TWI232623B - High speed data channel including a CMOS VCSEL driver and a high performance photodetector and CMOS photoreceiver - Google Patents

High speed data channel including a CMOS VCSEL driver and a high performance photodetector and CMOS photoreceiver Download PDF

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Description

1232623 五、發明說明（1) ' -- 一、 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於高速光資料傳輸，更具體而言，係關於 一具有垂直共振腔面射型雷射（Vertical Cavity Surface
Emitting Laser，VCSEL)二極體互補金氧半導體驅動器以 及高性能矽光摘測器之資料通道（data channel)。 二、 【先前技術】 一般而言’當處理器的時鐘率（cl〇ck rate)往每秒 咼達數個十億位元（Gbps )的範圍前進時，先進的資訊處 理系統需要聚集通訊頻寬每秒高達兆位元 (Terr ab it/sec )以上。而典型的資料連結介質，銅連 線’就無法適用於這樣的高頻寬。同樣面臨這個問題，電 #以及資料通訊產業已經大量轉向光學系統。因此，光學 系統預期會被廣泛地應用在高性能系統，例如光學通道以 及匯流排。在這些高性能系統當中，光學介質將會取代電 介質’無論是與尚性能祠服器的溝通、或者是伺服器本身 之内的框次配件（frame subassembly )之間的溝通、個別 主機板之間的溝通、甚至是同一個主機板上或相同模組中 晶片之間的溝通。然而，大部分最先進的光學通道都需要 昂貴、高性能的光學驅動器以及接收器於複合半導體 (compound semiconductors )中，也就是 III-V族半導 體，例如珅化鎵（GaAs )、填化銦（I nP )、砰化銦鎵 (InGaAs )等。 一般而言，大部分目前技藝（state of the art)的
4IBM0387TW.ptd 第7頁 1232623 Z '發明說明（2) ' ------- 高性能系統都是使用互補式絕緣閘極場效電晶體 技術，一般稱做互補金氧半導體（CM〇s)。在大^^ )夕 況下，在高性能通訊裝置中所達到的性能，會在將:生二 。:快：靈敏）I合半導體元件（即雷射二極體或光二- ^ )連接到互補金氧半導體驅動器或接收器時喪失 此，除了包括複合半導體元件的成本以外，目前技藝㊉ 一極體驅動器或光接收器（也就是一光偵測器驅動一收 於連接元件到電路中損失許多性能上的優點。於結合 思些技術（即，整合複合半導體裝置與互補金氧半導體電 路在相同晶片上）所做的努力尚未見到任何廣泛性的成 功:並且，這些技術都相當昂貴。因此，雖然擁有優異的
性能優勢，目前這些複合半導體光偵測器以及光接收器 應用有限。 W 因為石夕的間接帶隙（i nd i rec t bandgap )特性，目前 技藝石夕光偵測器技術的應用同時也受到限制。這個特性導 致量子產率（quantum yield)(轉換10-20%的光子為光電 流）比直接帶隙複合半導體（偵測超過9〇% )低許多。而 且’石夕的載子遷移率（carrier mobilities)比複合半導 體還低。因此，對於目前技藝高性能（快且靈敏）光偵測 器與雷射二極體，例如垂直共振腔面射型雷射（VCSEL )二 極體，雖然複合半導體一般而言比矽還要貴許多，依然被 用在10 Gbps與更高速度的操作上。 雖然不是在實用的水平上，但是高性能垂直共振腔面 射型雷射一極體驅動器已經以一複雜的元件達成了，也就
4IBM0387TW.ptd 第8頁 1232623 五、發明說明（3) 是業界所知的同軸射頻偏壓-T (coaxial radio frequency (RF) bias-T )。典型的同軸射頻偏壓-T是一個體積龐大且 昂貴的元件，可以被用來驅動單一、分離的垂直共振腔面 射型雷射二極體。本質上，同軸射頻偏壓-Τ會隨著驅動一 並聯輸出電感的一輸入串聯電容器而反應。施加一偏壓或 偏移電壓（〇 f f s e ΐ ν ο 11 a g e )到電感的一端，一驅動器驅 動電容器的一端以及在電感的共通連接點的輸出，且電容 器驅動雷射一極體。因此，藉由施加一偏移偏壓（〇ffset bias voltage)到電感，此雷射二極體可以被偏壓在恰巧 啟動或超過啟動所需。一輸入閘極訊號通過電容器且被疊 加上一直流偏壓。實驗性地，這樣的由同轴射頻偏壓—T所 驅動之分離的垂直共振腔面射型雷射二極體已經達到1 〇 Gbps資料速率。因此，雖然同轴射頻偏壓—τ可能可以提供 一貫驗室解決方案用以驅動少數光學訊號，但是它們對於 光學匯流排而言並不實用。因為所需垂直共振腔面射型雷 射二極體的數目，和所需通道數目對應，可能要高達3 2、 64、128或者甚至高達1024。所以，由於它們的昂責以及體 積龐大’在實驗室以外，特別是在寬通道的應用上，使用 同軸射頻偏壓-Τ是不切實際的。 因此’有需要提供高速度低成本的光學通道、以及特 =是互補金氧半導體垂直共振腔面射型雷射二極體驅動 蒸、以及南速度高量子產率的矽光偵測器與光接收器。這 些可以形成在低成本矽，以及特別是形成在互補金氧半導 體或石夕兔上」—I ，n應用在尾宜、簡
1232623 五、發明說明（4) 單、高頻寬的光學連接與應用上 三、【發明内容】 本發明的目的之一是改進低成本的資料通量 (throughput ) ° $發明是一高速光學通道，包括一光學驅動器、一光 偵測器以及互補金氧半導體先接你哭 .^ a ^卞守粒九接收夯。此先學通道驅動器 包括一％效電晶體驅動器電路（可以是一互補金 驅動一積體被動元件（例如，-積體迴圈電感或 電今益）、以及一垂直共振腔面射型雷射二極體。此垂直 共振腔面射型雷射二極體由一偏壓供應器提供偏壓。此積 體被動元件可以被集成在與場效電晶體驅動器及垂直丘振 腔面射型雷射二極體之一 /二者相同的積體電路晶片上。光 偵測器是一半導體（矽）層’其可以是位於一絕緣層上， 也就是SOI。一個或多個超薄金屬電極（<2〇nm)位於該矽 層上开> 成一蕭基旎p早（Schottky barrier)二極體接面 (junction)。其接下來形成一二維量子井包含一二維電 子氣（electron gas )於超薄金屬電極與蕭基能障二極體 接面之間。光偵測器驅動一互補金氧半導體接收器__例如 一反相器。 3、【實施方式】 現在請參考圖式，圖丨顯示一較佳實施例短波長 ( 850nm)垂直共振腔面射型雷射二極體1〇〇的光強度—電
第10頁 1232623 五、發明說明（5) 流/電壓（L I - I V )特性圖之範例，例如可以藉由根據本發 明較佳實施例之互補金氧半導體驅動器而被驅動在每秒1 〇G 位元（Gbps )及以上。垂直共振腔面射型雷射二極體1〇〇具 有一由曲線1 〇 2所表現的類似任何典型二極體的電流對應電 壓（I /V )特性。而且，然而，垂直共振腔面射型雷射二極 體100的光放射特性是由光強度對應電流（LI )曲線1〇4所 表示。垂直共振腔面射型雷射二極體在丨.6伏特或稍微高一 點的時候開始傳導電流，並且在1 · 7伏特與一毫安培，也就 是它的臨界電壓（threshold voltage) (^)與臨界啟動 電流（threshold on current ) (Ith )，開始放射。然 而’在任何可察覺的水平它並未開始放出雷射。一直到 106，在那裡它達到驅動電壓丨· 8至2· 〇伏特與裝置電流 (device current ) 4至8毫安培，並且發射3至3·5毫瓦特 (3-3.5mW)的光學功率，此接近垂直共振腔面射型雷射二 極體100之連續波（CW)放射的最大功率。對於像是〇.8至^ 1 · 5伏特互補金氧半導體般典型的低壓驅動器而言，要達到 2伏特通過垂直共振腔面射型雷射二極體並不是一件容易的 事。本發明的低壓（互補金氡半導體）驅動器高性能地驅 動垂直共振腔面射型雷射二極體1〇〇的一端，使得即使是在 尚資料速率時，通過垂直共振腔面射型雷射二極體的電壓 達到其驅動電壓1.8至2·〇伏特。 藉由以低壓驅動器將其驅動到總二極體電壓為1 · 8至 2· 0伏特，而被偏壓在vth而啟動，垂直共振腔面射型雷二極 體1 00的性能得到提昇。正向偏壓的半導體接面裝置，例如
1232623 五、發明說明（6) 垂直共振腔面射型雷射二極體1 〇 〇，對於電壓改變的反應比 在關閉或者是負向偏壓時還要快許多。這性能的差異被稱 做啟動時間（turn on time)或者啟動延遲（turn on delay )。啟動延遲--有時候可能非常明顯――可以藉由將垂 直共振腔面射型雷射二極體1 〇 〇予以偏壓，例如在1. 7伏特 與2毫安培，而避免。然後，此被偏壓的垂直共振腔面射型 雷射二極體100以更高的光學切換速率（optical switching rate)被切換發射。 所以，垂直共振腔面射型雷射二極體1〇〇由一低電壓驅 動裔電路驅動而啟動與關閉，較佳者是由一互補金氧半導 體驅動器。如同上述所說明，垂直共振腔面射型雷射二極 體100的發射點（emission point)使得低電壓驅動器無法 獨自驅動到足夠高的水平以便讓垂直共振腔面射型雷射二 極體100產生發射。也就是，低電壓驅動器供應電壓（L) 低於臨界電壓Vth，而在一些實施例中，ydd幾乎只有yth的一 半。不像偏壓電壓將垂直共振腔面射型雷二極體1 Q 〇予以偏 壓在--或者低於一發射點般，低電壓驅動器提供足夠額外 的驅動力來好好將垂直共振腔面射型雷射二極體丨〇〇驅動至 發射。一個或多個被動元件防止垂直共振腔面射型雷射二 極體1 0 0在互補金氧半導體驅動器未驅動的時候關閉。較佳 者，被動元件--可以是電抗（reactive)或電阻 土
Resistive)或二者皆是一是一高q值電抗元件，也就 是，有最小的阻值。因此被動元件可為一高Q電感或電容， 或一低阻值電阻。被動元件維持通過垂直共振腔面射型雷
1232623 五、發明說明（7) 射二極體的電流在或者稍微低於它的發射電流，且互補金 氧半導體驅動器選擇性地驅動垂直共振腔面射型雷射二才^ 體使其發射。 圖2顯不一單一較佳被動元件、一高Q積體電感丨丨〇或微 電感（micro-inductor)的範例，其可以被集成在驅動器 晶片上、垂直共振腔面射型雷射二極體晶片上、或者是在 連接到驅動器與垂直共振腔面射型雷射二極體晶片的中間 晶片（intermediate chip )上。同樣地，微電感i 1〇可以 被包括在一包含驅動益與垂直共振腔面射型雷射二極體二 者這樣的晶片上。實質上，這個實施例可以在任何積體電 路技術中實施，特別是標準晶片上互連（on —chip interconnects )有6至8層金屬層的互補金氧半導體中。在 這個範例中，微電感11 〇包括5個迴圈：11 2、11 4、11 6、 118、以及120在五個鄰接的佈線層（wiring layer)，例 如銅佈線上，並且源自/結束於接觸墊122、124。再者，每 個迴圈11 2、11 4、11 6、11 8、以及1 2 0，雖然例示是正方 幵> ’仍可以是任何適當的形狀，例如六角形、八角形及其 它等等’縱使較佳的圓形是不實際的。這個例子的正方形 迴圈112、114、116、118、120的每一邊是200至2 5 0微米 (Vm)，或者是每個迴圈112、114、116、118及120的長 度大約疋一耄米（mm)長。電感阻值視製程而定而有所不 同’但是一般是25至50歐姆，使得在2毫安培時，電感的壓 降大約是5 0毫伏特，亦即可略。選擇性地，當多個微電感 11 0在單一的一個晶片上時，它們可以共享單一的一個共用
4IBM0387TW.ptd 第13頁
1232623 五、發明說明（8) 偏壓墊1 2 2或1 2 4，例如，墊1 2 4可能連接到與迴圈1 1 2在相 同佈線平面的一共用埋藏偏壓線（未顯示）。 因此，藉由這樣建構多圈電感，總電感是以指數正比 於迴圈數目（η )，也就是，正比於#。因此，雖然1毫米 長線圈的個別電感大約是1奈亨利（n a n 0 H e n r y，n Η )，但 是6圈或6迴圈電感的電感值卻是遠高於每圈個別電感！ nH 的6倍。相反地，由於電感圈的相互感應，總電感是6 X 6 X 1 nH = 36 nH。而典型的晶片黏貼技術，例如，佈線接合 (wire bonding )，在每個晶片輸入/輸出（！/〇)插入1至 2nH，而這遠低於本發明的微電感丨1()所達到的25至50nH範 圍。因此，使用一積體被動元件可以達到實用的電感，否 則’先前技術的選擇是無法達到的（在這個例子要不就是 提供36毫米（14π )佈線，要不就是每邊2〇〇微米的6迴圈線 圈），也因此就變得不實際而無法使用。 圖3顯示一單一晶片1 3 0的例子，其中，根據本發明的 較佳實施例，驅動器裝置132、134、被動元件（微電感 110)以及垂直共振腔面射型雷射二極體136可以包含在一 單一晶片上。垂直共振腔面射型雷射二極體丨36在它的陰極 被一外部負壓電源1 3 8施加偏壓，例如—1 · 6伏特。在這個例 子中’驅動器裝置132、134是互補金氧半導體反相器的構 造，且Ρ型場效電晶體（P-typeFET或PFET)132介於一普 通1.5伏特供應電壓以及垂直共振腔面射型雷射二極體136 的陽極（也就是反相器的輸出）之間。選配的N型場效電晶 體（NFET ) 134與微電感11〇並聯，且介於垂直共振腔面射
4IBM0387TW.ptd 第14頁 1232623
型雷射二極體1 3 6以及接地之間。 在直流偏壓情況，保持反相器輸入〗4〇在高位，在垂直 共振腔面射型雷射二極體136陽極的反相器輸出是處於接地 狀態（零伏特），且偏壓電流（在2毫安培的等級）是從微 電感110流出並且經過微電感110，經過垂直共振腔面射型‘ 雷射二極體136到偏壓供應器138的負極端。所以，在垂直 ，振腔面射型雷射二極體136陽極的輸出是在低位，實質上 是在接地狀態，藉此將垂直共振腔面射型雷射二極體136偏 壓在或者接近發射。當反相器輸入14〇是被驅動在低位，N 型場效電晶體134 (如果有包括的話）關閉，而p型場效電 晶體132>啟動，將垂直共振腔面射型雷射二極體136的陽極 拉到更咼位，直到它進入發射。因此，P型場效電晶體1 3 2 =尺寸被控制到供應足夠的電流以保持微電感丨10中的2毫 安培，以及通過垂直共振腔面射型雷射二極體136的3+毫安 培。再者，通過微電感1 1 0的電流保持在實質上2毫安培。 使用基本的一般熟知電路分析技術可以證實，在1〇〇億"鮑 (lOGbaud)的信號、資料週期為1〇〇微微秒（1〇〇ps)…的情 況下，微電感1 10的電感值在25至50奈亨利（nH )且微電感 ，壓在0· 2至0.4伏特。最後，再次將反相器輸入14〇驅動到 同位，使知P型％效電晶體1 3 2關閉，且電流持續從微電感 11〇流通過垂直共振腔面射型雷射二極體136，且微電感電 流回復到它在發射前的水平。如果包括選配的N型場效電晶 體1 3 4在内，當p型場效電晶體丨3 2關閉時，N型場效電晶體 134^啟動並且藉由鉗緊（clamp )使垂直共振腔面射型
1232623 五、發明說明（10) 田射二極體的陽極實質上接地，來防止垂直共振腔面射型 雷射二極體1 3 6的陽極，在微電感1 1 〇回復到發射前水平時 被微電感11 0拉到稍微負值。 如上所述’微電感110可以由一單一的低阻值（2〇〇至 4 0 0歐姆）電阻所取代，連同一相對應的改變，要不改變偏 壓電壓、要不就是改變P型場效電晶體丨32的尺寸，以便補 偵所需要的電流，將電阻拉到足夠的高位去驅動垂直共振 腔面射型雷射二極體1 3 6至發射。再者，雖然在這個例子當 中顯示，讓垂直共振腔面射型雷射二極體136由負壓電源 1 3 8提供偏壓、且由p型場效電晶體丨3 2拉到發射，但這只是 用於例示說明而已。本發明可以應用到任何適當的電路變 化也能達到相同的結果。例如，將垂直共振腔面射型雷射 二極體1 3 6的陽極偏壓到高於vdd以上，且將它的陰極拉低以 產生發射等等。 圖4A-B顯示在圖3之單一晶片130範例上的多晶片變 化，相似的元件以相似的元件符號標示。在圖4A的範例 中’驅動态裝置132、134與微電感11〇是在一第一晶片15〇 上，例如一光學匯流排驅動器晶片。而垂直共振腔面射型 雷射二極體136是包含在一第二晶片152上，例如一垂直共 振腔面射型雷射二極體陣列晶片，並具有連接到每個垂2 共振腔面射型雷射二極體1 3 6陰極的外加負電壓源丨3 8 (例 如在-1 · 6伏特），通常整個陣列是連接到一單一的連接 點。一單一的跳線1 5 4將每個驅動器輸出與於晶片墊丨5 6的 它的相對應微電感1 1 〇，連接到於墊丨58的相對應垂直共振
1232623 五、發明說明（11) 腔面射型Μ射一極體1 3 6的陽極。相較之下，於圖4 Β中的例 子’驅動器裝置132、134是在第一晶片160上，且微電感 110與垂直共振腔面射型雷射二極體136二者皆是包含在第 晶片1 6 2上。這二個變化的操作與圖3的實施例實質上相 同’只是跳線154增加1至3ηΗ導致微電感11〇的效能稍微降 低0 圖5Α-Β顯示圖4Α-Β的多晶片範例上的更加變化，類似 的元件以類似的元件符號標示。這些特別的實施例變異是 有效的’其互補金氧半導體電路供應電壓（L )比發射電 壓’例如0 · 8伏特，還要低。在驅動器晶片i 7 2中包含一個 隔離/促進電谷态（is〇lati〇n/b〇〇st capacitor) 170，介 於驅動器裝置132、134與相對應微電感11〇之間，並且連接 晶片塾1 74。而且，一偏壓供應電壓丨76施加到微電感11 〇的 一邊，而非接地。而垂直共振腔面射型雷射二極體136的陰 極的陰極是接地的，也就是，偏壓供應器丨3 8是設為〇伏 特。個別的跳線1 54將每個驅動器輸出1 74連接到於第二晶 片178上的墊158的垂直共振腔面射型雷射二極體136的陽 極。相反地，在圖5B的範例中，驅動器裝置132、134是位 在第一晶片180上，且隔離/促進電容器170與微電感11〇二 者是與垂直共振腔面射型雷射二極體136包含在第二晶片 182上。跳線184連接在墊186驅動器輸出與在墊188的隔離/ 促進電容器170的負（低）端。 圖5A-B的這些變化與圖3和4A-B的實施例操作上稍微有 些不同’主要是因為隔離/促進電容器170。例如圖4A中範
1232623 五、發明說明（12) 例在直流電偏壓的情況下，垂直共振腔面射型雷射二極體 1 3 6在1 · 6伏特偏壓時啟動，通過2毫安培等級的電流，而這 電流也流過微電感11 〇。當施加一輸入到驅動器裝置丨3 2與 134時，電荷蓄積在隔離/促進電容器17〇上，使得連接到微 電感110的這邊相對於另一邊是正的。再者，驅動器裝置 1 3 2、1 3 4被選擇使得操作在，例如在丨〇 〇億鮑 (lOGbaud )，電容器既不顯著充電也不顯著放電。 剛開始，——個高電壓被施加到輸入丨4〇，隔離/促進電 容器170被實質上充電到ι·6伏特。當輸入14()轉接到低值 時’ Ν型場效電晶體1 3 4關閉且Ρ型場效電晶體1 3 2啟動，促 使隔離/促進電谷器的負極上升。然而，垂直共振腔面射型 雷射二極體136在微電感no持續通過2毫安培時，鉗緊隔 離/促進電容器170的正極到大約2·〇伏特。當隔離/促進電 容器170的一邊被钳緊到2.0伏特，在電容器17〇低邊的反向 器輸出上升’剛開始到大約〇 · 4伏特，然後以一個由ρ型場 效電晶體1 3 2所決定的速率向上朝^衰退（當電容器丨7 〇放 電時），而這是根據設計時所選擇的。再次，較佳地，根 據設計，對於單一一個位元的1 〇〇微微秒（或更少）的發射 只有非常小的衰退。儘管在一個具有幾個位元的串列 (string)可此會有更多的衰退，這額外的衰退仍然是不 重要的，除非廷個串列是如此的長以至於變成一個瑣細/不 可察覺的串列。相反地，當輸入再次轉到高時，隔離/促進 電谷器1 7 0的負知再次被拉低朝接地接近，而這也將正端― 視衰退的幅度而疋--稍微拉低。當隔離/促進電容器丨7〇重
4IBM0387TW.ptd 第18頁 1232623 五、發明說明（13)
圖5B的操作實質與圖5A 新充電，輸出墊174接近1· 6伏特 相類似。 必須瞭解的是，雖然偏壓供古 是在晶片上的可變電壓源戋雷^心σ 廷ί回？、、、、不的 机& & ^ ί ;電池，但是它也可能只是一個 連，: 1 、（ —1 · 6伏特）外部供應器或任何適合的 偏壓源 ，在晶片上的電壓產生器對於互補金氧半導 體積lit 業界所熟知的。因此，電壓供應源138、 176與可能是這樣的一個在晶片上的電壓產生器或任何其它 適合的電壓源’是在晶片上或不在晶片上。 有了這樣以上所描述的高性能、高速光學資料信號驅 動器，需要適當的光學偵測器/接收器來利用這俯更高性萨 的優勢、。，此，光學通道的一個較佳實施例包括了一高性"4 能光偵測器，較佳者係一矽光偵測器，與一感測電路製作 在一互補金氧半導體晶片上。較佳的高性能光偵測器具有 一超薄的（例如，50埃）金屬量子井結構以便有加強^内 部光發射’且具有表面電漿加強（surface plasm〇n enhanced)的帶隙激發（bandgap excitati〇n)，以及， 特別是有柵格（grating )與邊緣（edge )相助的表面電裝 激發0 水 為了方便瞭解光偵測器的較佳實施例，圖6 A — B顯示在 矽當中的直接帶隙激發（由向量20 0所代表）以及間接帶隙 激發（由向量2 0 2所代表）、以及相對應吸收係數 (absorption coefficient )的機制。特別是，必須知道 直接帶隙激發2 0 0與間接帶隙激發2 0 2二者物理起源的差
1232623 五、發明說明（14) 異，以便瞭解這些激發是如何影響剖面中的光激發，以 及，更特別的是，影響光偵測器的靈敏度 (sensitivity )。所以，對於直接帶隙激發2 〇〇而言，起 始狀態204與最終狀態206相隔躍遷能（transition energy ) ( ΔΕ )，對於矽而言是3 · 5電子伏特激發，矽具 有高吸收剖面。起始與最終狀態2 0 4、2 0 6二者的電子動量 (electron momentum )分別是相同的，因此，躍遷的動量 變化（△ k )是零。由於在光激發過程中△ k = 〇，光子只需要 提供足夠的能量以便從起始狀態躍遷到最終狀態。因此， 對於直接帶隙激發2 0 0而言，能量守恆定律以及動量守恆定 律可以簡化為能量守恆，因為動量並沒有改變。 相，地，間接帶隙激發2〇2同時具有能量成分2〇8與另 外的動篁成分210 (也就是。所以，最終狀態2〇6與 起始狀悲2 0 4間隔某個能量成分（△ E > 〇 )。由於光子只能 夠提供能量成分208而無法提供非零的動量成分21〇，就如 對Λ的吸收係數所代表的，u電子伏特間接帶隙激 詻刘而9 1^剖面^ 2比3. 5電子伏特直接帶隙激發200的激 1 / v、本Ξ大小還要低幾個數量級。因此，通常850nm (〜 • 5eV)光子可以穿透到大約1〇微米於（間接帶隙 相較於直接帶隙半導體中的丨 length)(或者穿透深声（二未及收長度（absorption 兩個數量級。 又（Penetrat10n depth ))，超越 本發明的光偵測器择出/由 發，以解氺切Μ Μ # π错由使用間接▼隙特性來提昇激 夕的間接π隙特性的性能限制障礙。因此，光
1232623 五、發明說明（15) "—* --- 偵測器的一較佳實施例是一簡單、不貴的高速與高靈敏度 互補金氧半導體相容光偵測器，其可以製造在傳統的矽曰= 圓上’也可以製造在矽在絕緣體上（s〇I)基質 (substrate)上。再者，本發明可以應用在大多數其它半 導，技術以製造更靈敏與比較不昂貴的簡單光偵測器於其 匕南電子遷移率電晶體（High Electron Mobility Transistor ’HEMT)基質上，包括鍺化矽（SiGe)。 圖7顯示一較佳實施例光偵測器於一金屬—矽—金屬結構 2 2 0的範例，其中從本身蕭基能障二極體的内部光發射促進 了光该測。内部光發射已知是發生在蕭基能障且已經被用 來測量在金屬-半導體介面之蕭基能障位能的高度，以及於 某些現在的高速矽與砷化鎵光偵測器。實質上，光子激發 在金屬-半導體蕭基能障介面以上的金屬電子。當施加一偏 壓到金屬電極2 2 2、2 2 4以形成電場跨於蕭基能障時，被激 發的電子漂移（drift)通過半導體價電帶（valence band)到正偏壓的金屬集極（c〇iiect〇r)電極224。 光子引發的從起始狀態Ψ i到最終狀態ψ f的狀態躍遷， 可以躍遷矩陣（transi t ion matrix) <Ψί| △ ·Α| Ψί> 表 示’其中Α是向量位能（vector potential)。所以，躍遷 機率被起始狀態向量與最終狀態向量二者束缚，其說明了 起始與最終狀態的局部密度。因此，金屬電子光激發到蕭 基能障以上狀態的機率，會隨著在費米能階（Fermi level )之起始狀態η ( ε )的高密度而增加。所以，從接近 費米能階狀態，而非從更深能階，被激發到超過蕭基能障
4IBM0387TW.ptd 第21頁 1232623 五、發明說明（16) 的載子會增加光載子密度。 因此，如果最終狀態與位能向量對齊，則躍遷機率與 起始狀悲的密度會成正比。因此，在費米能階有較高的載 子密度也就意味著有比較高的載子激發機率以及得到較高 的偵測器量子產率（quantum yield )。本發明藉由最大化 通過超薄金屬層蕭基能障的光電流產率（photocurrent yield )而得到較高的偵測器靈敏度，而此金屬層的厚度是 在量子井範圍中，1〇〇埃或1〇奈米。 因此，根據本發明，在矽上面的超薄金屬層形成一金 屬量子井活動層（active iayer)於矽表面上，提昇了在 金屬-半導體介面的内部光發射。光偵測器的超薄活動層 (例如，1 0至3 0 〇埃，且較佳者為小於1 〇 〇埃）不僅提昇光 子吸收’同時也提高光載子的產生，因此大幅度改進光激 發過程。因此，一位於超薄金屬層中準二維（quasi-tw〇 一 dimensional)電子氣被一位能井（p〇tentiai weU)所包 圍。為了要讓位能井的寬度（也就是超薄層的厚度）達到 電子德布羅意波長（electron de Broglie wavelength) 的尺度’量子井活動層的厚度要在1〇奈米或更少的尺度。 圖8顯示位於矽2 30與矽在絕緣體上（S〇i ) 232之較佳 實施例超薄金屬層量子井的金屬—矽蕭基接觸（Sch〇ttky c ο n t a c 1:)之限制位能的一個圖示範例。在偵測器主體側 (bulk-side )之金屬-矽接面的蕭基能障形成一個空間上 隔絕的阻P早（也就是在矽内），以及由位在矽表面或偵測 器前表面上的超薄金屬層之真空位能（vacuum 、
1232623 五、發明說明（17) potential)所形成的其它隔絕阻障。如果有介電層覆蓋在 金屬層上，則此介電層的帶隙形成隔絕位能，而非真空位 能來形成。 圖9顯示量子井層厚度可以如何被調整以調整於不同能 量範圍中的區域電狀態密度，有效地操縱電狀態。這個結 構可以做成使量子井狀態的高密度是在費米能階 (EF) Chang在π於薄膜中之量子井狀態的光發射研 究丨丨（丨丨 Photoemission Studies of Quantum Well states in Thin Films" ) Surface Science Reports, 39 (2000)， 第181 - 235頁當中，教示使用光電子光譜以觀察qw電子狀態 以及操縱狀態形成的密度。再者，光電子光譜已經顯示， 將超薄金屬層一層接一層沉積在不同基質上，量子井電子 狀恶會有顯著的出現與遞變（e v 0 1 u t i 〇 η )。因此，經由調 整適當的金屬厚度，可以在費米能階形成電子狀態的高密 度。此金屬量子井直接且顯著地提昇量子產率，並且因此 提昇光偵測器性能。 已知的是’在這樣微觀（microsc0pic)的金屬結構， 例如次波長尺寸的金屬結構，顯示出在光學頻率特殊的電 性與光學特性。這些特殊的性質一點也不像金屬在較大體 積的性質。例如，雖然在正常厚度時金屬層幾乎是理想的 反射體’而且’因為能量守恆，幾乎既不吸收也不傳導 、、、：、、;、而 相反地’具有微觀不規則（i r r e g u 1 a r i t i e s ) $，期性的金屬層結構會出現強烈的光吸收，而這個由金 微觀特性所產生的強烈光吸收是由於表面電漿激發的結
第23頁 1232623 五、發明說明（18) 果0 表面電漿是被引發的表面電荷密度震盪（surface charge density oscillations)，也就是遵循馬克 士威爾 方程式（Maxwell’s equations)的表面電磁波。在光頻率 低於電漿共振頻率時，金屬的介電常數的實數部分是負 的。然而，在介電質或真空中，金屬的介電常數卻是正 的。所以’在金屬/介電質界面相反邊的介電常數實數部分 是正負相反的。所以，光線可以激發表面電漿與表面電磁 波於獨立的金屬膜、以及在半導體表面上的超薄金屬膜， 例如圖8的結構230與232。在電磁共振（resonance )，也 就是，當入射光的能量與平面内動量（in —plane momentum )符合金屬膜的表面電漿模式，會發生強烈的光 學吸收。 電磁共振會導致區域電磁場的共振累積（1^8〇11&11(^_ bui ldup )於及接近金屬膜處。區域電磁場的增加能夠以 1 02到1 06的倍數超過入射光學場。這樣強的區域電磁場具有 一般稱做巨大效應（g i a η ΐ e f f e c t )於非線性光學程序中 (例如’表面加強拉曼光譜（surface enhanced Raman spectroscopy)、第二諧波產生（second harmonic generation)、和頻產生（suin frequency generation ))，以及於線性程序中像電漿加強光發射。 一個類似的巨大區域場效應（giant l〇cai fieid e f f e c t )也發生在光偵測器帶隙激發中。因此，根據本發 明，這樣的在矽上超薄金屬膜中的電漿共振，提供了高^
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敏度且高速的金屬—矽-金屬光偵測器。 圖1 〇顯示表面電漿激發的例子，根據本發明一較佳實 施例，比較以下二者的表現：一延伸平坦金屬膜24〇，; 成在相同金屬膜且在光子波長λ或更小尺度之線性維度、％ (linear dimensions)的圖形（features) 242 〜偏極 光子244無法耦合到延伸平坦金屬膜240，因為它無法弓丨發 在等位能（equipotential )傳導表面的電荷。再者，動\ 守恆使得P-偏極光子246無法耦合到延伸平坦金屬膜24〇 相較而言，p-偏極光子耦合到一金屬條242，此金屬條的°寬 度接近或小於λ。因此，光子能夠在由驅動光子場所引於、 光子頻率（ω )，在λ大小圖形中激發電荷密度震盪。^之 而，被引發的震盪的相位與振幅視ω — ω()而定，其中J'、 是電漿共振頻率。 ° 圖11顯示光線250的及表面電漿252的色散關係 (dispersion relations)，每個都是電磁震盪頻率與其 動量之間的相關（c〇r re 1 a t i on ) 。ω = ck光線 (lightline) 254顯示光子的波向量（k)與其頻率之間的 線性關係。非線性表面電漿色散曲線2 52位在光線254的右 下方。這表示，對於相同能量的光子與電漿而言（也就 是’具有相同的ω)，電漿動量一直會高於光子動量。因 此，單只光子不可能激發表面電漿。例如，在（ω ρ _ λ ω ) 頻率’ kL〈kp，也就是，光子動量小於表面電漿的動量。 然而’藉由選擇在矽上適當的空間金屬膜結構（例 如’柵格）’可以將光子轉移到表面電漿。在被選擇的結
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構或栅格中，高空間頻率傅立葉部分提供電漿激發所需要 m額外動量。所以，結構的選擇是根據對其柵格耦 口十、、’、彖輕合以及表面粗糙度耦合的表面電漿激發反應來 =定“、纟°構的進一步限制是金屬膜必須表現在入射光子能 里的電漿共振。表面電漿共振隨著微觀金屬結構的大小而 在下移動’也就是’較薄的膜會有較低的電漿共振頻率。 在或接近共振頻率的光子激發表面電漿提供進一步電 子激發所需的動量，包括在矽中的間接帶隙激發。再者， ^電漿共振頻率的+/— 之内，電漿動量可以是一個任 意大的值以提供動量來符合任何動量守恆方案 (scenario )。因此，本發明提供矽中之間接帶隙激發的 ，個新的有效用法。電漿同時提供能量與動量，使間接帶 隙激發此夠達到與直接帶隙激發可相比較的躍遷機率。 > 3圖12A顯示一鎢/矽（W/Si )光偵測器26〇的光電流（也 就疋光激發的效率）與金屬膜厚度的關係圖。雖然幾乎可 以使用任何金屬，鎢在這裡只是作為範例之用，來形成包 括一正光偵測器電極262與一負光偵測器電極264於一矽層 266上的金屬柵格（grate )。在這個範例中，2〇〇〇埃 (jOOnm)的金屬網柵（grid ) 262、264以過氧化氫（H2〇2 ) 薄化，並且暴路於從垂直共振腔面射型雷射二極體而來的3 毫瓦特光功率，也就是1. 5電子伏特於850nm。由於將金屬 柵格從20 00埃薄化到400埃只有極小的可量測反應―如果有 的話--這個資料就從圖上省略。然而，在低於4〇〇埃時，電 流反應的改變就可觀了，在大約丨〇 〇埃時達到高峰。特別
1232623 五、發明說明（21) 疋，、這個在1 0 0埃的高光電流發生在當金屬（鎢）膜的 區域暴露於雷射光時。相較之下，將雷射導引到乾淨的 矽，例如到鎢膜以外的區域、或者到一延伸平坦^:^ 如圖10中的240 )的中央區域，會產生明顯較少可偵測到的
光電流。因此，藉由為特定金屬選擇適當厚度，可以讓電 漿共振回應垂直共振腔面射型雷射二極體。 ° A 圖12B顯示圖12A的鎢/矽光偵測器26〇沿著B —B的剖面 圖。藉由交替電極262、264的個別薄金屬（鎢）手指°268、 270，形成與矽層266之表面272的淺簫基能障二極體接面。 圖13圖示一較佳實施例光偵測器（例如，26〇 )於兩個 手指268、2 70之間的操作。根據本發明，内部光發射被矽 上超薄金屬膜柵格（手指268、270 )的量子井本質所提 昇，由電漿調節的區域場提昇間接帶隙激發。在矽（圖工2 中的266 )上的超薄金屬柵格（268、27〇 )形成一高區域密 度的電子狀態，接近費米能階。表面電漿增加高效率間接 帶隙激發所需的能量與動量。而且，電漿共振使得從金屬 膜栅格邊緣到石夕界面產生很大的區域場提昇（f丨1 e冴 enhancement)。由於這個很大的場提昇，帶隙激發發生在 接近空乏區的邊緣以及接近蕭基界面（Sch〇ttky interface)，以光產生（ph〇t〇generate)電洞與電子 對。蕭基能障的強位能場導致電洞――通常電洞的遷移率小一 立刻被掃到負偏壓金屬。同時，遷移率高許多的電子在蕭 基位旎與偵測器偏壓位能的結合場令漂移到正電極。 有利的是，這個在超薄柵格的異常好情況，提供了非
1232623 五、發明說明（22) 蓽咼的置子產率與較咼的偵測器速度。特別是，一個像是 圖1 2 A - B與1 3所例示的光债測器範例，具有相當於大約3 〇 % 量子產率的反應率（responsivity)。因此，可以從在石夕 上、節距（pitch ) 2 的13鎢手指268、270 (每個25 長）’得到0 · 2 m A ( 2 0 0 # A ) / m W光學功率大小的電流。因 此’既然如上所述的一個850nm垂直共振腔面射型雷射提供 3mW光功率，將這個功率導引通過一典型的目前技藝光學連 結（optical link)會分lmW的光學功率給光偵測器，藉此 引發0· 2mA電流通過光偵測器。這個電流可以直接被提供到 一或多個場效電晶體的閘極，使得幾乎任何類型的電路都 可以作為接收器。
圖14A-B是較佳實施例光接收器280、290的範例。在第 一實施例中，1 3手指25 # m光偵測器282附加於供應電壓， 例如VcU以及一互補金氧半導體反向器286的輸入284之間， 而此反相器286是N型場效電晶體28 6N與P型場效電晶體286P 的閘極。一預充電通路閘極（precharge pass gate )288 連接到反相器輸入284，並且由一時脈（clock)所控制。 較佳地，為了有更快的反應，預充電電壓小於V山{的一半， 且更較佳者，小於V44的1 / 3，也就是，等於或小於VT。在 反相器輸入2 8 4的總節點電容是在2 0千萬億分之一法拉第 (f e m t 〇 F a r a d s，f F )的大小。當時脈在向點時，通路閘極 288啟動，將反相器輸入284放電到預充電電壓。時脈回到 低點時，通路閘極288關閉，反相器輸入284保持在預充電 電壓且反相器輸出在高點。當1 mW雷射光打到光偵測器
4IBM0387TW.ptd 第28頁 1232623 五、發明說明（23) 282，其通過2 0 0微安培，而將反相器輸入予以充電。由於q 二CV且I二C* △ V/ Δ1：，一個到光偵測器282的lOOps雷射脈 衝，相當於lOGbps，提供足夠的電流來將反相器輸入284充 電到1 V，而這電壓足以切換反相器。當光線停止，反相器 輸入2 8 4返回它的預充電狀態。 圖14B顯示一跨阻抗放大器（Trans Impedance Ampl if ier，TIA )光接收器2 9 0的範例，其包括三個反相器 292、294、2 9 6以及回饋阻抗或電阻器298。在這個實施例 中’ 1 3手4曰2 5 // m光偵測2 8 2是附加於供應電壓，例如 V ’與輸入節點3 0 〇之間，在偏壓電阻器2 9 8處接到一個反 相器292。偏壓電阻器298被用來保持使這三個反相器不會 震蘯’且保持穩定在穩態平衡電壓（steady state equi 1 ibrium vol tage )，使得不會有光線到光偵測器 2 8 2。當有光線被提供到光偵測器2 8 2時，光偵測器2 8 2通過 電流以將輸入節點3 0 0拉到高點。作為回應，反相器2 9 2將 它的輸出’也就是到反相器2 9 4的輸入，驅動到低點。藉由 偏壓此二個反相器2 9 2、2 9 4、2 9 6在平衡狀態，跨阻抗放大 器290相較於圖14A的簡單實施例28 0，具有快許多的反應時 間（response time)。因此，圖14A - β的光接收器280、 2 9 0是高性能互補金氧半導體光接收器，能夠形成在單__ 個互補金乳半導體積體電路上。再者，要了解的是，如果 需要更多電荷，例如來驅動較大的反相器286，則可以藉由 加入手指264、26Θ、藉由增加手指長度、或者二者皆增曰 加，而增加光偵測器2 8 2。
4IBM0387TW.ptd 第29頁 1232623
要9由t ’由於超薄金屬膜量子井的電性與光學性質’主 疋工，範圍的本質--亦即膜厚舆位能井的高度和形 石 決定’本發明具有寬廣的應用。雖然是以金屬位在 =上，為描述，本發明可以應用到幾乎任何金屬和半導 體、或其複合物，藉由調整量子井膜以達到上述的高量子 產率和高操作速度（operating speed)。 再者’藉由結合一較佳實施例高速驅動器，例如於圖 5 B中所不、以及一較佳實施例超薄金屬位於矽上蕭基能 障光偵測器，例如栅格光偵測器28 2、以及一適當光學傳播 媒體’此較佳實施例提供一低成本、高性能的光學資料通 道I因此’光學傳播媒體可以因應不同應用而做選擇，也 就疋’對於短距離選用開放空氣，其中對準（al ignment ) 不是一個問題；或者對於遠距離選用光纖。再者，藉由如 圖3中的單一晶片驅動器以及圖丨2的柵格光偵測器2 6 〇驅動 位於標準互補金氧半導體晶片上的標準互補金氧半導體感 測放大裔（sense amplifier)，一較佳資料通道組就不會 如同先别技術資料通道在連接元件時所遭遇到的缺點般那 麼令人頭痛。 圖1 5 A-B顯示先前技術光接收器/驅動器與一較佳實施 例範例的比較。圖1 5 Α顯示一基質3 1 0，例如，於一多晶片 模組中，以及一個別垂直共振腔面射型雷射二極體3丨2、二 極體驅動器314、通用互補金氧半導體積體電路（例如一微 處理器）3 1 6、一複合半導體光偵測器3 1 8與一接收器晶片Ρ 320。光偵測器318驅動接收器320，而此接收器320是附加
1232623 五、發明說明（25) 到互補金氧半導體積體電路Mg。 〆 316驅動二極體驅動器314，。一互補孟乳半導體積體電路 共振腔面射型雷射二極體3】2 柽體：動為3 1 4驅動f $ ㈣上的晶片數降低為二個，复較佳實施例基質 332提供包括二極體㈣器 ' 補？.導體積體電路 336、以及矽光接收的#女通用互補金氧半導體電路 互補金氧半導體晶片332中。在這個實施例中，只有-垂口直共 振腔面射型雷射二極體312是在s , π、士、人#、丨…接 z疋在另一個晶片上，並且連接到 互補至軋半導體積體電路332。 有利的《，由於晶片數減少，同時功率、基質大小與 权、、且所需要的基板面積也能夠減少。而且，所有、 邛y刀以則在昂貴複合半導體中的功能，都能夠包含在一個 皁二的互補金氧半導體積體電路上。因此，本發明的光偵 j器、光接收器、以及垂直共振腔面射型雷射二極體驅動 器可以得到顯著的性能提昇以及成本的降低。 雖然以上用數個（範例）較佳實施例來說明本發明， 熟知技藝人士會瞭解在本發明的精神與後附申請專利範圍 内，本發明可以經過修改後實施。
第31頁 1232623
五、【圖式簡單說明】 一本^月A述以及其他目的、面向、與優點可以 例不實施例的詳細說明配合圖式而得到更加的瞭解， 中： 發明 其 圖1顯示一較佳實施例短波長垂直共振腔面射型帝 極體的光強度-電流/.電壓αΙΜν)·特性圖之範例；田于一 圖2顯示-單一較佳被動元件、一高Q積體電感或 感的範例， 圖3顯示一較佳實施例垂直共振腔面射型雷射的範例， 包括根據本發明一較佳實施例之一高Q微電感； 圖4A-B顯示在圖3上之範例的變化； 圖5A-B顯示在圖4A-B上之範例的進一步變化； 圖6A-B顯示於矽當中直接帶隙激發（direct bandgap excitation)與間接帶隙激發相關於吸收係數的機制； 圖7顯示金屬-矽-金屬結構在蕭基能障二極體的内部光 發射範例； 、 圖8顯示位於矽與矽在絕緣體（S01 )上之較佳實施例 超薄金屬層量子井的金屬-矽蕭基接觸（Schottky contact)之限制位能（confining potential)的一個範 例； 圖9顯示量子井層厚度可以如何被調整用以調整於不同 能量範圍中的區域電狀態密度； 圖1 0顯示表面電聚激發的例子，比較一延伸平坦金屬 膜、與形成在相同金屬膜且在光子波長；I或更小尺度之線性
4IBM0387TW.ptd 第32頁 1232623
維度的圖形，二者的表現； 係 圖11顯示光線與表面電漿的色散（dispersi〇n 關 圖1 2 A顯示鎮的光激態程序效率； 圖12B顯示圖12A的鎢/矽光偵測器沿著Β_β的剖 圖13圖例顯不圖12A-B之光偵測器的操作； 回， 圖14A-B係較佳實施例光接收器的範例； 圖15A-B顯示先前技術光接收器/驅動 實施範例的比較。 议^具體
圖式元件符號說明 1 0 2曲線 110南卩積體電感 1 u，1 2 4接觸墊 132， 134驅動器裝置 138外部負壓電源 150第一晶片 1 5 4跳線 158墊 1 6 2第二晶片 172驅動晶片 176偏壓供應電壓 1 8 0第一晶片 184跳線
100垂直共振腔面射型雷射二極體 10 4曲線 112〜120迴圈 130單一晶片 136垂直共振腔面射型雷射二極體 140反相器輸入 152第二晶片 1 5 6晶片墊 160第一晶片
170隔離/促進電容II 174晶片墊 178第二晶片 182第二晶片
1232623
186， 188 墊 20 2向量 2 0 6最終狀態 2 1 0動量成分 2 2 0金屬-石夕-金屬結構 2 2 4金屬電極 2 3 2絕緣層上矽 242圖形 246P-偏極光子 252表面電漿 2 6 0光偵測器 2 6 4負光偵測器電極 268，270薄金屬（鎢）手指 2 8 2光偵測器 286互補金氧半導體反向器 290光接收器 2 9 8回饋阻抗或電阻器 3 1 0基質 312垂直共振腔面射型雷射二極體 316互補金氧半導體積體電路 一 318複合半導體光偵測器 3 3 0基質 332互補金氧半導體積體電路 334二極體驅動器 2 0 0向量 204起始狀態 208能量成分 2 1 2，2 1 4激發剖面 222，224金屬電極 23 0矽 240金屬膜 2 4 4 S -偏極光子 2 5 0光線 2 5 4光線 2 6 2正光偵測器電極 2 6 6石夕層 280光接收器 2 8 4輸入 2 8 8預充電通路閘極 292〜296反相器 3 0 0輸入節點 3 1 4二極體驅動器 3 2 0接收器晶片
1232623 圖式簡單說明 336通用互補金氧半導體電路 3 3 8矽光接收器 4IBM0387TW.ptd 第35頁

Claims (1)

1232623 六、申請專利範圍 申請專利範圍 1 · 一高速積體光學驅動器，包含： 一場效電晶體驅動器電路； 一被動元件，該被動元件之一端連接到該場效電晶體 驅動器電路的一輸出； 一垂直共振腔面射型雷射（verticai cavity surface emitting laser，VCSEL)二極體，該垂直共振腔面射型雷 射一極體之一個電極連接到該被動元件；以及 一偏壓連接（bias connect ion )，連接到該垂直共振 腔面射型雷射二極體的一電極。 2.如申請專利範圍第1項的高速積體光學驅動器，其中該一 個電極是該垂直共振腔面射型雷射二極體的陽極 / ι^ 振腔面射型雷射二極體的陽極。 4 ·如申碩專利範圍第3項的古祙籍雜伞 動元件盥琴ΡΦ曰員的同速積體先學驅動器，其中該被 /、以琢效電日日體驅動传位於沐 上。 勒裔你位於相冋的積體電路晶片 5私如：請專利範圍第3項的高速積體 動疋件與該垂直共振腔面射型雷射二極VI動益，其中该被 體電路晶片上。 體係位於相同的積 6·如申請專利範圍第3 動元件係複數個堆疊驅動器’其中該被 芦且廼圈形成一積體迴圈電感
1232623 六、申請專利範圍 (integrated l00p induct〇r )。 7·如申請專利範圍第6項的高速積體光學驅動器，其中該複 數個堆疊迴圈為至少五個迴圈。 8 ·如申明專利範圍第7項的高速積體光學驅動器，其中該複 數個堆登迴圈的每一個係為矩形的且每邊至少2 〇 〇微米 (// m )。 如申明專利範圍第6項的高速積體光學驅動器，其中該迴 圈電感的電感值為至少25至4〇ηίΐ。 如申請專利範圍第3項的高速積體光學驅動器，其中該 %效電晶體驅動器係一互補金氧半導體驅動器。 11 ·如申請專利範圍第1 0項的高速積體光學驅動器，更包含 偏壓供應器（bias suppiy )連接至該偏壓連接。 1 2 ·如申凊專利範圍第丨丨項的高速積體光學驅動器，其中該 偏壓供應器的大小（magnitude)超過該互補金氧半導體供 應電壓。 1 3 · —高速積體光偵測器，包含： 一半導體層； 一超薄金屬圖案（pattern)於該半導體層上，該超薄 至屬圖案具有一厚度低於2000埃（angstrom)且形成一蕭 基月匕 P芋一極體接面（Schottky barrier diode junction) 於該半導體層中；以及 一量子井（quantum well )，形成於該半導體層中且 介於該超薄金屬圖案與該蕭基能障二極體接面之間。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項的高速積體光偵測器，其中今赶
4IBM0387TW.ptd 第37頁 1232623 六、申請專利範圍 1
薄金屬圖案係一第一光偵測器電極於該半導體層的一第一 表面上’該高速積體光偵測器更包含： 一第二金屬電極於該半導體層的一相對表面上。 15 \如申^請專利範圍第13項的高速積體光偵測器，其中一二 維電子氣（electron gas)包含於該量子井中。 1 6 ·如申請專利範圍第1 3項的高速積體光偵測器，其中該半 導體層係一石夕層。 1 7 ·如申p凊專利範圍第丨6項的高速積體光偵測器，更包含：
、巴緣層’其中該石夕層係一表面層（surface layer) 位於該絕緣層上。 18 ·如申凊專利範圍第1 7項的高速積體光偵測器，其中該超 薄金屬圖案係1 0至3 〇 〇埃厚。 .如申睛專利範圍第1 8項的高速積體光偵測器，其中該超 薄金屬圖案的厚度小於丨〇 〇埃。 2/ ·如申凊專利範圍第丨9項的高速積體光偵測器，其中該超 薄金屬圖案係5 〇埃厚。 2/ ·如申凊專利範圍第1 9項的高速積體光偵測器，其中該超 薄金屬圖案包含一對光偵測器電極。
2 2 ·如申凊專利範圍第21項的高速積體光偵測器，其中該對 光偵測器電極係安排於該矽層的一表面上的一柵格 (grate )中 〇 2 3 ·如申请專利範圍第2 2項的高速積體光偵測器，其中該柵 格係複數個25微米（長的鎢手指（tungsten fingers)且節距（pitch)為2微米。
1232623 六、申請專利範圍 24. —互補金氧半導體光接收器（CMOS photoreceiver)， 包含如申請專利範圍第2 3項的一高速積體光偵測器驅動一 互補金氧半導體反相器（CMOS inverter)。 2 5 · —互補金氧半導體光接收器，包含如申請專利範圍第1 3 項的一高速積體光偵測器驅動一互補金氧半導體反相器。 26. —南速貧料通道（channel)包括一個或多個光學通 道，該高速資料通道包含： 一高速積體光學驅動器，包含： 一場效電晶體驅動器電路於一積體電路晶片上； 一被動元件，其一端連接到該場效電晶體驅動器 電路的一輸出； 一垂直共振腔面射型雷射二極體，其一個電極連 接到該被動元件；以及 一偏壓供應器提供該垂直共振腔面射型雷射二極 體偏壓； 一光學媒介，其一端藉由該高速積體光學驅動器所驅 動；以及 一南速積體光偵測器，包含： 一半導體層； 一超薄金屬電極於該半導體層上，該超薄金屬圖 案具有一厚度低於2 0 0 0埃且形成一蕭基能障二極體接面於 該半導體層中；以及 一量子井形成於該半導體層中，且介於該超薄金 屬圖案與該蕭基能障二極體接面之間，該量子井包含一二
4IBM0387TW.ptd 第39頁 1232623 六、申請專利範圍 維電子氣。 27。如申請專利範圍第26項的高速資料通道，其中該積體電 路晶片是一互補金氧半導體晶片。 28·如申請專利範圍第27項的高速資料通道，其中該偏壓供 應器的大小超過該互補金氧半導體積體電路晶片供應電 壓。 2 9.如申請專利範圍第28項的高速資料通道，其中該被動元 件係連接到該垂直共振腔面射型雷射二極體的陽極.，且該 偏壓供應器係連接到該垂直共振腔面射型雷射二極體的陰 才系 〇 30·如申請專利範圍第29項的高速積體光學驅動器，其中該 被動元件係複數個堆疊迴圈形成一積體迴圈電感。 31.如申請專利範圍第3 〇項的高速資料通道，其中該複數個 堆疊迴圈係至少五個矩形迴圈，每一個的每一邊至少2 0 0微 米。 32·如申請專利範圍第31項的高速資料通道，其中該迴圈電 感的電感值係至少25至40nH。 33.如申請專利範圍第32項的高速資料通道，其中該積體迴 圈電感係集成（integrated)在該積體電路晶片上。 34·如申請專利範圍第32項的高速資料通道，其中該積體迴 圈電感與該垂直共振腔面射型雷射二極體係位於一第二積 體電路晶片上。 35·如申請專利範圍第27項的高速資料通道，其中該半導體 層係一碎層。
4IBM0387TW.ptd 第40頁 1232623 -申請專利範圍 —— S’雷如te申/^專利範圍.第35項的高速資料通道’其中該超薄金 偵測器=該半導體層的一第一表面上，該高速積體光 第一金屬電極於該半導體層的一相對表面上 σ申清專利範圍第3 5項的高速資料通道，其中該矽 表面層位於一絕緣層上 示 3! ·:超申睛專利範圍第3 8項的高速資料通道，其中每-該超 涛金屬電極係1 0至3 〇 〇埃厚。 4j ·如申請專利範圍第3 9項的高速資料通道，其中該每一超 薄金屬電極的厚度小於1〇〇埃。 41 ·如申睛專利範圍第4 〇項的高速資料通道，其中該每一超 薄金屬電極係50埃厚。 4 2 ·如申晴專利範圍第4 0項的高速資料通道，其中一對該每 一超薄金屬電極形成一鎢栅格於該矽層的一表面上。 43·如申請專利範圍第42項的高速資料通道，其中該栅格係 複數個25>微米長的鎢手指且節距（pitch)為2微米。 如申、凊專利範圍第43項的高速資料通道，更包含一互補 疏^ ί導體反相器形成於該矽層中，該高速積體光偵測器 i補=ϊ ΐ ΐ氧半導體反相器，該高速積體光偵測器與該 互補金軋+導體反相器形成一互補金氧半導體光偵測器。
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