KR102358584B1 - 마이크로구조-증강 흡수 감광성 디바이스 - Google Patents

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Abstract

마이크로구조를 사용하여 반도체 내 광자들의 흡수성을 강화하기 위한 기술이 기술된다. 마이크로구조, 예컨대 필라 및/또는 홀은 효과적으로 유효 흡수 길이를 증가시켜 광자들의 흡수가 더 커지게 한다. 실리콘 광다이오드 및 실리콘 애벌런치 광다이오드에 대해 흡수 강화를 위해 마이크로구조를 사용하는 것은 대략 90%의 양자 효율을 갖고, 850 nm의 파장을 가진 광자에서 10 Gb/s을 초과한 대역폭을 갖게 할 수 있다.

Description

마이크로구조-증강 흡수 감광성 디바이스{MICROSTRUCTURE ENHANCED ABSORPTION PHOTOSENSITIVE DEVICES}
관련 출원에 대한 참조
이 특허 출원은 다음 출원 각각의 우선권을 주장하고 이를 참조로 포함시킨다.
2013년 5월 22일 출원된 미국 가 출원번호 61/826,446;
2013년 6월 13일 출원된 미국 가 출원번호 61/834,873;
2013년 7월 4일 출원된 미국 가 출원번호 61/843,021; 및
2013년 11월 15일 출원된 미국 가 출원번호 61/905,109;
위에 언급된 가 특허 출원은 본원에서는 총괄적으로 "공통으로 양도된 포함된 출원"이라 언급된다.
본 발명은 일반적으로 주로 감광성 디바이스에 관한 것이다. 특히, 일부 실시예는 마이크로구조-증강된 흡수 특징을 갖는 감광성 디바이스에 관한 것이다.
광섬유 통신은 대형 데이터 센터 내에 전기통신 및 통신과 같은 응용에서 광범위하게 사용된다. 짧은 광 파장을 사용하는 것에 연관된 감쇠 손실 때문에, 대부분의 광섬유 통신은 800 nm 및 더 긴 광 파장을 사용한다. 일반적으로 사용되는 투과 윈도우는 1260 nm와 1675 nm 사이에 존재한다. 광섬유 통신 시스템에서 사용되는 광학 수신기의 주요 성분은 일반적으로 광다이오드(PD) 혹은 애벌런치 광다이오드(Avalanche PhotoDiode, APD) 형태의 광 검출기이다.
고-품질 저-노이즈 APD가 실리콘으로부터 만들어질 수 있다. 그러나, 실리콘이 가시 및 근 적외선의 범위 내 광을 흡수할 것이지만, 더 긴 광 파장에서 더 투명해진다. 실리콘 PD 및 APD는 디바이스의 흡수 "I" 영역의 두께를 증가시킴으로써 800 nm 및 더 긴 광 파장에 대해 만들어질 수 있다. 도 2는 종래의 PIN 광다이오드(200)의 단면으로서, "d"는 흡수 "I" 영역(220)의 길이이다. 도 3a 및 도 3b는 850 nm 광 파장에서 30-마이크론 직경을 가진 종래의 실리콘 광다이오드의 대역폭 및 양자 효율을 도시한 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 90%의 양자 효율을 얻기 위해서, "I" 영역의 두께 "d"는 30 마이크론 이상이다. 이것은 많은 현재 및 미래에 전기통신 및 데이터 센터 응용에 대해선 너무 낮은 2.5 Gb/s 미만의 최대 대역폭에 이르게 한다.
더 긴 파장 및 더 큰 대역폭에 대해 실리콘 PD 및 APD가 갖는 본연의 문제를 피하기 위해서, 다른 물질이 사용된다. 게르마늄(Ge)은 적외선 밖 내지 1700 nm의 파장을 검출하지만, 그러나 상대적으로 큰 증배 노이즈를 갖는다. InGaAs은 적외선 밖 내지 1600 nm 이상을 검출할 수 있고, Ge보다 적은 증배 노이즈를 갖지만 여전히 실리콘보다는 훨씬 더 큰 노이즈를 갖는다. InGaAs는 대부분 전형적으로 기판으로서 그리고 증배층(multiplication layer)으로서 InP을 수반하는 헤테로구조 다이오드의 흡수 영역으로서 사용되는 것으로 알려져 있다. 이 물질 시스템은 대략 900 내지 1700 nm의 흡수 윈도우와 호환된다. 그러나 InGaAs 디바이스 및 Ge 디바이스 모두는 상대적으로 고가이며 실리콘과 비교했을 때 상대적으로 큰 증배 노이즈를 갖는다.
본원에 청구된 요지는 임의의 특정한 결점을 해결하거나 위에 기술된 것들과 같은 환경에서만 동작하는 실시예로 제한되지 않는다. 그보다는, 이 배경기술은 본원에 기술된 일부 실시예가 실시될 수 있는 하나의 예시적 기술 분야를 예시하기 위해서만 제공된다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조-증강(microstructure-enhanced) 광흡수성을 지닌 광검출기가 기술된다. 광검출기(예를 들면 광다이오드 또는 애벌런치 광다이오드)는 캐소드 영역; 애노드 영역; 캐소드 영역이 애노드 영역보다 더 포지티브한 전압으로 구동되게 캐소드 영역과 애노드 영역 사이에 전압을 인가하도록 구성된 리버스 바이어싱 회로; 및 소스 신호로부터 광자들을 흡수하도록 구성된 마이크로구조-증강 광자 흡수 반도체 영역을 포함한다. 흡수 영역은 소스 신호의 파장을 포함하는 파장들 범위에서 광자들의 흡수성을 증가시키도록 치수를 갖고 위치된 복수의 마이크로구조들을 포함한다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조들은 가장 긴 파장과 같거나 더 짧은 적어도 하나의 치수를 갖는다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조들 필라들(pillars), 홀들(holes) 및/또는 보이드들(voids)이다. 마이크로구조들은 주기로 이격된 어레이, 비-주기적으로 이격된 어레이, 랜덤(random)하게 이격된 어레이 또는 다중 주기로 이격된 어레이로 배열될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조들은 기저 기판 물질의 상측 표면에 수직한 하나의 주 종축(major longitudinal axis)을 갖는다. 일부 다른 실시예에 따라, 마이크로구조들은 서로 병렬이 아닌 하나의 주 종축들(major longitudinal axes)을 갖는다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조들은 소스 신호의 임의의 단일의 방향에 대한 감도를 감소시키기 위한 방위로 놓여진다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조들은 공진 효과, 스캐터링 효과, 니어 필드(near field) 효과, 서브-파장(sub-wavelength) 효과, 및/또는 간섭 효과를 이용하는 흡수 모드 고 콘트라스트 그레이팅을 적어도 부분적으로 형성함으로써 흡수성을 증가시킨다.
일부 실시예에 따라, 흡수 영역 및 마이크로구조들은 실리콘으로 형성된다. 일부 실시예에 따라, 적어도 60%의 양자 효율을 갖고 850 나노미터의 파장들에서, 초당 5 이상의 기가비트의 데이터 대역폭으로 소스 신호들을 검출할 수 있는 실리콘 광다이오드가 제공된다. 일부 실시예에 따라, 적어도 60%의 양자 효율을 갖고 850 나노미터의 신호 파장들에서, 초당 10 이상의 기가비트의 데이터 대역폭으로 소스 신호들을 검출할 수 있는 실리콘 광다이오드가 제공된다. 일부 실시예에 따라 2 이상의 게인을 가지면서도, 850 나노미터의 파장들에서, 초당 5 이상의 기가비트의 데이터 대역폭으로 소스 신호들을 검출할 수 있는 실리콘 애벌런치 광다이오드가 제공된다. 일부 실시예에 따라, 실리콘 APD는 P 증배층, N 증배층 및/또는 차지(charge) 층 안으로 확장하는 마이크로구조들을 가진 증배 영역(multiplication region)을 갖는다. 일부 실시예에 따라, 적어도 40%의 양자 효율을 갖고 980 나노미터의 신호 파장들에서, 초당 1 이상의 기가비트의 데이터 대역폭으로 소스 신호들을 검출할 수 있는 실리콘 광다이오드가 제공된다. 일부 실시예에 따라, 적어도 30%의 양자 효율을 갖고 1000 나노미터의 신호 파장들에서, 초당 0.5 이상의 기가비트의 데이터 대역폭으로 소스 신호들을 검출할 수 있는 실리콘 광다이오드가 제공된다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조들은 유사한 광자 흡수 길이를 갖는 마이크로구조가 없는 디바이스와 비교했을 때 광검출기의 커패시턴스를 효과적으로 감소시킨다.
일부 실시예에 따라, 흡수 반도체 영역 및 마이크로구조들은 실리콘 및 게르마늄으로 형성된다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조들은 실리콘의 부분을 에칭하여 제거하고 에칭되어 제거된 부분들 내에 게르마늄을 성장시키기 위해 선택적 영역 성장 프로세스를 사용함으로써 형성된다. 일부 실시예에 따라, 흡수 반도체 영역 및 마이크로구조들은 게르마늄으로 형성된다. 일부 실시예에 따라, 광 검출기는 기판-측으로부터 소스 신호를 수신하도록 구성된다. 애노드 영역은 에피택셜 측방 과도성장 프로세스에 의해 형성된 게르마늄 P 층을 포함할 수 있다. 디바이스는 소스 신호가 첫 번째로, 흡수 영역을 통과하고 표면으로부터 반사되고 그후에 두 번째에 흡수 영역을 통과하게 구성될 수 있다. 디바이스는 또한 상부-측으로부터 소스 신호를 수신하게 구성될 수 있고, 애노드 영역은 실리콘 P 층으로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에 따라, 2 이상의 게인을 갖고, 1750 나노미터 또는 더 짧은 소스 신호 파장들에서 초당 1 기가비트 이상의 데이터 대역폭으로 소스 신호들을 검출하는 애벌런치 광다이오드가 제공된다. 일부 실시예에 따라, 흡수 반도체 영역 및 마이크로구조들은 InP, GaAs, InGaAs, GaN, InGaN, InGaAsP. AlGaAs. AlGaN. GaP, InSb 또는 InAs과 같은 III-V 족 물질(들)로 형성된다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조들은 흡수 반도체 영역 내에 매설된 보이드들을 포함한다. 일부 실시예에 따라, 보이드들은 물질의 낮은 커패시턴스 뿐만 아니라 신호 파장(들)에서 효과적으로 굴절률을 낮추기 위한 물질 층 내에 매설된다.
일부 실시예에 따라, 매설된 복수의 보이드들을 갖는 반도체 물질을 포함하는 광전지 디바이스가 기술된다. 반도체 물질은 태양 방사를 직류 전류 전기로 변환하도록 구성된다. 일부 실시예에 따라, 보이드들은 마이크로구조화된 보이드들이며 반도체 물질의 흡수성을 강화하고 그럼으로써 디바이스의 변환 효율을 증가시키도록 구성된다. 일부 실시예에 따라, 보이드들은 3 마이크론 미만만큼 크기 및/또는 이격거리를 가지며, 예를 들면 디바이스로부터 입사 태양광의 반사를 감소시키고 및/또는 반도체 물질 내에 내부 반사들을 증가시키기 위해, 표면 근처에 반도체 물질의 유효 굴절률을 변경하게 구성된다.
일부 실시예에 따라, 유리가 0.01 마이크론 내지 1000 마이크론 사이의 치수의 복수의 매설된 보이드들을 갖는 유리 물질이 기술된다. 일부 예에서, 유리는 광전지 디바이스의 일부분을 형성한다. 일부 실시예에 따라, 매설된 보이드들은 물질 젤, 폴리머 및 가스로 채워진다. 매설된 보이드들은 유리 물질의 가요성, 및/또는 물리적 손상 및/또는 손상 전파에 대한 유리 물질의 증가된 저항을 제공할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 반도체 기판 물질의 유전 상수를 감소시키게 구성되는 유전체로 충전된 복수의 고-밀도 보이드들을 갖는 반도체 기판 물질; 및 적어도 하나가 반도체 기판 물질 위에 위치되는 복수의 금속 마이크로웨이브 전송 라인들을 포함하는 마이크로웨이브 전송 라인 구조가 기술된다. 일부 실시예에 따라, 유전체로 충전된 보이드들은 질소, 아르곤, 진공, 공기, 헬륨, 폴리머, 금속 산화물들, 이산화 실리콘, 실리콘 질화물, 불화칼슘, 또는 아연 산화물과 같은 물질로 채워진다. 일부 실시예에 따라, 보이드들은 분산을 감소시키게 그리고 적어도 부분적으로 전류 루프 흐름 및/또는 에디 전류들을 감소시킴으로써 마이크로웨이브 전송 라인들에 연관된 손실을 감소시키도록 추가 구성된다.
일부 실시예에 따라, 광학 모드 영역; 및 광학 모드 영역에 인접한 지지 반도체 물질을 포함하는 광 도파관(optical waveguide) 구조가 기술된다. 지지 물질은 마이크로구조화된 보이드들의 크기, 형상, 밀도, 등에 기초하여 지지 물질의 유효 굴절률을 변경하도록 구성되는, 복수의 마이크로구조화된 보이드들을 포함한다.
일부 실시예에 따라, 열 발생 디바이스; 열을 주변 매체에 발산시키도록 구성된 열 싱크; 및 열 발생 디바이스와 열 싱크 사이에 장착된 중간 물질을 포함하는 열 교환기 시스템이 기술된다. 중간 물질은 중간 물질의 열 전도율을 변경하게 구성된 복수의 매설된 보이드들을 포함한다. 일부 실시예에 따라, 매설된 보이드들의 일부는 열적 전도성 물질로 채워지고, 다른 것들은 열적 고립 물질로 채워진다. 보이드들의 두 유형들은 중간 물질 상에 장착된 다른 열 감응 디바이스들과의 열적 크로스토크를 감소시키기 위해 열을 열 발생 디바이스에서 열 싱크로 전도하게 위치된다.
이 특허 명세서의 요지의 위에 및 다른 이점 및 특징을 더욱 명확히 하기 위해서, 이들의 실시예의 구체적 예는 첨부된 도면에 도시된다. 이들 도면은 단지 예시적 실시예를 도시하며, 따라서 이 특허 명세서 또는 첨부된 청구항의 범위의 한정으로서 간주되지 않는 것음을 알아야 할 것이다. 본원의 요지는 첨부한 도면을 사용하여 추가적인 특이성 및 상세로 기술되고 설명될 것이다.
도 1은 일부 실시예에 따라 감광성 디바이스에서 벌크 흡수 계수를 강화하는 3차원 마이크로 구조의 개략적 측단면도이다.
도 2는 종래의 PIN 광다이오드의 전형적인 구조의 측면을 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 "d" 마이크론에 대한 종래의 벌크 실리콘 광다이오드의 대역폭 및 양자 효율(QE) 각각을 도시한 플롯이다.
도 4a-도 4d는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 Si 광검출기에 대해 대역폭 및 QE에 대한 벌크 흡수 계수의 강화를 도시한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 일부 실시예에 따라 상부 조사 마이크로구조화된 PIN 실리콘 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다.
도 6a 및 도 6b은 일부 실시예에 따라 하부 조사 마이크로구조화된 NIP 실리콘 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다.
도 7a 및 도 7b은 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 애벌런치 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다.
도 8은 일부 실시예에 따라 고속 고-효율 마이크로구조화된 APD에 대한 실리콘 에피택셜 구조를 도시한 단면도이다.
도 9a-도 9e는 일부 실시예에 따라 고속 APD에 대해서, 일부 기본 마이크로구조 처리 단계들을 도시한 일련의 단면도이다.
도 10a-10b는 일부 실시예에 따라 N-Si 내에 마이크로구조화된 보이드를 가진 상부 조사 마이크로구조화된 광다이오드, 애벌런치 광다이오드 및/또는 광전지(PV)의 측면을 도시한 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 일부 실시예에 따라 Si 위 Ge의 헤테로에피택셜 APD 구조의 측면을 도시한 단면도이다.
도 12는 일부 실시예에 따라 마이크로구조 상에 Ge 표면에 대한 패시베이션 방법의 측면을 도시한 단면도이다.
도 13a 및 도 13b는 일부 실시예에 따라 Si 위 Ge에 기초하여 광다이오드 및/또는 애벌런치 광다이오드에 대한 Ge 벌크 흡수 계수의 마이크로구조 강화의 효과를 도시한 그래프이다.
도 14a-도 14b는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 상부-조사 Si 위 Ge 애벌런치 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다.
도 15a-도 15d는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 하부-조사 Si 위 Ge 애벌런치 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다.
도 16a 및 도 16b는 일부 실시예에 따라 Si 위 Ge에 기초하여 단일 통과 및 2중 통과 광다이오드 및/또는 애벌런치 광다이오드를 비교하는 그래프이다.
도 17a-도 17b는 일부 실시예에 따라 700 내지 1800 nm 범위의 신호 파장을 갖고 응용을 위한 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 상부-조사 Si 위 Ge 광다이오드 구조의 측면을 도시한 단면도이다.
도 18a-도 18b는 일부 실시예에 따라 1200 내지 1800 nm 범위의 신호 파장을 갖고 응용을 위한 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 하부-조사 Si 위 Ge 광다이오드 구조의 측면을 도시한 단면도이다.
도 19a-도 19c는 일부 실시예에 따라 더 큰 영역 광다이오드가 동일 대역폭 및 QE을 갖고 제조될 수 있게 마이크로구조가 어떻게 광다이오드의 감소 커패시턴스를 감소시킬 수 있는가를 도시한 도면이다.
도 19d-도 19e는 일부 실시예에 따라 P-I-N 실리콘 증배층 상에 성장되는 III-V 흡수층을 갖는 APD 디바이스를 제조하는 측면을 도시한 단면도이다.
도 20은 일부 실시예에 따라 Si 마이크로구조 내 매설된 또는 내장된 마이크로구조화된 Ge를 갖는 디바이스를 위한 최종의 P-Si 층이 없는 벌크층을 도시한 것이다.
도 21은 일부 실시예에 따라 Si 마이크로구조 내 매설된 또는 내장된 마이크로구조화된 Ge을 갖는 디바이스를 위한 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀의 에칭을 도시한 단면도이다.
도 22는 일부 실시예에 따라 Ge "I" 층이 에칭된 영역 내에 성장되고 평탄화된 후에, Si 마이크로구조 내 매설 또는 내장되는 마이크로구조화된 Ge을 갖는 디바이스를 도시한 단면도이다.
도 23은 일부 실시예에 따라 I-Ge 재성장 및 평탄화, 및 P-Si의 캡 층 후에, Si 마이크로구조 내 매설 또는 내장된 마이크로구조화된 Ge를 갖는 디바이스를 도시한 단면도이다.
도 24a 및 도 24b는 일부 실시예에 따라 I-Si 마이크로구조 내 매설/내장된 I-Ge 흡수 마이크로구조를 가진 마이크로구조화된 APD의 측면을 도시한 단면도이다.
도 25a-도 25c는 일부 실시예에 따라 Si 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀 어레이 내 매설/내장된 Ge 마이크로구조를 갖는 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다.
도 25d 및 도 25e는 일부 실시예에 따라 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)와 같은 순방향 바이어스된 디바이스의 측면을 도시한 단면도이다.
도 26은 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 보이드가 제조되는 출발 에피택셜 층을 도시한 단면도이다.
도 27은 일부 실시예에 따라 I-Si 층 내에 에칭된 마이크로구조화된 홀/필라를 도시한 단면도이다.
도 28은 일부 실시예에 따라 Si 캡 P+ 애노드 층(2826)을 가진 Si 내 매설 또는 내장된 마이크로구조화된 보이드를 도시한 단면도이다.
도 29는 일부 실시예에 따라 고도로 반사적인 미러를 제공하기 위해 P-Si 표면 상에 형성된 브래그 반사체를 도시한 단면도이다.
도 30은 일부 실시예에 따라, 흡수성을 강화하고, 벌크 굴절률을 감소시키고, 커패시턴스를 감소시키고 반도체 물질 상에 큰 시트의 PV의 기계적 가요성을 증가시키 위해 마이크로구조화된 보이드를 가진 PIN PD/PV 구조의 예를 도시한 것이다.
도 31은 일부 실시예에 따라 매설/내장된 보이드를 가진 재성장된 I-Ge을 도시한 단면도이다.
도 32는 일부 실시예에 따라, 재성장된 I-Ge을 가지며 에피택셜층에 의해 캡핑된 I-Si 내 매설된 마이크로구조화된 보이드를 가진 디바이스를 도시한 단면도이다.
도 33은 일부 실시예에 따라, PD/APD 내 마이크로구조화된 필라, 홀 및/또는 매설된 보이드의 분포를 도시한 평면도이다.
도 34는 일부 다른 실시예에 따라, PD/APD 내 마이크로구조화된 필라, 홀 및/또는 매설된 보이드의 분포를 도시한 평면도이다.
도 35는 N Si 기판 상에 종래의 Si PV/PD 다이오드를 위한 기본적인 에피택셜 구조를 도시한 것이다.
도 36은 일부 실시예에 따라, N-Si 층 내에 탑재된 마이크로구조화된 보이드를 도시한 것이다.
도 37은 일부 실시예에 따라, Si를 커버하는 재성장된 Ge를 가진 에칭된 Si 마이크로구조화된 필라/홀을 도시한 단면도이다.
도 38은 일부 실시예에 따라, 내장된 마이크로구조화된 보이드를 갖는 N-Si 층 상에 Ge 재성장과 함께 마이크로구조화된 Si 필라/홀을 도시한 단면도이다.
도 39는 일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 Si 필라/홀 상에 부분적 피복 I-Ge을 도시한 단면도이다.
도 40는 일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 Si-Ge 필라 홀 어레이 PD/PV 및/또는 APD을 위한 기본적인 성분들을 도시한 단면도이다.
도 41a-도 41b는 일부 실시예에 따라, 매설된 마이크로구조화된 보이드를 갖는 N-Si 층 위에 마이크로구조화된 필라/홀 어레이 디바이스의 측면을 도시한 단면도이다.
도 42a-도 42d는 일부 실시예에 따라, 매설된 마이크로구조화된 보이드를 가진 N-Si 층 위에 마이크로구조화된 필라/홀 어레이를 가진 APD의 측면을 도시한 단면도이다.
도 43-도 46은 일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 요소들에 대한 다양한 치수, 간격 및 형상을 도시한 평면도이다.
도 47-도 48은 일부 실시예에 따라, 가변 길이 및 깊이를 갖는 마이크로구조화된 필라 및 홀 어레이를 도시한 단면도이다.
도 49는 일부 실시예에 따라, 필라 및 홀 모두의 조합을 갖는 마이크로구조화된 표면을 도시한 것이다.
도 50은 일부 실시예에 따라, 광학 릿지(ridge) 도파로의 단면도이다.
도 51은 일부 실시예에 따라, 보이드를 사용한 실리콘 내 매설된 광 도파관의 단면도이다.
도 52 및 도 53은 각각, 일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 PD/APD가 통합된 릿지 도파로의 단면도 및 평면도이다.
도 54a 및 도 54b는 일부 실시예에 따라, 보이드를 가진 Si 상에 마이크로웨이브 전송 라인을 도시한 것이다.
도 55는 일부 실시예에 따라, 열 생성 IC 및 광 에미터의 열 전도 및 열적 격리를 위한 보이드의 단면도이다.
도 56은 일부 실시예에 따라, 측방 전기적 저항률을 증가시키기 위한 측방 경로 길이를 증가시키고 측방 열 전도를 감소시키기 위한 보이드의 분포를 도시한 단면도이다.
바람직한 실시예의 상세한 설명이 이하 제공된다. 몇몇 실시예가 기술되지만, 이 특허 명세서에 기술되는 새로운 요지는 본원에 기술된, 임의의 일 실시예 혹은 실시예들의 조합으로 제한되지 않으며 대신에 수많은 대안들, 수정예, 및 등가물을 포괄함이 이해될 것이다. 또한, 철저한 이해를 제공하기 위해서 다음 설명에서 수많은 구체적 상세가 개시되지만, 일부 실시예는 이들 상세의 일부 또는 전부 없이도 실시될 수 있다. 또한, 명확성을 위해서, 관련 기술에 공지된 어떤 기술적 물질은 본원에 기술된 새로운 요지를 불필요하게 모호해지게 하는 것을 피하기 위해서 상세히 기술되지 않았다. 본원에 기술된 구체적 실시예의 하나 또는 몇몇의 개개의 특징들은 특징들 또는 다른 기술된 실시예와 조합하여 사용될 수 있음이 명백할 것이다. 또한, 여러 도면에서 유사한 참조부호 및 지칭은 유사한 요소들을 나타낸다.
일부 실시예에 따라, 고 데이터 레이트 응용에 적합한 흡수 길이를 유지하면서도 고 양자 효율(QE)을 달성하기 위한 벌크 흡수 상수(흡수 계수라고도 함)을 강화하기 위해 마이크로구조가 사용된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "QE"는 내부 양자 효율(IQE)을 지칭한다. IQE는 반사 및 투과가 무시할 수 있는 경우에 외부 양자 효율(EQE)과 동일하다.
일부 실시예에 따라, 반도체 물질의 밴드 갭 근방에 파장에서 벌크 흡수 상수를 개선하기 위해 마이크로구조가 사용된다. 이것은 광센서의 동작 광 파장 및/또는 동작 스펙트럼을 확장할 수 있게 한다. 강화된 벌크 흡수 상수(또는 계수)를 유효 흡수 상수(또는 계수)라고 한다. "유효"라는 용어는 흡수 상수 또는 계수가 본연의 물질 특성이기 때문에 사용된다. 그러나, 공진 효과, 플라즈모닉 효과, 필드 강화 효과, 스캐터링 효과, 니어 필드 및 부- 파장 효과로, 유효 흡수 상수 또는 계수는 벌크 또는 물질 흡수 상수 또는 계수보다 클 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 다음 용어들은 상호교환적으로 사용된다: 강화된 흡수 상수, 강화된 흡수 계수; 강화된 유효 흡수 상수; 강화된 유효 흡수 계수; 강화된 흡수; 강화된 유효 흡수; 및 유효 흡수 상수; 및 유효 흡수 계수.
일부 실시예에 따라, 강화된 흡수는 경로 길이에 과격한 영향을 미칠 수 있다. 벌크 흡수의 일예에서, 광자가 이의 원래의 진폭의 1/e까지 흡수되기 위한 경로 길이는 예를 들면 100 마이크로미터(㎛)이고, 반면 일부 실시예에 따른 강화된 흡수 하에서, 광학 진폭이 이의 원래의 진폭의 1/e까지 감쇠하기 위한 경로 길이는 1 마이크로미터이다. 동등하게, 경로 길이가 1 마이크로미터로 일정하게 유지된다면 강화된 흡수 계수는 벌크 흡수 계수보다 100배 더 크다.
이것은 관계식 A=Ao -αL으로 알 수 있는데 A는 입사 광자 플럭스 Ao의 감쇠하는 진폭이고 α는 흡수 계수이고 L은 흡수가 일어나기 위한 경로 길이이다. 따라서, L을 100배 더 길어지게 하기보다는, 유효한 α는 벌크 흡수 계수와 같은 비-강화된 흡수 계수보다 100배 더 크게 되도록 정의될 수 있다. 마이크로구조의 공진/스캐터링/근 필드 효과는 예를 들면, 100배 더 긴 경로 길이와 동등함을 주며 공진/스캐터링/근 필드 마이크로구조는 단지 1 마이크론 길이이다. 환언하면, 매우 단순한 견지에서, 공진 구조 내 광자는 이의 원래의 진폭의 1/e 값에 도달하기 전에 50번 왕복을 하며, 따라서 동등한 선형 길이는 공진 구조의 길이의 100배이다. 간단히 하기 위해, 공진/스캐터링/근 필드 효과를 본원에서는 공진, 스캐터링, 니어 필드, 플라즈모닉, 비선형 및 선형 광학 효과를 포함할 수 있는 "공진"이라 총칭하여 언급할 것이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "마이크로구조" 및 "마이크로구조화된"라는 용어는 마이크로미터 스케일, 부-마이크로미터 스케일, 및/또는 서브-파장 스케일로 적어도 하나의 치수를 갖는 다양한 형상 및 크기의 필라, 보이드, 홀 및 메사를 지칭한다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조의 특성은 유효 흡수 상수/계수 또는 강화된 흡수성을 강화하기 위해 사용되는 고 콘트라스트 그레이팅(High Contrast Grating, HCG)의 흡수 모드로서 설명될 수도 있다. 통상적으로, HCG는 관심 광 파장에서 투명한 물질을 사용한다. 반대로, 일부 실시예에 따라, 마이크로구조들 중 적어도 하나는 관심 광 파장에서 흡수 또는 약하게 흡수한다. 일부 실시예에 따른 저-Q 흡수 모드 HCG는 흡수(예를 들면 2-200의 범위 내 Q 값들)를 강화한다.
일부 실시예에 따라, 유효 굴절률을 낮추기 위해 저 굴절률 물질, 예컨대 매설된 산화물(BOX), 절연체 위 실리콘(SOI), 사파이어 위 실리콘(SOS), 비정질 반도체와 같은 저-밀도 반도체, 나노와이어 반도체, 보이드 및 홀이 사용된다. 굴절률은 물질의 본연의 특성이다. 그러나, 일부 실시예에 따라, 보이드, 공기 갭, 및/또는 홀(저 굴절률 물질로 채워질 수 있는, 및/또는 재성장할 수 있는)과 같은 구조가 광 파장 정도의 치수를 가질 때, 광학 전자기 필드는 물질 굴절률 및 구조(저 굴절률 물질에 의해 채워질 수 있는)로 구성된 평균 굴절률에 접할 것이다. 이 평균을 본원에서는 유효 굴절률이라 한다. 일부 실시예에 따라, 저 굴절률 또는 유효 저 굴절률 물질은 마이크로구조들에서 사용될 필요가 없다.
일부 실시예에 따라, 유효 흡수성을 강화하기 위한 기술은 실리콘, 게르마늄, III-V 물질로서 예컨대 InP, GaAs, GaN, InGaAs, 및 III-V 물질 패밀리의 임의의 조합을 포함한 다양한 물질에 적용될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, III-V 물질의 "물질 패밀리"라는 용어는 GaAs, InP, GaN, InSb 반도체에 격자 정합 혹은 대략 격자 정합(몇 퍼센트 내에서)되는 임의의 물질로서 정의된다. 예를 들면, InP 물질 패밀리는 InGaAs, InGaAsP, InAlAs을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조의 경우에, 실리콘 마이크로구조에 Ge, InGaAs, 혹은 이외 다른 III-V 물질의 선택적 영역 성장(SAG)과 같은 재성장은 실리콘 상에 격자 오정합된 물질의 풋프린트의 치수가 작기 때문에(대략 몇 마이크로미터 내지 부-마이크로미터) 격자 오정합의 치명적 영향 없이 수행될 수 있다. 이것은 종래의 버퍼층(예컨대 Si 상에 Ge 성장의 경우에 비정질 Ge와 같은)의 사용 없이도 Ge 및 이외 다른 III-V 물질이 실리콘과 통합될 수 있게 한다. 물질의 헤테로지니어스 통합은 호모 또는 헤테로 구조, 결정질 및 마이크로결정질 및 비정질 반도체의 조합, 탄소와 같은 전도체, 그라펜, 절연체, 유전체, 고체, 가스(gaseous), 유리와 같은 액체 또는 반전도성일 수 있는 폴리머일 수 있다.
마이크로구조에 기인하여, 커패시턴스는 (1) 하나의 반도체의 유전 상수와, (2) 반도체, 유전체, 가스, 진공, 부분 진공, 액체로서 예컨대 유리 혹은 폴리머(폴리이미드, 마일라, 혹은 이외 다른 유기 화합물)일 수 있는 또 다른 물질의 유전 상수와의 병렬 커패시턴스인 유효 커패시턴스로 나타낼 수 있다. 디바이스의 유효 커패시턴스는 2 이상일 수 있는 병렬 커패시터들의 커패시턴스의 조합이다. 일부 실시예에 따른 마이크로구조의 사용의 이점은 유효 커패시턴스가 반도체와 같은 호모지니어스 물질의 커패시턴스보다 현저히 낮을 수 있다는 것이다. 저 커패시턴스는 디바이스가 여전히 적합히 고 데이터 레이트 대역폭을 유지하면서도 더 큰 영역을 가질 수 있게 하며, 및/또는 주행 시간을 감소시키기 위해 디바이스의 두께를 감소시킴으로써 데이터 레이트 대역폭을 증가시킬 수 있게 한다.
일부 실시예에 따라, 광센서는 광다이오드(PD), 애벌런치 광다이오드(APD), 광전지(PV) 혹은 태양전지, 혹은 광자를 전자로 전환하는 임의의 광전자 디바이스일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 레이저와 같은 에미터 및 전자/홀을 광자로 전환하는 발광 다이오드 또한 마이크로구조를 사용하여 구현될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 강화된 흡수는 APD/PD가 (1) 60%보다 큰 QE 및 3 Gb/s보다 큰 데이터 대역폭을 가진 물질 밴드 갭에 근접한 에너지(혹은 파장)를 가진 광자에 대한 APD/PD의 감도를 확장하고; (2) 더 짧은 흡수 길이, 따라서 더 짧은 주행 시간에 기인하여, 고 데이터 레이트 대역폭(예를 들면 >10 Gb/s)에서 동작하고; (3) 강화된 흡수로 양자 효율을 증가시키고; (4) 낮은 과잉 노이즈를 가진 우수한 APD 특성을 갖는 실리콘으로 제작되고; (5) Si 포토닉스 및 CMOS 공정과 호환될 수 있게 한다. 일부 실시예에 따라, PD/APD는 신호 처리, 신호 증폭, 메모리, cpu, 전기 전송기, 광 도파관, 통합된 옵틱스와 같은 ASIC(응용특정의 집적회로), 및 특정 응용을 위한 그외 다른 IC들과 통합될 수 있다. 이것은 CMOS 파운드리를 사용한 대량 생산에 이점이 있다.
일부 실시예에 따라, 흡수성을 강화하기 위한 공진 구조를 생성하기 위해 유효 굴절률을 감소시키기 위해서 보이드와 같은 마이크로구조가 사용된다. Ge 혹은 III-V 물질을 실리콘에 통합하기 위해 선택적 영역 성장이 사용되는 마이크로구조에서, 흡수 영역이 유효 흡수 계수를 2만큼 내지 100배 이상 강화하기 위한 공진 구조가 되게 보이드가 실리콘 마이크로구조 내에 만들어질 수 있다.
일부 실시예에 따라, 애벌런치 게인을 위해 실리콘이 사용된다. 실리콘은 애벌런치 광다이오드를 위한 가장 낮은 과잉 노이즈를 갖는다. Ge 및/또는 III-V 물질을 실리콘에 통합함으로써, 흡수가 Ge 및/또는 III-V 물질 내에서 일어나고 전자적 게인이 실리콘 내에서 일어난다. 예를 들면 1100 nm보다 짧은 광 파장들에 따라, 실리콘은 마이크로구조를 사용해서 흡수 및 전자적 게인 모두를 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 매설된 보이드와 같은 마이크로구조는 측방 전기적 및 열적 전도율을 감소시킬 수 있다. 전기적 혹은 열적 (포논)의 지향적 전도율이 바람직한 상황에서, 전기적 전류 및/또는 열의 흐름을 구속하기 위해 보이드가 사용될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 반도체 내에 광자들의 흡수는 마이크로구조의 사용으로 강화된다. 마이크로구조는 공진, 필드 강화, 니어 필드 및 서브-파장 효과, 스캐터링, 플라즈모닉, 광자 결정, 니어 필드 정황에서 고 콘트라스트 그레이팅에서 흡수 모드와 같은 효과를 가질 수 있는데, 이들은 유효 흡수 길이를 효과적으로 증가시켜 주어진 길이에 대해 광자들의 더 큰 흡수성을 갖게 할 수 있는 선형 효과 및 비 선형 효과 모두일 수 있다.
일부 실시예에 따라, 실리콘 광다이오드 및 실리콘 애벌런치 광다이오드에 대한 흡수 강화를 위해 사용되는 마이크로구조는 대략 90% 이상의 양자 효율을 갖고 대략 850 nm의 파장(현재의 데이터콤의 바람직한 파장)을 가진 광자에서 10Gb/s(혹은 동등하게 디지털 코딩 포맷에 따라 대략 6.75 GHz)을 초과하는 대역폭을 가진 실리콘 PD 및 APD을 갖게 할 수 있다.
실리콘 광학 검출기는 물질 및 처리 기술의 성숙에 기인하여 매우 강건하며, 표면은 표면 상태 및 캐리어 재결합 중심을 야기할 수 있는 댕글링 본드를 제거하기 위해 쉽게 패시베이트될 수 있고, 이들은 낮은 결함 및 고 물질 순도에 기인하여 우수한 캐리어 수명을 가지며, APD 응용에 있어서, 노이즈는 홀과 전자 간에 작은 이온화 비(k 팩터, 실리콘은 어떠한 III-V 물질보다도 가장 낮은 k 팩터를 갖는다)에 기인하여 낮으며, 이러한 검출기는 통합에 있어서 신호 처리를 위한 전자장치와 그리고 Si 포토닉스와 CMOS 호환가능하다.
일부 실시예에 따라, 게르마늄, III-V, a-Si(비정질 실리콘)와 같은 그외 다른 물질이 단독으로, 혹은 병렬로 다수의 밴드갭이 강화된 흡수성을 갖고 제조될 수 있게 다른 물질과 함께 사용될 수 있도 있다.
일부 실시예에 따라, 흡수 모드 고 콘트라스트 그레이팅 효과를 달성하기 위해 유효 굴절률 및 커패시턴스를 감소시키고 낮은 RC 시간 상수를 위해 디바이스의 유효 커패시턴스를 감소시키기 위해 마이크로구조 및 보이드가 사용된다.
또한, 일부 실시예에 따라, 반도체 내 매설된 마이크로구조는 측방 전기적 및 열적 전도를 감소시킬 수 있다. 예를 들면 유전 상수 및 반도체 내 에디 전류를 감소시켜 손실 및 분산이 낮아지게 하기 위해 Si 내에 고-밀도 보이드가 매설된 경우 마이크로웨이브 전송 라인이 가능하다. 보이드는 또한 열적 격리를 위해서, 그리고 보이드를 열적 전도체로 채움으로써 열 전도율을 개선하기 위해 사용될 수도 있다. 이것은 실리콘 기판 상에 성분의 열적 관리에서 유용하다.
나노와이어를(Garnett et al. Light trapping in silicon nanowire solar cells, Nano Letters, 2010, 10, 082-1087; Kelzenberg et al, Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications, Nature materials, vol. 9, March 2010, 239-244), 그리고 나노홀을(Lin et al. Optical absorption enhancement in silicon nanowire and nanohole arrays for photovoltaic applications, Proceeding of SPIE, Vol. 7772, 77721G-1, 2010) 사용한 강화가 보고되어져 있다. 나노와이어는 광발생(photogenerated) 캐리어가 DC(직류 전류)에서 동작하는 제로 외부 바이어스를 갖는 P-N 접합의 애노드 혹은 캐소드로 확산하는 광전지 응용에서 광 트랩을 위해 사용하는 것으로 알려져 있다.
일부 실시예에 따라, 광발생 캐리어는 고 변조 대역폭(10 Gb/s 대역폭보다 크거나 이와 동일한) 및 고 양자 효율을 위한 P-I-N 다이오드(PD) 혹은 P-I-P-I-N 다이오드(APD)의 및 3 dB 이상의 게인을 갖는, 고 전류 게인을 위해서 APD를 위한 흡수 "i" 영역에서 외부 리버스 바이어스로 스위핑된다.
흡수 계수의 강화의 원인 또는 원인들은 다음 중 하나 이상을 포함하는 것으로 생각된다: 광학 필드 집중, 공진 효과, 보강적 및 파괴적 광간섭(진폭 및 위상) 효과, 스캐터링, 및 고 콘트라스트 그레이팅(HCG) 효과에 증가. 예를 들면 Chang-Hasnain et al, High contrast gratings for integrated optoelectronics, Advances in Optics and Photonics 4, 379-440 (2012), 이하 "Chang-Hasnain"을 참조한다. HCG 효과는 그레이팅의 물질 내에서 광 파장과 그레이팅의 주변 물질 내에서 광 파장이 그레이팅의 주기의 범위인 근-파장 정황에서 존재한다(Chang-Hasnain 참조).
도 1은 일부 실시예에 따라 감광성 디바이스에서 벌크 흡수 계수를 강화하는 3차원 마이크로 구조의 개략적 측단면도이다. 마이크로구조화된 필라(110) 및/또는 홀(120)이 "I" Si 층(100) 안으로 에칭된다. 물질(M1) 내에서 광 파장은 λ/n1이고 n1은 M1의 굴절률이고 물질(M2)의 광 파장은 λ/n2에 의해 주어지며 n2는 물질(M2)의 굴절률이다. 구조(110)의 중심간 거리(L)는 λ/n1과 λ/n2 사이 혹은 대략 100-2000 nm일 수 있고, 이를 근-파장 정황이라 한다. 회절 정황은 L(1 사이클)이 파장보다 큰 경우이고 반면 서브-파장 정황은 L이 파장 미만인 경우이다. 도 1의 단면은 벌크 필름 흡수 계수를 1.5배 만큼 내지 100 이상 강화하는 3D(차원) 마이크로구조화된 필라/홀 어레이를 도시한다. 3D 필라/홀 마이크로구조화된 어레이의 주기는 3D 고 콘트라스트 그레이팅으로서 볼 수 있고, 이의 그레이팅 주기 Λ는 λ/n1, n1은 물질(M1)의 광학 굴절률, 내지 λ/n2, n2는 물질(M2)의 광학 굴절률 사이에 놓일 수 있다. n1>n2이라면, λ/n1 < Λ < λ/n2이고, λ는 전형적으로 P-I-N PD의 혹은 APD를 위한 "I" 영역, 제2 "I" 영역이 증배 영역인 흡수 "I" 영역 P-I-P-I-N 내 마이크로구조화된 필라/홀 어레이에 의해 흡수될 광의 광 파장이거나, 혹은 PD 및 APD에 의해 검출될 광학 신호의 파장이다. 3D HCG 마이크로구조화된 필라/홀 어레이의 위에 근-파장 정황에서, 공진 Q(퀄리티 팩터, 혹은 공진기 내 저장된 에너지/사이클당 에너지 손실의 비에 비례하는 것으로, 사이클은 광학 사이클, 즉 공진기 상에 혹은 공진기 내에 인가되는 광학 주파수이다)은, HCG가 알려진 바와 같이 최소 흡수 손실을 갖는다면 107 만큼 클 수 있다(Chang-Hasnain 참조). 또한, 대부분의 경우, HCG의 굴절률 대 주변 물질 굴절률의 비는 HCG의 효과를 준수하기 위해 대략 1.1이기만 하면 된다.
벌크 물질의 흡수 계수의 고 강화를 설명할 수 있는 HCG 효과는 단일의 혹은 다수의 HCG 층(혹은 단일의 마이크로구조화된 필라/홀 어레이 층)이 이의 공진 효과에 기인하여 및/또는 가변하는 마이크로구조화된 필라/홀 주기 간격에 기인하여, HCG/마이크로구조화된 필라-홀 어레이 내에서 공진하는 광학 신호가 표면에 수직이 아니라 HCG/마이크로구조화된 필라-홀 어레이의 평면 내에서 전파하게 지향될 수 있다는 것이다. 공진 및 평면내 전파와 더불어 이것은 HCG/마이크로구조화된 필라-홀 어레이 내에서 흡수 경로 길이를 크게 증가시킬 수 있다. 일부 실시예에 따라, 흡수 HCG 모드는 PD/APD에 있어선 리버스 전압 바이어스로 그리고 광전지 디바이스에선 봉입(built-in) 바이어스(제로로 인가된 바이어스)로 동작된다.
근-파장 및 또한 HCG 주기가 광 파장보다 훨씬 미만인 딥-파장의 현상과 HCG 주기가 광 파장보다 큰 회절 정황을 사용하여(Chang-Hasnain 참조), 마이크로구조화된 필라-홀-보이드 어레이는 벌크 흡수 계수에 비해 1.1배 만큼 내지 100 이상의 강화된 흡수 계수를 가질 수 있다.
일부 실시예에 따라, HCG 효과는 또한, 호모 혹은 헤테로접합, 결정질 혹은 비정질 혹은 이들의 임의의 조합일 수 있는 pn, pin, pinip 접합(p 및 n은 어떤 디바이스 구성들을 위해 바뀔 수 있다)의 리버스 바이어스 모드에서 동작되는 Si(400-1100 nm) 및 Ge(400 내지 1800 nm) 및 Si 상에 Ge 광다이오드 및 애벌런치 광다이오드의 양자 효율(QE) 및 동작 파장 범위를 개선하기 위해, Si 내 매설/내장된(완전히 매설되지 않은) Ge 마이크로구조 및 Ge 또는 Si 내에 매설/내장된 보이드 마이크로구조 모두에서, 흡수 모드 혹은 손실성 모드 혹은 1-10000의 낮은 Q(1,000,000보다 큰 고 Q 및 고 반사율을 달성하기 위해 비-흡수 모드 혹은 비-손실성 모드에 있는 기지의 HCG에 비해)에서 사용된다. 또한, 기판은 굴절률 또는 유효 굴절률 및 유전 상수 또는 유효 유전 상수(많은 보이드를 가진 유전체는 유효 유전 상수, 혹은 동등하게 유효 커패시턴스로서 표현될 수 있다)를 감소하기 위해 SOI 혹은 BOX 혹은 보이드 상에 있을 수 있다.
공지의 실리콘 광검출기는 1.1 eV의 간접 밴드갭에 기인하여 200 내지 1000 nm의 파장 범위로 제한되어졌다. 특히, 800-1000 nm의 밴드 갭 파장 근처에서, Gb/s 레이트의 변조된 광학 신호에 대한 실리콘 광검출기의 주파수 응답은 850 nm에서 대략 760 cm-1이고 각각 980 및 1000 nm에서 67 cm-1 및 63 cm-1인 이들 파장들에서의 약한 흡수 상수에 기인하여 -이는 물질의 긴 흡수 길이, 즉 30 마이크론 이상을 초래하여 PD/APD에 있어 낮은 주파수 응답을 초래한다-, 대략 1.5 Gb/s 혹은 미만으로 제한된다. 파장 850 nm은 이것이 단거리(몇 미터 내지 몇 킬로미터) 다중 모드 광섬유 데이터통신을 위한 표준 파장이기 때문에 중요하다.
흡수되는 입사 광자들의 량은 대략 η=1-e-αL에 의해 주어지며 η(또한 PD의 표면에서 벗어난 반사가 무시할 수 있다면 양자 효율)은 흡수된 량이고 "α"는 흡수 상수이고 "L"는 흡수체의 길이이다. 이 식과 850 nm에서 Si의 흡수 상수를 사용하면, 대략 30 ㎛의 깊이에서 입사 광자들의 90%가 흡수된다. 공지의 고속 광검출기는 전형적으로 대략 2 ㎛ 길이의 흡수 영역을 갖는다. 이에 대한 이유는 광다이오드의 주행 시간 및 RC 시간이 20 GHz(혹은 대략 30 Gb/s) 이상의 대역폭을 가지며 여전히 80-90% 혹은 더 나은 외부 양자 효율을 갖는 것으로 간주될 필요가 있기 때문이다.
효율 및 대역폭 (주행 및 RC 시간): 6ㆍ104 V/cm의 필드 강도에서, 전자 드리프트 속도는 300 K의 온도에서 1ㆍ107 cm/s이다. 주행 시간에 기인한 광검출기의 3 dB 대역폭은 f(3dB)=0.45/t(주행)에 의해 주어지며, t(주행)는 캐리어가 공핍된 고 필드 영역을 가로지르기 위한 주행 시간이다. 도 2는 PIN 광다이오드 구조의 전형적인 구조의 측면을 보여주는 단면도이다. PIN(200)의 P 영역(210) 내에서 발생되고 대부분이 "i" 영역(220) 내에서 발생되는 무시할 수 있는 광캐리어를 가정하면, 주행 시간은 전자 드리프트 속도 및 "d"(고 필드 "i" 영역)에 의해 결정된다. PIN(200)은 리버스 바이어스(예를 들면 -4 내지 -25V 사이)된다. "i" 영역(220)은 이 경우에 완전히 공핍된다. PIN 구조(200)의 RC 시간는 PIN(220)의 면적(πw2/4) 대 d의 비인 커패시턴스에 의해 결정된다.
종래의 기술에 따라, 850 nm 파장에서 Si에 있어 90% 흡수성을 달성하기 위한 30 ㎛ 두께의 흡수층("i")은 많은 현재의 응용에 대해선 너무 낮은 1.5 GHz(대략 2.2 Gb/s)의 주행 시간 제한된 3dB 대역폭을 줄 것이다. 많은 현재의 응용은 10-20 Gb/s 범위 내에 있고, 조만간 40 Gb/s이 된다. 30 Gb/s 이상의 대역폭을 주기 위해 광학 데이터콤 응용에서 현재의 고속 광다이오드에 대해선 2㎛ 이하의 d가 바람직하다.
RC 시간은 광다이오드(APD 및 PD 모두에 적용한다)에서 고려할 또 다른 시간이다. RC 시간에 기인한 3 dB 대역폭은 f(RC)= 1/(2πRC)에 의해 주어지며, C는 광다이오드의 커패시턴스이고 R은 전형적으로 50 오옴(및 때때로 25 오옴)인 부하 저항이다. "i" 영역이 리버스 바이어스에 의해 완전히 공핍되는 종래의 PIN 구조 광다이오드의 경우에 커패시턴스는 εA/d에 의해 주어지는 단지 병렬 플레이트 커패시턴스이며, ε는 Si에 있어선 11.9인 물질의 유전 상수(8.854ㆍ10-14 farads/cm의 진공 유전율로 곱한)이고, A는 커패시터의 면적(π(w/2)2)이고, d는 공핍된 "i"이다(본원에서는 i 및 I이 상호교환적으로 사용된다). f(RC)는 커패시턴스가 증가하는 d 및 고정된 면적에 따라 감소하기 때문에 d가 증가함에 따라 더 커지게 되고, 다이오드 직경은 예를 들면 30 ㎛이다(고 주파수 PD/APD의 직경은 5 내지 60㎛의 범위이다). RC 시간을 계산하기 위한 다이오드의 직경은 전체 커패시턴스에 기여할 수 있는 감광성 영역 및 임의의 금속화를 포함하는 다이오드의 총 용량성 영역이다.
광다이오드의 전체 주파수 대역폭은 주행 시간 및 RC 시간의 제곱의 합이다. 이것은 다음 식에 의해 주어진다.
f=1/(2π(RC)2 +(t/2.4)2)1/2).
도 3a 및 도 3b는 각각 "d" 마이크론에 대한 종래의 벌크 실리콘 광다이오드의 대역폭 및 QE을 보여주는 플롯이다. 도 3a 및 도 3b에서 플롯(310, 312)으로부터, 주행 시간 및 RC 시간과 양자 효율 η(무시할 수 있는 반사 손실을 가정하여)의 조합된 f(3dB)에 대해서, 벌크 실리콘이 10 Gb/s에 도달하기 위해 30 ㎛ 직경 PD에 대해 양자 효율(QE)은 대부분의 데이터콤 응용에 대해선 너무 낮은 40% 미만임을 알 수 있다.
일부 실시예에 따라, 밴드갭 근방에 방사 에너지를 가진 반도체 및 간접 밴드갭 반도체, 예를 들면 850-1100 nm에서 Si의 상대적으로 약한 흡수성을 극복하기 위해서, 화학기상증착(CVD) 혹은 금속 유기 화학기상증착(MOCVD), 원자층 증착(ALD), 분자 빔 에피택시(MBE)와 같은 종래의 방법에 의해 에피택셜로 성장되는 실리콘 내에 에칭되는 마이크로구조화된 어레이가 사용된다. 일부 실시예에 따라, 밴드갭을 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있는, 폴리머, 유리, 세라믹, 하이브리드 물질로서 예컨대 천이 금속 산화물, 하이드라이드, 클로라이드, 반도체가 내포된 황화물, 금속, 탄소 나노입자 및 또는 원자와 같은 비 반도체가 사용될 수 있다. 실리콘의 마이크로구조화된 어레이는 Si의 필라 및/또는 Si 내 홀로 구성된다. 실리콘 나노와이어의 정연한 어레이가 벌크 실리콘보다 73배 더 큰 입사 광학 방사의 광학 경로 길이를 증가시켰음을 실험적으로 실증하는 Garnett 및 Yang, Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells, Nano Lett. 2010, 10, 1082-1087(이하, "Garnett et al.")을 참조한다.
일부 실시예에 따라, 앞에 기술된 바와 같이, 유효 흡수 계수의 개념이 도입된다. Si 나노와이어의 정연한 어레이의 유효 흡수 계수는 벌크 실리콘의 73X이고; Si에 대한 벌크 α는 760 /cm이고 나노와이어 Si α는 직접 밴드갭 III-V 물질보다 높은 850nm에서 5.548 x 104/cm이다.
마이크로구조는 또한 촉매를 사용하거나 없이 VLS(에피택셜 성장된 기상 액체 고체) 나노와이어 혹은 마이크로와이어(일부 나노와이어는 직경과 같은 가장 큰 치수를 마이크론 범위 내에서 가지며, 따라서 마이크로와이어라 불리울 수 있다)와 같은 방법을 사용하거나, 혹은 선택적 영역 성장(SAG) 에피택시를 위한 유전체 마스크를 사용하여 에피택셜로 성장될 수 있음에 유의한다.
Garnett et al.에 기술된 나노와이어 어레이는 건식 에칭 마스크로서 530 nm의 비드(bead) 어레이를 사용하여 대략 390 nm의 나노와이어의 직경을 갖는다. Si 물질의 대략 1/2이 에칭되어 제거되고; 나노와이어 어레이에 대한 유효 커패시턴스는 벌크의 것보다 작다. 유효 커패시턴스는 2개의 병렬 커패시터들로서 추정될 수 있는데, 하나는 Si에 의한 것이고 또 다른 하나는 폴리이미드(필러)에 의한 것으로 이들의 유전 상수는 각각 11.9 및 3.4이다. 각 커패시터의 영역은 30 ㎛ 직경 병렬 플레이트의 것의 1/2이 될 것이다.
낮은 유효 커패시턴스에 대해서, 30 ㎛ 직경 디바이스에 대한 전체 3dB 대역폭은 현저히 크다. 도 4a-도 4d는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 Si 광검출기에 있어서 벌크 흡수 계수 대 대역폭 및 QE의 강화를 보여주는 그래프이다. 도 4a 및 도 4b는 단일 혹은 2중 통과로 PD/APD 상에 인가하는 850 nm 파장 광자에서 마이크로구조화된 Si 광다이오드(PD) 혹은 애벌런치 광다이오드(APD)의 대역폭(플롯(410)) 및 양자 효율(플롯(420))을 도시한 것이다. 벌크 흡수 계수(BAC)에 비해 73X(412), 30X(414) 혹은 15X(416)의 유효 흡수 계수(EAC)에 대해, 대역폭 및 QE은 예를 들어 30 마이크로미터 직경 PD/APD에 대해 각각 54 Gb/s, 98%; 49 Gb/s 90%, 28 Gb/s 90%이다. 도 4c 및 도 4d의 플롯(430, 440)에 도시된 110O nm에서, Si 마이크로구조화된 PD/APD을 사용하여 예를 들면 90%의 172X QE 및 26 Gb/s의 대역폭으로 강화가 달성될 수 있다. PD 및 APD 모두는 -2 내지 -50 볼트 범위의 리버스 바이어스에서 동작한다. APD는 일반적으로 APD의 추가된 증배층에 기인하여 동일한 기하구조에 대해 PD보다 적은 대역폭을 가질 것이다. 또한, APD는 게인-대역폭 곱을 갖는다. 간단히 하기 위해, APD 및 PD는 대략 동일한 것으로 보여졌다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 필라들 간 갭에 기인한 낮은 커패시턴스와 강화된 흡수와의 조합은 실리콘 광다이오드 및 애벌런치 광다이오드가 850 nm 파장에서 고 양자 효율(>90%)을 갖고 10 Gb/s보다 큰 대역폭에서 동작할 수 있게 한다. 이것은 이들 파장에서 종래의 실리콘 PD/APD에 의해 실증되지 않았다. 850 nm은 명목상 파장으로서 선택되나, 일부 실시예에 따라, 파장은 700 내지 1100 nm의 값들을 가질 수 있다.
일부 실시예에 따라, 광검출기 응용을 위해 벌크 내 약한 흡수가 이용될 수 있는데, 이것은 최소 광학 손실과, i-지역으로 확산하여 광검출기가 주파수 응답에서 저하가 될 수 있게 하는 것인 고 필드 영역 밖에서 최소 광전류를 갖고, 850 nm 및 더 긴 광이 Si 기판 및 에피택셜층을 통해 마이크로구조화된 실리콘 쪽으로 통과할 수 있게 할 것이기 때문이다.
일부 실시예에 따라, 본원에 기술된 기술은 다른 반도체, 폴리머, 유기 필름, 유리, 유전체, 하이브리드 물질로서 예컨대 유리, 유전체, 금속 나노입자가 내포된 폴리머, 반도체에 적용된다. 일부 실시예에 따라, 다음 중 하나 이상이 사용된다: Ge, III-V 물질 패밀리, 예컨대 InP, GaAs, GaN, InGaN; ZnSe와 같은 II-VI 물질 패밀리, 및 또한 헤테로구조 물질, 예컨대 Si 상에 성장된 III-V, Si 위에 성장된 Ge. 예를 들면, Si 위 Ge에 있어서, 마이크로구조는 흡수성을 증가시키기 위해 Ge 상에 제조되어 Ge의 더 짧은 길이가 사용될 수 있게 함으로써 더 낮은 유효 커패시턴스와 캐리어에 대한 더 짧은 주행 시간에 기인하여 더 고속이 되게 한다.
도 5a 및 도 5b는 일부 실시예에 따라 상부 조사 마이크로구조화된 PIN 실리콘 광다이오드의 측면을 보여주는 단면도이다. 도 5a는 출발 기본 물질 구조(500)를 도시한 것이다. 도 5b에서, 고속 고 효율 마이크로구조화된 광다이오드(520)를 위한 실리콘 에피택셜 구조가 도시되었다. 도 5b에 광다이오드(520)는 상부 조사를 위해 설계된다. 일부 실시예에 따라, BOX/SOI 층(504)은 사용되지 않을 수도 있다. 아래에 도 6a-도 6b는 하부 조사를 위한 예를 도시한 것이다. 약간 수정하여 n 및 p 도핑은 바뀔 수 있고 조사의 방향이 영향을 받을 수도 있음에 유의한다. 일부 실시예에 따라, 조사는 PD/APD의 표면에 수직하거나 표면에 수직에서 벗어난 각도일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 광학 신호가 광 도파관 내에서 안내되는 통합된 구조에서, 마이크로-구조화된 흡수 영역은 비스듬히(edge wise), 혹은 마이크로구조 안으로 직접 조사되거나, 혹은 마이크로구조화된 i 영역에 희미하게 결합될 수도 있다.
도 5b는 N 도핑되거나 저농도 도핑될 수 있는 -이 경우 직렬 저항을 최소화하기 위해 기판 상에 먼저 가외의 N+ 층이 성장된다- Si 기판(502) 상에 성장되는 P-I-N Si 층으로 구성되는 출발 물질(500)과 함께 실리콘 내에 마이크로구조화된 필라 및 또는 홀 PD(520)을 도시한다. 층들의 치수 및 도핑은 다음과 같은 범위일 수 있다; 5.1017/cm3보다 큰 N 도핑 및 대략 0.1 내지 10 마이크로미터 이상의 범위의 두께를 가진 N+ 캐소드 콘택층(506)(혹은 506과 508 사이에, 506의 위에 얇은 층); 5.1017/cm3보다 큰 N 도핑, 및 대략 0.1 내지 10 마이크로미터 이상의 범위의 두께를 가진 N 층(506); 응용에 따라 5 x 1016/cm3 미만의 배경 도핑 및 대략 0.1 내지 l5 마이크로미터 범위의 두께를 가진 I 고 필드 흡수 영역(508); 및 5. 1018/cm3보다 큰 P 도핑 및 대략 0.1 내지 5 마이크로미터 이상의 범위의 두께를 가진 P+ 애노드 층(510). PD(및 APD) 감광성 영역(P-I-N 혹은 P-I-P-I-N 접합 영역에 의해 정의되는)은 20 Gb/s 이상의 대역폭 동작을 위해 직경이 명목상으로 30 마이크로미터이다(10-80 마이크로미터 직경이 가능한 범위이다). 일부 실시예에 따라, 영역은 낮은 대역폭에 대해 더 크거나 더 큰 대역폭 동작을 위해 작을 수 있다. 랜덤하거나, 패터닝되거나 의사-랜덤할 수 있는 도 5b에 도시된 홀(522) 및/또는 필라(524) 어레이의 Si 마이크로구조는 300-1100 nm로부터의 파장들을 가진 광자를 검출하기 위해 Si의 벌크 흡수 계수를 강화하기 위한 것이다. 데이터콤 응용의 경우에, 일부 실시예에 따라, 광학 신호 파장은 750-1100 nm의 범위이다. 투명한 전도성 산화물 및 P-오믹 층(526) 또한 제공된다.
PD(520)는 -1 내지 -20 볼트 범위로 애노드(P-오믹 및 본드 콘택 금속(528)을 통해 P+ 층(510)) 상에 네커티브 전압 및 캐소드(N-오믹 본드 콘택 금속(530)을 가진 N+ 층(506)) 상에 포지티브 전압을 가진 리버스 바이어스 모드에서 동작된다. 일부 실시예에 따라, 도 5b(및 아래에 도 6b에서 PD 구조(620))에 도시된 PD 구조(520)는 또한 어떠한 임의의 바이어스 없이 광전지(PV) 동작을 위해 사용될 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 광학 신호는 표면에 수직하거나 수직에서 벗어난 각도로 인가할 수 있다. 어떤 경우에, 수직에서 벗어난 각도로 들어오는 광학 신호는 고 QE를 가질 수 있고 또한 표면에 수직한 축선에 관하여 어떤 회전에 있을 수 있다. 이것은 표면에 수직하여 이동하는 일부 광자가 볼드 스폿(bald spot)을 "볼" 수 있고 반면 표면에 수직에서 벗어난 각도로 조사하는 광자에 대해서 볼드 스폿이 다른 마이크로구조에 의해 가려지는 볼드 스폿 효과를 피하기 위한 것이다. 이것은 마이크로구조의 간격이 광 파장 혹은 서브-파장 정도이고 볼드 스폿이 중요한 문제가 아닌 니어 필드 옵틱스에선 그렇지 않다.
도 6a 및 도 6b는 일부 실시예에 따라 하부 조사 마이크로구조화된 NIP 실리콘 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다. 광학 신호는 기판측 혹은 하부로부터 광다이오드(620) 상에 인가된다. 기판(602)은 예를 들면 비아를 에칭하고 P 층에서 정지함으로써 10 마이크론 혹은 미만까지 얇아질 수 있고, 혹은 광다이오드는 BOX(매장된 산화물) 혹은 절연체 위 실리콘(SOI) 실리콘 웨이퍼 상에 제조될 수 있고, 에칭 비아는 실리콘층(606)까지 선택적으로 에칭될 수 있는 BOX 층(604)에서 정지할 수 있고, 비아(630)는 광다이오드(620)의 감광성 영역만큼 넓거나 더 넓다. 반사를 최소화하기 위해 실리콘 잔류 층(606) 혹은 BOX 층(604)(BOX 층(604)은 예를 들면 반반사 층의 부분으로서 설계될 수 있다)에 반반사 층(도시되지 않음)이 형성된다(BOX 층(604)은 다중 반사를 최소화하기 위해 반반사 층이 실리콘 P 층(606)에 형성될 수 있게 선택적으로 에칭으로 제거될 수 있다). 후방 조사 광다이오드(620)는 실제로 "I" 층(608)의 길이를 2배가 되게 하여, 제1 통과에서, 흡수되지 않은 임의의 광을 반사시키기 위해 N 층(610) 상에 반사체(626)가 형성될 수 있는 이점을 갖는다. QE는 가외의 길이에 기인하여 증가될 수 있다. 또한, N 층(610) 상에 반사체(626)는 마이크로구조(필라(624) 혹은 홀(622) 어레이)에 의한 흡수성을 최적화하여 광(광학 신호)을 스캐터링(비-반사적 혹은 확산된 반사)하기 위해 매끄럽게 텍스처될 수 있다. "I" 영역의 길이는 효과적으로 2배가 되기 때문에, 주행 시간은 "I"의 절반만이 필요하므로 효과적으로 감소될 수 있다.
도 6b에서 PD(620)와 같은 하부 조사 PD는 후방/기판 조사 PD라고도 하며, 도 5b에 PD(520)와 같은 상부 조사 PD은 전방/표면 조사 PD라고도 한다.
일부 실시예에 따라, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 마이크로구조화된 Si 광다이오드의 기본 구조는 (100) 방위 혹은 이외 다른 방위, 예컨대 (111)를 가진 N 형으로 도핑된 혹은 의도적으로 도핑되지 않은 혹은 저농도로 도핑된 N 형 Si 기판일 수 있는 실리콘 웨이퍼 상에 P-I-N 구조를 가진 에피택셜로 성장된 얇은 벌크 필름 실리콘으로부터 제조된다.
일부 실시예에 따라, 기본 층 구조(예컨대 도 5a의 구조(500)의 층들(502, 504, 506, 508, 510), 및 도 6a의 구조(600)에서 층들(602, 604, 606, 608, 610)은 모두가 다음 방법들 중 하나 이상을 사용하여 에피택셜로 성장된다: P 혹은 N 혹은 저농도로 도핑된 혹은 도핑되지 않은 Si 기판 혹은 BOX/SOI 기판 상에 화학기상증착(CVD), 금속 유기 화학기상증착(MOCVD), 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD), 분자 빔 에피택시(MBE), 원자층 증착(ALD), 펄스 레이저 증착(PLD).
처리 상세는 간단히 하기 위해 제외되었다. 일부 실시예에 따라 다음 기본 단계들이 수행된다: 첫 번째로 (필라를 위해서이고, 홀을 위해선 필요하지 않다), e-빔, 열적 혹은 스퍼터링 증착을 사용하여 p 오믹 콘택 금속 층을 증착하고; 두 번째로, 필라 혹은 홀의 마이크로구조 패턴을 포토리소그래픽적으로(혹은 임프린트 리소그래피) 정의하며 건식 혹은 습식 에칭을 위한 에칭 마스크를 형성하고; 세 번째로, 부분적으로 혹은 완전히 P 층 및 I 층 상에 마이크로구조 패턴의 에칭 및 N 층 안으로 확장할 수 있고; 네 번째로, 댕글링 본드 및 다른 표면 결함에 기인하여 표면 상태를 통해 광발생 캐리어의 표면 재결합을 최소화하기 위해 열 산화물로 마이크로구조 패턴(필라 혹은 홀)의 측벽을 패시베이트하고(Si 산화물 및 Si 질화물의 ALD(원자층 증착)와 같은 그외 다른 패시베이션 기술이 적용될 수도 있다); 다섯 번째로, 스핀 온 유리, 폴리이미드, 혹은 Si 산화물 및 Si 질화물과 같은 유전체의 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)를 사용한 평탄화(필러 단계); 여섯 번째로, P 층 혹은 P 오믹 금속층(폴리이미드 혹은 스핀-온-유리가 필라/마이크로구조들 사이의 홀 또는 공간을 부분적으로 채울 수 있다)을 노출시키 위한 에치 백; 일곱 번째로, P 층 및 N 층 상에 형성된 오믹 및/또는 본드 콘택. 마이크로구조 패턴이 제조되는 에피택셜 표면 상에 광학 신호가 진입하는 상부 조사 광검출기의 경우에, 모든 P 오믹 금속층(필라를 위한)을 연결하기 위해 투명한 전도성 산화물이 증착된다. 마이크로구조가 홀 또는 보이드인 경우에, 일부 실시예에 따라 투명한 전도성 산화물층은 사용되지 않는다. -1 내지 -20V의 전압 바이어스가 P 층(애노드)과 N 층(캐소드) 사이에 인가되고, 광다이오드는 "I" 층, 바람직하게는 전체 I 층을 가능한 하나의 많이 공핍시키 위해 리버스 바이어스 모드에서 동작된다.
도 7a 및 도 7b는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 애벌런치 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다. 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b에 도시된 Si 마이크로구조화된 광다이오드에서처럼, APD(720)을 위한 에피택셜층(700)이 먼저 성장되고 마이크로구조 처리가 이어진다. 마이크로구조화된 애벌런치 광다이오드(720)는 투명 금속 산화물 P 오믹 콘택(726)을 가진 상부로부터 조사될 수 있고(예를 들면 300-1100 nm으로), 혹은 P 오믹 콘택(726)은 2중 통과 흡수성을 갖기 위해 하부로부터 조사하는(예를 들면 950-1100 nm으로) 광자를 반사시키기 위해 미러일 수 있다. 2중 통과 흡수는 더 큰 주파수 응답을 위한 RC 시간 및 APD의 주행 시간을 크게 개선한다.
도 8은 일부 실시예에 따라 고속 고-효율 마이크로구조화된 APD를 위한 실리콘 에피택셜 구조를 도시한 단면도이다. 층(800)은 마이크로구조 처리에 앞서 도시되었다. 약간 수정하여, n 및 p 도핑은 바뀔 수 있고 조사의 방향 또한 영항을 받을 수 있다. N 실리콘 기판(802)(혹은 응용 및 패키징 고찰에 따라, 저농도로 도핑된 혹은 사파이어 위 실리콘 혹은 BOX /SOI 웨이퍼)으로 출발하여, N+ 층(804)(N 오믹 콘택층)은 대략 0.1 내지 10 ㎛ 범위의 층 두께를 갖고 1018cm-3(전형적으로 인)보다 큰 도핑 농도로 형성된다. 비-의도적으로 도핑된 층 "i"(806) 혹은 P-(매우 낮은 도핑 레벨의 P 층)은 APD의 게인 및 대역폭에 따라 대략 0.1 내지 2.0 ㎛ 범위의 두께를 갖고 5 x 1016cm-3 미만의 도핑 농도를 갖는다(이것은 APD의 증배 혹은 전자 게인 층이다). P 차지 층(808)은 근사적인 두께 0.05-0.2 ㎛ 및 2x1017cm-3보다 큰 도핑 농도를 갖고 성장된다. 흡수층(810)은 대략 0.1 내지 5 ㎛ 범위의 두께를 갖고 5x1019cm-3 미만의 도핑을 갖고 성장된다(P- 혹은 "i")("I" 및 "i"는 본원에서 상호교환적으로 사용된다). 마지막으로 P+ 콘택층(812)은 대략 0.1 내지 1.0 ㎛ 범위의 두께를 갖고 5x1019cm-3보다 큰 도핑을 갖고 성장된다. 일부 실시예에 따라, 모든 층들(800)은 CVD 혹은 MOCVD 반응기를 사용하여 에피택셜로 성장된다. 도핑 및 두께는 근사치이며 응용에 따라 조절된다.
Si APD의 최상의 노이즈 수행을 위해서, 광발생 전자는 증배 프로세스에서 우세해야 하는데; 즉 리버스 바이어스로 홀은 p(애노드)를 향하여 확산/드리프트하고 전자는 n(캐소드)를 향하여 확산/드리프트한다. Si 층(800)는 도핑된 또는 도핑되지 않은 기판 상에 화학기상증착, 플라즈마 강화 화학기상증착, 분자 빔 에피택시, 원자층 증착(도핑 및 계면 퀄리티에서 최적의 층 구조를 발생하기 위해 이들 방법들의 조합일 수 있다)을 사용하여 에피택셜로 성장된다. 전자가 주행하기 위한 총 길이는 대략 0.25 내지 7.2 마이크론의 범위이다. 이것은 예를 들면, 도시된 APD 층 구조(800)에 대한 총 1.1 ㎛에서, 흡수성을 위해 0.5 ㎛, 차지를 위해 0.1 ㎛, 증배를 위해 0.5 ㎛일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 더 큰 QE를 위해, 흡수 영역은 예를 들면 1.6 ㎛의 총 주행 길이에 대해 1 ㎛까지 길어질 수 있다. 이외 다른 층 두께 및 도핑 농도는 상이한 파장, CMOS과 통합, 응용 요건, 바이어스 전압, 게인 및 노이즈와 같은 동작 조건에 대해 디바이스 특징을 최적화하기 위해 조절될 수 있다.
또한, APD는 하부로부터 변조된 광학 신호로 조사될 수 있는데, 여기에서 BOX 혹은 SOI을 사용하는 경우, 기판의 벌크는 광학 손실을 최소화하기 위해 제거될 수 있고 이에 따라 강화된 흡수 마이크로구조화된 층 내 광자들의 2중 통과를 이용할 수 있다.
도 9a-도 9e는 일부 실시예에 따라 고속 APD를 위해 일부 기본 마이크로구조 처리 단계들을 도시한 일련의 단면도이다. 도 9a는 도 8에 관하여 기술된 바와 같은 고속 APD 에피 구조(800)를 도시한 것이다. 도 9b에서, PD 프로세스에서처럼, P-오믹 금속화 혹은 유전체 마스크(910)는 먼저 마이크로구조화된 필라를 위해 P 층(812) 상에 증착될 수 있다. 홀 및/또는 보이드의 경우에 이 단계는 수행되지 않을 수 있다. 건식 에칭 마스크(910)는 포토리소그래피, 금속/유전체 증착 기술 및 습식 건식 에칭을 사용하여 표면 상에 증착된다. 도 9c에서, 일부 실시예에 따라, Si의 화합물 및 산화를 사용하여 반응성 이온 에칭(RIE) 혹은 딥 반응성 이온 에칭(DRIE), 습식 에칭은 마이크로구조화된 필라(914)를 발생하기 위해 사용된다. 표면 패시베이션을 위한 자연 실리콘 산화물은 열 산화(일부 경우에서 바람직하다), 전기화학식 양극산화, 및/또는 플라즈마 강화 화학기상증착에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 필라(914)의 열 산화는 또한 산화물이 Si 물질로부터 생성되기 때문에 필라의 직경을 미세 조율하기 위해 사용될 수 있다. 열산화는 또한 전기적 특성에 유리한 표면을 매끄럽게 한다. 도 9d에서, 증착될 후속 콘택층을 지지하기 위해 Si 필라들(914) 사이에 공간을 채우거나 부분적으로 채우기 위해 필러(916)가 사용된다. 필러(916)는 스핀 온 유리, 폴리이미드, 예를 들면 플라즈마 강화 화학기상증착을 사용하여 증착될 수 있는 실리콘 질화물, 혹은 실리콘 산화물과 같은 유전체일 수 있다. 일단 콘택이 만들어지면 필러는 그자리에 남겨지거나 필러를 에찬트 혹은 솔벤트로 용해함으로써 제거될 수 있다. 필러를 제거하는 것은 공기가 1의 유전 상수를 갖기 때문에 디바이스의 커패시턴스를 더욱 감소시키는 이점을 갖는다. 커패시턴스의 감소는 디바이스가 RC 시간의 감소에 기인하여 더 큰 대역폭에서 동작할 수 있게 한다. 도 9e에서, 애노드 및 캐소드 오믹 콘택 금속화(922, 924, 926)가 만들어진다. 조사의 방향에 따라, 투명 전도성 산화물 TCO(932)(이를테면 인듐 주석 산화물(ITO))이 사용될 수 있다. 상부 조사의 경우에, 건식 에칭은 필라가 필러 내에 매설된다면 이들을 노출하기 위해 사용될 수 있다. 이어 TCO(932)은 팁 혹은 P 오믹 금속화(922)에서 P+ 실리콘 필라에 콘택하기 위해 사용될 수 있다. 이어 오믹 콘택 금속화는 통합 토폴로지에 따라 표면(924) 혹은 하부(926) 상에 캐소드 (N+) 층에 형성된다.
기판측(하부)으로부터 오는 광학 신호의 경우에, 웨이퍼는 얇아진다. 얇게 하는 것이 에칭에 의해 수행된다면, 이것은 산화물층이 에칭 정지층으로서 작용할 수 있게, 절연체 위 실리콘, SOI/BOX와 같은 매설된 이산화실리콘 층을 포함할 수 있다. 웨이퍼는 광학 신호가 Si 벌크 물질의 몇 마이크로미터를 횡단하기만 하면 되도록, 먼저 100 ㎛까지 화학 기계식 연마하고 이어 선택적으로 에칭되어 제거될 수 있는 산화물 층까지 비아 에칭을 하여 얇아질 수 있다. 반사 손실을 최소화하기 위해 Si 표면에 반-반사 코팅(930)이 형성된다. 오믹 금속화는 N+ 층에 형성되고 이어 본드 금속(924)이 형성된다. 마이크로구조화된 필라 상에 오믹 금속화가 P+ 팁(이것이 예비 단계에서 이미 형성되지 않는다면)에 형성되고 이어 본드 금속(922)이 형성된다. 일부 실시예에 따라, 광학 신호가 기판 표면(즉 하부)으로부터 진입하는 이점은 광이 바운스하여 필라 구조 내에서 2번 이동하고 이에 따라 양자 효율을 증가시킨다는 것이다. 일부 다른 실시예에 따라, 필라는 주행 시간을 개선하기 위해 더 짧아지게 할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 광학 신호는 또한 안내 모드에서 혹은 자유 공간에서 아래에 도 52에 도시된 바와 같이 에지로부터 진입할 수 있다. 에지 응용에서, TCO(932) 및 고체 애노드 오믹 콘택이 사용되지 않을 수 있고 웨이퍼를 얇아지게 하는 것이 수행되지 않을 수도 있다. 대신에 캐소드 오믹 콘택은 구조를 완성할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 에지 접근법에서, 필라는 광학 방사의 캡처를 최적화하기 위해 이들의 밀도가 균일하지 않게 되도록 배열된다. 예를 들면 광학 반사를 감소시키기 위해 V 패턴으로 배열될 수 있다.
APD(920)의 직경을 정의하기 위해 사용되는 메사 에칭 단계는 도 9a-도 9d에 도시되지 않았다. 일부 실시예에 따라, 이온 주입과 같은 다른 방법이 사용될 수도 있다. 마이크로구조 자체는 측방 방향으로가 아니라 수직 방향으로 전류의 양호한 구속을 제공함에 유의한다. 간단히 하기 위해 도시되지 않은 다른 공지된 처리 단계들은, 노출된 표면의 열 산화 패시베이션; 가드링을 추가; 웨이퍼를 얇아지게 함; 반-반사 코팅을 추가; 오믹 콘택의 어닐링; 및 필러의 제거를 위한 비아 홀 생성을 포함한다.
벌크 Si의 저 흡수 상수를 이용. III-V 물질로 만들어진 고속 광다이오드는 흔히, 디바이스의 주파수 응답에 저하를 야기할 수 있는 고 필드 영역 밖에 광발생 캐리어를 최소화하기 위해 PiN 구조의 i 층에서만 광캐리어가 발생되게 구성된다. 이것은 InP에 격자 정합되는 InGaAsP, InGaAs, InAs와 같은 많은 3원 및 4원 물질이 있고 이들 합금의 밴드갭은 P+ 애노드(812) 및 P 차지(808) 층이 대부분이 투명하고 i 층이 흡수하도록 조성을 변경함으로써 변할 수 있기 때문에 III-V 물질 내에서 쉽게 행해질 수 있다. 그러나, 실리콘에 격자 정합되는 물질이 없기 때문에 실리콘에 대해선 쉽지 않다. 게르마늄은 실리콘 상에, 그렇지만 격자 오정합을 수용하기 위해 버퍼층을 추가하여 성장될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 실리콘 내에서 이 문제를 극복하는 방법은 실리콘의 밴드갭 근방에 방사에서 실리콘의 저 흡수 상수를 이용하는 것이다. 일부 실시예에 따라, 웨이퍼는 SOI 구조의 절연체까지 얇아질 수 있고, 850 nm 광학 신호는 벌크 실리콘의 1-2 ㎛ 만을 횡단하여 대략 입사 방사의 대략 10% 혹은 미만을 잃을 것이다. 나머지 방사는 흡수가 아마도 공진 효과에 기인하여 더 강한 마이크로구조화된 필라 실리콘까지 계속된다. 일부 실시예에 따라, 필라의 형상은 원형, 난형, 장방형, 세브런, 6각형, 2중-원, 크레센트, 스타, 혹은 흡수 및 수집 효율을 최적화하기 위한 임의의 형상일 수 있다. 필라 직경은 50-1200 nm 범위이고(가장 작은 치수는 50일 수 있고 가장 큰 치수는 1200 nm), APD/PD 수행 및 응용을 최적화하기 위해 국부적으로 혹은 전역적으로, 균일하게 또는 비-균일하게 이격되거나, 주기적 또는 비주기적이거나, 처핑(chirped)되거나, 패턴일 수 있다. 필라의 간격은 20-2000 nm일 수 있다. 마이크로구조화된 필라는 실리콘 밴드갭에 근방의 특정 파장 예를 들면 850, 880, 980, 1000 nm에 대해 대역폭 및 효율을 위해 최적화되는 길이가 100 내지 10000 nm 일 수 있다.
일부 실시예에 따라, 단일의 PD/APD 내에 마이크로구조의 다수의 치수(구조 및 간격 모두)는 강화된 흡수 계수가 넓은 광학 스펙트럼에 걸쳐 있게 마이크로구조의 공진 대역폭을 넓힐 수 있다.
기판은 파장이 1100 nm(1.1 eV Si 간접 밴드갭)에 접근함에 따라 덜 흡수하게 된다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 필라/홀/보이드는 실리콘 기판의 표면에 수직하지 않은 방위를 가질 수 있다. 광학 신호의 지향성에 관하여 QE를 최적화하기 위해 수직에서 벗어난 혹은 다수의 방위 혹은 심지어 랜덤한 혹은 의사-랜덤한 다른 방위들이 가능하다. 마이크로구조의 다수의 및/또는 랜덤 혹은 의사 랜덤(pseudo random) 방위에서, 디바이스는 PV 응용에서 이익이 되는 광 조사의 방향에 덜 민감해진다. 어떤 응용에서, PD/APD의 안테나 유사 고 지향성은 예를 들면 다른 광학 신호 소스로부터 크로스토크를 피하거나 이의 QE를 더욱 개선하기 위해 바람직할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 필라 어레이 대신에, 마이크로구조화된 홀 어레이가 실리콘 내 광 트랩으로서 사용된다. 마이크로구조 홀 어레이는 마이크로구조화된 필라와 유사한 특성을 갖는다. 예를 들면 Lin et al, Optical absorptioin enhancement in silicon nanowire and nonohole arrays for photovoltaic applications, Next Generation (Nano) Photonic and Cell Technologies for Solcar Energy Conversion, edited by Loucas Tsakalakos, Proc. of SPIE Vol. 7772, 77721G (2010)을 참조한다. 일부 실시예에 따라, 본원에 기술된 바와 같이 마이크로구조화된 필라 어레이를 에칭하는 대신에, 마이크로구조화된 홀 어레이는 표면 패시베이션을 위한 열 산화, 전기적 격리를 위한 딥 이온 주입, 광학 필드의 구속 및 커패시턴스의 감소를 포함하여, RIE/DRIE 및 필라에 대한 유사한 처리를 사용하여 에칭된다. 홀 어레이의 경우에, 필러가 홀의 전체 길이를 확장할 필요가 없는 것이 가능하다. 예를 들면, 필러의 표면 장력이 크다면, 필러로 홀의 부분적 충전만이 가능하게 될 것이며 디바이스 구조를 완성하기 위해 필요할 수 있는 몇가지를 열거하면 TCO, 금속, 산화물, 실리사이드, 합금의 후속 층들에 대한 지지를 제공할 것이다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 홀의 경우에, 필러는 표면이 마이크로구조화된 필라의 경우에서와 같이 섬(island)들로 구성되지 않고 인접하기 때문에 PD/APD/PV 디바이스에서 사용되지 않는다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 홀은 50-3000 nm의 직경을 가질 수 있고, 50 nm에서 가장 작은 치수 내지 대략 3000 nm의 가장 큰 치수를 갖고, 정방형, 6각형, 난형, 장방형, 세브런, 2중-홀일 수 있다. 홀들(인접한 에지들) 간 간격은 규칙적이거나 또는 불규칙적이거나 20-2000 nm에 패턴일 수 있다. 홀의 깊이(또는 길이)는 100 내지 10000 nm일 수 있고, d는 균일한 깊이 또는 비-균일한 깊이일 수 있다. 치수는 특정 파장 및 응용을 위한 최적의 흡수, 양자 효율, 대역폭 및 방사 수집 효율을 위해 선택된다.
앞서 논의된 바와 같이, 이 발명의 흡수 정황에서 고 콘트라스트 그레이팅을 최적화하기 위해서, 마이크로구조화된 강화된 흡수 구조를 BOX 또는 SOI와 같은 저 굴절률의 물질 상에 갖는 것이 바람직할 수 있고, 이산화 실리콘 굴절률은 Si, Ge 또는 III-V/II-VI 물질의 것보다 낮다. 일부 실시예에 따라, 유효 굴절률은 기판 내에 보이드의 포함으로 마이크로구조의 굴절률보다 낮아지게 할 수 있다. 도 10a-도 10b는 일부 실시예에 따라 N-Si 내에 마이크로구조화된 보이드를 가진 상부 조사 마이크로구조화된 광다이오드, 애벌런치 광다이오드 및/또는 광전지(PV)의 측면을 도시한 단면도이다. 보이드는 기판 내에 혹은 이하 논의되는 바와 같이 흡수 계수를 강화하기 위한 마이크로구조로서 포함될 수 있다. Si, Ge, III-V 물질의 광학 스펙트럼에서 굴절률은 전형적으로, SOI와 같은 이산화 실리콘 및 볼륨이 물질의 50%인 보이드를 사용함으로써, 3-3.6의 범위이며, 굴절률 또는 유효 굴절률은 벌크 반도체의 것의 대략 0.5까지 감소될 수 있다. 보이드의 볼륨 대 물질(Si 예를 들면)의 비를 조절함으로써 유효 굴절률은 또한 벌크 물질의 것의 몇 퍼센트 내지 90% 이상까지 조절될 수 있다. 보이드는 예를 들어 공기, 가스 혹은 진공만이 아니라 유리와 같은 유전체, 폴리머, 유전체, 산화물, 또는 광학 및/또는 전기적 게인으로 광학적으로 및/또는 전기적으로 수동적 및 또는 능동적 수 있는 비정질 반도체가 되게 다른 물질로 채워질 수 있다.
도 10a는 기술된 바와 같이 N-Si 층(1006)의 굴절률을 효과적으로 감소시키는 마이크로구조화된 보이드(1008)를 내포하는 N-Si 층(1006)을 포함하는 층(1000)을 도시한다. 도 10b는 투명 전도성 산화물층(1026) 뿐만 아니라, 마이크로구조화된 필라(1024) 및/또는 홀(1022)을 포함하는 상부 조사 PD/APD/PV(1020)을 도시한다. 마이크로구조화된 보이드(1008)는 랜덤하거나 패터닝될 수 있다. 마이크로구조화된 보이드(1008)는 950-100 nm와 같은 손실이 낮은 파장에서 HCG 효과를 갖게 보이드(1008)가 패터닝된다면 광자를 흡수 "I" 영역으로 역으로 반사시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에 따라, BOX 기판 또는 SOI 기판은 또한 보이드와 함께 혹은 보이드 없이 혹은 BOX/SOI 없이 사용될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 본원에 기술된 마이크로구조화 기술은 헤테로에피택셜 물질(Si 상에 III-V, Si 상에 Ge, 또는 Si 상에 II-VI)에도 적용된다. Si보다 훨씬 작은 밴드갭을 갖는 Ge(300K에서 밴드갭 0.66 eV)은 850 및 1300 nm의 광학 신호를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 본원에 기술된 기술을 사용하여, Ge 디바이스는 또한 1550-1600 nm의 파장을 가진 광학 신호를 검출하게 만들어질 수 있어 III-V 물질 기반의 광검출기를 대체할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조는 나노/마이크로와이어로서 성장되거나 혹은 리소그래픽 마스킹을 사용하거나 없이 벌크 물질로부터 에칭된다.
얇은 Ge 필름은 Si 상에 에피택셜로 성장될 수 있다. 예를 들어 Kang et al, Epitaxially-grown Ge/Si avalanche photodiodes for 1.3㎛ light detection, 23 June 2008/Vol. 16, No. 13/OPTICS EXPRESS 9365(이하, "Kang et al.")을 참조하며, 여기에서 APD는 30 ㎛ 직경 디바이스를 위한 1310 nm 파장 동작을 위해 제조되었다. 1 ㎛ Ge 흡수 길이를 가진 디바이스의 QE는 단지 56%이며 반면 본원에 기술된 실시예에 따른 마이크로구조화된 필라/홀/보이드를 사용함으로써, 30 마이크로미터 직경 PD/APD에 대해 대략 30 Gb/s 이상의 대역폭을 갖고 1300-1600 nm 파장에서 대략 90% 이상의 QE가 달성될 수 있다. 이러한 디바이스는 데이터센터, 근거리 네트워크에서, 그리고 메트로 및 장거리 광학 데이터/전기통신에서 유용한 응용을 발견할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 실리콘 상에 통합이 사용되어 제작 및 패키징에 있어 현저한 비용 감소를 갖게 한다. 비교하여, Kang et al.에서, 30 ㎛ 직경 APD은 1310 nm에서 대략 15 Gb/s 대역폭에만 도달할 수 있었으며 대역폭에서 현저한 감소를 희생하지 않고는 벌크 물질의 저 흡수에 기인하여 파장을 확장할 수 없다.
도 11a 및 도 11b는 일부 실시예에 따라 Si 위 Ge의 헤테로에피택셜 APD 구조의 측면을 도시한 단면도이다. 층(1100) 및 APD 디바이스(1120)는 Si 위 Ge의 가능한 헤테로에피택셜 APD 구조를 보여준다(실리콘 만이 서로 상이한 도핑 농도들을 갖고 사용되는 호모에피택셜 APD/PD 구조의 앞에 설명과는 대조적으로). 마이크로구조화된 필라/홀 어레이를 제조하기 위해 호모에피택셜 Si APD에서와 유사한 처리 방법이 사용된다. 일부 실시예에 따라, 벌크 Ge의 흡수 상수는 70X 이상 만큼, 예를 들면 73-172X 만큼 강화된다. 일부 실시예에 따라, 30 Gb/s을 초과하는 대역폭을 가진 APD 및 PD는 1750 nm까지의 파장에서 30 ㎛ 이하의 능동적 직경과 대략 90% 이상의 QE를 가진 디바이스에서 달성될 수 있다. 이것은 기판의 표면에 수직하거나 수직에서 벗어난 조사로 기존의 Si 위 Ge APD에 비해 현저한 개선이다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 필라 및 홀(및 이들의 변형) 어레이는 Si, Ge, Si 위 Ge, Si 위 SiGe, Ge 위 SiGe 내에 제조될 수 있는데, 이것은 Si, Ge 및 SiGe의 임의의 조합일 수 있다.
더 긴 파장 1200-1800 nm에서, Ge가 0.66 eV의 밴드갭을 갖기 때문에(반면 Si는 1.1 eV의 밴드갭을 갖는다) Ge(게르마늄) 광다이오드가 흔히 사용된다. 그러나, 고 대역폭 응용(20 Gb/s 이상)에 있어서, 주행 시간이 대략 30 피코초가 되기 위해서(전자 포화 드리프트 속도는 대략 20 Gb/s(f(3dB)=0.44/t의 대역폭을 갖기 위해 1x104 V/cm에서 6x106cm/s이고 t는 "I" 영역을 통하는 주행 시간이다) 흡수 영역 또는 "I" 영역의 길이가 대략 2 마이크론으로 제한된다는 사실에 기인하여 Ge 광다이오드는 1350 nm에만 양호하다. 이 길이에서, 1550 및 1600 nm에서 QE는 10% 미만이고, 이것은 데이터콤 및 전기통신 응용을 위한 광학 수신기엔 일반적으로 수락될 수 없다. 도파로 구성에서, 흡수 영역의 길이는 50-100 마이크론일 수 있고 여전히 90% 이상인 QE를 갖고 20 Gb/s 또는 그 이상을 달성할 수 있다. Si 위 Ge 광다이오드 구조 도파로는 다른 연구 그룹에 의해 보고되어져 있는데 그러나 이러한 도파로 광다이오드는 3 dB 만큼 클 수 있거나 광학 신호의 절반이 손실되는 도파로 손실 및 커플링 손실(광 도파관에 광학 신호의 커플링)에 기인하여 과도한 광학 손실을 갖는다. 마이크로구조화된 광다이오드 및 애벌런치 광다이오드에 광학 신호의 "자유-공간" 커플링(광학 신호는 몇가지를 나열하면, 렌즈, 회절 요소들, 광 파이프, 광 도파관와 같은 요소들을 사용하여 PD/APD에 보내진다)은 훨씬 적은 광학 손실, 전형적으로 몇 퍼센트 이하를 갖는다. 이유 중 하나는 자신의 치수가 몇 마이크론, 전형적으로 1-2 마이크론인 도파로 광다이오드에 비해 직경이 30 마이크론인 마이크로구조화된 PD/APD의 큰 영역이다. 도파로 PD/APD는 커플링 손실이 클뿐만 아니라, 도파로 PD/APD 안으로 광학 신호의 커플링을 모니터하기 위해 도파로 PD/APD가 턴 온될 것을 요구하는 능동적 정렬을 흔히 사용한다. 이 능동적 정렬은 느리고 시간 소모적이어서 임의의 광학 수신기 모듈 내 도파로 PD/APD의 패키징에 비용을 추가한다. 반대로, 일부 실시예에 따라, 큰 영역 마이크로구조화된 PD/APD은 마이크로구조화된 PD/APD를 턴 온 함이 없이도 정렬되는 수동적 정렬만을 사용한다. 이러한 정렬은 훨씬 더 빠르고 쉬워 임의의 광학 수신기 모듈 내 마이크로구조화된 PD/APD의 비용을 감소시킨다. 10 내지 80% 이상 만큼 벌크 PD/APD보다 현저히 작은 마이크로구조화된 PD/APD의 유효 커패시턴스를 가져, 마이크로구조화된 PD/APD의 영역은 대응하여 100 내지 80% 이상만큼 더 클 수 있음에 유의한다.
도 11b에서, 하부 조사를 가진 마이크로구조화된 Si 위 Ge 필라/홀 APD 구조(1120)가 도시되었다. Si 위 Ge APD을 위한 에피택셜 층이 사용되는데 전자-홀 쌍을 발생하는 광학 흡수는 Ge 내에서 일어나며 전기적 차지된 캐리어의 게인/증배는 Si 내에서 일어난다. 에피택셜로 성장된 층은 다음의 층 조성 범위(도 11a에 도시된)를 가진 Si 위 Ge 벌크(얇은 필름) APD와 유사하다. N은 하부 조사를 위해 및/또는 굴절률을 감소시키기 위해 Si 기판을 제거할 수 있게 하는, SOI 또는 BOX일 수도 있는, 도핑되지 않은, 또는 저농도로 도핑된 (20 오옴-cm) Si 기판(1102)이다. SOI 기판 또는 BOX 기판이 사용된다면, N 오믹 콘택 및 본드 금속은 증배 I 영역에 인접한 N+-Si 표면 상에 있게 될 것이다. N+ 콘택층(1104)은 2-8 마이크론일 수 있고 N+ > 5.1018cm-3이다. I 증배층(또는 게인 층)(1106)은 도핑되지 않고(의도적으로 도핑되지 않은), 0.2-1.0 마이크론 두께이며, I < 1.1016 cm-3일 수 있다. P 차지 층(1108)은 0.05-0.2 마이크론의 두께 및 P ~ 1-6. 1017cm-3을 갖는다. P- 저온(low temp) Ge 버퍼층(1110)은 ~ 0.01-0.04 마이크론의 두께 및 P- ~ < 1.1016cm-3을 갖는다. I 또는 P- 흡수층(1112)은 0.2- 2.0 마이크론의 두께 및 I(또는 P) <1.1016cm-3을 갖는다. 마지막으로, P+ 콘택층(1114)은 0.05-0.2 마이크론의 두께 및 대략 P+ > 2.1020cm-3을 갖는다.
APD 동작을 위해 성장된 모든 층들(1100)을 가진 웨이퍼로 출발하므로, 처리 상세는 간단히 하기 위해 제외한다. 기본 단계는 먼저, e-빔, 열적 또는 스퍼터링 증착을 사용하여 p 오믹 콘택 금속층(1126)을 증착하는 단계를 수반한다. 필라 또는 홀의 마이크로구조 패턴은 포토리소그래픽적으로, 건식 또는 습식 에칭을 위한 에칭 마스크를 형성하기 위해 정의되는, 필라 또는 홀에 따라 포지티브 또는 네커티브 또는 이미지 반전 포토레지스트 방법을 사용한다. 일부 실시예에 따라 임프린트 리소그래피가 사용될 수 있다. 마이크로구조 패턴은 P Si 층(1108)까지 부분적으로 또는 완전히, 각각, P+ 및 I(또는 P-) 및 P Ge 층들(1114, 1112, 1110) 상에 에칭된다(예를 들면 RIE 및 DRIE을 사용한 선택적 건식 에칭을 위해, 불소, 염소, 브롬 기반 가스, 예컨대 SF6, CF4, BCl2, Cl2을 사용하여). Ge와 Si 간에 에칭의 선택도는 가스 혼합, 압력, 온도 및 바이어스, 및 파워를 조절함으로써 Si보다 70배 빠르게 에칭하기 위해 70 만큼 클 수 있다. 마이크로구조 패턴(필라 또는 홀)의 측벽은 유전체 또는 SiGe로 패시베이트되고 Si가 표면(예를 들면 원자층 증착 ALD을 사용하여) 상에 남아 있게 Ge 함량을 점차로 감소시키고, 이어서 댕글링 본드 및 이외 다른 표면 결함에 기인한 표면 상태를 통해 광발생 캐리어의 표면 재결합을 최소화하기 위해 열 산화를 사용한다. 일부 실시예에 따라, Si 산화물 및 Si 질화물의 ALD와 같은 다른 패시베이션 기술이 적용될 수도 있다. 평탄화는 스핀 온 유리, 폴리이미드, 또는 Si 산화물 및 Si 질화물과 같은 유전체의 PECVD 증착을 사용하여 수행된다. P 층을 노출시키기 위해 에치 백이 수행된다. 마이크로구조화된 홀 및 필라에 있어서, 필라들 사이에 홀들 및 공간을 부분적으로 채우기 위해 폴리이미드 또는 스핀-온-유리를 사용함으로써, 완전히 평탄화하는 것을 필요로 하지 않을 수 있다. 오믹 및/또는 본드 콘택은 P 층 및 N 층 상에 형성된다. 마이크로구조 패턴이 제조되는 에피택셜 표면 상에 광학 신호가 진입하는 상부 조사 광검출기에 있어서, 모든 P 오믹 금속층들(필라를 위한)을 연결하기 위해 투명 전도성 산화물(1126)(투명 전도성 산화물은 마이크로구조화된 홀의 경우에 사용되지 않을 수도 있다)이 증착된다. P+ Ge 층(1114)(애노드)와 N+ Si 층(1104)(캐소드) 사이에 -2 내지 -45V의 전압 바이어스가 인가된다. APD(1120)는 "I" 층 모두를 가능한 하나의 많이 공핍시키기 위해 리버스 바이어스 모드에서 동작된다. 몇가지를 나열하여, 예컨대, 어닐링, 표면 준비, 오믹 콘택의 증착, 본드 금속, RIE, DRIE, 습식 에칭, 에칭을 위한 마스크, 마스크 제거, 반반사 코팅, 마이크로구조화된 층 상에 브래그 반사체와 같은 미러의 상세한 처리는 기술하지 않는다. P 및 N 반도체에의 오믹 콘택 금속화 및 본드 금속화는 이 기술에 공지되어 있고 여기에서 상세는 언급되지 않는다. 또한, 홀은 차지된 전기적 캐리어로서 전자-홀 쌍에서 그리고 마이크로구조화된 홀과 같은 물리적 보이드에서와 같이 홀에서 사용된다. 맥락으로부터 "홀"이 차지된 전기적 입자를 언급하는지 아니면 물리적 보이드를 언급하는지는 이해될 것이다.
일부 실시예에 따라, 전기 전류가 흐를 수 있고 및/또는 전기 차지가 형성되는, 마이크로구조화된 필라 또는 홀의 Ge 표면 및 전기 필드에 노출된 임의의 Ge 표면은, 전류 누설를 감소시키기 위해서, 그리고 캐리어, 특히 전자 및 홀의 광발생 캐리어 및 2 단계로 형성되는 자연 Ge 옥시나이트라이드인 GeOxNy에 대한 잠재적 싱크 또는 재결합 중심일 수 있는 표면 상태를 최소화하기 위해, 패시베이트되는데(Si에서처럼, 과잉의 누설 전류 또는 광발생 캐리어에 대한 재결합 중심, 또는 캐리어 싱크를 야기할 수 있는 임의의 실리콘 표면을 패시베이트하기 위해 사용되는 Si02 및 SiOx을 생성하기 위한, 열 산화물 또는 급속 열 산화), Ge 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀은 급속 열 어닐러에서 먼저 산소에 그리고 이어서 암모니아 분위기에 노출되어 Ge 옥시나이트라이드 패시베이션층을 형성한다. 이들 패시베이션 방법은 이 기술에 공지되어 있다.
도 12는 일부 실시예에 따라 마이크로구조 상에 Ge 표면을 위한 패시베이션 방법의 측면을 도시한 단면도이다. PD 및/또는 APD를 위한 마이크로구조화된 Ge 필라(1202)(또는 홀)이 도시되었다. Ge 표면 상에는 SiGe 층(1210)이 콘포멀하게 에피택셜로 성장된다. 점차로, Ge 함량은 Si 만이 표면 상에 노출될 때까지 층(1210) 내에서 감소된다. 이어 노출된 Si 표면을 패시베이트하여 Si02 층(1212)을 형성하여, 누설 전류를 그리고 캐리어, 특히 QE를 열화시킬 수 있는 광발생 캐리어(전자 및 홀)에 대한 잠재적 싱크일 수 있는 표면 상태를 최소화하기 위해, Si의 열 산화가 사용된다.
도 13a 및 도 13b는 일부 실시예에 따라 Si 위 Ge에 기초한 광다이오드 및/또는 애벌런치 광다이오드에 대한 Ge 벌크 흡수 계수의 마이크로구조 강화의 효과를 도시한 그래프이다. 일부 실시예에 따라, 벌크 흡수 계수의 73x 강화는 1550 및 1600 nm에서 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 PD/APD 디바이스에서 얻어진다. 도 13a는 1550 nm(점 1310) 및 1600 nm(점 1312)에 대해 "d" 또는 "I" 층의 길이에 대한 대역폭을 도시한 것이다. APD는 Ge "I" 층 및 Si "I" 층 모두를 가지며 반면 PD에 대해선 Ge "I" 층만을 갖는 것에 유의한다. 도 13b는 1550 nm(점 1320) 및 1600 nm(점 1322)에 대해서 "d" 또는 "I" 층 길이에 대한 QE를 도시한 것이다. 30 마이크론 직경 활성 영역에 대해서 40 및 31 Gb/s의 PD/APD 대역폭은 90% QE을 갖고 각각 1550 nm 및 1600 nm 광 파장에서 얻어질 수 있음을 알 수 있다. 이 결과는 종래의 설계의 벌크 Ge 광다이오드 및 애벌런치 광다이오드로는 달성될 수 없었다.
광 발생 e-h(전자-홀) 쌍을 흡수하기 위해 Ge 마이크로구조를 사용하는 것과 캐리어, 바람직하게는 전자의 애벌런치 증배를 위해 Si을 사용하는 것의 분리는 증배 영역(인가된 리버스 바이어스 전압의 함수인 게인 영역)에 주입된 전자에 대한 이온화 비(홀 이온화 레이트/전자 이온화 레이트로서 정의된다)가 III-V 물질 패밀리에서보다 낮다는 사실에 기인하여 매우 적은 노이즈를 가진 APD을 갖게 한다. 낮은 과잉 노이즈 팩터에서 이 결과는 이점있게 고 신호 대 노이즈 비(S/N)에 이르게 한다.
도 14a-도 14b는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 상부-조사 Si 위 Ge 애벌런치 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다. 도 14a는 벌크층(1400)을 도시한다. 도 14b에서, 위에 기술된 바와 같이 Ge 마이크로구조화된 필라(1424)(홀(1422)) 상에 P-오믹을 연결하는 반투명 전도성 산화물(1426)을 가진 상부 조사 마이크로구조화된 Si 위 Ge APD(1420)가 도시되었다. 상부 및 하부 조사 마이크로구조화된 Si 위 Ge 모두는 유사한 에피택셜 구조를 공유한다. 상부 및 하부 조사 마이크로구조화된 APD를 위한 처리 단계들은 유사하다. 주 차이는 상부 조사 APD(혹은 PD)을 위한 투명 전도성 산화물이 광학 신호를 역으로 흡수 I 층 쪽으로 반사시키기 위한 미러로서 작용할 수 있는 불투명 오믹/본드 금속화로 대체된다는 것이다. 일부 실시예에 따라, 미러는 또한, 반사율을 광학 신호의 90% 이상까지 강화하기 위해서 마이크로구조에 웨이퍼 본드하거나 유전체 또는 전도성 금속 유전체와 같이 에피택셜로 또는 진공 증착되는 브래그 반사체로 구성될 수 있다. 또한, 하부 조사 PD/APD는 광학 신호의 파장에 따라 광학 손실을 감소시키기 위해 Si 기판 대부분이 제거되는 윈도우 또는 비아를 요구할 수 있다.
도 15a-도 15c는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 하부-조사 Si 위 Ge 애벌런치 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다. 도 15a는 마이크로구조(필라 및/또는 홀)을 형성하기 전에 벌크층(1500)을 도시한다. 도 15b는 1200-1800 nm로부터 파장에 대해 하부(기판측)으로부터 조사하는 광학 신호를 갖는 Si 위 Ge 마이크로구조화된 APD(1520)을 도시한다. Si는 이들 파장에서 기본적으로 투명함에 유의한다. 일부 실시예에 따라, 광학 손실을 더욱 감소시키기 위해서, Si 웨이퍼는 예를 들면 직경이 50-500 마이크론인 비아를 통해 조사의 영역에서만 얇아지고, Si의 N+ 층까지 얇아질 수 있거나, 혹은 Si 기판(1502)은 BOX 또는 SOI 층(1502)을 포함할 수 있다. 이어 Si 기판(1502)은 선택적으로 에칭으로 제거될 수 있는 BOX 또는 절연체 층(1502)까지 선택적으로 얇아질 수 있다. 일부 실시예에 따라, 반사를 최소화하기 위해 반반사층(도시되지 않음)이 추가될 수 있다. 이 배열의 이점은 광학 신호가 Ge P+ 층(1514) 상에 금속화(1526)로부터 반사되고 다시 한번 Ge "I" 흡수체 영역(1512)을 횡단하는 2중 바운스를 가질 것이라는 것이다. 예를 들면, 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 동일 흡수 길이, Ge "I" 길이를 유지하고, 1550 및 1600 nm 모두에 대해 QE는 무시할 수 있는 반사 손실을 가정하고 광학 신호에 의한 Si 기판측(하부) 조사에 대해 대략 90% 이상이 될 것이다. 일부 실시예에 따라, Ge "I" 흡수 길이는 대역폭을 증가시키면서도 여전히 수락가능한 QE을 유지하기 위해 더욱 짧아질 수 있다.
Si 상에 에피택셜로 성장된 Ge에 대해서, 벌크 흡수 계수는 Ge 벌크 자체(Si 상에 성장되지 않은)의 것보다 크며; 1750 nm에서 Si 위 Ge 흡수 계수는 대략 100 cm-1임이 알려져 있다. 일부 실시예에 따라, 이것은 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀에 의해 172 배만큼 강화될 수 있다. 결과적인 강화된 Si 위 Ge 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀 흡수 계수는 약 1.72. 104 cm-1일 수 있다.
도 15c는 커패시턴스 및 굴절률을 더욱 감소시키기 위해 마이크로구조가 줄곧 N 캐소드층(1506)까지 확장하는 APD(1540)을 도시한다. 이 경우에, 흡수 i 층(1512)은 차지 층(1510) 및 i 증배층(1508)과 같이 마이크로구조화된다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조는 또한 차지 층(1510) 및 증배층(1508) 내에 부분적으로 형성될 수 있도 있다. 또한, 일부 실시예에 따라, 흡수층(1512) 및 증배층(1508) 내 마이크로구조는 동일할 필요가 없다. 도 15d에서, 광자는 추가된 게인에 기여할 수 있지만 과잉 노이즈에도 기여할 수 있는 증배 영역 내 전자 홀 쌍을 발생할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조 APD을 사용한 흡수 및 증배 영역은 차지 층의 사용없이 하나의 영역 내에서 결합된다. 이것은 강화된 흡수에 기인하여 가능하며: 흡수 및 증배의 길이는 1마이크론 이하 정도여서 타당한 애벌런치 전압을 가능하게 한다.
도 15d는 일부 실시예에 따라 흡수 및 증배 영역이 단일 영역(1566), 필라 또는 홀인 마이크로구조화된 APD(1560)을 도시한 것이다. 이것은 대략 90% 이상의 QE를 달성하기 위해 흡수 마이크로구조 길이의 1마이크론 미만이 필요하고 애벌런치 증배 또한 물질의 이 길이에서 일어날 수 있도록 흡수 계수를 강화하는 마이크로구조에 의해 가능해진다. 예를 들면, 도 15d에 도시된 마이크로구조화된 Si의 0.5 ㎛가 층(1566)의 두께이라면, N 오믹 콘택 및 본드 금속화로부터 반사하는 광학 신호의 2중 바운스를 하게 하여 흡수 길이의 1 마이크론의 유효 길이가 되게 한다. Si APD(1560)는 0.5 ㎛ 증배 길이에서 동작하여 -5 내지 -50 볼트 범위의 리버스 바이어스로 3 dB 이상의 게인을 갖게 할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 도 15d에 도시된 구조는 Ge, Si 상에 Ge, III-V, 및 Si 상에 III-V 또는 Si 상에 없는 것과 같은 다른 물질 시스템에 적용될 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 일부 실시예에 따라 Si 위 Ge에 기초한 단일 통과 및 2중 통과 광다이오드 및/또는 애벌런치 광다이오드를 비교하는 그래프이다. 점(1610, 1620)은 대략 1.4 마이크론의 d로 단일 통과에 있어서 대역폭 및 QE 값을 보여주며, 점(1612, 1622)는 대략 0.7 마이크론 단일 통과의 더 얇은 d에 대해서 대역폭 및 QE 값을 보여준다. 2중 통과에 있어서 디바이스는 대역폭에 대해 점(1612)과 QE에 대해 점(1622)을 가질 것이다. 1750 nm 광학 신호 파장에서, Si 위 Ge에 대해 100/cm의 흡수 계수 데이터를 사용하고, 예를 들면, 마이크로구조화된 Si 위 Ge 광다이오드/애벌런치 광다이오드 구조에 기인한 172배(172X) 강화 팩터를 갖고, 27 Gb/s의 대역폭 및 대략 90% 만큼의 QE은 단일 통과(상부 조사되는 것으로, 여기에서 광학 신호는 상부 Ge 마이크로구조화된 측을 조사한다)에 있어 대략 1.4 마이크론의 "I"(또한 "d") 길이로 얻어질 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 광다이오드에 있어서 "I" 또는 "d"은 흡수 길이이고, 반면 애벌런치 광다이오드에 있어서 "I"는 조합된 흡수 길이 및 증배 길이이다. 예를 들어, APD가 27 Gb/s을 달성하기 위해서 총 "I" 길이는 1.4 마이크론으로 제한될 필요가 있다. 예를 들면 흡수 길이가 0.9 마이크론이고 증배가 0.5 마이크론이 되어 90% 이상의 QE을 달성하기 위해 흡수 길이가 효과적으로 1.8 마이크론이 되도록 2중 통과 배열이 사용될 수 있다. 그러나, 대신에 광학 신호를 하부 Si 기판측으로부터 조사하게 한다면, Si 기판 및 Si 층들은, 기본적으로 투명하며 예를 들어 1200-1800 nm 파장으로부터 방사에 대해 Si(1.1 eV 또는 300K에서 1127 nm 파장)의 밴드갭 미만인 광학 방사 에너지에서 최소 광학 손실(대략 1-3 dB/cm)을 갖는다. Si 기판측(하부)으로부터 조사하는 이점은 P+ 콘택층 상에 금속화가 Au, Al, Ag, Cr, Zn, Ti, Ta, Ge, 또는 이들 금속 및 반도체의 조합으로 구성되는 금속이기 때문에 반사성이라면 Ge "I" 흡수 영역에서 2중 통과를 가질 수 있다는 것이다. 산화물, 질화물, 클로라이드, 반도체, 마이크로구조에 본드되거나 마이크로구조 상에 증착된 웨이퍼로부터 교번하는 굴절률들을 가진 물질로 구성된 브래그 반사체가 탑재될 수도 있다. 반사율은 90%보다 클 수 있다. 도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이 2중 통과로 40 Gb/s의 대역폭은 대략 90% 이상 만큼의 QE과 함께 얻어질 수 있다.
도 17a-도 17b는 일부 실시예에 따라 700 내지 1800 nm 범위의 신호 파장을 가진 응용을 위해 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 상부-조사 Si 위 Ge 광다이오드 구조의 측면을 도시한 단면도이다. 도 17a는 벌크층(1700)을 도시한 것이다. 도 17b에서, Si 위 Ge 마이크로구조화된 필라(1724) 및/또는 홀(1722)은 광다이오드(1720)를 위한 구성으로 있다. 이것은 근본적으로 P-I-N 구조이며 "P" 및 "I"는 Si 상에 성장된 Ge의 벌크 흡수 계수를 강화하기 위해 마이크로구조화된 필라(1724) 및/또는 홀(1722)을 가진 Ge이다. Si 상에 성장된 Ge(Si 위 Ge)의 흡수 계수에 증가는 이것이 성장되는 Si 호스트 기판과의 격자 오정합에 기인하여 Ge 에피택셜 층 내 축적된 스트레스에 기인할 수도 있을 것이다. Si 위 Ge APD에 대한 경우에서처럼 광학 신호는 마이크로구조화된 측(도 17b에서처럼) 또는 기판측(도 18b에서처럼)으로부터 조사될 수 있다.
도 18a-도 18b은 일부 실시예에 따라 1200 내지 1800 nm 범위의 신호 파장을 가진 응용을 위한 마이크로구조화된 필라/홀을 갖는 하부- 조사 Si 위 Ge 광다이오드 구조의 측면을 도시한 단면도이다. 도 18a은 벌크층(1800)을 도시한다. 도 18b는 30OK에서 1.1 eV의 Si 밴드갭 미만인 광에너지를 가진 Si 기판측(하부 조사)으로부터의 신호 조사를 위해 구성된 광다이오드(1820)를 도시한 것이다. 대응하는 파장 범위은 1200 내지 1800nm이다. 오믹 콘택(1826)은 P Ge 상에 금속 콘택층이 광학 신호를 역으로 Ge "I" 흡수층 쪽으로 반사시킬 수 있는 Ge 흡수 마이크로구조의 2중 통과를 광이 행하게 미러로서 작용할 수 있다.
일부 실시예에 따라 P-I-N 구조의 모든 논의에서, P 및 N은 예컨대 P 기판 상에 혹은 저농도로 도핑된 P 기판 또는 도핑되지 않은 기판 상에 형성된 N-I-P 구조와 상호교환됨에 유의한다. 일부 실시예에 따라, APD 구조를 위한 N 및 P 또한 상호교환되고 기판은 P, 저농도로 도핑된 P 또는 도핑되지 않을 수 있다. 그러나, Si 증배층에서, 최저 노이즈 및 최상의 S/N을 달성하기 위해서, 전자의 이온화 레이트가 Si 내 홀의 이온화 레이트보다 크기 때문에 전자가 가능한 하나의 우세하게 증배 영역 안으로 주입되며; Si에 대한 이온화 비는 0.06 내지 0.002 범위일 수 있고 Ge 및 InGaAs와 비교했을 때 이것은 각각 0.9 및 0.45이다. 이것이, 본원에 기술된 대다수 실시예에서, 강화된 흡수가 Ge 마이크로구조에서 있고, 필드 강도에 따라서 기술된 디바이스에 대해 -10 내지 -60V 범위일 수 있는 인가된 리버스 바이어스 전압에 종속하는 게인 또는 증배가 Si 내에서 있는 이유이다.
일부 실시예에 따라, Si 및 Si 위 Ge 광다이오드(PD) 및 애벌런치 광다이오드(APD)를 위한 마이크로구조화된 필라 및 또는 홀은 상대적으로 고가인 III-V 광다이오드를 대체하기 위해 사용된다. Si 마이크로구조화된 필라 및 홀 PD/APD는 20 Gb/s 이상의 대역폭 및 90% 이상의 QE에서 500 내지 1100 nm에서 동작할 수 있다. 특히, 730-980 nm의 데이터콤 파장. Si PD 및 APD 상에 에피택셜로 성장된 Ge 상에 마이크로구조화된 필라 및 또는 홀은 20 Gb/s 이상의 대역폭 및 90% 이상의 QE로 500-1800 nm로부터 동작할 수 있다. 특히, 1250-1600 nm 및 아마도 1750 nm까지의 전기통신 파장. 이에 따라 본원에 기술된 기술은 종래의 Si 및 Si 위 Ge 자유 공간 결합 광다이오드 및 애벌런치 광다이오드의 파장, 대역폭 및 QE를 확장한다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 필라는 또한 Si 기판 상에 Ge 나노와이어의 VLS(기상-액체-고체 에피택시) 성장을 사용하여 제조될 수 있다. 이외는 화학기상증착(CVD) 혹은 금속 유기 화학기상증착(MOCVD)을 사용한 VLS 에피택셜 성장을 위한 촉매로서 Au 나노입자를 갖고, 예를 들면, Si (111) 방위 상에 수직 Ge 나노와이어의 성장을 실증하였다. (111) 이외의 결정 방위, 혹은 다결정질에서와 같이 다수의 방위를 가진 물질이 사용될 수도 있다. 몇가지를 나열하면 Si, Ge, III-V, 유리, 석영, 금속과 같은 물질이 기판으로서 사용될 수도 있다. 일부 실시예에 따라, Si (111) 기판 상에 대략 2nm의 얇은 Ge 버퍼층은 CVD 반응기에서 VLS 성장을 위한 촉매로서 Au 나노입자로 형성된다. Au 촉매는 Si 기판 상에 코팅되는 포토레지스트를 노출시키기 위해 리소그래피 마스크를 사용하여 증착될 수 있다. Au는 패터닝된 포토레지스트를 가진 Si 기판 상에 증발된다. 리프트-오프와 같은 표준 처리 방법을 사용하여, Au 패턴은 Si 기판 상에 남게 되고 이는 이어 Si 기판 상에 Ge VLS 성장을 위한 촉매가 된다. 일부 실시예에 따라, 이것은 CVD를 사용하여 Ge가 보이드 내에 성장할 수 있게 하는 보이드 패턴을 갖고 유전체 마스크가 Si 기판 상에 증착되는 선택적 영역 성장을 사용하여 성장될 수 있다.
벌크 광다이오드의 표면 상에 필라 및 홀의 마이크로구조는 벌크 물질(임의의 마이크로구조화된 특징도 없고 격자 오정합에 기인한 스트레스가 최소가 되도록 격자 정합된 기판 상에 성장된 물질)의 흡수 계수에 비해 10-200배 범위 만큼 흡수 계수를 강화할 뿐만 아니라, PD 및 APD와 같은 디바이스의 커패시턴스를 현저히 감소시킨다. 커패시턴스에 감소는 PD 또는 APD가 더 짧은 흡수 길이를 갖게 할 수 있어, 이에 따라 광발생 캐리어가 고 필드 영역으로부터 스위핑하는 주행 시간은 더 빨라지게 된다. 흡수 영역은 전형적으로 10,000 이상 V/cm에 접근하는 전기 필드 강도로 외부에서 인가되는 리버스 바이어스 전압에 의해 가능한 하나의 많이 공핍된다. 마이크로구조화된 필라 또는 홀이 실리콘에 대해 11.9의 유전 상수를 가지며 게르마늄이 16의 유전 상수를 갖는 반도체 물질의 절반 이상을 제거하여, 제거된 물질을 공기(1의 유전 상수) 또는 폴리이미드(3.5의 유전 상수) 혹은 저 유전 상수를 가진 그외 다른 유전체로 대체하게 될 수 있다면, 전체 커패시턴스는 반도체에 의해 점유되는 총 영역에 기인한 커패시턴스와 공기 또는 폴리이미드에 의해 점유되는 영역에 기인한 커패시턴스와의 합인 것으로 추정될 수 있다. C(총)=C(반도체)+C(공기 또는 폴리이미드)이며, C=εA/d이고 ε는 자유 공간 유전율(8.854 10-14 farads/cm)에 유전 상수를 곱한 것이고, A는 반도체 또는 공기/폴리이미드에 의해 점유된 영역이고, d는 APD에 대한 경우에서와 같이 흡수 영역 또는 흡수 및 증배 영역일 수 있는 "I" 영역의 길이이다. C(총)에 대한 식으로부터, 고 유전 상수를 갖는 더 많은 반도체 물질이 제거되고 공기/폴리이미드/SiOx 스핀 온 유리와 같은 저 유전체 물질로 대체될수록 전체 커패시턴스는 더 작아지고 RC 시간은 더 빨라진다. PD 및 APD 발명에 대한 커패시턴스의 이 감소는 III-V 물질의 것들과 같은 다른 PD 및 APD로 확장될 수 있고, 마이크로구조는 이의 표면 상에 제조되고 광학 신호 흡수 영역 안으로 확장하고 이를 지나 반도체 물질의 절반 이상을 제거하여 이의 커패시턴스를 감소시킬 수 있고, 효과적으로 더 큰 영역 PD/APD을 만들고 디바이스 상에 마이크로구조를 에칭하기 전과 동일한 대역폭을 가질 수 있다. 더 큰 영역은 광검출기에 광학 신호의 더 용이한 커플링을 가능하게 한다. 예를 들어 반도체 물질을 저 유전체 물질로 대체함으로써 반경에 증가를 위한 간단한 공식은 r=(ε1/((ε1-ε2)x+ε2)))1/2r0이며, x는 남은 반도체 영역의 부분이며, ε1는 반도체의 유전 상수이며, ε2는 공기 또는 폴리이미드 또는 스핀 온 유리와 같은 저 유전체 물질이며, r0는 마이크로구조화된 필라 및 또는 홀을 에칭하기 전에 PD/APD의 활성 영역의 반경이다. 예로서, ε1=16 및 간단히 하기 위해 ε2=1(공기) 및 x=.5(반도체 물질의 절반이 마이크로구조화된 필라 또는 홀 내에서 제거된다)를 가진 20 마이크론 직경 Ge 광다이오드에 있어서, 비-마이크로구조화된 Ge PD와 동일한 커패시턴스를 가진 새로운 반경에 증가는 13 마이크론 혹은 20 마이크론보다 현저히 큰 26 마이크론의 직경이며, 마이크로구조화된 큰 영역 광검출기 안으로 광학 신호를 커플링하는 비용을 현저히 감소시킬 수 있다. 이것은 광학 수신기 모듈의 수동적 패키징의 비용을 감소시키며 수율을 증가시킨다.
도 19a, 도 19b 및 도 19c는 일부 실시예에 따라 더 큰 영역 광다이오드가 동일 대역폭 및 QE을 갖고 제조될 수 있게 마이크로구조가 어떻게 광다이오드의 커패시턴스를 감소시킬 수 있는지를 도시한 도면이다. 도 19a는 InP-InGaAs-lnP 구조 내 벌크층(1900)을 도시한다. 도 19b에서, 마이크로구조화된 홀(1922)을 가진 InP-InGaAs-lnP 층은 더 큰 영역 광다이오드가 동일 대역폭 및 QE을 갖고 제조될 수 있게 광다이오드(1920)의 커패시턴스를 효과적으로 감소시킨다. 도 19c는 PD(1920)을 도시한 평면도이다. 마이크로구조화된 홀(1922)은 0.1 내지 3 마이크론의 깊이를 갖고 직경이 100-1000 nm일 수 있다. 또한 도 19c에서 콘택 링(1930) 및 본드 패드(1932)를 볼 수 있다. 일부 실시예에 따라, 상보 마이크로구조화된 필라가 제조될 수 있다. 일부 실시예에 따라, InP 및 InGaAs의 측벽은 SiOx, SiNx(ALD 또는 PECVD을 통해 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물), 폴리이미드 또는 표준 처리 방법을 사용하여 스핀될 수 있는 스핀-온-유리로 패시베이트될 수 있다. 벌크 물질의 흡수 계수는 2 자리수 이상의 크기까지 만큼 강화될 수 있다.
일부 실시예에 따라, InP, InGaAs, InGaAsP, InAs, InSb, GaSb, Si 위 InGaSb, Si 위 Ge와 같은 III-V 물질은 몇가지를 나열하면 Au, Cu, Al, Ti, W, Fe, Cr로 구성될 수 있는 촉매를 갖고 또는 없이 금속 유기 기상 에피택시를 사용한 부-마이크로미터 선택적 영역 성장(SAG) 또는 기상 액체 고체(VLS)(예를 들면 Sarkar et al, Heteroepitaxial growth dynamics of InP nanowires on silicon, Journal of Nanophotonics, Vol. 2, 021775 (12 February 2008); Roest, et al, Position-controlled epitaxial III-V nanowires on silicon, nanotechnology 17 (2006) S271-S275를 참조) 헤테로에피택시로 에피택셜로 성장된다. 또한, 실리콘 상에 성장된 수직 방위로 놓이는 마이크로와이어에 있어서, 표면 방위 (111)를 가진 웨이퍼가 선택된다. 마이크로와이어가 표면에 수직일 필요는 없으며 수직에서 벗어나고 심지어 방위들의 혼합을 가질 수 있다.
VLS 성장에서, 헤테로에피택셜 성장 바로 전에 APD 또는 PD를 위한 층 구조를 갖는 실리콘 웨이퍼는 10-5000 nm 범위의 애퍼처를 갖고 포토리소그래픽적으로(또는 e-빔 또는 나노임프린트 리소그래픽적으로) 패터닝되고, 10-3000 nm 사이로 이격된다. Au 증착 (e-빔, 또는 열 증발)이 0.1-10 nm의 두께로 이어지고 MOCVD 반응기 내에서 리프트-오프, VLS 에피택셜 성장이 이어진다.
SAG 성장(예를 들면 Chu et al, Wurtzite InP nanowire arrays grown by selective area MOCVD, Phys. Status Solidi C 7, No. 10, 2494-2497 (2010) 참조)에 있어서, (111) 방위의 Si 웨이퍼 상에 이 위에 헤테로에피택셜 성장에 대해 준비된 필요한 APD 또는 PD 에피택셜 층들과 함께 50 nm SiNx가 PECVD(혹은 스퍼터링 또는 ALD) 증착된다. 리소그래피(광, e-빔 또는 나노임프린트)를 사용하여 애퍼처가 10-5000 nm 범위의 치수로 정의되고 10-0000 nm 사이에서 이격거리를 가지며, 실리콘 표면까지 비아를 개방하게 건식 에칭(RIE)이 이어진다. 웨이퍼는 이어 MOCVD 반응기 내에서 Ge, III-V 마이크로와이어의 SAG에 대해 준비가 된다.
표면 처리, 표면 준비, 어닐링, 플라즈마 에칭과 같은 상세한 프로세스는 간단히 하기 위해 기술되지 않는다. 이들 프로세스는 문헌에서 찾아볼 수 있다.
도 19d 및 도 19e는 일부 실시예에 따라 P-I-N 실리콘 증배층 상에 성장된 III-V 흡수층을 가진 APD 디바이스를 제조하는 측면을 도시한 단면도이다. 도 19d에서, Si APD 구조(1940)는 III-V 물질의 v 에피택셜 성장을 위해 도시된 바와 같이 에칭된다. 도 19e에서, III-V 흡수층은 APD 디바이스(1960)를 위해 P-I-N 실리콘 증배층 상에 성장된다. PD 디바이스에 있어 Si 상에 III-V에서와 같이, III-V 나노와이어 또는 마이크로와이어는 촉매와 함께 또는 없이 VLS 프로세스를 사용하여 Si 상에 성장될 수 있다. Si 상에 나노/마이크로와이어의 풋프린트는 마이크론 정도이기 때문에, 격자 오정합으로부터 스트레스에 기인한 결함은 중요한 문제가 아니며 고 품질 III-V 나노/마이크로와이어는 Si 상에 성장될 수 있다. 일부 실시예에 따라, SAG는 Si 전자 게인 층 상에 III-V 마이크로구조를 제조하기 위해 사용된다.
도 19d 및 도 19e로부터, Si APD(1960) 상에 InGaAs는 홀 또는 필라의 마이크로구조가 차지 층(1944)까지 혹은 차지 층(1944) 바로 전까지 에칭되는 Si APD 구조(1940)로 출발함을 알 수 있다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조 홀 및/또는 필라는 증배층(1942) 안으로 에칭될 수 있다. 이어 프로세스, 예를 들면 Si 마이크로구조의 측벽 상에 실리콘 산화물과 함께 또는 없이 SAG를 사용하여, I-InGaAs이 성장되고, 표면에서 P-InGaAs로 끝난다. 표면 성장은 고 품질의 연속된 P-InGaAs 필름을 형성하기 위해 에피택셜 측방 과도성장(ELOG)와 같은 프로세스를 사용할 수 있다. P 오믹 합금 및 본드 금속(1966)이 형성되고 P-InGaAs 상에서 어닐링된다. 후면 처리는 예를 들면 선택적 에칭 정지를 위해 BOX 층을 사용하여 Si 웨이퍼를 얇아지게 하고 BOX 층을 제거하는 것으로 구성된다. 반사를 감소시키기 위해 후면 실리콘 상에 반반사가 코팅될 수 있다. N Si층 상에 N 오믹(1968)이 제조된다. 광학 신호는 하부로부터 조사된다. -5 내지 -50 볼트의 리버스 바이어스가 캐소드 및 애노드에 인가된다. 앞서 언급된 바와 같이, 10 제곱 마이크론 정도의 Si 마이크로구조 상에 InGaAs의 작은 풋프린트는 고 품질 InGaAs 물질이 성장될 수 있게 하며 결정 결함을 야기하는 격자 오정합은 문제되지 않는다.
일부 실시예에 따라, Si PD, PV(아래 도 25c 참조) 및 APD에 Ge, III-V의 통합은 성숙된 Si 전자 플랫폼 상에 Ge 및 III-V 물질의 흡수 스펙트럼을 가능하게 한다. 이것은 예를 들면 광검출기, 광학 광원으로서 예컨대 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD), 및 트랜지스터와 같은 III-V 전자장치를 위해 Si CMOS IC에 III-V의 통합을 가능하게 한다.
다수의 흡수 물질 및 마이크로구조로서 보이드. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀은 벌크 흡수 계수를 강화하기 위해 Si 및 Ge 모두 마이크로구조화되게 Ge으로 재성장된다. 일부 실시예에 따라, 보이드가 또한, 표면이 더 평탄해지게 매설/내장된 마이크로구조를 발생하기 위해 매설 또는 내장될 수 있다. 마이크로구조화된 보이드는 또한, 반사를 강화시키기 위해서 그리고 물질(예를 들면 Si)의 유효 굴절률을 감소시키기 위해서 패터닝됨으로써 흡수 계수를 강화하며, 디바이스의 무게를 감소시키고, 기계적 가요성을 증가시킬 수 있다. 마이크로구조화된 보이드는 랜덤하거나, 의사-랜덤하거나, 또는 전형적으로 대략 파장 또는 서브-파장 정도인 치수 및 간격을 갖고 패터닝될 수 있다. 일부 실시예에 따라, Ge를 Si와 결합하는 대신에, 이외 다른 조합들, 예를 들면 단일 흡수체에 비해 흡수 스펙트럼을 현저히 넓힐 수 있는, Si 또는 이외 다른 반도체 물질, 폴리머, 또는 이외 다른 비 반도체 흡수체와 함께 III-V이 사용될 수 있다.
나노와이어(예를 들면 Garnett et al, Light trapping in silicon nanowire solar cells, Nano Letters, 2010, 10, 082-1087; Kelzenberg et al, Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications, Nature Materials, vol. 9, March 2010, 239-244 참조) 및 나노홀(예를 들면 Lin et al, Optical absorption enhancement in silicon nanowire and nanohole arrays for photovoltaic applications, Proceeding of SPIE, Vol. 7772, 77721G-1, 2010 참조)을 사용한 강화가 다양한 그룹들에 의해 보고되어져 있다. 광 트랩을 위한 나노와이어의 공지된 사용은 광발생 캐리어가 제로 외부 바이어스를 갖고 DC(직류 전류)에서 동작하는 P-N 접합의 애노드 또는 캐소드로 확장하는 광전지 응용을 위한 것이다. 본원에 기술된, 대다수 실시예에 따라, 광발생 캐리어는 고 변조 대역폭(예를 들면 10 Gb/s 대역폭 이상의) 및 고 양자 효율을 위한 P-I-N 다이오드(PD)의 또는 P-I-P-I-N 다이오드(APD)를 고 전류 게인(예를 들면 3 dB 이상의 게인)을 위한 ADP를 위한 흡수 "i" 영역에서 외부 리버스 바이어스로 스위핑된다. 또한 일부의 실시예에 따라, 다수의 흡수 물질들은 흡수 스펙트럼을 넓히는 데 사용될 수 있다. 다수의 흡수 물질들은 전류원들로서 병렬로 연결되고, 반면 공지된 기술에서 흡수 물질들은 직렬로 연결된다. 또한, 본원에 기술된 대다수의 실시예에 따라 물질의 흡수성을 강화시키기 위해 마이크로구조로서 보이드의 사용은 표면이 더 평탄해질 수 있게 하고 또한 필러가 피해질 수 있어 처리를 단순화할 수 있게 한다. 또한, 더 평탄한 표면은 반도체 브래그 반사체의 에피택셜 성장이 PD/APD의 I 흡수층에서 2중 또는 다수의 통과 흡수성을 위한 반사를 강화시킬 수 있게 한다. 일부 실시예에 따라, 표면이 고농도로 N 또는 P 도핑될 수 있고 오믹 콘택은 링 오믹 콘택과 같이 주변 상에 만들어질 수 있고 유전체 브래그 반사체가 이하 도 29에 도시된 바와 같이 감광성 영역 상에 증착될 수 있기 때문에 유전체 브래그 반사체는 또한 더 평탄한 표면에서 사용될 수도 있다. 화학 기계식 연마(CMP)는 매설된 보이드를 가진 에피택셜 층의 표면을 매끄럽게 하기 위해 사용될 수 있다.
Si 마이크로구조 내 매설 또는 내장되는 마이크로구조화된 Ge을 가진 디바이스를 제조하는 또 다른 측면이 이제 기술될 것이다. 도 20은 일부 실시예에 따라 Si 마이크로구조 내 매설 또는 내장된 마이크로구조화된 Ge를 갖는 디바이스를 위한 최종의 P-Si 층이 없는 벌크층을 도시한다. 일부 실시예에 따라, 최종의 P-Si 층은 에피택셜 구조에서 성장되는 마지막 층이 될 것이며 여기에서 성장된 제1 층은 기판에 인접한 층이며, 이어 제1 층에 인접한 제2 층이 오고, 등등해서 성장된 마지막 층까지 이어진다. 도 20엔 모두 최종의 P-Si 층이 없는 P-I-N PD 구조(2000) 및 P-I-P-I-N APD 구조(2020)가 도시되었다. 본원에 기술된, 대다수의 실시예에서, N은 N(5.1016cm-3 내지 8.1017cm-3의 중간 N 형 도핑, 1.1017cm-3 미만의 저농도 N 도핑, 및 5.1017cm-3 이상의 고농도 N 도핑을 지칭할 수 있고, P 도핑에 대해서도 동일하다. I(또는 i) 도핑은 진성, 또는 의도적으로 도핑되지 않은, 또는 5.1016cm-3 미만의 저농도 도핑 배경 도핑으로서 일반적으로 정의된다. "I" 영역은 일반적으로 외부 리버스 바이어스를 갖고 P-I-N 접합의 필드가 "I" 영역에 걸쳐 전개되도록 구성된다. PD 및 APD 응용에서, 흡수 물질은 광발생 캐리어가 애노드 (P) 층 및 캐소드 (N) 층에 신속하게 스위핑될 수 있도록 "I" 영역 내에 있다. APD에 있어서, 캐리어(여기에 보인 대부분의 경우 전자이며 이것은 최저 노이즈 APD을 제공하기 때문이다)는 캐소드층으로 주행하기 전에 증배(전류 게인)를 위한 제2 "I" 영역으로 스위핑된다. 여기에 도면에는 P-I-N, P-I-P-I-N 구조가 도시되었고, 외부 회로에 콘택하는 상부 P 층(들)은 애노드라고 하고, 외부 회로에 접촉하는 N 층(들)은 캐소드라고 하며; 층은 PD 및 APD을 또한 제조하기 위해 P 또는 저농도 도핑 기판을 갖고 P에서 N으로 및 N에서 P로 상호교환될 수 있다.
도 21은 일부 실시예에 따라 Si 마이크로구조 내 매설 또는 내장된 마이크로구조화된 Ge을 갖는 디바이스를 위한 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀의 에칭을 도시한 단면도이다. 마이크로구조 필라(2104) 및/또는 홀(2102)은 부분적으로 또는 전체적으로 I-Si 층 내로, 또는 N(PD 구조) 또는 P(APD 구조) Si층까지/내로 에칭된다. 에칭 프로세스는 다음 중 하나일 수 있다: 습식 화학식 에칭, 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용한 건식 에칭, 딥 반응성 이온 에칭(DRIE), 이온 밀링, 및/또는 포커스 이온 빔 밀링. 에칭은 등방성 또는 이방성 또는 등방성과 이방성의 조합일 수 있다. 이하 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이 Ge는 등방성으로, 이방성으로, 또는 일부 실시예에선 측벽을 포함할 수 있는 Ge의 재성장이 요망되지 않는 영역을 SiOx, SiNx와 같은 유전체층이 커버하는 선택적 영역 성장(SAG)에 의해, 에칭된 영역(즉, 필라 둘레에 그리고 필라의 경우에 필라의 측벽 상에 영역, 또는 홀 내에 영역, 홀의 경우에 홀의 측벽) 내에서 재성장된다. SiOx, SiNx, SiCx와 같은 유전체 마스크 물질이 사용되고 에피택셜 성장 동안 그자리에 남겨진다면 에칭 동안, 에피택시층은 결정질 필름 내 유전체 마스크 상에 성장하지 않을 수 있고 사실상 비정질일 수 있고 몇몇 덴트라이트 이외의 유전체층 상에 성장하지 않을 수 있다. 등방성 또는 이방성 성장 레이트는 흔히 성장하고 있는 결정 평면에 달려있으며 임의의 에칭된 구조는 다수의 결정 평면들을 노출할 수 있어 3D 마이크로구조를 가진 에칭된 영역 내에 이방성 성장에 이르게 할 수 있는 이들 평면에서 서로 상이한 성장 레이트를 초래함에 유의한다.
Si 위 Ge의 성장은 문헌에 잘 기재되어 있는데 얇은 버퍼 Ge 층은 먼저 낮은 온도에서 에피택셜로 성장되고 화학기상증착(CVD), 분자 빔 에피택시(MBE), 원자 층 증착(ALD), 저 압력-CVD, 및 또는 성장 기술의 조합을 사용하여 고 온도 Ge 에피택셜 성장이 이어지는데, 예를 들면 얇은 Ge 버퍼층은 MBE에 의해 성장될 수 있고 고 품질의 두꺼운 Ge 필름은 CVD에 의해 성장될 수 있다. 얇은 Ge 버퍼층은 격자 오정합 스트레스가 Si와 Ge 사이에 수용될 수 있게 한다(예를 들면, Feng et al, High-speed Ge photodetector monolithically integrated with large cross-section silicon-on-insulator waveguide, APPLIED PHYSICS LETTERS 95, 261105, 2009를 참조한다).
Ge 재성장은 보이드 또는 비-평탄성을 가질 수 있으며, 유용한 경우, 표면은 화학 기계식 연마(CMP) 또는 에칭과 같은 연마를 사용하여 평탄화될 수 있다. 도 22는 일부 실시예에 따라 Ge "I" 층이 에칭된 영역 내에 성장되고 평탄화된 후에, Si 마이크로구조 내 매설 또는 내장되는 마이크로구조화된 Ge을 갖는 디바이스를 도시한 단면도이다. 일부 실시예에 따라, 평탄화는 필요하지 않고 생략됨에 유의한다. Ge "I" 층(2202)이 성장 및 평탄화된 후에, PD의 P-I-N 구조 및 APD의 P-I-P-I-N 구조를 완성하기 위해 P+ Ge 캡 층(2204)이 성장된다. 400 내지 1800 nm 범위의 파장을 가진 광학 신호 또는 광자는 애노드 (상부) 측 (P+ 측)(2202)으로부터 PD/APD(2220)을 조사할 수 있고, 950-1800의 파장 범위를 가진 광학 신호 또는 광자는 Si이 이들 파장에서 대부분이 비-흡수이기 때문에 기판측(하부)으로부터 된다. 일부 실시예에 따라, 기판측으로부터 조사하게 디바이스(2220)를 구성하는 것은 이것이 Si 내에 내장된 흡수 Ge 마이크로구조 내에 광학 신호 또는 광자들의 2중 바운스를 할 수 있게 할 것이기 때문에 이점이 있다. 이들 도면에는 기본적인 에피택셜층 구조만이 도시되었다. 간단히 하기 위해 도시되지 않은 구조 및 층은 몇가지를 나열하면 반-반사 코팅, 패시베이션, 오믹 금속, 본드 금속화, CMOS에 임의의 금속 상호연결, 전기적 연결성을 위한 비아, 다채널 광학 상호연결을 위한 PD/APD 어레이를 포함한다. 광학 신호/광자는 표면에 수직하여 혹은 최적의 PD/APD 수행을 위한 회전각을 포함하여, 수직에서 벗어난 임의의 각도로 조사할 수 있어, PD/APD의 QE 및 대역폭을 최적화한다.
도 23은 일부 실시예에 따라 I-Ge 재성장 및 평탄화, 및 P-Si의 캡 층 후에, Si 마이크로구조 내 매설 또는 내장된 마이크로구조화된 Ge를 갖는 디바이스를 도시한 단면도이다. 도 23의 경우에, 매설된 Ge 마이크로구조(2302)는 P+ Si 층(2304)으로 캡된다. Si P+ 캡 층(애노드)(2304)은 950-1800 nm의 광 파장에서 낮은 광학 손실을 가지며, 따라서 PD/APD(2320)의 주파수 응답 및 PD/APD의 QE를 열화되게 할 수 있는 최소 확산 광전류에 기여하는, PD/APD(2320)의 고 필드 "I" 영역 내에 있지 않은, 최소 광캐리어를 발생한다.
일부 실시예에 따라, 도 20-도 23에 도시된 매설 또는 내장된 Ge 및 캡 층에 대한 몇몇 치수 도핑 범위는 이제 더 상세히 제공되지 않을 것이다. 마이크로구조화된 Ge(예를 들면 2202 및/또는 2302)의 치수는 깊이가 0.1 내지 5 마이크로미터의 범위이고, 10-5000 nm의 측방 치수 범위, 및 5000 nm까지 콘택(중첩하는)에서 인접 마이크로구조 구조들(구조들은 동일하거나 동일하지 않을 수 있다) 사이에 간격을 가질 수 있다. Ge(2202 및/또는 2302) 및 Si(2104) 모두를 위한 "I" 도핑은 5.1016/cm3 이하이다. "I"는 흔히 진성 또는 의도적으로 도핑되지 않은 것이라 하며, p 또는 n 배경 도핑을 가질 수 있고, -2 내지 -45 볼트의 리버스 바이어스 전압이 이동성 홀 또는 전자(캐리어)의 "I" 영역을 완전히 공핍할 수 있는 도핑 레벨은 충분히 낮다. 캡 층, 즉 Si(2304) 또는 Ge(2204) 두께는 6.1017/cm3 이상의 도핑 레벨을 갖고 0.1 내지 5㎛의 범위일 수 있다. 이들 파라미터는 다른 값으로 조절될 수 있지만, 목적은 주어진 응용을 위해 PD/APD의 QE 및 대역폭을 증가 또는 최적화하는 것이다. 직렬 저항, 광발생 확산 전류, 오믹 콘택, 커패시턴스, 주행 시간, "I" 흡수 영역의 공핍은 모두가 PD/APD의 수행에 기여한다. 또한, 하부 기판측으로부터 조사하는 광학 신호에 대한 "I" 영역 내에서 2중/다중 바운스를 위해서, 서로 상이한 굴절률 또는 HCG의 교번하는 유전체층들로 구성된 브래그 반사체/미러와 같은 반사성 금속 또는 유전체 스택은 상부 애노드측에서 마이크로구조화된 흡수 영역 안으로 광학 신호를 역으로 반사시키기 위해 사용될 수 있다. 도 23에서와 같이 Si 캡 층을 갖고, Si는 1100-1800 nm(밴드갭 방사 미만)에서 최소 손실을 갖기 때문에, 광학 신호는 Si P+ 캡 층(애노드)(2304)을 조사할 수 있고, 이것은 또한 광을 역으로 흡수 영역 안으로 반사시키기 위해 Si NT 층 또는 Si 기판에 에피택셜로 성장된 브래그 반사체와 같은 반사체를 제공함으로써 마이크로구조화된 매설/내장된 Ge(2302) 내에서 광학 신호의 2중 바운스를 가질 수 있다.
일부 실시예에 따라, 여기에 마이크로구조화된 층의 모든 논의에서, 광은 직접적으로 또는 스캐터링, 니어 필드 효과, 간섭, 또는 공진으로부터, 마이크로구조의 양측 상에서 뿐만 아니라, 추가로, 상부 표면 및 하부 표면으로부터 인가할 수 있어, 광발생 캐리어가 고 필드 흡수 "I"("I") 층(들) 내에서 직접적으로 발생되기 때문에 마이크로구조화된 광센서의 QE를 현저히 개선할 수 있다.
일부 실시예에 따라, Si 및 Ge(4족 원소들)를 위한 도펀트 선택은 다음을 포함한다: (1) 5족 원소들 -안티몬, 인, 및 비소로부터 도너(n-유형)용으로, (2) 3족 원소들 - 보론, 알루미늄, 및 갈륨으로부터 어셉터(p-유형)용으로.
또한 도 23에 도시된 구조에서, Si(2104) 내 매설된 I-Ge 마이크로구조(2302)는 Ge보다 낮은 굴절률을 갖는 Si에 의해 완전히 둘러싸여짐에 유의한다. 1000-2000 nm 파장 범위에서, Si의 굴절률은 대략 3.49이고 Ge에 있어선 4.1이다. Ge/Si의 굴절률 비는 1.17이며 따라서, Chang-Hasnain 참조문헌에 따라 HCG 효과는 존재할 것이다. 흡수 Ge 마이크로구조에서 공진 및 필드 농도는 1X 이상 내지 몇 자리수의 크기 중 임의의 크기의 벌크 흡수 계수 값의 것으로부터 흡수 계수를 더욱 강화할 수 있다. 굴절률 차이는 또한 광이 이 예에서 Ge인 고 굴절률 물질 내에 구속 및 집중되게 하여 QE를 더욱 개선한다.
실리콘(Si) 마이크로구조는 300-1100 nm 범위의 파장을 가진 광자를 검출할 수 있고, 게르마늄(Ge) 마이크로구조는 300-1800 nm 범위의 파장을 가진 광자를 검출할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 고 대역폭 및 고 QE를 위해서, 더 짧은 파, 300-600 nm은 "I" 영역 밖에서 광캐리어를 발생할 수 있어, 비-최적의 대역폭 및 또는 QE를 초래할 수 있는 확산 전류를 야기한다. 대역폭이 문제가 아닌 경우, 열화는 거의 문제가 되지 않을 수 있다.
도 24a 및 도 24b는 일부 실시예에 따라 I-Si 마이크로구조 내 매설/내장된 I-Ge 흡수 마이크로구조를 가진 마이크로구조화된 APD의 측면을 도시한 단면도이다. 도 24a는 벌크층(2400)을 도시한다. 도 24b에서, 에칭된 필라(2424) 및/또는 홀(2422)은 I-Ge(진성-Ge, 의도적으로 도핑되지 않은 또는 도핑되지 않은 또는 저농도로 도핑된 Ge)으로 채워지며, APD(2420)의 애노드를 완성하기 위해 P+ Ge 또는 Si의 캡 층(2426)으로 종료된다. 마이크로구조화된 Ge(2422)는 Si(2412) 내에 매설/내장된다. 파장 950-1800 nm(또는 더 짧은 파장, 300-900 nm이 대역폭 만큼을 갖지 않을 수 있는 300-1800nm로부터의 광자)의 광학 신호는 수직에 대한 여러 각도로 및/또는 표면에 수직하여 상부 또는 하부으로부터 APD(2420)를 조사할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 에칭된 영역 안으로 I-Ge 재성장 전에 출발 층들은 앞에서 층(726)을 가진 도 7에 도시된 바와 같은 P+ Si 층(2426)을 포함할 수 있다. 도 24b에 도시된 경우에, 출발층은 I-Ge 재성장 동안 P 도펀트 확산을 최소화하기 위해 제거되었다. Si 마이크로구조 내 매설 또는 내장된 Ge 마이크로구조는 APD(또는 PD)(2420)이 두 정황에서 동작할 수 있게 한다. 제1 정황은 Si이 저 손실이고 Ge가 흡수 또는 고 손실(950-1800 nm)인 파장에 있다. 이 Si 저 손실 정황에서, Si P+ 애노드 캡 층(2426)을 가진 Ge 마이크로구조(2422)는 Ge보다 낮은 굴절률을 갖는 Si 내에 완전히 매설된다. Ge 마이크로구조 어레이는 대략 1 내지 3000 범위의 Q(혹은 다른 공진, 스캐터링, 니어 필드, 선형 및 비-선형 광학 효과) 또는 흡수 계수의 고 강화를 가진 HCG 저 Q를 가질 수 있다. 제2 정황은 Si 및 Ge 모두가 300-945 nm를 흡수하고 Si 마이크로구조(2424) 및 Ge 마이크로구조(2422) 모두가 병렬로 동작하여(병렬 전류 발생기) Si 및 Ge 둘다의 흡수 계수들의 향상을 갖고 광자를 흡수하는 정황이다. 이것은 예를 들면 광전지 응용에서 특히 이점이 있다.
도 25a-도 25c는 일부 실시예에 따라 Si 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀 어레이 내 매설/내장된 Ge 마이크로구조를 갖는 광다이오드의 측면을 도시한 단면도이다. P 층(2526)을 갖거나 없는 Si PD 에피택셜층 구조(2500)로 출발하여, 홀(2522) 및/또는 필라(2524)의 마이크로구조는 Si P 층(2526) 및 I 층(2512) 안으로 에칭되고 N 층(2510) 안으로 확장할 수 있다. Si 마이크로구조(2524)의 측벽 상에 실리콘 산화물을 갖거나 없이 SAG와 같은 프로세스를 사용하거나 촉매를 갖거나 없이 VLS와 같은 프로세스를 사용한 Ge(2522)(또는 III-V 물질, 예컨대 몇가지를 나열하면 InGaAs, InAs, InSb, GaN, InGaN)의 재성장으로, I-Ge 층(2522)이 성장되고, 이어 연속한 P-Ge 필름을 형성하기 위해 ELOG와 같은 프로세스가 사용될 수 있는 표면에 P Ge(2526)(혹은 상부 조사 디바이스에 더 적합할 수 있는 P-Si 층)이 성장된다. P 오믹 합금은 어닐링되고 이어 본드 금속화되어 애노드를 위한 콘택(2528)을 완성한다. 앞서 논의된 바와 같이 후면 처리는 반사를 감소시키기 위해 실리콘 표면 상에 증착된다. 예를 들면 실리콘이 얇아져 선택적으로 BOX 층까지 에칭되는 앞에 도 19a-도 19c를 참조한다. BOX 층은 선택적으로 에칭되고, 반반사 N 오믹 합금은 N-Si 층 상에 형성되고, 어닐링되고, 본드 금속화되어, 캐소드 콘택을 완성한다. -2 내지 -10 볼트의 리버스 바이어스가 고 대역폭 PD 응용을 위해 애노드와 캐소드 사이에 인가된다. PV 응용에서는 0 바이어스가 인가된다.
일부 실시예에 따라, 치수 및 도핑은 앞에 도 5a-도 5b에 도시된 Si 마이크로구조화된 PD와 유사하고, I-Ge 도핑 레벨은 5.1016cm-3 미만이며, 치수는 두께가 0.1 내지 5 마이크로미터의 범위이며, 마이크로구조의 측방 치수는 5000 nm 분리까지 터치/중첩할 수 있는 인접한 구조들과 함께 10 내지 5000 nm이다. 광학 신호/광자는 300-1800 nm의 파장 범위를 갖고 표면에 수직하거나 또는 회전도 포함할 수 있는 수직에 대한 각도로 애노드 상부 측 또는 캐소드 하부 측으로부터 조사할 수 있다. 하부 측 조사를 위해서, Si는 300-900 nm의 파장 범위에서 조사를 위해 몇 마이크로미터 두께까지 얇아진다. 간단히 하기 위해 기본층들만이 도시되었다. 예를 들어, 다음의 구조는 도시되지 않았다: 격리 메사 또는 확산 또는 이온 주입, 패시베이션, 반-반사, 오믹 금속, 가드링(예를 들면 APD을 위한). Si 마이크로구조 및 Ge 마이크로구조 모두는 모두 300-1100 nm을 흡수하는 파장에 대해 병렬로 신호/광자를 검출할 수 있고 Ge 마이크로구조만이 파장 범위 900-1800 nm에서 검출한다. 도 25b 및 도 25c에서 캡 층(2526 및 2546)는 각각 P+ Si 또는 P+ Ge일 수 있다. 10 Gb/s(초당 기가비트) 이상의 넓은 변조 대역폭(대역폭이라고도 함)에 대해서, P+ Si 캡 층은 950 내지 1800 nm 범위의 파장에서 Si가 낮은 광학 손실(저 손실이라고도 함)을 갖기 때문에 이들 파장에 바람직하다. 일부 실시예에 따라, 도 25b 및 도 25c에 도시된 구조는 또한 어떠한 외부 바이어스도 리버스 방향으로 의도적으로 인가되지 않는 광전지 응용을 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 도시된 모든 구조에 대해서, P 및 N은 예를 들면 PD 및 PV(광전지)을 위해 N-I-P 구조 및 APD을 위해 N-I-N-I-P 구조를 형성하기 위해 상호교환될 수 있다.
Si 내 Ge 마이크로구조의 재성장은 또한, 디바이스가 외부 리버스 바이어스 없이 동작되는 광전지 디바이스에서 응용을 갖는다. 예를 들어 Si 마이크로구조 내 내장된 또는 매설된 Ge 마이크로구조를 가진 P-I-N PD 구조는 태양 방사에 노출되는 Si 밴드갭 및 Ge 밴드갭인 두 밴드갭을 효과적으로 갖는다. 두 밴드갭의 조합은 광전지 디바이스의 흡수 스펙트럼을 넓히며 따라서 태양 에너지의 더 넓은 스펙트럼을 수집할 수 있다. 두 밴드갭은 단일 밴드갭 광전지 디바이스 또는 직렬로 연결된 다수의 디바이스들에 비해 더 높은 QE 및 또는 단락(short circuit) 전류를 가질 수 있다. 마이크로구조는 또한, 광전지 디바이스의 QE 및 또는 단락 전류를 더욱 개선할 수 있는 강화된 흡수성을 갖는다. 태양 스펙트럼이 AM 0 및 AM 1.0에 있고, 300-1800 nm의 스펙트럼 폭을 가진 광전지 디바이스에 있어서는 태양 스펙트럼의 적어도 대략 90%가 캡처된다. 또한, Ge 및 Si 마이크로구조를 가진 PV 디바이스에서는 종래의 PV에서와 같이 수직으로 인접(즉 직렬로)하지 않고 서로 측방으로 인접한다(즉 병렬로). 이것은 Si 및 Ge가 태양 광자에 똑같이 노출될 수 있게 하며, 부가적인 병렬 전류 발생기이다; ISi+ IGe = Itotal이며 Is는 Si 마이크로-구조에 의해 발생되는 광전류이고, IGe는 Ge 마이크로구조에 의해 발생되는 광전류이고, Itotal는 총 광전류이다.
일부 실시예에 따라 Si 및 Ge의 사용이 기술될지라도, 일부 다른 실시예에 따라, 다른 물질이 사용된다. 일부 실시예에 따라, Si는 InP 마이크로구조가 내장 또는 매설되어 사용된다. 일부 실시예에 따라, 몇가지를 나열하면 Si, Ge, InGaAs, InP, GaAS, GaN, InGaN, InSb와 같은 2 이상의 물질이 사용된다. 필라 및 홀 외에도, 마이크로구조는 벌크 흡수 계수에 비해 흡수 계수를 강화하기 위해 HCG의 효과를 사용하여 QE를 더 개선하고 제작 비용을 감소시키기 위해 물질의 사용을 최소화하기 위해 내장 및 또는 매설될 수 있다.
도 25c는 실리콘 마이크로구조 내에 몇가지를 나열하면, 성장된 Ge, InP, InGaAs을 도시한 단면도이다. SAG는 마이크로구조의 측벽이 산화되거나 콘포멀 유전체로 코팅되는 경우 및 Ge, InP, InGaAs 마이크로구조의 성장에 대한 결정질 정보를 제공할 수 있는 실리콘 기판에 대략 병렬인 마이크로구조 표면의 하부에서 산화물/유전체가 제거되는 경우 사용될 수 있다. 몇가지를 나열하면, VLS, MOCVD, CVD와 같은 다양한 성장 방법을 사용하여 Ge, InP, InGaAs가 촉매와 함께 혹은 없이 에피택셜로 성장할 영역은 대략 100 제곱 마이크론 이하이며, 더 전형적으로 대략 0.3-3 제곱 마이크론이다. 작은 영역 때문에, 격자 오정합에 기인한 결정질 결함은 문제되지 않는다. 열적으로 성장되거나 ALD를 사용하여 증착될 수 있는 이산화 실리콘을 가진 측벽은 Si과 Ge, InP, InGaAs SAG 성장된 층 간에 전기적 절연을 제공한다. SAG 성장은 Ge 또는 InP 또는 InGaAs(몇가지를 나열하면)이 실리콘 마이크로구조 위에서 합체할 수 있을 때까지 계속될 수 있고, 측방 과도성장(LOG) 에피택셜 프로세스로, Ge 또는 InP 또는 InGaAs의 마이크로구조는 애노드 층을 위해 P 형으로 도핑될 수 있는 연속한 얇은 에피택셜 필름 층을 형성할 수 있음에 유의한다.
도 25d 및 도 25e는 일부 실시예에 따라 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)와 같은 순방향 바이어스된 디바이스의 측면을 도시한 단면도이다. VCSEL(2562)는 또한, PD, PV 및/또는 APD를 위해 위에 기술된 바와 같이 유사한 처리를 사용하여 제조될 수 있다. Si PIN 구조(2562)로 출발하여, Si 마이크로구조 홀(들)(2564)은 I-Si 층(2566)을 통해 N-Si 층(2568)까지 에칭된다. 일부 실시예에 따라, 홀(2564)의 에칭은 N-Si 층(2568) 안으로 확장할 수 있다. Si 마이크로구조 측벽(산화물(2570)이 도시되었다) 상에 실리콘 산화물을 갖거나 없이 SAG 프로세스가 이어진다. 먼저, 모두 N 형인 GaAs/AlGaAs 분산 브래그 반사체(2572)(DBR)가 성장되고, 이어 N-GaAs(2574)이 형성되며 활성 층(2576)은 1-5 웰의 도핑되지 않은 InGaAs/GaAs 다수의 양자웰(MQW)이고, 표면에 P-GaAs(2578)이 이어지고 I-Si(2566)의 표면에 연속된 필름을 형성할 수 있는 ELOG을 사용한다. P-GaAs(2580) 상에 유전체 DBR(2582)은 광학 공동을 완성한다. P-GaAs(2580) 상에 어닐링 및 본드 금속(2584)을 가진 P 오믹 합금은 애노드 콘택을 완성하며, N-Si(2568) 상에 어닐링 및 본드 금속(2582)을 가진 N 오믹 합금은 캐소드 콘택을 완성한다. 애노드 및 캐소드에 1 내지 20 볼트의 순방향 바이어스는 VCSEL(2560)로부터 방출될 1200-1300 nm 광을 초래할 것이다.
1200-1300 nm 및 다른 파장에서 VCSEL의 설계 및 성장은 공지되어 있다. 예를 들면 "High-performance 1200-nm InGaAs and 1300-nm InGaAsN quantum-well lasers by metalorganic chemical vapor deposition", Tansu et el; Selected Topics in Quantum electronics, IEEE Journal of (Volume: 9, Issue: 5), 2003을 참조한다.
일부 실시예에 따라, 더 긴 파장은 1000 nm 보다 긴 파장들에서 실리콘은 대부분이 투명하고 과도한 추가의 광학 손실을 유발하지 않기 때문에 InGaAs, InGaAsN 및 다른 III-V 물질을 내포할 때 선택된다. 따라서, Si는 VCSEL(2560)을 위한 양호한 열 싱크이다. 일부 실시예에 따라, GaAs/AlGaAs DBR(2572)는 Si 웨이퍼를 얇아지게 하고 BOX 층까지 에칭하여 BOX 층을 제거하고 유전체 DBR을 증착함으로써 하부 상에 실리콘/공기 또는 유전체 DBR로 대체된다. DBR, 유전체 및 반도체의 설계는 공지되어 있다. 실리콘/공기 DBR는 나중에 에칭 트렌치를 통해 선택적으로 에칭되어 제거될 수 있는 Ge와 같은 희생층을 사용하여, 추가의 처리를 요구할 것이다.
일부 실시예에 따라, DBR을 제거하고 다수의 Si 마이크로구조를 추가하는 것을 포함한 약간의 변형을 적용함으로써 LED가 제조된다. LED는 MQW 또는 예를 들면 P-GaAs/I-InGaAs/N-GaAs의 단순한 헤테로접합만을 사용할 수 있다. 몇가지를 나열하면 InGaAsN, InGaAsP, GaAsN와 같은 다른 반도체가 사용될 수도 있다. 기판은 사파이어, SOI, Si 위 절연체(IOS), 세라믹, 유리, 석영, GaN, 결정질 또는 비-결정질과 같은 또다른 물질일 수 있다. 또한, GaN, AlGaN, GaInN, AlN와 같은 청색/UV LED을 위한 다른 물질은 에피택셜 반응기 및 위에 기술된 제조의 방법을 사용하여 성장될 수 있다.
일부 실시예에 따라, Si 또는 Si 위 Ge 또는 Ge 내에 매설 또는 내장되는 보이드가 형성된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "매장된"은 보이드가 표면 밑에 있을 때 경우를 지칭하며, "내장된"은 보이드가 교차하거나 약간 표면 위에 있을 수 있을 때의 경우를 지칭한다. 위에 기술된 바와 같이, 필라 및/또는 홀 어레이를 가진 마이크로구조화된 Si 상에 Ge의 재성장 동안, 보이드는 에피택셜 성장 동안 성장 레이트가 흔히 표면의 결정 방위에 의존한다는 사실에 기인하여 발생할 수 있다. Si 내에 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀을 에칭하는 것은 측벽의 서로 상이한 표면 방위를 노출할 수 있기 때문에, 이들 서로 상이한 Si 표면 방위 상에 Ge의 비대칭적 성장 레이트는 보이드가 형성될 수 있게 한다. 일부 실시예에 따라, 보이드 형성은 1 내지 몇 자리수의 크기 만큼 벌크 필름 흡수 계수를 강화하기 위해, HCG로서 및 또는 광학 필드(진폭 및 위상)의 간섭, 스캐터링, 니어 필드, 선형 및 비-선형 광학 효과를 통해 광학 필드 및/또는 공진을 집중시켜 광 트랩 구조로서 행동할 수 있는 매설된 및/또는 내장된 마이크로구조화된 보이드 어레이를 발생하기 위해 활용된다. 또한, 보이드는 광학 필드가 평균 또는 유효 굴절률을 접하기 때문에 물질(예를 들면 보이드를 가진 Si)의 유효 굴절률을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 파장 또는 그 미만 정도의 치수에서, 예를 들면, 보이드 및 Si의 굴절률은 Si에 의해 점유되는 볼륨 및 보이드에 의해 점유되는 볼륨의 평균인 유효 굴절률로 근사화될 수 있다. 예를 들면, Si이 1/2의 볼륨을 점유하고 보이드가 1/2의 볼륨을 점유하면, Si 굴절률은 3.49이 되고, 보이드는 1.0(공기에 대해서)이 되고, 평균 유효 굴절률은 대략 2.25이 된다.
보이드는 또한 앞에 논의된 바와 같이 보이드가 "I" 영역에서 발생된다면 디바이스의 커패시턴스를 감소시키며; 마이크로구조화된 필라 또는 마이크로구조화된 홀 간 공간은 P-I-N PD 다이오드 또는 P-I-P-I-N APD 다이오드의 커패시턴스를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에 따라 보이드는 매설된(매장된 홀) 또는 내장된(필라들 사이의 공간)되고, 총 커패시턴스는 대략 보이드에 의해 점유되는 총 영역에 반도체에 의해 점유되는 총 영역의 커패시턴스를 더한 커패시턴스이다. 보이드가 "I" 층(즉 두께의 점유 부분만)의 전체 두께를 점유하지 않는 경우에, 유효 유전 상수는 "I" 층의 두께를 통해 확장하는 보이드 및 반도체 모두를 내포하는 볼륨, 보이드의 볼륨, 및 주어진 볼륨 내 반도체의 볼륨를 고려함으로써 추정될 수 있는데; 예를 들면 보이드가 "I" 층의 두께의 주어진 볼륨의 1/2을 점유하고 반도체 물질이 1/2을 점유하고, 반도체 물질이 11.9의 유전 상수를 가진 Si이라면, 평균 유효 유전 상수는 대략 6.5이고, 보이드는 이 주어진 볼륨에 대해 1의 유전 상수를 가진 공기인 것으로 가정된다. 보이드 및 반도체 물질 모두로 구성되는, 이 유효 유전 상수에 의해 점유되는 총 영역은 "I" 영역 내 반도체에 의해서만 점유되는 영역을 더하여 커패시턴스 계산에서 사용되어 P-I-N 또는 P-I-P-I-N 다이오드의 총 커패시턴스를 준다. 커패시턴스의 감소는 PD 및 APD의 대역폭을 개선하는 다이오드에 대한 RC 시간 상수가 감소되게 한다.
반도체 물질 내 매설된 보이드가 알려질지라도, 이러한 보이드는 통상적으로 유해한 것으로 간주되며, 따라서 회피되어야 한다. 일부 실시예에 따라, 이러한 보이드는 의도적으로 생성되고 반도체 물질 내 유용한 특징을 형성한다.
도 26은 일부 실시예에 따라 마이크로구조된 보이드가 제조되는 출발 에피택셜 층을 도시한 단면도이다. PD 내 보이드를 발생하기 위해, PV 및 APD 구조는 구조(2600)로 출발한다. 출발 물질은 Si P+ 애노드층을 가진 혹은 없는 Si PD 또는 APD 구조일 수 있다. 층의 상세는 간단히 하기 위해 도시되지 않았다.
도 27은 일부 실시예에 따라 I-Si 층 내에 에칭된 마이크로구조화된 홀/필라를 도시한 단면도이다. 마이크로구조화된 홀(2722)(또는 필라들 주위에 공간)은 Si "I" 층 안으로 에칭되고 "I" 층을 지나 확장할 수 있고 또는 부분적으로 "I" 층 내에 있을 수 있다. 습식 및/또는 건식 에칭 또는 습식 화학식과 건식 에칭(RIE, DRIE 예를 들면)과의 조합이 사용될 수 있는데, 습식 에칭은 건식 에칭 또는 건식 에칭 및 산화와 조합하여 습식 에칭에 기인한 손상을 제거하여 어떤 형상 또는 매끄러운 표면을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 도 27에 도시된 바와 같이, 에칭은 등방성 또는 이방성일 수 있고, 측벽은 네커티브 또는 포지티브 경사를 가질 수 있다(경사는 기판의 평면에 관하여 정의된다). 이방성 에칭에 있어서 네커티브 및 포지티브 경사 모두는 필라 또는 홀과 같은 에칭된 특징에 대해 동시에 존재할 수 있다. 이방성 에피택셜 성장은 보이드가 형성되게 할 수 있고, 보이드의 형상은 다음을 포함한 많은 인자들에 의해 결정된다: 측벽 경사, 측벽의 결정 방위, 성장 조건, 압력, 온도, 흐름 레이트, 성장 기술(CVD, MBE, ALD 또는 성장 방법들의 조합), 표면 준비, 및 표면 산화. 일부 실시예에 따라, 표면 산화물, 부분적 산화물 또는 다른 유전체(2726)는 의도적으로 측벽 상에 증착될 수 있는데, 이는 Si 또는 Ge(혹은 몇가지를 나열하면 InP, GaAs, InGaAs, GaN, InGaN과 같은 임의의 다른 반도체)의 재성장에 영향을 미칠 수 있고 보이드를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 28은 일부 실시예에 따라 Si 캡 P+ 애노드 층(2826)을 가진 Si 내 매설 또는 내장된 마이크로구조화된 보이드를 도시한 단면도이다. 매설된 보이드(2800)는 균일하게 이격되거나, 또는 처핑된 간격을 갖거나, 또는 주기적 및 비주기적 간격의 조합을 가진 임의의 복잡한 패턴일 수 있고 혹은 이것은 랜덤 또는 의사-랜덤할 수 있다. 매설된 보이드(2800)는 대략 0.1 내지 10 마이크로미터 범위의 길이 및 10-5000 nm 범위의 측방 치수를 가질 수 있다. 보이드는 또한 서로 중첩하여 있을 수 있다. 도 28이 일부 실시예에 따라 Si 내 매설된 보이드를 보일지라도, 매설된 보이드는 Ge 내에 형성될 수 있다. 예를 들면, Si 위 Ge 에피택셜 층, 또는 InP, GaAs, InGaAs, GaN, InGaN, InGaAsP와 같은 임의의 다른 반도체, 및 III-V 물질 패밀리에서 다른 반도체 내에. 보이드는 보이드 및 인접 보이드들 내에서 크기 및 형상이 비-균일할 수 있다. 보이드는 또한 비균일한 간격 및/또는 방위를 가질 수도 있다. 그러나, 크기 및 형상에 있어 적합한 프로세스 제어 균일성으로, 보이드의 패터닝, 랜덤 및 의사-랜덤한 배차가 얻어질 수 있다. 간단히 하기 위해 보이드는 균일한 것으로 도시되었다.
도 29는 일부 실시예에 따라 고도로 반사적인 미러를 제공하기 위해 P-Si 표면 상에 형성된 브래그 반사체를 도시한 단면도이다. 더 평탄한 표면을 갖고, 고 반사율 브래그 반사체(2900)는 P 실리콘 층(2826) 표면 상에 유전체 또는 반도체를 사용하여 증착 또는 성장될 수 있다. 오믹 콘택 및 본드 금속화(2902)는 도 29에 도시된 바와 같이 링 구성에서 주변 상에 있을 수 있다. 하부로부터 조사하는 광학 신호는 흡수 I 영역을 통해 2중/다수의 통과를 가지며, 그럼으로써 PD/APD의 QE 및 대역폭을 개선할 것이다. 대역폭이 문제가 되지 않는 PV에서, QE은 개선될 것이다. 일부 실시예에 따라, 브래그 반사체(2900)는 광학 신호를 역으로 흡수 I 영역 안으로 반사시키기 위해 파장 선택도를 위해 선택될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 보이드는 I 영역 내에 있을 뿐만 아니라 PIN PD 또는 PV의 P 및/또는 N 영역 내에, P 차지 영역 내에, I 증배 영역 및/또는 APD의 P 애노드 및 N 캐소드 영역 내에도 형성된다. 일부 실시예에 따라, 보이드는 기판 내에도 형성될 수 있다. 각 층 내에 보이드의 밀도, 형상 및 물질(보이드는 진공, 가스, 헬륨 내지는 예를 들어 광학 게인을 위한 희토류 요소로 도핑된 혹은 도핑되지 않은 유전체, 탄소/그라펜/다이아몬드, 구리, 예를 들어 열 전도율을 위한 세라믹으로부터 상이한 물질로 채워질 수 있다)은 서로 상이하거나 동일하거나, 또는 동일 층 내에서 서로 상이하거나/동일할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 보이드는 또한 물질을 더 기계적으로 가요성있고 구부러지게 및 또는 서로 상이한 표면 윤곽에 순응하기 위해 사용된다. 예를 들면, 큰 시트의 디바이스가 제조되는 PV 응용에서, 시트는 예를 들면 루프 내 윤곽에 순응할 수 있고, 또는 반도체 PV 시트는 배치에 앞서 저장소 내에 밀집되게 감아질 수 있다. 일부 실시예에 따라, 0.01 마이크론 내지 1000 마이크론 사이의 크기의 보이드는 가요성 및/또는 물리적 손상 및/또는 손상 전파에 대한 저항을 증가시키기 위해 광전지와 사용하기 위한 반도체 및/또는 유리 물질 내에 도입된다.
반도체 내 고-밀도 보이드는 또한, 크랙이 경계, 이 경우엔 보이드의 경계에서 끝나게 될 것이기 때문에 크랙 전파에 저항력이 있다. 이것은 우박 또는 돌과 같은 물체가 태양전지에 부딪칠지라도, 콘택 지점만이 손상될 것이며 아마도 손상이 충돌 영역으로 국한되는 작은 인접한 영역(예를 들면 충돌 직경의 5-50%)이고 크랙이 전체 전지를 가로질러 전파하지 않게 될 태양전지와 같은 큰 디바이스에 이점이 있다. 디바이스는 전체 태양 패널을 해체함이 없이 최소 열화된 수행을 갖고 이러한 작은 손상 이벤트에 생존할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 보이드는 크랙이 경계, 이 경우엔 보이드의 경계에서 끝나게 될 것이기 때문에 이물체 충돌의 경우에 크랙 전파를 피하기 위해서, 몇가지를 나열하면, 유리, 세라믹, 폴리머, 금속, 플라스틱과 같은 다른 물질 내에 형성된다.
도 30은 일부 실시예에 따라 흡수성을 강화하고, 벌크 굴절률을 감소시키고, 커패시턴스를 감소시키고 반도체 물질 상에 큰 시트의 PV의 기계적 가요성을 증가시키 위해 마이크로구조화된 보이드를 가진 PIN PD/PV 구조(3000)의 예를 도시한 것이다. Si 기판은 제거되어 PIN 에피택셜로 성장된 층들과 함께 BOX/SOI 층들만을 남긴다. 오믹 콘택, 본드 금속화, 반반사 코팅, 패시베이션은 간단히 하기 위해 도시되지 않았다. PV 외에도, 기술은 PD, APD, 광 에미터로서 예컨대 발광 다이오드 및 다이오드 레이저에 적용할 수 있고, 또한 보이드가 물질을 더 가요성있게 하고 가벼워지게 할 뿐만 아니라 앞서 언급된 바와 같이 크랙에 더 저항력 있게 할 수 있는 CMOS 및 ASIC(응용특정의 집적회로)와 같은 전자 집적회로에도 적용할 수 있다. 일부 실시예에 따라 보이드는, 충돌 손상을 수선할 수 있고 예를 들면 반도체성 표면에 습기에 기인한 추가의 열화를 방지하기 위해 노출된 크랙된 에지를 시일링할 수 있는 젤로 채워질 수 있다. 젤은 예를 들면 스핀 온 유리일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 보이드는 실리콘을 제거하고 예를 들면 Ar, He, Xe, N2, Ne 가스, 또는 진공과 같은 손실이 없는 물질로 대체함으로써, 예를 들면, 열 전도율 그리고 광학 또는 마이크로웨이브 손실의 감소를 강화하기 위한 물질로 채워질 수 있다. 보이드는 서로 상이한 크기 및 형상 및 밀도를 가질 수 있고, 랜덤, 의사 랜덤, 비주기적, 주기적, 처핑, 단일 또는 다수의 패턴일 수 있다. 보이드는 또한 단일 층 내에 또는 디바이스의 다수의 층 내에 있을 수 있다. 도 30은 예를 들면, P-Si 층(3002), I-Si 층(3004), 및 N-Si 층(3006, 3008) 내에 보이드를 도시한다. 일부 실시예에 따라 최상측 표면 근처에 굴절률은 입사광의 반사를 감소시키기 위해 주변 공기에 더 효과적으로 굴절률 "매칭"을 하기 위해 변경될 수 있다. 예를 들면, PV 응용에서 표면 근처에 보이드는 적은 입사 태양광이 PV 표면으로부터 반사되게 굴절률 매칭을 하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 하측 표면에 굴절률은 예를 들면, 광이 흡수 영역을 통해 행하는 통과 수를 증가시킬 수 있는 내부 반사를 증가시키기 위해 변경될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 랜덤 보이드는 또한, 임의의 마스크 없이 반도체의 표면을 건식 에칭/전기화학식 에칭을 함으로써 발생될 수 있다. 반도체 나노와이어를 발생하고 이어 이들 랜덤 나노와이어 상에 에피택셜 재성장은 매설된 보이드가 생기게 할 것이다. Frajtag et al, Growing thin films that contain embedded voids, 23 June 2011, SPIE Newsroom; DOI; 10.1117/2.1201105.003750에서 논의된 바와 같이, 이 방법은 몇가지를 나열하면 사파이어, Si, SOI, IOS일 수 있는 기판에 GaN 에피택셜층의 격자 오정합에 기인한 결함 형성을 최소화하기 위해 GaN 발광 다이오드에서 사용될 수 있다. 랜덤 매설된 보이드를 형성하기 위해, 임의의 마스크 없이 반도체(Si, Ge, III-V 물질 패밀리, 예컨대 몇가지를 나열하면 InP, GaAs, InGaAs, InGaAsP, GaN, InGaN, InSb일 수 있는)의 표면의 건식 에칭 및 이어서 예를 들면 CVD을 사용하여 에피택셜로 나노와이어 상에 재성장에 의해 반도체 나노와이어의 랜덤 형성은 또한, 반도체의 유효 굴절률을 감소시키기 위해서, 그리고 대역폭, QE, 및 에너지 소비에서 디바이스의 수행을 최적화하기 위해, 임의의 조합으로, "I" 흡수층 및/또는 P, N 층, 및/또는 PD, APD의 차지, 증배층 내에 보이드가 형성된다면 P-I-N, P-I-P-I-N 다이오드의 유효 커패시턴스를 감소시키기 위해서, 사용될 수 있다.
도 31은 일부 실시예에 따라 매설/내장된 보이드를 가진 재성장된 I-Ge을 도시한 단면도이다. Si 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀 상에 에피택셜로 Ge(3104)의 재성장은 앞에 도 27-도 28에 도시된 방법을 사용하여 진성 또는 비-의도적으로 도핑되거나 또는 저농도로 도핑될 수 있는 Ge 층 내에 보이드(3102)를 갖게 한다. 또한, 예를 들면 SiOx, SiNx와 같은 유전체를 가진 선택적 마스킹은 예를 들면, Ge 재성장과 같은 선택된 영역에만 나노와이어를 발생하기 위해 사용될 수 있고, Ge의 추가의 재성장으로, 랜덤 보이드는 선택된 Ge 영역에만 매설될 수 있다. 랜덤 보이드는 대역폭, 양자 효율 및 파워 소비 면에서 디바이스 수행을 최적화하기 위해 패터닝된 보이드와 조합될 수 있다. 도 31에 도시된 마이크로구조는 벌크 흡수 계수를 강화하고 다이오드의 유효 커패시턴스를 감소시키기 위해 Ge 마이크로구조 및 보이드 마이크로구조를 조합한다.
도 32는 일부 실시예에 따라 재성장된 I-Ge을 가지며 에피택셜층에 의해 캡핑된 I-Si 내 매설된 마이크로구조화된 보이드를 가진 디바이스를 도시한 단면도이다. 도 32에서 알 수 있는 바와 같이, 매설/내장된 마이크로구조 보이드(3202)는 I-Si 층(3200) 내에 있을 수 있고 반면 Ge 마이크로구조(3104)는 또한 몇몇 추가적인 처리 단계들을 사용하여 Si 층(3200) 내에 매설/내장된다. 제1 보이드(3202)는 P-Si 애노드층(3226)과 함께 또는 없이 도 28에서처럼 매설/내장된다. 이어 마이크로구조는 다시 보이드를 가진 I-Si 층(3200) 안으로 에칭되고, 이어 Ge(3104)는 재성장되어, Si 층(3200) 및 Ge 마이크로구조(3104) 내에 보이드(3202)를 가진 마이크로구조를 갖게 하여 벌크 흡수 계수를 강화하고 다이오드의 커패시턴스를 감소시킨다. I-Si 층(3200)이 I-Ge로 대체되고 이어 P+ Ge 캡 애노드층(3226)이 이어진다면, 도 28에서와 같이, 마이크로구조화된 보이드가 Si 위 Ge 층을 위한 Ge 내에 전체적으로 매설/내장될 수 있음은 도시되지 않았다.
매장/내장된 마이크로구조 보이드는 흡수성을 가진 리버스 HCG 구조, 또는 손실성 있는 HCG 구조이며, 벌크 흡수 계수의 강화를 갖게 할 수 있는 위상 및 진폭 모두의 공진, 보강적 및 파괴적 광간섭 효과를 가질 수 있다. 마이크로구조 필라, 홀, 보이드, 매설/내장된 Ge 어레이의 주기는 HCG 효과의 근-파장 정황 내에 속할 수 있고, 또는 그레이팅 주기가 파장보다 훨씬 작은 서브-파장 정황 및 주기가 파장보다 큰 회절 정황 내에 속할 수 있다. 마이크로구조 어레이의 HCG 특징 및 입력 광학 신호는 평면내 광학 모드에 결합될 수 있다. 마이크로구조화된 어레이는 또한, 인입 광학 신호를 모드 매칭하기 위한 렌즈로서 행동할 수도 있다. 양호한 커플링 효율은 또한, PD/APD의 전체 QE를 개선한다. 일부 실시예에 따라, 흡수 영역이 HCG 구조의 부분이거나 이 내에 포함되는 경우(몇가지를 나열하면, 스캐터링, 니어 필드, 플라즈모닉, 공진, 선형 및 비-선형 광학 효과와 같은 다른 효과 또한 흡수 강화에서 중요한 역할을 할 수 있다), 및 Si가 Si 밴드갭 미만인 광자 에너지를 위한 HCG일 수 있고 Ge 마이크로구조가 950-1800 nm(Si는 상대적으로 낮은 광학 손실을 갖는다) 범위의 파장을 가진 광자에 흡수하는 Si 내에 매설 또는 내장되는 경우, 손실성 HCG가 제공된다.
일부 실시예에 따라, 홀, 필라, 및 보이드의 마이크로구조는 PD의 P-I-N 구조의 또는 APD의 P-I-P-I-N 구조의 임의의 부분을 포함하여, 활성 영역 내에 임의의 패턴으로 혹은 패턴없이 배열될 수 있는데; 활성 영역은 흡수 "I" 영역 및 P 및 N 영역을 포함한다. 일부 실시예에 따라, 제작을 단순화하고 수율을 개선하기 위해서, 마이크로구조는 PD/APD 동작 및 수행에 간섭하지 않는다면 PD/APD의 활성 영역 밖으로 확장할 수 있다. 도 33은 일부 실시예에 따라 PD/APD 내 마이크로구조화된 필라, 홀 및/또는 매설된 보이드의 분포를 도시한 평면도이다. 마이크로구조 어레이(3300)은 필라, 홀, 및/또는 보이드로 구성되고, Si 내 매설/내장된 Ge 또는 Ge 내 Si 또는 다수의 반도체들의 임의의 조합은 광다이오드 또는 애벌런치 광다이오드의 전체 활성 영역(3302) 상에 또는 예를 들면 광학 세기가 가장 큰 중앙 내에만 부분적으로 분포될 수 있다. 활성 영역은 광학 신호로 조사시 전기적 신호의 발생에 또는 PV의 경우에 광자로 조사시 전기의 발생에 기여하는 임의의 영역으로서 정의될 수 있다. 도 33에서, 활성 영역(3302)은 일반적으로 금속 오믹 콘택/본드 금속 링(3304) 내에 영역이다. 어레이(3300)의 분포는 비균일, 비주기적일 수 있고, 마이크로구조 크기 또는 형상이 비균일하다.
도 34는 일부 다른 실시예에 따라 PD/APD 내 마이크로구조화된 필라, 홀 및/또는 매설된 보이드의 분포를 도시한 평면도이다. 도 34에서, QE는 광학 세기가 가장 큰 활성 영역의 중앙에서 최적화되고, 중앙에서 떨어져서, 더 많은 반도체 물질은 PD/APD에 대한 더 큰 대역폭을 달성하기 위해 RC(저항, 커패시턴스) 시간 상수를 감소시키기 위해서 활성 영역의 커패시턴스를 감소시키기 위해서, 및 또는 PD/APD에 광학 신호의 수동적 정렬을 할 수 있게 하여 그럼으로써 패키징 및 조립의 비용을 감소기키기 위해 활성 영역을 증가시키기 위해서, 마이크로구조 패턴에서 제거된다. PD/APD의 중앙 근처에 마이크로구조화된 필라/홀/매장된 보이드(3400)은 QE를 최적화하고 반면 활성 영역(3402)의 주변에 마이크로구조화된 필라/홀/매장된 보이드(3410)은 여전히 양호한 QE를 유지하면서도 커패시턴스를 최소화한다.
P-I-N 또는 P-I-P-I-N 다이오드 구조의 N(또는 P 및 N이 바뀐다면 P) 부분 내에 매설된 보이드는 N 층 내 반도체의 유효 굴절률을 감소시킬 수 있다. 이것은 HCG 구조에 대한 굴절률 콘트라스트(몇가지를 나열하면 스캐터링, 플라즈모닉, 니어 필드, 선형 및 비-선형 광학 효과와 같은 흡수 강화에서 중요할 수 있는 다른 가능한 광학 효과를 포함하여)을 증가시키는데 유용하며, 예를 들면 Si에서 굴절률은 대략 3.5(파장 950-1800 nm에 대해서)이고, 물질의 볼륨의 절반이 공기라면, 유효 굴절률(1/2 공기 및 1/2 Si)은 공기-Si 복합 물질에 대해 대략 1.8이 될 것이다. 이 복합 공기-Si 물질 위에 제조된 필라 또는 홀의 임의의 반도체 마이크로구조는 예를 들면 대략 2의 복합 공기-Si 층 상에 Si 필라의 굴절률 콘트라스트를 가질 것이다. 고 굴절률 콘트라스트는 HCG의 수행을 강화할 것이다. 일부 실시예에 따라, 이것은 손실성 HCG 수행(손실은 -1 dB/cm 만큼 혹은 그 이상 만큼일 수 있다)을 강화하고, 몇가지를 나열하면 공진, 광 농도 및 평면내 광 커플링 효과로 흡수 계수를 강화하기 위해 사용된다. N 및 또는 N+ 층 내에 보이드를 갖는 것은 이것이 일단 전자가 N 및 또는 N+ 층 안으로 스위핑되면 이들은 다수 캐리어가 되기 때문에 다이오드의 전기적 특성 및 특징에 최소 영향을 미칠 것이므로 이점이 있다.
N 및 또는 N+ 층 내 마이크로구조화된 보이드는 패터닝되거나, 비-패터닝되거나 또는 랜덤 또는 의사-랜덤할 수 있고, 리소그래피, 마스킹 및 에칭을 사용하거나 단지 에칭과 이에 이어 Si, 또는 Ge 또는 임의의 다른 물질의 재성장에 의해 정의될 수 있다. 보이드는 길이가 대략 0.01 내지 10 마이크로미터의 범위일 수 있고, 측방 치수는 대략 중첩부터 5000 nm까지의 범위의 인접 보이드들 간 간격을 갖고 대략 10-5000 nm의 범위일 수 있다.
도 35는 N Si 기판 상에 종래의 Si PV/PD 다이오드를 위한 기본적인 에피택셜 구조(3500)를 도시한 것이다. 도 36은 일부 실시예에 따라 N-Si 층 내에 탑재된 마이크로구조화된 보이드를 가진 도 35의 구조를 도시한 것이다. 층들의 도핑 및 두께는 응용에 따른다. 고 대역폭 PD 응용을 위해서, "I" Si 두께는 0.1 내지 3 마이크로미터의 범위이고 반면 PV 응용을 위해서, "I" Si 두께는 진성 또는 의도적으로 도핑되지 않거나, < 5.1016cm-3의 배경 도핑의 도핑 범위를 갖고 1 내지 20 마이크로미터의 범위이다. 고 대역폭 PD(원형 애퍼처를 위한)을 위한 커패시턴스의 영역을 정의하는 디바이스 크기는 5 내지 100 마이크로미터 직경의 범위이고, 반면 PV에 있어서, 측방 치수는 웨이퍼 또는 기판의 크기에 의해서만 제한되는 0.1 내지 > 50 cm(센티미터)의 범위일 수 있다. 비-"I" 층에 대한 도핑 범위 및 층 두께는 PV, PD 및 APD에 대해서 유사하고; P 또는 P+ 층 두께는 0.1 내지 3 마이크로미터 범위이고 P 도핑 > 5.1018cm-3이고, N 또는 N+ 층(들) 두께는 0.1 내지 10 마이크로미터의 범위이고 N 도핑 > 1.1017cm-3이다. Si 기판은 N 도핑되거나, 저농도 N 도핑되거나 또는 도핑되지 않을 수 있다.
Si 기판 상에 N/N+ 층(들)을 성장시킨 후에, 필라 및 또는 홀 및 또는 나노와이어의 마이크로구조는 N/N+ 층(들)(3604) 안으로 에칭되고 이어 N/N+ 층(들)이 재성장되어 도 36에 도시된 바와 같이 매설된 보이드(3622)를 갖게 한다. 재성장 표면은 예컨대 화학 기계식 연마(CMP)를 사용하여 더욱 평탄화하거나 하지 않을 수도 있다. 일부 응용은 비-평탄 표면으로 더 최적의 수행을 가질 수 있는데, 예를 들면 PV는 최소 반사(거친 표면은 광을 덜 반사시킨다)로 다수의 각도로 태양 광을 결합할 수 있다. 후속되는 "I" Si 층(3606) 및 P/P+ 층(3608)은 매설된 보이드(3622)를 가진 N/N+ 층(들)(3604) 상에 성장된다. 유효 굴절률을 감소시키는 것 외에도, Si가 저 손실(대략 -1 dB/cm 이하)을 갖는 파장, 950-1800 nm에서, 매설된 보이드(3622)는 리버스 HCG 안으로 패터닝되고, 상부(P 측)로부터 조사하고 제1 통과에서 "I" 마이크로구조화된 필라/홀 영역 내에 흡수되지 않는 임의의 광자에 대해 매우 반사적인(100% 반사율에 가까운) 넓은 스펙트럼 미러로서 행동하고, 광자는 흡수 "I" 영역 쪽으로 역으로 반사될 수 있다. 또한, 보이드를 가지고, 기판은 윤곽이 있는 표면에 및/또는 태양 패널과 같이 무게가 문제인 사용을 위해, 또는 이동성을 위해 더 적응할 수 있게 더 가요성있고 경량일 수 있다.
도 37은 일부 실시예에 따라 Si를 커버하는 재성장된 Ge를 가진 에칭된 Si 마이크로구조화된 필라/홀을 도시한 단면도이다. 출발 구조는 도 35에서 층(3500)과 같다. Si 마이크로구조 필라 및/또는 홀 어레이는 0.1 내지 10 마이크로미터 범위의 깊이로 에칭되고 이어서, 일부 실시예에 따라 Si와 Ge 간에 격자 오정합을 감안하기 위해 1-10 nm 저 온도 버퍼 Ge 층을 포함하여 두께 0.01 내지 4 마이크로미터의 I-Ge 층(3702)으로 재성장된다. Ge 버퍼는 대략 1000 nm 이하의 필라 홀 측방 치수를 위해서는 포함되지 않을 수 있는데 이 작은 영역에서 격자 오정합 스트레인은 광범위한 결함이 형성되게 하기에 중요하지 않을 수 있기 때문인 것에 유의한다. 마이크로구조화된 필라(3704) 및 홀(3706)의 측방 치수는 10 내지 5000 nm의 범위이고 인접 요소들의 간격은 중첩 내지 5000 nm이다. P/P+ Si 층(3708)은 반투명 또는 투명 천이 금속 실리사이드가 되게 1-50 nm 두께인 Ti, W, Al 실리사이드의 오믹 금속과의 양호한 P 오믹 콘택을 만드는데 유용할 수 있으므로 도 37에서 남아있다.
도 38은 일부 실시예에 따라 내장된 마이크로구조화된 보이드를 갖는 N-Si 층 상에 Ge 재성장과 함께 마이크로구조화된 Si 필라/홀을 도시한 단면도이다. 도 38에 도시된 구조는 도 36에 도시된 바와 같이 출발 물질에서 유사하다. N/N+ 층(3804) 내 매설된 보이드(3822)는 층(3804)의 유효 굴절률을 감소시키게 작용한다. 보이드들 간격 및 측방 치수는 λ-4, λ는 파장에 비례하는 레일레이 스캐터링과 같은 광학 스캐터링 손실을 최소화하기 위해 서브-파장 (<λ) 또는 심지어 딥 서브-파장 (<λ)일 수 있다. 관심 파장은 300 내지 1800 nm의 범위이다.
도 39는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 Si 필라/홀 상에 부분적 피복 I-Ge을 도시한 단면도이다. 도 39에 도시된 마이크로구조의 변형에서, 전체 Si 마이크로구조화된 필라 및 홀 상에 I-Ge를 재성장하는 대신에, Si 마이크로구조의 부분 위에만 성장된다. Si 마이크로구조의 부분은 I-Ge이 없고 다른 부분은 재성장된 I-Ge을 갖는다. Ge의 부분적 재성장은 예컨대 전자 빔 증발 증착, 또는 지향성 레이저 삭마 증착 또는 이외 다른 지향성 방법, 예컨대 선택적으로 Si의 혹은 산화물/질화물의 얇은 ALD 층의 자연 산화물을 제거하고 이온 빔 밀링으로 선택적으로 및 지향적으로 제거하는 이온 밀링과 같은 지향성 증착에 의해 SiOx 또는 SiNx와 같은 유전체로 Si 마이크로구조를 부분적으로 커버함으로써 달성될 수 있다. 일단 Si 마이크로구조가 부분적으로 산화물 또는 질화물(혹은 다른 유전체, 예컨대 몇가지를 나열하면 CaFx, TaOx, TiOx)로 코팅되면, Ge 에피택셜 재성장은 Si 표면과 같은 격자 정보가 존재하는 곳에서 대부분 일어날 것이다. I-Ge 재성장 3902 두께는 0.1 내지 4 마이크로미터 이상의 범위일 수 있다. 필라(3904) 또는 홀(3906)의 Si 마이크로구조는 0.1 내지 10 마이크로미터의 깊이 및 10 내지 5000 nm의 측방 치수 및 중첩 내지 5000 nm의 인접 마이크로구조들 간 간격을 가질 수 있다. Si 및 Ge 마이크로구조 모두는, 애노드 표면으로부터 인가하고 직접적으로, 스캐터링, 니어 필드, 공진, HCG 효과, 선형 및 비-선형 광학 효과, 및 강화된 흡수 계수를 가진 마이크로구조의 측벽 상에 인가하는 광자로부터 300-1800 nm 범위의 파장을 가진 광자에 노출된다. Si 및 Ge 모두는 입사 광자에 기인하여 광전류를 발생할 것이다. Si 전류 발생기 및 Ge 전류 발생기는 병렬로 있고 이 PD/PV에 의해 발생된 총 광전류는 Si 및 Ge 광전류 발생기들의 합이다. 매설된 보이드(3922)는 N/N+ 층(3914)의 굴절률을 감소시키고 마이크로구조의 굴절률 콘트라스트를 개선하며 이에 따라 기판은 흡수 계수를 강화하기 위한 손실성 HCG의 수행을 개선한다. Si(3914) 내 보이드(3922)는 또한, 2중 통과에 있어서(상부측으으로부터 조사하는 광자에 대해서) "I" 흡수층 쪽으로 광자를 역으로 반사시키는 양호한 반사체로서 행동할 수 있다. BOX 또는 SOI(3912)는 또한, Si02의 굴절률이 적외선 및 근 적외선의 파장에서 실리콘의 대략 절반인 대략 1.54이기 때문에, 매설된 보이드를 갖고 혹은 매설된 보이드 없이 더욱 사용될 수 있다.
도 40는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 Si-Ge 필라 홀 어레이 PD/PV 및/또는 APD을 위한 기본적인 성분들을 도시한 단면도이다. APD 증배층은 간단히 하기 위해 도시되지 않은 것에 유의한다. 디바이스의 매우 기본적인 부분만이 도시되었다. 도 39에 도시된 처리 단계들이 완료된 후에, 열 산화물 또는 패시베이트하기 위해 산화물 또는 질화물 또는 Ge 상에 패시베이션층으로서 SiGe의 ALD 또는 PECVD 또는 CVD 증착을 사용하여 표면 패시베이션이 수행된다. 예컨대 스핀-온-유리, 또는 SiOx, SiNx와 같은 필러(4002)가 PECVD 또는 CVD에 의해 스핀되거나 증착된다. Ge 또는 P/P+ Si를 노출하기 위해 에치 백하기 위해 RIE를 사용한다(i-Ge 에피택셜 성장 동안, P/P+ Si 내 P 도펀트는 Ge 층 안으로 확산하여 P/P+ Ge 층을 갖게 할 수 있다). Ge 및 또는 Si P-오믹 물질은 각각 Al, W, AuGe, Au, Au Ti 및 Al, TiN, Pt, 천이 금속-실리사이드일 수 있고; P 및 N 반도체에 오믹 콘택은 문헌 및 기술에 공지되어 있고 이들 가능한 오믹 콘택의 단지 몇가지 예이다. 애노드의 직렬 저항을 더욱 감소시키기 위해 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 투명 전도성 산화물(TCO)(4004)이 사용될 수 있다. 마이크로구조화된 홀에 있어서, P/P+ 층은 인접하기 때문에, TCO(4004)는 사용되지 않을 수 있고, 대신에 오믹 콘택의 직렬 저항을 감소시키기 위해 몇가지를 나열하면 Al, Au/Ti, Cu와 같은, 주변(원형 애퍼처 PD/APD/PV을 위한 링) 가장자리 오믹 콘택 및 금속화(4006)만이 사용될 수도 있다. 반-반사층은 간단히 하기 위해 도시되지 않았다. 기판 상에 또는 금속화와 함께 N/N+ 층 상에 N 오믹 물질이 사용될 수 있다. 오믹 콘택 상에 Al 또는 Au 증착(e-빔, 스퍼터링, 열 증발)이 동반되는 Al, Pt, 천이 금속 실리사이드는 직렬 저항을 감소시킨다. 오믹 콘택은 일반적으로 이 기술에 공지된 어닐링 프로세스를 사용한다. PD/APD/PV 디바이스를 완성하기 위해 본드 및/또는 연결 금속화(4006)가 증착된다(표준 처리 방법을 사용하여). 태양광/광학 신호는 표면에 수직하여 또는 수직에서 벗어난 임의의 각도로 디바이스의 상부(애노드)로부터 조사되고, QE를 최적화하기 위해 회전될 수 있다. Si이 저 손실인 파장(950-1800 nm 이상)에서, 매설된 보이드는 Si의 유효 굴절률을 감소시키고 흡수되지 않은 광자를 흡수 영역 쪽으로 역으로 반사시키는 반사체로서 작용도 할 수 있다. N/N+ 층(3914)의 표면은 반사된 광자가 마이크로구조화된 Si 및 Ge 어레이 내 흡수성을 최적화하는데 도움을 주기 위해 비-평탄일 수 있다. 콘택 패드(4008)는 예를 들면 도시된 바와 같이 층(3914)의 측 상에 제공될 수 있다. 대다수의 실시예가 Si 및 Ge의 마이크로구조를 보일지라도, Si, Ge는 N/N+ 표면이 비-평탄이고 후속 층들 또한 비-평탄할 수 있다면 일부 다른 실시예에 따라 표면에 수직하고(수직으로 정렬되고) 곧바르다. 에칭(습식 화학식 또는 건식 RIE, DRIE)은 광자들의 흡수성을 더욱 개선할 수 있는 수직에서 벗어나고 곧바르지 않은(휨을 가진) 마이크로구조를 초래할 수 있다. 표면의 비-평탄 토폴로지에 기인하여, 마이크로구조는 동일한 디바이스 내에 결정의 방위에 따라 다양한 방위들을 가질 수 있다. 마이크로구조의 서로 상이한 방위들은 태양이 하늘에서 위치가 변하는 PV에 있어서, 그리고 다수의 광학 신호가 서로 상이한 각도들/방향들로부터 PD/APD를 조사할 수 있는 응용을 위한 PD/APD에 있어서, 서로 상이한 각도들에서 디바이스의 표면을 조사하고 있을 수 있는 광자를 캡처함에 있어 이점이 있다.
앞에 도 5에 도시된 마이크로구조화된 Si 필라 및/또는 홀 어레이/패턴/랜덤 PD는 또한, Si의 굴절률을 감소시키기 위해 도 10에 도시된 바와 같이 N/N+ 층 내 매설된 보이드를 가질 수 있어, Si 필라/홀의 마이크로구조는 굴절률 콘트라스트를 증가시킴으로써 손실성 HCG로서, 그리고 또한 Si가 저 손실을 갖는 파장, 즉 넓은 대역폭(> 5 Gb/s) PD로서 또는 PV로서 이 응용에 대해 950-1100 nm에 대해 Si 내 HCG 반사체로서 더 최적화된다.
본원에 기술된 모든 실시예에서 Si 기판은 도핑, 의도적으로 도핑되지 않은, 저농도 도핑을 가진 Si, 또는 매설된 산화물(BOX) 또는, 실리콘층이 다시 도핑되거나, 고농도로 도핑되거나, 저농도로 도핑되거나, 또는 의도적으로 도핑되지 않을 수 있는 절연체 위 실리콘(SOI)일 수 있다. BOX 및 SOI 층은 광학 손실을 감소시키고, 기계적 가요성을 증가시키기 위해 모든 또는 거의 모든 Si 기판을 제거할 수 있게 하며, 또한 BOX 및 SOI 내 Si02의 굴절률은 실리콘 굴절률의 대략 절반인 적외선의 및 근 적외선의 파장에서 대략 1.54의 굴절률을 갖는다. Si02의 저 굴절률은 또한 HCG의 수행을 개선하며, 이산화 실리콘층은 하부 조사 PD/APD/PV을 위해 제거될 수 있다.
도 41a-도 41b는 일부 실시예에 따라 매설된 마이크로구조화된 보이드를 갖는 N-Si 층 위에 마이크로구조화된 필라/홀 어레이 디바이스의 측면을 도시한 단면도이다. 도 41a에 도시된 벌크층(4100)은 I-Si 층(4112) 및 N-Si 층(4110)을 포함한다. 마이크로구조화된 보이드(4102)는 앞에 본원에 기술된 바와 같은 기술을 사용하여 N-Si 층(4110) 내에 형성된다. 도 41a 및 도 41b에서 구조는 도 25a-도 25b에 도시된, 그러나 손실성 HCG(Si 및 Ge의 마이크로구조)을 위한 굴절률 콘트라스트를 개선하고 광자에 대한 반사체 저 손실 HCG를 제공하기 위해 N/N+ 층(4110) 내에 매설된 보이드(4102)를 가진 PD/PV의 버전이다. 필라(4124) 및/또는 홀(4122) 어레이는 I-Si 층(4112) 내에 형성된다. I-Ge는 에칭 영역(4122) 내에 재성장되어 N Si 층(4110) 내에 마이크로구조 보이드(4102)를 가진 매설/내장된 Ge "I" 층을 갖게 하여 Si의 유효 굴절률을 감소시키고 및/또는 Si가 저 손실인 파장(950- 800 nm)에서 애노드 표면으로부터 진입하는 광자를 반사시킨다. 캡 층(4126)은 P-GE 또는 P-Si 재성장일 수 있다. 하부 조사의 경우에, 반-반사 코팅(4130)이 제공될 수도 있다.
도 42a-도 42d는 일부 실시예에 따라 매설된 마이크로구조화된 보이드를 가진 N-Si 층 위에 마이크로구조화된 필라/홀 어레이를 가진 APD의 측면을 도시한 단면도이다. 도 42a-도 42d에 도시된 APD는 손실성 HCG(Si 및 Ge의 마이크로구조)에 대한 굴절률 콘트라스트를 개선하고 광자에 대한 반사체 저 손실 HCG을 제공하기 위해 매설된 보이드(4202)이 N/N+ 층(4210) 내에 포함된 것을 제외하고, 앞에 도 24a 및 도 24b에 도시된 APD의 버전이다. 일부 실시예에 따라, BOX/SOI Si 웨이퍼는 또한, 최적의 HCG 손실성 동작을 위해 굴절률 콘트라스트를 개선하기 위해서 매설된 보이드와 함께 또는 없이 사용될 수 있다. 간단히 하기 위해 기본 구조만이 도시되었다. 몇가지를 나열하면 전기적 격리, 패시베이션, 오믹 금속화, 어닐링, 반반사, 본드/상호연결 금속화, 가드링은 도시되지 않았다. 도 42a는 N-Si 층(4206), I-Si 층(4208, 4212) 및 P-Si 층(4210)을 포함하는 벌크층(4200)을 도시한 것이다. 마이크로구조화된 보이드(4202)는 앞에 본원에 기술된 바와 같은 기술을 사용하여 N-Si 층(4206) 내에 형성된다. 도 41b의 경우에서와 같이, I-Ge는 에칭된 영역(4222)에서 재성장된다. 보이드(4202)는 광학 필드가 공기 및 Si로 구성된 평균 유효 굴절률이 될 것이기 때문에 N-Si의 유효 굴절률을 감소시킨다. 보이드(4202)가 HCG 효과를 위해 패터닝된다면, 상부 또는 애노드 표면으로부터 APD(4220)을 조사하는 광자에 대한 "I" 흡수 영역(4212)을 통해 제1 통과에서 흡수되지 않은 광자는 반사될 수 있다. APD는 또한 하부 또는 캐소드측으로부터 조사될 수 있다.
도 42c 및 도 42d는 N+ 층(4206)에만이 아니라 I-Si 증배층(4208)에 보이드(4204)가 형성되어 이들 층의 유효 굴절률 및 커패시턴스를 감소시키는 APD(4230)의 또다른 변형을 도시한 것이다. 마이크로구조화된 보이드의 길어진 본성은 반도체 물질 내 차지된 캐리어 수송에 최소의 영향을 미칠 것임에 유의한다. 일부 실시예에 따라, 다양한 형상 및 밀도의 보이드는 흡수 I 층 외에도 APD의 P 애노드, N 캐소드, P 차지, 및/또는 I 증배층 내에 형성될 수 있다. I 증배층(4208) 및 I 흡수층(4212) 내에 보이드의 추가는 유효 커패시턴스를 감소시켜 디바이스에 대한 짧은 RC 시간 상수를 갖게 할 수 있다. 증배 I Si 층(4208) 내 보이드(4204)는 또한 유효 굴절률을 감소시키며, 이는 HCG 흡수 모드에서 흡수 계수를 강화하는데 도움을 준다.
몇가지를 나열하면, 화학기상증착(CVD), 금속 유기 화학기상증착(MOCVD), 원자층 증착(ALD), 분자 빔 에피택시(MBE), 가스 소스 분자 빔 에피택시(GSMBE) 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD), 레이저 삭마 증착(LAD)을 사용하여, 몇가지를 나열하면, InP, GaAs, GaN, InGaN, InGaAs, InGaAsP, InSb, 헤테로에피택시, 호모에피택시, 헤테로지니어스 에피택시와 같은 Si, Ge, SiGe, III-V의 에피택셜 성장/재성장/과도성장/선택적 영역 성장/에피택셜 측방 과도성장은 이 기술에 공지되어 있다.
일부 실시예에 따라, Si 및 Si 위 Ge 이외의 물질이 사용된다. 예를 들면, 본원에 기술된 기술은 Si, Ge, III-V 및 ll-VI 물질 패밀리의 모든 조합들 및 기판에 적용될 수 있다.
도 43-도 46은 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 요소들에 대한 다양한 치수, 간격 및 형상을 도시한 평면도이다. 도 43은 100-5000 nm 범위의 고정된 직경 및 100-10000 nm 범위의 간격을 갖고 균일하게 이격된 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀 어레이(4300)(내장된 또는 매설된 보이드에도 적용될 수 있다)을 도시한 것이다. 필라 및 또는 홀은 Si, Ge, SiGe, 또는 III-V 또는 II- VI 물질 패밀리와 같은 그외 다른 물질로 혹은 이를 사용하여 형성될 수 있다. 예는 GaAs, InP, InGaAs, InGaAsN, InGaAsP, InAs, GaN, InGaN, ZnTe, CdS, ZnSe, 및 HgTe을 포함한다. 일부 실시예에 따라, 마이크로구조는 또한 흡수 폴리머, 유리, 및/또는 세라믹으로 또는 이를 사용하여 형성될 수 있다.
도 44는 고정된 직경을 갖지만 비주기적 또는 주기와 비주기와의 혼합 또는 랜덤/의사 랜덤 간격 또는 랜덤/의사 랜덤, 주기와 비주기와의 혼합과 같은 비-균일한 간격을 갖는 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀 어레이(4400)를 도시한 것이다. 일부 실시예에 따라, 어레이는 균일하게 이격된 주기적일 수 있지만 가변 직경을 가질 수 있다. 도 45는 가변 직경(100 nm 내지 5000 nm의 범위) 및 가변 간격(100 nm 내지 10000 nm의 범위) 모두를 갖는 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀 어레이(4500)를 도시한다. 일부 실시예에 따라, 변형은 랜덤/의사 랜덤, 또는 패턴 또는 패턴들의 혼합 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 도 46은 난형, 원형, 장방형, 더블릿, 트리플릿, 및 스타와 같은 다양한 형상을 갖는 마이크로구조화된 필라 및/또는 홀 어레이(4600)을 도시한다. 일반적으로, 포토리소그래픽 마스크, 또는 e-빔 다이렉트 라이트(direct write)를 사용하여 발생될 수 있거나 임프린트 리소그래피를 위한 몰드로 발생될 수 있는 임의의 형상이 사용될 수 있다. 필라/홀 어레이는 또한 마이크로구조화된 필라/메사의 마이크로구조화된 홀 또는 길이의 깊이에 변형뿐만 아니라, 서로 상이한 형상 및 간격의 조합을 가질 수 있다. 변형은 단일 어레이 내에 주기적, 비주기적, 또는 랜덤(혹은 주기적, 비주기적 및 랜덤의 혼합)일 수 있다.
일부 실시예에 따라, 몇몇 응용을 위해서 대략 390 nm의 필라/홀의 직경 및 대략 1060 nm의 중심간 간격을 가진 길이 대략 2 ㎛ (혹은 대략 2 ㎛의 깊이)의 Si 또는 Ge 또는 III-V 마이크로구조화된 필라 또는 홀의 어레이 치수는 50X 이상의 흡수 계수의 강화에 적합한 것으로 발견되어졌다.
일부 실시예에 따라, 물질은 Si, Ge, SiGe, Si 위 Ge, Si 상에 III-V, II-VI, III-V, 폴리머, 유리, 세라믹 및 이들의 임의의 조합일 수 있다. III-VI 및 II-VI의 예는 InP, GaAs, AlGaAs, AlAs, AlInAs, InGaAs, InGaAsP, InAs, InGaAsN, InN, GaN, InSb, ZnSe, ZnTe, HgTe, 및 CdS이다. 또한, III-V, II-VI, 및 Ge와 같은 IV족 물질은 MOCVD, CVD, MBE, 반응기에서 SAG, VLS, ELOG 성장 방법을 사용하여 Si 마이크로구조 내에 내장될 수 있다.
도 47-도 48은 일부 실시예에 따라 가변 길이 및 깊이를 갖는 마이크로구조화된 필라 및 홀 어레이를 도시한 단면도이다. 도 47은 상이한 길이들, 직경들 및 간격을 갖는 마이크로구조화된 필라 어레이(4700)를 도시한 것이다. 일부 실시예에 따라, 필라 직경은 10 nm 내지 5000 nm의 범위이고 필라 높이는 0.1 내지 10 마이크론의 범위이다. 도 48은 서로 상이한 깊이, 직경 및 간격을 갖는 마이크로구조화된 홀 어레이(4800)를 도시한 것이다. 일부 실시예에 따라, 홀은 10 nm 내지 5000 nm 범위의 직경 및 0.1 내지 10 마이크론 범위의 깊이를 갖는다. 길이 및 에칭된 깊이에 변형은 필라의 길이 및 홀의 깊이를 가변하기 위해 더 긴 에칭 또는 더 짧은 에칭을 위해서 영역이 마스크되는 추가의 리소그래픽 마스킹 단계들에 의해 달성될 수 있다. 길이 및 깊이는 점차로 또는 급격히 달라질 수 있다. 패터닝된 그레이팅 효과는 광학 경로 길이를 더욱 최적화하고 흡수 계수를 위한 강화 팩터를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 다른 사용은 보강적 및 파괴적 광간섭을 사용하고, 프레넬 렌즈를 발생하고, 광학 신호의 모드를 매칭하고, 예를 들면, 파장 분할 다중화에서 파장 선택도에서, 혹은 스펙트로스코피 및 센서 응용을 위한 파장 선택기로서 필터를 형성함으로써 광 트랩을 형성하는 것을 포함한다. 어레이 내 마이크로구조화된 필라 및 홀의 치수 및 간격을 가변시킴으로써, 흡수 계수의 강화 팩터를 증가시키고 광 트랩을 개선하고, 프레넬 렌즈를 생성하고, 광학 신호의 방사 패턴의 모드 매칭을 할 수 있는 보강적 및 파괴적 광간섭을 초래할 수 있음에 유의한다.
도 49는 일부 실시예에 따라 필라 및 홀 모두의 조합을 갖는 마이크로구조화된 표면을 도시한다. 마이크로구조 어레이(4900)는 전역적으로 또는 국부적으로 동일한 마이크로구조화된 표면 상에 공존하는 필라 및 홀을 포함한다. 필라 및 홀 모두는 마이크로구조화된 광검출기를 위한 단일 어레이(도 49에 도시된 바와 같은) 내에 존재할 수 있고, 또는 홀 및 필라는 서로 상이한 마이크로구조화된 광검출기를 위한 별도의 어레이 상에 존재할 수 있다. 또한, 홀(들)은 필라 내에 존재할 수 있고 필라(들)는 홀 내에 존재할 수 있고 이들은 또한 전역적이거나 국부적일 수 있다. 필라, 홀, 필라 내 홀(들), 및 홀 내 필라(들)은 임의의 형상, 예를 들면 둥근 홀 내에 장방형 필라를 가질 수 있고, 이들의 임의의 혼합을 가져 흡수 계수, 광 트랩, 보강적 및 파괴적 광간섭, 스캐터링, 니어 필드 효과, 선형 및 비-선형 광학 효과, 서브-파장 효과, 프레넬 렌즈, 파장 선택, 광학 모드 매칭, 회절, 고 콘트라스트 그레이팅, 블레이즈 그레이팅, 고 Q 공진기, 고 콘트라스트 그레이팅을 사용한 고도로 반사적인 미러의 강화를 최적화할 수 있다.
마이크로구조화된 필라 및 홀(및 이들의 변형) 어레이는 Si, Ge, Si 위 Ge, Si 위 SiGe, Ge 위 SiGe 내에 제조될 수 있다. 어레이 구조는 Si, Ge 및 SiGe의 임의의 조합일 수 있다. 어레이는 전체적으로 Si 또는 Ge 또는 SiGe, 또는 Si 위 Ge, 또는 Ge 위 Si, 또는 모두 위에 SiGe을 가진 Si 위 Ge일 수 있다. 구조는 또한 Si, Ge 및 SiGe 및 Si, Ge, 및 III-V, II-VI 물질 시스템의 임의의 조합과 함께 III-V 및 II-VI 물질 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 어레이 구조는 또한, 몇가지를 나열하면, 폴리머, 유리, 산화물, 질화물, 천이 금속의 황화물 및 클로라이드, 세라믹, 석영, SOI, IOS, 유기 전도성 및 비 전도성 폴리머, 그라펜과 같은 탄소 기반 물질을 포함할 수 있다.
마이크로구조 필라, 홀, 보이드, 및 이외 임의의 다른 형상들로서 예컨대 피라미드, 마이크로와이어, 나노와이어, 다수의 물질, SAG 마이크로구조는 기판의 표면에 수직하지 않은 방위들을 가질 수 있다. 이들은 수직할 수 있는 및 또는 표면에 수직에서 벗어날 수 있는 단일 또는 다수의 방위들을 가질 수 있다. 이들은 랜덤 또는 의사 랜덤, 단일 패턴 또는 각도가 실리콘 기판에 수직에 관하여 0 내지 90도의 범위일 수 있는 임의의 각도에 다수의 패턴 방위들일 수 있고, 이들은 측벽 상에 및 모든 3 차원 상에 있을 수 있다. 어떤 방위에서 마이크로구조를 갖고, 광센서는 조사의 어떤 방향에 대한 더 높은 감도를 가질 수 있다. 반대로, 다수의 방위 및 또는 랜덤 또는 의사 랜덤 방위를 갖고, 광센서는 대부분이 조사의 방향에 비감응일 수 있다.
반도체 내 매설된 보이드로 유효 굴절률을 감소시키는 것은 PD/APD 및 PV 디바이스를 넘어선 응용을 갖는다. 이것은 또한, 예를 들면, 광 도파관에서 응용을 갖는다. 도 50은 일부 실시예에 따라 광학 릿지 도파로의 단면도이다. 도파로(5000)는 Si의 유효 굴절률을 변경하기 위해 보이드의 밀도를 사용한다. 일부 실시예에 따라 Si 이외의 물질, 예를 들면 Ge, SiGe과 같은 다른 반도체, III-V 반도체 족 중 어느 것, 또는 세라믹, 유리, 폴리머와 같은 다른 물질이 사용된다. Si 광자 광 도파관(5000)에서, 릿지(5002) 및 슬래브(5004)는 BOX(매장된 산화물) Si 기판(5006) 상에 Si로 만들어진다. 1100-1800 nm 파장에서 3.49 Si의 고 굴절률에 기인하여, 고체 Si 도파로의 치수 공차는 매우 중대하다. 공지의 Si 광자 성분들은 제작하기가 어렵고 낮은 수율을 가지며 온도에 민감하다. 일부 실시예에 따라, 보이드는 Si 층 내 매설된다. 보이드의 밀도를 가변시킴으로써, 복합 Si-보이드의 굴절률은 조절될 수 있다. 도 50의 개략도에서, 릿지 도파로(5000)는 릿지(5002) 상에 보이드(5012) 뿐만 아니라, 슬래브(5004) 상에 보이드(5014)를 갖는다. 릿지(5002) 내 보이드(5012)의 밀도는 슬래브(5004) 내 보이드(5014)의 밀도 미만이다. 그러므로, 릿지(5002) 내 굴절률은 슬래브(5004) 내 굴절률보다 커서 릿지 광 도파관가 되게 한다. 도파로(5000)의 광학 모드는 점선 난형(5022)에 의해 나타내었다. 저 굴절률은 치수 공차를 감소시키는데 도움을 주며 광 도파관는 큰 치수를 가질 수 있다. 이에 따라, 일부 실시예에 따라, 굴절률은 보이드 밀도를 가변시킴에 의해 달라지게 되어 커플러와 같은 다른 성분들을 제작하기가 더 쉬워지게 할 수 있다. 보이드의 치수는 광 파장에 따라 10nm 내지 1000nm 범위의 서브-파장일 수 있다.
일부 실시예에 따라, 보이드는 또한, Si 웨이퍼의 유효 굴절률을 조절하기 위해 실리콘 웨이퍼(BOX/SOI 실리콘 웨이퍼를 포함하는) 내에 매설된다. 이어, 매설된 보이드를 가진 Si 웨이퍼는 실리콘 광자 회로를 위한 출발 플랫폼일 수 있다. 이것은 또한 기계적 가요성을 가능하게 하지만 여전히 실리콘의 고 품질 및 이의 전기적 특징을 보유하는 큰 영역 PV 전지를 위한 플랫폼일 수 있다. 이것은 또한, 가요성있는 디스플레이를 위한 플랫폼 및 기계적 가요성 및 또는 경량을 요구하는 다른 전자장치일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 보이드를 매설 또는 내장하는 것은 Si만으로 제한되지 않고, Ge, GeSi, 비정질 반도체, III-V, II-VI 물질 패밀리, 폴리머, 유리, 석영, 금속, 합금, 세라믹 및 가요성을 요구하는 이외 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 보이드는 특정한 응용을 위해 가스, 액체 또는 고체로 채워질 수 있다. 예를 들면 어닐링을 요구하지 않는 스핀 온 유리와 같은 젤은 반도체와 같은 표면 또는 추가의 열화를 방지하기 위해 몇가지를 나열하면 습기, 물, 산소와 같은 환경에 민감한 임의의 표면을 시일링하기 위해, 충돌에 기인한 크랙과 같은 디바이스의 무결성이 손상받는 충돌/크랙 상황을 위해 사용될 수 있다. 보이드는 또한 크랙 전파를 방지하는데 있어 우수하다.
도 51은 일부 실시예에 따라 보이드를 사용한 실리콘 내 매설된 광 도파관의 단면도이다. 복합 도파로(5100)는 어떤 위치에서 선택적으로 유효 굴절률을 변경하기 위해서 Si-보이드를 사용하여 Si 기판(5106) 내에 형성된다. Si의 유효 굴절률은 Si의 주어진 볼륨 내에 보이드의 총 볼륨을 조절함으로써 정밀하게 조절될 수 있다. 도 51에 도시된 예에서, 더 높은 밀도 보이드(5114)는 낮은 밀도 보이드(5112)의 중앙 영역을 둘러싼다. 도파로(5100)의 광학 모드는 점선의 난형(5122)에 의해 나타내었다.
일부 실시예에 따라, 보이드의 치수 및 간격은 스캐터링 손실을 감소시키고 제작의 용이성을 제공하게 최적화된다. 또한, 보이드 치수 및 간격은 어떤 응용을 위해 조절될 수 있다. 예를 들면, HCG에서 치수 및 간격은 치수 및 간격이 대략 고 굴절률 물질 내에 파장과 저 굴절률 물질에서 파장 사이에 놓이는 니어 필드 정황을 만족시키기 위해 선택된다. 대부분의 경우, 유효 굴절률을 감소시키는 응용에서, 보이드 및 주변 물질 치수 및 간격은 보이드를 내포하는 마이크로구조가 고 또는 저 굴절률 물질에서 파장보다 적은 혹은 훨씬 적은 서브-파장 정황 내에 있다. 커플링 응용을 위해서, 회절 정황은 마이크로구조(보이드 및 물질) 치수 및 간격일 수 있다. 이것은 디바이스 수행을 최적화 하기 위해 2 이상의 정황의 혼합일 수 있다.
어레이 패턴은 마이크로구조 앙상블을 포함할 수 있고, 개개의 마이크로구조의 이의 분포는 모든 3차원, 방위 및 간격(중첩을 포함하여)에서 주기적, 비주기적, 처핑, 랜덤, 의사랜덤, 균일, 또는 비-균일할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 패턴은 마이크로구조 내에 마이크로구조를 포함할 수 있다. "어레이" 및 "패턴"이라는 용어는 본원에서는 상호교환적으로 사용된다.
PD/APD는 25-50 오옴인 전형적인 전송 라인 임피던스에서 초당 기가비트(Gb/s)보다 큰 광대역 변조 신호를 추출하기 위해 애노드와 캐소드 사이에 바이어스된다. 일부 실시예에 따라, 외부 바이어스는 DC 파워 서플라이에 도달하는 것으로부터 RF 신호를 차단하고 PD/APD에서 떨어져 전송 라인을 바이어스하는 것으로부터 DC를 차단하기 위해 전송 라인에 연결된 바이어스-티(bias-tee)로 제공된다. 바이어스-티는 기본적으로, 인덕터 및 커패시터, RF를 차단하기 위한 인덕터 및 PD/APD로부터 떨어져 DC를 차단하기 위한 커패시터로 구성된다. -2 내지 -30 볼트의 외부 바이어스는 요망되는 응용, PD 또는 APD 및 수행에 따라 인가된다.
PV 모드에서, 어떠한 외부 바이어스도 인가되지 않으며, PV는 기본적으로 전류 발생기이다. 모든 전기적 연결은 DC 전류/전압을 AC 전류/ 전압으로 전환하는 전환기에 연결하는 PV로부터 DC 전류에 대한 것이다.
PV 디바이스는 DC 모드에 있고, 반면 데이터 및 전기통신을 위한 PD/APD는 모두가 1 내지 100 Gb/s 범위의 변조 대역폭을 가진 RF이다. 캐리어 및 커패시턴스의 주행 시간은 PD 및 APD에선 중대하지만 PV에 있어선 그렇지 않다.
"변조 대역폭" 및 "대역폭"이라는 용어들은 본원에서 사용되는 바와 같이 상호교환적일 수 있다. 두 용어는 RF 신호가 광에 부여되는 변조(예를 들면 레이저 또는 LED의)를 지칭한다. 이 변조된 광("광학 신호"라고도 함)이 PD/APD을 조사할 때, RF 변조된 신호는 추출되어 광에서 전기적 신호로 전환된다. 예를 들면, 20 Gb/s의 PD/APD의 대역폭 또는 변조 대역폭은 20 Gb/s의 데이터 레이트로 레이저 광 빔 상에 부여된 RF 신호가 광학을 양호한 신호 무결성 또는 신호 복제를 가진 전기적으로 PD/APD에 의해 전환될 수 있음을 의미한다. 레이저/LED는 전송기이며, PD/APD는 전기적 신호가 트랜스임피던스 증폭기와 같은 증폭기에 의해 더욱 처리될 수 있는 수신기이며, 신호는 몇가지를 나열하면 응용특성의 집적회로(ASIC) 컴퓨터(CPU 중엉처리 유닛), 라우터, 메모리에서 더욱 분석 및 처리를 위해 보내진다.
일부 실시예에 따라 매설 또는 내장된 보이드 광다이오드 및 애벌런치 광다이오드와 함께 및 또는 없이 Ge, Si 위 Ge를 갖는 Si 및 Ge 및 Si 재성장 내에 마이크로구조화된 필라 및 또는 홀을 위한 응용은 데이터 및 전기통신에서 있다. 일부 실시예에 따라, 이들 응용은 섬유 대 홈, 근거리 네트워크, 데이터 센터 광학 상호연결 보드 대 보드, 보드 상에, 랙 대 랙, 및 칩 대 칩, 데이터 센터들 간, 메트로 영역 네트워크, 및 센티미터 미만 내지 10 이상 킬로미터의 거리를 위한 광학 통신을 포함한다. 소비자 공간에서 응용은 또한, 게임 박스, 개인용 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰과 같은 모바일 디바이스, 애니메이션 스튜디오, 및 초당 1 기가비트 이상의 대역폭으로부터 이익을 얻는 어느 곳을 포함한다. 마이크로구조화된 PD 및 APD의 다른 응용은, 일부 실시예에 따라, 광대역 통신이 중요한 센서, 예컨대 센서가 데이터 분석을 위해 데이터 센터에 연결되는 원격 수신기와 통신하는 기반구조, 건강, 환경, 유전 탐사를 위한 센서에 있다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 PD 및 APD의 다른 응용은 고 감도 및 대역폭이 중요한 분석 기기 및 광학 테스트 및 측정 기기에 있다.
일부 실시예에 따라, 마이크로구조화된 PV는 도시 및 가정에 파워를 공급 내지 센서에 파워를 공급하기 위해 기가와트에서 와트로, 줄곧 파워 발생을 위한 에너지 수확(harvest)에서 응용을 갖는다. 마이크로구조화된 PV는 경량 및 고 효율이기 때문에, 이것은 모바일 응용, 공간, 태양 수송, 가정에서 광자들의 리사이클, 사무실 및 공장에서 사용될 수 있다. PV는 또한 윈도우에 사용될 수 있고 반-투명일 수 있다.
Ge, Si 위 Ge, 필라, 홀, 및 보이드를 가진 Si, Ge, Si 재성장 내 기술된 마이크로구조는 임의의 형상 및 형상일 수 있고, 도시된 개요도로 제한되지 않는다. 일부 실시예에 따라, 치수는 10-10000 nm(나노미터)의 범위이다. 마이크로구조는 예컨대 홀(들) 내에 필라(들), 필라(들)내에 홀(들)과 같이 서로 내에 있을 수 있고 및 보이드(들)는 필라 내에 있을 수 있고 및 또는 반도체 헤테로지니어스 또는 호모지니어스의 임의의 층 내에 매설 및 또는 내장될 수 있다. 사용되는 물질은 Si, Ge, GeSi, Si 위 Ge, 및 InP, GaN, InGaAsP, GaAs의 III-V 족 물질 패밀리와 같은 반도체, 및 ZnO, CdTe, CuInGaSe(CIGS), 비정질 Si, 또는 임의의 비정질 반도체 및 또는 마이크로결정질 및 결정질 반도체와 같은 다른 반도체를 포함한다. 물질은 비정질, 마이크로결정질, 결정질 헤테로지니어스 및 또는 호모지니어스의 조합일 수 있다. 사용되는 물질은 또한, 반도체로 제한되지 않으며 폴리머, 전기적으로 전도성, 반전도성, 비-전도성 폴리머, 유기 및 또는 무기 폴리머, 유리, 전도성, 반전도성, 비-전도성 유리를 포함한다. 반도체 및 또는 금속의 나노입자가 폴리머 및 유리 내에 매설될 수도 있다. 반도체, 폴리머 및 유리는 동일한 마이크로구조 내에 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 실리콘 광자 회로 응용에서, 앞에 도 50에 도시된 바와 같은 광 도파관는 광학 소스 및 광다이오드, 애벌런치 광다이오드 및 광전도체와 같은 광학 검출기와 통합될 수 있고, 도 52는 일부 실시예에 따라 마이크로구조화된 PD/APD에 통합된 릿지 도파로의 단면도이다. 디바이스(5200)는 마이크로구조화된 Si 위 Ge 광다이오드 또는 애벌런치 광다이오드(증배층이 추가된)에 에지 결합되는 릿지 도파로를 포함한다. 릿지 도파로 부분에서, 도 50에 도시된 바와 같이 릿지(5202)는 저 밀도 보이드(5212)를 가지며 슬래브(5204)는 고 밀도 보이드(5214)를 가졌다. PD를 위한 N 도핑(지역(5224))을 증가시키기 위해 이온 주입이 사용되며, 공면(coplanar) 전송 라인은 아래에 도 53에 도시된 바와 같이 전기적 신호를 추출하기 위해 광다이오드 상에 제조된다. 애노드 콘택(5226)은 일부 실시예에 따라 P-Ge로 만들어진다. 캐소드 콘택은 층(5224)(캐소드 콘택은 간단히 하기 위해 도면의 명확성을 위해 도시되지 않았다)에 만들어진다.
도 53은 일부 실시예에 따라 도 52에 도시된 통합된 릿지 도파로 및 마이크로구조화된 PD/APD의 평면도이다. 디바이스(5200)는 공면 전송 라인 구성에 있다. 릿지 부분(5202)은 일부 실시예에 따라 0.5 내지 10 ㎛ 폭 및 0.1 내지 10 ㎛ 깊이이다. 슬래브 부분(5204)는 실리콘 광자 회로를 위한 플랫폼으로서 굴절률을 가변시키기 위해 도 52에 도시된 바와 같이 고 밀도 보이드를 갖는다. 공면 캐소드(5228, 5230)는 도 52에 도시된 N-Si 이온 주입된 영역(5224)과 접촉한다. 일부 실시예에 따라, 광학 필드는 또한 광학 필드가 흡수 I 마이크로구조를 중첩하게 PD/APD를 광 도파관 위에 배치함으로써 희미하게 결합될 수 있다.
도 54a 및 도 54b는 일부 실시예에 따라 보이드를 가진 Si 상에 마이크로웨이브 전송 라인을 도시한 것이다. 실리콘 상에 고 비트 레이트 전송 라인은 다수의 효과, 서파(slow wave) 내지 분산 내지 손실이 일어난다. 그러나 일부 실시예에 따라, 고-밀도 보이드의 추가와 함께 실리콘 물질의 대부분을 제거함으로써, 분산 및 손실은 완화될 수 있고 신호 무결성이 회복될 수 있다. 이점은 여러 IC 칩들을 연결하기 위한 전송 라인을 위한 알루미나와 같은 중간 세라믹의 사용 없이 실리콘은 마이크로웨이브 전송 라인 및 IC 모두를 위한 기판일 수 있다는 것이다. 도 54a는 실리콘의 유효 유전 상수를 감소시키고 측방 전기적 전도율에 지장을 주어 비트 레이트가 복수 Gb/s 범위(예를 들면 40-60 Gb/s)으로 증가할 때 중요한 낮은 마이크로웨이브 손실 및 분산을 초래할 수 있게 하는 실리콘(5304) 내 매설되는 고 밀도 보이드(5314)를 도시한 단면도이다. 공면 마이크로웨이브 금속 전송 라인(5310)는 동일 기판 상에 전자 디바이스(예를 들면 프로세서, 저장 디바이스, 입력-출력 디바이스, ASIC, CPU, 및 메모리)에/로부터 전기적 신호를 이동하는 수단으로서 제공된다. 도 54b는 평면도이다. 종래의 기술은 추가의 패키징을 필요로 하는 다수의 칩 캐리어를 사용한다. 일부 실시예에 따라, 동일 실리콘 기판 상에 많은 디바이스 전부를 갖는 것은 즉시 모두가 제조될 수 있고 각 칩에 대해 추가의 패키징을 요구하지 않기 때문에 비용을 크게 감소시킨다. 일부 실시예에 따라, 보이드(5314)는 실리콘 내 경로 길이가 측방 저항률을 증가시키기 위해서 측방으로 현저히 증가되는 방식으로 배열된다. 일부 실시예에 따라, 프로톤 및 또는 산소의 이온 주입은 전기적 저항률을 더욱 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에 따라 도 54a 및 도 54b이 공면 배열을 도시할지라도, 다른 마이크로웨이브 전송 라인 배열(예를 들면 마이크로스트립(microstrip), 슬롯라인(slotline), 및 스트립라인(stripline))이 고-밀도 매설된 보이드를 가진 반도체 기판과 함께 사용된다. 일부 실시예에 따라, 고-밀도 보이드의 배치 및/또는 다른 특성(예를 들면 크기, 형상, 및 충전 물질)은 언제든 응용에 적합하도록 서파 효과가 조작 또는 "조율"될 수 있도록 선택될 수 있다.
도 55는 일부 실시예에 따라 열 생성 IC 및 광 에미터의 열 전도 및 열적 격리를 위한 보이드의 단면도이다. 실리콘(5404) 내 매설된 보이드는 헬륨 가스와 같은 열적 전도체, 구리, 알루미늄, 텅스텐과 같은 금속, 또는 보론 질화물과 같은 세라믹, 또는 탄소, 그라펜, 다이아몬드 유사 탄소, 또는 헤테로지니어스 물질/나노입자로 도핑된 세라믹, 탄소 나노튜브로 채워질 수 있다. IC 및 CPU(5422)와 같은 열 생성 요소, 및 레이저 다이오드 및 바이폴라 드라이버와 같은 광 에미터(5420) 밑에 보이드(5414)는 뜨거워진 성분들로부터 열을 추출하고 이를 열 싱크(5402)에 보내기 위한 강화된 열적 전도체로 채워질 수 있다. 뜨거워진 요소들 사이에 보이드(5412)는 예를 들면 뜨거워진 성분들 사이에 또는 열이 바람직하지 않은 임의의 다른 성분들에의 열적 크로스토크를 방지하기 위해서, 부분 진공에 있거나 또는 질소, 아르곤, 탄소 이산화물과 같은 가스로 채워지는 저 열 전도 상태에 유지된다. 일부 실시예에 따라, 보이드는 실리콘 내 경로 길이가 저 열적 크로스토크를 유지하기 위해 현저하게 증가되도록 하는 방식으로 배열된다. 일부 실시예에 따라, 도 55의 기술은 태양에 노출되었을 때 PV을 서늘하게 유지하기 위해 사용된다. 일부 실시예에 따라, 열전기 디바이스는 과도한 열로부터 전기를 발생하기 위해 보이드와 함께 통합될 수 있다.
도 56은 일부 실시예에 따라 측방 전기적 저항률을 증가시키기 위한 측방 경로 길이를 증가시키고 측방 열적 전도를 감소시키기 위해 보이드의 분포를 도시한 단면도이다. 마이크로웨이브 전송 라인을 위해 및/또는 열적 관리를 위해 구성된 매설된 보이드(5602)는 측방 전기적 및 열 전도가 현저히 감소되고 수직 전기적 및 열적 전도가 현저히 강화된되는 영역 내에 랜덤하게, 의사 랜덤하게, 또는 패턴으로 배열될 수 있다. 측방 전기적 및 열 전도 강화가 요망되는 영역이 있을 수 있고, 이 경우에 보이드는 전도성 채널을 형성하기 위해 중첩할 수 있다.
이 특허 출원은 디바이스의 본성 및 동작을 설명하는데 있어 어떤 이론을 언급하지만, 그러나 이러한 이론은 현재의 이해에 기초하고 미래에 발달이 이론이 부정확함을 입증할지라도 개시된 디바이스의 실제 동작에 영향을 미치지 않음이 명백할 것이다. 이 특허 멩세서는 또한, 파라미터의 수치적 범위를 언급하며, 이러한 범위로부터 가공의 일탈은 여전히 개시된 진보의 정신 내에 있음이 이해될 것이다.
전술한 것이 명확성을 위해 얼마간 상세하게 기술되었을지라도, 어떤 변경 및 수정은 이의 원리 내에서 행해질 수 있음이 명백할 것이다. 본원에 기술된 프로세스 및 장치 모두를 구현하는 많은 대안적 방법이 존재함에 유의해야 한다. 따라서, 본 실시예는 제약이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 하고, 본원에 기술된 작업물은 첨부된 청구항의 범위 및 등가물 내에서 수정될 수 있는 본원에 주어진 상세로 제한되지 않는다.

Claims (69)

  1. 마이크로구조-증강(microstructure-enhanced) 광흡수성을 지닌 광검출기(520)에 있어서,
    캐소드 영역;
    애노드 영역;
    상기 애노드 영역에 결합된 네거티브 전압 콘택 및 상기 캐소드 영역에 결합된 포지티브 전압 콘택을 포함하고 상기 캐소드 영역을 상기 애노드 영역보다 더 포지티브한 전압으로 구동하기 위한 리버스 바이어싱 회로;
    상기 캐소드 영역 및 애노드 영역에 동작적으로 연관되고 Si 및 Ge 중 하나 또는 둘 다를 포함하며 소스 신호로부터 광자들을 흡수하도록 구성된 에피택셜 성장된, 결정질의, 마이크로구조-증강 광자 흡수 반도체 영역을 포함하고;
    상기 영역들 중 적어도 하나는 복수의 이격된 홀들(holes)로 의도적으로 형성되고;
    상기 광검출기는 상기 복수의 홀들을 포함하며 복수의 상기 홀들에서 동시에 입사광 빔을 수용하도록 구성되는 활성 영역을 갖고; 그리고
    상기 리버스 바이어싱 회로는, 상기 홀들 위 및 홀들 간의 상기 영역들 위를 포함하여 광검출기의 상기 활성 영역 위에 전도성 층을 포함하고; 그리고
    상기 광검출기는 초당 기가비트 범위의 대역폭으로 및 30% 이상의 양자 효율로 광검출기 모드에서 작동하는 특성을 갖는, 광검출기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 홀들은 상기 전도성 층에 가까워질수록 또는 상기 전도성 층으로부터 멀어질수록 가늘어지는, 광검출기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로구조들은 비주기적으로 이격된 어레이로 배치되는, 광검출기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 홀들은 홀들이 없는 광검출기와 비교하여 흡수성을 증가시키는, 광검출기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 영역들은 층들을 포함하고 상기 광자 흡수 반도체 영역은 상기 애노드 영역 및 캐소드 영역의 층들 사이의 층인, 광검출기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 홀들은 상기 애노드 영역 및 캐소드 영역 중 단지 하나를 통해 연장되는, 광검출기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는, 적어도 60%의 양자 효율을 갖고 상기 입사광 빔의 850 나노미터의 파장들에서 초당 5 기가비트 초과의 데이터 대역폭으로 작동하도록 구성된, 광검출기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는, 적어도 60%의 양자 효율을 갖고 상기 입사광 빔의 850 나노미터의 파장들에서 초당 10 기가비트 초과의 데이터 대역폭으로 작동하도록 구성된, 광검출기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는 60% 초과의 양자 효율을 위해 구성된, 광검출기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는, 적어도 40%의 양자 효율을 갖고 상기 입사광 빔의 980 나노미터의 파장들에서 초당 1 기가비트 초과의 데이터 대역폭으로 작동하도록 구성된, 광검출기.
  11. 제1항에 있어서, 기판을 더 포함하고, 상기 캐소드 영역, 상기 광자 흡수 반도체 영역 및 상기 애노드 영역은 상기 기판 위에 형성되고, 상기 광검출기는 상기 광검출기의 기판-측으로부터 상기 소스 신호를 수신하도록 구성된, 광검출기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는 상기 소스 신호의 부분이 첫 번째로 상기 광자 흡수 반도체 영역을 통과하고, 일 표면으로부터 반사되고, 이후에 두 번째로 상기 광자 흡수 반도체 영역을 통과하도록 구성된, 광검출기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는 애벌런치 광다이오드이며, 실리콘으로 형성된 증배 영역을 더 포함하는, 광검출기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 영역 및 상기 애노드 영역은 에피택셜 성장된결정질 물질을 포함하는, 광검출기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 홀들은 상기 애노드 영역 및 캐소드 영역 중 적어도 하나로 에칭되는, 광검출기.
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