的组合使得硅光电二极管和雪崩光电二极管能够在850nm的波长处以大于10Gb/s的带宽和高量子效率(＞90％)工作。常规硅PD/APD在这些波长处还没有证实具有这样的效果。选择850nm作为标称波长，但是根据一些实施方式，波长可以具有从700nm至1100nm的值。
根据一些实施方式，对于光电检测器应用，可以利用体中的弱吸收，原因在于这将允许850nm以及更长波长的光在光损耗最小和高场区外的光电流最小的情况下通过Si衬底和外延层通向微结构化硅，高场区外的光电流可以扩散至i区并且可以使得光电检测器的频率响应劣化。
根据一些实施方式，本文中所描述的技术适用于其他半导体；聚合物；有机膜；玻璃；电介质；混合材料，例如嵌有金属、半导体纳米颗粒的玻璃、电介质、聚合物。根据一些实施方式，使用下述材料中的一种或更多种：Ge；III-V族材料例如InP、GaAs、GaN、InGaN；II-VI族材料例如ZnSe；以及异构材料例如Si上生长III-V族、Si上生长Ge。例如，针对Si上Ge，在Ge上制造微结构以增大吸收，使得所使用的Ge的长度缩短，从而由于较低的有效电容和较短的载流子渡越时间而引起较高的速率。
图5A和图5B是示出根据一些实施方式的顶部照射式微结构化PIN硅光电二极管的各个方面的截面图。图5A示出了起始的基础材料结构500。在图5B中，示出了高速高效率的微结构化光电二极管520的硅外延结构。图5B中的光电二极管520被设计成适于顶部照射。根据一些实施方式，可以不使用BOX/SOI层504。在下文中，图6A至图6B示出了底部照射的示例。注意，在较小修改的情况下，n掺杂和p掺杂可以交换，并且还可以影响照射的方向。根据一些实施方式，照射可以垂直于PD/APD的表面或者与垂直于表面偏离某一角度。根据一些实施方式，在光信号在光波导中被引导的集成结构中，微结构化吸收区也可以为边缘照射型、直接照射至微结构中或者迅速地耦合至微结构化i区。
图5B示出了利用包括在Si衬底502上生成的P-I-N Si层的起始材料500的硅中的微结构化柱和/或孔PD 520，Si衬底502可以为N掺杂或在为了使串联电阻最小化而在衬底上首先生长另外的N+层的情况下可以为低掺杂。层的尺寸和掺杂可以在以下范围内：N+阴极接触层506(或者506之上的薄层、506与508之间的薄层)具有大于5×1017/cm3的N掺杂以及大约从0.1微米至10微米或更大的范围内的厚度；N层506具有大于5×1017/cm3的N掺杂以及大约从0.1微米至10微米或更大的范围内的厚度；I高场吸收区508具有小于5×1016/cm3的背景掺杂以及取决于应用的大约从0.1微米至5微米的范围内的厚度；以及P+阳极层510具有大于5×1018/cm3的P掺杂以及大约从0.1微米至5微米或更大的范围内的厚度。PD(和APD)光敏区(由P-I-N结区或P-I-P-I-N结区限定)针对20Gb/s或更大的带宽操作标称直径为30微米(10微米至80微米的直径均是可能的范围)。根据一些实施方式，所述区针对较小的带宽可以较大或者针对较高的带宽操作可以较小。图5B中所示的可以为随机的、图案化的或伪随机的孔522和/或柱524的阵列的Si微结构用于增强Si的体吸收系数以检测波长为从300nm至1100nm的光子。根据一些实施方式，在数据通信应用的情况下，光信号波长在从759nm至1100nm的范围内。还设置有透明导电氧化物和P欧姆层526。
PD 520在范围为-1伏至-20伏的反向偏置模式下操作，阳极(经由P欧姆键合接触金属528的P+层510)上为负电压并且阴极(具有N欧姆键合接触金属530的N+层506)上为正电压。根据一些实施方式，也可以在没有任何外部偏置的情况下将图5B中所示的PD结构520(以及在下文中图6B中的PD结构620)用于光伏(PV)操作。
如图5B所示，光信号可以垂直于表面或者与表面呈一角度撞击。在某些情况下，与垂直方向呈一定角度入射的光信号可以具有较高的QE，并且还可以绕垂直于表面的轴进行特定旋转。这是为了避免秃斑效应，在秃斑效应的情况下，垂直于表面行进的一些光子可以“看到”秃斑，然而针对与垂直于表面的方向呈一定角度照射的光子，秃斑被其他微结构隐藏。这不是近场光学的情况，在近场光学中，微结构的间隔为光波长或亚波长的数量级，秃斑不是显著的问题。
图6A和图6B是示出根据一些实施方式的底部照射式微结构化NIP硅光电二极管的各个方面的截面图。光信号从衬底侧或底部撞击在光电二极管620上。可以通过蚀刻(例如过孔)并且在P层处停止来将衬底602减薄成10微米或更小，或者可以在BOX(埋置氧化物)或绝缘体上硅(SOI)硅晶片上制造光电二极管，并且蚀刻过孔可以在BOX层604处停止，也可以选择性地蚀刻至硅层606，过孔630与光电二极管620的光敏区一样宽或者比光电二极管620的光敏区更宽。对硅保留层606或BOX层604施加减反射层(未示出)(例如，可以将BOX层604设计为减反射层的一部分)，以使得反射最小化(还可以选择性地蚀刻掉BOX层604，使得可以对硅P层606施加减反射层，以使得多次反射最小化)。背照射光电二极管620的优点在于，可以在N层610上施加反射体626以反射第一次通过未被吸收的任何光，实际上使“I”层608的长度加倍。由于另外的长度，QE可以增加。此外，N层610上的反射体626可以缓解以对光(光信号)进行散射(非镜面反射或扩散反射)的织构化，以优化微结构(柱624或孔622的阵列)的吸收。由于“I”区的长度实际上被加倍，所以由于仅需要一半的“I”，可以有效地减少渡越时间。
底部照射PD例如图6B中的PD 620有时也称为背照射/衬底照射PD，并且顶部照射PD例如图5B中的PD 520有时也称为前照射/表面照射PD。
根据一些实施方式，微结构化Si光电二极管的基础结构(例如图5A、图5B、图6A和图6B中所示)通过在硅片上的具有P-I-N结构的体薄膜外延生长硅来制造，上述硅片可以为(100)取向或其他取向例如(111)的N掺杂型或未有意掺杂或者低掺杂N型Si衬底。
根据一些实施方式，基础层结构(例如，图5A中的结构500的层502、504、506、508和510，以及图6A中的结构600中的层602、604、606、608和610)均使用以下方法中的一个或更多个方法来外延地生长：在P掺杂或N掺杂或低掺杂或不掺杂的Si衬底或者BOX/SOI衬底上的化学气相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)、脉冲激光沉积(PLD)。
出于简明起见，省略处理细节。根据一些实施方式，进行以下基本步骤：首先(针对柱而言，而针对孔则非必需)，使用电子束沉积、热沉积或溅射沉积来沉积p欧姆接触金属层；第二，以光刻(压印光刻)的形式限定柱或孔的微结构图案并且形成用于干法蚀刻或湿法蚀刻的蚀刻掩模；第三，在P层和I层上部分地或全部地蚀刻微结构并且蚀刻可以延伸至N层；第四，使用热氧化来钝化微结构图案(柱或孔)的侧壁，以使光生载流子经由由于悬空键和其他表面缺陷引起的表面状态进行的表面复合最小化(也可以施加其他钝化技术，例如Si氧化物以及Si氮化物的ALD(原子层沉积))；第五，使用旋涂玻璃、聚酰亚胺或者电介质例如Si氧化物以及Si氮化物的等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)来进行平坦化(填充步骤)；第六，进行回蚀刻以露出P层或P欧姆金属层(聚酰亚胺或旋涂玻璃可以部分地填充孔或柱/微结构之间的空间)；以及第七，在P层和N层上形成欧姆和/或键接触。对于光信号在制造有微结构图案的外延表面上进入的顶部照射光电检测器，沉积透明导电氧化物以连接所有的P欧姆金属层(针对柱而言)。根据一些实施方式，在微结构为孔或空隙的情况下，不使用透明导电氧化物层。在P层(阳极)与N层(阴极)之间施加-1伏至-20伏的偏压，并且光电二极管在反向偏压模式下操作，以尽可能多地耗尽“I”层，优选地耗尽整个I层。
图7A和图7B是示出根据一些实施方式的微结构化雪崩光电二极管的各个方面的截面图。如在图5A、图5B、图6A和图6B中所示的Si微结构化光电二极管中，首先生长APD 720的外延层700，然后进行微结构处理。可以通过透明金属氧化物P欧姆接触726从顶部照射(例如300nm至1100nm)微结构化雪崩光电二极管720，或者P欧姆接触726可以为反射从底部照射的光子(例如950nm至1100nm)的镜以具有双程吸收。双程吸收大大提高了APD针对较高的频率响应的RC时间和渡越时间。
图8是示出根据一些实施方式的用于高速高效率微结构化APD的硅外延结构的截面图。层800被示出为在微结构处理之前。在少量修改的情况下，可以交换n掺杂和p掺杂，并且还可以影响照射的方向。从N硅衬底802(或者低掺杂或根据应用或封装构思从蓝宝石或BOX/SOI晶片上的硅衬底)开始，N+层804(N欧姆接触层)被形成为掺杂浓度大于1018cm-3(通常为磷)且层厚度在大约从0.1μm至10μm的范围内。取决于APD的增益和带宽，非有意掺杂层“i”806或P-(非常低掺杂水平的P层)的掺杂浓度小于5×1016cm-3(这是APD的倍增层或电子增益层)且厚度在大约从0.1μm至2.0μm的范围内。P电荷层808被生长成厚度约为0.05μm至0.2μm且掺杂浓度大于2×1017cm-3。吸收层810(P-或“i”)(“I”和“i”在本文中互换地使用)被生长成掺杂小于5×1016cm-3且厚度约为0.1μm至5μm。最后，P+接触层812被生长成掺杂大于5×1019cm-3且厚度约为0.1μm至1.0μm。根据一些实施方式，所有的层800使用CVD或MOCVD反应器外延地生长。掺杂和厚度取决于应用来估计和调节。
针对Si APD的最佳的噪声性能，光生电子应当在倍增过程中占优势；即，在反向偏压的情况下空穴朝向P(阳极)扩散/漂移并且电子朝向n(阴极)扩散/漂移。使用化学气相沉积、等离子体增强型化学气相沉积、分子束外延、原子层沉积(可以为这些方法的组合以在掺杂和界面质量方面生成最佳层结构)，在掺杂或未掺杂的衬底上外延地生长Si层800。电子渡越的总长度在大约0.25微米至7.2微米的范围内。例如，对于示出的APD层结构800，可以是，0.5μm用于吸收、0.1μm用于电荷、0.5μm用于倍增，总共1.1μm。根据一些实施方式，例如，为了较高的QE，针对1.6μm的总渡越长度，可以将吸收区延长至1μm。可以针对不同的波长、与CMOS的集成、应用需要、操作条件例如偏压、增益和噪声来调节其他层的厚度和掺杂浓度以使装置特性最佳。
另外，可以使用来自底部的调制光信号来照射APD，其中，使用BOX或SOI，衬底的体可以被去除成使得光损耗最小化，从而可以在增强吸收的微结构化层中利用光子的双程。
图9A至图9E是示出根据一些实施方式的针对高速APD的一些基础微结构处理步骤的一系列截面图。图9A示出了如针对图8所描述的高速APD外延结构800。在图9B中，如在PD工艺中，可以首先在P层812上沉积P欧姆金属或电介质掩模910以用于微结构化柱。在孔和/或空隙的情况下，可以不进行该步骤。使用光刻、金属/电介质沉积技术和湿法/干法蚀刻来沉积干法蚀刻掩模910。在图9C中，根据一些实施方式，使用反应离子蚀刻(RIE)或深反应离子蚀刻(DRIE)、使用化学品的湿法蚀刻以及Si的氧化来生成微结构化柱914。可以通过热氧化(在一些情况下优选地)、电化学阳极化和/或等离子体增强型化学气相沉积来提供用于表面钝化的原生硅氧化物。根据一些实施方式，柱914的热氧化也可以用于微调柱的直径，原因是氧化物是由Si材料生成。热氧化还可以使表面平滑，这对电特性是有利的。在图9D中，使用填充物916来填充或部分地填充Si柱914之间的空间，以支承随后要沉积的接触层。填充物916可以为旋涂玻璃；聚酰亚胺；可以例如使用等离子体增强型化学气相沉积来沉积的电介质、例如硅氮化物或硅氧化物。一旦接触形成，填充物可以保留在原位或者通过使用蚀刻剂或溶剂使填充物溶解来去除。去除填充物的优点在于，由于空气的介电常数为1，所以进一步减小了装置的电容。电容的减小使得装置由于RC时间的减少而在较高的带宽下操作。在图9E中，制造阳极以及阴极欧姆接触金属922、924和926。取决于照射的方向，可以使用透明导电氧化物TCO 932(例如，铟锡氧化物ITO)。在顶部照射的情况下，可以使用干法蚀刻来露出柱——如果柱被埋置在填充物中。然后可以使用TCO 932来接触在尖端处的P+硅柱或P欧姆金属922。然后，取决于集成布局，对表面(924)或底部(926)上的阴极(N+)层施加欧姆接触金属。
在光信号从衬底侧(底部)进来的情况下，对晶片进行减薄。如果通过蚀刻来进行减薄，则晶片可以包括埋置硅氧化物层例如绝缘层上硅、SOI/BOX，使得氧化层可以用作蚀刻终止层。首先可以通过化学机械抛光来将晶片减薄至100μm，然后对可以选择性地蚀刻掉的氧化层进行过孔蚀刻，使得光信号仅需横越几微米的Si体材料。给Si衬底施加减反射涂层930以使反射损耗最小化。给N+层施加欧姆金属化，然后施加键合金属924。在微结构化柱上，对P+尖端施加欧姆金属化(如果在初始步骤中还没有施加)，然后施加键合金属922。根据一些实施方式，光信号从衬底表面(即，底部)进入的优点在于，光会被弹回并且在柱结构中行进两次，从而增大了量子效率。根据一些其他实施方式，柱可以被制造得较短以改善渡越时间。
根据一些实施方式，光信号还可以如在下文中图52所示以引导模式或在自由空间从边缘进入。在边缘应用中，可以不使用TCO 932和固体阳极欧姆接触，并且可以不进行晶片减薄。阴极欧姆接触可以代替地实现该结构。根据一些实施方式，在边缘方法中，柱被布置成使得柱密度不均匀以优化光辐射的捕获。例如柱可以被布置成V形图案以减少光反射。
图9A至图9D中未示出的是用于限定APD 920的直径的台面蚀刻步骤。根据一些实施方式，也可以使用其他方法例如离子注入。注意，微结构自身提供了使电流沿竖直方向而非沿横向方向的良好限制。出于简明起见未示出的其他已知的处理步骤包括：对露出的表面进行热氧化钝化；添加防护环；晶片的减薄；添加减反射涂层；欧姆接触的退火；以及创建用于去除填充物的过孔。
利用体Si的低吸收常数的优点。使用III-V族材料制造的高速光电二极管常常被构造成使得光载流子仅在PiN结构的i层中生成，以使可以引起装置的频率响应劣化的高场区的外部的光生载流子最小化。这在III-V族材料中可以容易地完成，原因是存在与InP晶格匹配的许多三元和四元材料例如InGaAsP、InGaAs、InAs，并且可以通过改变组成将这些合金的带隙改变成使得P+阳极812和P电荷808层几乎透明而i层吸收。然而，对于硅而言不容易，原因是没有与硅晶格匹配的材料。在硅上可以生长锗，但要添加缓冲层以调节晶格失配。
根据一些实施方式，用于克服硅中的该问题的方法为利用硅在硅的带隙附近的辐射的低吸收常数。根据一些实施方式，可以将晶片减薄至SOI结构的绝缘层，并且850nm的光信号将仅穿越1μm至2μm的体硅，损失大约10％或更少的入射辐射。剩余的辐射继续进入微结构化柱硅，在微结构化柱硅中由于谐振效应可以使吸收更强。根据一些实施方式，柱的形状可以为圆形、椭圆形、长方形、人字形、六边形、双圆形、月牙形、星形或用于优化吸收和收集效率的任意形状。柱直径的范围从50nm至1200nm(最小尺度可以为50nm并且最大尺度可以为1200nm)并且可以被均匀或非均匀地、周期性或非周期性地、线性调频地(chirped)或者局部地或整体地的图案分隔，以优化APD/PD的性能和应用。柱的间隔可以为20nm至2000nm。微结构化柱的针对接近硅带隙的特定波长例如850nm、880nm、980nm、1000nm的带宽和效率进行优化后的长度可以为100nm至10000nm。
根据一些实施方式，单个PD/APD内的微结构的多个尺度(结构和间隔二者)可以使得微结构的谐振带宽加宽，使得增强的吸收系数覆盖更宽的光谱。
随着波长接近1100nm(Si的间接带隙，1.1eV)，衬底变得吸收较少。
根据一些实施方式，微结构化柱/孔/空隙可以具有不垂直于硅衬底的表面的取向。不垂直或多取向或者甚至随机或伪随机的其他取向能够相对于光信号的方向性来优化QE。在微结构的多取向和/或随机或伪随机取向中，装置变得对光照射的方向较不敏感，这在PV应用中是有益的。在某些应用中，可以期望天线之类的PD/APD的高方向性以避免例如与来自其他光信号源的串扰，或者进一步提高其QE。
根据一些实施方式，使用微结构化孔阵列而非柱阵列作为硅中的光阱。微结构孔阵列具有与微结构化柱相似的性质。参见例如由Loucas Tsakalakos，Proc编辑的NextGeneration(Nano)Photonic and Cell Technologies for Solar Energy Conversion，SPIE第7772，77721G卷(2010)中的Lin等人的Optical absorption enhancement insilicon nanowire and nanohole arrays for photovoltaic applications。根据一些实施方式，替代如本文中所描述的蚀刻微结构化柱阵列，使用用于柱的RIE/DRIE以及相似的处理来蚀刻微结构化孔阵列，上述处理包括表面钝化的热氧化、电绝缘的深离子注入、光场的限制以及电容的减小。在孔阵列的情况下，填充物可以无需延伸到孔的整个长度上。例如，如果填充物的表面张力高，则可以使用填充物仅部分地填充孔并且给完成装置结构所必需的TCO、金属、氧化物、硅化物、合金(举几个例子)的后续层提供支承。根据一些实施方式，在微结构化孔的情况下，在PD/APD/PV装置中不使用填充物，原因是表面连续，而非如在微结构化柱的情况中那样包括岛。
根据一些实施方式，微结构化孔可以具有50μm至3000μm的直径并且可以为方形、六边形、椭圆形、长方形、人字形、双孔，其中最小尺度为约50nm并且最大尺度为约3000nm。孔之间的间隔(相邻边缘)可以为在20nm至2000nm处的规则或不规则的或者是图案。孔的深度(或长度)可以为100nm至10000nm并且可以为均匀的深度或非均匀的深度。针对特定波长和应用的最佳吸收、量子效率、带宽和辐射收集效率来选择尺度。
如先前讨论的，为了在吸收机制方面优化本发明的高对比度光栅，期望的是，使微结构化增强型吸收结构在较低折射率的材料上，例如BOX或SOI，其中硅氧化物折射率低于Si、Ge或III-V族/II-VI族材料的折射率。根据一些实施方式，可以通过在衬底中包括空隙来使有效折射率低于微结构的折射率。图10A至图10B是示出根据一些实施方式的在N-Si中具有微结构化空隙的顶部照射的微结构化光电二极管、雪崩光电二极管和/或光伏(PV)的各个方面的截面图。空隙可以被包括在衬底中或者作为如以下将要讨论的用于增强吸收系数的微结构。Si、Ge、III-V族的光谱折射率的范围通常为3至3.6，通过使用硅氧化物例如SOI和占材料体积50％的空隙，可以将折射率或有效折射率减少体半导体的折射率的约0.5。通过调节空隙与材料(例如，硅)的体积比，也可以将有效折射率从体材料的折射率的几个百分比调节至体材料的折射率的大于90％。例如，空隙可以填充有其他材料，使得空隙不仅仅为空气、气体或真空，而是可以为能够使用光和/或电增益来光地和/或电地钝化和/或活化的电介质，例如玻璃、聚合物、电介质、氧化物或无定形半导体。
图10A示出了包括含有微结构化空隙1008的N-Si层1006的层1000，所述微结构化空隙1008有效地减小了N-Si层1006的折射率。图10B示出了包括微结构化柱1024和/或孔1022以及透明导电氧化物层1026的顶部照射PD/APD/PV 1020。微结构化空隙1008可以为随机的或者图案化的。如果空隙1008被图案化成在损耗较低的波长例如950nm至1100nm处具有HCG效应，则可以利用微结构化空隙1008将光子反射回吸收“I”区。根据一些实施方式，也可以使用BOX或SOI衬底与空隙一起使用，或者不使用空隙或者不使用BOX/SOI。
根据一些实施方式，本文中所描述的微结构技术也应用于异质外延材料(Si上III-V族、Si上Ge或者Si上II-VI族)。可以使用与Si相比具有更小的带隙的Ge(在300K处带隙为0.66eV)来检测850nm以及1300nm处的光信号。使用本文中所描述的技术，还可以将Ge装置制造成检测具有1550nm至1600nm的波长的光信号，然后所述Ge装置可以替代III-V族基光电检测器。根据一些实施方式，微结构被生长成诸如纳米/微米线或者在使用或不使用光刻掩模的情况从体材料蚀刻。
可以在Si上外延地生长Ge薄膜。参见例如Kang等人的Epitaxially-grown Ge/Siavalanche photodiodes for 1.3μm light detection,2008年6月23日/第16卷第13期/OPTICS EXPRESS 9365(在下文中称为“Kang等人”)，其中，APD被制造成用于30μm直径的装置1310nm波长的操作。具有1μm Ge吸收长度的装置的QE仅为56％，而通过使用根据本文中所述的实施方式的微结构化柱/孔/空隙，对于直径为30微米的PD/APD，可以实现在1300nm至1600nm波长处实现大约90％或更大的QE，带宽约为30Gb/s或更大。这样的装置可以在数据中心、局域网以及在市区以及长距离光数据/远程通信中找到有用的应用。根据一些实施方式，使用在制造和封装方面使成本显著减少的硅上集成。相比之下，在Kang等人中，在不牺牲带宽的显著减小的情况下，由于体材料的低吸收，所以30微米直径的APD在1310nm处仅能够达到约15Gb/S的带宽，并且不能够扩展波长。
图11A和图11B是示出根据一些实施方式的Si上Ge型异质外延APD结构的各个方面的截面图。层1100和APD装置1120示出可能的Si上Ge型异质外延APD结构(与在上文中描述的仅使用具有不同的掺杂浓度的硅的同质外延APD/PD结构相对)。使用与在Si同质外延APD中相似的处理方法来制造微结构化柱/孔阵列。根据一些实施方式，体Ge的吸收常数被增大为大于70倍，例如73倍至172倍。根据一些实施方式，带宽超过30Gb/s的APD和PD可以在有源直径为30μm或更小、波长至1750nm以及QE为大约90％或更大的装置中实现。这是对现有的垂直于衬底表面或不垂直于衬底表面照射的Si上Ge APD的显著改善。
根据一些实施方式，可以在Si、Ge、Si上Ge、Si上SiGe、Ge上SiGe中制造微结构化柱以及孔(及其变型)阵列；上述阵列可以为Si、Ge和SiGe的任意组合。
在较长的波长1200nm至1800nm处，常常使用Ge(锗)光电二极管，原因是Ge具有0.66eV的带隙(而Si具有1.1eV的带隙)。然而，针对高带宽应用(大于或等于20Gb/S)而言，Ge光电二极管仅良好适于1350nm，原因在于以下事实：对于约为30皮秒的渡越时间(在1×104V/cm处电子饱和漂移速度为6×106cm/s，以便具有大约20Gb/s的带宽(f(3dB)＝0.44/τ，其中，τ为通过“I”区的渡越时间)，吸收区或“I”区的长度被限制为大约2微米。在该长度处，1550nm和1600nm处的QE小于10％，这对于用于数据通信和远程通信应用的光接收器通常是不可接受的。在波导配置中，吸收区的长度可以为50微米至100微米，并且在QE等于或大于90％的情况下仍然实现20Gb/s或更高。其他研究组报道了波导Si上Ge光电二极管结构，然而，这样的波导光电二极管由于波导损耗和耦合损耗(光信号与光波导耦合)具有过量光损耗，损耗可能高达3dB，或者光信号的一半被损失。光信号与微结构化光电二极管和雪崩光电二极管的“自由空间”耦合(其中，例如使用元件例如透镜、衍射元件、光管、光波导将光信号引导至PD/APD)具有更为少的光损耗，通常为几个百分点或更小。原因之一在于与波导光电二极管的几微米的尺度(通常1微米至2微米)相比，微结构化PD/APD的直径为30微米的大面积。波导PD/APD不仅耦合损耗高，而且波导PD/APD经常使用主动对准，这需要接通波导PD/APD以监测光信号至波导PD/APD的耦合。该主动对准慢且耗时，这也增加了将波导PD/APD封装在任何光接收器模块中的成本。相比之下，根据一些实施方式的大面积微结构化PD/APD仅使用被动对准，在该被动对准中在不接通微结构化PD/APD的情况下使其对准。这样的对准更快并且更容易，这减少了微结构化PD/APD在任何光接收器模块中的成本。应当注意，在微结构化PD/APD的有效电容比体PD/APD的电容显著低10％至80％或更多的情况下，微结构化PD/APD的面积可以相应地增大10％至80％或更多。
在图11B中，示出了底部照射的微结构化Si上Ge柱/孔APD结构1120。使用用于Si上Ge型APD的外延层，其中，用于生成电子-空穴对的光吸收在Ge中发生，并且带电载流子的增益/倍增在Si中发生。外延生长层在下面的层组成范围(图11A中所示)方面与Si上Ge型体(薄膜)APD相似。Si衬底1102(也可以为SOI或BOX)未N掺杂或被低掺杂(20欧姆-cm)，以使得能够去除Si衬底以用于底部照射和/或减小折射率。如果使用SOI或BOX衬底，则N欧姆接触键合金属将会在与倍增I区相邻的N+-Si表面上。N+接触层1104可以为2微米至8微米，N+＞5×1018cm-3。I倍增层(或增益层)1106可以未掺杂(未有意掺杂)，厚度为0.2微米至1.0微米且I＜1×1016cm-3。P电荷层1108厚度为0.05微米至0.2微米，并且P约为1-6×1017cm-3。P-低温Ge缓冲层1110的厚度为0.01微米至0.04微米并且P-约小于1×1016cm-3。I或P-吸收层1112的厚度为0.2微米至2.0微米，并且I(或P-)＜1×1016cm-3。最后，P+接触层1114的厚度为0.05微米至0.2微米，并且大约地P+＞2×1020cm-3。
以生长有用于APD操作的所有层1100的晶片开始，出于简明起见，省略处理细节。基本步骤首先包括使用电子束沉积、热沉积或溅射沉积来沉积p欧姆接触金属层1126。根据柱或孔使用正或负或图像反转光刻胶方法光刻地限定柱或孔的微结构图案以形成用于干法蚀刻或湿法蚀刻的蚀刻掩模。根据一些实施方式，可以使用压印光刻。分别在P+层1114、I(或P-)层1112以及P Ge层1110上蚀刻微结构图案，部分地或完全地蚀刻至P Si层1108(例如，对于使用RIE和DRIE的选择性干法蚀刻，使用氟基、氯基、溴基气体，例如SF6、CF4、BCl2、Cl2)。Ge和Si之间的蚀刻选择性可以高达70，所以通过调节气体混合物、压力、温度和偏压以及功率来以Si的70倍快来蚀刻Ge。微结构图案(柱或孔)的侧壁通过电介质或SiGe来钝化，并且逐渐减少Ge含量使得在表面上保留Si(例如使用原子层沉积ALD)，随后使用热氧化来使光生载流子经由由于悬空键和其他表面缺陷而引起的表面状态进行的表面复合最小化。根据一些实施方式，也可以施用其他钝化技术，例如Si氧化物以及Si氮化物的ALD。使用旋涂玻璃、聚酰亚胺或者电介质(例如Si氧化物以及Si氮化物)的PECVD沉积来进行平坦化。进行回蚀刻以露出P层。针对微结构化孔和柱，通过使用聚酰亚胺或旋涂玻璃来部分地填充孔以及柱之间的空间，可以不必完全平坦化。在P层和N层上形成欧姆和/或键合接触。对与光信号在制造有微结构图案的外延表面上进入的顶部照射的光电检测器，沉积透明导电氧化物1126(在微结构化孔的情况下可以不使用透明导电氧化物)以连接所有的P欧姆金属层(针对柱而言)。在P+Ge层1114(阳极)与N+Si层1104(阴极)之间施加-2V至-45V的电压偏置。APD1120在反向偏置模式下操作，以尽可能耗尽两个“I”层。省略了许多详细处理步骤，举几个例子，例如退火；表面处理；欧姆接触、键合金属的沉积；RIE；DRIE；湿法蚀刻；用于蚀刻的掩模；掩模去除；减反射涂层；微结构上的镜，例如布拉格反射器等。对P半导体和N半导体的欧姆接触金属化和键合金属化在本领域中众所周知并且在此不提及细节。另外，空穴(holes)在电子-空穴对中用作带电载流子，而在物理空隙中孔(holes)用作例如微结构化孔。应当根据上下文理解“hole”是指带电粒子还是指物理空隙。
根据一些实施方式，微结构化柱或孔的Ge表面以及暴露于电场、可以流过电流和/或形成电荷的任何Ge表面被钝化以减少电流泄漏，使表面态最小化，该表面态可能是载流子尤其是电子空穴光生载流子的潜在或复合中心(如在硅中，热氧化或者快速热氧化，以产生用于对可能引起过量泄漏电流或者光生载流子的复合中心、或者载流子阱的任何硅表面进行钝化的SiO2以及SiOx)以及以两阶段形成的作为原生Ge氮氧化物的GeOxNy，在上述两阶段中，Ge微结构化柱和/或孔首先暴露于氧，然后在快速热退火炉中暴露于氨环境以形成Ge氮氧化物钝化层。这些钝化方法在本领域中众所周知。
图12是示出了根据一些实施方式的用于微结构上的Ge表面的钝化方法的各个方面的截面图。示出的是针对PD和/或APD的微结构化Ge柱1202(或孔)。在Ge表面上的是保形地外延生长的SiGe层1210。Ge含量在层1210内逐渐地减少直到仅Si暴露在表面。然后，使用Si的热氧化来钝化暴露的Si表面，形成SiO2层1212，以使可以使QE劣化的泄漏电流和表面态最小化，上述表面态可能是载流子——尤其是光生载流子(电子和空穴)——的潜在阱。
图13A和图13B是示出了根据一些实施方式的对于Si上Ge基光电二极管和/或雪崩光电二极管的Ge体吸收系数的微结构增强的效果的曲线图。根据一些实施方式，在具有微结构化柱/孔的PD/APD装置中在1150nm和1600nm处得到体吸收系数的73倍增强。图13A示出了针对1550nm(点1310)和针对1600nm(点1312)的带宽相对于“d”或者“I”层长度。注意，APD具有Ge“I”层和Si“I”层两者，然而PD仅具有Ge“I”层。图13B示出了针对1550nm(点1320)和1600nm(点1322)的QE相对于“d”或者“I”层长度。可以看出，对于30微米直径有源区的PD/APD，1550nm光波长和1600nm光波长处分别可以得到40Gb/s和31Gb/s的带宽，QE为90％。利用常规设计的体Ge光电二极管和雪崩光电二极管不能获得该结果。
分离地使用Ge微结构来吸收光生e-h(电子-空穴)对且使用Si用于载流子(优选为电子)的雪崩倍增，得到噪声非常低的APD，原因在于如下事实：与在III-V族材料中相比，注入倍增区(作为施加的反向偏压的函数的增益区)的电子的电离率(定义为空穴电离率/电子电离率)较低。这得到了低的过量噪声因子，有利地引起高的信噪比(S/N)。
图14A至图14B是示出了根据一些实施方式的具有微结构化柱/孔的顶部照射式Si上Ge型雪崩光电二极管的各个方面的截面图。图14A示出了体层1400。在图14B中，顶部照射式微结构化Si上Ge型APD 1420被示出为具有如上所述的连接Ge微结构化柱1424(孔1422)上的P欧姆接触的半透明导电氧化物1426。顶部照射式以及底部照射式微结构化Si上Ge具有类似的外延结构。顶部照射式以及底部照射式微结构化APD的工艺步骤类似。主要区别在于，顶部照射式APD(或者PD)的透明导电氧化物被替换成不透明欧姆/键合金属化，该欧姆/键合金属化可以用作将光信号朝着吸收I层回反射的镜。根据一些实施方式，镜还可以包括晶片键合至微结构或外延地或真空沉积的布拉格反射器例如电介质或者导电金属电介质，以将光信号的反射率增加至大于90％。此外，取决于光信号的波长，底部照射式PD/APD可能需要大部分Si衬底被去除的窗或过孔来减小光损耗。
图15A至图15C是示出了根据一些实施方式的具有微结构化柱/孔的底部照射式Si上Ge型雪崩光电二极管的各个方面的截面图。图15A示出了在形成微结构(柱和/或孔)之前的体层1500。图15B示出了针对从1200nm至1800nm的波长光信号从底部(衬底侧)照射的Si上Ge型微结构化APD 1520。注意，在这些波长处Si基本上是透明的。根据一些实施方式，为了进一步降低光损耗，可以例如通过直径为50微米至500微米的过孔来仅在照射区域减薄Si晶片，并且减薄至Si的N+层；或者Si衬底1502可以包括BOX或SOI层1502。然后，可以选择性地将Si衬底1502减薄至BOX或绝缘层1502，BOX或者绝缘层1502可以被选择性地蚀刻掉。根据一些实施方式，可以添加减反射层(没有示出)以使反射最小化。该布置的优点在于，光信号将具有二次弹射，从Ge P+层1514上的金属化1526反射并且再次穿过Ge“I”吸收区1512。例如，如图13A和图13B所示，保持相同的吸收长度、Ge“I”长度，假定光信号的反射损失可忽略，对于Si衬底侧(底部)照射，对于1550nm和1600nm的QE将为大约90％或者更高。根据一些实施方式，可以将Ge“I”吸收长度进一步缩短以增加带宽并且仍然维持可接受的QE。
对于在Si上外延生长的Ge，已知体吸收系数大于在本身的体Ge(没有生长在Si上)的体吸收系数；在1750nm处Si上Ge的吸收系数大约为100cm-1。根据一些实施方式，可以通过微结构化柱和/或孔将上述Si上Ge的吸收系数增强172倍。得到的增强的Si上Ge型微结构化柱和/或孔吸收系数可以是约1.72×104cm-1。
图15C示出了APD 1540，其中微结构一直延伸至N阴极层1506以进一步降低电容和折射率。在这种情况下，吸收i层1512如电荷层1510和i倍增层1508那样被微结构化。根据一些实施方式，微结构还可以部分地形成在电荷层1510和倍增层1508中。此外，根据一些实施方式，在吸收层1512和在倍增层1508中的微结构不必相同。在图15D中，光子可以在倍增区中生成电子空穴对，这可以引起增加的增益但也会造成过量噪声。根据一些实施方式，在没有使用电荷层的情况下，使用微结构APD的吸收区和倍增区结合在一个区中。由于增强的吸收使该结合是可行的：吸收和倍增的长度可以是允许合理的雪崩电压的一微米或更小的数量级。
图15D示出了根据一些实施方式的吸收区和倍增区是单个区1566的微结构化APD1560。这能够实现是在于，微结构使吸收系数增强成使得需要小于一微米的吸收微结构长度便实现大约90％或更大的QE并且在该材料长度下还可以发生雪崩倍增。例如，如果在图15D中示出的0.5μm的微结构化Si是层1566的厚度，则背照射APD 1560使得从N欧姆接触和键合金属化反射的光信号的二次弹射，得到吸收长度的一微米的有效长度。Si APD 1560可以在0.5μm的倍增长度下工作，在从-5伏至-50伏范围的反向偏置的情况下得到3dB或更大的增益。根据一些实施方式，可以将图15D中所示的结构应用于其他材料系统例如Ge、Si上Ge、III-V族、Si上III-V或者不在Si上III-V。
图16A和图16B是比较根据一些实施方式的基于Si上Ge的单程以及双程的光电二极管和/或雪崩光电二极管的曲线图。点1610和点1620示出了对于单程大约1.4微米的d的带宽和QE值，并且点1612和点1622示出了对于单程大约0.7微米的较薄的d的带宽和QE值。对于双程，装置将具有点1612的带宽和点1622的QE。在1750nm的光信号波长处，使用Si上Ge的100/cm的吸收系数数据并且利用例如由于微结构化Si上Ge式光电二极管/雪崩光电二极管结构所引起的172倍(172X)的增强因子，可以在单程大约1.4微米的“I”(也为“d”)长度的情况下得到27Gb/s的带宽和大约高达90％的QE(顶部照射——光信号照射顶部Ge微结构侧)。如先前所述，对于光电二极管，“I”或者“d”是吸收长度，然而对于雪崩光电二极管，“I”是结合的吸收长度和倍增长度。例如，对于APD，为了实现27GB/s，总“I”长度必须限于1.4微米。可以使用双程布置使得例如吸收长度是0.9微米并且倍增是0.5微米，使吸收长度实际为1.8微米以实现90％以上的QE。然而，如果相对地使光信号从底部Si衬底侧照射，则在Si的带隙(在300K处1.1eV或者1127nm波长)之下的光辐射能量例如从1200nm波长至1800nm波长的辐射下，Si衬底和Si层基本上是透明的并且具有最小的光损耗(大约1dB/cm至3dB/cm)。从Si衬底侧(底部)照射的优点在于，如果在P+接触层上的金属化是反射的(该金属化应该是反射的，原因是该金属化是由Au、Al、Ag、Cr、Zn、Ti、Ta、Ge或者这些金属和半导体的组合构成的金属)，则光信号可以在Ge“I”吸收区处具有双程。还可以包括晶片键合至微结构或沉积在微结构上的来自氧化物、氮化物、氯化物、半导体的具有交替的折射率的材料构成的布拉格反射器。反射率可以大于90％。在双程的情况下，如图16A和16B所示，可以得到40Gb/s的带宽，QE大约高达90％或更高。
图17A至图17B是示出了根据一些实施方式的用于信号波长在700nm至1800nm范围内的应用的在具有微结构化柱/孔的顶部照射式Si上Ge型光电二极管结构的各个方面的截面图。图17A示出了体层1700。在图17B中，Si上Ge型微结构化柱1724和/或孔1722处于用于光电二极管1720的配置。这本质上是P-I-N结构，在该P-I-N结构中，“P”和“I”是具有微结构化柱1724和/或孔1722的Ge，微结构化柱1724和/或孔1722用于增强在Si上生长的Ge的体吸收系数。在Si上生长的Ge(Si上的Ge)的吸收系数的增加的原因可以是由于与在上面生长Ge的Si主衬底的晶格失配而在Ge外延层中产生的应力。如在Si上Ge型APD的情况中，光信号可以从微结构侧(如在图17B中)或者衬底侧(如在图18B中)照射。
图18A至图18B是示出了根据一些实施方式的用于信号波长在1200nm至1800nm的范围内的应用的在具有微结构化柱/孔的底部照射式Si上Ge型光电二极管结构的各个方面的截面图。图18A示出了体层1800。图18B示出了被配置成用于光子能量小于在300k处的1.1eV的Si带隙的情况下从Si衬底侧(底部照射)的照射的信号的光电二极管1820。对应的波长范围是1200nm至1800nm。欧姆接触1826还可以作为镜，使得光两次通过Ge吸收微结构，在Ge吸收微结构中，P Ge上的金属接触层可以将光信号反射回Ge“I”吸收层。
应该注意的是，在P-I-N结构的所有讨论中，根据一些实施方式，P和N是互换的，例如形成在P衬底上或形成在低掺杂P衬底或未掺杂衬底上的N-I-P结构。根据一些实施方式，用于APD的N和P也互换，并且衬底可以是P衬底、低掺杂P衬底或者未掺杂衬底。然而，在Si倍增层中，为了实现最低的噪声和最好的S/N，尽可能大地将电子注入倍增区，原因是在Si中电子的电离率高于空穴的电离率；对于Si，电子的电离率可以在0.06至0.002的范围内，相对地，对于Ge和InGaAs，电子的电离率分别是0.9和0.45。这就是为什么在本文中描述的许多实施方式中增强的吸收是在Ge微结构中而增益或倍增是在Si中，增益或倍增取决于场强以及相应地取决于施加的反向偏压，所述装置的反向偏压可以在-10V至-60V的范围内。
根据一些实施方式，用于Si以及Si上Ge型光电二极管(PD)和雪崩光电二极管(APD)的微结构化柱和/或孔用于替代相对昂贵的III-V族光电二极管。Si微结构化柱和孔PD/APD可以从500nm至1100nm在20Gb/s或更高的带宽和90％或更高的QE下工作。特别地，在730nm至980nm的数据通信波长处工作。Si上外延生成Ge的微结构化柱和/或孔PD和APD可以从500nm至1800nm在20Gb/s或更高的带宽和90％或更高的QE下工作。特别地，可以1250nm至1600nm(以及可能至1750nm)的远程通信波长处工作。因此，本文中描述的技术扩展了常规Si以及Si上Ge型自由空间耦合的光电二极管和雪崩二极管的波长、带宽和QE。
根据一些实施方式，还可以使用在Si衬底上VLS(气-液-固外延)生长Ge纳米线来制造微结构化柱。其他人已经证明了例如利用Au纳米颗粒作为VLS外延生长的催化剂使用化学气相沉积(CVD)或者金属有机化学气相沉积(MOCVD)在Si(111)取向上生长垂直Ge纳米线。可以使用(111)以外的晶体取向、具有多个取向的材料例如多晶。还可以使用材料例如Si、Ge、III-V族、玻璃、石英、金属(举几个例子)作为衬底。根据一些实施方式，在CVD反应器与作为VLS生长的催化剂的Au纳米颗粒一起在Si(111)衬底上形成大约2nm的薄Ge缓冲层。可以使用光刻掩模对涂覆在Si衬底上的光刻胶减小曝光来沉积Au催化剂。利用图案化光刻胶将Au蒸发到Si衬底上。使用标准处理方法例如剥离，将Au图案留在Si衬底上，然后该Au图案为用于在Si衬底上VLS生长Ge的催化剂。根据一些实施方式，还可以使用选择性区域生长来生长Ge，在所述选择性区域生长中，使用CVD在Si衬底上沉积电介质掩模，具有使Ge能够在空隙中生长的空隙图案。
在体光电二极管的表面上的柱和孔的微结构不仅将吸收系数增强到在体材料(没有任何微结构化特征并且在晶格匹配的衬底上生长使得由于晶格失配而引起的应力最小的材料)吸收系数的10倍至200倍的范围，而且显著地降低了装置例如PD和APD的电容。电容的降低使得PD或APD能够具有较短的吸收长度，这进而得到将光生载流子从高场区扫出的更快的渡越时间。吸收区通常通过反向偏压尽可能地耗尽，该反向偏压通过接近10,000V/cm或更高的电场强度外部地施加。如果微结构化柱或孔可以使得一半或更多的半导体材料(对于硅具有11.9的介电常数，以及锗具有16的介电常数)被去除，用空气(介电常数为1)或聚酰亚胺(介电常数为3.5)或者具有较低介电常数的其他电介质来替换所去除的材料，然后，总电容可以被估计为由半导体占据的总区域的电容和由于由空气或者聚酰亚胺占据的区域的电容的和。C(总)＝C(半导体)+C(空气或者聚酰亚胺)，其中，C＝εΑ/d，其中ε是乘以真空介电常数(8.854×10-14F/cm)的介电常数，A是由半导体或空气/聚酰亚胺占据的面积，并且d是可以是吸收区或者对于APD的情况中的吸收和倍增区的“I”区的长度。根据对于C(总)的公式，具有较高介电常数的半导体材料被去除且被低介电材料例如空气/聚酰亚胺/SiOx/旋涂玻璃替换的越多，总电容越低且RC时间越快。该减小PD和APD的电容的发明可以扩展至其他PD和APD例如III-V族材料的PD和APD，可以在III-V族材料的表面上制造微结构并且扩展以及通过光信号吸收区以去除一半或者更多的半导体材料以降低其电容，并且可以有效地制成较大面积的PD/APD并且具有如在装置上蚀刻微结构之前相同的带宽。较大的面积使得能够更容易地将光信号与光电检测器耦合。通过例如用低介电材料来代替半导体材料来增加半径的简单的公式是：r＝(ε1/((ε1-ε2)X+ε2)))1/2ro，其中，x是剩余的半导体面积的分数，ε1是半导体的介电常数，ε2是低介电材料例如空气或者聚酰亚胺或者旋涂玻璃的介电常数，以及r0是在蚀刻微结构化柱和/或孔之前PD/APD的有效面积的半径。作为示例，对于ε1＝16、以及为了简单起见ε2＝1(空气)以及x＝0.5(半导体材料中的一半被以微结构化柱或孔的方式去除)的20微米直径的Ge光电二极管，在与非微结构化Ge PD具有相同的电容的情况下，新半径的增加是13微米，或者26微米的直径，该直径显著大于20微米并且可以显著减少将光信号耦合至微结构化的大面积光电检测器中的成本。这减少了光接收器模块的被动封装的成本并且增加了产率。
图19A、图19B、图19C是示出了根据一些实施方式的微结构怎样减小光电二极管的电容使得可以在相同的带宽和QE的条件下制造较大面积的光电二极管的图。图19A示出了在InP-InGaAs-InP结构中的体层1900。在图19B中，具有微结构化孔1922的InP-InGaAs-InP层有效地减小光电二极管1920的电容以使得能够在相同的带宽和QE条件下制造较大面积的光电二极管。图19C是示出了PD 1920的顶视图。微结构化孔1922可以是深度为0.1微米至3微米、直径为100nm至1000nm。从图19C还可以看出接触环1930和键合垫1932。根据一些实施方式，还可以制造互补的微结构化柱。根据一些实施方式，可以通过SiOx、SiNx(经由ALD或者PECVD的氧化硅和氮化硅)、可以使用标准处理方法旋涂的聚酰亚胺或旋涂玻璃来钝化InP和InGaAs的侧壁。可以将体材料的吸收系数增强高达两个数量级或更多。
根据一些实施方式，III-V族材料例如InP、InGaAs、InGaAsP、InAs、InSb、GaSb、Si上InGaSb、Si上Ge以亚微米选择性区域生长或气液固(VLS)方式外延生长(参见，例如Sarkar等人，Heteroepitaxial growth dynamics of InP nanowires on silicon,Journal of Nanophotonics，第2卷，021775(2008年2月12日)；Roest等人，Positioncontrolled epitaxial III-V nanowires on silicon,Nanotechnology 17(2006)S271-S275)，在具有或者不具有催化剂的情况下使用金属有机气相外延进行异质外延，催化剂例如可以由Au、Cu、Al、Ti、W、Te、Cr组成。此外，对于在硅上生长的垂直取向的微米线，选择具有表面取向(111)的晶片。微米线不必与表面垂直，微米线可以是偏离垂直的以及甚至具有混合取向。
在VLS生长中，在异质外延生长紧之前，具有用于APD或PD的层结构的硅晶片被光刻地(或者电子束或者纳米压印光刻)图案化成10nm至5000nm范围的开孔，并且开孔的间隔在10nm至3000nm之间。接着沉积(电子束、或者热蒸发)厚度为0.1nm至10nm的Au，然后进行剥离，在MOCVD反应器中进行VLS外延生长。
对于SAG生长(参见，例如，Chu等人，Wurtzite InP nanowire arrays grown byselective area MOCVD,Phys.Status Solidi C 7,No.10,2494-2497(2010))，在(111)取向Si晶片上PECVD(或者溅射或ALD)沉积50nm的SiNx，在该50nm的SiNx上生长准备用于异质外延生长的必要的APD或PD外延层。利用光刻(光值光刻、电子束光刻或者纳米压印光刻)将开孔限定为尺度在10nm至5000nm范围并且间隔10nm至10000nm之间，然后通过干法蚀刻(RIE)来打开至硅表面的过孔。然后，准备好晶片用于Ge的SAG、在MOCVD反应器中的III-V族微米线。
为了简明起见，没有描述详细处理例如表面处理、表面制备、退火、等离子体蚀刻。这些处理可以在文献中找到。
图19D和图19E是示出了根据一些实施方式的制造在P-I-N硅倍增层上生长III-V族吸收层的APD装置的各个方面的截面图。在图19D中，Si APD结构1940如所示被蚀刻以用于III-V族材料的v外延生长。在图19E中，针对APD装置1960，III-V族吸收层生长在P-I-N硅倍增层上。如在PD装置的Si上III-V族一样，可以在具有或不具有催化剂的情况下使用VLS工艺来在Si上生长III-V族纳米线或微米线。由于纳米/微米线在Si上的占用区是微米级的，所以由于来自晶格失配的应力而引起的缺陷不是重要的问题，并且可以在Si上生长高质量的III-V族纳米线/微米线。根据一些实施方式，使用SAG来在Si电子增益层上制造III-V族微结构。
根据图19D和图19E，可以看出的是，Si上InGaAs型APD 1960以Si APD结构1940开始，其中孔或柱微结构被蚀刻至电荷层1944或者刚在电荷层1944之前。根据一些实施方式，可以将微结构化孔和/或柱蚀刻至倍增层1942。然后，使用例如SAG的方法，在Si微结构的侧壁上具有或者没有二氧化硅的情况下，生长I-InGaAs，以表面处的P-InGaAs结束。表面生长可以使用例如横向外延过生长(ELOG)的方法来形成高质量的连续P-InGaAs膜。在P-InGaAs上形成P欧姆合金和键合金属1966，并且进行退火。背侧处理包括：利用例如用于选择性蚀刻停止的BOX层减薄Si晶片并且去除BOX层。可以在背侧硅上涂覆减反射层来减少反射。在NSi层上制造N欧姆接触1968。光信号从底部照射。将-5伏至-50伏的反向偏压施加至阴极和阳极。如前所述，在10平方微米量级的Si上InGaAs微结构的小的占用区使得能够生长高质量的InGaAs材料，其中晶体失配引起缺陷不显著。
根据一些实施方式，Ge、III-V族与具有Si PD、PV(参见，在下文的图25C)以及APD的集成使得在成熟的Si电子平台上实现Ge和III-V族材料的吸收光谱。这使得III-V族与SiCMOS IC的集成能够例如用于光电检测器、光学光源例如发光二极管(LED)和激光二极管(LD)、以及III-V族电子装置例如晶体管。
多吸收材料和作为微结构的空隙。根据一些实施方式，利用Ge再生长微结构化柱和/或孔使得Si和Ge两者被微结构化以增强体吸收系数。根据一些实施方式，还可以埋置或者嵌入空隙以生成埋置/嵌入微结构使得表面更平坦。微结构化空隙还可以通过被图案化以增强反射来增强吸收系数；并且还减小材料(例如Si)的有效折射率；减小装置的重量；以及增加机械挠性。微结构化空隙可以在尺度和间隔通常大约在波长或者亚波长的量级的情况下是随机的、伪随机的或图案化的。根据一些实施方式，代替将Ge与Si组合，可以使用吸收谱与单个吸收体的吸收谱相比可以显著增宽的其他组合，例如III-V族与Si或者其他半导体材料、聚合物或者其他非半导体吸收体。
许多团队报道了使用纳米线(参见，例如，Garnett等人，Light trapping insilicon nanowire solar cells,Nano Letters,2010,10,1082-1087；Kelzenberg等人，Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaicapplications,Nature Materials，第9卷，2010年3月，239-244)以及纳米孔(参见，例如，Lin等人，Optical absorption enhancement in silicon nanowire and nanoholearrays for photovoltaic applications,Proceeding of SPIE，第7772卷，77721G-1,2010)的增强。用于陷光的纳米线的已知用途是用于光伏应用，在光伏应用中，光生载流子在零外部偏置下扩散至P-N结的阳极或阴极，在DC(直流)下操作。根据本文中描述的实施方式中的许多实施方式，光生载流子在外部偏置下在P-I-N二极管(PD)或P-I-P-I-N二极管(APD)的吸收“i”区中扫出，以用于高的调制带宽(例如，大于或等于10Gb/s的带宽)和高量子效率，以及用于APD的高电流增益(例如大于3dB的增益)。此外，根据一些实施方式，可以使用多吸收材料来扩宽吸收谱。多吸收材料并联地连接作为电流源，然而，在已知技术中，吸收材料串联地连接。此外，根据在本文中描述的许多实施方式使用空隙作为微结构来增强材料的吸收使得表面能够更平坦并且由于避免了填充物使处理简化。此外，更平坦的表面使得能够外延生长半导体布拉格反射器以增强反射以用于PD/APD的I吸收层中双程吸收或者多程吸收。根据一些实施方式，由于表面可以是高N掺杂或者高P掺杂的，还可以在更平的表面使用电介质布拉格反射器，并且可以在外围制造欧姆接触，例如如下文图29中所示的沉积在光敏区上的环欧姆接触和电介质布拉格反射器。可以使用化学机械抛光(CMP)来使具有埋置空隙的外延层的表面变平滑。
现在将描述制造具有埋置或嵌入在Si微结构中的微结构化Ge的装置的另外的方面。图20示出了根据一些实施方式的具有埋置或者嵌入Si微结构中的微结构化Ge的装置的没有最后的P-Si层的体层。根据一些实施方式，最后的P型Si层将是外延结构中的最后一层，其中生长的第一层是与衬底相邻的层，随后是与第一层相邻的第二层，依次类推直至生长的最后一层。图20中所示的是均没有最后P-Si层的P-I-N PD结构2000和P-I-P-I-N APD结构2020。在本文中描述的实施方式中的许多实施方式中，N可以指代N(5×1016cm-3至8×1017cm-3的中N型掺杂，小于1×1017cm-3的低N型掺杂，以及大于5×1017cm-3的高N型掺杂，P掺杂也是如此。I(或i)掺杂通常被定义为本征的或非有意掺杂或者小于5×1016cm-3的低掺杂背景掺杂。“I”区被配置成使得通常在外部反向偏置的情况下P-I-N结发展为横穿“I”区。在PD和APD应用中，吸收材料在“I”区中，使得光生载流子可以被快速地扫出至阳极(P)层和阴极(N)层。对于APD，载流子(在此大部分情况下示出为电子，原因是电子给出了最低噪声的APD)在渡越至阴极层之前被扫至用于倍增(电流增益)的第二“I”区)。在本文中的图中，示出P-I-N、P-I-P-I-N结构，并且与外部电路接触的一个或更多个顶部P层被称为阳极，以及与外部电路接触的一个或更多个N层被称为阴极；层可以从P换至N以及从N换至P，也利用P或者低掺杂衬底制造PD的P层以及APD的P层。
图21是示出了根据一些实施方式的对于具有埋置或嵌入在Si微结构中的微结构化Ge的装置蚀刻微结构化柱和/或孔的截面图。微结构柱2104和/或孔2102被蚀刻至I-Si层中，部分地或全部地蚀刻至N Si层(PD结构)或P Si层(APD结构)/部分地或者全部地蚀刻到N Si层(PD结构)或P Si层(APD结构)中。蚀刻处理可以是下述之一：湿法化学蚀刻、使用反应离子蚀刻(RIE)的干法蚀刻、深反应离子蚀刻(DRIE)、离子研磨和/或聚焦离子束研磨。蚀刻可以是各向同性的或者各向异性的或者各向同性和各向异性的组合。如在下文的图22和图23中所示，然后，在蚀刻的区域(即，在柱的情况下，柱周围的区域以及柱的侧壁上的区域；或者在孔的情况下，孔中的区域、孔的侧壁)各向同性地、各向异性地或者通过选择性区域生长(SAG)来再生长Ge，在SAG中，电介质层例如SiOx、SiNx覆盖不期望再生长Ge的区域(在一些实施方式中可以包括侧壁)。在蚀刻期间，如果使用电介质掩模材料例如SiOx、SiNx、SiCx并且在外延生长期间原位留下，则外延层不会在电介质掩膜上以结晶膜的形式生长，而是可以是自然非晶的，或者除了一些树突之外不会在电介质层上生长。注意，各向同性或各向异性的生长速率通常取决于在上面生长的晶面，并且任何蚀刻结构可以露出多个晶面，在这些晶面处引起不同的生长速率，可以引起在具有3D微结构的蚀刻区中的各向异性生长。
在Si上生长Ge在文献中广泛记载，其中，是使用化学气相沉积(CVD)、分子束外延(BE)、原子层沉积(ALD)、低压CVD和/或生长技术的组合先在较低温度下首先外延生长薄的缓冲Ge层，然后在较高温度下外延生长Ge，例如，可以通过MBE生长薄的Ge缓冲层并且可以通过CVD生长较厚的高质量Ge膜。薄的Ge缓冲层是为了调节Si与Ge之间的晶格失配应力(参见，例如，Feng等人，High-speed Ge photodetector monolithically integrated withlarge cross-section silicon-on-insulator waveguide,APPLIED PHYSICS LETTERS95,261105,2009)。
Ge再生长可能具有空隙或者非平坦体，并且在有用时，可以使用抛光例如化学机械抛光(CMP)或蚀刻使表面平坦化。图22是示出了根据一些实施方式在蚀刻区中生长Ge“I”层并且进行平坦化之后的具有埋置或者嵌入Si微结构中的微结构化Ge的装置的截面图。注意，根据一些实施方式，不需要平坦化以及省略了平坦化。在生长了Ge“I”层2202并进行了平坦化之后，生长P+Ge盖层2204以完成PD的P-I-N结构或者APD的P-I-P-I-N结构。波长范围为400nm至1800nm的光信号或光子可以从阳极(顶部)侧(P+侧)2202照射PD/APD 2220，并且波长范围为950至1800的光信号或者光子从衬底侧(底部)照射PD/APD 2220，原因是Si在这些波长处多数不吸收。根据一些实施方式，将装置2220配置成从衬底侧照射是有利的，原因是这将使得光信号或者光子能够在嵌入在Si中的吸收Ge微结构内双弹射。在这些图中所示的仅是基本的外延层结构。为了简明起见而没有示出的结构和层包括例如减反射涂层、钝化物、欧姆金属、键合金属化、与CMOS互连的任何金属、用于电连接的过孔、用于多通道光学互连的PD/APD阵列。光学信号/光子可以垂直于表面照射或者以任何偏离垂直方向的角度照射——包括用于优化PD/APD性能的旋转角度；以优化PD/APD的QE和带宽。
图23是示出根据一些实施方式的在I-Ge再生长以及平坦化之后的具有埋置或嵌入在Si微结构中的微结构化Ge以及P-Si盖层的装置的截面图。在图23的情况下，埋置Ge微结构2302覆盖有P+Si层2304。Si P+盖层(阳极)2304在950nm至1800nm的光波长处具有低的光损耗，因此最小化地生成不在PD/APD 2320的高场“I”区中的光载流子并且有助于使扩散光电流最小，扩散光电流可以导致PD/APD 2320的频率响应和PD/APD的QE劣化。
根据一些实施方式，现在将更详细地提供在图20至图23中示出的埋置或嵌入的Ge以及盖层的一些尺度掺杂范围。微结构化Ge(例如，2202和/或2302)的尺度的范围为在深度上为从0.1微米至5微米，横向尺度范围为从10nm至5000nm，以及相邻微结构(结构可以是相同的或不同的)之间的间隔从接触(交叠)至5000nm。Ge(2202和/或2302)和Si(2104)两者的“I”掺杂小于或等于5×1016/cm3。“I”通常被称为本征或非有意掺杂，并且可以具有p或n背景掺杂，掺杂水平足够低以使得-2伏至-45伏的反向偏置电压可以完全耗尽移动空穴或电子(载流子)的“I”区。盖层、Si(2304)或Ge(2204)的厚度范围可以从0.1μm至5μm，掺杂水平大于或等于6×1017/cm3。可以将这些参数调整为其他值，但是目标是针对给定应用增加或优化PD/APD的带宽和QE。串联电阻、光生扩散电流、欧姆接触、电容、传输时间、“I”吸收区的耗尽都与PD/APD的性能有关。除了从底部衬底侧照射的光学信号在“I”区内两次/多次弹射以外，可以使用反射金属或电介质堆积例如包括交替的折射率不同的电介质层的布拉格反射器/镜或HCG来在顶部阳极侧处将光学信号反射回微结构化吸收区中。在如图23的Si盖层的情况下，光学信号可以照射Si P+盖层(阳极)2304，并且由于Si在1100nm至1800nm处(低于带隙辐射)具有最小的损耗，所以还可以通过设置在Si N+层或Si衬底处外延生长的反射器例如布拉格反射器以将光反射回吸收区中来在微结构化的埋置/嵌入的Ge 2302内对光学信号进行两次弹射。
根据一些实施方式，文中的微结构化层的所有讨论，光可以直接或由于散射、近场效应、干涉或谐振另外从顶表面和底表面撞击以及撞击在微结构的侧面，这可以大大提高微结构化光电传感器的QE，原因是光生载流子是直接在一个或多个高场吸收“I”(“I”)层中生成。
根据一些实施方式，Si和Ge(第4族元素)所选择的掺杂物包括下述：(1)来自第5族元素锑、磷和砷的施主(n型)；以及(2)来自第3族元素硼、铝和镓的受主(p型)。
还应注意，在图23所示的结构中，埋置在Si 2104中的I-Ge微结构2302被与Ge相比具有较低折射率的Si完全包围。在1000nm至2000nm的波长范围内，Si的折射率为约3.49而Ge的折射率为约4.1。Ge/Si折射率比为1.17，因此根据Chang-Hasnain参考，会存在HCG效应。吸收Ge微结构中的谐振和场浓度可以进一步将吸收系数从任何地方的体吸收系数值的吸收系数的从大于1背增强到几个数量级。折射率差异还使得光被限制且集中在高折射率材料中，在该示例中高折射率材料为Ge；进一步提高了QE。
硅(Si)微结构可以检测波长范围从300nm至1100nm的光子，并且锗(Ge)微结构可以检测波长范围从300nm至1800nm的光子。根据一些实施方式，对于高带宽和高QE，较短波长(300nm至600nm)可以在“I”区外部生成光载流子，引起扩散电流，该扩散电流可以导致非最佳的带宽和/或QE。当带宽不是问题时，劣化不是很显著。
图24A和图24B是示出了根据一些实施方式的I-Si微结构中埋置/嵌入有I-Ge吸收微结构的微结构化APD的方面的截面图。图24A示出了体层2400。在图24B中，被蚀刻的柱2424和/或孔2422填充有I-Ge(本征Ge，非有意掺杂或未掺杂或低掺杂的Ge)，并且结束于完成APD 2420的阳极的P+Ge或Si的盖层2426。微结构化Ge 2422被埋置/嵌入在Si 2412中。波长950nm至1800nm的光学信号(或者从300nm至1800nm的光子，其中较短波长300nm至900nm可能没有那么高的带宽)可以从顶部或底部以不同的角度垂直和/或不垂直于表面来照射APD 2420。根据一些实施方式，在I-Ge再生长到蚀刻区中之前的起始层还可以包括P+Si层2426，如上述的图7中通过层726所示的。在图24B所示的情况下，起始层被去除以在I-Ge再生长期间使P掺杂剂扩散最小。被埋置或嵌入在Si微结构中的Ge微结构使APD(或PD)2420能够在两个范围下操作。第一范围是处于Si低损耗而Ge吸收或高损耗的波长(950nm至1800nm)。在这种Si低损耗范围中，具有Si P+阳极盖层2426的Ge微结构2422被完全埋置在与Ge相比具有较低折射率的Si中。Ge微结构阵列可以具有低Q的HCG，Q范围约从1至3000(或其他谐振、散射、近场、线性和非线性光学效应)或者吸收系数的高增强。第二范围是处于Si和Ge两者都是吸收的地方——300nm至945nm，并且在Si和Ge两者的增强的吸收系数的情况下Si微结构2424和Ge微结构2422两者并行工作(并联的电流发生器)吸收光子。这在例如光伏应用中特别有用。
图25A至图25C是示出了根据一些实施方式的在Si微结构化柱和/或孔阵列中埋置/嵌入有Ge微结构的光电二极管的各方面的截面图。从具有或不具有P层2526的Si PD外延层结构2500开始，孔2522和/或柱2524的微结构被蚀刻到Si P层2526和I层2512中并且可以延伸到N层2510中。使用工艺如在硅微结构2524的侧壁上采用或不采用硅氧化物的SAG或者使用工艺如采用或不采用催化剂的VLS进行Ge 2522(或III-V族材料，仅举几例如InGaAs、InAs、InSb、GaN、InGaN)的再生长、生长I-Ge层2522、随后在表面生长P Ge 2526(或更适于顶部照射装置的P-Si层)，其中工艺如ELOG可以用于形成连续的P-Ge膜。P欧姆合金，退火、随后的键合金属化完成阳极的接触2528。如前面所讨论的背侧处理被沉积在硅表面以减少反射。例如参见上述的图19A至图19C，其中硅被减薄并且被选择性地蚀刻到BOX层。BOX层被选择性地蚀刻并且在N型Si层上形成减反射N欧姆合金、退火并且随后键合金属化，这完成了阴极接触。对于高带宽PD应用，在阳极与阴极之间施加-2伏至-10伏的反向偏置。在PV应用中，施加0偏置。
根据一些实施方式，尺度和掺杂类似于上述的在图5A至图5B中所示的Si微结构化PD，I-Ge掺杂水平小于5×1016/cm3，厚度的尺度范围为0.1微米至5微米，微结构的横向尺度范围为10nm至5000nm，相邻结构可以接触/交叠至5000nm的间隔。光学信号/光子可以在300nm至1800nm的波长范围并且垂直于表面或与垂直成一定角度(还可以包括旋转)的情况下从阳极顶侧或阴极底侧照射。对于底侧照射，Si被减薄到几微米厚以在300nm至900nm波长范围内照射。为简明起见，示出仅基本层。例如，未示出下述结构：隔离台面或扩散或离子注入、钝化、减反射、欧姆金属、保护环(例如针对APD)。Si微结构和Ge微结构两者可以并行地检测均吸收300nm至1100nm的波长的光学信号/光子，而仅Ge微结构检测波长范围900nm至1800nm的光学信号/光子。分别在图25B和图25C中的盖层2526和盖层2546可以是P+Si或P+Ge。对于大于10Gb/s(吉比特每秒)的宽调制带宽(有时只称为带宽)，对于波长范围为950nm至1800nm，P+Si盖层是优选的，因为在这些波长处，Si具有低的光损耗(也称为低损耗)。根据一些实施方式，图25B和图25C中所示的结构还可以用于光伏应用，在光伏应用中，在反方向没有有意施加外部偏置。
根据一些实施方式，对于示出的所有结构，P和N可以互换以形成例如用于PD和PV(光伏)的N-I-P结构以及用于APD的N-I-N-I-P结构。
在Si中再生长Ge微结构还应用于光伏装置，在光伏装置中，该装置在没有外部反向偏置的情况下操作。例如具有被嵌入或埋置在Si微结构中的Ge微结构的PIN PD结构实际上具有两个带隙，暴露于太阳辐射的Si带隙和Ge带隙。上述两个带隙的组合扩宽了光伏装置的吸收光谱，从而可以收集更广的太阳光谱。相较于单带隙光伏装置或串联连接的多个装置的QE和/或短路电流，上述两个带隙可以具有更高的QE和/或短路电流。微结构还具有增强的吸收，该增强的吸收可以进一步改进光伏装置的QE和/或短路电流。采用具有300nm至1800nm光谱宽度的光伏装置，在AM 0和AM 1.0的太阳光谱下，至少约90％的太阳光谱被捕获。此外，在PV装置中，Ge微结构和Si微结构横向(即平行地)彼此相邻，而不是如现有技术PV中的垂直地(即串联地)彼此相邻。这使得Si和Ge能够被等同地暴露于太阳光子，并且是为附加的并联电流发生器；ISi+IGe＝I总，其中，IS是由Si微结构生成的光电流，IGe是由Ge微结构生成的光电流，以及I总是总的光电流。
尽管根据一些实施方式描述了使用Si和Ge，但是根据一些其他实施方式，可以使用其他材料。根据一些实施方式，Si与被嵌入或埋置的InP微结构一起使用。根据一些实施方式，使用两种以上的材料，仅举几例如Si、Ge、InGaAs、InP、GaAs、GaN、InGaN、InSb。除了柱和孔以外，微结构可以被嵌入和/或被埋置以利用HCG效应来将吸收系数增强到超过体吸收系数的吸收系数以进一步改进QE并且使材料的使用最少以降低制造成本。
图25C是示出在硅微结构内生长仅举几例如Ge、InP、InGaAs的截面图。可以使用SAG，微结构的侧壁被氧化或被涂有保形电介质，在微结构表面的底部处氧化物/电介质被去除，所述微结构表面的底部大致平行于硅衬底，其中硅衬底可以提供用于生长Ge、InP、InGaAs微结构的结晶信息。使用各种生长方法仅举几例如VLS、MOCVD、CVD采用或不采用催化剂外延生长Ge、InP、InGaAs的面积为约100平方微米或更小；更通常地为约0.3平方微米至3平方微米。因为小的面积，所以由于晶格失配导致的结晶缺陷并不明显。具有可以使用ALD沉积或热生长的硅氧化物的侧壁提供了Si与Ge、InP、InGaAs SAG生长层之间的电绝缘。应当指出的是，SAG生长可以继续直到Ge或InP或InGaAs(仅举几例)可以在硅微结构上合并为止，并且采用横向过生长(LOG)外延工艺，Ge或InP或InGaAs的微结构可以形成对于阳极层可以P掺杂的连续外延薄膜层。
图25D和图25E是示出了根据一些实施方式的正向偏置装置如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的各方面的截面图。还可以使用如前述的PD、PV和/或APD的类似工艺来制造VCSEL 2562。从Si PIN结构2562开始，一个或多个硅微结构孔2564被蚀刻成通过I-Si层2566至N-Si层2568。根据一些实施方式，孔2564的蚀刻可以延伸到N-Si层2568中。然后，在Si微结构侧壁上在具有或不具有硅氧化物(示出氧化物2570)的情况下进行SAG。首先，生长全N型GaAs/AlGaAs分布式布拉格反射器2572(DBR)，随后生长N-GaAs 2574。有源层2576是未掺杂的1至5个阱的InGaAs/GaAs多量子阱(MQW)，接着是P-GaAs 2578到表面，并且在I-Si2566的表面处使用可以形成连续膜的ELOG。P-GaAs 2580上的电介质DBR 2582完成光学腔。P-GaAs 2580上的退火的P欧姆合金和键合金属2584完成阳极接触，并且N-Si 2568上的退火的N欧姆合金和键合金属2582完成阴极接触。对阳极和阴极的1伏至20伏的正向偏置将得到从VCSEL 2560发射的1200nm至1300nm的光。
在1200nm至1300nm以及其他波长处的VCSEL设计和生长是已知的。参见例如“High-performance 1200-nm InGaAs and 1300-nm InGaAsN quantum-well lasers bymetalorganic chemical vapor deposition”，Tnsu等人；Selected Topics in QuantumElectronics,IEEE Journal of(卷：9，期：5)，2003。
根据一些实施方式，因为在波长大于1000nm处，硅基本是透明的并且不会引入过量附加的光损耗，所以当嵌入有InGaAs、InGaAsN和其他III-V族材料的情况下选择较长波长。因此，对于VCSEL 2560，Si是良好的热沉。根据一些实施方式，通过减薄Si晶片并且蚀刻到BOX层，去除BOX层并且沉积电介质DBR，GaAs/AlGaAs DBR 2572由底部上的硅/空气或电介质DBR代替。DBR、电介质和半导体的设计是已知的。硅/空气DBR将需要进一步的处理，使用后面可以经由蚀刻沟槽被选择性地蚀刻掉的牺牲层如Ge。
根据一些实施方式，通过进行微小的变化——包括去除DBR以及添加多个Si微结构，制造LED。例如，LED可以使用MQW或仅使用P-GaAs/I-lnGaAs/N-GaAs简单异质结。还可以使用其他半导体，仅举几例如InGaAsN、InGaAsP、GaAsN。衬底可以是另一种材料，如蓝宝石、SOI、Si上绝缘体(IOS)、陶瓷、玻璃、石英、GaN、晶体或非晶体。此外，可以使用外延反应器和上述的制造方法来生长用于蓝色/UV LED的其他材料，如GaN、AlGaN、GaInN、AlN。
根据一些实施方式，形成空隙，所述空隙被埋置或嵌入在Si、或Si上Ge、或Ge中。文中使用的“埋置”是指空隙在表面下的情况，并且“嵌入”是指空隙可以与表面相交或略高于表面的情况。如上文所描述的，由于在外延生长期间的生长速率通常取决于表面的晶体取向的这一事实，所以在具有柱和/或孔阵列的微结构化Si上再生长Ge期间，可以长成空隙。因为在Si中蚀刻微结构化柱和/或孔可以暴露侧壁的不同表面取向，所以Ge在这些不同Si表面取向上的不均称生长速率可以引起空隙形成。根据一些实施方式，利用空隙的形成来生成被埋置和/或嵌入的微结构化空隙阵列，所述微结构化空隙阵列可以表现为HCG和/或陷光结构，HCG和/或陷光结构通过光场(幅度和相位)的干涉、散射、近场、线性和非线性光学效应使光场和/或谐振集中以将体膜吸收系数增强一个或几个数量级。此外，由于光场考虑平均或有效折射率，所以空隙可以用来减小材料(例如具有空隙的硅)的有效折射率。在波长量级或更小的尺度下，例如，空隙和Si的折射率可以近似为作为由硅所占据的体积和由空隙所占据的体积的平均的有效折射率。例如，如果硅占1/2的体积且空隙占据1/2的体积，Si折射率为3.49且空隙折射率为1.0(空气)，那么平均有效折射率为约2.25。
如上文所述，如果在“I”区中生成有空隙，那么空隙还减小装置的电容；其中微结构化柱或微结构化孔之间的间隔可以减小P-I-N PD二极管或P-I-P-I-N APD二极管的电容。根据一些实施方式的空隙被埋置(被埋置的孔)或被嵌入(柱之间的间隔)，并且总电容近似于由空隙占据的总面积的电容加上由半导体占据的总面积的电容。在空隙不占据“I”层的整个厚度(即仅占据部分厚度)的情况下，则可以通过考虑延伸通过“I”层的厚度的体积(包含空隙和半导体两者)来估计有效介电常数，空隙的体积和半导体的体积为给定体积；例如，如果空隙占据“I”层厚度的给定体积的1/2并且半导体材料占据1/2，如果半导体材料是介电常数为11.9的Si，那么平均有效介电常数为约6.5，其中空隙被假定为上述给定体积的介电常数为1的空气。在电容计算中使用该有效介电常数占据的总面积(包含空隙和半导体材料两者)外加在“I”区中仅由半导体占据的面积以给出P-I-N或P-I-P-I-N二极管的总电容。电容的减小引起二极管的RC时间常数的减小，改善了PD和APD的带宽。
虽然在半导体材料中埋置空隙是已知的，但是这种空隙通常被认为是有害的从而要避免。根据一些实施方式，这种空隙是有意创建的并且在半导体材料中形成有用的特征。
图26是示出了根据一些实施方式的在其中制造微结构化空隙的起始外延层的截面图。为了在PD、PV和APD结构中生成空隙，从结构2600处开始。起始材料可以是具有或不具有Si P+阳极层的Si PD或APD结构。为了简明起见，未示出各层的细节。
图27是示出了根据一些实施方式的蚀刻到I-Si层中的微结构化孔/柱的截面图。微结构化孔2722(或者柱周围的空间)蚀刻到Si“I”层中，并且可以延伸通过“I”层，或者可以是部分地进入“I”层中。可以使用湿法蚀刻和/或干法蚀刻或者湿法化学蚀刻和干法蚀刻(例如RIE、DRIE)的组合，其中湿法蚀刻可以用来去除由于干法蚀刻或湿法蚀刻与干法蚀刻组合而造成的损伤和氧化物以形成一定形状或表面平滑度。如图27所示，蚀刻可以是各向同性或各向异性的，侧壁可以具有负斜率或正斜率(斜率相对于衬底的平面限定)。对于各向异性蚀刻，对于蚀刻特征如柱或孔，可以同时存在正斜率和负斜率两者。各向异性外延生长可以引起空隙的形成，空隙的形状由许多因素确定，包括：侧壁斜率、侧壁的结晶取向、生长条件、压力、温度、流量、生长技术(CVD、MBE、ALD或生长方法的组合)、表面处理和表面氧化。根据一些实施方式，可以在侧壁上有意沉积表面氧化物、部分氧化物或其他电介质2726，表面氧化物、部分氧化物或其他电介质2726还可以影响Si或Ge(或任何其他半导体仅举几例如InP、GaAs、InGaAs、GaN、InGaN)的再生长，并且可以用于形成空隙。
图28是示出了根据一些实施方式的被埋置或嵌入在具有Si覆盖P+阳极层2826的Si中的微结构化空隙的截面图。被埋置的空隙2800可以被均匀地间隔开、或具有线性调频间隔、或具有周期性和非周期性间隔组合的任何复杂的图案，或者被埋置的空隙2800可以是随机或伪随机的。被埋置的空隙2800的长度范围为约从0.1微米至10微米，并且横向尺度范围为约从10nm至5000nm。空隙还可以彼此交叠。尽管图28示出了被埋置在Si中的空隙，但是根据一些实施方式，被埋置的空隙可以形成在Ge中。例如，在Si上的Ge外延层或任何其他半导体如InP、GaAs、InGaN、GaN、InGaN、InGaAs以及III-V族材料中的其他半导体。空隙在空隙以及相邻空隙内的尺寸和形状方面可以是非均匀的。空隙还可以具有非均匀的间隔和/或取向。然而，采用适当的工艺控制，可以实现空隙的尺寸和形状的均匀性、图案化、随机和伪随机布置。为了简明起见，空隙被示为是均匀的。
图29是示出了根据一些实施方式的形成在P-Si表面上以提供高反射镜的布拉格反射器的截面图。在更平坦表面的情况下，可以使用电介质或半导体在P硅层2826表面上沉积或生长高反射率的布拉格反射器2900。欧姆接触和键合金属化2902可以以如图29中所示的环形结构处于外围。从底部照射的光学信号将两次/多次穿过吸收I区从而提高了PD/APD的带宽和QE。在带宽不是问题的PV中，QE将得到改进。根据一些实施方式，布拉格反射器2900可以针对波长选择性被配置以将光学信号反射回吸收I区。
根据一些实施方式，空隙不仅在I区，而且也形成在PIN PD或PV的P和/或N区、在P电荷区中、在APD的I倍增区和/或P阳极和N阴极区中。根据一些实施方式，空隙还可以形成在衬底中。每层中的空隙的密度、形状和材料(空隙可以填充有不同材料，从真空、气体、氦气到例如针对光学增益的掺杂有或没掺杂有稀土元素的电介质，例如针对导热性的碳/石墨烯/金刚石、铜、陶瓷)可以是不同或相同的，或者在同一层内不同/相同。
根据一些实施方式，空隙还可以用于使材料更加有机械挠性且弯曲和/或符合不同的表面轮廓。例如，在制造大片装置的PV应用中，片材可以符合例如屋顶上的轮廓，或者半导体PV的片材可以被卷起以在展开之前被紧凑存储。根据一些实施方式，尺寸在0.01微米与1000微米之间的空隙被引入到半导体和/或玻璃材料中以与光伏一起使用来提高挠性和/或耐物理损伤和/或耐损伤扩展。
因为裂纹将在边界(在这种情况下为空隙的边界)处终止，所以半导体中的高密度空隙还耐裂纹扩展。这对大装置如太阳能电池是有利的，其中，如果物体如冰雹或石头冲击太阳能电池，那么将损伤仅接触点，也有可能是小的相邻区域(例如撞击的直径的5-50％)，损伤局限于冲击区，而裂纹将不会在整个电池中扩展。装置可以在这样的小损伤事件中幸免，具有最小的性能劣化且不必将整个太阳能电池板撤下。
根据一些实施方式中，空隙还形成在其他材料中，仅举几例如玻璃、陶瓷、聚合物、金属、塑料，以在外来物撞击的情况下避免裂纹扩展，因为裂纹将在边界(在这种情况下在空隙的边界)处终止。
图30示出了根据一些实施方式的具有微结构化空隙以增强吸收、减小体折射率、减小电容以及增大半导体材料的大片PV的机械挠性的PIN PD/PV结构3000的示例。Si衬底被去除，留下仅BOX/SOI层以及PIN外延生长层。为了简明起见，未示出欧姆接触、键合金属化、减反射涂层、钝化物。除了PV以外，该技术还适用于PD、APD、发光体如发光二极管和激光二极管，以及适用于电子集成电路如CMOS和ASIC(专用集成电路)，其中空隙不仅可以使材料更有挠性且更轻，而且还如上所述更耐开裂。根据一些实施方式，空隙可以填充有凝胶，所述凝胶可以修复撞击损伤并且密封暴露的裂纹边缘以防止由于例如到半导体表面的水分而导致的进一步劣化。例如，凝胶可以是旋涂玻璃。根据一些实施方式，空隙可以填充有例如用于增强热导率的材料，通过去除硅并且例如用没有损耗的材料如Ar、He、Xe、N2、Ne气体或真空来代替以减少光学或微波损耗。空隙可以具有不同的尺寸和形状以及密度，并且可以是随机的、伪随机的、非周期性的、周期性的、线性调频的、单个或多个图案的。空隙还可以在装置的单层或多个层中。例如，图30示出了在P-Si层3002、I-Si层3004以及N-Si层3006和N-Si层3008中的空隙。根据一些实施方式，可以改变最上表面附近的折射率，以更有效地与周围的空气折射率“匹配”以减少入射光的反射。例如，在PV应用中，表面附近的空隙可以用于折射率匹配成使得更少的入射太阳光从PV表面反射。根据一些实施方式，可以改变下表面处的折射率，以增大内反射，例如，可以增大光穿过吸收区的程数。
根据一些实施方式，还可以在没有任何掩模的情况下通过干法蚀刻/电化学蚀刻半导体的表面来生成随机空隙。生成半导体纳米线，接着在这些随机的纳米线上进行外延生长引起被埋置的空隙。如Frajtag等人在Growing thin films that contain embeddedvoids，2011年6月23日，SPIE Newsroom；DOI：10.1117/2.1201105.003750中所讨论的，该方法可以用在GaN发光二极管中以使由于GaN外延层与衬底的晶格失配而导致的缺陷形成最小化，仅举几例，所述衬底可以是蓝宝石、Si、SOI、IOS。在没有任何掩模的情况下通过干法蚀刻半导体(可以是Si、Ge、III-V族材料仅举几例如InP、GaAs、InGaAs、InGaAsP、GaN、InGaN、InSb)的表面而随机形成半导体纳米线并且随后使用CVD在纳米线上外延再生长以形成随机埋置的空隙还可以用于半导体的有效折射率以及减小PIN、PIPIN二极管的有效电容——如果空隙形成在“I”吸收层和/或P层、N层和/或PD、APD的倍增层、电荷层中，以任意组合来优化装置在带宽、QE和能量消耗方面的性能。
图31是示出根据一些实施方式的具有被埋置/嵌入的空隙的再生长I-Ge的截面图。使用上述图27至图28中所示的方法在Si微结构化柱和/或孔上外延再生长Ge 3104引起Ge层中的空隙3102，所述Ge层可以是本征或非有意掺杂或低掺杂的。此外，例如，通过电介质如SiOx、SiNx的选择性掩模可以用于仅在选定区域如Ge再生长中生成纳米线，例如，通过Ge的额外再生长，随机空隙被埋置在仅选定的Ge区域中。随机空隙可以与图案化空隙相结合以在带宽、量子效率和功耗方面的性能方面优化装置。图31所示的微结构结合Ge微结构和空隙微结构以增强体吸收系数并且减小二极管的有效电容。
图32是示出了根据一些实施方式的具有通过再生长的I-Ge被埋置在I-Si中的微结构化空隙并且由外延层覆盖的装置的截面图。如图32中所示，被埋置/嵌入的微结构化空隙3202可以处于I-Si层3200中，而使用一些额外的工艺步骤Ge微结构3104也被埋置/嵌入在Si层3200中。首先，在具有或不具有P型Si阳极层3226的情况下，如在图28中那样埋置/嵌入空隙3202。然后再次蚀刻微结构至具有空隙的I-Si层3200中然后再生长Ge 3104，得到在Si层3200中的具有空隙3202的微结构以及Ge微结构3104以增强体吸收系数并且减小二极管的电容。未示出的是，如果I-Si层3200由I-Ge代替，接着P+Ge覆盖阳极层3226，那么微结构化空隙还可以被完全埋置/嵌入在Si上Ge层的Ge中，如在图28中所示。
被埋置/嵌入的微结构化空隙是具有吸收的逆HCG结构或有损耗HCG结构，并且可以具有谐振、相位和幅度两者的相长及相消的光学干涉效应，这可以引起体吸收系数的增强。微结构柱、孔、被埋置/嵌入Ge的空隙阵列的周期可以落入HCG效应的近波长范围中，或者可以落入光栅周期大大小于波长的亚波长范围中，以及周期大于波长的衍射方案中。微结构阵列的HCG特征和输入光学信号可以耦合到面内光学模式。微结构阵列还可以表现为透镜以对进入的光学信号进行模式匹配。良好的耦合效率也改进PD/APD的整体QE。根据一些实施方式，设置有损耗HCG(其他效应仅举几例如散射、近场、电浆、谐振、线性和非线性光学效应也可以在吸收增强中起到显著作用)，其中吸收区是HCG结构的一部分或包括在HCG结构中，以及其中Si可以是针对低于Si带隙的光子能的HCG，以及Ge微结构被埋置或嵌入在Si内，所示Si吸收波长范围从950nm至1800nm的光子(其中，Si具有相对低的光损耗)。
根据一些实施方式，孔、柱和空隙的微结构可以以任何图案或没有图案地布置在有源区中——包括PD的P-I-N结构或APD的P-I-P-I-N结构的任何部分；有源区包括吸收“I”区以及P区和N区。根据一些实施方式，为了简化制造以及提高产率，如果微结构不干扰PD/APD操作和性能，那么微结构可以在PD/APD的有源区外部延伸。图33是示出根据一些实施方式的微结构化柱、孔和/或被埋置的空隙在PD/APD中的分布的顶视图。微结构阵列3300包括柱、孔和/或空隙以及被埋置/嵌入在Si中的Ge或Ge中的Si或者多个半导体的任何组合，微结构阵列3300可以分布在光电二极管或雪崩光电二极管的整个有源区3302或者仅部分有源区中(例如分布在光强度最高的中部)。有源区可以被定义为当用光学信号照射时贡献于生成电信号的任何区，或者在PV的情况下，当用光子照射时贡献于生成电的任何区。在图33中，有源区3302通常是在金属欧姆接触/键合金属环3304内的区域。阵列3300的分布可以是非均匀的、非周期性的，非均匀是微结构的尺寸，或形状非均匀。
图34是示出根据一些其他实施方式的微结构化柱、孔和/或被埋置的空隙在PD/APD中的分布的顶视图。在图34中，在有源区的光强度最高的中部处优化QE，而远离中部，在微结构图案中去除更多的半导体材料以减小有源区的电容进而减小RC(电阻、电容)时间常数来实现PD/APD的更高的带宽和/或增大有源区以使得光学信号能够被动对准到PD/APD从而减少封装和组装的成本。PD/APD的中心附近的微结构化柱/孔/被埋置的空隙3400优化QE，而在有源区3402的外围处的微结构化柱/孔/被埋置的空隙3410使电容最小同时仍保持良好的QE。
在P-I-N或P-I-P-I-N二极管结构的N(或者如果P和N交换，那么为P)部分中被埋置的空隙可以减小半导体在N层中的有效折射率。这对于增大HCG结构的折射率对比度(以包括在吸收增强中明显的其他可能的光学效应仅举几例如散射、电浆、近场、线性和非线性光学效应)是有用的，例如在Si中，折射率为约3.5(对于波长950nm至1800nm)，并且如果一半体积的材料是空气，那么空气-Si复合材料的有效折射率(1/2空气和1/2Si)为约1.8。在该复合空气-Si材料的顶部上制造的柱或孔的任何半导体微结构具有折射率对比度，例如复合空气-Si层上的硅柱的折射率对比度为约2。高折射率对比度将增强HCG的性能。根据一些实施方式，这用来增强有损耗HCG性能(其中，损耗可以高达或高于-1db/cm)并且使用仅举几例谐振、光浓度和平面内光耦合效应增强吸收系数。在N和/或N+层中具有空隙的优点在于，其对电特性和二极管的特征具有最小的影响，原因是一旦电子被扫入N和/或N+层中，电子是主要载流子。
在N和/或N+层中的微结构化空隙可以被图案化、非图案化或者可以是随机或伪随机的，以及可以使用光刻、掩模和蚀刻或者仅蚀刻接着再生长Si或Ge或任何其他材料来限定。空隙的长度范围为约从0.01微米至10微米以及横向尺度范围为约从10nm至5000nm，相邻空隙之间的间隔范围为约从交叠至5000nm。
图35示出了用于N Si衬底上的常规Si PV/PD二极管的基本外延结构3500。图36示出了根据一些实施方式的将微结构化空隙结合至N-Si层中的图35的结构。所述层的掺杂和厚度取决于应用。对于高带宽PD应用，“I”Si厚度从0.1微米至3微米，而对于PV应用，“I”Si厚度从1微米至20微米，其中，掺杂范围是本征的或者非有意掺杂，背景掺杂<5×1016cm-3。对于高带宽PD(对于圆形孔径)，限定电容的面积的装置尺寸范围为从5微米直径至100微米直径，而对于PV，横向尺寸可以为从0.1cm(厘米)至>50cm，仅受限于晶片或衬底的尺寸。非“I”型层的掺杂范围和层厚度与PV、PD和APD的掺杂范围和厚度类似；P层或P+层厚度范围为0.1微米至3微米，P掺杂>5×1018cm-3，一层或更多层N层或N+层厚度范围为0.1微米至10微米，N掺杂>1×1017cm-3。Si衬底可以是N掺杂的、低N掺杂的或者未掺杂的。
在Si衬底上生长一层或更多层N/N+层之后，将柱和/或孔和/或纳米线的微结构蚀刻至一层或更多层N/N+层3604中，然后，再生长一层或更多层N/N+层，得到如图36所示的埋置的空隙3622。再生长表面可能需要或者可能不需要例如使用化学机械剖光(CMP)的进一步平坦化。一些应用使用非平坦面表面可能具有更佳的性能，例如，可以以非常小的反射以多个角度耦合太阳光(粗糙表面反射较少的光)。在具有埋置的空隙3622的一层或更多层N/N+层上生长后续的“I”Si层3606和P/P+层3608。除了减小有效折射率以外，在Si具有低损耗(近似-1dB/cm或更少)的波长950nm至1800nm处，埋置的空隙3622可以被图案化成反向的HCG并且对于从顶部(P侧)照射并且在第一程未被吸收在“I”微结构化柱/孔区域中的任何光子表现为反射很强(接近100％)的宽光谱镜，光子可以被朝向吸收“I”区域反射回去。此外，通过空隙，衬底可以更有挠性并且重量轻，使得其可以更加能够符合轮廓表面和/或用于其中重量是个问题的用途例如太阳能面板，或者用于移动性。
图37是示出了根据一些实施方式的具有覆盖Si的再生长Ge的蚀刻的Si微结构化柱/孔的截面图。起始结构与图35中的层3500相同。Si微结构化柱和/孔阵列被蚀刻为从0.1微米至10微米的深度，并且随后再生长厚度为0.01微米至4微米的I型Ge层3702(包括根据一些实施方式用于应对Si与Ge之间的晶格失配的1nm至10nm低温缓冲Ge层)。注意，对于柱孔横向尺度为近似1000nm或更少而言，因为在所述非常小区域处的晶格失配应力可能不显著从而不能造成大面积的缺陷形成，因此可以不包括Ge缓冲。微结构化柱3704和孔3706的横向尺度为从10nm至5000nm而相邻元件的间隙从交叠至5000nm。图37中保留P/P+型Si层3708，因为其在与欧姆金属Ti、W、Al硅化物形成良好的P欧姆接触方面可能是有用的，所述欧姆金属Ti、W、Al硅化物是1nm至50nm厚的半透明或透明的过渡金属硅化物。
图38是示出了根据一些实施方式的在具有埋置的微结构化空隙的N-Si层上再生长Ge的微结构化Si柱/孔的截面图。图38中示出的结构在起始材料方面与图36所示的相似。N/N+层3804中的埋置的空隙3822用于减小层3804的有效折射率。空隙间隙和横向尺度可以是亚波长(<λ)或者甚至是深亚波长(<<λ)以使光学散射损耗例如与λ-4成比例的瑞利散射最小化，其中，λ是波长。关注的波长为从300nm至1800nm。
图39是示出了根据一些实施方式的在微结构化Si柱/孔上的部分覆盖I-Ge的截面图。在图39中示出的微结构的变型中，不是在整个Si微结构化柱和孔上再生长I-Ge，而是仅在Si微结构的一部分上生长I-Ge。Si微结构的一部分没有I-Ge而其他部分具有再生长的I-Ge。可以通过以下方式利用电介质例如SiOx或SiNx部分覆盖Si微结构来完成Ge的部分再生长，所述方法为定向沉积例如电子束蒸发沉积、或定向激光烧蚀沉积或者其他定向方法，例如选择性地去除Si的自然氧化物或氧化物/氮化物的ALD薄层的离子研磨以及利用离子束研磨选择性且定向地去除。一旦Si微结构被部分涂覆有氧化物或氮化物(或其他电介质例如CaFx、TaOx、TiOx等)，将主要在存在有晶格信息例如Si表面的地方发生Ge外延再生长。I-Ge再生长3902的厚度可以为从0.1微米至4微米或者更大的范围。柱3904或孔3906的Si微结构可以具有0.1微米至10微米的深度以及10nm至5000nm的横向尺度以及从交叠到5000nm的相邻微结构之间的间隙。Si和Ge微结构两者暴露于波长为从300nm至1800nm的光子，所述光子从阳极表面入射，并且直接打在微观结构的侧壁上，散射效应、近场效应、共振效应、HCG效应、线性和非线性光学效应，因此具有增强的吸收系数。由于入射光子，Si和Ge两者将生成光电流。Si电流生成器和Ge电流生成器是并联的并且由PD/PV生成的总的光电流是Si光电流生成器和Ge光电流生成器的总和。埋置的间隙3922使N/N+层3914的折射率减小并且增大了微结构和衬底的折射率对比度，因此改善了用于增强吸收系数的有损耗HCG的性能。Si3914中的空隙3922还可以表现为良好的反射器以将光子朝向“I”吸收层反射回去以两次通过(对于从顶侧照射的光子)。此外，在具有埋置的空隙的情况下或者在没有埋置的空隙的情况下，还可以使用BOX或SOI 3912，因为SiO2的折射率是近似1.54，大致是硅在红外波长和近红外波长处的折射率的一半。
图40是示出了根据一些实施方式的用于微结构化Si-Ge柱孔阵列PD/PV和/或APD的基本部件的截面图。注意，为了简明起见，未示出APD倍增层。仅示出了装置的非常基本的部分。在完成图39中示出的处理步骤之后，使用热氧化物或者氧化物或氮化物的ALD或PECVD或CVD沉积来进行表面钝化以钝化或将SiGe作为Ge上的钝化层。通过PECVD或CVD旋涂或沉积填充物4002例如旋涂玻璃或SiOx、SiNx。使用RIE回蚀刻以露出Ge或P/P+Si(在i-Ge外延生长期间，在P/P+Si中的P掺杂剂可以扩散到Ge层，还得到P/P+Ge层)。Ge和/或Si P-欧姆材料可以分别是Al、W、AuGe、Au、Au/Ti；以及Al、TiN、Pt、过渡金属-硅化物，与P型半导体和N型半导体的欧姆接触在文献中和本领域中已知并且这些仅是可能的欧姆接触的很少的示例。可以使用透明的导电氧化物(TCO)4004例如铟锡氧化物(ITO)来进一步减小阳极的串联电阻。对于微结构化孔，由于P/P+层是相邻的，因此，可以不使用TCO 4004而可以替代地使用仅周界(用于有圆形开口的PD/APD/PV的环)边缘欧姆接触和金属化4006以减小欧姆接触例如Al、Au/Ti、Cu等的串联电阻。为了简明起见，未示出减反射层。N欧姆材料可以与金属化一起用在衬底上或者N/N+层上。在欧姆接触上的Al、Pt、过渡金属硅化物以及Al或Au沉积(电子束、溅射、热蒸发)使串联电阻减小。欧姆接触通常使用本领域公知的退火处理。(使用标准处理方法)沉积键合和/或连接金属化4006以完成PD/APD/PV装置。日光/光信号从装置的顶部(阳极)垂直或者以倾斜的任何角度照射到表面并且可以旋转日光/光信号以优化QE。在Si是低损耗的波长(950nm至1800nm或者更长)处，埋置的空隙可以减小Si的有效折射率并且用作将未被吸收的光子反射回吸收区域的反射器。N/N+层3914的表面可以是非平坦的以有助于扩散被反射的光子以优化光子在微结构化Si和Ge阵列中的吸收。例如，如所示出的，可以在层3914的侧上设置接触垫4008。虽然实施方式中的许多实施方式示出了Si和Ge的微结构，Si、Ge是垂直于表面(垂直地对准)的并且是直的，但是根据一些其他实施方式，如果N/N+表面非平坦，则随后的层也可以是非平坦的。蚀刻(湿法化学蚀刻或干法RIE、DRIE)可以产生倾斜并且不直的(具有拐弯)微结构，这可以进一步增大对光子的吸收。由于表面的非平坦布局，微结构可以具有取决于同一装置内的晶体的取向的各种取向。微结构的不同的取向有利于捕获可能以不同的角度照射装置的表面的光子，例如对于太阳在天空中改变位置的PV，以及对于用于多个光信号可能从不同的角度/方向照射PD/APD的应用的PD/APD。
之前在图5中示出的微结构化Si柱和/或孔阵列/图案/随机PD还可以如图10所示在N/N+层中具有埋置的空隙以均减小Si的折射率，使得通过增加折射率对比度来将Si柱/孔的微结构更加优化为有损耗HCG，同时对于如宽带宽(>5Gb/s)PD或如PV的应用，作为在Si中的对于Si具有低损耗的波长950nm至1100nm的HCG反射器。
在本文所描述的所有实施方式中的Si衬底可以是：被掺杂、非有意掺杂、低掺杂的Si；或者硅层可以再次被掺杂、重掺杂、轻掺杂或非有意掺杂的埋置氧化物(BOX)或绝缘体上硅(SOI)。BOX和SOI层允许所有Si衬底或者几乎所有Si衬底被去除以减小光损耗、增大机械挠性，并且此外BOX和SOI中的SiO2在红外和近红外波长中的折射率为近似1.54，是硅折射率的大致一半。SiO2的低折射率还改善了HCG的性能，或者对于底部照射式PD/APD/PV，可以去除二氧化硅层。
图41A和图41B是示出了根据一些实施方式的在N-Si层上方具有埋置微结构化空隙的微结构化柱/孔阵列装置的各方面的截面图。图41A中示出的体层4100包括I-Si层4112和N-Si层4110。使用例如本文之前所描述的技术在N-Si层4110中形成微结构化空隙4102。图41A和图41B中的结构是图25A至图25B中示出的PD/PV的版本，不同之处在于在N/N+层4110中有埋置空隙4102以改善有损耗HCG(Si和Ge的微结构)的折射率对比度以及提供光子的反射器式低损耗HCG。柱4124和/或孔4122阵列形成在I-Si层4112中。在蚀刻区4122中再生长I-Ge，得到在N-Si层4110中具有微结构化空隙4102的埋置/嵌入Ge的“I”层，以减小Si的有效折射率和/或反射从阳极表面进入的处于Si为低损耗的波长(950nm至1800nm)处的光子。盖层4126可以是再生长的P-GE或P-Si。在底部照射的情况下，可以设置减反射涂层4130。
图42A至图42D是示出了根据一些实施方式的在N-Si层上方具有埋置微结构化空隙的具有微结构化柱/孔阵列的APD的各方面的截面图。图42A至图42D中示出的APD是上文的图24A和图24B中示出的APD的版本，不同之处在于埋置空隙4202被包括在N/N+层4210中以改善有损耗HCG(Si和Ge的微结构)的折射率对比度以及提供光子的反射器式低损耗HCG。根据一些实施方式，还可以在具有埋置空隙或者没有埋置空隙的情况下使用BOX/SOI Si晶片以改善折射率对比度以用于最佳的HCG有损耗操作。为了简明起见，仅示出了基本结构。未示出电绝缘、钝化、欧姆金属化、退火、减反射、键合/互连金属化、保护环等。图42A示出了体层4200，其包括N-Si层4206、I-Si层4208和4212以及P-Si层4210。使用例如本文中前述的技术在N-Si层4206中形成微结构化空隙4202。如在图41B的情况下，在蚀刻区4222中再生长I-Ge。由于光场将是由空气和Si组成的平均有效折射率，因此空隙4202将减小N-Si的有效折射率。如果为了HCG效应使空隙4202图案化，则对于从顶部或阳极表面照射APD 4220的光子，可以反射在第一次通过“I”吸收区域4212中未被吸收的光子。还可以从底部或者阴极侧照射APD。
图42C和42D示出了APD 4230的另一变型，其中，在I-Si倍增层4208和N+层4206中形成空隙4204以减小这些层的有效折射率和电容。注意，微结构化空隙的细长性质对在半导体材料中的带电载流子传输具有最小的影响。根据一些实施方式，可以在APD中的P阳极层、N阴极层、P电荷层和/或I倍增层外加吸收I层中形成各种形状和密度的空隙。在I倍增层4208和I吸收层4212中添加空隙可以减小有效电容，得到装置的短的RC时间常数。在倍增ISi层4208中的空隙4204还减小有效折射率，这有助于增强HCG吸收模式下的吸收系数。
在本领域中熟知使用例如化学气相沉积(CVD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、气体源分子束外延(GSMBE)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、激光烧蚀沉积(LAD)来外延生长/再生长/过生长/选择性区域生长/横向外延过生长Si；Ge；SiGe；III-V族例如InP、GaAs、GaN、InGaN、InGaAs、InGaAsP、InSb；异质外延；同质外延；非均质外延等。
根据一些实施方式，使用除Si和Si上Ge之外的材料。例如，可以将本文中所述的技术应用于Si、Ge、III-V族和II-V族材料与衬底的所有组合。
图43至图46是示出了根据一些实施方式的微结构化元件的各种尺度、间隔和形状的顶视图。图43示出了固定直径的范围为100nm至5000nm且间隔的范围为100nm至10000nm的被均匀地间隔的微结构化柱和/或孔阵列4300(也适用于嵌入或埋置空隙)。可以在下述材料中形成柱和/或孔或者使用下述材料形成柱和/或孔：Si；Ge；SiGe；或其他材料例如III-V族或III-V族材料。示例包括：GaAs、InP、InGaAs、InGaAsN、InGaAsP、InAs、GaN、InGaN、ZnTe、CdS、ZnSe、以及HgTe。根据一些实施方式，还可以在吸收聚合物、玻璃和/或陶瓷中形成微结构或者使用吸收聚合物、玻璃和/或陶瓷形成微结构。
图44示出了具有的直径固定但是具有非均匀的间隔的微结构化柱和/或孔阵列4400，上述非均匀的间隔为例如非周期性间隔；或周期性间隔和非周期性间隔的混合；或者随机/伪随机间隔；或者随机/伪随机间隔、周期性间隔以及非周期性间隔的混合。根据一些实施方式，阵列还可以周期均匀地隔开但是具有不同的直径。图45示出了具有可变直径(范围为100nm至5000nm)和可变间隔(范围为100nm至10000nm)的微结构化柱和/或孔阵列4500。根据一些实施方式，变型可以是随机/伪随机、或者图案、或者图案的混合、或者前述的任意组合。图46示出了具有各种形状例如椭圆形、圆形、长方形、双体、三联体和星形的微结构化柱和/或孔阵列4600。通常，可以使用下述任意形状，所述任意形状可以使用光刻掩膜或电子束直写来生成，或者可以使用用于压印光刻的模子来生成。柱/孔阵列还可以具有不同形状和间隔的组合，以及在微结构化孔的深度或微结构化柱/台面的长度方面的变型。所述变型可以在单个阵列内是周期性的、非周期性的或随机的(或者周期性的、非周期性的和随机的混合)。
根据一些实施方式，对于一些应用，已经发现柱/孔直径为近似390nm并且中心至中心间隔为近似1060nm的长度为近似2μm(或者深度为近似2μm)的Si或Ge或III-V族微结构化柱或孔的阵列尺度适用于将吸收系数增强大于50倍。
根据一些实施方式，材料可以是Si、Ge、SiGe、Si上Ge、III-V族、II-VI族、Si上III-V族、聚合物、玻璃、陶瓷以及前述的任意组合。III-VI族和II-VI族的示例是InP、GaAs、AlGaAs、AlAs、AllnAs、InGaAs、InGaAsP、InAs、InGaAsN、InN、GaN、InSb、ZnSe、ZnTe、HgTe、以及CdS。此外，也可以在MOCVD、CVD、MBE反应器中使用SAG、VLS、ELOG生长方法将III-V族、II-VI族和第IV族材料例如Ge嵌入Si微结构中。
图47至图48是示出了根据一些实施方式的具有不同长度和深度的微结构化柱阵列和微结构化孔阵列的截面图。图47示出了具有不同的长度、直径和间隔的微结构化柱阵列4700。根据一些实施方式，柱直径的范围为10nm至5000nm并且柱高度的范围为0.1微米至10微米。图48示出了具有不同的深度、直径和间隔的微结构化孔阵列4800。根据一些实施方式，孔的直径的范围为10nm至5000nm并且深度的范围为0.1微米至10微米。可以通过另外的光刻掩蔽步骤来完成长度和蚀刻深度上的改变，在光刻掩蔽步骤中，区域被掩蔽以用于较长蚀刻或较短蚀刻以改变柱的长度以及孔的深度。长度和深度可以逐渐变化或者急剧变化。可以利用图案化光栅效应来进一步优化光学路径长度以及增大吸收系数的增强因子。其他用途包括通过利用相长以及相消的光学干涉来形成光阱；生成菲涅耳透镜；对光学信号的模式进行匹配；在例如波分复用中或者例如用于光谱学和传感器应用的波长选择器中形成波长选择性滤波器。应当注意，通过改变阵列中的微结构化柱和孔的尺度和间隔还可以得到相长以及相消的光学干涉，所述相长以及相消的光学干涉还可以增大吸收系数的增强因子、改善陷光、产生菲涅尔透镜、对光学信号的辐射模式进行模式匹配。
图49示出了根据一些实施方式的具有孔和柱两者的组合的微结构化表面。微结构阵列4900包括全局地或局部地共同存在于同一微结构化表面上的柱和孔。柱和孔两者可以存在于微结构化光电检测器的单个阵列中(例如，如图49所示)，或者孔和柱可以存在于不同的微结构化光电检测器的各自的阵列上。此外，在柱中可以存在一个或更多个孔，以及在孔中可以存在一个或更多个柱，上述一个或更多个孔以及一个或更多个柱也可以是全局的或者局部的。柱、孔、柱中的一个或更多个孔以及孔中的一个或更多个柱可以具有任意形状——例如圆孔内矩形柱，可以具有前述任意形状的任意混合以优化对吸收系数的增强、陷光、相长以及相消的光学干涉、散射、近场效应、线性或非线性光学效应、亚波长效应、菲涅耳透镜、波长选择、光学模式匹配、衍射、高对比度光栅、闪耀光栅、高Q共振器、使用高对比度光栅的高反射镜。
可以在Si、Ge、Si上Ge、Si上SiGe、Ge上SiGe中制造微结构化柱和孔(及其变型)阵列。阵列结构可以是Si、Ge和SiGe的任意组合。阵列可以完全是Si或Ge或SiGe、或Si上Ge、或Ge上Si、或者Ge和Si两者上SiGe。结构还可以包括：III-V族和II-VI族材料系统加上Si、Ge以及SiGe；以及Si、Ge、以及III-V族和II-VI族材料系统的任意组合。根据一些实施方式，阵列结构还可以包括例如聚合物、玻璃、氧化物、氮化物、过渡金属的硫化物和氯化物、陶瓷、石英、SOI、IOS、有机导电及非导电聚合物、碳基材料例如石墨烯。
微结构柱、孔、空隙以及任何其他形状例如锥体、微米线、纳米线、复合材料、SAG微结构可以具有与衬底的表面不垂直的取向。上述微结构可以具有可与表面垂直和/或不垂直的单个或多个取向。微结构的取向可以是以任意角度的随机或者伪随机、单个图案或多个图案的取向，所述任意角度的范围为相对于硅衬底的法线的0度至90度；并且微结构的取向可以是在侧壁上以及在所有三个维度上。通过成某些取向的微结构，光电传感器可以对照明的某些方向具有较高的灵敏度。相对地，在多个取向和/或随机或伪随机取向的情况下，光电传感器可以对照明方向一般不敏感。
利用半导体中的埋置空隙减小有效折射率在PD/APD和PV装置之外也有应用。例如还应用在光波导中。图50是根据一些实施方式的脊形光波导的截面图。波导5000利用空隙的密度来改变Si的有效折射率。根据一些实施方式，使用除Si以外的材料，例如，其他半导体例如Ge、SiGe、III-V族半导体中的任意半导体，或者其他材料例如陶瓷、玻璃、聚合物。在Si光子光波导5000中，脊部5002和平板5004由BOX(埋置氧化物)Si衬底5006上的Si制成。由于Si在1100nm至1800nm波长处的高折射率3.49，固体Si波导的尺度容差非常严格。已知的Si光子部件难以制造并且成品率低且是温度敏感的。根据一些实施方式，在Si层中埋置有空隙。通过改变空隙的密度，可以调整复合的Si-空隙的折射率。在图50的示意图中，脊形波导5000具有在平板5004上的空隙5014，以及脊部5002上的空隙5012。脊部5002中的空隙5012的密度小于平板5004中的空隙5014的密度。因此，脊部5002中的折射率高于平板5004中的折射率，得到脊形光波导。波导5000的光学模式通过虚线椭圆形5022指出。较低的折射率有助于减小尺度容差并且光波导可以具有较大的尺度。因此，根据一些实施方式，可以通过改变空隙密度来改变折射率，使得其他部件例如耦合器更易于制造。空隙的尺度可以在取决于光学波长的10nm至1000nm的亚波长范围内。
根据一些实施方式，还可以将空隙埋置在硅晶片(包括BOX/SOI硅晶片)中以调整Si晶片的有效折射率。然后，具有埋置空隙的Si晶片可以是用于硅光子电路的起始平台。该Si晶片还可以是用于大面积PV电池的平台，该大面积PV电池能够实现机械挠性但是仍然保留硅的高品质及其电特征。该Si晶片还可以是用于挠性显示器以及要求机械挠性和/或轻重量的其他电子装置的平台。根据一些实施方式，埋置或嵌入空隙不限于仅Si，而是可以包括Ge、GeSi、无定形半导体、III-V族材料、II-VI族材料、聚合物、玻璃、石英、金属、合金、陶瓷以及要求挠性的其他材料。在一些实施方式中，对于特定应用，空隙可以填充有气体、液体或固体。对于损害装置的完整性的冲击/开裂例如由冲击引起的裂纹的情况，可以使用例如不需要退火的凝胶例如旋涂玻璃来密封表面例如半导体或对环境例如水分、水、氧气等敏感的任何表面，以防止进一步劣化。空隙在防止裂纹扩展方面也是极好的。
图51是根据一些实施方式的使用空隙的硅中的埋置光波导的截面图。使用Si-空隙在Si衬底5106中形成复合波导5100，选择性地改变在某些位置中的有效折射率。可以通过调整在给定体积的Si中的空隙的总体积来精确地调整Si的有效折射率。在图51示出的示例中，较高密度的空隙5114包围较低密度的空隙5112的中部。波导5100的光学模式通过虚线椭圆形5122指出。
根据一些实施方式，将空隙的尺度和间隔优化成减小散射损耗以及使制造变得容易。此外，可以针对某些应用来调整空隙尺度和间隔。例如，在HCG中，尺度和间隔被选择成满足近场范围，在近场范围中，尺度和间隔近似位于高折射率材料中的波长与低折射率材料中的波长之间。在多数情况下，在减小有效折射率的应用中，空隙以及周围材料的尺度和间隔处于亚波长范围内，其中，含有空隙的微结构小于或者远小于高折射率材料或低折射率材料中的波长。对于耦合应用，衍射范围可以是微结构(空隙和材料)尺度和间隔。衍射范围还可以是两个或更多个范围的混合以使装置性能最优化。
阵列图案可以包括微结构整体，该微结构整体的各微结构的分布可以在所有三个尺度、取向和间隔(包括交叠)方面是周期性的、非周期性的、线性调频的、随机的、伪随机的、均匀的或非均匀的。根据一些实施方式，图案可以包括微结构内套微结构。在本文中术语“阵列”和“图案”可互换地使用。
PD/APD在阳极与阴极之间被偏置，以在典型传输线阻抗是25欧姆至50欧姆下提取大于吉比特每秒(Gb/s)的宽带调制信号。根据一些实施方式，外部偏置设置有与传输线连接的偏置器，以阻挡RF信号到达DC电源并且阻挡DC使远离PD/APD的传输线偏置。偏置器基本上由电感器和电容器组成，电感器用于阻挡RF并且电容器用于阻挡远离PD/APD的DC。根据应用、PD或APD以及期望的性能来施加-2伏至-30伏的外部偏置。
在PV模式下，未施加外部偏置并且PV基本上是电流生成器。所有电连接是用于来自PV的DC电流，然后将PV连接至将DC电流/电压转换成AC电流/电压的转换器。
PV装置处于DC模式，而用于数据和远程通信的PD/APD是全RF的，具有从1Gb/s至100Gb/s的调制带宽。载流子的渡越时间和电容在PD和APD中是关键的但是对于PV没有那么关键。
在本文中术语“调制带宽”和“带宽”可互换地使用。两个术语均指的是将RF信号加至光上的调制(例如，激光器或LED的调制)。当该调制光(也被称为“光学信号”)照射PD/APD时，提取RF调制信号并且从光转换成电信号。例如，20Gb/s的PD/APD带宽或调制带宽表示数据速率为20Gb/s的加至激光上的RF信号可以通过PD/APD从光转换成具有好的信号完整性或信号重现性的电。激光器/LED是发射器而PD/APD是接收器，其中，可以通过放大器例如互阻抗放大器对电信号进行进一步处理并且信号被发送用于在例如专用集成电路(ASIC)计算机(CPU中央处理单元)、路由器、存储器中进行进一步分析和处理。
根据一些实施方式，对于具有或没有埋置或嵌入空隙的在Si、Ge、再生长有Ge的Si、Si上Ge中的微结构化柱和/或孔型光电二极管和雪崩光电二极管的应用是在数据通信以及远程通信方面。根据一些实施方式，这些应用包括：光纤到户；局域网；板至板、板上、机架至机架、以及芯片至芯片、数据中心之间的数据中心光互连；城域网；以及用于小于一厘米到超过10公里或更远的距离的光通信。在消费领域中的应用还包括：游戏盒；个人计算机；平板计算机；移动装置例如智能电话；动画工作室；以及受益于大于一吉比特每秒的带宽的任何领域。根据一些实施方式，微结构化PD和APD的其他应用是宽带通信较重要的传感器方面，例如用于基础设施、健康、环境、石油勘探的传感器，其中，传感器与连接至用于进行数据分析的数据中心的远程接收器进行通信。
根据一些实施方式，微结构化PD和APD的其他应用是高灵敏度和带宽较重要的分析仪器以及光学测试和测量仪器方面。
根据一些实施方式，微结构化PV在发电的能量收集方面有应用，所述发电从几千兆瓦特到一直到几瓦特——从给城市和家庭供电到给传感器供电。由于微结构化PV是重量轻且效率高，因此其可以用于移动应用；太空；太阳能运输；家、办公室和工厂中的光子的再循环方面。PV还可以用在窗户上，而且可以是半透明的。
所描述的在Si、Ge、再生长有Ge的Si、Si上Ge中的微结构、柱、孔和空隙可以是任何形状和形式，并且不限于所示意性示出的。根据一些实施方式，尺度的范围为10nm(纳米)至10000nm。微结构可以在彼此内，例如在一个或更多个孔中的一个或更多个柱、在一个或更多个柱中的一个或更多个孔，并且一个或更多个空隙可以在柱中，并且被埋置和/或嵌入异质或同质半导体的任何层中。所使用的材料包括：半导体例如Si、Ge、GeSi、Si上Ge以及III-V族材料InP、GaN、InGaAsP、GaAs；以及其他半导体例如ZnO、CdTe、CulnGaSe(CIGS)；无定形Si；或任何无定形半导体；和/或微晶以及晶体半导体。材料可以是异质和/或同质的无定形、微晶、晶体的组合。所使用的材料不限于半导体，而是还包括：聚合物；导电、半导电、不导电的聚合物；有机和/或无机的聚合物；玻璃；导电、半导电、不导电的玻璃。还可以将半导体和/或金属的纳米颗粒埋置在聚合物和玻璃中。半导体、聚合物和玻璃可以单独地或以任意组合的形式存在于同一微结构内。
根据一些实施方式，在硅光子电路应用中，如在上文的图50所示的光波导可以与光源、光电检测器(例如光电二极管、雪崩光电二极管)以及光导体集成，图52是根据实施方式的集成有微结构化PD/APD的脊形波导的截面图。装置5200包括与微结构化Si上Ge型光电二极管或雪崩光电二极管(具有添加的倍增层)边耦合的脊形波导。如图50所示，在脊形波导部中，脊部5202具有密度较低的空隙5212而平板5204具有密度较高的空隙5214。采用离子注入来增加PDN掺杂(区5224)，并且如在下文的图53所示，在光电二极管上制造共面传输线以提取电信号。根据一些实施方式，阳极接触5226由P-Ge制成。阴极接触形成到层5224(为了附图的简明和清楚起见未示出阴极接触)。
图53是根据一些实施方式的图52所示的集成的脊形波导和微结构化PD/APD的顶视图。装置5200处于共面传输线构造。根据一些实施方式，脊部5202宽为0.5μm至10μm、深为0.1μm至10μm。如图52所示，平板部5204具有较高的密度空隙，以改变作为用于硅光子电路的平台的折射率。共面阴极5228和5230与图52所示的N-Si离子注入区5224接触。根据一些实施方式，也可以通过将PD/APD放置在光波导上方来倏逝地耦合光场，使得光场与吸收I微结构交叠。
图54A和图54B示出了根据一些实施方式的在具有空隙的Si上的微波传输线。在硅上的高比特率传输线经受许多效应——慢波、消散、损耗。然而，根据一些实施方式，通过添加高密度空隙来去除大部分硅材料，可以使消散和损耗减轻并且使信号完整度恢复。优点在于硅可以是用于微波传输线和用于IC两者的衬底，而没有使用用于传输线的中间陶瓷例如氧化铝来连接各种IC芯片。图54A是示出埋置在硅5304中的高密度空隙5314的截面图，埋置在硅5304中的高密度空隙5314减小了硅的有效介电常数，并且使横向导电中断，这转而可以得到较低的微波损耗和消散，这在随着比特率增大为多Gb/s的范围(例如，40-60Gb/s)而是重要的。共面微波金属传输线5310被设置下述装置，该装置用于将电信号移动至在同一衬底上的电子装置(例如，处理器、存储装置、输入输出装置、ASIC、CPU和存储器)/从所述在同一衬底上的电子装置移出电信号。图54B是顶视图。常规技术使用需要附加封装的多个芯片载体。根据一些实施方式，使许多装置全部在同一硅衬底上大大减小了成本，因为上述许多装置可以一次全部制造而不需要针对每个芯片的附加封装。根据一些实施方式，空隙5314以下述方式布置：该方式为硅中的横向路径长度被显著提高以便增加横向电阻率。根据一些实施方式，可以使用质子和/或氧气的离子注入来进一步增大电阻率。虽然图54A和图54B示出了共面布置，但是根据一些实施方式，在半导体衬底具有高密度埋置空隙的情况下，可以使用其他微波传输线布置(例如，微带、缝隙和带线)。根据一些实施方式，高密度空隙的定位和/或其他特征(例如，尺寸、形状和填充材料)可以被选择成使得可以以适合当前应用的方式操纵或“调节”慢波效应。
图55是根据一些实施方式的用于发热IC和光发射器的热传导和热隔离的空隙的截面图。硅5404中的埋置空隙可以填充有导热体例如氦气；金属例如铜、铝、钨；或陶瓷例如氮化硼；或碳；石墨烯；类金刚石碳；或多相材料/掺杂有金属纳米颗粒的陶瓷；碳纳米管。在发热元件例如IC和CPU5422以及光发射器5420例如激光二极管和双极驱动器下面的空隙5414可以填充有增强的导热体以从热部件提取热并且将所提取的热导至热沉5402。热元件之间的空隙5412保持在低热传导状态，即处于部分真空或者填充有气体例如氮气、氩气、二氧化碳，例如以防止热部件之间的热串扰或者防止热到达不期望热的其他部件。根据一些实施方式，以使得硅中的路径长度被大幅度增大以维持低的热串扰的方式布置空隙。根据一些实施方式，图55的技术用于保持PV在暴露于太阳的情况下是凉的。根据一些实施方式，热电装置可以与空隙集成在一起以从余热生成电。
图56是示出根据一些实施方式的增加横向路径长度以用于增大横向电阻率而减小横向热传导的空隙分布的截面图。被配置用于微波传输线和/或用于热管理的埋置空隙5602可以以随机的、伪随机的方式或者以图案的方式布置在下述区中，在所述区中，横向电导和热导被显著减小而纵向电导和热导被显著增强。可能存在期望横向电导和热导增强的区域，在该情况下，空隙可以交叠以形成传导通道。
本专利申请涉及在解释装置的本质和操作方面的某些理论，但是应当清楚的是，这样的理论基于当前理解且即使未来开发证明所述理论是不正确的也不影响所公开的装置的实际操作。本专利说明书还涉及参数的数值范围，并且应当理解的是，非实质性偏离这样的范围仍然在所公开的进步的精神内。
虽然为了清楚起见前述已在一些细节方面进行了描述，但是将明显的是，在不偏离前述的原理的情况下可以进行某些变化和修改。应当注意的是，存在实现本文所描述的方法和装置两者的许多可替代方式。因此，本实施方式将被认为是说明性的而非限制性的，并且本文所描述的工作的主体不限于本文中给出的细节，其可以在所附权利要求书的范围和等同范围内被修改。

Claims (53)

1.一种具有微结构增强型光吸收的光电检测器(520)，包括：
阴极区(506)；
阳极区(510)；
反向偏置电路(528、530)，所述反向偏置电路被配置成在所述阴极区和所述阳极区之间施加电压，使得所述阴极区被驱载至与所述阳极区相比更正的电压，由此在从所述阴极区和所述阳极区中的一个朝向另一个的方向中建立电场；以及
微结构增强型光子吸收半导体区，所述微结构增强型光子吸收半导体区位于所述阴极区和所述阳极区之间并且包括连续的I层(508)，所述I层被有意形成的多个孔(522)中断，所述多个孔(522)在所述电场的方向中延伸，其中，相对于非有意微结构增强的相同光子吸收半导体区，所述孔在包含源信号波长的波长范围内增加对在所述电场的方向中撞击的光中的光子的吸收，
其中，所述微结构增强型光子吸收半导体区具有有源区(3302，3402)，所述有源区包括所述多个孔，并且所述光电检测器具有与包含所述多个孔的所述有源区耦合的共用电极(528，530；1930，1932)，所述有源区中的所述多个孔接收相同的源信号。
2.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构被配置成通过被定尺度和定位成有利于增加吸收来增加在所述波长范围处的光子的吸收。
3.根据权利要求2所述的光电检测器，其中，所述微结构具有等于或小于所述波长范围中的最长波长的至少一个尺度。
4.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构被布置成周期性间隔阵列。
5.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构被布置成非周期性间隔阵列或多重周期性间隔阵列。
6.根据权利要求5所述的光电检测器，其中，所述非周期性间隔阵列包括随机间隔阵列。
7.根据权利要求1所述的光电检测器，还包括衬底材料，并且其中，所述微结构具有与所述衬底材料的上表面垂直的主纵轴。
8.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构具有相互不平行的主纵轴。
9.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，与其他方面相同的光电检测器相比，所述微结构被取向成减少选自自由空间应用以及与阵列中的多个源耦接中的应用中的串扰。
10.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，与其他方面相同的光电检测器相比，所述微结构被取向成减少对任何单个方向的所述源信号的灵敏度。
11.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，与其他方面相同的光电检测器相比，所述微结构至少部分地通过形成吸收模式高对比度光栅来增加吸收。
12.根据权利要求11所述的光电检测器，其中，与其他方面相同的光电检测器相比，所述微结构至少部分地由于下述效应中的一种或更多种效应来增加吸收：谐振效应、散射效应、近场效应、亚波长效应以及干涉效应。
13.根据权利要求11所述的光电检测器，其中，所述高对比度光栅是二维或三维的。
14.根据权利要求11所述的光电检测器，其中，所述高对比度光栅是选自下述类型中的一种或更多种类型：周期性的、非周期性的。
15.根据权利要求14所述的光电检测器，其中，所述非周期性的高对比度光栅包括线性调频的、随机的或伪随机的高对比度光栅。
16.根据权利要求11所述的光电检测器，其中，与其他方面相同的光电检测器相比，使用一种或更多种材料中的多个空隙来增加所述高对比度光栅的对比度。
17.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构增强型光子吸收半导体区和所述微结构由硅形成。
18.根据权利要求17所述的光电检测器，其中，所述光电检测器是硅光电二极管。
19.根据权利要求18所述的光电检测器，其中，所述光电检测器被配置成在850纳米的源信号波长处以大于5吉比特每秒的数据带宽以及至少60％的量子效率来检测所述源信号。
20.根据权利要求19所述的光电检测器，其中，所述光电检测器被配置成在850纳米的源信号波长处以大于10吉比特每秒的数据带宽以及至少60％的量子效率来检测所述源信号。
21.根据权利要求18所述的光电检测器，其中，所述光电检测器被配置成量子效率大于60％。
22.根据权利要求17所述的光电检测器，其中，所述光电检测器是雪崩光电二极管。
23.根据权利要求22所述的光电检测器，其中，所述雪崩光电二极管被配置成在850纳米的源信号波长处以大于5吉比特每秒的数据带宽来检测所述源信号并且具有大于2的增益。
24.根据权利要求22所述的光电检测器，还包括倍增区，所述倍增区包括第二多个微结构。
25.根据权利要求24所述的光电检测器，其中，所述第二多个微结构延伸到选自下述层中的一个或更多个倍增层中：P倍增层、N倍增层以及电荷层。
26.根据权利要求17所述的光电检测器，其中，所述光电检测器被配置成在980纳米的源信号波长处以大于1吉比特每秒的数据带宽以及至少40％的量子效率来检测所述源信号。
27.根据权利要求17所述的光电检测器，其中，所述光电检测器被配置成在1000纳米的源信号波长处以大于0.5吉比特每秒的数据带宽以及至少30％的量子效率来检测所述源信号。
28.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，与具有类似的光子吸收长度的无微结构的装置相比，所述多个微结构有效地减少所述光电检测器的电容。
29.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构增强型光子吸收半导体区和所述微结构由硅和锗形成。
30.根据权利要求29所述的光电检测器，其中，所述微结构通过蚀刻掉一部分硅并且使用选择性区域生长工艺在蚀刻掉硅的部分中生长锗来形成。
31.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构增强型光子吸收半导体区和所述微结构由锗形成。
32.根据权利要求31所述的光电检测器，还包括衬底，并且其中，所述阴极区、所述微结构增强型光子吸收半导体区和所述阳极区形成在所述衬底上方，并且所述光电检测器被配置成从所述光电检测器的衬底侧接收所述源信号。
33.根据权利要求32所述的光电检测器，其中，所述阳极区包括通过横向外延过生长工艺形成的锗P层。
34.根据权利要求32所述的光电检测器，其中，所述光电检测器被配置成使所述源信号的一部分第一次穿过所述微结构增强型光子吸收半导体区、从表面反射、并且之后第二次穿过所述微结构增强型光子吸收半导体区。
35.根据权利要求31所述的光电检测器，还包括衬底，并且其中，所述阴极区、所述微结构增强型光子吸收半导体区以及所述阳极区形成在所述衬底上方，并且所述光电检测器被配置成从面向所述光电检测器与所述衬底相对的一侧的方向接收所述源信号。
36.根据权利要求35所述的光电检测器，其中，所述阳极区包括硅P层。
37.根据权利要求31所述的光电检测器，其中，所述光电检测器是雪崩光电二极管并且还包括由硅形成的倍增区。
38.根据权利要求37所述的光电检测器，其中，所述阳极区包括通过横向外延过生长工艺形成的锗P层。
39.根据权利要求37所述的光电检测器，其中，所述雪崩光电二极管被配置成在1750纳米或更短的源信号波长处以大于1吉比特每秒的数据带宽来检测所述源信号并且具有大于2的增益。
40.根据权利要求37所述的光电检测器，其中在硅层上外延生长有至少一个锗层。
41.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构增强型光子吸收半导体区和所述微结构至少部分地由III-V族材料形成。
42.根据权利要求41所述的光电检测器，其中，所述III-V族材料选自：InP、GaAs、InGaAs、GaN、InGaN、InGaAsP、AIGaAs、AIGaN、GaP、InSb以及InAs。
43.根据权利要求41所述的光电检测器，其中，所述III-V族材料使用选择性区域生长工艺来形成。
44.根据权利要求41所述的光电检测器，其中，所述光电检测器是雪崩光电二极管并且还包括由硅形成的倍增区。
45.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述多个微结构包括埋置在所述微结构增强型光子吸收半导体区内的空隙。
46.根据权利要求45所述的光电检测器，其中，所述微结构增强型光子吸收半导体区由选自硅和锗中的材料制成。
47.根据权利要求1所述的光电检测器，还包括埋置在材料层中的多个空隙，与没有有意空隙的所述材料相比，所述多个空隙有效地降低所述波长范围处的折射率并且降低所述材料层的电容。
48.根据权利要求47所述的光电检测器，其中，所述材料层是形成在衬底材料上的N层。
49.根据权利要求47所述的光电检测器，其中，所述光电检测器是雪崩光电二极管并且所述材料层形成所述雪崩光电二极管的倍增层。
50.根据权利要求47所述的光电检测器，其中，所述多个空隙填充有选自下述材料中的材料：氮、氩、聚合物、无定形半导体材料以及玻璃。
51.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构是有意地穿过所述微结构增强型光子吸收半导体区形成的孔。
52.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述孔具有侧壁，所述侧壁具有正斜率或负斜率。
53.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述微结构是有意地在所述微结构增强型光子吸收半导体区中形成的空隙。
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