CN111886704A - 光检测器 - Google Patents

光检测器 Download PDF

Info

Publication number
CN111886704A
CN111886704A CN201980021020.8A CN201980021020A CN111886704A CN 111886704 A CN111886704 A CN 111886704A CN 201980021020 A CN201980021020 A CN 201980021020A CN 111886704 A CN111886704 A CN 111886704A
Authority
CN
China
Prior art keywords
resonator
region
photodiode
electrode
dielectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201980021020.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111886704B (zh
Inventor
N·赫施巴赫
C·保利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IEE International Electronics and Engineering SA
Original Assignee
IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from LU100953A external-priority patent/LU100953B1/en
Application filed by IEE International Electronics and Engineering SA filed Critical IEE International Electronics and Engineering SA
Publication of CN111886704A publication Critical patent/CN111886704A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111886704B publication Critical patent/CN111886704B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281—Shape of the body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种光检测器(1)。为了提供一种改进的光检测器，尤其是用于红外检测的光检测器，本发明提出，光检测器包括沿检测器表面(P)设置的谐振器‑光二极管单元(10)的二维的布置，用于检测从检测器表面(P)上方入射的辐射并具有与真空中的目标波长(λt)相对应的目标频率(νt)，其中每个谐振器‑光二极管单元(10)包括对目标频率(νt)敏感的光二极管半导体结构(11)和亚波长介电谐振器(30)。

Description

光检测器
技术领域
本发明总体上涉及一种光检测器。
背景技术
当要检测波长大于1.1μm的红外光谱范围内的光子时，硅对于光子诱导的带间跃迁是一种不足的半导体材料，并且绝对需要使用小带隙半导体材料。基于带间跃迁的红外光检测器中采用的典型小带隙半导体材料系统是铟镓砷化物(InGaAs)和汞碲镉化物(HgCdTe)。也使用基于锑化物的系统，例如锑化铟(InSb)、锑化铟镓(InGaSb)和砷化铟与锑化镓的组合(InAs/GaSb)，以特别用于生产用于红外光检测的II型应变层超晶格光检测器装置。使用这些半导体系统生产的红外光检测器装置在技术上是复杂的，并且所使用的有些材料具有剧毒，因此需要严格的预防措施来防止危害健康和环境。因此，这些装置的成本水平高。另外，这些类型的红外光检测器需要冷却至低温，以实现低噪声操作，并且为了检测中波长红外或长波长红外范围中的较长波长的光，通常需要检测器装置的低温冷却。
谐振腔光二极管(也称为谐振腔增强光二极管)包含具有在其中集成的光腔或光谐振器的光二极管，使得进入光二极管的光在谐振时可以被陷在谐振器内部。光学谐振器通常以法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器的形式实现，该谐振器通过使用两个彼此面对的镜，镜之间的空间包含光二极管的吸收半导体材料。镜通常是金属层镜、介电镜或布拉格镜(Bragg mirror)，或者是层状半导体材料结构中的分布式布拉格反射器或用于波导光二极管形式的光二极管的布拉格光栅。谐振腔光二极管已经以不同的形式并且作为单个光检测器或一维或二维阵列的光检测器被描述和发展了一段时间，例如参见EP 0 622 857 A1，GB2 383 684A，US 2005/0263805 A1以及WO 2017/019158 A1。
通常不同的原因组合会促进谐振光二极管概念的使用。由于将光捕获在谐振腔中，光在多通道中传播通过吸收性半导体材料的路径长度实际上变成乘以了大约等于光学谐振器的品质因子或精细度(finesse)的因子。结果，与没有谐振腔的光二极管相比(其中实现相同的吸收概率水平)，达到一定的概率水平以吸收入射光脉冲所需的吸收性半导体材料的厚度和体积相应地减小。这可具有的优点是，光生自由电荷载体必须在它们能电极上被提取前漂移的半导体内部的距离变短，这反过来又有利于光检测器的更快响应，并且根据半导体材料，由于较短的漂移距离而导致的复合概率的降低也是一个明显的优势。此外，由于与红外光谱范围内的光二极管相关的热激励所产生的暗电流和暗电流噪声贡献与光二极管的小带隙半导体吸收体部分的体积大致成比例，因此根据谐振腔光二极管概念该体积的减小相对于这些光检测器的暗电流水平和噪声水平也是有益的。而且，当采用谐振光二极管概念时，具有太低的吸收系数以致无法实现常规类型的光二极管的半导体材料可能变得可用。谐振腔光二极管的一个重要优点是，由于吸收体体积较小，因此光二极管更容易集成到集成电子电路以及混合的电子和光子电路中。特别地，该优点在用于成像或用于光通信的芯片中是重要的，在该芯片中，大的光二极管阵列与电子电路集成在一起。此外，谐振腔光二极管中的吸收性半导体层的较小厚度可有助于减少所谓的像素串扰，也就是说，更容易实现其中阵列中的一个光二极管中的光信号保持限制到那个光二极管位置的谐振腔光二极管的阵列，并且在该光二极管中光生的自由电荷载体也不会溢出到属于其它相邻光二极管的区域中。最后，在通过谐振腔光二极管的光检测中的波长选择性方面在某些应用中是一个主要优势，其中可以通过光学腔的设计参数选择灵敏检测的光谱区域。
还提出了基于导电材料的规则结构层的超材料概念，所述导电材料通常是金属、高掺杂半导体、过渡金属氮化物或导电氧化物，它们与介电层具有界面，以改善使用光二极管原理的光检测器。在导电材料和电介质或空气的界面区域中，可以激励表面等离子体激元(SPP)。这些激励包括在导体表面中的局部等离子体激元激励，即自由电荷的集体振荡，如同金属中的自由电子相对于晶格的离子的集体振荡，结合在导体中的等离子体激励与电介质中的电磁场之间具有强耦合的界面区域处局部化的电介质中的电磁场。SPP激励可以沿界面传播，并且具有的波长取决于金属的复介电常数、电介质的介电常数和激励的频率。SPP波长显著地小于在电介质中行进的相同频率的电磁波的波长。
当暴露于谐振频率的电磁场时，尺寸在SPP波长范围内的导电层中的结构可以显示出SPP激励的明显谐振。对于导电层中的这些谐振结构，可以根据结构与入射电磁波的期望相互作用特性来选择各种形状，例如参见WO 2015/038203 A1。导电层中的谐振结构可以是介电层上具有一定形状的导电层的贴片，或者它可以是导电层中具有特定形状的切口。这些谐振结构可以形成所谓的超原子，即尺寸小于它们以特定方式相互作用的入射行进电磁波的波长的基本单元，其形成用于超材料的基本构造块。在超材料中，超原子可以配置成一维、二维或三维阵列。这些超原子的阵列可以是在超原子之间具有固定间隔周期的规则阵列，或者是在超原子之间具有不同距离或也具有不同类型的超原子的较小的超原子子阵列的规则排列，或者也可以是在超原子之间具有特定的预定变化量的距离或具有超原子类型的特定的预定变化量的超原子或子阵列的阵列。通过选择超原子的类型并选择超原子在超材料的阵列中的布置，超材料可被设计成具有与电磁波相互作用的特定性质。
包括与电磁波相互作用涉及等离激元或表面等离激元的超原子结构的超材料称为等离子体超材料。在WO 2015/038203 A1中给出了被设计成在给定的光谱范围内尽可能好地吸收电磁辐射的等离子超材料的示例以及被优化为在特定光谱范围内优先发射热辐射的超材料的示例。此外，US 2016/365463 A1描述了超材料结构的示例，这些超材料结构使用具有表面等离子体谐振的超原子并被设计以提供减少的反射和优化的光透射，并集成到光二极管结构中以增强其量子效率。
介电谐振器是众所周知的，并用于例如滤波器的微波组件中。介电谐振器也是已知的并且以例如整体谐振器或光学腔的形式用于光学器件中，其中通过在整体谐振器的表面处的全内反射来提供对光的限制，例如参见S.Schiller，I.I.Yu，M.M.Fejer和R.L.Byer的Fused-silica monolithic total-internal-reflection resonator(熔融石英单片全内反射谐振器)，Optics Letters(光学通讯)17，378-380(1992)。单片全内反射谐振器可以提供很高的精度，并且固有地具有高的机械稳定性。这些宏观介电谐振器的一个重要方面是，光进入谐振器的耦合以及光出谐振器的耦合只能由在谐振器的表面区域处的受阻全内反射通过瞬逝场来实现，其中发生谐振模式的光的全内反射。可以通过将光波导或反射棱镜例如放置在谐振场表面附近(此处瞬逝场不正在消失)以受控方式实现受阻全内反射。像量子力学中的隧穿效应一样，光子可以隧穿谐振器表面与光波导或反射棱镜表面之间的间隙。
同样，具有紫外线的、可见光的和红外光谱范围的亚波长尺寸的介电谐振器是已知的，并且已经在光子学领域进行了广泛的研究。表述亚波长介电谐振器是指在谐振器应该被使用并且显示出谐振的光谱范围内的频率处，其尺寸大大小于自由空间行进电磁波的波长的介电谐振器。更准确地说，可以将用于特定光谱范围的亚波长介电谐振器定义为在该光谱范围内具有最低阶谐振的谐振器。每个谐振模式对应于特征谐振电磁场功能。谐振模式和相应的谐振频率由谐振器的几何形状、谐振器的介电材料的介电常数以及可能的磁导率决定。当进行谐振模式的特征电磁场的多极扩展时，并且，例如当发现多极扩展中与电偶极场相对应的项占优势时，则可以将该模式称为电偶极子模式或具有主要电偶极子特性的模式。类似地，在特征模式场的多极扩展中具有显著磁偶极子项、或显著电四极子项、或显著磁四极子项的模式可以分别被指定为磁偶极子模式、或电四极子模式、或磁四极模式。
与不具有亚波长尺寸的宏观介电谐振器不同，对于亚波长介电谐振器，不需要受阻全内反射用于将光耦合到谐振器内部的谐振模式或从谐振器内部的谐振模式耦合出。外部电磁波与亚波长介电谐振器的相互作用相当相似于纳米粒子对电磁辐射的散射。外部电磁场感应出偏振矢量，该偏振矢量在亚波长谐振器中随时间振荡，并且根据激励场的偏振的频率和方向，可以激励一个或多个谐振器模式。类似地，当对应于特定谐振器模式的偏振矢量场在谐振器中振荡时，则谐振器以振荡模式的辐射轮廓特性以一定速率将谐振器中的偏振振荡的能量辐射到外部。例如，电偶极子模式将具有非常类似于振荡电偶极子的辐射轮廓。
亚波长介电谐振器也已经成功地用作超原子，以生成各种介电超材料，有时也称为全介电超材料。与等离子超材料不同，介电超材料没有欧姆损耗。因此，可以将介电超材料设计成具有与难以或甚至不可能用等离子超材料实现的电磁波相互作用的特性。多种可能的几何形状可用于亚波长介电谐振器，其可以作为超原子包含进介电超材料中。JamesC.Ginn和Igal Brener，David W.Peters，Joel R.Wendt，Jeffrey O.Stevens，PaulF.Hines，Lorena I.Basilio，Larry K.Warne，Jon F.Ihlefeld，Paul G.Clem和MichaelB.Sinclair在文章“Realizing Optical Magnetism from Dielectric Metamaterials(从介电超材料中实现光学磁性)”，Physical Review Letters(《物理评论快报》)108，097402(2012)中已经研究了基于亚波长立方介电谐振器的超材料。
亚波长介电谐振器的圆柱几何形状已经在介电超材料研究中具有特别的意义。通过改变圆柱体的纵横比，即直径除以高度，可以使电偶极子和磁偶极子模式的谐振频率相对于彼此偏移，并且在圆柱体的纵横比的某个值下，电偶极子和磁偶极子模式的谐振频率重合。因此，可以在与两种模式的谐振频率一致的频率下，以入射的电磁波同时地激励电偶极子模式和磁偶极子模式。同时激励的电偶极子和磁偶极子模式产生的辐射电磁场可以理解为电偶极子和磁偶极子模式的辐射电磁场的矢量和。已证明，当这两个电磁场具有相同的大小时，它们在后向方向上可以相互抵消，而在前向方向上，它们建设性地相加，导致前向散射场，该散射场还可以相对于入射电磁波具有相移2π。因此，具有这种特性的亚波长圆柱形介电谐振器有助于形成介电超表面，即，超原子的二维阵列，其完全透明并且几乎没有反向散射。
另一个重要方面是，前向散射场相对于入射电磁波可具有高达2π的相移，这对于实现所谓的惠更斯超表面和设计成对入射电磁波任何给定的波前形状产生任何所需波前变形的超表面非常重要。这些研究结果是通过数位科学家的数值模拟、理论计算和实验发现的，并在科学出版物中进行了描述，其中以下几篇引文包含了重要方面：IsabelleStaude,Andrey E.Miroshnichenko,Manuel Decker,Nche T.Fofang,Sheng Liu,EdwardGonzales,Jason Dominguez,Ting Shan Luk,Dragomir N.Neshev,Igal Brener和YuriKivshar的文章“Tailoring Directional Scattering through Magnetic and ElectricResonances in Subwavelength Silicon Nanodisks(通过亚波长硅纳米盘中的磁和电谐振来调整方向散射)”，ACS Nano(美国化学学会纳米)7,7824–7832(2013)；J.van de Groep和A.Polman的文章“Designing dielectric resonators on substrates:Combiningmagnetic and electric resonances(在基底上设计介电谐振器：结合磁和电谐振)”,Optics Express(光学快报)21,26285(2013)；Manuel Decker,Isabelle Staude,MatthiasFalkner,Jason Dominguez,Dragomir N.Neshev,Igal Brener,Thomas Pertsch和YuriS.Kivshar的文章“High-Efficiency Dielectric Huygens’Surfaces(高效介电惠更斯表面)”,Adv.Optical Mater(高级光学材料)3,813–820(2015)；Butakov,N.A.和Schuller,J.A.的文章“Designing Multipolar Resonances in Dielectric Metamaterials(设计介电超材料中的多极共振)”,Sci.Rep.(科学代表)6,38487(2016)。
Xinyu Liu,Kebin Fan,Ilya V.Sharivov和Willie J.Padilla在Opt.Express(光学快报)25,191-201(2017)的文章“Experimental realization of a terahertz all-dielectric metasurface absorber(太赫兹全介质超表面吸收体的实验实现)”中描述了基于圆柱形介电谐振器超原子(其在一定带宽内接近完全吸收太赫兹辐射)的介电超表面的工程设计，并报告了此类超表面的实验室样品及其实验表征的实现。
介电谐振器的阵列(在上述引用的科学文献中描述的介电超材料的情况下，谐振器之间的间隔小于或等于波长)的一个重要方面是，阵列中的介电谐振器之间的相互作用。阵列中每个介电谐振器的瞬逝场和散射或辐射场贡献会影响阵列中其它谐振器的场，反之亦然。这些不同的场贡献在介电谐振器阵列中的每个点上增加并且彼此干扰，并导致谐振器阵列中的集体效应，该集体效应可以显著确定谐振器阵列与外部电磁波的相互作用。这些相互作用的集体效应也可以描述为谐振器阵列中的多重散射效应。集体效应或多重散射效应敏感地取决于外部电磁波的频率，阵列中介电谐振器之间的距离，谐振器之间、下方和上方的可能嵌入介质的介电常数以及可能的磁导率，以及最后的各个介电谐振器中由外部电磁波激励的谐振器模式，特别是：模式的特征场的多极特性以及外部场中各个谐振器的谐振响应的强度。
在Andrey B.Evlyukhin,Carsten Reinhardt,Andreas Seidel,Boris S.Luk’yanchuk和Boris N.Chichkov的文章“Optical response features of Si-nanoparticlearrays(硅纳米粒子阵列的光学响应特征)”,Phys.Rev.B(物理评论B)82,045404(2010)中，给出了对周期性布置的介电谐振器的阵列的多重散射效应的理论描述，其中在每个单独的谐振器中通过外部电磁波仅能激励电偶极子模式和磁偶极子模式。基于耦合偶极子方程，得出相互作用的谐振器的周期性二维阵列的谐振响应的条件，并给出了电磁场以及该阵列的反射系数和透射系数的表达式。通过为包括谐振器之间的耦合的阵列引入有效的电和磁极化率函数，能够获得用于无限二维谐振器阵列的响应的闭合形式表达式。阵列谐振条件的表达式清楚地表明，由于谐振器之间的衍射耦合而出现了额外的谐振。在Evlyukhin等人的研究中，理论方法的结果适用于球形硅纳米颗粒的阵列，适用于无限二维阵列以及不同尺寸的有限阵列的情况。计算结果表明，当阵列中谐振器之间的距离发生变化时，谐振器之间的耦合会产生不同的影响，例如，频率变化和消光截面光谱中的谐振特征的宽度的变化或其它谐振特征的出现。
显然，通过谐振器之间的相互作用，介电谐振器的阵列将变成比独立响应外部电磁波激励的谐振器阵列复杂得多的系统。Evlyukhin等人的理论方法可能仅显示出了亚波长介电谐振器阵列系统的复杂性的一部分，因为它基于简化的假设，即单个介电谐振器的谐振模式的特征场是纯的电或磁偶极场，并且谐振器的尺寸与谐振器之间的距离相比是小的。如果需要定量地精确地计算更多变化的介电谐振器几何形状和阵列间距，则这两个假设对于亚波长介电谐振器的几何形状的选择以及阵列中的谐振器之间的距离都可能是非常受限制的。但是，可以从Evlyukhin等人的理论方法获得对相互作用效应的定性理解。为了对不能很好地满足上述假设的更通用系统做出对外部电磁波响应的定量有效预测，使用数值方法(例如有限元方法或有限时域差分法)来求解用于那些系统的姆霍兹方程。Liu等人给出了圆柱体硅介电谐振器的阵列的吸收光谱作为阵列中的圆柱体之间的距离的函数的这种数值模拟结果。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的光检测器，尤其是用于红外检测的光检测器。
该问题通过根据权利要求1的光检测器解决。
发明的概述
本发明提供一种光检测器，其包括沿着检测器表面设置的谐振器-光二极管单元的二维的布置，用于检测从检测器表面上方入射的辐射，并且具有与真空中的目标波长相对应的目标频率。如稍后将解释的，二维的布置可以是规则布置(其也可以被称为阵列)或非规则布置。谐振器-光二极管单元和光检测器本身可以适于检测紫外光、可见光或优选地红外光。光检测器被配置为检测目标频率的光，该目标频率对应于真空中的目标波长。更具体地说，目标波长是在真空中具有目标频率的自由空间行进电磁波的波长。尽管提到“一个”目标频率，但是可以理解，入射光通常包括多个频率，并且光检测器也通常不仅适于检测单一目标频率，而且还适于检测以目标频率为中心的频带或频率范围。就此而言，“目标频率”应被理解为“至少一个目标频率”。谐振器-光二极管单元沿着检测器表面布置，该检测器表面通常是检测器平面，因此是平的，但是也可以是弯曲的和/或成角度的。检测器表面可以对应于光检测器的物理表面，例如光检测器和包含真空、空气或任何其它介质的相邻空间之间的边界表面。然而，通常，检测器表面应被理解为描述二维的布置的总体形状的几何表面，并且其不是必须为边界表面。至少在一些实施例中，还可以说谐振器-光二极管单元设置在检测器表面内或其上。可以从其检测辐射的方向被定义为检测器表面“上方”，并且，如“上”，“上方”，“下”，“下方”或“之下”的术语在下文中使用时应在此定义的上下文中被理解。可以理解，这并不意味着光检测器相对于重力的任何特定取向。
每个谐振器-光二极管单元包括对目标频率敏感的光二极管半导体结构和亚波长介电谐振器。每个谐振器-光二极管单元也可以称为“亚波长介电谐振器和光二极管单元”。为了简洁起见，在下文中有时将谐振器-光二极管单元简称为“单元”。光二极管半导体结构的吸收性材料对目标频率敏感。换句话说，当吸收目标频率下的电磁场的量子时，它适于产生自由电荷载体。这些光生自由电荷载体然后可以从光二极管半导体结构的吸收性材料中被提取，并且可以形成光电流，该光电流与自由电荷载体的产生速率成比例。为了提取光生自由电荷载体并产生光电流，每个谐振器-光二极管单元包括或被连接到一对电极，该对电极可以称为p电极和n电极。优选地，目标频率乘以普朗克常数与谐振器-光二极管单元的吸收体材料的带隙能至少一样大。换句话说，目标频率下的电磁场的量子具有足够的能量以引起带间跃迁，该带间跃迁导致形成以激子形式束缚在一起的电子-空穴对。
亚波长介电谐振器包括高电阻半导体材料或本征半导体材料或由其制成，该高电阻半导体材料或本征半导体材料可以在包括目标频率的较大频率范围内用作介电材料。通常，可以通过外部电磁波在亚波长介电谐振器中激励各种电磁模式。如上所述，如果该介电谐振器的最低阶谐振模式的频率包含在该特定光谱范围内，则该介电谐振器可以被称为在该特定光谱范围内的亚波长介电谐振器。最低阶模式的光谱范围可以理解为至少包含最低频率的最低阶模式的光谱和高达最低频率的该最低阶模式的频率的至少2或3倍的频率。在本发明的上下文中，目标频率还将包含在亚波长介电谐振器的最低阶模式的光谱范围内。因此，亚波长介电谐振器的尺寸小于目标波长。最低阶谐振模式的频率当然取决于几个参数，例如谐振器的介电材料的介电常数和磁导率、谐振器的几何形状和尺寸。此外，这些值还受如下介质的介电常数和磁导率的影响，该介质可能在水平方向上作为嵌入介电材料、在底部作为基底介电材料并且能够在顶部作为覆盖介电材料围绕谐振器。在这种情况下，最低阶谐振模式的谐振频率可以在目标频率的范围内，即在电磁辐射的光谱范围内，其中光检测器具有显著水平的灵敏度。然而，如下文将要说明的，该布置总体上可以具有其谐振频率在上述频率范围内的至少一种集体模式，该谐振频率通常不同于单一谐振器的谐振模式的频率。可以以各种方式选择介电谐振器的几何形状，这将在稍后讨论。
通常，需要数值模拟来确定单一亚波长介电谐振器的最低阶模式的光谱。对于简单的介电谐振器几何形状，例如对于圆柱形几何形状，也可以使用解析方法来获得将谐振器的几何参数和谐振器材料的介电常数与谐振器的最低阶模式的谐振频率相关联的近似表达式。举一个例子，我们将Liu等人给出的用于圆柱形介电谐振器的表达式应用到这样的情况：谐振器介电材料的折射率n为4.2，对应于相对介电常数n2＝17.6，并假设嵌入谐振器、支撑和覆盖谐振器的介电材料的相对介电常数都统一。进一步要求最低阶电偶极子模式具有的其谐振频率f为190THz，对应于1579nm的真空波长，用真空中的光速C获得用于谐振器尺寸的高度
Figure BDA0002693845220000071
和半径
Figure BDA0002693845220000072
该示例以及用于圆柱形半径和高度的近似表达式表明，亚波长介电谐振器的尺寸远小于对应于最低阶谐振模式的频率的真空波长。
已经预期，单一谐振器-光二极管单元具有检测频率接近其谐振频率的辐射的优势，这与谐振腔光二极管中获得的优势非常相似，并且归因于光二极管吸收体材料中的电磁场强度的谐振增强，其导致电子-空穴对的产生速率增加和光电流的增加。然而，对于根据本发明的光检测器，通过有目的地设计谐振器-光二极管单元的二维的布置，检测效率被决定性地增加。除了增加光检测器的敏感面积之外，这些布置还旨在利用构成的谐振器-光二极管单元之间的相互作用以及该布置中所产生的集体效应，用于两个主要目的。这些目的是减小撞击在光检测器上的电磁波的向后和侧向散射功率分数，以及通过带间跃迁增加与自由电子-空穴对的光生有关的半导体结构的特定区域中的吸收功率分数。为了实现这两个主要目的，通过适应单元的几何形状和材料成分，有目的地选择各个谐振器-光二极管单元的光谱电磁模式特性，并相对于单元的位置处的对称性以及优化所需的集体效果的相邻单元之间的距离来选择该布置中的单元的布置的几何形状。在下面的段落中更详细地说明如何选择这些单元及其阵列布置的几何参数。
如果考虑例如谐振器-光二极管单元的规则布置，那么从衍射光栅的理论可以清楚地看出，通过选择空间周期小于或等于目标波长，可以抑制除零级以外的所有衍射级。然后，通过选择亚波长介电谐振器的谐振模式，例如使用Evlyukhin等人和Staude等人描述的方法，可以进一步最小化二维的布置的入射电磁波的剩余零级反向散射(即镜面反射)。这些减少来自结构的反向散射的措施还容易增加布置的内部的电磁场幅度。
通过谐振器-光二极管单元之间的耦合，可以进一步提高阵列结构中的电磁场幅度。因此，优选的是，该布置在目标频率下具有集体模式，其中多个亚波长介电谐振器通过电磁场耦合。集体模式是一种谐振模式，其涉及多个亚波长介电谐振器，优选地涉及所有的亚波长介电谐振器。这些谐振器通过电磁场耦合，该电磁场不局限于相应的单个谐振器的位置，而且还延伸到谐振器之间的空间中。谐振器(或单元，相应地)之间的耦合可以源自延伸超出亚波长介电谐振器的体积的谐振模式的瞬逝场(evanescent field)贡献。瞬逝场在介电谐振器附近振荡，并且随着距谐振器(具有的波长是衰减长度)的距离增加而幅度成指数下降，但它们不是可以传输能量的行波场。如果亚波长介电谐振器与其相邻谐振器之间的距离为例如较小或近似波长，那么一个谐振器的瞬逝场在相邻谐振器的位置处具有相当大的振幅，并且可以与受抑全内反射现象(frustrated total internal reflectionphenomenon)类似的方式在谐振器之间交换电磁场能量。而且，来自每个单元的辐射或散射电磁场贡献可能导致谐振器之间的耦合。散射或辐射的电磁场是行波场。在阵列中的每个谐振器单元处，从其它谐振器单元向侧面散射或辐射的电磁波相加并加到外部激励场中。
由于谐振器-光二极管单元之间通过瞬逝场和在单个单元处散射或辐射的场贡献之间的耦合，不仅会导致二维阵列结构中的电磁场中的复杂推理模式，而且还会产生不容易理解的复杂的集体谐振现象。谐振器-光二极管单元之间的相互作用以及由此产生的集体谐振现象也可以描述为相干多重散射现象。然而，为简单起见，可以将这些集体谐振现象视为整个二维阵列结构的谐振模式，其具有适当的谐振频率和由多种因素确定的特征性谐振模式电磁场。这些因素可能包括各个谐振器-光二极管单元的谐振模式、二维布置的几何参数以及相关材料参数，例如：各个亚波长介电谐振器的、光二极管半导体结构的p和n掺杂区的、接触电极的、亚波长介电谐振器之间可能的嵌入介质的、以及单元的下方以及可能的顶部的其它介电介质的结构的不同构成部分的介电常数值。谐振器-光二极管单元相互作用系统的复杂程度要求使用结构对外部电磁波激励的响应的数值模拟。可以使用例如有限元方法、有限差分时域法(finite-difference-time-domain method)、或T矩阵方法的方法来获得单元的二维布置的响应以及结构的内部和外部的电磁场的定量预测。
对于本发明的光检测器，优选的是利用单元阵列对电磁波激励的响应中的集体效应，其方式是在谐振器-光二极管单元的二维布置的特定区域中实现电磁场振幅的增强，该特定区域即对应于半导体结构中与可以产生可用的光电流的电子-空穴对的光生有关的区的区域。这可以通过对各个亚波长介电谐振器的谐振模式结构，阵列结构的格子对称性(如果布置为规则的晶格)和布置中的谐振器-光二极管单元之间的距离进行适当选择来实现。此外，这可取决于构成光检测器的不同部件的材料，包括可能的嵌入介质和/或结构的支撑基底。这些适当的选择可以在迭代过程中找到，该迭代过程涉及结构的几何参数以及可能的材料组成的逐步调整，以及结构对电磁场激励响应的重复数值模拟。与单个单元获得的相对吸收相比，通过该布置的集体模式，相对吸收可以决定性地增加，甚至增加几个数量级。单个隔离单元中的相对吸收可以是百分之几到可能是百分之十，而当放置在适当的阵列布置中时，相对吸收可以是百分之50到百分之100。
应当注意的是，在根据本发明的光检测器处从如Liu等人所述的“基于介电超材料的完美吸收体”实现并非易事，该光检测器仍然起到非常好的吸收体的作用，并且还提供了在纳米级实现的光二极管功能以及提取光生自由电子-空穴对所需的电极电路的网络。一个困难是，例如，将导电材料(如电极)引入到专门设计的光子结构(photonic structure)中将不可避免地对电磁场与材料结构的相互作用产生强烈影响。这继而影响甚至可能阻止形成电磁场的局部增强基于其的整个结构的特定集体谐振模式。
应当理解，实际上，谐振器-光二极管单元的布置的尺寸是有限的，因此将发生边缘效应。例如，位于该布置的边界处的谐振器可以简单地向侧面向该布置之外辐射或散射电磁能，因为在边缘处没有一些相邻的谐振器以及与它们的相互作用。由于缺乏了与相邻的谐振器-光二极管单元的相互作用，因此失去了这种相互作用的好处，也失去了外部电磁波中更多谐振器的累积散射效应，所以主要的边缘效应显然是侧向散射或辐射增加，这与远离布置的边界的区域不同，在边缘上反向散射增加，并且结构内部的电磁场振幅的增强可以朝向布置的边缘被降低。
然而，已经显示出，当布置的尺寸(或者，布置中的单元的数量)增加时，这些边缘效应对于光检测器的整体性能迅速起较小的作用。对于10x 10单元的中型尺寸的布置(例如阵列)和较大布置而言，副作用实际上不明显。数值模拟表明，适当组成结构的5×5谐振器-光二极管单元的已经相对小的阵列在光检测器的相关区域内部的电磁场幅度的谐振增强已经显著增加，其对外部电磁波激励的响应中的吸收大大增强，反向散射减小。因此，已经也可以期望使用相对少的谐振器-光二极管单元的实施例以显示出本发明的所有优点。特别地，该布置可以包括20至200个之间的谐振器-光二极管单元或50至100个之间的谐振器-光二极管单元。另外，通过使用朝向布置的边缘的单元之间的不同距离并且通过在布置的边界区域中采用不同类型的谐振单元，边缘效应也可以在某种程度上减轻。
由于本发明提供的半导体材料内部的电磁场增强作用，可以有效地增加吸收概率。因为带间跃迁中的光子的吸收和电子对的光生谐振增强，并发生在小的谐振器-光二极管单元中，所以与电子-空穴对的光生以及相应的光电流相比，减少了电子空穴对的热产生速率和相应的暗电流，它们与半导体结构的光活性体积(photo-active volume)成比例。因此，在给定温度下，对于根据本发明的光检测器，可以预期改善了信噪比。
由于本发明的光检测器中的电磁场振幅的谐振增强，可以使用在相关波长范围内(在目标波长处或目标波长附近)具有较小吸收系数并且吸收不足以用于常规结构的光二极管的半导体材料，来获得有效的光检测。因此，可以扩大吸收光二极管半导体结构材料的有用性的光谱范围。
由于大的反射损耗而在常规光二极管中使用意义不大的具有较大折射率的半导体材料可优选地用于本发明的光检测器中。不会发生大的背反射损耗的缺点，因为可以相对于谐振电磁模式调整光检测器，使得无需抗反射涂层就可将背向散射或反射功率最小化。
此外，由于吸收的谐振增强，根据本发明的光检测器的生产需要较少量的吸收半导体材料，当必须使用有毒或昂贵的材料时，这尤其重要。
优选地，光二极管半导体结构是p-i-n光二极管半导体结构，其具有由本征半导体材料制成的本征区、由p掺杂半导体材料制成的p区和由n掺杂半导体材料制成的n区，p区和n区分别与本征区形成p-i和n-i半导体结。电子-空穴对可以在本征区中生成，并且可以通过在p区和n区之间生成的内建电场来隔开。在该实施例中，谐振器通常至少部分地由本征区形成。也可以说亚波长介电谐振器的谐振器本体包括本征区。一般而言，谐振器本体限定了谐振模式主要位于其的或具有其最大强度的空间。严格地说，尽管该谐振器由谐振器本体和由周围的材料(无论是固体材料还是空气)限定，但该谐振器本体通常也被称为“谐振器”本身。在一些实施例中，谐振器本体可以基本上与光二极管半导体结构的本征区重合，并且由还由用作本征区的本征或高电阻半导体材料的一种类型的介电材料制成。在其它实施例中，p区和/或n区也可以形成介电谐振器本体的一部分，并且也可能的是，在可以或多或少算作是亚波长介电谐振器(或相应的谐振器本体)的一部分的光二极管半导体结构的不同区域中半导体材料成分不同。应该记住，介电谐振器的谐振模式的特征电磁场不会突然终止于从一个半导体区域到另一半导体区域或例如到嵌入介电谐振器的介电介质或者到空气的界面处，但它通常会延伸超出该界面并进入相邻区域。尽管单个谐振器-光二极管单元包括具有预定谐振模式的合适的亚波长介电谐振器和光二极管半导体结构，但重要的是要注意，其组成和几何形状也可以适于实现特定的谐振模式(集体模式)，其适合于通过单元之间的相互作用的单元的二维布置的系统，从而导致整个结构对电磁波激励的集体谐振响应。
由于光二极管半导体结构中的光生电荷载体需要更短的传输时间和更小的漂移距离，因此谐振器-光二极管单元的小尺寸也可以导致更快的光检测器，并且由于大的内建电场(即使在n区和p区中具有相对低的掺杂物浓度水平)，所以容易实现大的漂移电场。
具有低浓度的自由电荷载体的半导体材料可以用作电介质以形成介电谐振器(一个或多个)。低浓度的自由电荷载体确保了欧姆损耗是小的，欧姆损耗是由半导体中的带内跃迁引起的自由载体吸收所引起的电磁场能量的损耗。由于亚波长介电谐振器(或更确切地说，谐振器本体)优选至少构成可以有效地将电磁波功率转换为光电流的光二极管半导体结构的一部分，因此由带间跃迁引起的光子的吸收应该比由于带内跃迁引起的吸收更占优势。当带间跃迁产生自由电子-空穴对时，在光二极管半导体结构中利用该自由电子-空穴对产生光电流，带内跃迁引起半导体材料的加热。通常用于p-i-n型的常规半导体光二极管的本征区的本征半导体材料与它们各自的带间吸收系数相比具有足够小的带内吸收系数，因此它们也适合用于本发明的光二极管半导体结构的本征区中。
半导体材料系统的选择主要取决于光检测器应在其中敏感的光谱范围。带隙能量是基本相关的材料参数，其确定其中带间吸收的吸收系数不为零的光谱范围。可以根据本发明使用的本征半导体材料的典型示例，对于紫外线、可见光和近红外范围是硅(Si)，对于近红外和短波长的红外光谱范围是锗(Ge)和砷化铟镓(InGaAs)，对于短波长的红外范围是硫化铅(PbS)，对于中波长红外范围是硒化铅(PbSe)和对于短波长、中波长和长波长红外光谱范围是碲化汞镉(HgCdTe)。本发明的另一个优点是，由于半导体结构内部的电磁场振幅的谐振增强，使得能够使用这样的半导体材料，其在感兴趣的光谱范围内(即在目标处和/或其附近)具有的吸收系数例如当采用基于光二极管原理的常规光检测器概念时通常被认为太小。
可用于在亚波长介电谐振器和光二极管单元中形成p-i-n结构的半导体材料组合是多方面的。例如，在技术上相关的约为1.5μm的波长范围中，对于p-i-n结构的本征区，可以使用Ge，GaSb或者In0.53Ga0.47As，因为这些半导体的带隙能量通常在0.65eV至0.75eV的范围内。用于结构的p和n区的半导体材料通常根据它们与本征区所使用的材料在晶格常数、带隙能和功函数方面的相容性进行选择。这样，可以提升在两个界面p-i和i-n处的频带不连续性，并且频带可以在界面区域中平滑连接。另外，如果谐振器-光二极管单元的p-i-n半导体结构是沿入射电磁波的传播方向取向的堆叠，则必须考虑到首先被入射辐射冲击的堆叠中的前掺杂半导体区域应优先对有意义的波长范围内的光是透明的。因此，该区域的带隙能量应大于入射辐射的光子能量(即目标频率乘以普朗克常数)。例如，当将带隙能量为0.66eV的Ge用于本征区时，前部区域可能例如包括n掺杂的Si或n掺杂的GaAs，因为这两种材料分别具有比Ge大得多的带隙能量1.11eV和1.43eV。对于p区，可以使用p掺杂的Ge，因为它位于背侧处。作为合适的材料组合的另一示例，可以考虑将带隙能量为0.68eV的GaSb用作本征区的材料，并且可以使用分别对于p区和n区而言的p掺杂的GaSb和带隙能量为1.6eV的n掺杂的AlSb形成良好的p-i-n结构，由于n型AlSb的带隙能量比本征GaSb大。用于形成p-i-n堆叠的合适材料组合的第三示例可以对于p掺杂区是p掺杂InP，对于光吸收本征区是In0.53Ga0.47As和对于n掺杂区是n掺杂InP，其中InP的带隙能量为1.27eV，比In0.53Ga0.47As的带隙能量(其为0.75eV)足够大。
谐振器-光二极管单元被设置为二维布置。至少在一些实施例中，二维布置也可以被称为二维阵列。谐振器-光二极管单元通常以空间周期性的二维布置设置。在这种情况下，谐振器-光二极管单元的布置可以根据五种可能的Bravais晶格类型来进行，即正方形晶格、矩形晶格、一般的斜(单斜)晶格、居中的矩形晶格和六角形晶格。也可以使用在单元单位中具有一个以上的谐振器-光二极管单元的晶格布置，从而可以实现不是Bravais晶格的晶格类型，例如蜂窝晶格。除了周期性晶格布置之外，还可以使用有序但缺乏平移对称性的谐振器-光二极管单元的布置，如实现为准周期晶体结构和非周期性平铺(如彭罗斯平铺)。谐振器-光二极管单元的一种简单的、优选布置对应于正方形晶格。但是，在本发明的范围内有各种修改。例如，由于亚波长介电谐振器可以显著地小于波长，所以也可以将谐振器-光二极管单元组合成小组，以使每个所得组代表具有特定期望辐射或散射特性的单个谐振结构。将这些组布置为二维布置，表示生成谐振器和光二极管元件的阵列结构的另一种方法，其显示出对外部电磁波激励的集体谐振响应。而且，可以在阵列内组合不同类型的介电谐振器，即不同类型的谐振器-光二极管单元。可以选择不同的类型以具有特定的个体谐振模式光谱和个体的辐射或散射特性。通过二维布置中各个谐振器-光二极管单元之间的彼此的相互作用，这可以提高相对于外部电磁波激励的响应，并因此可以提供额外的自由度，以适应阵列结构的组成并优化光检测器的性能。类似地，当根据某非周期性平铺图案或准晶体结构采用不同类型的谐振器-光二极管单元或谐振器-光二极管单元的组的有序但是非周期性布置时，可以期待阵列结构组成的额外自由度以及可能改善的光检测器性能。
在阵列的周期性布置由该阵列的晶格参数给定的情况下的相邻单元之间的距离(即，阵列中两个相邻单元之间从中心到中心的距离)应优先较小或近似目标波长。最大应为目标波长的两倍。对于大于目标波长两倍的晶格参数，由于阵列中单元之间的耦合效应(即集体谐振效应)，谐振器-光二极管单元的内部的电磁场的增强的贡献被降低到低的水平。
当寻求获得亚波长介电谐振器和光二极管单元的二维阵列的某个集体谐振模式响应时，也有益的是使用不同类型的谐振器-光二极管单元，其被选择以具有特定的单个谐振模式光谱和单个辐射或散射特性。这可以通过在二维布置中的单元之间的彼此的相互作用而导致相对于外部电磁波激励的改善的响应，并且因此可以给予额外的自由度，以适应阵列结构的组成并优化其作为光检测器的性能。由于亚波长介电谐振器可以远小于波长，因此也可以将亚波长谐振器组合成小组，使得每个所得的组代表具有特定所需辐射或散射特性的单个谐振结构。将这样的组布置为二维布置，表示生成谐振器-光二极管单元的二维结构的另一种方式，其显示出对外部电磁波激励的集体谐振响应。
在本发明的范围内，谐振器本体的形状也有各种可能性。例如，谐振器本体的形状可以对应于立方体、长方体或圆柱体。通常，这是指本征部分的形状。谐振器的尺寸和比例可以被优化以允许单个谐振器的特定谐振行为以及到相邻谐振器的特定耦合。特别地，谐振器本体(或本征部分，对应地)可以具有圆柱形的形状，其对称轴垂直于检测器表面。如上面已经解释的，通过改变圆柱体的纵横比(直径除以高度)，电偶极子模式和磁偶极子模式的谐振频率可以相对于彼此并以圆柱体的纵横比的一定值移动，这些谐振频率是一致的。结果，可以同时激励电偶极子模式和磁偶极子模式，其中，相应的辐射电磁场当具有相同的振幅时，它们可以在向后方向上相互抵消，并且在向前方向上它们建设性地增加，导致向前散射场，其相对于入射电磁波还具有2π的相移。尽管已经针对圆柱形谐振器描述了这些特性，但是可以想到实现它们用于具有不同几何形状的谐振器。除了上述形式之外，谐振器本体可以具有不同的例如更复杂的形式。形式的选择可能取决于各个方面，特别是谐振模式的所需光谱分布、阵列中谐振器之间的所需相互作用以及光二极管半导体结构的实现以及与电极和电极的电路的连接。
通常，p区连接到p电极，并且n区连接到n电极，p电极和n电极适用于从p-i-n光二极管半导体结构提取光生自由电荷载体。每个电极可以至少部分地由金属制成。在一些实施例中，有利的是，电极的至少一部分对于由光检测器检测的辐射是透明的。金属和非金属材料的组合可以用于每个电极。金属电极材料的示例是铝(Al)，银(Ag)，金(Au)，铂(Pt)，钛(Ti)和钨(W)。对于透明电极，材料示例可以在p型和n型透明氧化物中找到，例如，对于p型而言为ZnRh2O4，AlCuO2，SrCu2O2，以及对于n型而言为In2O3，ZnO，SnO2。
关于p-i-n光二极管半导体结构与导电电极的连接，在n区或(相应的)p区和n电极或(相应的)p电极之间的欧姆接触是高度优选的。特别地，p区可以经由p+部分连接至p电极，并且n区可以经由n+部分连接至n电极，其中p+部分和n+部分具有增加的掺杂物浓度，并且p电极和n电极适用于从p-i-n光二极管半导体结构中提取光电流。也可以将p+区视为具有增加的掺杂物浓度的p区的一部分，并且可以将n+区视为具有增加的掺杂物浓度的n区的一部分，或更具体地，p+区和n+区分别具有较高浓度的受主或施主原子。
关于不同区相对于彼此的几何布置，存在多种可能性。根据一个实施例，p区和n区沿着垂直于检测器表面的方向设置在本征区的相反侧。换句话说，p区和n区之一位于本征区域上方，而另一个位于本征区下方。在这种情况下，优选的是，设置在本征区上方的区以及与其连接的电极对于相关的电磁辐射是透明的。
根据一个实施例，多个谐振器-光二极管单元通过公共的p区连接。换句话说，不同谐振器-光二极管单元的各个本征区连接到单个p区。该p区可以例如设置在本征区下方，并且可以沿着检测器表面的主要部分延伸。在某些情况下，比多个单独的p区(每个谐振器-光二极管单元一个)，可能会更容易产生大的单个p区。
在可以可选地与上述实施例组合的另一实施例中，n电极连接到多个谐振器-光二极管单元。换句话说，多个谐振器-光二极管单元具有公共的n电极。该n电极可以例如被设置在相应的谐振器-光二极管单元的本征区之上，可选地甚至覆盖至少大部分检测器表面。可选地，单个n电极可以连接到所有谐振器-光二极管单元。可替代地，谐振器-光二极管单元的较小组(例如，2-4个单元)可以连接到单个n电极。为了防止n电极阻挡应当被检测的辐射，优选的是，n电极的设置在本征区上方的至少那部分对于相应的辐射是透明的。
每个谐振器-光二极管单元通常至少部分地被至少一种介电材料包围。这些介电材料可以包括基底介电层，该基底介电层支撑谐振器-光二极管单元的布置，并且在其上通过光刻工艺沉积和形成半导体结构。此外，可以将嵌入的介电材料设置在相邻的谐振器-光二极管单元之间，从而至少部分地围绕这些单元。即，谐振器-光二极管单元之间的空间可以至少部分地填充有嵌入的介电材料，其可以用于钝化半导体表面、减小表面电流和/或机械地稳定结构。可以将不是基底介电层的一部分的支撑介电材料设置在谐振器-光二极管单元的下方和/或其之间以支撑它们。另外，可以在谐振器-光二极管单元上设置覆盖介电材料，从而从上方至少部分覆盖单元。至少在一些实施例中，这也可以被称为覆盖层或钝化层。至少一种周围的介电材料的折射率通常小于本征区的折射率。优选地，将低折射率电介质用于这些至少部分地包围的介电材料，也就是说，具有低折射率的介电材料，即，具有小介电常数和小磁导率的介电材料。用于基底介电层的低折射率材料的典型示例是二氧化硅。用于嵌入电介质和用于结构的电介质覆盖的材料示例是二氧化硅或二氧化锗以及旋涂聚合物电介质。可以应用的标准低折射率介电材料的其它示例是氟化钙和氟化镁。例如，相对介电常数为17.2的锗可以与相对介电常数为2.2的二氧化硅一起用作短波长红外范围内的介电谐振器材料，用于在支撑晶片上的嵌入介质和基底介电层。谐振器材料与周围介质之间的相对介电常数的较大差异可能是优选的，因为这样辐射损耗通常会较小，从而即使吸收系数相对小，也可以吸收介电谐振器内部的大部分电磁功率。这样，品质因子大而谐振的光谱宽度小。然而，模拟表明，如果相对介电常数的差异很小，例如，如果周围介电材料的相对介电常数比本征区的相对介电常数小仅20％，30％或40％，那么也可以实现相对于现有技术的显著的改进。周围介电材料的折射率可以比本征区的折射率小仅10％，15％或20％。
一个实施例设置成，p电极和n电极相对于检测器表面设置在谐振器-光二极管单元之间，使得每个谐振器-光二极管单元邻近至少一个p电极和一个n电极设置。这种配置提供了从各个谐振器-光二极管单元更有效地提取自由电荷载体。谐振器-光二极管单元的组可以连接到单个p电极和/或单个n电极。为了防止干扰谐振器-光二极管单元以及其中布置有该单元的二维布置的光子功能，电极可以沿着垂直于检测器表面的方向向下延伸。
根据另一实施例，p区和n区沿着检测器表面并且在本征区的下端部分处设置在本征区的相反侧上。下端部分当然是背向要检测的辐射方向的端部。在该实施例中，p区和n区可以分别连接到在垂直于检测器表面的方向上向下延伸的p电极或n电极。这些电极然后可以通过p电极电路或n电极电路连接成组。该实施例可以是有利的，因为p区或n区以及p电极或n电极都不会干扰从检测器表面上方入射的辐射。
另一实施方式设置成，本征区成组地连接到沿检测器表面的第一方向交替地设置在本征区之间并且沿着检测器表面的第二方向延伸的p区和n区。第一方向和第二方向可以彼此垂直。在该实施例中，p区和n区形成沿着第二方向延伸的条带，并且各个谐振器-光二极管单元的本征区设置在它们之间。每个p区沿第二方向连接到多个本征区。同样，每个n区沿第二方向连接到多个本征区。在本征区与p区的界面处以及在与n区的界面处，通过电荷载体扩散形成用于在本征锗台面中具有耗尽区的p-i-n光二极管半导体结构的空间电荷区特征。在空间电荷密度不消失的本征区附近的p区和n区的体积(相对小)可以与单个谐振器-光二极管单元相关联。其中空间电荷密度正在消失的p区和n区的较大体积部分可以用作由掺杂半导体材料制成的欧姆导体，其有助于提取光生电荷载体。朝向布置的边缘，每个p区可以连接至p电极，并且每个n区可以连接至n电极。可替代地，各个p电极和n电极可以分别连接至p区或n区的底侧，并且沿着垂直于检测器表面的方向向下延伸。
在上述实施例中，可以在p区和n区之间设置次本征区，其中，通常，至少一些次本征区沿着第二方向延伸。换句话说，除了包括亚波长介电谐振器的“普通”p-i-n光二极管半导体结构之外，通过在n和p区之间引入附加的次本征区，形成另一组(例如规则阵列)的次p-i-n光二极管半导体结构。已经发现，在次本征区内可能存在具有电场增强的附加区域。这可能导致额外的光电流，该光电流也可以通过正确配置的电极提取。应当理解，术语“次”不应被解释为，次本征区比包括单元的亚波长介电谐振器的各个p-i-n光二极管半导体结构的本征区通常有效性或重要性低。至少一些次本征区可以相对于第二方向设置在相邻的谐振器-光二极管单元之间。即，这些次本征区通常从一个谐振器-光二极管单元延伸到下一个。附加地或可替代地，至少一些次本征区可以相对于第一方向设置在相邻的谐振器-光二极管单元之间。这些次本征区也可以沿着第二方向延伸。
根据另一实施例，p区和n区分别经由p电极和n电极成组地连接到沿着检测器表面的第一方向设置在谐振器-光二极管单元之间并且沿着检测器表面的第二方向延伸的p电极电路的一部分和n电极电路的一部分。同样，第一方向和第二方向可以彼此垂直。p电极电路电连接多个p电极。p电极电路的某些部分也可以被视为p电极的部分，反之亦然。同样地，n电极电路电连接多个n电极，并且n电极电路的某些部分也可以被视为n电极的部分，反之亦然。每个电路都适合于传输从p-i-n光二极管半导体结构提取的电荷载体。在该实施例中，每个电路包括相对于第一方向设置在谐振器-光二极管单元之间并且沿着第二方向延伸的至少一部分。
附图说明
通过下面参照附图的非限制性实施例的详细描述，本发明的更多细节和优点将变得显而易见，其中：
图1是用于本发明的光检测器的谐振器-光二极管单元的透视图，示出了电场增强因子；
图2是图1的谐振器-光二极管单元的能带图；
图3是用于本发明的光检测器的另一谐振器-光二极管单元的透视图；
图4是示出图3的谐振器-光二极管单元内部的内建电场强度的图；
图5是本发明的光检测器的第一实施例的谐振器-光二极管单元的截面图；
图6是基于图5所示的谐振器-光二极管单元的光检测器的较大部分的截面图；
图7是根据图6中的线VII-VII的截面图；
图8是根据图7中的线VIII-VIII的截面图；
图9是本发明的光检测器的第二实施例的俯视图；
图10是根据图9中的线X-X的截面图；
图11是根据图10中的线XI-XI的截面图；
图12是根据图11中的线XII-XII的截面图；
图13是本发明的光检测器的第三实施例的俯视图；
图14是根据图13中的线XIV-XIV的截面图；
图15是根据图14中的线XV-XV的截面图；
图16是根据图14中的线XVI-XVI的截面图；
图17是本发明的光检测器的第四实施例的俯视图；
图18是根据图17中的线XVIII-XVIII的截面图；
图19是本发明的光检测器的第五实施例的俯视图；
图20是根据图19中的线XX-XX的截面图；
图21是根据图19中的线XXI-XXI的截面图；
图22是本发明的光检测器的第六实施例的俯视图；
图23是根据图22中的线XXIII-XXIII的截面图；
图24是根据图22中的线XXIV-XXIV的截面图；
图25是根据图22中的线XXV-XXV的截面图；
图26是根据图25中的线XXVI-XXVI的截面图；
图27是与图24对应的截面图，以灰度图示出了电场增强因子；
图28是示出了在对应于图27中的线XXVIII-XXVIII的平面中的电场增强因子的图；和
图29是与图27对应的图，示出了电场增强因子以及光检测器的结构的元件的指示。
具体实施方式
图1以示例的方式示出了可以在本发明的光检测器1中使用的谐振器-光二极管单元10。它包括亚波长介电谐振器30，亚波长介电谐振器30具有由本征锗制成的圆柱形谐振器本体31，其还形成p-i-n型的光二极管半导体结构11的结构的本征区12。光二极管半导体结构11的p区13和n区14由锗脊件给出，所述锗脊件分别被p和n掺杂，并且在相反侧上位于本征区12的侧面。所有三个区12、13、14均安装在具有低折射率的基底介电层9上。谐振器30以及尤其是谐振器本体31(其在下文中也称为“台面”)的尺寸被确定为使得对外部电磁激励的期望的谐振响应的谐振频率接近192THz，其对应于大约1.55μm的波长和0.8eV的光子能量。而且，选择谐振器本体31的高度与半径之间的比，使得最低阶的磁和最低阶的电偶极子模式在光谱上重叠。这导致减小了入射电磁波的反向散射并且导致谐振器本体31内部的电磁场的强烈的谐振增强。
为了计算阵列结构对电磁场激励的响应，选择周期性边界条件来表示谐振器-光二极管单元10的正方形阵列结构，即，这假定了图1所示的单元10的无限的正方形阵列，并且电磁波激励被选择为在阵列上具有法线入射的平面波激励。在图1中以灰度表示法给出了通过有限元方法计算获得的谐振电磁场增强。电磁场的谐振增强显著地大，在本征区12内部具有明显的最大值。由于电磁场激励的光子能量大于本示例中选择作为吸收体材料的本征Ge的带隙能量，因此由于带间跃迁伴随产生自由电子-空穴对而导致的光子的吸收是主要的吸收过程。带间跃迁的可能性在电磁场强度最大的位置中最大。
因此，用于谐振电磁场增强的计算结果表明，光子的吸收和自由电子-空穴对的产生主要发生在锗圆柱体的内部，即p-i-n型的光二极管半导体结构11的本征区12的内部，其中谐振电磁场增强显著并达到其最大值。数值计算得出谐振器-光二极管单元10的阵列对谐振电磁波的相对吸收的值接近50％。与未发生谐振现象或干涉并且其厚度等于阵列结构中的谐振器本体31的高度的非结构层的材料中的吸收相比，阵列结构内部的光子吸收的谐振增强变得明显。即，为了达到相同水平的50％的相对吸收，该非结构层的材料将需要由吸收系数比数值模拟中使用的本征锗的吸收系数的值大30倍的材料制成。
该示例还显示了本发明的有利方面，即，半导体吸收体材料可用于获得基本灵敏的光检测器结构，尽管该材料的吸收系数太小而无法用于常规的光二极管。进一步的基于有限元的数值研究表明，对于不同的材料并且使用谐振器-光二极管单元10的类似结构，根据材料参数，可以获得接近于对于谐振电磁波的相对吸收统一的均等值。
图2示出了当反向偏置电压Vr被应用时具有电子触点的p-i-n光二极管半导体结构11的示例中的能带图。如示意性所示，p区13经由具有增加的掺杂物浓度的p+区15连接到由金属制成的p电极17。类似地，n区14经由具有增加的掺杂物浓度的n+区16连接到由金属制成的p电极18。在本征区12与p区13和n区14的界面处，由于扩散的电荷转移，分别形成了负空间电荷区和正空间电荷区，导致了跨过耗尽区的内建电场，该耗尽区在很大程度上对应于本征区12。内建场的幅度主要取决于p区和n区13、14中的掺杂物浓度以及本征区12的宽度。内建电场是静电场，其用作用于光生自由电荷载体的漂移场。通过施加反向偏置电压Vr可以进一步增加用于自由电荷载体的漂移场。如果目标频率νt(其对应于在真空中自由空间行波的目标波长λt)的光子被吸收，其能量hνt大于光二极管半导体结构11的吸收体材料的带隙能量Eg，那么这导致通过带间跃迁过程产生了自由电子-空穴对。内建电场导致可以通过p和n区13、14被提取到金属电极17、18中的耗尽区(本征区12)中的光生电子-空穴对的有效分离。通过显著增加靠近与金属电极17、18的界面的p区和n区13、14中的掺杂物浓度，从而产生p+区和n+区15、16，在半导体-金属界面处形成非常窄的耗尽宽度，使得电荷载体可以容易地隧穿并实现欧姆型接触。
图4示出了基于图3所示的横向布置的p-i-n谐振器-光二极管单元10的有限元方法的半导体物理模拟的结果。该谐振器-光二极管单元10在很大程度上类似于图1所示的谐振器-光二极管单元，除了本征区12的下部以及p区13、n区14、p电极17和n电极18被包围在基底介电层9中之外。图4示出了在不施加反向偏置电压的情况下，作为p-i-n结构中的位置的函数的内建电场的大小。图4中的图示出了沿着通过在锗圆柱体(即本征区12)中心定位的相反侧上的两个锗脊件(即p区13和n区14)的中点跨越p-i-n结构的线的内建电场。在大约1017cm-3的中等掺杂浓度下，在整个本征区12中出现近似106V/m的已经是相当大的内建电场，甚至在圆柱体的其中波激励的谐振场增强最大的下部中最强(类似于图1)。在p区和n区13、14中中等掺杂浓度的优点主要是降低由于自由载体吸收和较低的注入引起的缺陷密度导致的损耗。
关于用于谐振器-光二极管单元10的半导体材料的选择，原则上优选具有大的电子和空穴迁移率的值的材料，因为光生自由电荷载体可以被更快和更有效地提取。类似地，原则上优选具有用于自由空穴和电子的小重组率的半导体材料。但是，由于谐振器-光二极管单元10的尺寸小，因此与传统的和较大的光二极管结构相比，光生自由电荷载体可以更快地被提取。因此，载体迁移率和重组参数是用于合适的半导体材料的选择标准，这比对于实现本领域已知的快速光二极管，对于实现本发明的光检测器1至少不是限制性的和重要的。
合适的半导体材料优选地是晶体型的，因为晶体材料具有小的缺陷浓度，从而具有小浓度的自由电荷载体和电荷陷阱状态(charge trap state)，这对于实现介电谐振器30和对于电子-空穴对的有效的光生以及对于这些电荷载体的快速且有效地提取以形成光电流是有利的。然而，如果使用多晶或甚至非晶的半导体材料，也可以获得本发明的至少一些优点。
为了使介电体用作介电谐振器30或其谐振器本体31，其构成材料的介电常数应实质上大于界定谐振器本体31的介质的介电常数。在有意义的光谱范围内，形成亚波长介电谐振器30的本征半导体材料的介电常数应大于包围介电谐振器30的介电介质(即基底介电层9、嵌入介电材料25和用于覆盖该结构的任何其它介电材料)的介电常数值。例如，锗的相对介电常数为17.2，并且可以很好地用作短波长红外范围内的介电谐振器材料，其具有嵌入介质和支撑晶片材料，如相对介电常数为2.2的二氧化硅。像在这种情况下那样，谐振器材料与周围介质之间的相对介电常数的较大差异是优选的，因为这样辐射损耗通常较小，使得即使在吸收系数相对小时也可以吸收介电谐振器30内部的大部分电磁功率。这样，品质因子大而谐振的光谱宽度小。
设计对期望的目标波长敏感的谐振器-光二极管单元10的阵列的一般方法可以基于装置结构的逐步适应，以便优化在半导体材料的相关区域中入射电磁波的谐振场增强和吸收以及优化作为具有有效提取光生电子-空穴对的良好能力的光二极管的单元10的操作性。由于相互作用系统的高度复杂性，需要采用模拟技术，例如有限元方法、有限差分时域方法和/或也有T矩阵方法，以找到谐振器30(或，更具体地为谐振器本体31)的最佳尺寸、p区13、n区14和电极17、18的各自的适当布置，以及阵列中谐振器-光二极管单元10的布置的几何参数。
特定设计过程的起点包括选择单个亚波长谐振器本体31的正确纵横比和尺寸，以使最低阶谐振模式接近目标频率。为此目的，谐振器本体31的高度可以近似为目标波长的一半除以谐振器材料的折射率。然后进一步调整谐振器本体31的几何参数，直到最低阶磁偶极模式和最低阶电偶极子模式在光谱上重叠。当形成二维阵列时，将进行纵横比以及单个谐振器30之间的距离的逐步适配。此处需要基于重复数值模拟的迭代适应过程，因为单个谐振器本体之间的耦合可能导致更复杂的集体谐振现象。在采用更复杂的阵列实现的情况下，可以使用超材料或光子晶体研究领域的高级理论概念来适应几何形状。在实施p区13、n区14和电极17、18之后将进行迭代适应过程，直到达到本征区12中的场增强的最优化。可以增加其它半导体物理模拟。
在图5-8中示出了本发明的光检测器的第一实施例。它包括谐振器-光二极管单元10的二维阵列，在图5中示出其中一个。如图5示意性所示，每个单个单元10包括具有本征区12的p-i-n光二极管半导体结构11，该本征区12用作介电谐振器30的谐振器本体31，并且在底部和顶部表面处分别被连接至p区13和n区14。圆柱体本征区12的对称轴沿着Z轴定向，该Z轴垂直于X轴和Y轴，该X轴和Y轴跨越检测器平面P，沿着该检测器平面P设置了谐振器-光二极管单元10的阵列。代表光二极管半导体结构11的p-i-n半导体堆叠定向为垂直于检测器平面P。光检测器1对于从上方垂直地入射到检测器平面P上的电磁辐射最敏感。
在该实施例中，谐振器-光二极管单元10被设置为形成正方形格子阵列，以便利用对电磁波激励的光学响应中的集体效应，使得在各个单元10的本征区12中发生显著增加的光吸收。例如，如果考虑目标波长为1.55μm，则可以指定此处和以下实施例中的相邻谐振器-光二极管单元10的中心之间的距离通常小于1.4μm或甚至小于1.0μm。本征区12可以由本征锗制成，本征锗对于该示例是合适的半导体材料，其目标波长为1.55μm。本征区12顶部上的n区14形成圆柱体的一部分，并通过n+区16连接到薄的n型透明导电氧化物层，其用作提取光生电荷的n电极18。n电极层18在整个阵列区域上延伸到阵列的一个边缘，在这里它通过由金属制成的次n电极20连接到n电极电路22。p区13放置在基底介电层9的顶部上，并形成连接二维阵列的每个单个本征区12的连续层。它延伸到阵列的边缘，在此处通过p+区15与金属制成的p电极17接触，该p电极17与p电极电路19连接。
选择p区13和n区14，使得p-i-n半导体结构的耗尽区位于介电谐振器的本征区12中。此外，由于p-i-n堆叠沿入射光的方向定向，所以n区14以及n电极18，即n型透明导电氧化物层，对于入射辐射必须是透明的，使得最大入射光进入本征区12。因此，n区14的带隙必须大于入射光的能量hνt，即大于有源(active)本征区12的带隙Eg。另外，选择n掺杂的半导体材料以具有显著小于本征区12的介电常数的介电常数，使得介电谐振器的品质因子由于较小的辐射损耗而被最大化。这确保了在本征区12中，即在优先发生电子-空穴对产生的位置处，场限制最高。对于位于本征区12下方并且因此优选地由具有较大带隙和较小介电常数的p掺杂半导体形成的p区13，相同的考虑是有效的。前一要求并不像n区14的情况那样严格，因为p区13不必用作入射光的窗口。谐振器-光二极管单元10被嵌入在低折射率介电材料的嵌入介电材料25中，以使结构钝化。在该实施例中，p区13和n区14可以由硅制成，对于p型区域，优选掺杂硼(B)，并且对于n型区域，优选掺杂有磷(P)、砷(As)或锑(Sb)。p区13可以可替代地由p掺杂的锗形成。p区13和n区14的厚度取决于每个区的掺杂水平，并且可以根据材料组成被调节。
在该实施例中，圆柱体介电谐振器30中的本征锗区12的厚度被选择为在200至250nm的范围内，使得谐振波长位于约1.5μm。基于有限元方法的半导体物理模拟表明，1016cm-3的中等掺杂浓度下，没有发生由于自由载体吸收而导致的很大的损失，因此空间电荷区的宽度小于50nm。在这种情况下，内建电场的值约为0.5x106V/m。
另外，在n区14与构成n电极18的薄的n型透明导电氧化物层之间的界面处形成n型掺杂浓度较大的小n+区16。该n+区16具有的掺杂浓度可高达1019cm-3并确保欧姆电荷载体在与透明导电氧化物层n电极18的接触界面上传输。对于p区13，具有相同的考虑，其中在谐振器阵列的边缘处，在与p电极17连接的p区13的边界处形成p+区15。在图7和8中可见n型透明导电氧化物层(n电极18)和p区13的几何布置以及它们各自到金属电极17、20的连接。金属电极17、20可以包含如先前所定义的标准金属电极材料，被嵌入到嵌入介电材料25中并且以更大的深度嵌入在基底介电层9中，并且被延长到亚波长谐振器阵列的其中它们分别连接到p电极电路和n电极电路19、22的水平之下的一定深度。图8示意性地示出了金属电极20到n电极电路22的连接的布置的截面图。在本示例中，n电极20在并联布置的不同节点中连接到n电极电路22。但是，其它连接方案也是可能的。
为了制造图5-8所示的光检测器1，可以利用外延晶片，该外延晶片在二氧化硅层上具有例如n-硅-锗-p-硅的层结构并且具有所需厚度。可以在层的外延生长期间例如通过离子注入过程来引入p型和n型掺杂。可以通过使用电子束光刻或光刻法蚀刻周围部分来形成包括本征锗区12和n区14(n掺杂硅区)的圆柱形台面。在阵列的边缘处对p区13(p掺杂硅层)进行额外的蚀刻，随后在p区13的边界处进行离子注入，以形成p+区15。可以使用电子束光刻或光刻法将用于埋设金属p和n电极电路19、22的沟槽蚀刻到基底介电层9中。埋设金属电极线可以沉积在二氧化硅层中形成的沟槽中，以形成p和n电极电路19、22。金属电极材料的进一步沉积使得能够连接到p+区15并且形成将连接n型透明导电氧化物电极18的金属n电极20。
基底介电层(二氧化硅层)9中的剩余沟槽以及圆柱形台面之间的容积可以用嵌入的介电材料25填充至高达n区14终止的水平。可以用作嵌入介电材料25的材料的示例是二氧化硅、二氧化锗、氟化镁、氟化钙和旋涂聚合物电介质。最后，可以在结构的顶部上沉积薄的n型透明导电氧化物层，以在圆柱形台面的n+区16之间经由金属电极20连接到n电极电路22。在制造过程结束时，由低折射率电介质组成的钝化层可以沉积在结构的顶部，该低折射率电介质例如二氧化硅、氮化硅、二氧化锗(GeO2)或聚合物。在该实施例中以及通常在本发明的其它实施例中，钝化层以及嵌入介电材料25还可以用于抑制表面漏电流，该表面漏电流是由于在p-i-n光二极管半导体结构11的本征区的表面上的可由纳米结构化过程产生的大的缺陷密度而可能出现的。适当的钝化层可以降低界面态密度，并导致表面漏电流的显著降低。在锗作为光二极管半导体结构11中的本征层的情况下，如果出现显著表面漏电流，则二氧化锗可以用作嵌入或钝化介质，因为它可以使锗和二氧化锗之间的界面区域中的晶体缺陷的密度最小化，导致高的界面晶体质量。为此目的也可以首先沉积适当的晶体钝化层，例如本示例中的二氧化锗，然后在第二步骤中，施加不同的介电材料(例如旋涂聚合物电介质)，用于嵌入介电材料。通过p型和n型掺杂的离子注入方法可以额外地引起与p或n掺杂区的界面处的相当大的晶体缺陷密度。在那种情况下，可采用另一种替代的掺杂方法，例如，气相掺杂方法，其导致掺杂剂的扩散较低，从而导致缺陷密度低的p和n掺杂区。
图9-12示出了本发明的光检测器1的第二实施例。如同第一实施例，其包括谐振器-光二极管单元10的二维阵列，每个谐振器-光二极管单元10包括光二极管半导体结构11，其分别具有本征锗区12以及下部p区13和上部n区14(p和n掺杂的硅区)，它们形成竖直的p-i-n半导体层堆叠。与前一示例相反，在前一示例中，阵列中的谐振器-光二极管单元10通过n型透明导电氧化物层相互连接到公共n电极，电极17、18、20设置在谐振器-光二极管单元10之间，使得每个谐振器-光二极管单元10与p电极17和p电极电路19以及实现为透明n型导电氧化物的n电极18相邻并直接连接到其上，该n电极18与金属的次n电极20接触。该设置可以增加光检测器1的制造复杂度，但是，还可以提高从每个p-i-n光二极管半导体结构11提取光生电荷载体的速度。作为n电极18的薄的n型透明导电氧化物层经由形成n+区16的n+掺杂表面连接总共四个谐振器-光二极管单元10的n区14。在这四连组的互连单元的每个的中心中，n电极18的透明导电层被向下拉伸，使其连接到由金属制成的次n电极20，该次n电极集成在基底介电层9中，并且沿Z轴向下延伸一定深度。p掺杂的半导体层在谐振器-光二极管单元的整个阵列的区域上延伸，并在每个单元处形成p-i-n光二极管半导体结构11的p区13。p掺杂的半导体层由两个规则的孔阵列穿孔。第一孔阵列由较小的孔组成，每个较小的孔位于由透明n型导电氧化物n电极18互连的四连组单元中的四个的中央。该第一类型的孔向下延伸到基底介电层9中一定深度，并容纳金属p电极17。在p掺杂的半导体层中，第一类型的孔的边界区被p掺杂有较大的掺杂物浓度，以形成p+区15，该p+区15确保与金属p电极17欧姆接触。第二孔阵列由p掺杂的半导体层中的较大的孔组成，每个较大的孔位于由透明的n型导电氧化物n电极18互连的四连组单元的中心。该第二类型的孔也向下延伸到基底介电层9中一定深度，但是在基底介电层9中的孔延伸的直径小于在p掺杂的半导体层中第二类型的孔的直径。第二类型的孔容纳金属次n电极20。导电氧化物n电极18和金属次n电极20通过低折射率的第一支撑介电材料26与p掺杂的半导体层和谐振器-光二极管单元10的本征区12的表面电绝缘，该低折射率的第一支撑介电材料26被沉积在p掺杂的半导体层中的第二类型的孔中，为次n电极20留出较小的开口，并且到达并覆盖谐振器-光二极管单元10的本征区12的表面的一部分，其否则可能会与n电极18接触。显然，为了沉积埋设的金属电极电路19，22，需要将沟槽蚀刻到p掺杂的半导体层和基底介电层9中。在沉积用于电极电路19、22的金属之后，可以用二氧化硅或另一种低折射率介电材料填充基底介电层9中和p掺杂的半导体层中的其余各个沟槽，使之达到p掺杂的半导体层的水平/高度，并从该水平开始使用p掺杂硅填充。金属电极17、20的布置使得每个单个谐振器-光二极管单元10的p区13和n区14具有直接连接，从而能够在创建电子-空穴对之后更快地提取电荷载体。换句话说，p电极17和n电极18、20相对于检测器平面P设置在谐振器-光二极管单元10之间，使得每个谐振器-光二极管单元10设置成邻近至少一个p电极17和一个n电极18、20。在谐振器-光二极管单元10的本征区12和p区13、p掺杂的半导体层和p电极17的未覆盖的表面区域上，然后可以沉积钝化层。如图12所示，多个次n电极20连接至n电极电路22。类似地，p电极17连接到p电极电路19(图中未示出)。如图12所示，n电极电路22的一条线与该线上的所有次n电极20并联连接。同样，p电极电路19的一条线与该线上的所有p电极17并联连接。n电极电路22和p电极电路19的这些线中的多条线可以分别延伸到阵列的边缘，其中通过另一组并联连接(图中未显示)，阵列的所有p电极17和所有n电极18、20分别相互连接以分别形成光检测器1的公共p端子和公共n端子。
为了能够制造光检测器1的该实施例，可以再次使用具有层结构的外延晶片，该层结构例如为在二氧化硅层上的n-硅-锗-p-硅。可以通过使用电子束光刻或光刻法蚀刻周围部分来获得包括本征锗和n掺杂硅区的圆柱形台面或谐振器本体31。然后，通过进一步的光刻结构化工艺，如上所述的第一和第二类型的孔的两个规则阵列可被蚀刻到p掺杂的硅层中以及将其延伸到此处形成基底介电层9的二氧化硅层中。相同的工艺/加工过程也可以用于限定p掺杂硅层和下面的二氧化硅层中的沟槽，分别用于埋设的金属p电极电路和n电极电路19和22。可以使用离子注入来实现p掺杂的硅层中的第一类型的孔的边界处的p+区15。然后可以沉积金属电极材料以形成埋设的p电极电路和n电极电路19和22，并生成金属p电极17以及金属次n电极20，透明的n型导电氧化物n电极18在沉积时可以连接到其上。在沉积金属电极材料之后，二氧化硅层中的剩余沟槽可以被二氧化硅填充，并且p掺杂的硅层中的剩余沟槽可以被p掺杂的硅封闭，除了第二类型的孔之外，该第二类型的孔需要沉积二氧化硅或另一种低折射率介电材料以使次n电极20与p掺杂硅层绝缘。在沉积薄的透明n型导电氧化物层以形成n电极18之前，其中该n电极18通过次n电极20将谐振器-光二极管单元10的四连组中的每个连接到n电极电路22，必须沉积低折射率的第一支撑介电材料26，以确保形成n电极18的导电氧化物层与包括p区，n区和本征区13、14和12的台面幕表面以及p掺杂硅层的暴露表面之间的电绝缘。最后，可以沉积薄的n型导电氧化物层。可选地，可以在结构上沉积钝化层，以保护n型透明导电氧化物层、p掺杂的硅层和金属电极的暴露表面。
图13-16示出了本发明的光检测器1的第三实施例。亚波长介电谐振器30的谐振器本体31选择为圆柱形形状，并且也选择以规则的矩形或正方形阵列布置。在该实施例中，光二极管半导体结构11由锗制成。圆柱形本征区12基本上由本征锗制成，该本征区12在其下端部分12.1处在相反侧上具有(n掺杂的)n区14和(p掺杂的)p区13。另外，在圆柱体的最底部处，圆柱体的n区和p区13、14包含狭窄的n+和p+区(图中未示出)，其具有较大的掺杂物浓度，使得能够实现与金属电极17、18的欧姆接触。金属电极17、18嵌入低折射率的第二支撑介电材料27的第一层中，并在亚波长谐振器30阵列下延伸到一定深度，此处它们与p和n电极电路19、22连接，p和n电极电路也嵌入在低折射率的第三支撑介电材料28的第二层中。此处和下文中，第一、第二和第三支撑介电材料26、27、28中的每一种可以不同，或者这些材料中的至少两种可以相同。在该实施例中，p电极电路和n电极电路19、22配置在节点中，该节点将四个相邻的谐振器-光二极管单元10的n电极18并联连接在每个节点中，并且将四个相邻的谐振器-光二极管单元10的p电极17并联连接在其它节点中。电极电路19、22的其它部分在图中未示意性地示出。p电极17的并联连接的节点可以通过在图16的横截面图中在对角线的节点下方延伸的另外的平行电极电路线方便地进一步连接在一起。类似地，n电极18的并联连接的节点可以通过节点下方的另外的n电极电路线连接在一起。对于每种电极类型，这些p和n电极类型的平行电极电路线又可以并联在一起，以获得用于光检测器1的单个p电极连接端子和单个n电极连接端子。
为了制造亚波长介电谐振器和光二极管单元的阵列，可以使用外延剥离工艺的变型，例如在US 4,883,561 A，US 2015/0279741 A1，US 2017/069491 A1或Camacho-Morales等人在Nano Lett.(纳米快报)16，7191-7197(2016)中描述的工艺。在使用锗作为半导体的该实施例中，可以在低至中等的生长温度和低生长压力条件下实现锗晶体层在二氧化硅上的外延生长。随后在较高温度下的退火和温度循环可改善生长的锗层的质量。二氧化硅基底可以例如由硅晶片上的二氧化硅层形成。在这种情况下，在其上生长锗层的二氧化硅层可以用作外延剥离工艺的牺牲释放层。为了形成用于实现p-i-n光二极管半导体结构所需的在锗层中的p区和n区13、14，以及形成用于电极的欧姆接触所需的p+区和n+区，可以中断外延锗的生长过程，并且可以使用离子注入来在锗层中实现所需的半导体掺杂轮廓。
随后，锗的外延生长可以随着本征锗的沉积而恢复。可以采用电子束光刻或光刻法来限定锗层中的圆柱形台面，其将形成谐振器本体31。在外延剥离工艺中，锗台面的阵列可以嵌入并固定在聚合物层中，例如在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中，其可以附着到处理晶片，而锗台面下方的二氧化硅层可以蚀刻掉。阵列中的台面的基座在该阶段被暴露，然后可以在指定位置沉积金属以用于n电极和p电极17、18，其中还提供了n+和p+掺杂以与电极17、18形成欧姆接触。电极17、18之间的容积填充有低折射率的第二支撑介电材料27，例如氧化硅、氮化硅或旋涂聚合物电介质。然后，非常类似于半导体装置制造中的典型的后道工序(back-end-of-line processing)，可以实现嵌入在第三支撑介电材料28中的p电极电路和n电极电路19、22的其它部分，包括可能的焊盘或焊接凸起触点。最终，包括电极电路19、22的单元10的阵列结构可以通过溶解PMMA从操作晶片上释放，并且附加的钝化层，例如二氧化硅或也有PMMA，沉积在台面上。可替代地，可以在锗层的光刻处理之后并且在外延剥离工艺之前的较早阶段在锗台面上沉积钝化层。
在图17和18中示意性地示出了本发明的光检测器1的另一实施例，其中，实现了用于阵列中的每个谐振器-光二极管单元10的横向p-i-n光二极管半导体结构。同样，可以选择圆柱形的几何形状用于亚波长介电谐振器30，并且为简单起见，也可以选择本征锗用于介电材料。可以选择单元的阵列布置以形成规则的矩形或正方形晶格。圆柱形谐振器本体31或圆柱形锗台面形成单个谐振器-光二极管单元10的p-i-n光二极管半导体结构11的整个本征区12。在矩形阵列的第一方向(沿X轴)上，阵列中的每个圆柱形锗台面(本征区12)通过高度小于台面高度且宽度小于台面的直径的P掺杂的锗脊32连接到一侧上的相邻台面，并通过类似的n掺杂的锗脊34连接到相反侧上的相邻台面。在台面与p掺杂脊32的界面处以及在与n掺杂脊34的界面处，通过电荷载体扩散形成特有用于具有本征锗台面中的耗尽区的p-i-n光二极管半导体结构11的空间电荷区。脊32、34可以被认为分别包括p区13和n区14，或者它们可以被认为与p区13和n区14等同。在台面附近的相对较小体积的p掺杂或相应n掺杂的锗脊32、34中，空间电荷密度不会消失。在此，p区13和n区14分别限定了单个谐振器-光二极管单元11的p-i和n-i结。p和n掺杂锗脊32、34的较大体积部分(此处空间电荷密度正在消失)用作由掺杂的半导体材料制成的欧姆导体，其有助于提取光生电荷载体。因此，沿着阵列中的第一方向，光二极管半导体结构11从p-i-n交替到n-i-p，并且当从一个台面移动到下一台面时返回。包括形成p-i-n光二极管半导体结构11的本征锗台面12以及n掺杂和p掺杂的锗脊32、34的半导体结构设置在基底介电层9上，该基底介电层在此示例中可以包括在硅晶片7上的二氧化硅层，硅晶片7又用作光检测器1的结构的基底或载体。
在与第一方向正交的阵列的第二方向(沿Y轴)上，连接台面的n掺杂锗脊34在其中部通过沿第二方向延伸的相似的n掺杂锗脊35连接，并且，在第一方向上连接相邻台面的p掺杂锗脊32通过沿第二方向延伸的p掺杂脊33连接。这些p和n掺杂的脊主要用作由掺杂的半导体材料制成的电阻导体，在该电阻导体上可以实现从p-i-n光二极管半导体结构11中提取光生电荷载体。在第二方向上的阵列的边界处，沿着第二方向延伸的n和p掺杂的脊可以延长一定距离，以实现电极接触。为此目的，沿第二方向延伸的n和p掺杂脊的延长部分可以分别掺杂较大浓度的施主和受主原子(donor and acceptor atoms)，以形成有助于实现与金属电极17、18的欧姆接触的n+区和p+区(图中未显示)。这样形成的p电极17和n电极18然后可以分别通过p电极和n电极电路并联连接。
为了制造该实施例，可以使用在二氧化硅外延晶片上的本征锗。圆柱形的本征锗台面和沿着阵列的第一方向延伸并连接锗台面的锗脊以及沿着阵列的第二方向延伸的锗脊可以通过施加到本征锗层的电子束光刻或光刻法形成。随后的离子注入可用于实现沿着阵列的第一方向和第二方向在台面之间延伸的锗脊区的p和n掺杂。通过附加的离子注入阶段可以获得在阵列的边界处沿着第二阵列方向延伸的延长脊的p+和n+区。然后，可以在阵列的边界区中沉积金属电极17、18和介电层，以形成到锗脊的p+和n+区的欧姆电极接触并实现p和n电极电路。最后，可以在结构上沉积包括电介质的钝化层8，该电介质例如为二氧化硅、二氧化锗、氮化硅或聚合物。
图19-21示出了本发明的光检测器1的另一实施例，其中在每个谐振器-光二极管单元10中实现了横向p-i-n半导体结构。为了简单起见，选择在阵列中的单元10的布置以形成矩形格子。选择圆柱形几何形状用于每个单元10的亚波长介电谐振器30(即其谐振器本体31)，并且谐振器30的介电材料可以选择为例如锗。锗也可以用于在每个单元10中形成半导体p-i-n光二极管半导体结构11。本征锗圆柱形台面是p-i-n结构的本征区12，光二极管半导体结构11的p和n掺杂区13、14由两个锗脊件形成，所述两个锗脊件在相对的位置上并沿着矩形阵列的第一方向(沿X轴)从每个锗台面突出。锗脊件的高度可以比锗台面小得多，宽度也可以比台面的直径小。锗的脊件是p和n掺杂的，使得每个台面被附接到p掺杂脊件(形成p区13)和n掺杂脊件(形成n区14)，并且半导体结构在矩形阵列的第一方向上沿单元10的线从p-i-n交替到n-i-p，并返回。同样，每个谐振器-光二极管单元10的光二极管半导体结构11设置在基底介电层9上，该基底介电层是二氧化硅的层。该基底介电层9又设置在硅晶片7上，该硅晶片用作光检测器1的结构的基底或载体。
可以对p掺杂的锗脊件的边缘区域进行p+掺杂以实现欧姆电极接触，并且类似地，出于相同目的，n掺杂的锗脊件可以包含n+掺杂的边缘区。在该实施例中，阵列中的每个单元与p-i-n光二极管半导体结构的p和n侧上的金属电极接触。为了防止金属电极17、18和电极电路19、22在电磁波与亚波长谐振器的阵列结构的相互作用的干扰影响，每个单元连接到其上的p和n电极电路19、22可以在低于亚波长谐振器阵列水平的一定水平处被埋在二氧化硅层中。仅在两个单元连接到p电极或n电极17、18的点处，否则埋设的p或n电极电极电路19、22的金属层达到谐振器阵列的水平。如图19示意性所示，埋设的p和n电极电路19、22在单元之间沿着与第一方向正交的矩形阵列的第二方向(沿Y轴)延伸。在阵列的边界处，埋设的p和n电极电路19、22可以并联连接，以形成用于阵列的单个p电极触点和单个n电极触点。
为了制造亚波长谐振器30和光二极管半导体结构11的阵列结构，如刚刚描述的，可以使用在二氧化硅外延晶片上的本征锗。可以通过对本征锗层进行电子束光刻或光刻法来获得具有突出脊件的台面。使用离子注入，可以实现脊件的n和p掺杂，并且类似地，可以实现n掺杂或p掺杂脊件的边缘区的n+或p+掺杂。可以使用电子束光刻或光刻法将用于埋设金属p和n电极电路19，22的沟槽蚀刻到形成基底介电层9的二氧化硅层中。可以将埋设的金属电极线沉积在基底介电层9中形成的沟槽中。在接近光二极管半导体结构11将要接触的点处，沉积较厚的金属层以达到在p掺杂或分别的n掺杂的锗脊件上的金属电极17、18可以实现并且可以实现它们与相应的埋设电极电路19、22的连接的水平。二氧化硅中的沟槽可以用二氧化硅或另一低折射率电介质填充在沉积的金属电极电路上方。在进一步的金属和介电沉积阶段中，p和n电极电路19、22可以在阵列的边界处通过并联连接(图中未示出)完成，以形成用于阵列的单个p和单个n电极触点。最后，由电介质(例如二氧化硅，二氧化锗，氮化硅或聚合物)组成的钝化层8可以沉积在包括锗台面、具有电极17、18的暴露表面区域的p和n掺杂的锗脊件的阵列结构上。
图22-29示出了本发明的光检测器1的另一实施例，其中横向p-i-n光二极管半导体结构11被结合到亚波长介电谐振器中。亚波长介电谐振器30的谐振器本体31选择为圆柱形形状，并且也选择以规则的矩形或正方形阵列布置。在本发明的该示例中，阵列的圆柱形谐振器30放置在薄半导体层23的顶部上，该薄半导体层的厚度大约是圆柱形谐振器本体31的厚度的一半。薄半导体层23在整个阵列区上延伸。本征区12的介电材料可以选择为例如锗，也可以是下面的薄半导体层23的材料。平面波激励后谐振器结构内部电场强度的有限元方法模拟显示，该阵列的集体谐振模式类似于光子晶体型模式，在圆柱谐振器阵列下方的半导体层中具有强电场增强模式的空间周期性模式。图27和28示出了由锗制成的正方形3×3圆柱形谐振器阵列的相应有限元方法模拟的结果。电场增强(高达10的因子)主要位于锗层中，在谐振器的位置处，但也位于相邻谐振器之间的位置处。
为了利用在圆柱形介电谐振器30下方以及它们之间的锗层23中的具有强场增强的区域来产生光电流，在锗层23中的p掺杂区(p区13)和n掺杂区(n区14)布置成沿Y轴延伸的条带，如图22所示。在平行于X轴的线上的两个相邻的锗谐振器30之间以及在两个相邻的条带形的p和n区13之间，在Y轴上延伸的次本征区24设置在半导体层23中。在平行于Y轴的线上的两个相邻的锗谐振器30之间以及两个相邻的条带形的p和n区13、14之间的位置处在半导体层23中设置另外的次本征区24。如图24所示，在X方向上，p和n区13、14在圆柱形谐振器30的下方延伸其一部分宽度，并在锗谐振器30的外部延伸其其余宽度。以此方式，在锗谐振器30的本征区12中以及在其下方在本征半导体层的未掺杂区中以及次本征区24中产生耗尽区。沿着X方向，半导体结构是双p-i-n光二极管半导体结构-p-i-n-i-p-的空间周期性重复，其中每个p和n区由两个相邻的p-i-n光二极管半导体结构共享。在n和p掺杂区13、14的最底部处，分别引入p+和n+掺杂的窄区，它们具有较大的掺杂物浓度，使得可以在与金属电极17、18的界面处实现欧姆接触。p和n区13、14分别通过窄的p+和n+区接触到p和n电极17、18。如图26所示，p和n电极触点的位置在半导体结构下方布置为密集网格。这样，可以快速而有效地提取半导体结构的不同本征区中的光生电荷载体。在图29中，半导体层中的电场增强因子的灰度表示叠加在光检测器1的结构的示意图上，表示相对于p和n区13，14、本征区以及p和n电极17、18的位置而言大场增强的区的位置。金属电极17、18被嵌入在低折射率的第二支撑介电材料27中，并且在亚波长谐振器30的阵列下方延伸到一定深度，在该处，它们被连接到也嵌入到第二支撑介电材料27或另一低折射率电介质中的p电极电路19和n电极电路(未示出)。p和n电极电路在所有p或对应的n电极13、14之间进行并联连接，导致光检测器1的单个p和单个n连接端子。
该实施例的制造可以以与已经参照图13-16描述的第三实施例类似的方式实现。可以通过在硅晶片上的二氧化硅层上外延生长半导体层23。二氧化硅层由此用作用于外延剥离工艺的牺牲释放层。为了在锗层中形成p和n掺杂区13、14，可以中断外延锗生长过程，并且可以使用离子注入来实现所需的半导体掺杂轮廓。随后，锗的外延生长可以随着本征锗的沉积而恢复。可以采用电子束光刻或光刻法来在锗层中限定圆柱形台面，但由此使锗层在台面之间的区域中保持连续。在将p-i-n介电谐振器结构嵌入聚合物层(例如，PMMA)之后，聚合物层还用作粘合剂以在该阶段将处理后的结构附着到操作晶片，可以蚀刻掉锗层23下方的二氧化硅层。然后可以将金属触点沉积在指定的位置，以与p+和n+区形成欧姆接触。电极17、18之间的体积然后可以填充有低折射率的第二支撑介电材料27，例如氧化硅、氮化硅或旋涂聚合物电介质。类似于半导体装置制造中的典型的后道工序，p和n电极电路的其它部分可以实现，并被嵌入通常用在后道工序中的低折射率介电材料的层中。然后可以溶解将生成的结构附着到操作晶片上的聚合物层，并且可以在半导体结构的暴露表面上沉积钝化层，除非它已经在剥离工艺之前沉积了。
该实施例的另一种制造过程可包括首先实现金属电极布置。因此，可将沟槽蚀刻到介电材料(例如二氧化硅或氮化硅)中，以形成电极电路，该电极电路可以用电极材料填充达到其中它们被指定为连接到锗层的p和n区13、14的点。随后，可以如上所述将锗层结构沉积在顶部上，随后通过电子束光刻或光刻法蚀刻圆柱形台面。再次，可以沉积钝化层作为最后的准备步骤。
参考符号的列表：
1 光检测器
7 硅晶片
8 钝化层
9 基底介电层
10 谐振器-光二极管单元
11 光二极管半导体结构
12 本征区
12.1 下端部分
13 p区
14 n区
15 p+区
16 n+区
17 p电极
18,20 n电极
19 p电极电路
22 n电极电路
23 半导体层
24 次本征区
25 嵌入介电材料
26,27,28 支撑介电材料
30 亚波长介电谐振器
31 谐振器本体
32,33,34,35 锗脊
P 检测器平面
X X轴
Y Y轴
Z Z轴。

Claims (15)

1.一种光检测器(1)，其包括沿检测器表面(P)设置的谐振器-光二极管单元(10)的二维的布置，其用于检测从检测器表面(P)上方入射的辐射并具有对应于真空中的目标波长(λt)的目标频率(νt)，其中，每个谐振器-光二极管单元(10)包括对目标频率(νt)敏感的光二极管半导体结构(11)和亚波长介电谐振器(30)。
2.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，所述布置在目标频率(νt)下具有集体模式，其中多个亚波长介电谐振器(30)通过电磁场耦合。
3.根据权利要求1或2所述的光检测器，其特征在于，所述光二极管半导体结构(11)是p-i-n光二极管半导体结构，所述p-i-n光二极管半导体结构具有由本征半导体材料制成的本征区(12)、由p掺杂半导体材料制成的p区(13)和由n掺杂半导体材料制成的n区(14)，所述p区(13)和n区(14)分别与本征区(12)形成p-i和n-i半导体结。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，所述亚波长介电谐振器(30)的谐振器本体(31)包括所述光二极管半导体结构(11)的本征区(12)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，相邻的谐振器-光二极管单元(10)之间的距离最大为目标波长(λt)的两倍。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，所述p区(13)经由p+部分(15)连接至p电极(17)，并且所述n区(14)经由n+部分(16)连接至p电极(18、20)，其中p+部分(15)和n+部分(16)具有增加的掺杂物浓度，并且p电极(17)和n电极(18、20)适于从p-i-n光二极管半导体结构(11)提取光生自由电荷载体。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，所述p区(13)和所述n区(14)沿着与所述检测器表面(P)垂直的方向(Z)设置在所述本征区(12)的相反侧。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，多个谐振器-光二极管单元(10)通过公共p区(13)连接。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，n电极(18)连接到多个谐振器-光二极管单元(10)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光检测器，其特征在于，每个谐振器-光二极管单元(10)被折射率小于所述本征区(12)的折射率的至少一种介电材料(8、9、25-28)至少部分地围绕。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，所述p电极(17)和所述n电极(18)相对于所述检测器表面(P)设置在所述谐振器-光二极管单元(10)之间，使得每个谐振器-光二极管单元(10)设置成邻近至少一个p电极(17)和一个n电极(18)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，所述p区(13)和所述n区(14)沿着所述检测器表面(P)在所述本征区(12)的相反侧上并且在本征区(12)的下端部分(12.1)处设置。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，所述本征区(12)成组地连接到p区(13)和n区(14)，所述p区(13)和n区(14)沿着检测器表面(P)的第一方向(X)交替地设置在所述本征区(12)之间并且沿着检测器表面(P)的第二方向(Y)延伸。
14.根据权利要求13所述的光检测器，其特征在于，次本征区(24)设置在所述p区(13)和n区(14)之间。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的光检测器，其特征在于，所述p区(13)和n区(14)分别经由所述p电极(17)和n电极(18)成组连接至部分p电极电路(19)和部分n电极电路(22)，所述部分p电极电路(19)和部分n电极电路(22)沿着检测器表面(P)的第一方向(X)设置在谐振器-光二极管单元(10)之间并且沿检测器表面(P)的第二方向(Y)延伸。
CN201980021020.8A 2018-03-22 2019-03-21 光检测器 Active CN111886704B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LULU100743 2018-03-22
LU100743 2018-03-22
LULU100953 2018-10-03
LU100953A LU100953B1 (en) 2018-10-03 2018-10-03 Photodetector
PCT/EP2019/057134 WO2019180165A1 (en) 2018-03-22 2019-03-21 Photodetector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111886704A true CN111886704A (zh) 2020-11-03
CN111886704B CN111886704B (zh) 2024-04-12

Family

ID=66102034

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980021020.8A Active CN111886704B (zh) 2018-03-22 2019-03-21 光检测器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11437531B2 (zh)
EP (1) EP3769343B1 (zh)
CN (1) CN111886704B (zh)
FI (1) FI3769343T3 (zh)
WO (1) WO2019180165A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11552204B2 (en) * 2019-04-03 2023-01-10 Ohio State Innovation Foundation Photonic detector coupled with a dielectric resonator antenna
FR3118301B1 (fr) * 2020-12-23 2022-12-30 Thales Sa Integration d'un circuit de detection a base de resonateurs optiques sur un circuit de lecture d'un imageur
CN113345971B (zh) * 2021-05-27 2022-08-09 华中科技大学 一种超表面谐振增强窄带光电探测器及其制备方法
WO2024064837A1 (en) * 2022-09-21 2024-03-28 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nanophotonic purcell enhanced metamaterial scintillator
CN116914000B (zh) * 2023-09-13 2023-12-05 长春理工大学 一种顶层掺杂的平面光导型非倒装键合量子点成像芯片

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19538650A1 (de) * 1995-10-17 1997-04-24 Fraunhofer Ges Forschung Halbleiterheterostruktur-Strahlungsdetektor, mit zwei spektralen Empfindlichkeitsbereichen
US20050045982A1 (en) * 2002-03-22 2005-03-03 Krishna Shenai Semiconductor device with novel junction termination
US20110180894A1 (en) * 2008-09-04 2011-07-28 Qunano Ab Nanostructured photodiode
US20120273913A1 (en) * 2009-06-04 2012-11-01 Wisconsin Alumni Research Foundation Flexible lateral pin diodes and three-dimensional arrays and imaging devices made therefrom
US20130334640A1 (en) * 2012-06-18 2013-12-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor, image processing device including the same, and method of fabricating the same
US20150053860A1 (en) * 2009-12-08 2015-02-26 Zena Technologies, Inc. Manufacturing nanowire photo-detector grown on a back-side illuminated image sensor
EP2889917A2 (en) * 2013-12-28 2015-07-01 Shu-Lu Chen Photonic lock based high bandwidth photodetector
US20150255639A1 (en) * 2012-09-28 2015-09-10 Centre National De La Recherche Scientifique-Cnrs Photovoltaic component with a high conversion efficiency
CN105185862A (zh) * 2015-06-11 2015-12-23 北京邮电大学 具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器及其制备方法
US20160254407A1 (en) * 2013-05-22 2016-09-01 Shih-Yuan Wang Microstructure enhanced absorption photosensitive devices
US20160273958A1 (en) * 2014-03-26 2016-09-22 California Institute Of Technology Sensor integrated metal dielectric filters for solar-blind silicon ultraviolet detectors
CN105981179A (zh) * 2013-12-17 2016-09-28 中央科学研究中心 低噪声量子探测元件及制作该光电探测元件的方法
US20160365464A1 (en) * 2015-06-11 2016-12-15 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Photodiode spad having an array of pads
US20170269267A1 (en) * 2016-03-18 2017-09-21 IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics/Leibniz-Institut Fur Innovative M Sub thz to mid infrared tunable semiconductor plasmonics

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4883561A (en) 1988-03-29 1989-11-28 Bell Communications Research, Inc. Lift-off and subsequent bonding of epitaxial films
US5315128A (en) 1993-04-30 1994-05-24 At&T Bell Laboratories Photodetector with a resonant cavity
GB2383679A (en) 2001-12-27 2003-07-02 Bookham Technology Plc PIN photodiode with intrinsic region implanted with deep band gap levels
US7279764B2 (en) 2004-06-01 2007-10-09 Micron Technology, Inc. Silicon-based resonant cavity photodiode for image sensors
US8551558B2 (en) * 2008-02-29 2013-10-08 International Business Machines Corporation Techniques for enhancing efficiency of photovoltaic devices using high-aspect-ratio nanostructures
WO2009155122A2 (en) 2008-05-30 2009-12-23 Alta Devices, Inc. Epitaxial lift off stacks and methods
WO2015038203A1 (en) 2013-09-11 2015-03-19 Purdue Research Foundation Refractory plasmonic metamaterial absorber and emitter for energy harvesting
KR101624489B1 (ko) 2015-06-15 2016-05-26 한국표준과학연구원 공기와 표면플라즈마 공명기 사이의 임피던스를 정합시키기 위하여 메타물질에 기반한 무반사코팅을 이용한 적외선 광검출기
US11043604B2 (en) 2015-07-28 2021-06-22 University Of Rochester Low dark current, resonant cavity-enhanced infrared photodetectors
US10460948B2 (en) 2015-09-04 2019-10-29 International Business Machines Corporation Stress assisted wet and dry epitaxial lift off

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19538650A1 (de) * 1995-10-17 1997-04-24 Fraunhofer Ges Forschung Halbleiterheterostruktur-Strahlungsdetektor, mit zwei spektralen Empfindlichkeitsbereichen
US20050045982A1 (en) * 2002-03-22 2005-03-03 Krishna Shenai Semiconductor device with novel junction termination
US20110180894A1 (en) * 2008-09-04 2011-07-28 Qunano Ab Nanostructured photodiode
US20120273913A1 (en) * 2009-06-04 2012-11-01 Wisconsin Alumni Research Foundation Flexible lateral pin diodes and three-dimensional arrays and imaging devices made therefrom
US20150053860A1 (en) * 2009-12-08 2015-02-26 Zena Technologies, Inc. Manufacturing nanowire photo-detector grown on a back-side illuminated image sensor
US20130334640A1 (en) * 2012-06-18 2013-12-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensor, image processing device including the same, and method of fabricating the same
US20150255639A1 (en) * 2012-09-28 2015-09-10 Centre National De La Recherche Scientifique-Cnrs Photovoltaic component with a high conversion efficiency
US20160254407A1 (en) * 2013-05-22 2016-09-01 Shih-Yuan Wang Microstructure enhanced absorption photosensitive devices
CN105981179A (zh) * 2013-12-17 2016-09-28 中央科学研究中心 低噪声量子探测元件及制作该光电探测元件的方法
EP2889917A2 (en) * 2013-12-28 2015-07-01 Shu-Lu Chen Photonic lock based high bandwidth photodetector
US20160273958A1 (en) * 2014-03-26 2016-09-22 California Institute Of Technology Sensor integrated metal dielectric filters for solar-blind silicon ultraviolet detectors
CN105185862A (zh) * 2015-06-11 2015-12-23 北京邮电大学 具有汇聚增强功能的蘑菇型高速光探测器及其制备方法
US20160365464A1 (en) * 2015-06-11 2016-12-15 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Photodiode spad having an array of pads
US20170269267A1 (en) * 2016-03-18 2017-09-21 IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics/Leibniz-Institut Fur Innovative M Sub thz to mid infrared tunable semiconductor plasmonics

Also Published As

Publication number Publication date
FI3769343T3 (fi) 2023-09-01
EP3769343A1 (en) 2021-01-27
WO2019180165A1 (en) 2019-09-26
US20210020795A1 (en) 2021-01-21
EP3769343B1 (en) 2023-06-07
CN111886704B (zh) 2024-04-12
US11437531B2 (en) 2022-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111886704B (zh) 光检测器
Mokkapati et al. Nanophotonic light trapping in solar cells
JP6602751B2 (ja) マイクロストラクチャ向上型吸収感光装置
US9929291B2 (en) Photo-detector having plasmonic resonance and photon crystal thermal noise suppression
Brongersma Plasmonic photodetectors, photovoltaics, and hot-electron devices
US8750653B1 (en) Infrared nanoantenna apparatus and method for the manufacture thereof
US8618622B2 (en) Photodetector optimized by metal texturing provided on the rear surface
JP7024976B2 (ja) 受光素子及び近赤外光検出器
TWI518925B (zh) A photovoltaic element device having a surface periodic grating structure and a method of manufacturing the same
TW201424017A (zh) 具有高轉換效率之光伏打元件
JP2017500743A (ja) 低雑音の量子的検出素子およびそのような光子検出素子の製造方法
US10128386B2 (en) Semiconductor structure comprising an absorbing area placed in a focusing cavity
JP5785698B2 (ja) 光検出要素
Hackett et al. Large-area silicon nanowire Schottky junction photodetector with tunable absorption and low junction capacitance
US8829633B2 (en) Self-aligned semiconductor ridges in metallic slits as a platform for planar tunable nanoscale resonant photodetectors
US11688820B2 (en) Photodetectors
Song et al. Photonic crystal enabled manipulation of optical and electric field in germanium avalanche photodetectors
EP3480862B1 (en) Light-receiving element and near infrared light detector
US9224891B2 (en) Photodetection device
LU100953B1 (en) Photodetector
CN110931577B (zh) 纵向渐变的等离子激元增强红外宽谱吸收的人工微结构
Jahromi et al. A fast and sensitive schottky photodiode with surface plasmon enhanced photocurrent and extremely low dark current for high-frequency applications in near-infrared
Nakti et al. Ultra-broadband near-perfect metamaterial absorber for photovoltaic applications
Li et al. Metasurface Photodetectors. Micromachines 2021, 12, 1584
Choi et al. Designs and applications of corrugated QWIPs

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant