CN107078145B - 经微结构增强吸收的光敏器件 - Google Patents
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Abstract
描述了用于使用微结构来增强半导体中的光子吸收的技术。微结构诸如孔有效地增加了光子吸收。使用微结构对硅光电二极管和硅雪崩光电二极管进行吸收增强可以在波长为850nm的光子处在量子效率约为90％以上的情况下产生超过10Gb/s的带宽。微结构的厚度尺寸使其能够与CMOS、BiCMOS和其他电子器件方便地集成在同一Si芯片上，从而实现封装优点并且降低电容，进而实现较高速度。
Description
相关申请的引用
本专利申请要求下述每个临时申请的权益并将下述每个临时申请通过引用并入本文：
2014年11月18日提交的美国临时申请序列号62/081,538；
2014年12月11日提交的美国临时申请序列号62/090,879；
2015年1月5日提交的美国临时申请序列号62/100,025；
2015年2月3日提交的美国临时申请序列号62/111,582；
2015年3月27日提交的美国临时申请序列号62/139,511；
2015年4月27日提交的美国临时申请序列号62/153,443；
2015年4月29日提交的美国临时申请序列号62/154,675；
2015年5月6日提交的美国临时申请序列号62/157,876；
2015年6月5日提交的美国临时申请序列号62/171,915；
2015年6月11日提交的美国临时申请序列号62/174,498；
2015年6月15日提交的美国临时申请序列号62/175,855；
2015年6月21日提交的美国临时申请序列号62/182,602；
2015年7月6日提交的美国临时申请序列号62/188,876；
2015年7月27日提交的美国临时申请序列号62/197,120；
2015年7月31日提交的美国临时申请序列号62/199,607；
2015年8月15日提交的美国临时申请序列号62/205,717；
2015年8月24日提交的美国临时申请序列号62/209,311；
2015年9月2日提交的美国临时申请序列号62/213,556；以及
2015年9月25日提交的美国临时申请序列号62/232,716。
本专利申请涉及通过引用均并入本文的下述临时申请和非临时申请：
2014年5月22日提交的第PCT/US14/39208号国际专利申请；
2013年5月22日提交的美国临时申请序列号61/826,446；
2013年6月13日提交的美国临时申请序列号61/834,873；
2013年7月4日提交的美国临时申请序列号61/843,021；
2013年11月15日提交的美国临时申请序列号61/905,109；以及
2014年6月27日提交的美国临时申请序列号62/017,915。
所有上述引用的临时专利申请和非临时专利申请在本文中统称为“共同转让并入的申请”。
技术领域
本发明的专利说明书总体上主要涉及光敏器件。更具体地，一些实施方式涉及具有微结构增强吸收特性的光敏器件。
背景技术
光纤通信广泛用于大数据中心内的通信和远程通信等应用。由于与使用较短光波长相关联的衰减损耗，大多数光纤通信使用800nm以上的光波长。常用的传输窗口存在于800nm至1675nm之间。用于光纤通信系统的光接收机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。
高质量低噪声APD可以由硅制成。然而，虽然硅会吸收可见光和近红外范围的光，但是硅在较长光波长下变得更透明。针对800nm以上的光波长可以通过增加器件的吸收“I”区的厚度来制造硅PD和APD。然而，为了获得足够的量子效率，硅“I”区的厚度变得很大，使得器件的最大带宽对于许多当前和未来的远程通信和数据中心应用来说太低。
为了避免硅PD和硅APD具有较长波长和较高带宽的固有问题，使用其他材料。锗(Ge)检测出达到1700nm波长的红外线，但是具有相对高的倍增噪声。InGaAs可以检测出长于1600nm波长的红外线，并且具有比Ge小的倍增噪声，但是仍然具有比硅大的倍增噪声。已知InGaAs被用作异质结构二极管的吸收区，最典型地涉及InP作为衬底和作为倍增层。该材料系统与约900nm至1700nm的吸收窗口兼容。然而，与硅相比，两种InGaAs器件相对昂贵并且具有相对高的倍增噪声，并且难以与Si电子器件集成作为单个芯片。
光电检测器业务方面的一家大型公司发布的信息(参见http:// files.shareholder.com/downloads/FNSR/0x0x382377/0b3893ea-fb06-417d-ac71- 84f2f9084b0d/Finisar Investor Presentation.pdf，)在第10页指出目前光通信器件的市场超过70亿美元，复合年增长率达12％。用于850nm波长的光电二极管(PD)采用GaAs材料，以及针对1550nm波长，光电二极管是基于InP材料，这既昂贵且难以与Si基电子器件集成。因此，还没有满足对更好器件的开发，所以存在很大的市场和长期需求。迄今为止，没有根据本发明人的知识商业可用的针对850nm的基于Si材料的光电二极管或雪崩光电二极管(APD)，以及没有针对1550nm的基于Si上Ge材料的光电二极管或雪崩光电二极管，其是顶部或底部照射的并且具有5Gb/s或更大的数据速率。然而，这个大市场并不缺乏试图开发出更好的器件。例如，提出了在Si材料中制造的谐振光电二极管(参见Schaub等人的Resonant-Cavity-Enhanced High-Speed Si Photodiode Grown by Epitaxial LateralOvergrowth，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，第11卷，第12期，1999年12月)，但尚未达到知名的商业市场。例如在下述参考文献中提出了波导配置中的其他形式的高速光电二极管：Piels等人的40GHz Si/Ge uni-traveling carrier waveguide photodiode，DOI10.1109/JLT.2014.2310780，Journal of Lightwave Technology；Kang等人的MonolithicGe/Si Avalanche Photodiodes，978-1-4244-4403-8/09/$25.00IEEE；Feng等人的High-speed Ge photodetector monolithically integrated with large cross-section silicon-on-insulator waveguide，Applied Physics Letters 95,261105(2009)；doi：10.1063/1.3279129；其中光边缘地耦合到光波导中，并且其中吸收长度可以为100μm或更长以补偿在1550nm处的Ge的弱吸收系数。在这些先前提出的波导光电二极管结构中，光沿着波导的长传播，并且跨PIN波导施加有电场，使得光传播的方向和电场的方向主要垂直。由于光在Si中行进是电子/空穴的饱和速度的约1000倍，因此，例如，波导PD可以为200微米长，以及例如，PIN中的“I”可以是2微米，并且实现超过10Gb/s的带宽。与本专利说明书中所述的表面照射相比，光的这种边缘耦合在封装中是昂贵的，其中与已知表面照射光电二极管或雪崩光电二极管的几十微米相比，波导截面的尺寸通常为几微米。已知的波导PD/APD通常仅是单模光学系统，而本专利说明书中描述的表面照射PD/APD可以用于单模光学系统和多模光学系统两者。此外，已知的波导光电二极管难以在晶圆级进行测试，而本专利说明书中描述的表面照射光电二极管可以易于在晶圆级进行测试。已知的波导光电二极管/雪崩光电二极管主要用于专业光子电路中，并且不是广泛可商购的。在850nm和1550nm的波长下以5Gb/s或更高的数据速率的情况下，不认为可以与Si集成的顶部或底部照射Si和Si上Ge PD/APD可商购。相比之下，如本专利说明书所描述的，Si基材料上的光电二极管可以与集成电子电路在单个Si芯片上单片集成，从而显著降低封装成本。此外，本专利说明书中描述的850nm标称波长下的微结构型PD/APD可以主要用于短程，例如光学数据传输距离小于一米，以及在某些情况下小于10米，在某些情况下小于100米，在某些情况下小于1000米。入射光束的微结构型PD/APD方向以及PIN或NIP结构的“I”区中的电场主要是共线的或几乎共线的。本专利说明书实现这样的器件并且期望将当前数据中心转换成叶片之间和/或在叶片内的几乎所有光学数据传输，这将大大增加数据传输带宽能力并显著降低电力使用。
本文要求保护的主题不限于解决任何特定缺点或者仅在诸如上述环境下操作的实施方式。相反，提供该背景技术仅用于说明可以实践本文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，一种用于数据通信的集成检测器/处理器电路包括形成在单个半导体芯片中的电子处理器和具有经微结构增强的光吸收的光电检测器两者。单个芯片包括：光电检测器，光电检测器形成在半导体衬底上并且包括光子吸收区，光子吸收区被配置成从被调制以用于数据通信的光源信号吸收光子并提供与该光源信号对应的输出电信号；其中，光子吸收区中包括朝向所述衬底延伸的多个孔并且被配置成在多个孔处同时接收同一源信号；电子处理器，电子处理器也形成在所述半导体衬底上并且与光子吸收区操作上相关联以从光子吸收区接收所述输出电信号并将所述输出电信号处理为经处理的输出，由此形成接收光源信号并输出经处理的输出的单个半导体芯片；其中，光子吸收区和电子处理器各自的厚度具有相同数量级；以及阴极区和阳极区与光子吸收区操作上相关联，并且反向偏置电路系统被配置成在阴极区与阳极区之间施加电压，使得与阳极区相比阴极区被驱动至更正的电压。光子吸收区的厚度优选地在0.5微米至5微米的范围内。电子处理器可以是专用集成电路(ASIC)，专用集成电路包括互补金属氧化物半导体(CMOS)器件、双极(Bi)器件和BiCMOS器件中至少之一。光子吸收区可以被配置成在800nm至900nm的波长或1400nm至1700nm的波长处吸收超过40％或50％或60％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。光子吸收区可以被配置成以在800nm至900nm或者1400nm至1700nm的源信号波长的为至少20nm的选定波长跨度上变化小于20％的吸收百分比来吸收入射源信号。每个孔可以具有与衬底的表面平行的截面，并且所述截面的最大尺寸在400nm与2500nm之间，以及每个孔的中心可以与多个孔中的最近相邻孔的中心间隔小于3500nm。光电检测器优选地还包括以1019每cm3或超过1019每cm3高掺杂并且位于光子吸收区两侧的P层和N层，以及光子吸收区优选地被至多以1016每cm3轻掺杂或者非有意掺杂。光电检测器可以包括雪崩光电检测器，以及光子吸收区包括Si和Ge中至少之一。光电检测器可以包括锥形孔或阶梯孔，锥形孔或阶梯孔被配置成容纳用于传送所述源信号的光纤并且将光纤的端部保持在距光子吸收区选定距离处。透镜可以包括在光纤的所述端部与光子吸收区之间。光电检测器还可以包括反射结构，反射结构被配置成引起源信号的多次反射，从而使所述源信号多次穿过光子吸收区。光电检测器可以被配置成从光子吸收区的两个相对侧接收源信号，以及所述孔可以被配置成在多组孔处将光转换成电信号时引起耦合谐振，从而增强源信号吸收。
一个或更多个附加光电检测器可以形成在所述半导体衬底上并且具有相应光子吸收区，相应光子吸收区接收相应附加源信号并提供与其对应的相应输出电信号；以及一个或更多个附加电子处理器也可以形成在所述半导体衬底上并且与所述附加光电检测器的相应光子吸收区操作上相关联以从相应光子吸收区接收所述相应输出电信号并由此处理相应输出电信号。与无孔但其他方面相同的光电检测器相比，多个孔可以被配置成在包括所述源信号的波长的波长范围内增强光子的吸收。电子处理器可以包括选自下述的一种或更多种类型：跨阻抗放大器、信号处理电子器件和路由电子器件。与其阳极区和阴极区操作上连接到常规接合焊盘但其他方面相同的光电检测器相比，与上述光电检测器相关联的电容减小。光电检测器还可以包括倍增区，使光电检测器是被配置成在800纳米至900纳米的源信号波长处以大于10千兆比特每秒的数据带宽来检测源信号并且具有大于2的增益的雪崩光电二极管。
在一些实施方式中，一种光学/电子系统包括：光电检测器和有源电子电路，二者构建在同一半导体衬底上并且彼此操作上相关联从而形成单个集成电路芯片；激光器，其以千兆比特每秒的数据速率被调制从而产生以千兆比特每秒的速率传送信息的光源信号；以及光纤，其与激光器相关联以在其输入端接收光源信号并将光源信号输送到其输出端；其中，光电检测器与光纤的输出端相关联以从输出端接收光源信号，并且光电检测器被配置成将光源信号转换为电输出信号；以及其中，有源电子电路与光电检测器相关联以从光电检测器接收输出电信号，并且有源电子电路被配置成对电输出信号进行处理并输出经处理的电信号。源信号和电输出信号中的每一个可以以至少5千兆比特每秒的速率被调制。光电检测器和有源电子电路可以具有相同数量级的厚度。光电检测器可以包括光子吸收区，光子吸收区包括朝向半导体衬底延伸的多个孔，其中，多个孔被配置成同时接收同一源信号。高掺杂的P层和N层可以位于光子吸收区两侧，以及光子吸收区的厚度可以在0.1微米至5.0微米的范围内，并且优选地与P区和N区相比光子吸收区是非有意掺杂的或者是轻掺杂的。光电检测器可以被偏置以使电子或空穴在沿着光电检测器接收源信号的方向的方向上被扫掠。光电检测器和有源电子电路中的每一个可以是硅基的。光电检测器可以是雪崩光电检测器。
在一些实施方式中，一种具有经微结构增强的光吸收的光电检测器包括：光子吸收区，光子吸收区的厚度优选地在0.5微米与5微米之间以及光子吸收区被配置成从被调制以用于数据通信的源信号吸收光子并提供与源信号对应的输出电信号；光子吸收区包括延伸通过光子吸收区的厚度的至少一部分的多个孔并且被配置成在多个孔处同时接收同一源信号；以及光子吸收区被配置成在800nm至900nm范围和1400nm至1700nm范围中至少之一中的波长处吸收超过40％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。光子吸收区可以被配置成在800nm至900nm或1400nm至1700nm的波长处吸收超过40％或50％或60％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。光子吸收区可以被配置成以在800nm至900nm或1400nm至1700nm的源信号波长的为至少20nm的波长跨度上变化小于20％的吸收百分比来吸收入射源信号。每个孔具有与衬底的上表面平行的截面，并且截面的最大尺寸优选地在400nm与2500nm之间，以及每个孔的中心优选地与多个孔中的最近相邻孔的中心间隔小于3500nm。光电检测器还可以包括优选地以1019每cm3或超过1019每cm3高掺杂并且位于光子吸收区两侧的P层和N层，以及光子吸收区优选地被至多以1016每cm3轻掺杂或者非有意掺杂。光电检测器可以包括雪崩光电检测器。光子吸收区可以包括Si或Ge。光电检测器可以包括锥形孔或阶梯孔，锥形孔或阶梯孔被配置成容纳用于传送所述源信号的光纤并且将光纤的端部保持在距光子吸收区选定距离处，以及透镜可以被包括在光纤的所述端部与光子吸收区之间。光电检测器可以包括反射结构，反射结构被配置成引起源信号的多次反射，从而使所述源信号多次穿过光子吸收区。光电检测器光电检测器可以被配置成从光子吸收区的两个相对侧接收源信号。
在一些实施方式中，一种具有经微结构增强的光吸收的光电检测器包括：阴极区；阳极区；反向偏置电路系统，反向偏置电路系统被配置成在阴极区与阳极区之间施加电压，使得与阳极区相比阴极区被驱动至更正的电压；具有上表面的衬底材料；以及由硅制成的光子吸收区，光子吸收区与阴极区和阳极区操作上相关联并且光子吸收区被配置成从源信号吸收光子，硅吸收区包括多个孔，每个孔具有与衬底上表面平行的截面，截面的最大尺寸在400nm与2500nm之间，以及每个孔的中心与多个孔中的最近相邻孔的中心间隔小于3500nm。源信号可以具有大于800nm且小于1000nm的波长。多个孔可以被布置成周期性间隔阵列，周期性间隔阵列可以具有六角形晶格图案或正方形晶格图案。与无孔但其他方面相同的光电检测器相比，多个孔在包括所述源信号的波长的波长范围内增强光子的吸收。每个孔可以具有与衬底上表面平行的主要为圆形的截面。阴极区和阳极区可以操作上连接到集成电路电子器件，并且光电检测器和集成电路电子器件可以集成到单个硅芯片中，其中集成电路电子器件可以包括选自下述的一种或更多种类型：跨阻抗放大器、信号处理电子器件和路由电子器件。与其阳极区和阴极区操作上连接到常规接合焊盘但其他方面相同的光电检测器相比，与上述光电检测器相关联的电容减小。光电检测器还可以包括由硅形成的倍增区，以及其中，光电检测器是被配置成在850纳米的源信号波长处以大于5千兆比特每秒的数据带宽来检测源信号并且具有大于2的增益的雪崩光电二极管。光电检测器可以被配置成在850纳米的源信号波长处在至少30％或50％的量子效率的情况下以大于2.5千兆比特每秒或者大于或等于5千兆比特每秒的数据带宽来检测所述源信号。多个孔可以通过蚀刻掉部分硅来形成。光电检测器可以被配置成使源信号的一部分首次穿过光子吸收区，从表面反射，然后二次穿过光子吸收区。光电检测器还可以包括衬底，其中，阴极区、吸收区和阳极区形成在衬底上方，并且光电检测器被配置成从面对光电检测器的与衬底相反的一侧的方向接收源信号。
在一些实施方式中，一种具有经微结构增强的光吸收的光电检测器包括：阴极区；阳极区；反向偏置电路系统，反向偏置电路系统被配置成在阴极区与阳极区之间施加电压，使得与阳极区相比阴极区被驱动至更正的电压；具有上表面的衬底材料；以及由锗基材料制成的光子吸收区，光子吸收区与阴极区和阳极区操作上相关联并且光子吸收区被配置成从源信号吸收光子，锗基吸收区包括多个孔，每个孔具有与衬底上表面平行的截面，截面的最大尺寸在750nm与3000nm之间，以及每个孔的中心与多个孔中的最近相邻孔的中心间隔小于5000nm。锗基光子吸收层可以在由硅制成的一层或更多层材料上方通过外延生长和外延横向过生长工艺中至少之一形成。光电检测器还可以包括Ge缓冲层，Ge缓冲层被配置成引发Ge在最上层硅层上的结晶生长。光电检测器的阳极区可以包括通过外延生长和外延横向过生长工艺中至少之一形成的P掺杂锗层。光电检测器可以是雪崩光电二极管并且还可以包括由硅形成的倍增区。源信号可以具有大于1200nm且小于1900nm的波长或者具有大于1400nm的波长。光电检测器可以被配置成在1550纳米的源信号波长处在至少30％或50％的量子效率的情况下以大于2千兆比特每秒或者5千兆比特每秒的数据带宽来检测所述源信号。
如本文所使用的，连词“和”、“或”以及“和/或”都旨在表示可能出现或存在其连接的一个或更多个情况、对象或主题。鉴于此，如本文所使用的，在所有情况下术语“或”都表示“包含或”的含义而不是“排他或”的含义。
如本文所使用的，术语“孔”和“多个孔”是指进入或者穿过材料或多种材料的任何开口。通常，开口可以具有任何形状和横截面，包括圆形、椭圆形、多边形和随机形状。
附图说明
为了进一步阐明本专利说明书的主题的上述和其他优点以及特征，在附图中示出其实施方式的具体示例。应当理解，这些附图仅描绘了说明性实施方式，并且因此不应被认为是对本专利说明书或所附权利要求书的范围的限制。将通过使用附图更具体和详细地描述和解释本发明的主题，在附图中：
图1是示出根据一些实施方式的可以使用微结构型光电二极管/雪崩光电二极管的光学数据传输系统的图示；
图2是示出根据一些实施方式的在微结构型光电二极管(MS-PD)和微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)中包含波长选择元件的图示；
图3是示出根据一些实施方式的具有多个波长选择元件的MS-PD/APD的图示；
图4A至图4D是示出根据一些实施方式的各种带通滤波器特性的图；
图5是示出根据一些实施方式的粗波分复用(CWDM)配置的图示；
图6A和图6B是示出根据一些实施方式的微结构型光电二极管的一些基本部分的图示；
图7A和图7B是示出根据一些实施方式的底部照射光电二极管的一些基本部分的图示；
图8A和图8B是示出根据一些实施方式的MS-APD结构的一些基本部分的图示；
图9A和图9B是示出根据一些实施方式的在第III-V族或Ge材料的选择性区域生长(SAG)之前和之后的选择性区域生长APD结构的方面的图示；
图10是示出根据一些实施方式的具有PIN外延层的简化微结构型硅光电二极管的图示；
图11是示出根据一些实施方式的具有PIN外延层的简化微结构型硅光电二极管的图示；
图12A至图12C示出了根据一些实施方式的对特定微结构型孔图案进行的模拟的方面；
图13是示出根据一些实施方式的具有P-I-N掺杂的高对比度微结构型光电二极管(PD)的外延层结构的图示；
图14是示出根据一些实施方式的具有P-I-N掺杂的高对比度微结构型光电二极管(PD)的外延层结构的图示；
图15是示出根据一些实施方式的具有P-I-N掺杂的高对比度微结构型光电二极管(PD)的外延层结构的图示；
图16是示出根据一些实施方式的制造高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些方面的图示；
图17A至图17D是示出根据一些实施方式的孔布置、间隔、大小和钝化层的示例的图示；
图18是示出根据一些实施方式的制造高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些其他方面的图示；
图19是示出根据一些实施方式的制造高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些其他方面的图示；
图20是示出根据一些实施方式的制造高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些其他方面的图示；
图21是示出根据一些其他实施方式的高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些方面的图示；
图22A至图22B示出了根据一些实施方式的对特定微结构型PD进行的模拟的方面；
图23是示出根据一些实施方式的高对比度微结构型PD的方面的图示；
图24是示出根据一些实施方式的异质外延微结构型PD的方面的图示；
图25示出了根据一些实施方式的用于光发射器诸如发光二极管(LED)或垂直表面发射激光器(VCSEL)的高对比度结构；
图26示出了根据一些实施方式的例如用于高对比度1.3微米波长光电发射器(PE)的基本结构；
图27是示出根据一些实施方式的具有蚀刻孔的高对比度微结构型光电发射器(PE)结构的一些基本特征的图示；
图28是示出根据一些其他实施方式的PE的一些方面的图示；
图29是示出根据一些其他实施方式的PE的一些方面的图示；
图30是示出根据一些其他实施方式的PE的一些方面的图示；
图31是示出根据一些实施方式的简单PIN光电二极管结构的一些方面的图示；
图32是示出根据一些实施方式的MS-PD制造的方面的图示；
图33是示出根据一些实施方式的MS-PD制造的方面的图示；
图34是示出根据一些实施方式的MS-PD制造的方面的图示；
图35是示出根据一些实施方式的MS-PD的方面的图示；
图36是示出根据一些实施方式的MS-PD的方面的图示；
图37是示出根据一些其他实施方式的减少少数载流子寿命的技术的图示；
图38A至图38C描述了被模拟的微结构型光电二极管的各种参数；
图39是绘制微结构型孔光电二极管的模拟结果的曲线图；
图40是示出根据一些实施方式的具有P-I-P-I-N外延结构的微结构型雪崩光电二极管(APD)的图示；
图41是示出根据一些其他实施方式的具有P-I-P-I-N外延结构的微结构型雪崩光电二极管(APD)的图示；
图42是示出根据一些实施方式的具有Ge吸收层和Ge P覆盖层的微结构型APD的图示；
图43A至图43D示出了根据一些实施方式的微结构型光电二极管和APD的偏振敏感度；
图44示出了根据一些实施方式的与跨阻抗放大器和/或用于数据处理和路由的另一ASIC(专用集成电路)集成的MS-PD/APD；
图45是示出根据一些实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示；
图46是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示；
图47是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示；
图48是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示；
图49是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示；
图50是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示；
图51是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示；
图52是示出根据一些实施方式的与IC电子器件诸如TIA和/或其他信号处理和路由电子器件集成在单个Si芯片上的MS-PD/APD阵列的图示；
图53是示出根据一些实施方式的高数据速率MS-PD的外延结构的图示；
图54是示出根据一些实施方式的高数据速率MS-PD的外延结构的图示；
图55是示出根据一些实施方式的高数据速率MS-PD的外延结构的图示；
图56是示出根据一些实施方式的MS-PD的台面大小、孔直径、孔周期距离和晶格图案的表。
图57A和图57B是示出根据一些实施方式的六角形晶格孔图案和正方形晶格孔图案的图示；
图58是示出根据一些实施方式的硅MS-PD的外延层结构的图示；
图59是示出根据一些实施方式的MS-PD的方面的图示；
图60是示出根据一些实施方式的MS-PD的方面的图示；
图61是示出根据一些实施方式的MS-PD的方面的图示；
图62示出了根据一些实施方式的MS-PD的Si上Ge PIN外延层结构；
图63至图65是示出根据一些实施方式的Si上Ge MS-PD的方面的图示；
图66至图67是示出根据一些实施方式的Si上Ge PD的方面的图示；
图68至图69是示出根据一些实施方式的MS-APD的方面的图示；
图70是示出根据一些实施方式的没有SiO2层的MS-APD的图示；
图71至图72是示出根据一些实施方式的Si上Ge微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的图示；
图73是示出根据一些实施方式的具有蚀刻停止层的Si上Ge微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的图示；
图74是示出根据一些实施方式的Si上Ge微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的图示；
图75是示出根据一些实施方式的MS-PD的另一SI NIP外延层结构的图示；
图76A至图76C是示出根据一些实施方式的MS-PD的掩埋氧化物上的Si N-I-P外延层的图示；
图77是示出根据一些实施方式的在P Si衬底上具有Si NIP外延层和SiGeB停止蚀刻层的MS-PD的图示；
图78是示出根据一些实施方式的MS-PD的SiGeB外延层结构上的Si上Ge NIP的图示；
图79是示出根据一些实施方式的MS-PD的Si上Ge外延结构的图示；
图80是示出根据一些实施方式的另一Si上Ge外延结构的图示；
图81是示出根据一些实施方式的Si上Ge外延结构的图示；
图82A至图82C涉及对与图79所示的结构类似的Si上Ge微结构型光电二极管使用有限差分时域(FDTD)进行的模拟；
图83A至图83C涉及对与图80所示的结构类似的Si上Ge微结构型光电二极管使用有限差分时域(FDTD)进行的模拟；
图84A和图84B示出了对与图79所示的结构类似的Si上Ge微结构型光电二极管使用有限差分时域(FDTD)进行模拟的结果；
图85示出了根据一些实施方式的微结构型光电二极管芯片的示意性俯视图；
图86是示出根据一些实施方式的在单个芯片上与跨阻抗放大器和/或其他电子器件集成的MS-PD/APD的俯视图；
图87示出了没有任何微结构的简单外延结构；
图88示出了没有任何微结构的另一简单的外延结构；
图89示出了根据一些实施方式的与图87相同的外延结构，其中微结构型孔阵列被蚀刻到SiP外延层；
图90示出了根据一些实施方式的与图88相同的外延结构，其中微结构型孔阵列被蚀刻到BOX SiO2层；
图91A至图91B是示出针对图87至图90所示的示例性结构的模拟结果的图；
图91B示出了图90(情况4)中的外延结构，其中微结构型孔阵列被蚀刻到不同的深度；
图92是示出根据一些实施方式的硅中孔被蚀刻到硅中的微结构型区域的图示；
图93是示出根据一些实施方式的具有锥形孔的MS-PD结构的图示；
图94是示出根据一些实施方式的具有逐渐锥形化孔的MS-PD结构的图示；
图95是示出根据一些实施方式的具有不同直径微结构型孔的材料结构的图示；
图96示出了如图95所示的具有不同直径微结构型孔的材料结构的俯视图；
图97A和图97B是示出入射到具有如图82A所示层结构的微结构上的光的吸收的曲线图；
图98是示出在图82A所示且在图97A和图97B中模拟的结构的模拟吸收的曲线图；
图99示出了根据一些实施方式的在800nm至1000nm的波长范围内操作的Si雪崩光电二极管的另一优选外延结构；
图100是示出根据一些实施方式的微结构型APD的一些特征的图示；
图102是示出微结构型Si上Ge APD的一些特征的图示。图103A至图103C示出了根据一些实施方式的微结构型硅和硅上锗光电二极管以及雪崩光电二极管的孔直径、周期和其他参数；
图104A和图104B是示出使用FDTD(有限差分时域)对图82A所示的结构针对吸收相对波长的模拟结果的曲线图，图82A是微结构型Si N衬底上Ge P-Ge I-Si N光电二极管；
图105A和图105B涉及根据一些实施方式的正方形晶格孔图案的本征模；
图106是示出根据一些实施方式的具有相互交叠布置的两个正方形晶格的微结构型孔的示意图；
图107是示出根据一些实施方式的Si上Ge的外延结构的图示；
图108是示出根据一些实施方式的Si上Ge的微结构型光电二极管的基本特征的图示；
图109A和图109B是示出根据一些实施方式的使用用于微结构型孔阵列的麦克斯韦方程进行FDTD模拟的结果的曲线图；
图110示出了根据一些实施方式的具有不同孔直径和晶格周期的微结构型光电二极管/雪崩光电二极管的吸收相对波长的图；
图111A和图111B示出了根据一些实施方式的使用FDTD方法对图82A所示的使用两个晶格和两个不同的孔直径的结构进行的模拟；
图112是示出根据一些实施方式的具有相同周期的两个六角形晶格彼此组合和交织的另一晶格结构的图示；
图113示出了具有6个单位晶胞的六角形晶格，每个晶胞具有其本征模，其中任何场传播/分布可以是其本征模的扩展；
图114示出了根据一些实施方式的具有孔阵列和纹理表面的Si NIP微结构型光电二极管；
图115是示出Si和Ge相对于波长的吸收系数的曲线图；
图116是示出根据一些实施方式的由于微结构型孔阵列引起的Ge的增强有效吸收系数的曲线图；以及
图117是示出根据一些实施方式的Si微结构型PD/APD的增强吸收的曲线图。
具体实施方式
以下提供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，但应该理解，本专利说明书中描述的新主题不限于本文所述的任何一个实施方式或实施方式的组合，而是包括多种替代、修改和等同方案。此外，虽然为了提供透彻的理解，在下面的描述中阐述了许多具体细节，但是可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践一些实施方式。此外，为了清楚起见，没有详细描述现有技术中已知的某些技术材料，以避免不必要地使本文所述的新主题模糊。应当清楚，本文描述的一个或几个特定实施方式的各特征可以与特征或其他所描述的实施方式组合使用。此外，各附图中的相同附图标记和标号表示相同的元件。
根据一些实施方式，微结构用于改进材料在半导体材料的带隙附近的波长处的吸收或体吸收常数。这允许扩展光电传感器的工作光波长和/或工作频谱。增强体吸收常数(或系数)被称为有效吸收常数(或系数)。因为吸收常数或系数是固有的材料属性，所以使用术语“有效”。然而，在谐振效应、耦合谐振效应、慢波效应、等离子体效应、场增强效应、散射效应、近场和亚波长效应、线性和非线性效应的情况下，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。由于吸收指数地取决于吸收系数和吸收长度的乘积，所以通过保持体吸收系数，有效吸收长度可以大于PD/APD的“I”吸收区的物理长度以实现与量子效率成比例的相同吸收。如本文所使用的，以下术语可互换使用：增强吸收常数，增强吸收系数；增强有效吸收常数；增强有效吸收系数；有效吸收常数；有效吸收系数，增强吸收长度，有效吸收长度，增强有效吸收长度。增强吸收或有效吸收可能是由于增强吸收系数和或增强吸收长度中之一或两者引起的。
根据一些实施方式，增强吸收还可以对路径长度产生剧烈的影响。在一个体吸收示例中，光子被吸收到其原始幅度的1/e的路径长度为100微米(μm)，而根据本专利说明书中描述的一些实施方式的增强吸收的情况下，针对光学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到一微米，则增强吸收系数是体吸收系数的100倍，和/或增强有效吸收长度是实际物理长度的100倍。
这可以通过关系式A＝Ao e-αL看出，其中A是入射光子通量Ao的衰减幅度，α是吸收系数，L是发生吸收的路径长度。因此，可以将有效α限定为非增强吸收系数如体吸收系数的100倍，而不是使L为100倍。例如，微结构的谐振/耦合谐振/散射/近场效应给出了谐振/散射/近场微结构仅仅一微米长的情况下路径长度为100倍的等效。更简单的描述是谐振/耦合谐振结构中的光子在达到其原始幅度的1/e值之前进行50次往返，因此等效线性长度是耦合谐振结构长度的100倍。为了简单起见，谐振/耦合谐振/线性和非线性场增强/散射/近场效应在本文统称为“谐振”，其可以包括谐振、耦合谐振、慢波、散射、近场、等离子体、非线性和线性光场效应。
如本文所使用的，术语“微结构”和“微结构型”是指各种形状和大小的柱、空隙、孔和台面，其具有微米级或亚微米级、和/或亚波长级和或波长级中至少一个尺寸。
根据一些实施方式，用于增强有效吸收的技术可以应用于各种材料，包括：硅、锗、第III-V族材料诸如InP、GaAs、GaN、InGaAs，以及第III-V族材料族的任何组合。如本文所使用的，第III-V族材料的术语“材料族”被限定为与GaAs、InP、GaN、InSb半导体晶格匹配或大致晶格匹配(在几个百分点之内)的任何材料。例如，InP材料族可以包括InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InAs。根据一些实施方式，在微结构的情况下，因为硅上的晶格失配材料的占用空间的尺寸很小(约几微米至几亚微米)，所以在硅微结构中具有或不具有Ge、InGaAs或其他第III-V族材料的薄缓冲层的再生长——诸如选择性区域生长(SAG)、外延横向过生长(ELOG)、外延生长(EG)——可以在没有晶格失配的有害影响的情况下进行。这使得Ge和其他第III-V族材料能够在不使用常规缓冲层(诸如在Si上Ge生长的情况下的非晶Ge)的情况下与硅整合。材料的非均质整合可以是同质结构或异质结构，结晶和微结晶以及非晶半导体、导体的组合，例如碳、石墨烯、绝缘体、电介质、固体、气体、液体诸如可以是半导电的玻璃或聚合物。Ge和第III-V族材料还可以使用SOG、ELOG、EG方法在具有或不具有缓冲层的Si上生长，可以覆盖超过微米级的区域至覆盖晶圆级的区域。
根据一些实施方式，使用低折射率材料例如掩埋氧化物(BOX)，绝缘体上硅(SOI)，蓝宝石上硅(SOS)，低密度半导体如非晶半导体、纳米线半导体、空隙和孔，以降低有效折射率。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、空气隙和/或孔之类的结构(其可以填充低折射率材料和/或再生长)具有光学波长级的尺寸时，光电磁场将看到由材料折射率和结构(其可以由低折射率材料填充或部分填充)构成的平均折射率。该平均值在本文中称为有效折射率。根据一些实施方式，不需要在微结构中使用低折射率或低有效折射率材料。
根据一些实施方式，用于增强有效吸收的技术可以应用于各种材料，包括：硅，锗，第III-V材料诸如InP、GaAs、GaN、InGaAs以及第III-V族材料族的任何组合。
由于微结构，电容还可以由有效电容表示，有效电容是下述的并联电容：(1)一个半导体的介电常数，和(2)另一材料的介电常数，另一材料可以是半导体、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)。器件的有效电容是并联电容器的电容的组合，电容器可以是两个或更多个。根据一些实施方式，使用微结构的优点是有效电容可以明显低于同质材料诸如半导体的电容。RC时间(电阻电容)是确定光电二极管和雪崩光电二极管的带宽的基本时间之一。较低的电容使得器件具有较大的面积，同时仍然保持适当高的数据速率带宽，和/或通过减小器件的厚度以减少电子和或空穴渡越时间来增加数据速率带宽，电子和或空穴渡越时间也是确定PD/APD的带宽的基本时间。另一基本时间是光学渡越时间。
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、或者将光子转换成电子的任何光电子器件。根据一些实施方式，还可以使用微结构来实现发射器诸如激光器和将电子/空穴转换成光子的发光二极管。
根据一些实施方式，增强吸收使得APD/PD能够：(1)将APD/PD的敏感度扩展到具有更靠近材料带隙的能量(或波长)的光子，在材料带隙中体吸收系数弱，例如在QE(量子效率)大于30％或大于50％，数据带宽大于3Gb/s的情况下约10001/cm或更小；(2)由于较短的吸收长度由此较短的渡越时间，以高数据速率带宽(例如>10Gb/s)操作；(3)使用增强吸收来增大量子效率；(4)由硅制造，对于雪崩光电二极管具有优异的倍增特性以及低过剩噪声；(5)与Si光子学和CMOS工艺兼容。根据一些实施方式，PD/APD可以与ASIC(专用集成电路)集成，ASIC(专用集成电路)诸如信号处理、信号放大、存储器、cpu、电发射器、光波导、集成光学器件和特定应用的其他IC。这对于使用CMOS代工厂进行的批量生产是有利的。此外，可以在晶圆级检测中测试表面(或底部)照射PD/APD是否集成有电子器件，此外表面(或底部)照射PD/APD可以处理单模和多模两者。单个光学和电子芯片绕过对陶瓷多芯片载体的需要，并大大降低了组装和封装的成本。如果需要，硅工作台还可以结合用于与光学部件如镜头、光纤的光学对准。
根据一些实施方式，硅用于雪崩增益。对于雪崩光电二极管，硅具有较低的过剩噪声。通过将Ge与硅整合，吸收发生在Ge材料中，以及电子增益发生在硅中。根据光波长，例如短于1100nm的光波长，在使用微结构的情况下硅可以用于吸收和电子增益两者。
根据一些实施方式，通过使用微结构来增强半导体中光子的吸收。微结构可以具有下述效应诸如谐振、耦合谐振、场增强、近场和亚波长效应、散射、等离子体、线性和非线性光场、光子晶体、在近场状态的高对比度光栅中的有损模式或吸收模式，这些都是可以有效地增加有效吸收长度的线性和非线性效应，导致针对给定物理长度对光子的更大的吸收和或吸收系数可以被增强到有效系数。
根据一些实施方式，由于长度和/或系数增强，硅光电二极管和硅雪崩光电二极管的用于吸收增强的微结构可以在光子约850nm波长(其是当前数据通信优选波长)处在量子效率约为50％以上的一些情况下QE为70％以上的情况下产生带宽超过10Gb/s(或根据数字编码格式的约等效于6.75GHz)的硅PD和APD。
由于材料和加工技术的成熟，硅光学检测器非常鲁棒，表面可以易于钝化，以消除可能导致表面状态和载流子复合中心的悬挂键，由于低缺陷和高材料纯度，硅光学检测器具有优异的载流子寿命，以及对于APD应用，由于空穴与电子之间的电离比小(k因子，硅具有比任何第III-V族材料都低的k因子)，因此噪声较低，并且这些检测器是CMOS兼容的以用于与用于信号处理的电子器件集成以及与Si光子学集成。
根据一些实施方式，在对于高电流增益(增益大于3dB)的APD以及对于高调制带宽(大于或等于10Gb/s带宽)和高量子效率的P-I-N二极管(PD)或P-l-P-l-N二极管(APD)的吸收“i”(有时称为“I”)区中使用外部反向偏置来清除光生载流子。
在通信中使用带宽大于1Gb/s的微结构型光电二极管和雪崩光电二极管。光信号具有使用下述技术外加于光上的信息：诸如二进制(强度)、相移/频移(相干、外差通信)；偏振编码；多波长如波分复用；以及偏振复用。光信号通过空气和/或光纤行进，并照射微结构光电二极管和/或雪崩光电二极管，其中外加于可见光上的信息可被提取成电信号。在一些情况下，另一个或另一些光源需要像外差或零差一样混合。
图1是示出根据一些实施方式的可以使用微结构型光电二极管/雪崩光电二极管的光学数据传输系统的图示。光学数据传输系统100包括一个或更多个光源110、传输介质120诸如空气和/或光纤、以及一个或更多个微结构型光电二极管/雪崩光电二极管(MS-PD/APD)130。根据一些实施方式，光源110可以是激光器。在电源114正向偏置激光器110以进行直接调制的情况下，将电气数据112附加在光信号上。激光器110的输出可以经由耦合器122诸如球形透镜耦合到光纤120。光信号通过光纤120(或空气)传播，并且可以经由透镜124从光纤120耦合到例如高速微结构光电二极管/雪崩光电二极管130，其中光信号被转换成电信号，并且恢复所得到的数据132(与数据112匹配)。微结构光电二极管/雪崩光电二极管使用电源134反向偏置。
根据一些实施方式，波长选择元件可以与微结构型光电二极管和微结构型雪崩光电二极管集成。特别地，微结构型光电二极管/雪崩光电二极管的阵列可以制造在可以包括专用集成电路的单个芯片上，例如专用集成电路包括CMOS、双CMOS、双极器件和电路。波长选择元件诸如带通滤波器可以用于粗波分复用(CWDM)，其中例如每个携带10Gb/s至40Gb/s的调制数据的810nm、820nm、830nm、840nm、850nm、860nm、870nm、880nm波长可以在单个传输介质内具有80Gb/s至320Gb/s的聚合数据速率。
波长选择元件的示例包括：高对比度亚波长光栅；金属膜或电介质膜中的亚波长孔阵列，以及如在布拉格反射器中具有交替折射率的电介质层。波长选择元件可以是包括多个高对比度光栅以形成谐振腔的带通滤波器。元件还可以是光栅和其他波长选择元件诸如金属或半金属膜和/或布拉格镜上的亚波长孔阵列的组合。
此外，光电二极管/雪崩光电二极管的微结构本身可以形成反射器诸如高对比度光栅，使其可以是波长选择性和吸收长度增强两者。特别地，可以增强光电二极管/雪崩光电二极管的光子吸收区。根据一些实施方式，可以在微结构型光电二极管/雪崩光电二极管之上制造附加高对比度光栅以形成用于波长选择的谐振光学腔。如果高对比度光栅中的一个可以被电偏压使得在两个波长选择元件之间产生电压，则所选波长可以被调谐，例如可调谐光滤波器。
图2是示出根据一些实施方式的在微结构型光电二极管(MS-PD)和微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)中包含波长选择元件的图示。使用波长选择元件220的情况下，仅所选波长范围内的波长才能照射在MS-PD/APD 130上。根据一些实施方式，窗口的宽度可以为1nm至20nm(例如，中心波长为820nm+/-5nm，其中带通是以820nm为中心的10nm)。在图2的情况下示出由硅制成的高对比度光栅220可以与硅MS-PD/APD 130集成。根据一些实施方式，微结构型光电二极管/雪崩光电二极管130的微结构特征210除了增强光电二极管和雪崩光电二极管的吸收特性的功能之外还可以自身作为波长选择器。如果MS-PD/APD 130的微结构210被设计为波长选择器，则加入高对比度光栅220将产生可用作带通滤波器的谐振腔。
图3是示出根据一些实施方式的具有多个波长选择元件的MS-PD/APD的图示。在这种情况下，多个波长选择元件即波长选择元件320和波长选择元件322被制造并被集成到MS-PD/APD 130中。波长选择元件320和波长选择元件322可以是用作带通滤波器的双高对比度光栅。根据一些实施方式，如果相对于另一波长选择元件向一个波长选择元件施加电压，则可以制造出可调谐带通滤波器。
图4A至图4D是示出根据一些实施方式的各种带通滤波器特性的图。图4A、图4B、图4C和图4D中的图分别具有820nm、830nm、840nm和850nm的中心波长，其中“R”是反射率。例如，在带宽为10nm的中心波长处，反射率实际上为零，并且大部分光被透射，而在带宽外的情况下，反射率几乎为100％并且透射率几乎为零。
图5是示出根据一些实施方式的粗波分复用(CWDM)配置的图示。在这种情况下，四个波长在传输介质中传播，传输介质诸如具有820nm、830nm、840nm和850nm的中心波长的多模光纤，每个针对100Gb/s的聚合数据速率具有25Gb/s的调制数据速率。MS-PD/APD 530、MS-PD/APD 532、MS-PD/APD 534和MS-PD/APD 536上的带通滤波器通过反射每个波长选择MS-PD/APD来分离光带。在每次反射之后，光经由反射器550被反射到下一个波长选择MS-PD/APD等等，直到所有的光带被指定MS-PD/APD吸收为止。每个中心波长承载数据通道，例如820nm以25Gb/s的数据速率承载数据通道1，而具有820nm的带通滤波器的MS-PD 530将820nm信号与其余的光信号分开，并且产生经恢复的数据通道1，用于由集成CMOS ASIC(未示出)进行进一步的信号处理。
根据一些实施方式，MS-PD/APD外延层厚度与CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺的外延层厚度和结构兼容，并且因此可以与CMOS ASIC集成。相比之下，在850nm处数据速率为1.25Gb/s的常规硅光电二极管具有大于10μm厚度的外延层和53％的量子效率。因此，常规硅光电二极管的相对较厚的层不容易与CMOS工艺兼容。
根据一些实施方式，光吸收层可以是非结晶体。特别地，光吸收层可以是例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和/或热丝化学气相沉积(HWCVD)沉积的氢化非晶Si(a-Si：H)。该层的厚度一般在0.3μm至3μm数量级。在反向偏置下将电压施加在光吸收区(或pin光电二极管结构的i区)上以清除光生载流子，从而实现用于高速数据通信应用的高效率和高带宽。非结晶层顶部的层可以是透明或半透明导电金属或导电氧化物诸如氧化铟锡。顶层可以是掺杂非结晶体材料的薄层以形成pin结构。
图6A和图6B是示出根据一些实施方式的微结构型光电二极管的一些基本部分的图示。图6A示出了在蚀刻微结构之前的材料结构600，图6B示出了蚀刻后的MS-PD 660。应注意，根据一些实施方式，微结构是孔622，以及在一些其他实施方式中，微结构是柱。在一些其他实施方式中，微结构是孔和柱的组合。“Ia”层608可以是在结晶或非结晶N层上生长的非结晶体(例如氢化非晶Si(a-Si：H))。P层610可以是非结晶体和高掺杂的P或导电氧化物或金属。N层606也可以是金属或导电氧化物。使用欧姆接触628和欧姆接触630在P层与N层之间施加偏压，以在I层608中产生强场，这会清除光生载流子。例如，衬底602可以是非结晶体和/或电介质例如石英，玻璃，陶瓷和/或导体诸如金属、硅化物、导电聚合物。根据一些实施方式，也称为“i”层的“Ia”层608的厚度范围可以为0.3微米至3微米。
图7A和图7B是示出根据一些实施方式的底部照射光电二极管的一些基本部分的图示。图7A示出了在蚀刻微结构之前的材料结构700，图7B示出了在蚀刻微结构(例如孔722)之后的底部照射MS-PD 760。对于底部照射PD/APD，“Ia”或“I”区708可以是非结晶体诸如a-Si：H，“N”层710也可以是非结晶体，而“P”层706可以是BOX/SOI 704以及结晶或非结晶衬底702上的结晶体或非结晶体。然而，为了使光学损耗最少，理想的是衬底702和P层706是结晶体，因为在800nm至1100nm范围的波长处结晶体比非晶硅有更少的吸收。对于“两次或多次反弹”PD/APD，吸收区“Ia”层708的厚度范围可以为0.2微米至2微米，因为光信号将从N金属接触部726反射并返回到“Ia”吸收层708。可以减小“Ia”层708的厚度，并因此减少渡越时间并增加光电二极管或雪崩光电二极管的带宽。
图8A和图8B是示出根据一些实施方式的MS-APD结构的一些基本部分的图示。图8A示出了在蚀刻微结构之前的材料结构800，图8B示出了蚀刻后的MS-APD 860。用于光吸收的“Ia”区808可以是结晶体或非结晶体诸如a-Si：H。PIN硅的结晶雪崩增益区(820，818和806)生长在硅衬底或BOX/SOI(掩埋氧化物/绝缘体上硅)衬底802上。Pa顶层810可以是结晶体或非结晶体。可以设置透明金属氧化物层826以与P Si层810形成欧姆接触，或者降低薄层电阻。应注意，光信号可以直冲(垂直)上表面出现或者以如光子箭头所示的角度出现。微结构822可以是孔、柱或两者的组合。如图8B所示是顶部照射APD 860，然而，根据一些实施方式，使用BOX/SOI可以去除大部分衬底，并且可以在800nm至1100nm的波长范围内从底部照射APD。反向偏压通过P层810施加在P欧姆与接合金属828之间，通过N衬底806施加在N欧姆与接合金属830之间。反向偏压既清除光生载流子也提供电子增益。PD的常用偏置电压为1伏至10伏反向偏压，对于APD，偏置电压的范围约为5伏至50伏反向偏压。对于光电二极管和雪崩光电二极管，如在本文所述的所有PIN、PIPIN器件中，P和N可以互换，例如PIN可以是NIP，PIPIN可以是NINIP。阳极或p层相对于阴极N层负向偏置。
图9A和图9B是示出根据一些实施方式的在第III-V族或Ge材料的选择性区域生长(SAG)之前和之后的选择性区域生长APD结构的方面的图示。图9A示出了具有蚀刻孔922(或柱周围的区域)的Si APD结构。可以进行第III-V族材料或Ge的选择性区域生长(SAG)外延生长，如图9B所示，其中Pa层910和Ia层908可以是非结晶体诸如a-Si：H，或者可以是结晶硅。特别地，微结构的I区934可以是InGaAs或Ge，P区932可以是InGaAs。根据一些实施方式，从PD结构开始，除去雪崩增益层(P层920和I层918)，可以制造具有InGaAs或Ge的SAG PD。其他材料如GaN、ZnSe、InP、GaAs也可用于SAG。根据一些实施方式，还可以使用其他非晶半导体诸如非晶Ge。根据一些实施方式，因为非晶硅具有比高于间接带隙的能量的光子的结晶硅更高的吸收系数，所以可以使用非晶硅。
图10是示出根据一些实施方式的具有PIN外延层的简化微结构型硅光电二极管的图示。孔1022被蚀刻到掩埋氧化物层(BOX)1004，掩埋氧化物层(BOX)1004可以为0.2微米至10微米厚。该结构1060提供硅与二氧化硅之间折射率的高对比度，这可以导致吸收增强。I层1008的厚度可以在0.5微米至5微米的范围内，以及P层1010和N层1006的厚度可以在0.1微米至5微米的范围内。在800nm至900nm或更大的波长范围内，增强吸收可以大于50％。可以针对通过直接调制激光器诸如垂直腔表面发射激光器或其中光调制器对激光进行调制的间接调制而产生的光信号的特定波长范围来优化增强吸收。以Gb/s速率调制的激光是光信号。光信号以法线入射或以与法线呈角度入射照射到微结构型光电二极管1060上。在P欧姆接触、阳极1028和N欧姆接触、阴极1030之间施加反向偏压，用于微结构型光电二极管1060的高速操作。未示出在10nm至100nm厚度的硅表面上的钝化层，钝化层例如通过硅的湿(蒸汽)或干燥氧化、二氧化硅的原子层沉积、化学气相沉积而生长，以减少导致表面复合的悬挂键。
图11是示出根据一些实施方式的具有PIN外延层的简化微结构型硅光电二极管的图示。MS-PD 1160与MS-PD 1060类似，不同之处在于微结构孔1122没有完全蚀刻穿过BOX层1004。根据一些实施方式，可以留下0.01微米至2微米的N层1006。
图12A至图12C示出了根据一些实施方式的使用麦克斯韦传播方程方法的有限差分时域(FDTD)对特定微结构型孔图案进行的模拟的方面。图12A示出了孔的中心至中心在x方向上间隔495nm并且在y方向上间隔860nm的六角形孔图案。如图12B所示，孔被完全蚀刻穿过2微米的深度，以及顶部的孔直径为385nm，底部的孔直径为430nm。图12C是示出使用有限差分时域技术的模拟结果的图。曲线1210、曲线1212和曲线1214分别表示吸收、反射和透射。可以看出，在该特定示例中，在2微米厚的硅的情况下，可以吸收波长范围从805nm至830nm的光的超过60％。通过改变蚀刻的孔直径、间距和深度，可以针对光信号的特定波长优化吸收。根据一些实施方式，孔直径可以在200nm至1800nm之间变化，间隔可以在200nm至3500nm之间变化，以及深度可以在0.1微米至20微米之间变化。
图13是示出根据一些实施方式的具有P-I-N掺杂的高对比度微结构型光电二极管(PD)的外延层结构的图示。从Si 1302中的BOX(掩埋氧化物)1304开始，其中氧化物层厚度的范围为0.1微米至10微米或更大，可以在N Si 1302的顶部生长薄的Ge缓冲层1370。在有或没有Ge缓冲层1370的情况下，随后的N层1306，I层1308，和P层1310可以是Ge和/或第III-V族材料族诸如InGaAs、InP、InGaAsP、GaAs、AlGaAs、GaN、InGaN、AlGaN。如果N层1306，I层1308，和P层1310是Si，则可以省略Ge缓冲层1370。对于PD的高速操作，N层1306可以在0.1微米至5微米的范围内，I层1308的厚度可以在0.2微米至3微米的范围内，以及P层1310可以在0.1微米至2微米的范围内。在该示例中，最终层P层1310可以是层的组合，例如具有InP具有薄的InGaAs覆盖层的P层。
图14是示出根据一些实施方式的具有P-I-N掺杂的高对比度微结构型光电二极管(PD)的外延层结构的图示。PIN异构结构与图13类似，不同之处在于Ge缓冲层1470可以在I层1408和N层1406的界面处或其附近处，其中I层1408和P层1410可以是Ge和/或第III-V族材料族。该结构示例的优点是：对于小于Si的带隙的光子能量，在N层1406中产生较少的电子空穴对，其中光生载流子可以扩散到I层1408中的强场区，导致PD的高速响应中的慢成分。Ge缓冲层对于异质生长可以不是所必需的。
图15是示出根据一些实施方式的具有P-I-N掺杂的高对比度微结构型光电二极管(PD)的外延层结构的图示。PIN异构结构与图13和图14类似，不同之处在于仅I区1508是低带隙材料诸如Ge和/或第III-V族材料族诸如InGaAs、InSb、InGaAsP、InAs。P层1510和N层1506均由高带隙材料制成。根据一些实施方式，P层1510和N层1506具有高于光子能量的带隙能量，I层1508具有低于或等于光子能量的带隙能量。例如，N层1506可以是Si，I层1508可以是InGaAs和/或Ge，以及P层1510可以是Si和/或InP。Ge缓冲层对于异质生长可以是或可以不是所必需的。在P区和N区中具有较高带隙材料的优点是使在这些区中产生的光载流子最少。在P区和N区中产生的光载流子可以扩散到强场区，导致光电二极管对短光脉冲的响应的相对慢的成分。减少在P区和N区中产生的光载流子因此减少“尾部效应”——如在用于以光学方式传输数据的位流中，响应于光学输入脉冲或脉冲组，PD的电脉冲输出的下降时间。P区和N区的高掺杂还减少少数载流子寿命，使得在这些区中产生的光载流子在扩散到强场“I”区之前可以复合。
图16是示出根据一些实施方式的制造高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些方面的图示。图13所示的示例结构示出了一直蚀刻穿过PIN层1310，1308和1306到掩埋在硅层1302中的氧化物层1304的孔1622。可以使用干蚀刻和/或湿蚀刻，可以通过原子层沉积将钝化层添加到暴露表面。在该示例中，Ge缓冲层1370在N层1306和Si层1302的界面处。根据一些实施方式，类似的制造方法用于图14和图15所示的结构。
图17A至图17D是示出根据一些实施方式的孔布置、间隔、大小和钝化层的示例的图示。图17A示出了间隔为280nm，钝化层厚度为50nm的六角形布局。图17B示出了正方形布局。图17C和图17D分别示出了锥形孔轮廓和竖直孔轮廓。所示的示例是针对硅，但是在对尺寸进行小的修改的情况下，这些技术也适用于Ge和第III-V族材料族。孔可以具有圆形截面或根据一些实施方式，例如可以实施为其他形状，例如椭圆形、矩形。
图18是示出根据一些实施方式的制造高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些其他方面的图示。示出了图13和图16所描绘的示例结构。在微结构孔1622被蚀刻之后，沉积且退火P欧姆接触层1828。
图19是示出根据一些实施方式的制造高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些其他方面的图示。示出了图13、图16和图18所描绘的示例结构。在沉积和退火P欧姆金属1828之后，可以蚀刻台面，去除材料1972以限定PD的电容。根据PD所需的RC时间，台面的直径可以在5微米到超过100微米之间。对暴露的P区，I区和N区进行钝化以使由于例如悬挂键而导致的泄漏电流最小。根据一些实施方式，还可以使用离子注入诸如质子轰击来代替台面蚀刻，以通过产生电半绝缘或绝缘区来限定PIN结构的电容。
图20是示出根据一些实施方式的制造高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些其他方面的图示。示出了图13、图16、图18和图19所描绘的示例结构。在台面蚀刻之后，在N层1306上形成环形或部分环形N欧姆接触2030。未示出完成PD的附加工艺步骤，例如由材料诸如聚酰亚胺形成绝缘层，使得形成桥接路径，用于从P欧姆接触1828到接合焊盘(也未示出)连接金属化以用于向P区1310施加电偏压。此外，为简单起见，未示出N欧姆接触2030与N接合焊盘之间的连接金属。反向电偏压被施加到P欧姆接触1828和N欧姆接触2030以在I层1308中产生强场。根据一些实施方式，可以施加负1伏至负10伏的电压。
图21是示出根据一些其他实施方式的有损耗的高对比度微结构型光电二极管(PD)的一些方面的图示。图21示出了光在吸收层1308中经过两次的微结构型PD。这通过将Si衬底1302到氧化物层1304的部分2174去除并且用金属反射器2176诸如Au、Ag、Al或Cu涂覆氧化物来实现。根据一些实施方式，布拉格反射器可以被配置成宽带或波长选择性。根据一些实施方式，布拉格层还可以被包括在P层1310的上表面上，以进一步提供波长选择性，特别是用于粗波分复用或波分复用。
图22A和图22B示出了根据一些实施方式的使用FDTD方法对特定微结构型PD进行的模拟的方面。图22B是示出对于图21所描绘的两次反弹结构的光子的吸收与光子的波长的模拟结果的图。在模拟中使用以下示例厚度：氧化物1304为2微米；P硅1310为300nm，I Si1308为2微米，N硅1302为300nm，反射器2176是厚度为100nm的Au。如图22A所示假设六角形微结构型孔。如图22A所示，孔为600nm的中心到中心的六角形周期，480nm的孔直径和30nm的SiO2钝化。这些尺寸仅是微结构型孔以及其吸收特性与波长的相应模拟的一个示例。如图22B的曲线2210(吸收)和2212(反射)所示，发现在没有微结构型孔的Si的情况下吸收明显高。例如，在850nm波长附近，吸收大于70％。
图23是示出根据一些实施方式的高对比度微结构型PD的方面的图示。下部结构类似于图20的结构：Si衬底2302，SiO2层2304和Si N层2306。还可以设置下Si I层2308。在这种情况下，Ge用作上I层2309和P层2310。P层2310还可以由可以在Ge I层2309上生长的InP制成。InP P层2310的优点是在0.9微米至2微米的波长处吸收较少。P层2310还可以由在GeI层2309上生长的GaAs制成。还示出了微结构孔2322、P欧姆接触2328和N欧姆接触2330。应注意，光可以照射到P层2310的上表面上和/或Si衬底表面2302上。
图24是示出根据一些实施方式的异质外延微结构型PD的方面的图示。在这种情况下，I区可以是由Ge层2470分离的Si(下I层2408)和InGaAs(上I层2409)的复合物。P区2410是InP。根据一些实施方式，I区还可以完全是在缓冲Ge层2470的薄层上生长的InGaAs。还示出了Si衬底2402、氧化物层2404、N层2408、微结构孔2422、P欧姆接触2428和N欧姆接触2430。这是高对比度微结构型PD结构的示例。高对比度微结构型PD结构还可以包括如图21所示的金属反射器，其中通过在PD下方蚀刻到氧化物层来去除Si，并且可以沉积Au、Ag、Al或Cu金属层以将光反射回I吸收层。还可以如上所述使用布拉格反射器。在本示例中，光来自P层侧。光还可以来自Si衬底侧，在这种情况下，反射器被放置在P层表面上，以两次经过I层。这样的布置的优点包括保持单程I层厚度不变化，同时通过两次或更多次经过吸收区来大大改进吸收。通过将吸收区厚度减小到例如单程PD的一半，因为光生载流子的经过时间必须要仅穿过单程PD的距离的一半，所以PD的速度增大。高对比度微结构是指一个表面界面处的微结构和空间或大气与另一表面界面处的SiO2和或体半导体材料之间的折射率差异。光以耦合本征晶胞或谐振器晶胞的复杂方式与微结构相互作用，其中除了可能会发生线性和非线性光场增强之外，晶格中的每个六角形晶胞或正方形晶胞可以被认为是耦合到其相邻晶胞或谐振器的单个谐振器。如果没有或有很少的光学损耗，则耦合谐振器结构可以具有高的Q(谐振器的品质因数)，或者换句话说，例如，光可以在渐次减弱之前在微结构中来回反弹超过104次至超过106次。然而，在光学损耗如由于吸收弱的情况下，Q可以较低，并且光可以在微结构中来回反弹小于100次，或甚至小于20至30次。PD/APD中的微结构是低Q高对比度结构或有损耗的高对比度结构，每个晶胞的Q耦合到相邻晶胞。
图25示出了根据一些实施方式的用于光发射器诸如发光二极管(LED)或垂直表面发射激光器(VCSEL)的高对比度结构。光发射器2500是异质外延层结构。Si层2506形成在Si衬底2502和BOX/SiO2层2504上。缓冲Ge层2570可以在Si层2506上生长随后是层2510，层2510可以是由GaAs和AlGaAs包覆的InAs量子点2572。此外，其中“I”层可以薄到约1000nm或更薄并且其中结构是正向偏置的简单Si PIN微结构可以是光子发射器。
图26示出了根据一些实施方式的例如用于高对比度1.3微米波长光电发射器(PE)的基本结构。使用下述来形成1.3微米波长发射器的有源层：InAs量子点层2570(图25所示)或图26中的2670，其被夹在GaAs P层2604与N层2606之间，进而又被夹在AlGaAS P层2608与N层2602之间，并且P GaAs覆盖层2610作为最终层。可以在文献中找到常用厚度。参见，例如AY Liu，S Srinivasan，J Norman，AC Gossard，JE Bowers，Quantum Dot Lasers ForSilicon Photonics，Photonics Research 3(5)，B1-B9(2015)，其通过引用并入本文。此外，还可以有多层量子点和/或包覆层。微结构可以被设计成使得驻波波峰位于一个或更多个QD层以优化增益和光场交叠。对于MS-PD/APD，微结构的长度还可以使得在特定波长处，整数个波长是往复行程，以优化例如在该特定波长处的吸收增强。此外，相较于没有任何微结构的类似结构，单个微结构例如单孔还可以增强PE或MS-PD/APD的吸收或发射。
图27是示出根据一些实施方式的具有蚀刻孔的高对比度微结构型光电发射器(PE)结构的一些基本特征的图示。材料结构类似于图25所示的PE 2500的材料结构。微结构孔2722被蚀刻到有源层2510中。使用P和N欧姆接触2728和2730，器件2700以正向偏压偏置，P相对于N为正以从有源层2510生成光子，在本示例中有源层2510包括1.3微米波长的InAs量子点2572。其他有源层、包覆层可用于产生从可见光到红外的其他波长的光。根据光的波长，可以从顶表面和/或底表面发射光穿过氧化层2504。微结构型高对比度光子发射器的优点在于因为该结构具有非常小的光损耗并且量子点提供光学增益，由于高对比度结构可以具有非常高的Q，Q的范围在103至100万以上，所以在激光较长的情况下光子与有源层和/或增益层相互作用。高对比度低损耗微结构型光电发射器可以作为LED、VCSEL和/或激光器和/或超辐射LED进行操作。PE使用阳极被正向偏置，2728是P欧姆，或P层相对于阴极为正电压，2730是N欧姆或N层。
图28是示出根据一些其他实施方式的PE的一些方面的图示。PE2800类似于图27所示的PE 2700，不同之处在于衬底2502的在发光区下方到氧化物层2504的部分2874被去除。反射器、金属和/或布拉格如分布式布拉格反射器(DBR)2876形成在氧化物层上以将在有源层产生的光反射回P层2510表面。根据一些实施方式，器件2800以LED模式和/或以激光模式进行操作。
图29是示出根据一些实施方式的PE的一些方面的图示。PE 2900类似于图28的PE2800，不同之处在于PE 2900包括反射器2928，反射器2928可以是金属并且如果需要还可以用作P欧姆接触。根据一些实施方式，可以设置单独的P欧姆。反射器2928还可以是分布式布拉格反射器和/或部分金属且部分DBR。光从氧化物层2504的下表面发射并通过衬底2502，衬底2502的部分2874被去除。光发射器2900可以以LED和/或激光模式诸如VCSEL模式进行操作。根据一些实施方式，光发射器2900可以以边缘模式进行操作，其中在沿着发射边缘有或没有镜子诸如DBR或金属的情况下，光沿有源层的平面而不是垂直于有源层的平面发射。
图30是示出根据一些其他实施方式的PE的一些方面的图示。PE3000类似于图29的PE 2900但被配置为VCSEL(垂直腔表面发射激光器)。PE 3000异质外延生长在Si上具有高对比度微结构型孔(或柱)。应注意，为简单起见，仅显示非常基本的部件。高对比度结构可以夹在反射器2928和反射器3076之间。P层2510可以是通过半导体外延生长的DBR并且随后是P欧姆金属化层2928。根据一些实施方式，DBR可以由导电氧化物或非导电氧化物以及如图28所示DBR侧和/或DBR上的P金属形成。氧化物层2504的底侧上的镜子3076可以是不同折射率的介电层的DBR和/或金属。如图所示光输出是从底部，但也可以是从顶部。
图31是示出根据一些实施方式的简单PIN光电二极管结构的一些方面的图示。为了使由于强场区外部的区域中产生的光载流子引起的扩散电流最小，“I”层3108、P层和N层3110和3106被高掺杂和/或简并掺杂以减少少数载流子寿命。N和P掺杂可以在1×1018至8×1021/cm3或更高的范围内。I层3108被非有意掺杂，并且可以小于5×1016/cm3。还示出了氧化物层3104和Si衬底3102。如在先前的示例中，在添加或未添加Ge缓冲层的情况下，可以生长Ge和/或第III-V族材料，并且P层和N层还可以被高掺杂和/或简并掺杂。掺杂不需要是均匀的，并且可以具有层次，例如掺杂在P或N层在“I”层界面附近减少以使外延生长期间进入“I”层的掺杂物的扩散最小。
通过减少P层和N层中的少数载流子寿命，这些层中的光生载流子在扩散和/或漂移到强场“I”之前可以复合，其中电子和/或空穴可以产生可导致光电二极管调制频率响应劣化的光电流。因此，有利于使由于在强场区外部产生的载流子造成的光电流的贡献最小。
减少少数载流子寿命的其他方法包括诸如经由在P区和/或N区中部分和/或完全进行离子注入来引入缺陷。引入的离子可以是惰性离子，和/或在部分、全部或未热退火情况下的活性离子。此外，微结构型孔(和/或柱)可以具有或不具有部分钝化，使得N层和P层的低场区中的表面状态可以用作载流子阱，而在“I”层的强场区中，载流子被快速清除。钝化还可以是选择性的，主要在“I”层。
图32是示出根据一些实施方式的MS-PD制造的方面的图示。初始材料结构可以如图31的结构3100所描绘的那样。示出了简单NIP(针对PIN，N和P可互换)微结构型光电二极管，其中孔3222被蚀刻到P层3106的顶部。目的是钝化N和“I”层壁，并且不钝化P层壁，从而减少P层中的由例如780nm至980nm波长的光产生的少数载流子的寿命。未钝化的P壁上的表面状态可以用作少数载流子在其中被复合的电势阱。
图33是示出根据一些实施方式的MS-PD制造的方面的图示。示出了N和“I”层的孔3222的侧壁的钝化，其结果是钝化层3324。可以使用SiO2的热氧化和或原子层沉积来实现钝化。例如，5nm至50nm厚的热氧化物3324可以生长在侧壁上。也可以生长其他厚度，在热氧化之后，可以继续蚀刻孔，例如，蚀刻穿过P层3106到达SiO2层3104。并未示出所有的工艺步骤，例如，在继续蚀刻孔期间，N层可被热氧化物保护(未示出)。
图34是示出根据一些实施方式的MS-PD制造的方面的图示。在钝化之后，如区域3422所示，孔3222被进一步蚀刻。应注意，N层和P层可以互换，从而替代如本示例所示的NIP结构，也可以是PIN结构。孔3222可以被蚀刻到SiO2层3104和/或孔3222可以仅部分蚀刻穿过P层3106，从而保留薄的P层。在本示例中，孔3222在P层3106内的侧面未被钝化，以使得表面状态将由光生成的任何少数载流子拉向其电势阱并导致复合。根据一些实施方式，P层3106还可以被钝化和/或部分钝化。由于层3106还可以是重掺杂的，所以少数载流子寿命可以在10s皮秒或更小。
图35是示出根据一些实施方式的MS-PD的方面的图示。微结构型NIP光电二极管3560包括具有N和“I”层的钝化侧壁但不具有P层的钝化侧壁的微结构孔3222。分别添加N和P层的欧姆接触3528和欧姆接触3530以提供用于光电二极管3560的高速操作的反向偏压。照射在光电二极管的N侧的光与N层平面呈法线和/或偏离法线。
图36是示出根据一些实施方式的MS-PD的方面的图示。微结构型孔光电二极管3660具有Si NIP层，其中与图35所示的PD 3560类似，在侧壁上部分钝化。然而，使用PD3660，光经由光纤3680从Si衬底侧进入，其中过孔3672被蚀刻以使得能进行自对准处理，其中具有或不具有透镜3682的光纤3680沿着过孔3672被引导至用于将光最佳耦合到微结构型光电二极管3660中的正确位置。约0.1微米至10微米厚的电介质层3676可以位于孔3222上方的N层3110上。在电介质层3676的顶部可以是金属反射器3678诸如Ag或Au(例如，或任何其他合适的金属或合金，诸如Al、Ni、Cr)和/或电介质堆叠诸如布拉格反射器(BR)，以将光反射回吸收“I”层3108。还可以设置抗反射涂层3674。同样如在前面的示例中，还可以在添加或不添加Ge缓冲层的情况下生长Ge和/或第III-V族材料。
图37是示出根据一些实施方式的减少少数载流子寿命的技术的图示。在这种情况下，使用表面和体复合，而不是钝化或部分钝化孔表面。大于1020/cm3的高掺杂可以将扩散长度减小到例如小于0.1微米(俄歇(Auger)复合)。此外，离子注入用于在层3710和层3706中引入缺陷3770和缺陷3772。半导体中的缺陷还可以经由Shockley-Read-Hall复合处理导致寿命缩短。可以将离子诸如Xe、Bi、Ti、Cr、Ar、N等注入到N层和/或P层中。与对于器件操作期望长的少数载流子寿命的已知结构相比，所描述的技术通过外延生长和/或金属、非金属和惰性离子的离子注入引入缺陷，以增加由于Shockley-Read-Hall效应产生的复合率。由于可以导致少数载流子寿命短的缺陷，可以产生深和/或浅的陷阱。在P区和N区期望少数载流子的短寿命，以使扩散电流的贡献最小，这些扩散电流找到可以产生光电流的到强场区“I”层的路径。扩散和/或漂移到“I”区的这些“慢”扩散电流可以通过对光电二极管的光电流时间响应特性贡献缓慢的成分而导致光电二极管的时间响应降低。
图38A至图38C描述了被模拟的微结构型光电二极管的各种参数。图38A示出了在孔中心之间具有距离“d”的六角形孔图案。图38B示出了在孔中心之间具有距离“d”的正方形图案。图38C是用于使用FDTD方法进行模拟的参数表。已经发现，对于光信号的波长范围为例如850nm至950nm以及至980nm而言，在2微米至2.5微米厚的SiO2层上有2微米厚的硅层以及在孔的六角形晶格中孔直径为1300nm至1500nm并且周期为2000纳米的情况下可以实现大于90％的吸收。此外，波长可以在750nm至1000nm范围内。孔直径可以是亚波长到大于入射光信号的波长，直径范围从100nm到3000nm。Si吸收层的厚度可以在0.3微米至10微米的范围内。SiO2层的范围可以为0.2微米至10微米。根据一些实施方式，还可以使用混合孔直径来优化入射光子的吸收。
图39是描绘使用FDTD对微结构型孔光电二极管针对吸收相对波长模拟的结果曲线图。光电二极管吸收“I”层的厚度为2微米，孔直径范围为1000nm至1500nm。入射能量波长范围为850nm至950nm。三条曲线3910，3912和3914分别绘制了1000nm，1300nm和1500nm孔直径的吸收。模拟结果表明，对于具有2000nm的周期的孔的六角形晶格，在850nm至870nm的波长范围内，1500nm的孔直径实现大于90％的吸收，以及在875nm至950nm的波长范围内，1300nm的孔直径可以实现大于80％的吸收。2微米Si位于2微米至2.5微米的SiO2层的顶部。可以看出，相较于没有任何特征的常规硅层，具有大于入射波长的孔直径可以用于增强吸收。
图40是示出根据一些实施方式的具有P-I-P-I-N外延结构的微结构型雪崩光电二极管(APD)的图示。在图40的情况下，例如，APD 4060的所有层均为用于780nm至1000nm的光通信波长的硅。APD 4060还可以在可见的波长范围内操作。数据速率的范围在100Mb/s至50Gb/s或更大。反向偏置电压施加在P欧姆接触4028和N欧姆接触4030之间，电压范围为-4伏至-50伏。例如，雪崩微结构型光电二极管4060可以具有以下掺杂和厚度：P层4010，掺杂>1×1019/cm3，厚度0.1μm至1.0μm；I层4008，掺杂<1×1016/cm3，厚度为0.5μm至3μm；P层4020，掺杂1×1017/cm3至3×1017/cm3，厚度0.1μm至0.5μm；I层4018，掺杂<1×1016/cm3，厚度0.3μm至1μm；以及N层4006，掺杂>1×1019/cm3，厚度为0.5μm至3μm。根据一些实施方式，顶部两层4010和4008还可以是Ge而不是Si。孔4022可以被部分蚀刻穿过APD层或者如图40所示被完全蚀刻到S1O2层4004。
如在微结构型光电二极管的情况下，对于APD，光信号可以从前侧(外延层侧)或背面(衬底侧)照射。此外，通过衬底中的过孔，可以在SiO2上沉积反射器，导致APD结构内的光信号的双重或多次反弹。根据一些实施方式，P和N可互换，得到N-I-N-I-P微结构的APD。
图41是示出根据一些其他实施方式的具有P-I-P-I-N外延结构的微结构型雪崩光电二极管(APD)的图示。APD 4160与图40所描绘的APD4060类似，不同之处在于孔4122(或柱)被部分蚀刻。在图41所示的示例中，孔4122被部分蚀刻到P层4020中和/或在P层4020处停止。根据一些其他实施方式，孔4122可以被部分蚀刻到I吸收层4008中。
图42是示出根据一些实施方式的具有Ge吸收层和Ge P覆盖层的微结构型APD的图示。APD 4260与图40所描绘的APD 4060相似或相同，除了两个上层4210和4208是Ge而不是Si之外。APD 4260可以具有与上述APD 4060相同的掺杂和厚度范围，除了P Ge层4210可以具有大于1×1020/cm3的掺杂水平之外。在掩埋氧化物(BOX)硅衬底上外延生长APD结构P(Ge)-I(Ge)-P(Si)-I(Si)-N(Si)之后，然后蚀刻微结构。微结构可以是孔/柱或两者的组合。可以对SiO2层进行蚀刻，或者还可以部分蚀刻到在到达SiO2层4004之前的深度，例如，可以将孔蚀刻至P Si层4020或蚀刻到P Si层4020中。期望具有微结构的Ge吸收层4208使得光信号能够在780nm至2000nm的波长处以100Mb/s至50Gb/s或更高的数据速率进行操作。光信号可以从顶表面(外延表面)或底表面(衬底表面)照射。使用沉积在SiO2上的过孔和反射器，从顶表面照射的光信号可以被二次和/或多次反射回吸收I(Ge)层4208。由于Si、空气和Ge之间存在光学折射率差异，所以可以建立驻波，并且可以优化结构的厚度以使吸收层处于驻波也称为静止波或本征模的峰值强度。此外，在Si是透明的波长处，可以将微透镜蚀刻到Si衬底中，以帮助将光信号从底表面耦合到APD中。SiO2和反射器还可以被放置在P(Ge)4210表面上以将从底部照射的光学信号反射回吸收I(Ge)层4208。反向偏置电压施加在P欧姆接触4028和N欧姆接触4030之间，反向偏置电压范围从-4伏到-50伏。
图43A至图43D示出了根据一些实施方式的微结构型光电二极管和APD的偏振敏感度。图43A示出了用于模拟的几何形状。孔在大小和周期上是对称的；光信号沿着B或A的电场偏振示出了MS-PD/APD的吸收特性的差异小于5％。吸收等于入射光减去光的透射和反射，量子效率与吸收成正比。在孔尺寸“a”和“b”的尺寸不相同的情况下，MS-PD/APD示出偏振敏感度。在图43B中，曲线4310绘出“a”和“b”尺寸均等于1000nm时的吸收相对波长。吸收特性显示小于5％的差异。图43C示出了a＝1300nm和b＝870nm的情况下的结果。曲线4320和曲线4322示出了沿着A或B的偏振下吸收值的差异可以看出多达2倍。图43D示出了a＝1500nm和b＝650nm的情况下的结果。曲线4330和曲线4332示出了由偏振取向引起的吸收差异也可以多达2倍。在“a”，“b”，A和B的尺寸都进一步变化时，由于偏振取向引起的吸收差异可以是10至100倍或更多。偏振“不敏感”(由于偏振取向引起的吸收变化小于5％的)和偏振敏感(吸收变化为10或更多倍的偏振取向)的光电二极管和APD都是有用的。在信号不被偏振复用的情况下，例如在使用相同波长的情况下，可以传输两个通道，一个通道具有一个偏振，另一通道与第一通道正交。例如，每个通道可以在相同波长处以特定偏振以25Gb/s传输。在接收端，使用偏振敏感光电检测器对信号进行解复用。在850nm的波长下，聚合数据速率为50Gb/s。在激光器的直接调制中，激光器的光谱总是比例如以CW模式操作的激光器的光谱宽。光谱可以加宽多达几纳米(例如3nm)。因此，在850nm处，如果激光器被直接调制，则中心频率可以在850nm处加宽多达约正负1.5w nm。在垂直腔表面发射激光器中，由于多个横向模式，所以横向模式可以明显地贡献更宽的频谱。在多模系统中，这是可取的，因为这减少了模式选择的损耗。
图44示出了根据一些实施方式的与跨阻抗放大器和/或用于数据处理和路由的另一ASIC(专用集成电路)集成的MS-PD/APD。工艺可以是CMOS和/或BiCMOS。示出MS-PD/APD4420通过电引线4422电连接到电子器件4430(例如跨阻抗放大器(TIA)和/或另一ASIC)。这些部件全部集成到单个硅衬底4410上。将微结构型PD/APD与IC电子器件集成的一个优点是减少封装成本，其中，使用还可以在不使用多芯片陶瓷载体的情况下直接放置在电路板上的单个芯片替代两个或更多个单独器件。将MS-PD/APD与电子器件集成在单个芯片上的另一个优点是由于省略了连接到欧姆接触的相对较大的接合焊盘所以可能具有低电容。针对所有硅微结构型PD/APD的工作波长范围为800nm至990nm。随着Ge微结构型吸收层的添加，工作波长可以扩展到1800nm。可以单独或以阵列方式实现以数据速率10Gb/s、28Gb/s、58Gb/s进行操作。根据协议和链路应用，数据速率还可以是1Gb/s、5Gb/s、20Gb/s、25Gb/s、30Gb/s、40Gb/s。通常在多模光纤和/或光纤上的高数据速率在距离1米以下至100米以上的长度的距离处使用。多重光纤和微结构型PD/APD(MS-PD/APD)阵列可用于提供100Gb/s至超过400Gb/s的聚合数据速率。例如，10个光纤通道，每个光纤以10Gb/s运行，以及与IC电子器件诸如跨阻抗放大器(TIA)和/或其他信号处理/路由IC电子器件集成在单个硅芯片上的10个MS-PD/APD阵列可以具有100Gb/s的聚合数据速率。如果每个通道为56Gb/s，则10个通道的聚合数据速率可以超过500Gb/s。
图45是示出根据一些实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示。根据一些实施方式，TIA和/或其他信号处理集成电路4530是使用CMOS和/或BiCMOS工艺制造。使用焊料凸块4512和焊料凸块4514和/或类似的凸块技术将芯片4510附接到PCB(印刷电路板)4550。根据一些实施方式，使用一些或全部焊料凸块4512在芯片4510与PCB 4550之间进行电连接，而因为可以不需要直接在MS-PD/APD 4520与PCB 4550之间进行电连接，所以焊料凸块4514仅用于物理安装和/或稳定。根据一些实施方式，芯片4510附接到另一芯片或多芯片载体而不是PCB 4550。将芯片4510直接封装到PCB 4550上比已知现有技术封装降低多达80％的封装成本，其中在将多芯片陶瓷载体放置在PCB上之前，首先将PD和IC电子器件安装在该载体上。此外，可以在硅芯片4510上制造集成光学透镜4522，以将光从光纤4524聚焦到MS-PD/APD 4520。应注意，在这种布置中，光信号从MS-PD/APD 4520的衬底侧进入。Si上的集成透镜4522可用于工作波长大于1100nm(例如1100nm至1800nm)的情况，Ge微结构可用于对进入光信号的吸收。
图46是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示。芯片和安装技术与图45中所描绘和针对图45所描绘的芯片和安装技术相似或相同。在这种情况下，芯片4510包括其中将至MS-PD/APD 4520的光路中的大部分或全部硅去除的过孔4626。设置集成电介质透镜4622以收集光并将其引导到MS-PD/APD 4520上。根据一些实施方式，使用光导管代替透镜4622。过孔4626的侧壁可以涂覆有电介质和/或金属以帮助收集光。可以在透镜4622上设置抗反射涂层，以减少光信号反射回光纤4524中的任何反射。此外，可以倾斜光纤4524或芯片4510以减少反射回光纤4524中的任何反射。光纤4524用于以小于1Gb/s到大于60Gb/s范围内的数据速率将光信号从激光源带到集成的PD/APD和IC电子芯片4510。根据一些实施方式，可以使用约1Gb/s、5Gb/s、10Gb/s、20Gb/s、28Gb/s、50Gb/s、56Gb/s的数据速率。根据一些实施方式，对于所有硅微结构型PD/APD(MS-PD/APD)，光信号波长可以在800nm至990nm范围内，以及在微结构型Ge用于吸收层的情况下，波长可以扩展到1800nm。
图47是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示。芯片和安装技术与图45和图46中描绘的以及针对图45和图46描述的芯片和安装技术相似或相同。如图45和图46所示，单个芯片4510包含光学元件和电子元件。在芯片4510的衬底中有过孔4626从而除去到与集成的菲涅耳透镜4722一起的MS-PD/APD 4520的光路中的Si的大部分或全部的情况下，从光纤4524高效地收集光信号。所收集的光信号照射在MS-PD/APD 4520上。根据一些实施方式，替代菲涅尔透镜4722，使用高对比度光栅(HCG)。根据一些实施方式，HCG可以具有滤波效果，使得仅特定的光波长可以传输至MS-PD/APD，而其余的光波长被反射。该带通性质对于在单条光纤中使用多个波长的粗波分复用(CWDM)而言是有用的。
图48是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示。芯片和安装技术与图45至图47中描绘的以及针对图45至图47描述的芯片和安装技术相似或相同。过孔4626的壁可以使用电介质和/或金属来涂覆以提供用于使光照射在MS-PD/APD 4520上的光导管。然后可以将光纤4524插入到过孔4626中，使得光纤4524提供用于将光纤4524对准MS-PD/APD 4520的引导，从而简化了光纤到MS-PD/APD的光学封装和对准，并且成本降低大约30％或更多。根据一些实施方式，光纤4524也可以逐渐变细以及/或者过孔4626可以具有多个直径，使得过孔4626向光纤4524提供停止。例如，过孔4626中的阶梯设置成使得光纤4524的边缘可以搁置在阶梯上，在此处可以将光纤附接至硅。该阶梯式布置还提供光纤与MS-PD/APD之间的精确距离，以获得最佳光采集。根据一些实施方式，可以在过孔4626中——特别是在光纤4524与MS-PD/APD 4520之间的空间中——使用折射率匹配流体、凝胶和/或聚合物和/或电介质体或薄膜，以优化从光纤到MS-PD/APD的光信号的传输。
如上面所提及的，在光从衬底侧进入(底部照明)情况下，MS-PD/APD可以采用MS-PD/APD内的光信号的双次反弹和/或多次反弹。这使得吸收层变薄，同时仍获得高量子效率。更薄的吸收层也将允许更快的渡越时间，从而使得MS-PD/APD以更高的数据速率进行操作。
图49是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示。芯片和安装技术与图45至图48中描绘的以及针对图45至图48描述的芯片和安装技术相似或相同。在该示例中，球透镜4922位于过孔4626内，以高效地将光从光纤4524耦合至MS-PD/APD 4520。球透镜4922可以坐于过孔4626中，以将透镜对准MS-PD/APD 4520。
图50是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示。芯片和安装技术与图45至图49中描绘的以及针对图45至图49描述的芯片和安装技术相似或相同。在该示例中，球透镜5022坐于过孔4626中，其中，大部分或全部硅被蚀刻掉，使得光主要在空气和/或折射率匹配材料例如流体、凝胶、聚合物、固体中传播。此外，过孔4626用作用于将光纤4626对准球透镜5022并转而对准MS-PD/APD 4520的引导和/或停止。
图51是示出根据一些其他实施方式的与TIA和/或另一信号处理IC集成在单个硅芯片上的MS-PD/APD的倒装芯片布置的一些方面的图示。除了MS-PD/APD 5120和TIA和/或其他信号处理集成电路5130安装在硅芯片5110的上表面上或上表面附近之外，芯片和安装技术与图45至图50中描绘的以及针对图45至图50描述的芯片和安装技术类似。金属导体管道5132和5134可以由Al、Cu、Mo、W、Ni或TiN等制成。管道5132将MS-PD/APD 5120连接至IC电子器件5130。管道5134使用例如凸块技术例如焊料凸块将IC电子器件5130连接至PCB 4550(或芯片载体)上的迹线，从而使得芯片与PCB和/或芯片载体良好对准。根据一些实施方式，还可以采用使用引线接合的其他方法来将IC电子器件连接至PCB和/或芯片载体上的迹线。使光纤4524靠近MS-PD/APD 5120，并且该布置可以包括光纤4524的尖端上的球透镜和/或光纤与MS-PD/APD之间的球透镜。例如针对图45至图50所描述的那样，还可以使用其他光聚焦元件例如光栅、菲涅耳透镜等。根据一些实施方式，如果存在如上所述的MS-PD/APD结构中所示的折射率不连续性例如掩埋的二氧化硅层(BOX，掩埋的氧化物)和/或微结构的有效折射率与体材料的折射率的变化，则从外延表面照射的光(顶部照射)也可以具有MS-PD/APD 5120内的光信号的双次反弹和/或多次反弹。MS-PD/APD内的光信号的双次和/或多次反弹允许更薄的吸收层，而不会显著地牺牲量子效率和短的渡越时间，从而使得MS-PD/APD以更高数据速率进行操作。双次反弹或多次反弹的光是指在穿过MS-PD/APD时未吸收并且离开MS-PD/APD结构的光；这些光子朝向MS-PD/APD结构被反射回。在孔和/或柱的微结构内，光也可以处于谐振和/或耦合谐振状态，这可以引起增大的有效吸收系数和/或增大的有效吸收长度。
图52是示出与IC电子器件例如TIA和/或其他信号处理及路由电子器件集成在单个Si芯片上的MS-PD/APD的阵列的图。例如，阵列可以包括与用于信号处理、路由、存储的IC电子器件例如TIA和/或ASIC集成的2至超过10个MS-PD/APD。在所示的示例中，示出了安装在单个Si芯片5210上的四个MS-PD/APD 5220、5222、5224和5226。MS-PD/APD 5220、5222、5224和5226分别连接至IC电子器件5230、5232、5234和5236。然而，根据一些实施方式，多个MS-PD/APD连接至Si芯片上的单个IC电子单元，或者多个IC电子单元连接至单个MS-PD/APD。阵列中的MS-PD/APD可以是相同的，例如针对相同波长例如850nm至870nm优化微结构例如孔直径和周期。根据其他实施方式，可以针对不同波段的波长来优化阵列中的每个MS-PD/APD。例如，如果阵列中存在四个MS-PD/APD，则可以通过优化每个MS-PD/APD的孔直径和周期分别在850nm至870nm、875nm至895nm、900nm至920nm和920nm至950nm(或其任何组合)处来优化MS-PD/APD。参见例如Molin等人的“850-950nm wideband OM4multimode fiberfor next generation WDM systems”，OFC(2015)，其通过引用并入到本文中。取决于光学数据链路的标准和协议及应用，数据速率可以是1、5、10、16、20、25、28、32、40、56和更大，并且其间的所有范围都是可能的。光纤5240、5242、5244和5246可以是分离的光纤或可以被提供作为平行光纤带。光纤5240、5242、5244和5246可以各自承载用于WDM和CWDM的单个波段的波长和/或多个波段的波长，以给出100Gb/s至1Tb/s或更大的聚合数据速率。例如，具有各自以10Gb/s的10个光纤通道的10个MS-PD/APD的阵列提供100Gb/s的聚合数据速率。具有各自以25Gb/s至28Gb/s的4个光纤通道的四个MS-PD/APD的阵列提供100Gb/s的聚合数据速率、具有各自以56Gb/s的两个光纤通道的两个MS-PD/APD阵列提供100+Gb/s的聚合数据速率。如果每个光纤通道可以承载多个波长波段例如850nm至870nm和875nm至895nm并且每个波长波段可以以25Gb/s至28Gb/s传输，则4个光纤的阵列可以有效地具有超过200Gb/s的聚合数据速率。
图53是示出根据一些实施方式的用于高数据速率MS-PD的外延结构的图。所示的结构能够大于10Gb/s。孔5322被蚀刻至SiO2BOX层5304，或者孔5322可以被蚀刻至例如P层5306和/或被部分蚀刻到P层5306中。掺杂和厚度如下：Si衬底5302的厚度为150μm；BOX层5304的厚度为2μm至4μm；P+层5306的厚度为0.2μm至1μm，其中，掺杂>1×1020/cm3；I层5308的厚度为1.5μm至2μm并且被非有意掺杂(小于5×1016/cm3)；以及N+层5310的厚度为0.2μm至0.5μm，其中，掺杂>1×1019/cm3。N层5310和P层5308的高掺杂使少数载流子的寿命减少以使可能导致PD响应慢的扩散电流最小。根据一些实施方式，使用高达>1×1020/cm3和1×1021/cm3的掺杂，使得少数载流子寿命以皮秒为单位，并且串联电阻降低。
图54是示出根据一些实施方式的用于高数据速率MS-PD的外延结构的图。除了将孔5422蚀刻至P层5306的顶部和/或刚好进入到P层5306中之外，结构和掺杂与图53中描绘的以及针对图53描述的结构和掺杂类似或相同。
图55是示出根据一些实施方式的用于高数据速率MS-PD的外延结构的图。除了将孔5522蚀刻到P层5306中至少一半之外，结构和掺杂与图53和图54中描绘的以及针对图53和图54描述的结构和掺杂类似或相同。
图56是示出根据一些实施方式的MS-PD的台面尺寸、孔直径、孔周期距离和晶格图案的表。在这些示例中，晶格可以是六角形或正方形。孔可以是圆形的、椭圆形的、多边形的。孔在周期为2000nm的情况下直径为1300nm、在周期为2000nm的情况下直径为1500nm、在周期为1000nm的情况下直径为700nm、在周期为900nm的情况下直径为630nm。操作波长为800nm至990nm，并且材料为Si。可以包括薄的SiO2钝化层，其厚度范围为3nm至100nm。取决于MS-PD的数据速率，部分地限定MS-PD(不包括接合焊盘和接触金属)的电容的台面尺寸为5μm、10μm、20μm、25μm、30μm、40μm、50μm和80μm。低电容和短渡越时间引起更高数据速率MS-PD。
图57A和图57B是示出根据一些实施方式的六角形以及正方形的晶格孔图案的图。图57A示出了六角形的晶格图案，而图57B示出了正方形的图案，其中“d”是每种情况下的周期。根据一些实施方式，这些布局针对图56所示的MS-PD的示例参数。
图58是示出根据一些实施方式的硅MS-PD的外延层结构的图。结构厚度和掺杂如下：Si衬底5802为150μm；BOX(掩埋氧化物)层5804的厚度为2μm至4μm；Si P层5806的厚度为0.2μm至0.5μm并且被掺杂成>2×1020/cm3。Si I层5808的厚度约为1.5μm至2μm并且被非有意掺杂(具有小于5×1016/cm3的背景掺杂)；Si N层5810的厚度约为0.2μm并且被掺杂成>2×1020/cm3。例如，P层和N层的高掺杂也可以是>1×1019/cm3。根据一些实施方式，在P Si5806和I Si 5808的界面处可以包括由材料例如SiGeB、SiGeC或SiGeBC制成的厚度为5nm至50nm的蚀刻停止层，以在蚀刻微结构孔和/或台面期间协助工艺。如果使用被重P型掺杂的SiGeB，则能够得到结构为N-I-P型。P区和N区的高掺杂除了减小薄层电阻之外也减少了少数载流子寿命，使得在P和N区中吸收的光子对光电流的贡献最小。P区和N区中的减少的少数载流子寿命减少了光生载流子向强场“I”区的扩散，其中，少数载流子被扫掠到阳极和阴极并且对光电流有贡献。
图59是示出根据一些实施方式的MS-PD的各方面的图示。材料结构——包括厚度和掺杂——与图58中描绘的以及针对图58描述的材料结构相似或相同。在图59的情况下，层5910和层5906中的P掺杂和N掺杂被互换，从而得到P-I-N布置。注意，在图58或图59中，该布置可以是P-I-N或N-I-P。孔5922被蚀刻至SiO2层5804，并且P欧姆接触5928和N欧姆接触5930分别与P层5910和N层5906接触。对台面进行蚀刻以限定光敏区域并限定PIN结构的电容。取决于MS-PD被设计用于的数据速率(如针对图56描述的)，台面直径范围为从10μm到80μm。对于20Gb/s至40Gb/s，台面的直径通常为20μm至40μm的直径。具有0.2μm厚度和>2×1020/cm3的掺杂的P层5910可以具有小于大约50欧姆的薄层电阻率。具有0.2μm厚度和掺杂>2×1020/cm3的N层5906可以提供小于大约35欧姆的薄层电阻。例如，P层和N层的高掺杂也可以>1×1019/cm3。较薄的P层和N层使得更高百分比的光功率处于“I”层中，并且在P层和N层中的百分比较小，从而最大化MS-PD的量子效率。为简单起见，未示出钝化、聚酰亚胺桥、接合焊盘和其他工艺步骤。在P接触与N接触之间施加反向偏置电压，以在“I”层中形成强场区。电压的范围通常为约2V至6V。在所示的情况下，照明可以以法线角度或偏离法线的角度从顶部进行。波长的范围为800nm至990nm，但也可以使用其他波长例如780nm。标称波长为850nm并且也可以包括波长如810nm至830nm、830nm至850nm、850nm至880nm、930nm至960nm、960nm至990nm。
图60是示出根据一些实施方式的MS-PD的各方面的图示。MS-PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图58和图60中描绘的以及针对图58和图60描述的MS-PD类似或相同。在这种情况下，孔6022被蚀刻至N层5906和/或蚀刻到N层5906中，但不会如图59所示全部蚀刻至SiO2层5804。因此，在N层中不存在增强的吸收，这可以引起在“I”层中的光功率的较高百分比，这倾向于提高MS-PD的量子效率。SiO2层5804可以是需要的或可以是不需要的。
图61是示出根据一些实施方式的MS-PD的各方面的图示。MS-PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图58至图61中描绘的以及针对图58至图61描述的MS-PD类似或相同。在这种情况下，Si MS-PD从衬底侧被照射(本文中也称为背面照射或底部照射)。对过孔6170进行蚀刻以去除硅衬底并且蚀刻至SiO2层5804或近乎至SiO2层或到SiO2层中或穿过SiO2层。去除Si衬底5802以使在800nm至990nm波长范围内的光损耗最小。制造P层5910表面上的反射器6132，其可以包括填充工艺例如聚酰亚胺、固体二氧化碳或旋涂玻璃(SOG)，使得反射器6132不会使PIN二极管变短。注意，反射器6132不需要精确地为平面的，而是可以在具有孔的区域中是凹面的，这可以增强光波的俘获。反射器6132可以是电介质、布拉格反射器、导电透明金属氧化物、金属或合金例如Ag、Au或其任何组合。氧化铟锡(ITO)也可以与非导电电介质一起被使用以形成布拉格反射器。金属和/或导电氧化物还可以减小P层5910的薄层电阻，从而减小寄生电阻并提高MS-PD的调制频率响应(数据速率)。根据一些实施方式，在使用反射器进行背面照射的情况下，“I”层5808可以更薄，这是因为光可以穿过“I”层传播至少两次或可能更多次，在提高MS-PD的调制频率(数据速率)响应的同时不会降低量子效率。这是因为“I”层越薄，光生载流子的渡越时间越短。光电二极管的频率响应由其电容和电阻(RC时间)以及渡越时间来确定。例如，针对某些高数据速率，光学渡越时间可以在比为100或更大的因数大的高增强的有效吸收长度处变得很重要。
图62示出了根据一些实施方式的用于MS-PD的Si上Ge PIN外延层结构。材料结构——包括厚度和掺杂——与图58至图62中描绘的以及针对图58至图62描述的材料结构相似或相同。在这种情况下，掺杂>2×109/cm3的N Si层6206可以具有0.2μm至2μm的厚度。还包括被非有意掺杂的小于2×1016/cm3的掺杂并且厚度为0.5μm至2μm的Ge“I”层6208。形成厚度为0.1μm至0.2μm并且掺杂>2×1020/cm3的上部Ge P层6210。根据一些实施方式，可以在N Si层6206与“I”Ge层6208的界面处使用薄的Ge缓冲层(未示出)，以引发Ge在Si上的良好晶体生长。P和N的高掺杂也减小了少数载流子寿命，从而使可能被扫掠到可能对总体光电流有贡献的强场“I”区中的光生载流子的扩散最小。
图63示出了根据一些实施方式的Si上Ge MS-PD。MS-PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图58和图62中描绘的以及针对图58和图62描述的MS-PD类似或相同。孔6322被蚀刻至SiO2层5804，或者可以将孔蚀刻至N Si层6208，在这种情况下可以需要或不需要SiO2层5804，并且从顶部或正面(外延表面)照射MS-PD。在1100nm至1800nm的波长范围内的光子吸收大部分在Ge区而不是Si区中。通过保持薄的P Ge层6210，在Ge“I”层6208中吸收较大百分比的光子，从而提高了量子效率。Ge与Si之间的高折射率差可能需要仅将孔蚀刻至Si N层6206的顶部。然而，在该示例中，孔6322被蚀刻至SiO2层5804。在这种情况下，N Si层6206的厚度可以达到2μm，并且掺杂可以在>1×1019/cm3的范围内，以提供小于50欧姆的薄层电阻。对于850nm操作而言，或对于800nm至990nm范围内的波长而言，薄的N Si层可以增大在I Ge区吸收的光子的百分比。具有掺杂>2×1020/cm3的0.2μm厚的N Si层将提供小于50欧姆的薄层电阻并且也减小少数载流子寿命。还可以针对800nm至990nm或800nm至1800nm的波长范围使用2μm厚的N Si层，这是因为对于800nm至990nm范围内的波长而言，Ge通过2μm的长度吸收超过90％的光子。因此，少于5％的光子到达N Si层。在850nm的波长处少于1％到达N Si层，并且在990nm处少于3％到达N Si层。
在某些情况下，对于800nm至990nm的波长范围而言，微结构型孔可能不是主要用于增强吸收，而是减小电容，其中，孔部分或完全蚀刻至(一个或更多个)Ge层中。此外，可能不需要孔，并且可以使用体Ge。根据一些实施方式，微结构还可以用于减少反射。
图64示出了根据一些实施方式的Si上Ge MS-PD。MS-PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图58至图63中描绘的以及针对图58至图63描述的MS-PD类似或相同。在这种情况下，孔6422被蚀刻至Si层6206。Ge的折射率约为4，而Si的折射率约为3.45。该折射率差可以在Ge区域中提供足够增强的吸收。在这种情况下，可能不需要SiO2层5804，并且MS-PD可以在没有BOX层5804的Si晶片上生长。对于1100nm至1800nm的波长范围而言，Si具有可接受地低的光损耗，并且大部分吸收是在Ge区中。对于顶部照射的MS-PD，可以使P Ge层变薄，使得大部分光子在I Ge区中被吸收，这增大了量子效率。ITO(铟锡氧化物)可以与P Ge层6210结合使用，以进一步减小P层的薄层电阻。
图65示出了根据一些实施方式的Si上Ge MS-PD。MS-PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图58至图64中描绘的以及针对图58至图64描述的MS-PD类似或相同。在这种情况下，MS-PD是背面照射或底部照射。该结构通过使用0.2μm的薄N Si层对于800nm至1800nm的波长范围而言非常优良。少于3％的波长为800nm的光子在N Si层6206中被吸收。此外，在单次穿过1μm的Ge时，超过85％的990nm光子被吸收。在双次穿过时，超过95％的990nm光子被吸收。在Ge I在N Si上生长的背面照射的MS-PD中，与P Ge层上的反射器6532一起，光子的双次和/或多次穿过允许较薄的I吸收层6208，这减少了光生电子和空穴的渡越时间。可以实现40Gb/s以上的具有更高带宽的光电二极管。可以将孔6322蚀刻至SiO2层504或蚀刻至Si层6206(如图64所示)。在微结构型孔阵列的情况下，增强的吸收可以发生在1100nm至1800nm的波长处。例如在1550nm处，在双次穿过1μm厚的体Ge的情况下，小于9％被吸收，而在Ge层中具有微结构型孔的情况下，可以实现大于30％的吸收，并且在一些情况下可以实现大于50％的吸收。在某些情况下，可以在1550nm处在1μm厚的Ge中双次穿过或在2μm厚的Ge MS-PD中单次穿过实现在具有Ge I层的MS-PD中的大于70％的吸收。
MS-PD可以具有以下层：Ge(或SiGe)P层6210可以被掺杂成>2×1020/cm3，其厚度约为0.1μm；Ge I(吸收层)6208可以被非有意掺杂(<5×1016/cm3)，其厚度为0.5μm至2.0μm；最终Si N层6206可以被掺杂成>2×1019/cm3，其厚度为0.2μm至0.5μm。此外，在过孔蚀刻以去除Si衬底期间，SiO2层可以保持完整、部分蚀刻或完全蚀刻以去除SiO2。
图66是示出了根据一些实施方式的Si上Ge PD的图示。PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图58至图65中描绘的以及针对图58至图65描述的PD类似。图66示出为被布置为倒装芯片，尽管在由于P Ge层而轻微退化的情况下正面照射布置也是可以的。PD与图64所示的MS-PD类似，但没有微结构型孔阵列。如针对800nm至1300nm——特别是针对1300nm波长区域——中的操作所示的具有外延结构的Si上Ge光电二极管具有双次反弹的优点并且仍保持高数据速率操作。PD可以与SiGe BiCMOS集成。根据一些实施方式，省略了SiO2层。在焊料凸块技术的情况下，如上面对于例如如图44至图52所示的其他实施方式所描述的，PD可以是直接安装在PCB上的倒装芯片。根据一些实施方式，PD可以具有以下层：被掺杂成>2×1020/cm3的Ge(或SiGe)P层6210，其厚度为约0.1μm；非有意掺杂(<5×1016/cm3)的Ge I(吸收层)6208，其厚度为0.5μm至2.0μm；以及最后被掺杂成>2×1019/cm3的Si N层6206，其厚度为0.2μm至0.5μm。此外，在蚀刻过孔6670以去除Si衬底期间，SiO2层5804可以保持原样(如图65所示)、被部分蚀刻或完全蚀刻以去除SiO2(如图66所示)。可以在Si N层上施加抗反射层(未示出)，以在完全蚀刻掉SiO2层的情况下使反射最小。
图67是示出根据一些实施方式的Si上Ge PD的图示。PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图58至图66中描绘的以及针对图58至图66描述的PD类似。在这种情况下，形成空隙6722以减少器件PIN结电容。空隙6722可以部分地蚀刻到Ge层中以去除足够量的材料以将电容减小一定量。电容减小允许更大面积的PD，同时保持与类似的Si上Ge PD相同的数据速率带宽但没有空隙。较大面积的PD允许在光纤和/或光源与光电二极管的未对准方面具有更大的公差，从而降低了封装成本。数据速率带宽是通过RC时间和渡越时间来确定。使用焊料凸块技术的情况下，该结构如所讨论的所有结构可以与电子器件例如TIA集成，该集成可以直接附接至PCB。根据一些实施方式，该结构的操作波长范围为800nm至1300nm，其数据速率超过40Gb/s。
注意，不需要使用BOX结构。PD可以具有以下层：被掺杂成>2×1020/cm3的Ge P层6210，其厚度约为0.1μm；被非有意掺杂(<5×1016/cm3)的Ge I(吸收层)6208，其厚度为0.5μm至1.0μm；以及最后被掺杂成>2×1019/cm3的Si N层6206，其厚度为0.2μm至0.5μm；以及2μm至4μm的掩埋氧化物层5804。
图68是示出根据一些实施方式的微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的各方面的图示。MS-APD可以具有以下层：被P掺杂成>2×1019/cm3的Si P层6810，其厚度约为0.1μm至0.2μm；被非有意掺杂(<5×1015/cm3)的Si I(吸收层)6808，其厚度为0.5μm至2.0μm；被n掺杂成>2×1019/cm3的Si N层6806，其厚度为0.2μm至0.5μm；以及Si衬底6802上的具有2μm至4μm的厚度的掩埋氧化物层6804。MS-APD器件具有两个附加层，即电荷层和倍增层。电荷层6820位于吸收I层6808的正下方。Si P电荷层6820被掺杂成约1.8×1017/cm3并且具有大约0.1μm的厚度。电荷层正下方为MS-APD的倍增层6818。Si I层6818被非有意掺杂(<1×1016/cm3)并且具有约0.5μm的厚度。过孔6870在硅衬底中被蚀刻至SiO2层(可以施加抗反射涂层以使反射最小化)，并且通过过孔施加波长范围为800nm至990nm的光。MS-APD的顶表面上的反射器6832提供穿过吸收“I”层6808的光子的双次穿过/多次穿过。优点是更薄的吸收层，这引起较短的渡越时间。因此，MS-APD数据速率带宽增强。微结构型孔阵列6822被蚀刻至SiO2层6804和/或近乎到SiO2层。P接触6828和N接触6830被示出在相同的表面上，以使可以施加焊料凸块，使得MS-APD可以是直接安装在陶瓷多芯片载体上和/或印刷电路板上的倒装芯片。为简单起见，仅示出最基本的工艺步骤。未示出附加步骤或元件例如钝化、接合焊盘、聚酰亚胺/旋涂玻璃平坦化、抗反射涂层。此外，在蚀刻过孔6870期间，在去除Si衬底之后，可以针对MS-APD或MS-PD结构部分蚀刻或完全蚀刻掉SiO2层。在没有反射器6832的情况下，光信号也可以从顶表面照射。
图69是示出根据一些实施方式的微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的各方面的图示。MS-APD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图68中描绘的以及针对图68描述的MS-APD类似。微结构型孔阵列6922被蚀刻至APD结构的电荷层6820、倍增层6818和/或N层6806。孔6922未一直蚀刻至SiO2层。通过过孔6970照射光，在该过孔6970中，将硅衬底至SiO2去除。也可以蚀刻SiO2层，使得光直接照射在N Si层6806上。这可以适用于所有底部照射的MS-PD和MS-APD器件，其中，抗反射涂层可以直接施加至Si。对于800nm至990nm的范围内的波长而言，优选大约为0.2μm的薄的N Si层6806以减少远离吸收“I”层6808的区域中的吸收。光也可以从反射器6832被去除的顶表面/前表面照射。在这种情况下，可以省略过孔，并且针对>30％的量子效率，Si“I”层可以增加到1.5μm至2μm。在一些情况下，量子效率>50％；在某些情况下量子效率>70％；在某些情况下量子效率>80％。雪崩的倍增因子或增益可以>2。在某些情况下，增益>5。在某些其他情况下，增益>10。在一些另外的情况下，增益>15，而在其他又一些情况下，增益>20。数据速率带宽可以>10Gb/s。在一些情况下，带宽>15Gb/s。在一些情况下，带宽>20Gb/s。在一些情况下，带宽>25Gb/s，并且在一些情况下，带宽>30Gb/s。此外，对于MS-PD和MS-APD而言，可以完全地、部分地去除SiO2层和/或SiO2层可以具有使用或不使用Si填充的空隙，并且可以在去除Si衬底期间使用蚀刻停止层例如SiGeB、SiGeC或SiGeBC以用于形成用于背面照射/底部照射的过孔。
图70是示出根据一些实施方式的没有SiO2层的MS-APD的图示。MS-APD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图68至图69中描绘的以及针对图68至图69描述的MS-APD类似。SiGe或SiGeC或SiGeB(其中，SiGe具有大约1％的Ge并且被使用硼重掺杂至>1×1020/cm3)的蚀刻停止层7034并且其厚度的范围为0.1μm至2μm。SiGeBC可以在Si衬底6802上和/或(一个或更多个)Si外延层例如N Si层6806上生长。根据一些实施方式，MS-APD具有以下厚度和掺杂水平：Si N层6806具有的厚度范围为0.2μm至1μm并且掺杂范围为>2×1019/cm3至>2×1020/cm3；Si I倍增层6818被非有意掺杂(<1×1016/cm3)并且具有大约0.5μm的厚度；Si P电荷层6820被掺杂成大约1.8×1017/cm3并且具有大约0.1μm的厚度；Si I吸收层6808被非有意掺杂(<5×105/cm3)，其厚度为0.5μm至1.0μm；以及Si P覆盖层6810被掺杂成>2×1020/cm3并且具有大约0.1μm的厚度。根据一些实施方式，可以使用多个蚀刻停止层。例如，可以在SiI倍增层6818与Si N层6806的界面处形成另一蚀刻停止层。蚀刻停止层的厚度可以在1nm至100nm的范围内并且可以P掺杂或N掺杂或被非有意掺杂以匹配相邻层的电特性。光信号的波长可以在800nm至990nm的范围内，并且如果从背面照射，则反射器可以由电介质例如SiO2/Ag形成。根据一些实施方式，反射器6832是由具有不同折射率的两个电介质例如SiO2和HfO2或ITO与Ag、Au和/或Pt一起组成的布拉格反射器。反射器6832用于反射任何未被吸收的信号光子，以用于双次和/或多次穿过吸收Si I区6808。此外，该器件可以被正面照射，其中，反射器6832被省略并且吸收Si I层6808增厚至1.5μm至2μm，以优化量子效率。根据一些实施方式，在正面照射/顶部照射的MS-APD中也可以包括过孔。类似地，MS-PD也可以使用该结构，其中，Si P电荷层和Si I倍增层被省略。正面照射和背面照射的MS-PD可以是有益的，这是因为去除Si衬底提高了折射率对比度并且提高了微结构中的吸收效率，这进而提高了量子效率。
P层和N层的高掺杂是为了降低薄层电阻率并减少P层和N层中的少数载流子的寿命，以减少少数载流子扩散到强场Si I吸收层中，该扩散可能导致MS-PD/APD的数据速率响应(也称为频率响应)的退化。在孔蚀刻期间和/或在过孔蚀刻期间，微结构型孔阵列可以被蚀刻至SiGeC和/或SiGeB停止层和/或穿过停止层。蚀刻停止层也可以在孔蚀刻之后或在过孔蚀刻期间完全或部分地去除。以这种方式，SiGeC、SiGeBC或SiGeB层不在背面照射的MS-PD/APD的光路中。注意，在Ge大约为1％的SiGeB(例如Si0.99Ge0.01)中，带隙大约为Si的带隙。此外，如图69所示，微结构型孔阵列可以被蚀刻到与吸收Si I层对应的深度和/或大于Si I吸收层并且部分地进入雪崩区域的深度。
图71是示出了根据一些实施方式的Si上Ge微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的图示。MS-APD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图68至图70中描绘的以及针对图68至图70描述的MS-APD类似。Ge I吸收层7108被非有意掺杂(<5×1015/cm3)并且具有0.5μm至2.0μm的厚度。上部Ge P覆盖层7110被掺杂成>2×1020/cm3，其厚度约为0.1μm。将微结构型孔阵列7122蚀刻至Si P电荷层6820或恰好在Si P层之前。替代地，可以将孔7122蚀刻到SiP电荷层6820中和/或Si倍增层6818中。从光路中去除Si衬底，蚀刻过孔6970。SiO2层可以保持完整、部分地蚀刻或完全蚀刻，或者可以使用不含SiO2的N Si衬底。如果被曝露，则可以将抗反射层(未示出)施加至Si N层6806以使反射最小化。例如，波长范围可以是800nm至1800nm、1300nm至1600nm、810nm至880nm以及930nm至990nm。孔尺寸和周期可以针对某些波长范围进行优化。反射器6832可以形成在P Ge或SiGe层7110上。反射器6832可以由电介质和金属、ITO(铟锡氧化物或类似的透明导电氧化物)和金属、所有电介质(例如布拉格反射器)或其任何组合制成。反射器6832将在第一次穿过时未被吸收的光子反射回吸收体Ge I层7108以进行双次穿过或多次穿过。与具有单次穿过的光电二极管相比，可以使用较薄的Ge I吸收层7108。较薄的Ge I层引起较短的渡越时间，从而引起较高的数据速率。Ge在Si上的生长可以使用Ge缓冲层，该Ge缓冲层被生长以引发Ge的高质量结晶生长。参见例如Kang等人的Epitaxially-grown Ge/Si avalanche photodiodes form lightdetection，第16卷，第13期/OPTICS EXPRESS 9365(2008)(下文中简称为“Kang等人”)，其通过引用并入本文中。对于1200nm至1750nm的波长范围而言，过孔7270不是必需的，这是因为Si在这些波长处几乎透明。此外，在没有反射器6832的情况下，光信号可以从顶表面照射，并且Ge“I”层7108的厚度可以增加到大约2微米。
图72是示出根据一些实施方式的Si上Ge微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的图示。MS-APD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图68至图71中描绘的以及针对图68至图71描述的MS-APD类似。在这种情况下，微结构型孔阵列7222被蚀刻至SiO2层6804。根据一些实施方式，孔7222被蚀刻至SiO2层6804的零点几微米内，并且过孔7270被蚀刻至SiO2层。在过孔蚀刻期间，SiO2层可以保持完整、部分被蚀刻或可以完全被蚀刻。从背面入射的光的波长范围为800nm至1800nm。也可以使用其他波长，例如630nm至780nm。一些光生载流子可以发生在Si层中，但是大部分光生载流子——尤其在800nm至1800nm的波长范围内并且特别是在1100nm至1800nm的波长范围内——将在Ge I层7108中。外延结构与图71所示的作为GeP层上的用于将光反射回Ge I吸收层的反射器6832的外延结构类似。去除SiO2层允许微结构型半导体孔之间的高折射率对比度，这可以改进微结构型孔阵列和空气的聚光性能。此外，可能在SiO2-空气界面和SiO2-半导体界面处发生的反射被去除。对于正面照射的MS-APD而言，去除反射器6832并且将Ge I吸收层7108加厚成1μm至2μm的范围。可以对正面照射的MS-APD实现过孔和SiO2去除。通过去除雪崩层、P电荷和I倍增，MS-APD成为MS-PD。
图73是示出根据一些实施方式的具有蚀刻停止层的Si上Ge微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的图示。MS-APD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图68至图72中描绘的以及针对图68至图72描述的MS-APD类似。在Si晶片上生长蚀刻停止层7334例如SiGe、SiGeC、SiGeB或SiGeBC。注意，Si衬底(晶片)6802可能已经具有层例如N Si外延层、随后的APD层、其他缓冲层、间隔层或Si衬底6802上的其他蚀刻停止层(未示出)，这些层促进良好的晶体生长和工艺再现性。基本APD层是：厚度范围为0.2μm至0.5μm并且掺杂范围为>2×1019/cm3至>2×1020/cm3的Si N层6806；被非有意掺杂的Si I倍增层6818，其厚度约为0.5μm；被掺杂成约1.8×1017/cm3并且具有约0.1μm的厚度的Si P电荷层6820；被非有意掺杂并且具有0.5μm至1.0μm的厚度的Ge I吸收层7108；以及被掺杂成>2×1020/cm3并且具有大约0.1μm的厚度的Ge或SiGe P覆盖层7110。蚀刻具有孔直径和针对特定波长范围被优化的周期的微结构型孔阵列。特定的波长范围包括以下：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。为了简化起见，未提及孔和台面钝化，但是可以在Kang等人中找到示例。该文献中存在其他钝化方法。光从背面通过可以去除蚀刻停止层的过孔7370入射。光也可以从正面入射，但是吸收Ge I层7108的厚度增加到大约1μm至2μm的范围。对于正面照射的MS-APD/PD而言，例如，过孔也可以被实现成增大半导体微结构与空气之间的折射率对比度。为了简化起见，也未示出其他层例如平坦化层、桥接层、接合焊盘和填料。
图74是示出根据一些实施方式的Si上Ge微结构型雪崩光电二极管(MS-APD)的图示。除了用SiGe或SiGeC P层7410替代GeP层以减少P接触层中光载流子的吸收之外，MS-APD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图68至图73中描绘的以及针对图68至图73描述的MS-APD类似。SiGe和/或SiGeC比Ge具有更大的带隙，因此对于相同厚度而言吸收系数小于Ge的吸收系数。参见例如Kolodzey等人的“Optical and electronic properties ofSiGeC alloys grown on Si substrates”，Journal of Crystal Growth 157，第386页至第391页(1995)(下文中称为“Kolodzey等人”)，其通过引用并入本文中。例如，根据Kolodzey等人，在SiGe0.88C0.12的情况下，与1.11eV的Si和Ge的0.66eV相比，带隙为1.3eV(直流)。SiGe合金将提供Si的带隙与Ge的带隙之间的带隙，因此向Ge任何添加Si将增大带隙并降低P层中的吸收。根据一些实施方式，该P层替换技术被应用于本文中所示和描述的所有MS-PD/APD结构。特别地，Ge P层被SiGe P和/或SiGeC P层替代。根据一些其他实施方式，在本文中所示和描述的所有MS-PD/APD结构中，Si P和N层也可以被SiBeC P和SiGeC N完全或部分替代，这减少了MS-PD/APD的P区和N区中对光信号的吸收。在一些情况下，APD的倍增区(为Si)也可以用SiGeC I替代，以减少本发明中对光子的吸收。在某些波长1200nm至1750nm处，Si几乎透明，过孔7370和蚀刻停止层7334中的任一个或两者不是必需的。在这种情况下，使用N Si衬底，其背面被抛光并被防反射涂覆。
图75是示出根据一些实施方式的用于MS-PD的另一SI NIP外延层结构的图示。孔7522被蚀刻至大约2.3μm的深度并且可以在Si P层7506之前和/或之后的零点几微米终止。掺杂和厚度大致如下：Si P衬底7502；0.2μm(或0.1μm至1μm的范围)的Si P层7506，其中P掺杂>2×1020/cm3且也可以>1×1019/cm3；被非有意掺杂背景掺杂<5×1016/cm3——在一些情况下<5×1015/cm3——的Si I层7508，其厚度约为2μm或在1μm至2.5μm的范围内；具有掺杂>2×1019/cm3并且厚度约为0.3μm或在0.2μm至0.5μm的范围内的N Si层7510。N接触7528位于Si N层7150上。(一个或更多个)P接触可以位于Si P衬底的上表面上如接触7530和/或衬底的底部/背面上如接触7532。台面蚀刻用于限定PIN结面积，从而限定电容。将台面蚀刻至P层7506和/或P衬底7502，并且P接触7530可以沉积在Si P层7506和/或Si P衬底7502的背面7532上。根据一些实施方式，还可以使用其他电气绝缘例如质子轰击来限定PIN面积或者可以使用其他掺杂技术例如PN结掺杂或沟槽掺杂。该结构中的光从正面入射并且具有约800nm至990nm的波长范围。周期为2000nm的情况下为1300nm的孔直径、周期为2000nm的情况下为1500nm的孔径可以与六角形和/或正方形晶格图案一起使用。根据一些实施方式，孔直径的范围约为600nm至1500nm，并且周期的范围约为900nm至2500nm。
图76A至图76C是示出根据一些实施方式的用于MS-PD的掩埋氧化物上的Si N-I-P外延层的图示。在图76A中，孔7622被蚀刻至Si P层7606，部分地蚀刻到Si P层中和/或被蚀刻至SiO2层7604。掺杂和厚度大致如下：例如，衬底7602中的Si BOX(掩埋氧化物)7604；具有P掺杂>2×1020/cm3并且为1μm(或0.1μm至1μm的范围内)的Si P层7606；被非有意掺杂有背景掺杂<5×1016/cm3并且在一些情况下<5×1015/cm3的Si I层7608，其具有为2μm或0.5μm至2.5μm的范围内的厚度；以及具有掺杂>2×1019/cm3且具有0.3μm或0.2μm至0.5μm的范围内的厚度的N Si层7610。N接触7628和P接触7630可以在正面上，其中，在对P层7606进行台面蚀刻之后制作P接触。在P层7606与I层7608之间的界面处可以使用蚀刻停止层例如SiGeB或SiGeC。例如，如果光从背面入射并且反射器被放置在顶表面Si N层7610上使得光可以多次穿过I层7608，则I层7608可以是薄的，例如0.5μm至1μm。例如，P和N可以互换，并且微结构型光电二极管(MS-PD)可以是PIN。如果使用SiGeB作为蚀刻停止层，则SiGeB是重P型，并且优选NIP结构。蚀刻停止层的厚度例如可以为0.05μm至1μm，并且可以全部或部分地替代SiP层。光可以通过适当的器件或外延层变型从正面和/或背面入射。波长范围大约为800nm至990nm。
在图76B中，图76A中的P Si 7606层由具有P掺杂>2×1020/cm3且厚度为0.5μm或厚度在0.2μm至1μm的范围内的Si0.99Ge0.01B层7616替代。所有其他层与图76A中的相同。微结构型孔7622被蚀刻并且可以在SiGeB层处停止和/或穿过SiGeB层并在SiO2层处停止和/或进入到SiO2层中。可以蚀刻过孔7670，其停止在SiO2层处，或停止到SiO2层中或穿过SiO2层。N欧姆接触7628和P欧姆接触7630分别形成在Si N层和SiGeB P层上。光可以从顶表面(外延层表面)和/或底表面(衬底表面)入射，并且反射器可以放置在具有电介质绝缘层的顶部或底部上以用于多次穿过I吸收层。波长范围为800nm至1000nm。为了简化起见，未示出其他元件，例如钝化层、聚酰亚胺桥层、台面、接合金属。
在图76C中，在SiO2 7604上添加厚度大约为0.1μm且掺杂大于1×1020/cm3的P Si层7626作为第一层，在该SiO2 7604上生长具有P掺杂大于1×1020/cm3且厚度大约为0.3μm的Si0.99Ge0.01B层7616。如图76A和图76B所示，光可以从过孔被蚀刻的顶表面和/或底表面入射。N欧姆接触和P欧姆接触分别放置在N层和P层上。微结构型孔阵列7622被蚀刻穿过SiO2层7604和/或部分地蚀刻到P层7626中。如果光从底部入射，则过孔7670被蚀刻到硅衬底7602中并进入SiO2层7604中，SiO2层7604可以部分或完全蚀刻。在P接触与N接触之间施加1伏特至10伏特的反向偏置电压。
在一些应用中，光可以同时从MS-PD/APD的顶部和底部入射。光可以具有针对相干光通信的相同或不同的波长、数据速率、偏振和振幅。具有来自顶部和底部的光的优点是不需要使用分束器，并且可以在光功率损耗方面节省3dB。
图77是示出根据一些实施方式的在P Si衬底上具有Si NIP外延层和SiGeB停止蚀刻层的MS-PD的图示。停止蚀刻层7716可以由Si0.99Ge0.01B或SiGe中大约1％的Ge组成并且具有B掺杂>1×1020/cm3，其中，带隙与Si的带隙基本上相同。该重P掺杂可以部分或完全替代Si P层7706。层和厚度可以如下：Si P衬底7702；厚度为0.1μm至2μm的SiGeB层7716；为0.2μm(或0.1μm至1μm范围内)并且具有P掺杂>2×1020/cm3的Si P层7706；被非有意掺杂有背景掺杂<5×1016/cm3并且在一些情况下<5×1015/cm3的Si I层7708，其厚度为2μm或在0.5μm至2.5μm的范围内；以及具有掺杂>2×1019/cm3的N Si层7710，其厚度为0.3μm或者在0.2μm至0.5μm的范围内。N接触7728和P接触7730都可以位于正面上。P接触也可以在P Si衬底上的背面上如接触7732。微结构型孔阵列7722可以被蚀刻至SiGeB的停止蚀刻层7716。台面被蚀刻到Si P中和/或被蚀刻至SiGeB层以限定NIP面积，从而限定NIP电容。P接触7730可以放置在P Si层7706或P SiGeB层7716上。N接触7728被放置在Si N层7710上。可以针对Si和SiGeB使用不同的蚀刻工艺来蚀刻过孔7770以去除Si衬底至SiGeB层和/或部分地到SiGeB层中。SiGeB层7716也可以被蚀刻掉，并且过孔7770延伸至Si P层7706。此外，Si P层7706可以部分地或完全被SiGeB层替代。在这种情况下，优选保留至少0.2μm至0.3μm的SiGeB层。光可以从正面和/或背面入射。可以在正面或背面上设置电介质与厚度为0.5μm至4μm的半导体接触的电介质金属反射器，其中，电介质可以是SOG、聚酰亚胺、SiO2、氟化钙或氮化硅、其次是金属或合金例如Ag、Au、Al或Ni。例如，如果将电介质金属反射器放置在背面上，则来自正面的光可以多次反射穿过吸收I层，并且相反地，如果反射器位于正面上，则来自背面的光可以多次反射穿过吸收I层。在反射器的情况下，可以使用更薄的I层，例如1μm或大约是没有反射器的MS-PD的一半厚度，这可以引起MS-PD的更高的数据速率。MS-PD可以使用800nm至990nm的波长范围。在一些情况下，反射器可以简单地是金属，例如布拉格反射镜。此外，如果光仅从正表面入射并且没有实现双次和/或多次反射，则可以不需要过孔7770。
图78是示出根据一些实施方式的用于MS-PD的SiGeB上Si上Ge NIP外延层结构的图示。微结构型孔阵列7822被蚀刻在Ge层7810和7808中并被蚀刻到Si P层7806中或接近SiP层7806。停止蚀刻层7816可以由Si0.99Ge0.01B或SiGe中大约1％的Ge组成并且具有B掺杂>1×1020/cm3，其中，带隙与Si的带隙基本上相同。该重P掺杂可以部分或完全替代Si P层7806。层和厚度可以如下：Si P衬底7802；具有0.1μm至2μm的厚度的SiGeB层7816；为0.2μm(或0.1μm至1μm的范围内)并且具有P掺杂>1×1019/cm3的Si P层7806；被非有意掺杂有背景掺杂<5×1016/cm3并且在一些情况下<5×1015/cm3的Ge I层7808，其厚度为2μm或在0.5μm至2.5μm的范围内；以及具有掺杂>2×1019/cm3的N Ge层7810，其厚度为0.2μm或在0.2μm至0.5μm的范围内。N接触7828和P接触7830都可以在正面上。P接触也可以在P Si衬底的背面上如接触7832。可以在Si与Ge层之间生长几nm的Ge缓冲层，并且其中Ge缓冲层的生长条件不同于Ge I层的生长条件。可以在Si衬底7802中蚀刻过孔7870以去除Si至SiGeB层7816。在不同的蚀刻条件下，SiGeB层7816可以被部分和/或完全蚀刻。光可以从正面或背面入射，并且在反射器的情况下，光子可以多次穿过I吸收层，并且器件可以使用更薄的I层用于更高的数据速率操作，这是因为电子和空穴的光生载流子的渡越时间将会缩短。波长范围为800nm至1800nm。可以针对跨大约30nm至100nm的某些波长范围来优化孔直径和阵列周期。如果光信号从正/顶表面入射，则可能不需要过孔7870。此外，如果光信号具有在1200nm至1750nm的范围内的波长，则对于底部照明可能不需要过孔，这是因为硅在这些波长处几乎透明或引起很低的光学损耗。
图79是示出根据一些实施方式的用于MS-PD的Si上Ge外延结构的图示。材料结构如下：Si N衬底7902(或替代地，P Si衬底上的NIP结构)；为0.2μm(或0.1μm至1μm的范围)并且具有N掺杂>2×1019/cm3的Si N层7906；被非有意掺杂有背景掺杂<5×1016/cm3并且在一些情况下<5×1015/cm3的Ge I层7908，其厚度为2μm或在为0.5μm至2.5μm的范围内；以及具有掺杂>2×1020/cm3且厚度为0.2μm或在0.2μm至0.5μm的范围内的P Ge层7910。P接触7928和N接触7930都可以在正面上。N接触也可以在N Si衬底的背面上如N接触7932。微结构型孔阵列7922被蚀刻至N Si层7906、部分地被蚀刻到N Si层7906中或被蚀刻穿过N Si层7906。台面蚀刻限定PIN面积和电容。N接触7930和7932在台面蚀刻之后沉积在N Si衬底上的正表面或背表面上。钝化未被示出，但是使用Kang等人，其中，非晶Si可以沉积在暴露的Ge表面的侧壁上并在高温下退火，以及/或者SiGe可以沉积在暴露的Ge的侧壁上并退火以减少泄漏电流。取决于数据速率，MS-PD和MS-APD中的台面直径的范围可以是5μm至100μm。根据一些实施方式，对于30Gb/s的数据速率而言，台面直径范围为20μm至40μm。此外，可以使用NSi 7906与I Ge 7908之间的缓冲Ge层来确保高结晶质量。参见例如Kang等人。在光从正面入射的情况下，波长可以在800nm至1800nm的范围内。例如，在优选的范围内，波长可以是1450nm至1600nm，并且在另一优选的范围中可以是1250nm至1600nm。MS-PD/APD可以覆盖数据通信波长和远程通信波长。
图80是示出根据一些实施方式的另一Si上Ge外延结构的图示。除了厚度为0.2μm至4μm的掩埋氧化物层8004生长在Si BOX晶片上之外，MS-PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图79中描绘的以及针对图79描述的MS-PD类似或相同。微结构型孔阵列8022被蚀刻至N Si层7906，并且可以蚀刻到N Si层7906中或蚀刻接近N Si层7906或蚀刻至SiO2层8004。台面蚀刻限定PIN电容，并且取决于MS-PD/APD的数据速率带宽，MS-PD/MS-APD的台面直径的范围为5μm至100μm。对于20Gb/s至35Gb/s的数据速率带宽而言，优选20μm至50μm的台面直径。光可以从正表面或背表面入射。例如，在>1100nm的波长处，Si光损耗很低，并且Si衬底可以用于蚀刻透镜或光栅。可以蚀刻过孔8070以完全或部分地去除SiO2。例如，过孔8070可以用于将光和/或光纤引导至MS-PD。反射器可以沉积在过孔8070中，其中SiO2不被完全去除或不被去除，使得来自正面的光可以反射离开反射器并且多次穿过I Ge吸收区7908。在反射器位于正面或背面的情况下，I Ge 7908可以更薄，例如为1μm，这将减少电子空穴渡越时间并且增大MS-PD/MS-APD的数据速率带宽。波长范围可以为800nm至1800nm，其覆盖数据通信和远程通信波长范围。例如，在连续的N Si层7906的情况下，如果SiO2完全被蚀刻，则可以将抗反射涂层施加至N Si的底表面。
图81是示出根据一些实施方式的Si上Ge外延结构的图示。除了过孔8170被蚀刻到SiO2BOX层8004并且厚度为2μm至4μm或在0.2μm至6μm的范围内的SiO2层可以被部分蚀刻、完全蚀刻或不被蚀刻之外，MS-PD——包括材料结构的厚度和掺杂——与图79至图80中描绘的以及针对图79至图80描述的MS-PD类似或相同。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也可以是宽带布拉格反射器、窄带布拉格反射器或通带布拉格反射器。注意，如果反射器8172是电介质，则反射器8172也可以在SiO2层蚀刻掉的情况下直接沉积在N Si层7906上。第一次穿过I Ge层7908时未被吸收的正面入射的光可以被反射回到I Ge层，以穿过I Ge吸收层。I Ge层可以更薄，例如为1μm，这引起I Ge层中的电子和空穴的渡越时间更短。这可以增大MS-PD/MS-APD的数据速率带宽。
图82A至图82C涉及对与图79所示的结构类似的Si上Ge微结构型光电二极管使用时域有限差分(FDTD)进行的模拟。图82A是示出被进行模拟的Si上Ge微结构型光电二极管的图示。孔图案为正方形晶格图案。模拟孔周期和孔直径两种组合，其中，在直径为1500nm的情况下的孔径为2500nm，在直径为1300nm的情况下孔周期为2300nm。在图82B和图82C中，横轴是以μm为单位的波长，并且纵轴为吸收，该吸收与量子效率直接相关。在每种情况下，模拟孔的正方形晶格图案。在图82B中，针对具有800nm至1000nm的波长范围的光信号，曲线8210绘制了孔周期为2300nm、直径为1300nm的吸收，并且曲线8212绘制了孔周期为2500nm、直径为1500nm的吸收。在图82C中，针对具有1000nm至1800nm的波长范围的光信号，曲线8220绘制了孔周期为2300nm、直径为1300nm的吸收，并且曲线8222绘制了孔周期为2500nm、直径为1500nm的吸收。发现：针对0.8μm至0.98μm的波长范围，吸收大于0.4(吸收40％的光子)至高达大于0.9(吸收90％的光子)。针对1.55μm观察到大于0.5的吸收，并且对于大约2μm的Ge的吸收层而言，延伸至1.8μm。这显著大于具有2μm的厚度而没有微结构的等效Ge层，特别是在1550nm和更长波长处。
图83A至图83C涉及对与图80中的结构类似的Si上Ge微结构型光电二极管使用时域有限差分(FDTD)进行的模拟。图83A是示出在光从顶表面入射的情况下模拟的Si上Ge微结构型光电二极管的图示。在图83B和图83C的曲线图中，横轴是以μm为单位的波长，而纵轴是与周期为2500nm、直径为1500nm(曲线8312和8322)的孔的正方形晶格的量子效率以及周期为2300nm、直径为1300nm(曲线8310和8320)的孔的正方形晶格的量子效率直接相关的吸收。针对1.55μm观察到大于0.7的吸收(吸收70％的光子)，并且对于大约2μm的Ge的吸收层而言，延伸至1.8μm有大于0.5的吸收(吸收50％的光子)。这显著大于例如与1650nm波长和更长波长处的厚度为2μm的InP匹配的等效InGaAs层晶格。
图84A和图84B示出了对Si上Ge微结构型光电二极管使用时域有限差分(FDTD)的模拟的结果。模拟的结构如图82A所示。在图84A和图84B中，曲线图横轴是以μm为单位的波长，而纵轴是与孔阵列的正方形和六角形晶格的量子效率直接相关的吸收。图84A示出了周期为2300nm并且孔直径为1300nm的正方形晶格(曲线8410)和六角形晶格(曲线8412)。针对1.55μm波长示出了大于0.9的吸收(吸收90％的光子)，其具有吸收在50nm波长跨度上改变小于10％的区域。图84B示出了周期为2500nm和直径为1500nm的正方形晶格(曲线8420)和六角形晶格(曲线8422)，该图示出了1.55μm处为0.7的吸收。总体而言，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。可以使用周期和孔直径、孔形状和晶格的其他组合来改进或优化某些波长范围处的吸收。
图85示出了根据一些实施方式的微结构型光电二极管芯片的未按比例的示意性俯视图。芯片8560的大致尺寸为350μm×300μm×150μm。由台面边缘8562限定的台面的直径为30μm。台面限定NIP或PIN结电容。在台面顶部上，上表面8510是与微结构型孔8522一样可见的(例如假设为NIP MS-PD/APD的情况下的N层)。在台面的外边缘附近是N欧姆接触环8528(假设NIP MS-PD)。在台面的外面是P欧姆接触环8530。N接合焊盘8580通过桥互连件8582电连接至N欧姆接触8528。类似地，P接合焊盘8590通过互连件8592连接至P欧姆接触。根据一些实施方式，使用被沉积在桥互连件8582与区域8506之间的绝缘体例如聚酰亚胺来防止桥互连件8582与区域8506(其可以是P层表面)之间的意外短路。注意，如果N层和P层以及接触颠倒，则上述描述也可以应用于PIN布置的MS-PD/APD。
根据一些实施方式，BOX Si晶片上的NIP MS-PD结构的基本掩模步骤的简单工艺流程可以包括：(1)将孔阵列8522掩模并且蚀刻至SiO2层；(2)将N欧姆接触金属环8528掩模并且沉积在N层8510上；(3)对限定结电容的台面进行掩模并且蚀刻、蚀刻至P层8506；(4)将P台面掩模并且蚀刻至SiO2；(5)将P欧姆接触金属8530掩模并且沉积到P层8506上；(6)对聚酰亚胺桥进行掩模，以用于通过接合焊盘8580与N欧姆环8528接触；(7)分别针对P欧姆和N欧姆对接合焊盘8590和8580进行掩模并且沉积。接合焊盘与N欧姆环8528接触大约100×100μm2，因为结电容和接合焊盘电容是并联的，所以是相加的。RC时间常量由总的结、焊盘、边缘电容来确定。举例而言，所描述的工艺中未考虑钝化、退火、固化、抗反射、减薄、背面金属化、切割。NIP/PIN台面直径的范围可以是10μm至100μm，这是因为与传统的PD/APD相比MS-PD/SPD在台面中具有较少的半导体材料、电容较小、因此与传统的PD/APD相比，针对相同的数据速率带宽可以具有较大面积的台面(或相当于较大的光敏面积)，使得到MS-PD/APD中的光信号的对准具有较大的对准误差余地，从而转化为降低了封装成本。根据图56和图57，对于具有2000nm的周期且孔直径为1300nm的正方形孔晶格而言，在忽略边缘电容的情况下，电容比没有孔的等效结构大约小30％，这意味着MS-PD的面积可以比没有孔但具有相同直径的台面、相同I层厚度的PD大约大30％。对于具有周期为2000nm和孔直径为1300nm的六角形晶格孔而言，MS-PD的面积可以比没有孔的PD大约大35％。例如在MS-PD/APD结构中，也可以使用不用于吸收增强而用于电容减小的其他晶格、周期和孔直径、孔来降低电容和/或增大或优化吸收。根据一些实施方式，也可以使用多个周期和/或多个孔直径。此外，也可以使用非周期性间隔开的孔。
图86是示出与跨阻抗放大器和/或其他电子器件集成在单个芯片上的MS-PD/APD的俯视图。在单个硅芯片8600上，示出了使用互连线8692将MS-PD/APD 8660连接至TIA或其他电子器件8690。尽管图85示出了需要接合焊盘将电信号传输到其他电子部件以用于进一步的信号处理和传输的独立的MS-PD/APD，但图86示出了集成在单个芯片中的MS-PD/APD和电子器件。接合焊盘增加非期望电容，并且该电容用于与结电容一起计算MS-PD的数据速率带宽。例如，具有20GHz(或大约30Gb/s)的带宽的RC时间具有大约0.16pF的电容，其负载电阻为50欧姆。具有2μm I层和30μm直径的Si PIN PD将具有37毫微微法(fF)的结电容，其中，I层完全被反向偏置电压耗尽。这使得在2μm的聚酰亚胺的顶部上的90μm乘90μm的接合焊盘给出大约0.2pF的总电容。如果将MS-PD/APD集成到TIA和/或电子器件，则不再使用接合焊盘并忽略从MS-PD/APD到TIA和/或电子器件的传输线的电容，其中，MS-PD/APD电容可以是0.16pF，对于MS-PD而言，与独立的器件的直径为30μm相比，MS-PD将是直径大约为60μm的器件。这种面积的增加使得光束与MS-PD/APD的对准误差的余地更大，并且转化成较低的封装成本。例如，包括寄生电容的MS-PD的直径显著大于独立的MS-PD的30μm并且可以大于40μm，并且在一些情况下其直径大于50μm。
应当注意，如本专利说明书中所描述的，与不具有微结构型孔阵列(或柱)的类似材料相比，直径大约为光的波长(或大于或小于)的微结构型孔阵列(或柱)增强对光子的吸收。例如，对于以10s的Gb/s进行操作的Si PIN PD而言，I层的厚度必须为大约2μm的数量级，否则光生载流子、电子和空穴的渡越时间对于实现10s的Gb/s数据速率带宽而言会太长并且仍具有大约大于20％的足够的量子效率，并且在一些情况下在为850nm的标称波长处大于40％，并且在某些情况下为880nm，以及在某些情况下为980nm。这可以使用具有单个周期和直径和/或具有多个周期和直径的微结构型孔阵列(或柱)用本文中所描述的技术来实现。孔和/或多个孔(柱和/或多个柱)可以是周期性的和/或非周期性的，并且可以具有除了圆形以外的横截面形状以使微结构增强吸收和/或发射。在没有微结构型孔阵列(或柱)的情况下，2μm或更小厚度的Si层将吸收大约5％的900nm光子；而在具有微结构型孔阵列或柱的情况下，可以吸收大于20％的900nm光子，并且在一些情况下可以吸收大于30％的900nm光子。在一些其他情况下，在900nm波长的光子处吸收大于40％、50％和80％。
通过使用该专利说明书，Si上Ge的情况也是这样的情况，例如，可以在1550nm的波长处实现10s的Gb/s数据速率带宽，并且在一些情况下可以在1600nm处实现10s的Gb/s数据速率带宽，在一些情况下在1700nm至1800nm处实现10s的Gb/s数据速率带宽。
在已知的纳米线光电二极管中，不存在吸收增强，与等效体层相比，使得例如大约为2μm或更薄的薄层用于10s的Gb/s的高数据速率带宽。例如，大于带隙的波长处的2μm长InP纳米线和2μm体InP大致相等，并且InP纳米线的优点在于仅减少反射。
图87示出了没有任何微结构的简单外延结构。图87的结构用于与具有与800nm至880nm的波长范围的入射光子的吸收有关的微结构例如孔阵列的相似外延结构进行比较。对于使用FDTD(时域有限差分)的模拟目的而言，在没有P接触和N接触、台面蚀刻、钝化、平坦化和其他工艺来制造完整的光电二极管的情况下，仅示出了具有微结构和不具有微结构的结构。情况1中的外延结构在掺杂和变薄至大约150μm的硅衬底P 8702上生长，其中，第一层是厚度为大约0.2μm并且使用硼掺杂>1×1020/cm3的Si P层8706，接着是厚度为大约2μm并且掺杂水平为<5×1016/cm-3的被非有意掺杂的Si本征层8708，接着是厚度为大约0.3μm并且掺杂有磷掺杂剂>1×1019cm-3的Si N层8710。
图88示出了没有任何微结构的另一简单外延结构。图88的结构用于与具有与800nm至880nm的波长范围的入射光子的吸收有关的微结构例如孔阵列的相似外延结构进行比较。对于使用FDTD(时域有限差分)的模拟目的而言，仅示出了在没有P接触和N接触、台面蚀刻、钝化、平坦化和其他工艺来制造完整的光电二极管的情况下的具有以及不具有微结构的结构。情况2中的外延结构在具有2μm的掩埋氧化物(BOX)层8804的硅衬底8802上生长，在BOX层上是厚度大约为0.1μm并且使用硼掺杂>1×1020/cm3的Si P层8806，接着是p掺杂>1×1020/cm3的SiGeB(Si0.98Ge0.01B0.01)层8816，接着是厚度大约为2μm并且掺杂水平为<5×1016cm-3的被非有意掺杂的Si本征层8808，接着是厚度为大约0.3μm并且掺杂有磷掺杂剂>1×1019/cm-3的Si N层8810。情况1和情况2二者的光子将从Si N外延层(8710和8810)的顶表面或表面入射以进行模拟研究。
图89示出了根据一些实施方式的微结构型孔阵列被蚀刻至Si P外延层的与图87中的外延结构相同的外延结构。在该情况3中，正方形晶格阵列中的孔8922具有1500nm的直径、2000nm的周期。具有800nm至880nm的波长的光子照射在顶表面或Si N外延层8710上。在特定应用中N层和P层/衬底可以互换，并且吸收结果大致相同。
图90示出了根据一些实施方式的微结构型孔阵列被蚀刻至BOX SiO2层的与图88中的外延结构相同的外延结构。在该情况4中，正方形晶格阵列中的孔9022具有1500nm的直径和2000nm的周期。具有800nm至880nm的波长的光子照射在顶表面或Si N外延层8810上。在特定应用中N层和P层/衬底可以互换，并且吸收结果大致相同。
此外，可以将孔蚀刻至蚀刻停止层SiGeB 8816。蚀刻停止层8816是重P掺杂的并且可以用于层结构中，在层结构中存在工艺中所期望的P层和蚀刻停止层，这包括光电二极管和雪崩光电二极管结构。
图91A和图91B是示出图87至图90所描绘的示例结构的模拟结果的图。图91A示出了使用FDTD模拟来计算每种情况下由于“I”Si本征层引起的吸收相对所示的800nm至900nm的波长的情况1至情况4(分别为图87至图90)的比较。在每种情况下入射在顶表面或N Si外延表面上的光子(图87至图90中的层8710和8810)。不包括由于除了“I”层以外的其他层引起的吸收。曲线9110、9112、9114和9116分别示出了情况1、2、3和4的结果(图87、图88、图89和图90所示的结果)。在没有微结构的情况1和情况2中，I层中的吸收小于40％。这意味着40％的入射光子被吸收。在情况1中，吸收小于15％，而在情况2中，在某个波长例如为805nm处，吸收可能仅小于40％并且在880nm和850nm处随着更长的波长减小成小于20％以及在885nm处小于10％。吸收与量子效率成正比，这是因为如果光子被吸收并转换成电子和空穴，在耗尽“I”区的电压偏压下被清除出“I”区之前不复合，则扫掠N区和P区的这些光生电子和空穴分别对光电流有贡献。在情况3和情况4中，包括正方形晶格中的直径为1500nm和周期为2000nm的微结构型孔，并且在某些波长处观察到吸收水平接近100％。在情况3和情况4中，对从800nm至900nm的波长的吸收大于40％。在800nm至850nm的范围内，大约大于70％的吸收。而在情况4中，对从880nm至900nm的波长的吸收优于70％。在情况4中，与情况2中的吸收小于10％相比，在855nm处吸收超过95％。通过将孔直径、周期和/或晶格例如从正方形晶格改变成六角形晶格，可以增大在微结构的情况下的“I”层中的吸收百分比，或者在某些波长处对于高吸收进行优化。
据发现，对于如本文中所描述的具有微结构的硅PIN光电二极管而言，吸收不一定随着波长在300K处或大约1117nm处接近1.11eV的硅带隙而降低。相比而言，对于没有微结构的PIN(或NIP)光电二极管而言，吸收随着波长接近1117nm而降低。这可能是由于随着光学损耗减小，微结构的谐振和/或耦合谐振的Q(质量因子)增大该事实引起，因此光子在微结构中花费更多的时间反复反弹导致：即使波长接近1117nm，吸收也可以大于50％。微结构中的折射率差可以用有效折射率来表示。例如，因为孔去除硅材料并被空气替代，所以具有孔的区域的有效折射率(effective index)或有效折射率(effective refractive index)小于没有孔的区域的折射率。简单的估计是折射率的平均值，例如，如果孔去除具有孔的区域中的一半的硅，则假设孔被空气填充的情况下有效折射率大约为(1+3.44)/2＝2.22，其中，在1000nm波长处的体Si折射率大约为3.44。因此，有孔和无孔的区域将看到折射率不连续性大约为1.22或大约35％的折射率变化。折射率的该不连续性可以在光学损耗低时引起具有可以接近一百万或更大的Q的高对比度光栅。这可以解释微结构型光电二极管和/或雪崩光电二极管中的吸收的增强。如果光子在接近光电二极管/雪崩光电二极管的特征时间——其为渡越时间和RC时间——的时间内停留在微结构中，则这将开始不利地影响PD/APD的数据速率带宽。然而，如果数据速率带宽为低，则可以容忍较高的Q。Q因子被限定为与每个循环的储存能量/能量损失成比例。这是对微结构中的吸收增强的可能解释。微结构由晶格组成并且因此由许多单位晶胞或晶胞组成，每个单位晶胞或晶胞具有其自身的一组谐振并且紧密耦合在一起。与示出仅一个谐振特性的先前已知的谐振光电二极管不同，因为先前已知的谐振光电二极管是单个谐振器并且谐振是尖波峰和波谷以及周期性波函数，所以具有耦合谐振晶胞的微结构具有波长相对吸收中吸收缓慢变化的区域，例如在一定波长跨度上变化小于10％，例如50nm至100nm和非周期性波函数。微结构型PD/APD具有多个谐振的和并且因此与先前已知的谐振光电二极管相比具有不太明显的波峰和波谷。非周期性孔也可以具有本身是非周期性的并且可以与相邻的邻近晶胞耦合的谐振晶胞，同时也引起可以增强吸收和/或发射的耦合谐振结构。
作为粗略估计，对于大约20GHz的3dB带宽而言，特征时间大约为20ps。在20ps时，光在硅中行进大约2000μm，这意味着光可以在2μm微结构中反弹大约1000次，因此，厚度为2μm的“I”层在相等的光学长度方面可以是2000μm厚；因此在本专利说明书中所描述的微结构中，光可以穿过反弹更多次并且可以给出比体吸收系数增强的有效吸收，并且可以大致地被写为有效吸收＝体吸收×微结构内的反弹次数。光在微结构中花费的时间称为光学渡越时间，这是MS-PD/APD的另一基本时间。三个基本时间，即RC时间、渡越时间和光学渡越时间的平方和相加以给出总时间平方。例如，T(总)2＝T(RC)2+T(渡越)2+T(光渡越)2；对于20GHz而言，总时间可以是20ps，并且为了简化起见，假设渡越时间、RC时间和光学渡越时间大致相同，则每个时间可以大约仅为11.5ps。11.5ps的光学渡越时间转换为大约1000μm等效的光学长度，或者假设所有3个基本时间相等，在光学渡越时间长于11.5ps的情况下光学渡越时间开始降低MS-PD的带宽之前，增强的有效吸收长度可以为1000μm或Q大约为250。
图91B示出了微结构型孔阵列被蚀刻至不同深度的图90中的外延结构(情况4)。曲线9120示出了“I”Si层中的作为从800nm至900nm的波长的函数的吸收，其中，孔被蚀刻至SiO2层8804。曲线9122示出了针对被蚀刻至SiGeB层8816的孔的吸收相对波长。在曲线9120和曲线9122两种情况下，光从顶表面或Si N表面8810入射。波峰和波谷交替，但是对于800至900范围内的大多数波长而言整体蚀刻至SiO2层稍微优于将孔蚀刻至SiGeB层。
图92是示出根据一些实施方式的将孔蚀刻到硅中的硅中的微结构型区域的图示。示例结构包括全部均具有所示的厚度和掺杂水平的Si P衬底9202、Si P层9206、Si I层9208和Si N层9210。孔9222被蚀刻至大约2.3μm的深度并且在正方形晶格中具有1500nm的直径和2000nm的周期。大致由虚线圆9280示出的存在孔的区域具有为n1的有效折射率，该有效折射率小于在1000nm的波长处的300K下大约为3.44的体Si的折射率。假设蚀刻区域处于空气、真空中或填充有材料例如折射率低于硅折射率的聚酰亚胺。对于上面给出的微结构的尺寸，具有孔的区域中的有效折射率大致由空气的分数0.44×1+Si的分数0.56×3.44大约为2.36给出。例如入射在9210顶表面上的光子可以在微结构中被捕获并且在两个折射率不连续点之间反弹。一个不连续点在折射率差大约为1.36的空气-微结构界面处而另一不连续点在折射率差大约为1.07的微结构-硅界面处。该折射率差可以将微结构限定为有损耗的高对比度光栅，这可以解释观察到的吸收增强。
图93是示出根据一些实施方式的具有锥形孔的MS-PD结构的图示。锥形漏斗状孔9322引起有效折射率n1的逐渐变化，该有效折射率n1小于针对孔的直径没有显著改变但直径小于区域1的区域的折射率，例如具有有效折射率n2，其中，区域1中的有效折射率小于区域2中的有效折射率，这仅是因为区域1具有较少的硅材料该事实。在区域1中，靠近表面的有效折射率可以是60％或更多的空隙(空气或低折射率材料例如聚酰亚胺)以及可以是40％或更少的硅，这可能引起针对法线入射的光子对顶表面的较低反射(在这种情况下为Si N层)。在偏离法线入射的光子处，反射可以更少。作为另外的示例，如果在表面附近孔占据90％或更多而Si占10％或更少，则对于法线入射的光子而言菲涅尔反射可以为1％或更少。因为孔的直径随深度逐渐减小，所以区域1中的有效折射率逐渐变化。所示的示例是漏斗形，然而，其可以是例如仅具有两个不同孔直径的阶梯，或者具有多个孔直径的阶梯，每个阶梯直径随着阶梯远离表面而更小。
图94是示出根据一些实施方式的具有逐渐成锥形的孔的MS-PD结构的图示。描绘了包括具有延伸孔的整个长度的逐渐漏斗形状的孔9422的另一种配置。有效折射率进而也随着深度逐渐增大。根据一些实施方式，孔可以设置有多个直径、周期和/或具有不同漏斗形状的伪随机孔或随机孔。可以利用各种孔参数来改进或优化某些波段处的吸收特性。根据一些实施方式，孔9422可以设置有一系列阶梯，每个阶梯具有不同的直径。阶梯可以均匀地间隔开和/或非均匀地间隔开。举例而言，间隔可以是四分之一波长、一半波长或四分之一和一半波长的倍数，以创建例如滤波器或耦合谐振器来改进或优化特定波段的吸收特性。对于光发射器而言，孔或柱直径中的这样的阶梯可以改进例如与增益介质的光波交叠。根据一些实施方式，孔9422的漏斗形状可以具有任何斜率。例如，孔9422可以是V形的，并且可以优化气-孔界面和孔-硅界面处的有效折射率，以用于反射以及增强吸收特性或发射特性。
对与微结构型PD/APD相关联的吸收增强的另一解释是微结构是超材料并且可以表现为宽波段吸收器。参见例如G.Dayal等人的“Broadband infrared metamaterialabsorber with visible transparency using ITO as ground plane”，OPTICS EXPRESS15104，2014年6月；N.Liu等人的“Infrared Perfect Absorber and Its Application asPlasmonic Sensor”，Nano Lett，2010年10月，第2342页至第2348页；以及L.Meng等人的“Polarization-sensitive perfect absorbers at near-infrared wavelengths”，OPTICS EXPRESS A111，2012年12月(下文中简称“Meng等人”)，其全部内容通过引用并入本文中。
例如在Meng等人中，如果沟槽以交叉图案交叉，则吸收将与偏振无关。替代如本文中所描述的长沟槽，Meng等人中的Au被半导体例如硅和/或锗替代，并且孔/沟槽是空隙，空隙可以是空气、气体、真空、聚酰亚胺和/或部分或完全覆盖孔的任何电介质。特别地，在Meng等人中，在图11处如果结构是交叉式，则在Au衬底上存在电介质的正方形阵列。根据一些实施方式，使用具有填充有空气、气体或电介质材料—例如二氧化硅、氮化硅、氟化钙、旋涂玻璃、聚酰亚胺或钝化电介质—的孔的半导体和电介质替代Au。Meng等人中的图11也示出了吸收相对波长。
高对比度光栅可以被认为是某种类型的超材料。这与其他效应相结合可以解释观察到的吸收增强。其他效应包括：等离子体、非线性、亚波长和近波长效应、光子晶体、慢波、耦合谐振、干涉、场增强和有损耗谐振。
图95是示出根据一些实施方式的具有不同直径的微结构型孔的材料结构的图示。孔9522和孔9524具有不同的直径。如果周期大致相同，则具有较小直径的孔比具有较大直径的孔去除更少的硅材料。具有较小直径的孔9522的阵列的有效折射率是有效折射率n1，并且这些孔可以聚集在MS-PD/APD的中心附近。具有较大直径的孔9524的阵列具有为n2的有效折射率并且可以围绕较小直径的孔(例如以环形图案)聚集。例如，因为在较小直径孔9522中比在较大直径孔9524中去除更少的材料，所以n1大于n2。例如，在n1区中引导光，使得当光在孔-硅(在该示例中为P硅)界面与孔-空气界面之间来回反弹时，由于衍射而损失最少光。此外，台面蚀刻去除区域9530中的N硅层和大部分——如果不是全部——“I”硅层。如该示例中所示，蚀刻台面9540以限定NIP结的电容。在某些情况下，可以使用离子注入和/或扩散来限定NIP结电容。并且在某些情况下，仅N Si层需要被去除和/或转换成低掺杂或相反的掺杂。N和P可以互换，例如MS-PD可以是PIN，而MS-APD可以是NINIP或PIPIN。
图96示出了如图95所描绘的具有不同直径微结构型孔的材料结构的俯视图。如可以看到的，较小直径孔9522聚集在较大直径的孔9524内。在微结构型光电二极管/雪崩光电二极管(MS-PD/APD)9600的中心附近的区域之间的产生的有效折射率差引起与光纤类似的导光效果，使得光被更多地引导至较高有效折射率的区域。还示出了由蚀刻掉的区域9530限定的台面9540，该蚀刻掉的区域9530还可以提供光引导效果。台面9540还限定NIP结电容并且也可以被蚀刻恰好穿过N层、“I”层或完全蚀刻至P层。未示出欧姆接触金属、接合金属、钝化、平坦化、聚酰亚胺和其他电介质。根据一些实施方式，可以通过与包层(较大直径的孔)相比调节芯区域(较小直径的孔)的孔直径来调节MS-PD/APD 9600的数值孔径。孔的密度和直径是调节区域内的硅材料量以改变有效折射率的方法。这也适用于发射体以减少由于衍射引起的光损失。
根据一些实施方式，具有较高折射率的芯和较低折射率的包层的引导结构可以有效地表现为光导例如光波导，例如以减少或最小化由于衍射导致的光损失。例如，具有周期为2300nm、孔直径为1500nm的正方形孔晶格可以引起2.63的近似有效折射率，并且具有周期为2000nm、孔直径为1500nm的正方形晶格可以引起2.36的近似有效折射率。较高的折射率可以是芯，较低的折射率可以是包层。通过改变正方形晶格的周期可以实现芯与包层之间的大约10％的折射率差。其他组合也是可能的。包层可以具有六角形晶格，并且芯可以具有正方形晶格，其周期和直径相同或不同。
图97A和图97B是示出入射到具有如图82A所示的层结构的微结构上的光的吸收的曲线图。六角形晶格阵列和正方形晶格阵列中的孔用孔直径为1500nm、周期为2000nm和2500nm蚀刻。在图97A中，曲线9710分别示出了具有孔直径为1500nm和周期为2000nm的六角形晶格。曲线9712是具有相同周期和孔直径的正方形晶格。从1.4μm到1.6μm的波长，吸收超过80％，并且在1.55μm处，针对六角形晶格的吸收超过90％。曲线9714是没有任何微结构型孔的吸收，给出10％或更少的吸收，而在1.55μm处给出仅为几个百分点的吸收。此外，在六角形晶格的情况下，从1450nm到1600nm的波长跨度中，吸收变化小于10％。图97A还示出了数据和通信频段；S、C、L和U/XL。在如图82A所示的结构的情况下，MS-PD/APD可以用于从S到U/XL的所有这些频段。
在图97B中，曲线9720示出了针对具有2500nm的周期和1500nm的孔直径的六角形孔晶格的吸收相对波长，而曲线9722是针对具有相同周期和直径的正方形晶格。然而，并不是最佳的，在1.55μm的波长处，吸收超过90％。还示出曲线9714以供参考。
吸收和量子效率是成正比的，并且具有最小反射的大约90％的吸收可以等于大约90％的量子效率。例如，外部量子效率可以被限定为QE＝(1-R)(1-e-αx)，其中，R是来自MS-PD/APD的表面的反射，α是吸收系数，而x是吸收长度。吸收可以通过作为在吸收系数为α的长度x中吸收的光子量的(1-e-αx)给出。在1.55μm的波长处的90％的吸收转化为吸收系数与吸收长度的乘积；αx大约等于2.3。如果使用体吸收系数即1.55μm的波长处为460/cm，则x大约为50μm。与Ge的物理长度2.2μm相比，光线将穿过吸收区大约23次。同样地，如果物理吸收长度为2.2μm，则与1.55μm波长处的大约460/cm的体吸收系数相比，在1.55μm波长处增强的有效吸收系数大约为10455/cm。这再次表明增强到大约23倍。
吸收增强可以由以下任何一种单独或组合引起：场增强、干涉、等离子体、超材料吸收器、高对比度光栅、波长和亚波长特征大小、非线性效应、谐振效应、有损耗的高对比度光栅、慢波、耦合波、耦合谐振、耦合模式和光子晶体(参见例如Krauss，J.的“Slow lightin photonic crystal waveguide”，Phys.D：Appl.Phys.40，第2666页至第2670页(2007)，其通过引用并入本文中)。
此外，与吸收成正比的量子效率在数据/远程通信波长的范围内较高。标准波段为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为O(1260nm至1360nm)、E(1360nm至1460nm)。单个微结构型Si上Ge PD/APD可以覆盖整个数据/远程通信波长光谱。参见例如Gasca的“From O to L：The Future of Optical-Wavelength Band”|www.broadbandproperties.com|BROADBAND PROPERTIES，2008年6月，其通过引用并入本文中。
图98是示出图82A中所示以及图97A和图97B所模拟的结构的模拟吸收的曲线图。曲线9810和9812分别示出了六角形晶格的吸收和正方形晶格的吸收。在每种情况下，孔周期为2000nm并且直径为1500nm。可以看到的是，结构也在850nm波长范围内吸收良好：830nm至1000nm之间优于80％的吸收。优点在于，在单个器件的情况下，波长覆盖范围可以从具有优于70％的吸收和/或量子效率的800nm到1700nm以及更长。Si上Ge MS-PD/APD可以与电子器件集成，使得实现单个芯片具有MS-PD/APD和跨阻抗放大器或用于信号处理的其他集成电路电子器件，这会显著降低组装和封装成本。
图99示出了根据一些实施方式的用于在800nm至1000nm的波长范围内操作的Si雪崩光电二极管的另一优选外延结构。特别地，已经发现所示的结构在850nm±30nm附近操作良好，在850nm±30nm中，大量的数据通信发生，并且数据速率为5Gb/s至40Gb/s或更大。将使用微结构来增强吸收，该吸收可以是增强的吸收系数和/或增强的吸收长度。N Si衬底9902可以在器件工艺之后变薄至150μm。外延层为：例如，作为N接触层的N Si层9906，其厚度范围为0.1μm至4μm并且在一些情况下为0.3μm至2μm，并且掺杂大于1×1019/cm3；作为倍增层或增益层也称为雪崩层的Si本征或“I”层9918，其厚度范围为0.2μm至1μm，并且在一些情况下为0.5μm，并且背景掺杂小于1×1016/cm3；作为电荷层的P Si层9920，其厚度范围为0.02μm至0.3μm并且在某些情况下为0.1μm，并且掺杂范围为1.6×1017/cm3，并且在一些情况下为1.8×1017/cm3；作为吸收层的Si本征“I”层9908，其厚度范围为0.3μm至4μm并且在一些情况下为2μm，并且背景掺杂小于1×1016/cm3；以及作为P接触层的P Si层9910，其厚度范围为0.1μm至2μm并且在某些情况下为0.3μm，并且掺杂大于1×1020/cm3。
图100是示出根据一些实施方式的微结构型APD的一些特征的图示。MS-APD使用图99中所描绘的材料结构。微结构型孔阵列10022被蚀刻到P Si接触层9920中并且部分或全部蚀刻到“I”Si吸收层9918中。光从顶表面或P Si层9910与表面呈法线和/或偏离表面法线入射。对N接触层9906执行台面蚀刻，这限定器件的电容。P欧姆接触10028和N欧姆接触10030分别形成在P Si接触层9910和N Si接触层9906上。将10伏特至60伏特的反向偏压施加至P欧姆接触和N欧姆接触。相对于N接触(阴极)，将负电压施加至P接触(阳极)。为了简化起见，未示出元件例如钝化层、平坦化层、桥接层、接合金属化层和保护环。具有增强吸收的微结构型光电二极管与Si雪崩或增益层的组合使得微结构型Si APD在800nm至1000nm的波长范围内以及特别是在850nm±30nm处以大于5Gb/s并且在一些情况下大于10Gb/s的数据速率进行操作。在其他情况下，数据速率可以是15Gb/s至40Gb/s，具有为2、4、6、8、10或更大的倍增因子。Si微结构型APD的优点是较低的过量噪声，其低于例如基于GaAs和/或InP的APD。
图101示出了根据一些实施方式的用于在800nm至1700nm的波长范围内进行操作的Si上Ge雪崩光电二极管的另一优选外延结构。特别地，已经发现所示的结构在1550nm±200nm附近操作良好，在1550nm±200nm中，大部分远程通信发生，并且数据速率为5Gb/s至40Gb/s或更大。将使用微结构来增强吸收，该吸收可以是增强的吸收系数和/或增强的吸收长度。N Si衬底10102可以在器件工艺之后变薄至150μm。外延层为：作为N接触层的N Si层10106，其厚度范围为0.1μm至4μm并且在一些情况下为0.3μm至2μm，并且掺杂大于1×1019/cm3；作为倍增层或增益层也称为雪崩层的Si本征或“I”层10118，其厚度范围为0.2μm至1μm，并且在一些情况下为0.5μm，并且背景掺杂小于1×1016/cm3；作为电荷层的P Si层10120，其厚度范围为0.02μm至0.3μm并且在某些情况下为0.1μm，并且掺杂范围为1.6×1017/cm3，并且在一些情况下为1.8×1017/cm3；作为吸收层的Ge本征“I”层10108，其厚度范围为0.3μm至4μm并且在一些情况下为2μm，并且背景掺杂小于1×1016/cm3；以及作为P接触层的P Ge层10110，其厚度范围为0.1μm至2μm并且在某些情况下为0.2μm，并且掺杂大于1×1020/cm3。通常在Si与Ge之间的界面处，可以在规则Ge外延生长之前生长低温Ge缓冲层。参见例如Kang等人。
图102是示出根据一些实施方式的微结构型Si上Ge APD的一些特征的图示。MS-APD使用图101中所描绘的材料结构。微结构型孔阵列10222被蚀刻至P Ge接触层10110中并且部分或全部地被蚀刻到具有如图97A所示的尺寸、直径和六角形晶格的“I”Ge吸收层10108中。光从顶表面或P Si层与表面呈法线和/或偏离表面法线入射。对N接触层10106执行台面蚀刻限定器件的电容，并且P欧姆接触10228和N欧姆接触10230分别形成在P Ge接触层和N Si接触层上。将10伏特至60伏特的反向偏压施加至P欧姆接触和N欧姆接触。为了简化起见，未示出钝化层、平坦化层、桥接层、接合金属化层和保护环。具有增强吸收的微结构型Ge光电二极管与Si雪崩或增益层的组合使得微结构型Si上Ge APD在800nm至1700nm的波长范围内以及特别是在1550nm±200nm处以大于5Gb/s并且在一些情况下大于10Gb/s的数据速率进行操作，并且在另外一些情况下数据速率大于15Gb/s至40Gb/s并具有大于2的倍增因子、在一些情况下具有大于4的倍增因子、以及在另一些情况下具有大于8至10的倍增因子。Si上Ge微结构型APD的优点是较低的过量噪声，其低于例如基于GaAs和/或InP的APD。
图103A至图103C示出了根据一些实施方式的微结构型硅和硅上锗光电二极管和雪崩光电二极管的孔直径、周期和其他参数。图103A是示出所使用的各种参数的表。根据一些实施方式，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的直径的台面大小来实现支持5Gb/s到超过80Gb/s的数据速率的电容。根据一些实施方式，可以使用限定结电容的其他方法，例如离子注入或扩散来消耗载流子。例如对于六角形和/或正方形晶格，在800nm至1000nm的波长范围内并且特别是在850nm±30nm的波长范围内进行操作的Si微结构型PD和APD的孔直径和周期范围可以为(以nm为单位的直径/周期)1300/2000、1500/2000、700/1000、630/900。对于在800nm至1700nm的波长范围内并且特别是在1550nm±200nm的波长范围内操作的Si上Ge微结构型PD和APD而言，用于六角形或正方形晶格的孔直径和周期组合的示例包括：1300nm/2000nm、1500nm/2000nm、1500nm/2500nm、1300nm/2300nm。其他孔直径和周期也是可能的。在800nm至1000nm和800nm至1700nm的波长处，以这些孔直径和周期可以实现优于50％的吸收在一些情况下实现优于70％或90％的吸收。在图103B和图103C中，“d”被示出为六角形晶格图案和正方形晶格图案的周期。尽管描绘了圆形孔，但非圆形孔例如椭圆形、矩形、多边形和/或其他不规则形状也是可能的。选择圆形孔是为了简化使用FDTD进行的模拟。
图104A和图104B是示出使用FDTD(时域有限差分)对图82A所示的结构针对吸收相对波长的模拟结果的曲线图，该结构是微结构型Si N衬底上Ge P-Ge I-Si N光电二极管。注意，模拟结果也可以应用于微结构型Ge P Ge I Si P Si I Si N APD。该模拟使用孔直径为1500nm、孔周期为2000nm的六角形晶格，其中，孔被蚀刻至Si N层。在该模拟中，波长以1550nm为中心加上以及减去10nm(图104A中的曲线10410)和1550nm加上以及减去1nm(图104B中的曲线10412)。模拟晶格比0.1nm更精细，并且从图104B中的曲线10412可以看到，对于1549nm至1551nm的波长，吸收从吸收率超过0.9(吸收90％)的高吸收值到超过0.85(吸收85％)的低吸收值变化小于10％。吸收相对波长的该特性在光远程通信应用中是重要的，其中，在例如以1550nm为中心的波长变化为2nm内，吸收没有快速变化。图104A中的曲线10410示出了以1550nm为中心的20nm波长变化下吸收从0.8变化到超过0.99。在任何2nm波长变化下，吸收变化小于15％。在某些情况下，吸收小于5％。用于粗WDM的波分复用(WDM)中的通道间隔可以是2nm或更大，而对于密集的WDM而言，通道间隔可以是0.8nm、0.4nm或更小，使得例如在1550nm处，3个或更多个通道可以适合于2nm光谱宽度，而对于粗WDM而言，需要4nm或更大。
图105A和图105B涉及根据一些实施方式的正方形晶格孔图案的本征模。图105A示出了正方形晶格布置中的单个单位晶胞10510。图105B示出了Si(或Ge)材料中的微结构型孔的单位晶胞中的各种2D本征模(固定模式、驻波模式、谐振模式)(来自使用麦克斯韦方程的FDTD模拟)。波沿微结构型孔阵列的长度传播，例如在空气/半导体界面与Ge/Si界面之间传播。波导和/或谐振器由微结构型孔被蚀刻到的区域来限定。单位晶胞中的孔和半导体的长度可以被认为是光波导和/或谐振器，并且可以耦合相邻单位晶胞的许多并行光波导/谐振器，从而在2D阵列中引起耦合的波、耦合模式和/或耦合的谐振器。高对比度光栅(HCG)、光子晶体、慢波效应和耦合波导/谐振器本征模、超模式、场增强、线性效应和非线性效应、横向模式、引导的谐振模式、Bloch模式和耦合的Bloch模式的组合可以使量子效率的表达式中的乘积“αx”有观察到的增大，该量子效率与作为吸收的(1-e-αx)成比例，其中，α是体材料吸收系数，而x是吸收长度。通过保持x恒定，可以增大α；通过保持α恒定，x可以增大；在一些情况下，α和x都可以增大。图105B示出了图105A中的正方形晶格的单位晶胞10510的许多复杂的本征模。正方形晶格中的每个晶胞可以具有这些本征模中的任何一个或多个并且可以耦合至相邻晶胞的本征模，并且所有晶胞的大量耦合模式可以被称为超模式。然后，该大量耦合可以引起相对波长的“更平滑”的吸收特性，其中，更平滑可以被限定为在某一波长跨度例如20nm并且在一些情况下为50nm的波长跨度以及在一些情况下为100nm或更大的波长跨度上吸收特性具有小于10％的变化。
图106是示出根据一些实施方式的彼此交叠布置的具有两个正方形晶格的微结构型孔的示意图。点虚线正方形10610表示具有D1作为孔直径的正方形晶格的单位晶胞。短虚线正方形10612表示具有相似周期但具有D2作为孔直径的另一正方形晶格，其中，D1不等于D2。如果D1等于D2，则为正方形晶格(倾斜45度)。或者等效地，如果两个正方形晶格的周期相似，则也可以被认为是具有两个不同孔直径的六角形晶格。晶格图案也可以具有多于两个不同的孔直径；例如，在六角形晶格中晶格图案可以具有三个不同的孔直径。在孔的一个优选的微结构中，例如，D1可以是1300nm直径，并且正方形晶格可以具有2000nm的周期，并且D2可以是1500nm直径，并且正方形晶格可以具有2000nm的周期。在微结构型阵列中包括多于一个的孔直径的优点是，吸收相对波长曲线可以进一步变平，使得针对Si制成的微结构型PD/APD的超过800nm至990nm的波长以及针对如图101中由Si上Ge制成的微结构型PD/APD的1250nm至1750nm的波长，吸收的变化可以小于20％。在一些情况下，吸收在这些波长范围内变化小于10％并且在一些情况下小于5％。此外，可以改进微结构型PD/APD的总体吸收或相当于量子效率。
散布不同的孔直径还可以使量子效率变平，该量子效率与对较宽的波长范围内的波长——特别是针对硅中的微结构型PD/APD的800nm至990nm的波长以及针对Si上Ge中的微结构型PD/APD的1000nm至1800nm的波长——的吸收成正比。根据一些实施方式，其他孔直径和周期也是可能的。
根据一些实施方式，例如，对用于增大PD/APD的量子效率的微结构型孔和/或柱的吸收进行的改进可以应用于使用光子的吸收的其他器件例如太阳能电池、成像传感器、辐射吸收器等，其中，体吸收系数不足以在设计参数例如吸收材料的厚度中保持足够的量子效率。
图107是示出根据一些实施方式的Si上Ge的外延结构的图示。该结构与图82A所示的结构类似但具有厚度为0.1μm至0.5μm并且背景掺杂(可以是n掺杂或p掺杂)小于1.5×1016/cm3的附加Si I层10718，该附加Si I层10718在具有厚度为0.2μm(或0.1μm至2μm的范围)并且N掺杂>1×1019/cm3的Si N层10706上生长并且在Si I层10718之后是被非有意掺杂有背景掺杂<5×1016/cm3并且在一些情况下<5×1015/cm3、厚度为2μm或在0.5μm至2.5μm的范围内的Ge I层10708。具有掺杂>1×1019/cm3并且厚度为0.2μm或在0.2μm至0.5μm的范围内的P Ge层10710在顶部上。所有这些层都在N Si衬底10702上生长。可以使用图103A至图103C所示的参数来形成微结构型孔阵列10722。根据一些实施方式，六角形晶格或正方形晶格的孔直径为1300nm至1500nm，并且周期为2000nm。根据其他实施方式，使用如图106所示的布局。在这种情况下，具有多个直径的孔可以是例如如图106所示彼此嵌套的周期为2000nm并且直径为1300nm和1500nm的正方形晶格。
Si I层10718用于使Si中的掺杂剂达到低水平，使得减少或最小化扩散到Ge I层10708中的掺杂剂以使得Ge I层生长。掺杂剂例如用于N型掺杂的磷往往在Ge中比在Si中更快地扩散。
根据一些实施方式，图107中所示的结构用于微结构型PD并且还可以用于如图101所示的那样添加有倍增层和电荷层的微结构型APD。该结构的波长范围可以为800nm至1700nm并且特别地大约为1550nm±200nm。
添加的Si“I”层10718还有助于减小器件的电容，这是因为“I”层现在是Ge I和SiI层的总和。电容的减小有助于增大PD/APD的调制带宽。例如，在一些情况下，Si“I”层的厚度范围可以为0.1μm至3μm。在一些情况下，可以将孔10722蚀刻至Si“I”层和/或蚀刻到Si“I”层中。
图108是示出根据一些实施方式的Si上Ge的微结构型光电二极管的基本特征的图示。该结构与图107所示的结构相似或相同。已经发现MS-PD在1300nm至1700nm的波长范围以及600nm至1300nm的波长范围内操作良好。如图所示的光从孔阵列被蚀刻的顶表面入射。在一些小的改变的情况下，光也可以从衬底的底部入射，其中底部上的N欧姆接触10832具有孔径，并且Si衬底10702的底部用抗反射涂层抛光。此外，可以在底部Si衬底10702上形成过孔(未示出)，使得过孔可以向光纤提供引导以与微结构型PD对准。在该示例中，孔10722被蚀刻至Si I层10718。根据一些实施方式，孔10722也可以被蚀刻穿过Si I层或蚀刻到SiI层中或者不被蚀刻透过Si I层。孔阵列可以具有多个孔大小和多个周期并且可以是非周期性的。孔直径可以在500nm至1700nm的范围内，并且周期可以在1000nm至2500nm的范围内。根据一些实施方式，在正方形晶格或六角形晶格中，孔直径为1300nm和1500nm并且周期为2000nm。此外，1300nm和1500nm的孔可以成具有2000nm的周期并且如图106所示的那样彼此嵌套的正方形晶格。孔直径和周期可以变化10nm至50nm并且在一些情况下可以改变50nm至100nm。未示出在半导体的壁上的可以具有2nm至100nm的厚度的钝化层。钝化可以用于暴露的台面的强场区中，以减少泄漏电流。在P接触10828与N接触10830(和/或10832)之间施加-2伏特至-12伏特的反向偏压。反向偏压意味着相对于N(阴极)接触向P(阳极)施加负电压。用负号或没用负号示出的电压指代在阳极处相对于阴极为负。此外，孔可以具有不同的形状，不一定都是圆形的。
已知在光电检测器中使用纳米线。纳米线是InP，并且光电检测器显示出14ps的响应时间，或相当于在频域中被高斯变换限定为大约30GHz3dB的调制带宽。参见V.J.Logeeswaran等人的“A 14-ps full width at half maximum high-speedphotoconductor fabrication with intersecting InP nanowires on an amorphoussurface”，Appl.Phys.，第A91期，第1页至第5页(2008)(下文中称为“Logeeswaran等人”)，其通过引用并入本文中。在Logeeswaran等人中，入射光子在780nm处，并且大约780nm处的InP吸收系数大约为35000cm-1，并且不需要增强吸收和吸收长度。类似地，在另一种已知技术中，850nm的光子入射在纳米线上，并且大约850nm处的GaAs的吸收系数大约为12000cm-1，其中，不需要再次增强吸收和/或长度。参见M.A.Seyedi等人的“Efficient Schottky-likejunction GaAs nanowire photodetector with 9GHz modulation bandwidth withlarge active area”APPLIED PHYSICS LETTERS105,041105(2014)，其通过引用并入本文中。相比而言，根据本文中所描述的技术，使用ps响应时间和/或5Gb/s或更大的调制带宽来描述高速光电二极管/雪崩光电二极管。在850nm处的Si中，吸收系数大约为700cm-1，并且使用对吸收和/或吸收长度的增强来实现40％或更好的量子效率。类似地，对于大约1550nm处的Ge而言，吸收系数大约为459cm-1，这也使用对吸收和/或吸收长度的增强。
例如，对于用于典型高速或高调制带宽PD/APD以例如大约10Gb/s至30Gb/s进行操作的2μm厚的吸收“I”层(“I”层可以取决于PD/APD的调制带宽从0.3μm变化至3.5μm)而言，仅大约13％的850nm处的光子被吸收而没有被增强。在通过例如本专利申请中所描述的微结构型孔阵列(或柱)将吸收和/或吸收长度增强到大约12倍或更多倍的情况下，超过80％的光子可以在为2μm的物理“I”吸收长度中被吸收。本文中已经证明的是，在分别在数据通信为850nm和远程通信波长为1550nm处使用弱吸收(大约1000cm-1或更小)材料例如Si和Ge并且添加微结构型孔和/或柱的情况下，可以将吸收或吸收系数和/或吸收长度增强到材料变得强烈吸收(大约2000cm-1或更大)的程度，并且微结构型PD/APD可以用于高速或高调制带宽数据、远程通信应用和系统。
在一些情况下，对于某些光学数据/远程通信而言仅大约40％的吸收是足够的，并且例如对于850nm处的2μm的Si“I”层而言仅需要对吸收和/或吸收长度增强到大约3倍，或对于2μm的Ge“I”层而言，需要1550nm波长处针对Ge的吸收系数或吸收长度的4.5倍增强因子。较高的增强因子是可能的，因子大于10并且在一些情况下大于20以及在一些情况下大于40。当半导体体材料吸收系数变小时，增强因子变大达到100或更大。
Si纳米线的吸收在下述文献中讨论：Lu Hu和Gang Chen的Analysis of OpticalAbsorption in Silicon Nanowire Arrays for Photovoltaic Applications，，NanoLett.，第7卷，第11期，2007年(下文中称为“Hu等人”)，其通过引用并入本文中。与薄Si膜相比，与850nm波长对应的1.46eV处的吸收未被增强，并且其中在大约2.25eV或大约550nm或更短波长以上，与薄Si膜相比，吸收被增强。Hu等人还补充：“但在低频状态下，由于硅的消光系数小而无法实现改进”。
另一篇出版物中也得出类似的结论：Chenxi Lin和Michelle L.Povinelli的“Optical absorption enhancement in silicon nanowire arrays with a largelattice constant for photovoltaic applications”，第17卷，第22期/OPTICS EXPRESS19371，2009年10月26日(下文中称为“Lin等人”)，其也通过引用并入本文中。Lin等人示出了在大约1.5eV处的吸收的谐振增强，这被Lin等人归因于引导引起纳米结构中的电磁场强度的增大的谐振模式或慢Bloch模式。Lin等人阐述：“将来自空气的入射光耦合成二维周期结构的高Q泄漏模式”。在用于数据和/或远程通信应用的光电二极管使用中，高Q模式的尖锐谐振是不期望的。谐振光电二极管的该特性在例如J.D.Schaub等人的Resonant-Cavity-Enhanced High-Speed Si Photodiode Grown by Epitaxial Lateral Overgrowth，IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，第11卷，第12期，1999年12月(下文中称为“J.D.Schaub等人”)中讨论，其通过引用并入本文中。Schaub等人示出了大约800nm的波长处的高达40％的量子效率(参见Schaub等人中的图3)。然而，高Q模式的尖锐谐振是不期望的，这是因为由于温度而导致的发射器的波长的任何漂移(例如针对某些二极管激光器的0.3nm/度，由于焦耳发热和周围环境引起的激光器内部温度可以在数据中心中变化高达80℃或更高)可能导致量子效率的显著改变。具有尖锐谐振的先前已知的谐振光电二极管在量子效率最高的波峰谐振波长方面也可以是温度敏感的。此外，由于制造变化，所以激光源通常具有激光波长变化，并且不希望在波长方面将激光器与光电二极管准确地匹配。谐振光电二极管的制造变化也可能导致波长变化的谐振波峰。这降低场并增加光学系统的成本，这是因为对源和检测器的波长进行的仔细测试需要匹配并保持温度稳定性。
最近的出版物，Rui Ren，Yong-Xin Guo和Ri-Hong Zhu的“Enhanced absorptionin elliptical silicon nanowire arrays for solar energy harvesting”，OpticalEngineering 53(2)，027102(2014年2月)也示出了在1.5eV下弱增强或无增强但在较高能量下吸收强度增强的类似的结果，其通过引用的方式并入。
在Donnelly等人的“Mode-based analysis of silicon nanohole arrays forphotovoltaic applications”，第22卷第S5期，OPTICS EXPRESS A1343，2014年8月25日(下文中称为“Donnelly等人”)中，针对光伏应用分析纳米孔，其通过引用并入本文中。在光伏应用中尖锐谐振不是问题，这是因为日光光谱很广泛(数百nm)，而在光学数据/远程通信中，激光光谱从远小于1nm到几nm很窄例如<0.01nm至3nm，其取决于激光器的类型例如分布式反馈激光器、法布里-珀罗激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)，以及是单模激光器还是多模激光器以及激光器在CW中以外部调制还是直接调制被操作。例如，Donnelly等人还示出了例如在850nm波长区域处的尖锐谐振，其中，在参考Donnelly的图4中的800nm处的20nm的波长跨度上吸收变化达75％或更多。Donnelly等人的图5示出了具有各种纳米孔深度的500nm的最佳周期并且还示出了例如850nm的波长处的尖锐谐振，其中，在10nm的波长跨度上吸收可以从大约100％变化成20％，即，在吸收方面大约80％的变化。除了谐振引导模式之外，本文献还包括可以使吸收增强的基本模式和通道模式。
与量子效率成正比的大约为30％至40％并且在一些情况下为≤20％或≤10％的吸收波动对于数据和远程通信应用而言是可以容许的。在一些情况下，对于大约850nm例如±5nm、10nm、20nm、50nm或100nm的中心波长而言期望的是量子效率的波动小于或等于5％。
通过实验，在Erik Garnett和Peidong Yang的“Light Trapping in SiliconNanowire Solar Cells”，Nano Lett.，2010年第10期，第1028页至第1087页(下文中称为“Garnett等人”)中观察到光捕获和增强的吸收，其通过引用并入本文中。Garnett等人的图4示出了在1100nm的波长处的光透射小于10％、在850nm的波长处的光透射大约为5％，其中，从方程式1＝T+R+A分别得到的是，如果反射可以忽略，则吸收大约为90％至95％，在该方程式中，假设所有的光都被收集，T是透射，R是反射而A是吸收。
在另一最近的出版物，Katherine T.Fountaine，Christian G.Kendall和HarryA.Atwater的“Near-unity broadband absorption designs for semiconductingnanowire arrays via localized radial mode excitation”，第22卷，NO.OPTICSEXPRESS A930，2014年5月5日(下文中称为“Fountaine等人”)中，对具有不同直径的高度为3μm的Si上的GaAs纳米线的模拟结果表明可以通过5％的填充因子来实现接近统一吸收，其通过引用并入本文中。参见Fountaine等人的图4。模拟的目的是减少材料的使用以实现高效光伏器件；具有3μm的GaAs纳米线的5％填充因子相当于材料量方面的150nm的平面GaAs层。然而，吸收增强的适当比较是将3μm的GaAs纳米线与3μm厚的GaAs平面层进行比较。在这种情况下，3μm的平面GaAs层将具有一致吸收直至3μm的平面GaAs层达到1.42eV或大约873nm的带隙边缘并且急剧下降为止，在886nm处吸收系数大约为241/cm，其中，例如241/cm与作为强吸收的大约855nm处的5917/cm相比为弱吸收，并且3μm厚的层在886nm处吸收大约7％、在855nm处吸收大约83％、在827nm处吸收大约99％。通过比较3μm的GaAs层与Fountaine等人的图4，不存在明显的吸收增强。在没有明显的吸收增强的情况下，使用纳米线光电二极管与体层光电二极管相比没有优势。在这种情况下，3μm的体GaAs光电二极管的作用如果不更良好则与3μm的GaAs纳米线光电二极管的作用恰好相同以用于在800nm至850nm的波长处进行数据/远程通信。
根据本文中所描述的技术，提供吸收(系数和/或长度)的增强，使得例如Si中的2μm的微结构型孔(也可以是柱和/或柱和孔)例如针对5Gb/s或更大的高数据速率数据/远程通信比800nm至900nm的波长处的2μm的Si体层光电二极管显著更具吸收性。
图109A和图109B是示出根据一些实施方式的针对微结构型孔阵列使用麦克斯韦方程进行的FDTD模拟的结果的曲线图。孔阵列具有周期为2000nm和两个孔直径(如图106所示)的六角形晶格并且具有与图92的“I”厚度为2μm并且孔被蚀刻穿过I层的Si NIP类似的外延结构。图109A示出了四种情况下的吸收相对波长，其包括使用1670nm和1500nm的孔直径的曲线10910，而图109B示出了情况中的两种情况下的放大比例的吸收相对波长，其包括使用1670nm和1500nm的孔直径的曲线10910。模拟示出了跨840nm至860nm的波长并且平均吸收大约为90％的小于10％的波动。此外，835nm至875nm的波长之间的区域可以具有等于或优于入射光子的80％的吸收。添加多于一个孔直径和/或周期减少吸收相对波长曲线中的波动。具有不同孔直径和/或周期的不同结构的不同谐振模式与本征模的耦合有助于减小波动并改进在更宽波长范围内的吸收增强，并且在大约2μm厚的Si材料中在850nm处实现与大于80％的量子效率成正比的高吸收效率。在一些情况下，可以实现850nm±10nm处的大于90％的量子效率。在一些情况下，在850nm±10nm处可以实现大于70％、60％、50％或40％的量子效率。
还示出了其他孔直径例如1330nm和1500nm、1500nm和1500nm、1670nm和1670nm，所有孔具有2000nm的周期，并且波动在某一波长范围内比其他波长范围内更良好，使得在针对某一波长范围例如850nm±10nm设计微结构型PD/APD时，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”层中获得大于80％并且具有小于10％的波动的吸收。此外，具有1330nm和1500nm的孔以及如先前所提及的具有周期为2000nm的六角形晶格、直径为1500nm和1670nm的孔也可以大致获得该性能。因此，可以使用具有直径为600nm至1700nm和周期范围为900nm至2000nm的孔大小的范围来设计具有20nm或更大光谱范围的特定波长范围。也可以使用其他直径和周期，所给出的示例表明孔直径和周期的某些组合可以引起具有小于10％、20％、30％、40％和50％的波动的吸收增强。
孔直径可以大于波长或小于波长，并且自由空间中的周期大于波长。亚波长周期也可以与等于或大于波长的周期结合使用。
该示例表明具有相同周期的各种孔直径可以用于在Si中设计以超过5Gb/s——在一些情况下为10Gb/s、在一些情况下为20Gb/s以及在一些些情况下为30Gb/s至40Gb/s或更大——的数据速率进行操作的850nm PD/APD，其中，有用的光谱范围为20nm，在一些情况下为10nm、在一些情况下为40nm或更大。可以使用其他孔直径和周期来优化例如880nm波长、980nm波长处的吸收增强，其中，通常的孔直径和/或周期随着波长变长将相应地更大。可以使用多个孔直径和/或多个周期将微结构型硅PD/APD延伸到更长的波长例如从800nm到1000nm的波长并且具有增强的吸收为40％或更大，在一些情况下为50％或更大、在一些情况下为60％或更大、在一些情况下为70％或更大、在一些情况下为80％或更大以及在某些情况下在特定波长处为90％或更大。对于更长的波长例如1550nm而言，孔和周期可以是例如1300nm的直径和1500nm的直径、周期为2300nm和2500nm，其中，周期增大。Si上Ge中的针对1550nm的波长的其他孔直径/周期可以是例如2300/3100(以nm为单位)、2000/3100(以nm为单位)，其中，直径和周期都增大。
此外，还可以使用其他形状例如人字形或“V”形孔用于吸收增强。其他形状可以是“X”形、可以是矩形、三角形、多边形和/或形状的任何组合以实现期望的吸收增强和光谱宽度以及偏振灵敏度。
图110示出了根据一些实施方式的具有不同孔直径和晶格周期的微结构型光电二极管/雪崩光电二极管的吸收相对波长的图。模拟的MS-PD/APD具有正方形晶格，其中，光子从顶表面或底表面入射。吸收层是具有大约厚度为2μm的Ge。该结构与图82A所示的结构类似。例如，吸收相对波长曲线中由曲线11010表示的具有孔直径为1500nm和周期为2000nm的微结构示出对波长范围为1500nm至1650nm的入射光子的良好吸收特性。例如，由吸收相对波长曲线中的曲线11012表示的具有孔直径为2250nm和周期为3000nm的微结构示出对例如波长范围为1650nm至1700nm的入射光子的良好吸收特性。这两个孔直径和晶格的组合可能引起针对1500nm至1700nm范围的波长的吸收优于60％。孔直径/周期的其他组合也可以用于实现良好的吸收特性，例如优于50％、在一些情况下优于40％、在一些情况下优于30％。在某些波长内，例如在1550nm±10nm或更多的波长处可以实现优于80％。此外，1669nm±几纳米的波长也可以实现优于80％的吸收效率。还示出了其他孔直径为1875nm、周期为2500nm并且由曲线11014表示。
在某些情况下，孔直径可以大于入射在微结构型PD/APD上的要被吸收的光的波长，并且在一些情况下，孔的直径可以与入射光子波长大致相同，并且在一些情况下，孔的直径可以小于入射光子波长。关于晶格的周期可以具有相同的情况，其中，周期可以比要被检测的光的入射波长更小、大致相同和/或更大。
图111A和图111B示出了根据一些实施方式的使用如图82A中的结构的FDTD方法的模拟，其中，使用了两个晶格和两个不同的孔直径。图111A示出了孔图案，其包括具有孔直径D1为1500nm的六角形晶格与四角处为D1而中心处D2为2250nm的正方形晶格的组合。D1孔被横向间隔开3μm(d2＝3μm)、被纵向间隔开大约3.46μm。六角形晶格的周期为2μm(d1＝2μm)。图111B示出了吸收相对波长的曲线。可以看出，2个晶格、2个不同的孔直径情况(曲线11110)表明，在某些波长处，吸收比单个晶格/孔微结构型PD/APD的吸收更好。例如，在大约1570nm至1600nm或数据/远程通信波长的L波段处，曲线11110示出了更好的吸收。这是对例如具有孔直径为1500nm(曲线11112)的2μm周期以及具有孔直径为2250nm(曲线11114)的3μm周期的正方形晶格进行的比较。该结果仅表明，在孔直径和周期的不同组合的情况下，吸收响应可以具有较少的谐振和/或较少的尖锐谐振并且还可以在某些波长范围内最佳地调整吸收响应。这仅是一个示例，可以模拟晶格、周期、孔直径和形状的其他组合，以获得期望的量子效率、偏振灵敏度、非灵敏度、波长选择性和/或非选择性例如宽波段、波动/谐振减少等。例如，直径或最小尺寸可以在100nm至3000nm的范围内，并且周期和/或多个周期可以在150nm至4000nm的范围内。此外，孔图案可以不是晶格，例如孔非周期性地分布和/或孔之间的间隔被啁啾。此外，孔的图案可能不需要是周期性的，但图案可以是周期性的或非周期性的。孔可以是随机的或伪随机分布的，并且孔直径可以以周期性、非周期性的方式、随机方式或伪随机方式变化。此外，孔可以至少在一个点处连接，例如，在某些周期处，周期与孔的直径相同、几乎相同、小于孔的直径。孔的阵列可以具有多个周期，并且至少一个周期可以使得孔接触和/或交叠。
通过根据本文中所描述的技术使用谐振晶胞与相邻邻近谐振晶胞的耦合，实现吸收响应的平滑，这与仅具有单个谐振器并且在吸收相对波长方面表现出尖锐的谐振行为的现有已知的谐振光电二极管相反。根据本文中所描述的技术的谐振晶胞的总效果引起具有受控波动和波长范围的更加定制的吸收响应。此外，本文中所描述的技术还可以用于在特定波长处定制特定吸收特性以用于特定波长处的更优的PD/APD性能。
此外，不参与吸收增强工艺的其他微结构/纳米结构可以用于减少反射；例如在具有数十nm到数百nm范围内的尺寸(例如直径)的表面上的亚波长孔或凹处，其深度可以在数十nm到数百nm或更大的范围内。
图112是示出根据一些实施方式的具有相同周期的两个六角形晶格彼此组合和交织的另一晶格结构的图示。图案可以使用相同或不同直径的孔。如图所示，该图案具有两个不同的直径，例如，周期可以是2000nm，D1可以是1500nm，D2可以是700nm。周期和直径的其他组合也是可能的并且用于定制吸收特性并且因此对照入射光子波长和波长跨度来定制量子效率，其中，吸收特性对于光学数据/远程通信目的而言是可接受的并且满足针对特定的一个或更多个光学系统的任何特定的应用要求。
如彼此交叠的两个六角形晶格的虚线三角形所示的单位晶胞，使得单位晶胞的本征模也彼此交叠，这可以进一步减小特定波长范围内的吸收特性的波动并且还可以扩展其中吸收特性的波动减小的波长范围。某一波长范围内的吸收特性的急剧变化在光电二极管/雪崩光电二极管中是不希望的，这是因为例如入射光信号波长的漂移和/或光电二极管吸收特性相对于温度的漂移都可能引起光电信号转换的显著变化。小于5％的改变是优选的，并且在一些其他情况下，在2nm、4nm、10nm、20nm、40nm、60nm、100nm或250nm的波长范围内小于10％、20％、30％、40％或50％的改变是优选的。
图113示出了具有6个单位晶胞的六角形晶格，每个晶胞具有其本征模，其中，任何场传播/分布可以是其本征模的扩展。每个晶胞的本征模可以与形成复耦合超模的相邻晶胞的本征模耦合，这可以被认为是钟摆的2D阵列的耦合，仅用于可视化目的，从而使得对钟摆运动的该大量耦合的2D阵列的响应或运动是很复杂的，而不是单摆的简单振荡运动，其中，每个钟摆经由弱弹簧连接至所有相邻的钟摆(弱弹簧是机械耦合机构)。为了添加至耦合，可以例如在图112中添加第二嵌套的六角形晶格。此外，可以在晶胞内和/或相邻晶胞的边界处添加圆形或任何形状和任何深度以及任何直径的孔，其中这些参数中的任何参数可以具有多个值，这可以影响晶胞的本征模以及其与相邻晶胞本征模的耦合。例如，为了简化起见，可以如图所示添加直径为X的孔，其中，X可以具有单个值或多个值，并且孔可以部分或完全被蚀刻在Si或Ge表面中并被蚀刻到吸收层中。这也可以仅在表面上而不是穿透吸收层。根据一些实施方式，孔可以部分地或完全地蚀刻到吸收层中。
与先前已知的结构中的单个谐振器例如谐振光电二极管相比，引起复杂的驻波或超本征模的晶胞的耦合可以给出更平稳的吸收相对波长响应，其中，吸收响应(与量子效率成比例)具有尖锐的谐振特征。
图114示出了根据一些实施方式的具有孔阵列和纹理表面的Si NIP微结构型光电二极管。纹理表面11440可以在顶表面上和/或在自身的孔11422中。例如，纹理可以具有偏离法线的角度，其中，衬底可以相对于干蚀刻光束(方向)倾斜地旋转(或静止)，并且纹理可以部分地在侧壁上。根据一些实施方式，纹理11440减少入射辐射的反射，这是因为在光通信链路中，反射回光源的光信号是非期望的，并且可能使数据通信系统的信噪比退化。在具有或不具有掩模的情况下在半导体表面上执行干蚀刻的纹理例如黑色硅可以引起大量纳米结构，其可以捕获光子并减少反射。在没有任何纹理的情况下，如在图39中的吸收相对波长曲线中看到的，反射小于10％并且在一些情况下小于5％、在一些情况下小于2％，其中，在某些波长处吸收大于90％至95％。根据等式1＝T+R+A，其中，T是透射光，R是反射光而A是吸收光，则针对A＝90％至95％，表示T+R为5％至10％。因此，R小于或等于10％并且在一些情况下小于或等于5％。在添加半导体表面的纹理的情况下，反射可以在某些波长处进一步减少到小于1％。此外，光信号可以以偏离法线的角度入射在微结构型PD/APD上，并且可以进一步减少回到光数据通信信道的反射。
图115是示出Si和Ge吸收系数相对波长的曲线图。参见例如图6：(http://www.silvaco.com/tech_lib_TCAD/simulationstandard/2010/apr_may_jun/a1/a1.html)，其通过引用并入本文中。对于850nm处的Si和1550nm处的Ge都具有大约小于300/cm的吸收系数。例如，对于高速光电二极管和/或雪崩光电二极管而言，该弱吸收引起不足的量子效率，其中，针对例如>10Gb/s带宽的数据速率，高速光电二极管和/或雪崩光电二极管通常具有大约2μm或更薄的吸收厚度。这是目前没有针对例如850nm波长的Si和1550nm波长的Ge具有>5Gb/s数据速率的商业高速光电二极管的原因之一。
图116是示出根据一些实施方式的由于微结构型孔阵列而增强的Ge的有效吸收系数的曲线图。曲线11610示出了对于2μm厚的Ge层而言针对具有周期为1.65μm和孔直径为1.25μm的六角形晶格的Ge的增强的吸收系数。为了进行比较，曲线11612示出了体Ge(没有微结构型孔)的吸收系数。根据一些实施方式，其他微结构也可以给出可以针对某些波长段被优化的增强的有效吸收系数。例如，微结构可以是孔或柱，间隔可以是周期性的或非周期性的，孔或柱可以具有单个直径或多个直径，并且形状可以是圆形或非圆形的。如先前所示，吸收是吸收系数和吸收长度的乘积。因此，将吸收系数保持为体材料吸收系数(Ge的曲线11612)，则吸收长度可以是物理吸收长度的5、10、20或更多倍的增强的有效吸收长度。如从图116中可以看到的，增强的有效吸收系数在许多波长范围内是Ge中的体吸收系数的10倍以上。Ge中的增强的有效吸收系数由于微结构使得能够研发高速PD/APD，其中，在1550nm波长以及更长的波长处的吸收长度通常为大约2μm或更小，而量子效率(与吸收成正比)大于30％、大于40％、大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于90％。材料、吸收长度、波长、数据速率和量子效率的这样的组合在其他方面是未知的，对于Si或Ge而言都不能商业上可用。关于在850nm或更长的波长范围内以高数据速率带宽进行操作的Si微结构型PD/APD情况相同，其中，吸收长度对于例如5Gb/s、10Gb/s、20Gb/s以及更高的数据速率而言通常为大约2μm或更小。
此外，微结构可以由单个元件或晶胞和/或多个元件或晶胞组成并且可以具有增强的有效吸收和/或增强的有效吸收长度，这可以是线性光场效应、非线性光场效应、耦合模式效应和/或慢波效应的结果。
使用微结构对吸收系数和/或吸收长度的增强也可以用于将其他材料例如III-V材料、GaAs、InP、GaN等的操作波长延伸在波段边缘处，在波段边缘处，吸收系数变弱。对于在1.6μm的波长附近的InGaAs而言，参见例如Slawomir S.Piatek中的图3：http://www.hamamatsu.com/us/en/community/optical_sensors/tutorials/ph ysics_of_mppc/index.html？utm_source＝googleplus&utm_medium＝social&utm_campaign＝hc-social，其通过引用并入本文中。根据一些实施方式，微结构可以用于将工作波长延伸到接近1.6μm和更长。
此外，使用微结构来增强吸收也可以应用于非晶材料例如非晶硅并且也可以应用于其他材料如聚合物、陶瓷、石墨烯、合金和氧化物。此外，其他形式的能量传播例如声学、微波、紫外线、X射线和压力波可以从一种形式的能量转换为另一种形式的能量。例如，尺寸近似于压电陶瓷和/或晶体上的声波长的结构可以增强例如声能到电能的转换。例如，使用近似于声波长的尺寸的结构可以增强声吸收，这可以引起更薄的压电材料，这可以进而具有更高的声频响应。
图117是示出根据一些实施方式的Si微结构型PD/APD的增强吸收的曲线图。模拟的MS-PD/APD具有六角形晶格孔阵列，其周期为2000nm并且直径为1500nm，并且光子偏离法线入射例如偏离法线10度、20度和40度。图39示出了类似结构的模拟增强吸收相对波长，其中，光子与表面呈法线入射。如可以看到的，偏离法线10度的光子在850nm的波长处不显著地改变吸收，并且吸收仍大于90％。在40度时，850nm波长处的吸收仍超过90％，然而在20度时，吸收在850nm处下降到85％。总之，在某些波长处，入射在微结构上的光子的入射角的改变可以例如在0度至40度的角度范围内使吸收改变小于10％。在优化孔直径、周期、非周期性微结构的情况下，在某些波长范围内，相对于入射光子的入射角，量子效率(与吸收成正比)的改变可以小于10％，并且在某些情况下小于5％以及在某些情况下小于3％。该特征对于将反射回激光源的反射光最小化而言是重要的，该激光源间接地或以数据速率直接地被调制以传输光信号，在间接方式中，使用光学调制器来将电信号转换成光信号以用于光纤和/或自由空间和/或光波导中的传输。使用非激光源例如发光二极管作为电信号到光信号转换器减轻对返回光源的反射能量的需求，这是因为LED是较不相干和/或非相干光源；并且相同波长处的反射基本不引起作为电信号到光信号转换器的完整性的损坏。
本专利申请涉及解释器件的性质和操作的某些理论，但应该清楚的是，这样的理论基于目前的理解并且即使未来的发展证明该理论不正确也不影响所公开的器件的实际操作。本专利说明书还涉及参数的数值范围，并且应当理解，从这样的范围的非实质偏离仍然在所公开的进步的精神内。
应当理解的是，描绘器件的附图不是按比例缩放的，并且在某种程度上是理想化的，例如具有直线和直角，而实际的器件会并且可能具有不是直的或平滑的壁以及一定程度变圆的角。事实上，取决于加工参数，壁诸如微结构中的孔或柱的壁可能是不均匀和粗糙的表面并且具有表面特征例如凹陷和凸起，这实际上可以有助于效果例如减少非期望的反射。
用于检测光和/或信号处理和分布式集成电路的半导体层可以使用技术例如气相外延、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、分子束外延等外延地生长和/或选择性区域外延、选择性区域外延横向过生长、外延横向过生长、异质外延、晶片接合、外延剥离工艺以及生长、接合、剥离工艺的任何组合。半导体层的优选工艺是化学气相外延或化学气相沉积。
此外，微结构孔可以仅在吸收高电场“I”区中并且不一定延伸到PD/APD的N区和P区中和/或穿过PD/APD的N区和P区。这些孔也可以与孔的整个长度重叠，或者相邻的孔可以沿着孔的长度部分地重叠。
P区、I区和N区的掺杂通常在不同掺杂水平区域之间逐渐过渡，部分原因是掺杂剂在外延生长期间的扩散。从高掺杂到低掺杂的过渡可以取决于掺杂剂类型、掺杂水平、生长温度和外延沉积方法在1nm至1000nm或更大的距离上发生。PIN结构通常是P+、P、P-、I、N-、N、N+，其中，P和P-以及N和N-是过渡区，并且很窄的过渡区是期望的。
虽然为了清楚起见已经以一定详细程度对前述内容进行了描述，但明显的是，在不脱离本发明的原理的情况下可以进行某些改变和修改。应当注意，存在实现本文中所描述的工艺和设备的许多替代方式。因此，本实施方式被认为是说明性的而不是限制性的，并且本文中所描述的工作主体不限于本文中给出的细节，其可以在所附权利要求的范围和等同内容中进行修改。
Claims (29)
1.一种用于数据通信的集成检测器/处理电路，所述集成检测器/处理电路包括形成在单个半导体芯片中的电子处理器和具有经微结构增强的光吸收的光电检测器两者，所述单个半导体芯片包括：
光电检测器，所述光电检测器形成在半导体衬底上并且包括光子吸收区，所述光子吸收区被配置成从被调制以用于数据通信的光源信号吸收光子并提供与所述光源信号对应的输出电信号；
所述光子吸收区中包括具有朝向所述衬底延伸的多个孔的Si或Ge中至少之一的层，并且被配置成在多个孔处同时接收同一源信号；
电子处理器，所述电子处理器也形成在所述半导体衬底上并且与所述光子吸收区操作上相关联以从所述光子吸收区接收所述输出电信号并将所述输出电信号处理为经处理的输出，由此形成接收所述光源信号并输出经处理的输出的单个半导体芯片；
其中，所述光子吸收区和所述电子处理器各自的厚度具有相同数量级；以及
阴极区和阳极区与所述光子吸收区操作上相关联，并且反向偏置电路系统被配置成在所述阴极区与所述阳极区之间施加电压，使得与所述阳极区相比所述阴极区被驱动至更正的电压。
2.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区的厚度在0.5微米至5微米的范围内。
3.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述电子处理器包括专用集成电路ASIC，所述专用集成电路包括互补金属氧化物半导体CMOS器件、双极Bi器件和BiCMOS器件中至少之一。
4.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区被配置成在800nm至900nm的波长处吸收超过40％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。
5.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区被配置成在800nm至900nm的波长处吸收超过50％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。
6.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区被配置成在800nm至900nm的波长处吸收超过60％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。
7.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区被配置成在1400nm至1700nm的波长处吸收超过40％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。
8.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区被配置成在1400nm至1700nm的波长处吸收超过50％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。
9.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区被配置成在1400nm至1700nm的波长处吸收超过60％的入射源信号并提供与其对应的输出电信号。
10.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区被配置成以在800nm至900nm的源信号波长的为至少20nm的选定波长跨度上变化小于20％的吸收百分比来吸收入射源信号。
11.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光子吸收区被配置成以在1400nm至1700nm的源信号波长的为至少20nm的波长跨度上变化小于20％的吸收百分比来吸收入射源信号。
12.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，每个孔具有与所述衬底的表面平行的截面，并且所述截面的最大尺寸在400nm与2500nm之间，以及每个孔的中心与所述多个孔中的最近相邻孔的中心间隔小于3500nm。
13.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器还包括以1019每cm3或超过1019每cm3高掺杂并且位于所述光子吸收区两侧的P层和N层，以及所述光子吸收区被至多以1016每cm3轻掺杂或者非有意掺杂。
14.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器包括雪崩光电检测器。
15.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器包括锥形孔或阶梯孔，所述锥形孔或阶梯孔被配置成容纳用于传送所述源信号的光纤并且将所述光纤的端部保持在距所述光子吸收区选定距离处。
16.根据权利要求15所述的集成检测器/处理电路，还包括：在所述光纤的所述端部与所述光子吸收区之间的透镜。
17.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器包括反射结构，所述反射结构被配置成引起所述源信号的多次反射，从而使所述源信号多次穿过所述光子吸收区。
18.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器被配置成从所述光子吸收区的两个相对侧接收所述源信号。
19.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述孔被配置成在多组孔处将光转换成电信号时引起耦合谐振，从而增强源信号吸收。
20.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，还包括：形成在所述半导体衬底上并且具有相应光子吸收区的一个或更多个附加光电检测器，相应光子吸收区接收相应附加源信号并提供与其对应的相应输出电信号；以及一个或更多个附加电子处理器，所述附加电子处理器也形成在所述半导体衬底上并且与所述附加光电检测器的相应光子吸收区操作上相关联以从相应光子吸收区接收所述相应输出电信号并处理所述相应输出电信号。
21.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，与无孔但其他方面相同的光电检测器相比，所述多个孔在包括所述源信号的波长的波长范围内增强光子的吸收。
22.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述电子处理器包括选自下述的一种或更多种类型：跨阻抗放大器、信号处理电子器件和路由电子器件。
23.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，与其阳极区和阴极区操作上连接到常规接合焊盘但其他方面相同的光电检测器相比，与所述光电检测器相关联的电容减小。
24.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器还包括倍增区，以及所述光电检测器是被配置成在800纳米至900纳米的源信号波长处以大于10千兆比特每秒的数据带宽来检测所述源信号并且具有大于2的增益的雪崩光电二极管。
25.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述源信号和所述输出电信号中的每一个以至少5千兆比特每秒的速率被调制。
26.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，包括位于所述光子吸收区两侧的高掺杂的P层和N层，以及其中，所述光子吸收区的厚度在0.1微米至5.0微米的范围内，并且与P区和N区相比所述光子吸收区是非有意掺杂的或者是轻掺杂的。
27.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器被偏置以使电子或空穴中至少之一在沿着所述光电检测器接收所述源信号的方向的方向上被扫掠。
28.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器和所述电子处理器中的每一个是硅基的。
29.根据权利要求1所述的集成检测器/处理电路，其中，所述光电检测器是雪崩光电检测器。
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