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▶ ダブリュアンドダブリュセンス デバイシーズ， インコーポレイテッドの特許一覧
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6875987
(24)【登録日】2021年4月27日
(45)【発行日】2021年5月26日
(54)【発明の名称】マイクロストラクチャ向上型吸収感光装置
(51)【国際特許分類】
H01L 31/107 20060101AFI20210517BHJP
H01L 31/0232 20140101ALI20210517BHJP
H01L 27/144 20060101ALI20210517BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20210517BHJP
G01J 1/42 20060101ALI20210517BHJP
G01J 1/04 20060101ALI20210517BHJP
G01J 3/36 20060101ALI20210517BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 B
H01L31/02 D
H01L27/144 J
G01J1/02 C
G01J1/42 H
G01J1/04 B
G01J3/36
【請求項の数】79
【全頁数】99
(21)【出願番号】特願2017-526132(P2017-526132)
(86)(22)【出願日】2015年11月17日
(65)【公表番号】特表2018-508970(P2018-508970A)
(43)【公表日】2018年3月29日
(86)【国際出願番号】US2015061120
(87)【国際公開番号】WO2016081476
(87)【国際公開日】20160526
【審査請求日】2018年10月18日
(31)【優先権主張番号】62/232,716
(32)【優先日】2015年9月25日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/213,556
(32)【優先日】2015年9月2日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/209,311
(32)【優先日】2015年8月24日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/205,717
(32)【優先日】2015年8月15日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/081,538
(32)【優先日】2014年11月18日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/090,879
(32)【優先日】2014年12月11日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/100,025
(32)【優先日】2015年1月5日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/111,582
(32)【優先日】2015年2月3日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/139,511
(32)【優先日】2015年3月27日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/153,443
(32)【優先日】2015年4月27日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/154,675
(32)【優先日】2015年4月29日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/157,876
(32)【優先日】2015年5月6日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/171,915
(32)【優先日】2015年6月5日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/174,498
(32)【優先日】2015年6月11日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/175,855
(32)【優先日】2015年6月15日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/182,602
(32)【優先日】2015年6月21日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/188,876
(32)【優先日】2015年7月6日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/197,120
(32)【優先日】2015年7月27日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/199,607
(32)【優先日】2015年7月31日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】517163928
【氏名又は名称】ダブリュアンドダブリュセンス デバイシーズ， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｗ＆Ｗｓｅｎｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｉｎｃ．
(74)【代理人】
【識別番号】100076185
【弁理士】
【氏名又は名称】小橋 正明
(72)【発明者】
【氏名】ワン， シー−ユアン
(72)【発明者】
【氏名】ワン， シー−ピン
【審査官】
原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２００９／０８８０７１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開平１１−０４５９８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−１５６５８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−３１１５６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００９／０１０１９０９（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０２４
Ｈ０１Ｌ ３１／１０−３１／１１９
Ｈ０１Ｌ ２７／１４−２７／１４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
単一半導体チップ内に形成されているマイクロストラクチャ向上型光吸収を具備する光検知器と電子的プロセッサとの両方を有しているデータ通信用の集積化検知器／プロセッサ回路において、
半導体基板上に形成されており且つデータ通信用に変調された光学ソース信号からのフォトンを吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされているフォトン吸収領域を有している光検知器が設けられており、
前記フォトン吸収領域はその中に複数個の穴を有しており、該穴は前記基板へ向けて延在しており且つ複数の該穴において同一のソース信号を同時的に受け取る形態とされており、
前記フォトン吸収領域と前記複数個の穴の両方の上にオーミックコンタクト層が設けられており、
電子的プロセッサも前記半導体基板上に形成されており且つ前記フォトン吸収領域と動作上関連されていて前記出力電気信号をそれから受け取り且つ処理済出力へ処理し、それにより該光学ソース信号を受け取り且つ該処理済出力を出力する単一の半導体チップを形成しており、
前記フォトン吸収領域及び前記電子的プロセッサは同じ程度の厚さである夫々の厚さを有しており、及び
カソード領域とアノード領域とが前記フォトン吸収領域と逆バイアス回路とに動作上関連されていて、前記逆バイアス回路は前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域と前記アノード領域との間に電圧を印加する形態とされている、
集積化検知器／プロセッサ回路。
半導体基板上に形成されており且つデータ通信用に変調された光学ソース信号からのフォトンを吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされているフォトン吸収領域を有している光検知器が設けられており、
前記フォトン吸収領域はその中に複数個の穴を有しており、該穴は前記基板へ向けて延在しており且つ複数の該穴において同一のソース信号を同時的に受け取る形態とされており、
前記フォトン吸収領域と前記複数個の穴の両方の上にオーミックコンタクト層が設けられており、
電子的プロセッサも前記半導体基板上に形成されており且つ前記フォトン吸収領域と動作上関連されていて前記出力電気信号をそれから受け取り且つ処理済出力へ処理し、それにより該光学ソース信号を受け取り且つ該処理済出力を出力する単一の半導体チップを形成しており、
前記フォトン吸収領域及び前記電子的プロセッサは同じ程度の厚さである夫々の厚さを有しており、及び
カソード領域とアノード領域とが前記フォトン吸収領域と逆バイアス回路とに動作上関連されていて、前記逆バイアス回路は前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域と前記アノード領域との間に電圧を印加する形態とされている、
集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項2】
該フォトン吸収領域の厚さが０．５乃至５マイクロメートルの範囲内である請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項3】
該電子的プロセッサが相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）装置、バイポーラ（Ｂｉ）装置、及びＢｉＣＭＯＳ装置の内の少なくとも一つを有している応用特定集積回路（ＡＳＩＣ）を有している請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項4】
該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍの波長において入射ソース信号を４０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項5】
該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍの波長において入射ソース信号を５０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項6】
該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍの波長において入射ソース信号を６０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項7】
該フォトン吸収領域は、１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの波長において入射ソース信号を４０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項8】
該フォトン吸収領域は、１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの波長において入射ソース信号を５０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項9】
該フォトン吸収領域は、１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの波長において入射ソース信号を６０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項10】
該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍのソース信号波長の少なくとも２０ｎｍの選択した波長スパンに亘って２０％未満だけ変化する吸収百分率において該入射ソース信号を吸収する形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項11】
該フォトン吸収領域は、１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍのソース信号波長の少なくとも２０ｎｍの波長スパンに亘って２０％未満だけ変化する吸収百分率において該入射ソース信号を吸収する形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項12】
各穴は該基板の表面に平行な断面を有しており且つ該断面の最大寸法は４００ｎｍと２５００ｎｍとの間であり、及び各穴は該複数個の穴の最も近い隣接する穴の中心から３５００ｎｍ未満だけ離隔されている中心を有している請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項13】
前記光検知器は、更に、１０１９／ｃｍ３又はそれを越えて高度にドープされており且つ前記フォトン吸収領域の側面に位置しているＰ層とＮ層とを有しており、及び該フォトン吸収領域は軽度にドープされているか又は意図的にはドープされておらず高々１０１６／ｃｍ３である請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項14】
前記光検知器がアバランシェ光検知器を有している請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項15】
該フォトン吸収領域がＳｉを有している請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項16】
該フォトン吸収領域がＧｅを有している請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項17】
該光検知器が、前記ソース信号を担持するオプチカルファイバーを受け付け且つ該ファイバーの一端部を前記フォトン吸収領域から選択した距離に維持する形態とされているテーパー付き又は段差付きの穴を有している請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項18】
更に、該ファイバーの前記端部と該フォトン吸収領域との間にレンズを包含している請求項１７記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項19】
該光検知器が、該ソース信号の複数回の反射を発生させて前記ソース信号が該フォトン吸収領域を複数回横断する形態とされている反射構造を有している請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項20】
該光検知器が、該フォトン吸収領域の２つの対向する側部から該ソース信号を受け取る形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項21】
前記穴が、該穴の複数のグループにおいて光信号から電気信号への変換において結合共振を発生させてソース信号の吸収を向上させる形態とされている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項22】
更に、一つ又はそれ以上の付加的な光検知器が前記半導体基板上に形成されており且つ夫々の付加的なソース信号を受け取り且つそれらに対応する夫々の出力電気信号を供給する夫々のフォトン吸収領域を有しており、及び一つ又はそれ以上の付加的な電子的プロセッサも前記半導体基板上に形成されており且つ前記付加的な光検知器の該夫々のフォトン吸収領域と動作上関連されていてそれから前記夫々の出力電気信号を受け取り且つ処理する請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項23】
該複数個の穴は、前記ソース信号の波長を含む波長範囲において、穴は無いがその他は同じ光検知器と比較してフォトンの吸収を向上させる請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項24】
該電子的プロセッサは、相互インピーダンス増幅器、信号処理エレクトロニクス、及びルーチングエレクトロニクスからなるグループから選択される一つ又はそれ以上のタイプを包含している請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項25】
該光検知器と関連している容量が、そのアノード領域とカソード領域とを従来のボンドパッドへ動作接続させているその他は同じ光検知器と比較して減少されている請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項26】
該光検知器は、更に、増倍領域を有しており且つ２より大きな利得を有しており８００乃至９００ｎｍのソース信号波長において１０Ｇｂ／ｓより大きなデータ帯域幅において該ソース信号を検知する形態とされているアバランシェフォトダイオードである請求項１記載の集積化検知器／プロセッサ回路。
【請求項27】
光学／電子システムにおいて、
光検知器とアクティブ電子回路とが、同一の半導体基板上に構築されており且つ互いに動作上関連されていて単一の集積回路チップを形成しており、
前記光検知器は、フォトン吸収領域と、前記フォトン吸収領域において前記半導体基板へ向かって延在する複数個の穴と、前記フォトン吸収領域及び前記複数個の穴の上に延在しているオーミックコンタクト層とを包含しており、前記複数個の穴が同一のソース信号を同時的に受け取る形態とされており、
レーザーが、Ｇｂ／ｓのデータレートで変調されてＧｂ／ｓレートで情報を担持する光学ソース信号を発生し、
オプチカルファイバーが、該レーザーと関連していてその入力端において該光学ソース信号を受け取り且つそれをその出力端へ運び、
該光検知器が、該オプチカルファイバーの該出力端と関連していてそれから該光学ソース信号を受け取り且つそれを電気出力信号へ変換させる形態とされており、及び
該アクティブ電子回路が該光検知器と関連していてそれから該出力電気信号を受け取り且つ該電気出力信号を処理して前記処理済電気信号を出力する形態とされている、
システム。
光検知器とアクティブ電子回路とが、同一の半導体基板上に構築されており且つ互いに動作上関連されていて単一の集積回路チップを形成しており、
前記光検知器は、フォトン吸収領域と、前記フォトン吸収領域において前記半導体基板へ向かって延在する複数個の穴と、前記フォトン吸収領域及び前記複数個の穴の上に延在しているオーミックコンタクト層とを包含しており、前記複数個の穴が同一のソース信号を同時的に受け取る形態とされており、
レーザーが、Ｇｂ／ｓのデータレートで変調されてＧｂ／ｓレートで情報を担持する光学ソース信号を発生し、
オプチカルファイバーが、該レーザーと関連していてその入力端において該光学ソース信号を受け取り且つそれをその出力端へ運び、
該光検知器が、該オプチカルファイバーの該出力端と関連していてそれから該光学ソース信号を受け取り且つそれを電気出力信号へ変換させる形態とされており、及び
該アクティブ電子回路が該光検知器と関連していてそれから該出力電気信号を受け取り且つ該電気出力信号を処理して前記処理済電気信号を出力する形態とされている、
システム。
【請求項28】
該ソース信号及び該電気出力信号の各々が、少なくとも５Ｇｂ／ｓのレートで変調されている請求項２７記載のシステム。
【請求項29】
該光検知器及び該アクティブ電子回路が、同じ程度の大きさである厚さを有している請求項２７記載のシステム。
【請求項30】
高度にドープされたＰ層及びＮ層が該フォトン吸収領域の側面に位置しており、及び該フォトン吸収領域は０．１−５．０マイクロメートルの範囲内の厚さを有しており且つ意図的にはドープされていないか又は該Ｐ及びＮ領域と比較して軽度にドープされている請求項２７記載のシステム。
【請求項31】
該光検知器がバイアスされて電子又は正孔の内の少なくとも一方を該ソース信号が該光検知によって受け取られる方向に沿う方向に掃引させる請求項２７記載のシステム。
【請求項32】
該光検知器及び該アクティブ電子回路の各々がシリコンをベースとしている請求項２７記載のシステム。
【請求項33】
該光検知器がアバランシェ光検知器である請求項２７記載のシステム。
【請求項34】
マイクロストラクチャ向上型光吸収を有する光検知器において、
０．５及び５マイクロメートルの間の厚さを持っており且つデータ通信用に変調されたソース信号からフォトンを吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされているフォトン吸収領域が設けられており、
前記フォトン吸収領域は複数個の穴を有しており、該複数個の穴は該フォトン吸収領域の該厚さの少なくとも一部を介して延在しており且つ複数の該穴において同じソース信号を同時的に受け取る形態とされており、
前記フォトン吸収領域と前記複数個の穴の両方の上にオーミックコンタクト層が設けられており、及び
前記フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍ及び１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの範囲の内の少なくとも一つにおける波長において該入射ソース信号を４０％を越えて受け取り且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている、
光検知器。
０．５及び５マイクロメートルの間の厚さを持っており且つデータ通信用に変調されたソース信号からフォトンを吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされているフォトン吸収領域が設けられており、
前記フォトン吸収領域は複数個の穴を有しており、該複数個の穴は該フォトン吸収領域の該厚さの少なくとも一部を介して延在しており且つ複数の該穴において同じソース信号を同時的に受け取る形態とされており、
前記フォトン吸収領域と前記複数個の穴の両方の上にオーミックコンタクト層が設けられており、及び
前記フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍ及び１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの範囲の内の少なくとも一つにおける波長において該入射ソース信号を４０％を越えて受け取り且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている、
光検知器。
【請求項35】
該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍの波長において該入射ソース信号を４０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項36】
該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍの波長において該入射ソース信号を５０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項37】
該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍの波長において該入射ソース信号を６０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項38】
該フォトン吸収領域は、１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの波長において該入射ソース信号を４０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項39】
該フォトン吸収領域は、１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの波長において該入射ソース信号を５０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項40】
該フォトン吸収領域は、１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの波長において該入射ソース信号を６０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項41】
該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍのソース信号波長の少なくとも２０ｎｍの波長スパンにわたって２０％未満だけ変化する吸収百分率において該入射ソース信号を吸収する形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項42】
該フォトン吸収領域は、１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍのソース信号波長の少なくとも２０ｎｍの波長スパンにわたって２０％未満だけ変化する吸収百分率において該入射ソース信号を吸収する形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項43】
各穴が該基板の上部表面に平行な断面を有しており且つ４００ｎｍと２５００ｎｍとの間の最大寸法を有しており、及び各穴は該複数個の穴の内の最も近くに隣接する穴の中心から３５００ｎｍ未満だけ離隔されている中心を有している請求項３４記載の光検知器。
【請求項44】
前記光検知器は、更に、１０１９／ｃｍ３において又はそれを越えて高度にドープされており且つ前記フォトン吸収領域の側面に位置しているＰ層とＮ層とを有しており、及び該フォトン吸収領域は軽度にドープされているか又は意図的にはドープされておらず高々１０１６／ｃｍ３である請求項３４記載の光検知器。
【請求項45】
前記光検知器がアバランシェ光検知器を有している請求項３４記載の光検知器。
【請求項46】
該フォトン吸収領域がＳｉを有している請求項３４記載の光検知器。
【請求項47】
該フォトン吸収領域がＧｅを有している請求項３４記載の光検知器。
【請求項48】
該光検知器が、前記ソース信号を担持するオプチカルファイバーを受け付け且つ該ファイバーの一端部を前記フォトン吸収領域から選択した距離に維持する形態とされているテーパー付き又は段差付きの穴を有している請求項３４記載の光検知器。
【請求項49】
更に、該ファイバーの前記端部と該フォトン吸収領域との間にレンズを包含している請求項４８記載の光検知器。
【請求項50】
該光検知器が、該ソース信号の複数の反射を発生させて前記ソース信号が該フォトン吸収領域を複数回横断する形態とされている反射構造を有している請求項３４記載の光検知器。
【請求項51】
該光検知器が、該フォトン吸収領域の２つの対応する側部から該ソース信号を受け取る形態とされている請求項３４記載の光検知器。
【請求項52】
マイクロストラクチャ向上型光吸収を具備する光検知器において、
カソード領域、
アノード領域、
前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域と前記アノード領域との間に電圧を印加させる形態とされている逆バイアス回路、
上部表面を持っている基板物質、及び
該カソード領域及び該アノード領域と動作上関連しており且つソース信号からのフォトンを吸収する形態とされておりシリコンから構成されているフォトン吸収領域であって、各々が該上部基板表面と平行であり４００ｎｍと２５００ｎｍとの間の最大寸法を持っている複数個の穴であって各穴が該複数個の穴の最も近い隣接した穴の中心から３５００ｎｍ未満だけ離隔されている中心を持っている該複数個の穴を有している該フォトン吸収領域、
前記フォトン吸収領域と前記複数個の穴の両方の上に設けられているオーミックコンタクト層、
を有している光検知器。
カソード領域、
アノード領域、
前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域と前記アノード領域との間に電圧を印加させる形態とされている逆バイアス回路、
上部表面を持っている基板物質、及び
該カソード領域及び該アノード領域と動作上関連しており且つソース信号からのフォトンを吸収する形態とされておりシリコンから構成されているフォトン吸収領域であって、各々が該上部基板表面と平行であり４００ｎｍと２５００ｎｍとの間の最大寸法を持っている複数個の穴であって各穴が該複数個の穴の最も近い隣接した穴の中心から３５００ｎｍ未満だけ離隔されている中心を持っている該複数個の穴を有している該フォトン吸収領域、
前記フォトン吸収領域と前記複数個の穴の両方の上に設けられているオーミックコンタクト層、
を有している光検知器。
【請求項53】
該ソース信号が８００ｎｍより大きく且つ１０００ｎｍより小さい波長を持っている請求項５２記載の光検知器。
【請求項54】
該複数個の穴が周期的に離隔されているアレイに配置されている請求項５２記載の光検知器。
【請求項55】
該周期的に離隔されているアレイが六角形又は正方形の格子パターンを有している請求項５４記載の光検知器。
【請求項56】
該複数個の穴が、前記ソース信号の波長を含む波長範囲において、穴は無いがその他は同一である光検知器と比較してフォトンの吸収を向上させる請求項５２記載の光検知器。
【請求項57】
該穴の各々が該上部基板表面と平行である支配的に円形状の断面を持っている請求項５２記載の光検知器。
【請求項58】
該カソード領域及び該アノード領域が集積回路エレクトロニクスへ動作接続されており、且つ該光検知器及び該集積回路エレクトロニクスが単一のシリコンチップに集積化されている請求項５２記載の光検知器。
【請求項59】
該集積回路エレクトロニクスが、相互インピーダンス増幅器、信号処理エレクトロニクス、及びルーチングエレクトロニクスからなるグループから選択される一つ又はそれ以上のタイプを包含している請求項５８記載の光検知器。
【請求項60】
該光検知器と関連している容量が、そのアノード領域とカソード領域とを従来のボンドパッドへ動作接続させているその他は同一の光検知器と比較して、減少されている請求項５８記載の光検知器。
【請求項61】
更に、シリコンから形成されている増倍領域を有しており、及び
該光検知器が、８５０ｎｍのソース信号波長において５Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅で該ソース信号を検知する形態とされており、且つ２より大きな利得を有しているアバランシェフォトダイオードである、請求項５２記載の光検知器。
該光検知器が、８５０ｎｍのソース信号波長において５Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅で該ソース信号を検知する形態とされており、且つ２より大きな利得を有しているアバランシェフォトダイオードである、請求項５２記載の光検知器。
【請求項62】
前記光検知器が、少なくとも３０％の量子効率で、８５０ｎｍのソース信号波長において２．５Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅で前記ソース信号を検知する形態とされている請求項５２記載の光検知器。
【請求項63】
前記光検知器が、少なくとも５０％の量子効率で、８５０ｎｍのソース信号波長において２．５Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅で前記ソース信号を検知する形態とされている請求項５２記載の光検知器。
【請求項64】
前記光検知器が、少なくとも３０％の量子効率で、８５０ｎｍのソース信号波長において５Ｇｂ／ｓ以上のデータ帯域幅で前記ソース信号を検知する形態とされている請求項５２記載の光検知器。
【請求項65】
前記光検知器が、少なくとも５０％の量子効率で、８５０ｎｍのソース信号波長において５Ｇｂ／ｓ以上のデータ帯域幅で前記ソース信号を検知する形態とされている請求項５２記載の光検知器。
【請求項66】
該複数個の穴がシリコンの一部をエッチング除去することによって形成されている請求項５２記載の光検知器。
【請求項67】
該光検知器は、該ソース信号の一部が該フォトン吸収領域を１回目に通過し、或る表面で反射し、且つ、その後に、該光吸収領域を２回目に通過する形態とされている請求項５２記載の光検知器。
【請求項68】
更に、基板を包含しており、及び
該カソード領域、該吸収領域、及び該アノード領域が該基板の上方に形成されており且つ該光検知器が該基板と反対の該光検知器の側部に面する方向から該ソース信号を受け取る形態とされている、請求項５２記載の光検知器。
該カソード領域、該吸収領域、及び該アノード領域が該基板の上方に形成されており且つ該光検知器が該基板と反対の該光検知器の側部に面する方向から該ソース信号を受け取る形態とされている、請求項５２記載の光検知器。
【請求項69】
マイクロストラクチャ向上型光吸収を具備している光検知器において、
カソード領域、
アノード領域、
前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域と前記アノード領域との間に電圧を印加する形態とされている逆バイアス回路、
上部表面を持っている基板物質、及び
前記カソード領域及び前記アノード領域と動作上関連しており且つソース信号からのフォトンを吸収する形態とされているゲルマニウムを基礎とする物質から構成されているフォトン吸収領域であって、前記ゲルマニウムを基礎とする吸収領域は各々が該上部基板表面と平行で７５０ｎｍと３０００ｎｍとの間の最大寸法を持っている断面を有している複数個の穴を包含しており、且つ各穴は該複数個の穴の内の最も近くに隣接する穴の中心から５０００ｎｍ未満だけ離隔している中心を有している該フォトン吸収領域、
前記フォトン吸収領域と前記複数個の穴の両方の上に設けられているオーミックコンタクト層、
を有している光検知器。
カソード領域、
アノード領域、
前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域と前記アノード領域との間に電圧を印加する形態とされている逆バイアス回路、
上部表面を持っている基板物質、及び
前記カソード領域及び前記アノード領域と動作上関連しており且つソース信号からのフォトンを吸収する形態とされているゲルマニウムを基礎とする物質から構成されているフォトン吸収領域であって、前記ゲルマニウムを基礎とする吸収領域は各々が該上部基板表面と平行で７５０ｎｍと３０００ｎｍとの間の最大寸法を持っている断面を有している複数個の穴を包含しており、且つ各穴は該複数個の穴の内の最も近くに隣接する穴の中心から５０００ｎｍ未満だけ離隔している中心を有している該フォトン吸収領域、
前記フォトン吸収領域と前記複数個の穴の両方の上に設けられているオーミックコンタクト層、
を有している光検知器。
【請求項70】
該ゲルマニウムを基礎とするフォトン吸収層が、シリコンからなる物質の一つ又はそれ以上の層の上方に、エピタキシャル成長及びエピタキシャル横過剰成長プロセスの内の少なくとも一つによって形成されている請求項６９記載の光検知器。
【請求項71】
更に、最上シリコン層の上にＧｅの結晶成長を開始させる形態とされているＧｅバッファ層を有している請求項７０記載の光検知器。
【請求項72】
該アノード領域が、エピタキシャル成長及びエピタキシャル横過剰成長プロセスの内の少なくとも一つによって形成されているＰドープゲルマニウム層を有している請求項６９記載の光検知器。
【請求項73】
前記光検知器がアバランシェフォトダイオードであり、且つ、更に、シリコンから形成されている増倍領域を有している請求項６９記載の光検知器。
【請求項74】
該ソース信号が１２００ｎｍよりも大きく且つ１９００ｎｍより小さな波長を有している請求項６９記載の光検知器。
【請求項75】
該ソース信号が１４００ｎｍより大きな波長を有している請求項７４記載の光検知器。
【請求項76】
前記光検知器が、少なくとも３０％の量子効率で、１５５０ｎｍのソース信号波長において、２Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅において、前記ソース信号を検知する形態とされている請求項６９記載の光検知器。
【請求項77】
前記光検知器が、少なくとも５０％の量子効率で、１５５０ｎｍのソース信号波長において、２Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅において、前記ソース信号を検知する形態とされている請求項６９記載の光検知器。
【請求項78】
前記光検知器が、少なくとも３０％の量子効率で、１５５０ｎｍのソース信号波長において、５Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅において、前記ソース信号を検知する形態とされている請求項６９記載の光検知器。
【請求項79】
前記光検知器が、少なくとも５０％の量子効率で、１５５０ｎｍのソース信号波長において、５Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅において、前記ソース信号を検知する形態とされている請求項６９記載の光検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本特許出願は以下の仮出願の各々の優先権を主張し且つ引用により本書に取り込むこととする。
【0002】
米国仮出願番号６２／０８１，５３８号；２０１４年１１月１８日出願米国仮出願番号６２／０９０，８７９号；２０１４年１２月１１日出願
米国仮出願番号６２／１００，０２５号；２０１５年１月５日出願
米国仮出願番号６２／１１１，５８２号；２０１５年２月３日出願
米国仮出願番号６２／１３９，５１１号；２０１５年３月２７日出願
米国仮出願番号６２／１５３，４４３号；２０１５年４月２７日出願
米国仮出願番号６２／１５４，６７５号；２０１５年４月２９日出願
米国仮出願番号６２／１５７，８７６号；２０１５年５月６日出願
米国仮出願番号６２／１７１，９１５号；２０１５年６月５日出願
米国仮出願番号６２／１７４，４９８号；２０１５年６月１１日出願
米国仮出願番号６２／１７５，８５５号；２０１５年６月１５日出願
米国仮出願番号６２／１８２，６０２号；２０１５年６月２１日出願
米国仮出願番号６２／１８８，８７６号；２０１５年７月６日出願
米国仮出願番号６２／１９７，１２０号；２０１５年７月２７日出願
米国仮出願番号６２／１９９，６０７号；２０１５年７月３１日出願
米国仮出願番号６２／２０５，７１７号；２０１５年８月１５日出願
米国仮出願番号６２／２０９，３１１号；２０１５年８月２４日出願
米国仮出願番号６２／２１３，５５６号；２０１５年９月２日出願
米国仮出願番号６２／２３２，７１６号；２０１５年９月２５日出願
本特許出願は以下の仮及び非仮出願に関連しており、その各々を引用により本書に取り込むこととする。
【0003】
国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１４／３９２０８；２０１４年５月２２日出願米国仮出願番号６１／８２６，４４６号；２０１３年５月２２日出願
米国仮出願番号６１／８３４，８７３号；２０１３年６月１３日出願
米国仮出願番号６１／８４３，０２１号；２０１３年７月４日出願
米国仮出願番号６１／９０５，１０９号；２０１３年１１月１５日出願
米国仮出願番号６２／０１７，９１５号；２０１４年６月２７日出願
上に引用した仮及び非仮特許出願の全ては、本書において、「共通に譲渡され組み込まれている出願」として集約的に引用される。
【0004】
本特許明細書は、大略、感光装置に主に関連する発明を提示する。更に詳細には、幾つかの実施例はマイクロストラクチャ向上型吸収特性を具備している感光装置に関連している。
【背景技術】
【0005】
オプチカルファイバー通信は、遠隔通信及び大型データセンター内の通信等の適用例において広く使用されている。一層短い光学的波長を使用した場合に関連する減衰損失のために、殆どのオプチカルファイバー通信は８００ｎｍ以上の光学的波長を使用している。一般的に使用される通信窓が８００ｎｍと１６７５ｎｍとの間に存在している。オプチカルファイバー通信システムにおいて使用される光学的受信機の主要な部品は光検知器であって、それは、通常、フォトダイオード（ＰＤ）又はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の形態である。
【0006】
高品質で低ノイズのＡＰＤはシリコンから構成することが可能である。しかしながら、シリコンは可視光及び近赤外範囲における光を吸収するが、それは一層長い光学的波長において一層透明性となる。シリコンＰＤ及びＡＰＤは、該装置の吸収「Ｉ」領域の厚さを増加させることによって８００ｎｍ以上の光学的波長用とさせることが可能である。しかしながら、適切な量子効率を得るためには、シリコン「Ｉ」領域の厚さが、該装置の最大帯域幅が多くの現在の及び将来の遠隔通信及びデータセンター適用例に対して低すぎるものとなるほど非常に大きくなる。
【0007】
一層長い波長及び一層高い帯域幅の場合にシリコンＰＤ及びＡＰＤが有している本来的な問題を回避するために、その他の物質が使用される。ゲルマニウム（Ｇｅ）は１７００ｎｍの波長まで赤外を検知するが、比較的高い増倍ノイズ（multiplication noise）を有している。ＩｎＧａＡｓは１６００ｎｍよりも一層長いものまで検知することが可能であり且つＧｅよりも増倍ノイズは少ないが、シリコンよりもかなり一層大きな増倍ノイズを有している。ＩｎＧａＡｓは、最も典型的には基板として且つ増倍層としてＩｎＰが関与するヘテロ構造ダイオードの吸収領域として使用されることが知られている。この物質系は略９００乃至１７００ｎｍの吸収窓と適合性がある。しかしながら、両方のＩｎＧａＡｓ装置は比較的高価であると共にシリコンと比較した場合に比較的高い増倍ノイズを有しており、且つ単一チップとしてＳｉエレクトロニクスと集積化させることは困難である。
【0008】
光検知器の事業における主要な会社によって公表されている情報（http://filles.shareholder.com/downloads/FNSR/0x0x382377/0b3893ea-fb06-417d-ac71-84f2f9084b0d/Finisar Investor Presentation.pdf参照）が１０頁において示していることは、光学的通信装置用の現在の市場は７０億米国ドルを越えており複合年成長率は１２％であることです。８５０ｎｍ波長用に使用されているフォトダイオード（ＰＤ）はＧａＡｓ物質を使用しており、且つ１５５０ｎｍ波長用には、フォトダイオードはＩｎＰ物質をベースとしており、それは高価であると共にＳｉをベースとしたエレクトロニクスと集積化させることは困難である。従って、そこには大きな市場があり且つより良い装置の開発が満たされていない長きに亘る必要性が存在している。今日までのところ、８５０ｎｍ用のＳｉ物質をベースとしたフォトダイオードもアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）も存在しておらず、且つ上部又は底部照射型でデータレートが５Ｇｂ／ｓ以上であり、本発明者等の知るところによれば市販されている１５５０ｎｍ用のＧｅ・オン・Ｓｉ（Ge on Si）物質をベースとしたフォトダイオードもアバランシェフォトダイオードも存在しない。しかしながら、この様な大きな市場に対してより良い装置を開発しようとする努力が欠如していたわけでもない。例えば、Ｓｉ物質内に製造される共振フォトダイオードに対する提案がなされている（エピタキシャル横過剰成長によって成長された共振キャビティ向上型高速Ｓｉフォトダイオード（Resonant Cavity Enhanced High-Speed Si Photodiodes Grown by Epitaxial Lateral Overgrowth）、Schaub et al.、ＩＥＥＥフォトニクステクノロジーレターズ、１１巻、Ｎｏ．１２、１９９９年１２月）が、それは該市場で認知されるようになったものではない。導波路形態におけるその他の形式の高速フォトダイオードが提案されており、例えば、基準４０ＧＨｚＳｉ／Ｇｅ単一走行キャリア導波路フォトダイオード（Ref. 40 GHz Si/Ge uni-travelling carrier waveguide photodiode）、Piels et al.、ＤＯＩ １０．１１０９／ＪＬＴ．２０１４．２３１０７８０、ジャーナル・オブ・ライトウエーブ・テクノロジー；モノリシックＧｅ／Ｓｉアバランシェフォトダイオード（Monolithic Ge/Si Avalanche Photodiodes）、Kang et al.、９７８−１−４２４４−４４０３−８／０９／＄２５．００ 著作権２００９ＩＥＥＥ；大断面シリコン・オン・インシュレータ導波路とモノリシックに集積化された高速Ｇｅ光検知器（High-speed Ge photodetector monolithically integrated with large cross-section silicon-on-insulator waveguide）、Feng et al.、アプライドフィジックスレターズ９５、２６１１０５（２００９）；doi：１０．１０６３／１．３２７９１２９；におけるものがあり、その場合に、光は端部から光学的導波路内に結合され且つ吸収長は１５５０ｎｍにおけるＧｅの弱い吸収係数を補償するために１００μｍ以上とさせることが可能である。これらの以前に提案されている導波路フォトダイオード構造においては、光は導波路の長さに沿って伝播し且つ光の伝播方向と電界の方向とが支配的に垂直であるようにＰＩＮ導波路を横断して電界が印加される。Ｓｉ内において光は電子／正孔の飽和速度よりも約１０００倍一層速く進行するので、導波路ＰＤは、例えば、２００ミクロンの長さとし且つＰＩＮにおける「Ｉ」は、例えば、２ミクロンとすることが可能であり、且つ１０Ｇｂ／ｓを越える帯域幅を達成することが可能である。この様な光の端部結合は、この特許明細書に記載されるような表面照射と比較してパッケージングにおいてコスト高であり、その場合に、導波路断面の寸法は典型的に数ミクロンであるのと対比して既知の表面照射型フォトダイオード又はアバランシェフォトダイオードの場合には数十ミクロンである。既知の導波路ＰＤ／ＡＰＤは、しばしば、単一モード光学系であるに過ぎず、一方、本特許明細書に記載される表面照射型ＰＤ／ＡＰＤは単一及びマルチモードの両方の光学系で使用することが可能である。更に、既知の導波路フォトダイオードはウエハレベルにおいてテストすることが困難であるが、一方、本特許明細書に記載される表面照射型フォトダイオードはウエハレベルにおいて容易にテストすることが可能である。既知の導波路フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードは、殆どが、特別のフォトニック回路において使用されるものであって広く市場で入手可能なものではない。Ｓｉと集積化させることが可能な上部又は底部照射型のＳｉ及びＧｅ・オン・ＳｉのＰＤ／ＡＰＤは、８５０ｎｍ及び１５５０ｎｍの波長において５Ｇｂ／ｓ又はそれ以上のデータレートのものが市販されていることは不知である。対照的に、この特許明細書に記載されている如くＳｉをベースとした物質上のフォトダイオードは、単一Ｓｉチップ上の集積化電子回路とモノリシックに集積化させることが可能であり、その際にパッケージングのコストを著しく減少させる。更に、本特許明細書に記載される８５０ｎｍの公称波長におけるマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤは支配的に短距離用のものとすることが可能であり、例えば、１メートル未満、及び或る場合には１０メートル未満、及び或る場合には１００メートル未満、及び或る場合には１０００メートル未満の光学的データ伝送の距離とすることが可能である。入射光学ビームのマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤ方向及びＰＩＮ又はＮＩＰ構造の「Ｉ」領域における電界は支配的に共線状であるか及び／又は略共線状である。この特許明細書はこの様な装置を可能なものとさせ且つ現在のデータセンターをブレード間において及び／又は１個のブレード内において殆ど全てを光学的データ伝送へ変換させるものと予測され、そのことはデータ伝送帯域幅能力を著しく増加させると共に電力消費を著しく減少させるものである。
【0009】
本書の特許請求の範囲に記載される要旨はいずれか特定の欠点を解消する実施例又は上述したような環境においてのみ動作する実施例に限定されるものではない。そうではなく、この背景は、本書に記載される幾つかの実施例を実施することが可能な一つの例示的な技術分野を例示するために与えれているものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】エピタキシャル横過剰成長によって成長された共振キャビティ向上型高速Ｓｉフォトダイオード（Resonant Cavity Enhanced High-Speed Si Photodiodes Grown by Epitaxial Lateral Overgrowth）、Schaub et al.、ＩＥＥＥフォトニクステクノロジーレターズ、１１巻、Ｎｏ．１２、１９９９年１２月
【非特許文献2】基準４０ＧＨｚＳｉ／Ｇｅ単一走行キャリア導波路フォトダイオード（Ref. 40 GHz Si/Ge uni-travelling carrier waveguide photodiode）、Piels et al.、ＤＯＩ １０．１１０９／ＪＬＴ．２０１４．２３１０７８０、ジャーナル・オブ・ライトウエーブ・テクノロジー
【非特許文献3】モノリシックＧｅ／Ｓｉアバランシェフォトダイオード（Monolithic Ge/Si Avalanche Photodiodes）、Kang et al.、９７８−１−４２４４−４４０３−８／０９／＄２５．００ 著作権２００９ＩＥＥＥ
【非特許文献4】大断面シリコン・オン・インシュレータ導波路とモノリシックに集積化された高速Ｇｅ光検知器（High-speed Ge photodetector monolithically integrated with large cross-section silicon-on-insulator waveguide）、Feng et al.、アプライドフィジックスレターズ９５、２６１１０５（２００９）
【非特許文献5】doi：１０．１０６３／１．３２７９１２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
幾つかの実施例によれば、データ通信用の集積化検知器／プロセッサ回路が、マイクロストラクチャ向上型光吸収を具備する光検知器、及び単一の半導体チップに形成されている電子的プロセッサを有している。
【課題を解決するための手段】
【0012】
該単一チップには、データ通信用に変調された光学的ソース信号からのフォトンを吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされているフォトン吸収領域を具備している半導体基板上に形成されている光検知器が設けられており、該フォトン吸収領域は前記基板へ向かってその中を延在している複数個の穴であって該穴の複数において該同一のソース信号を同時的に受け取る形態とされている該複数個の穴を有しており、電子的プロセッサも前記半導体基板上に形成されていて前記フォトン吸収領域と動作上関連していて前記出力電気信号を受け取ってそれを処理済出力へ処理し、それにより該光学的ソース信号を受け取り且つ該処理済出力を出力する単一の半導体チップを形成しており、前記フォトン吸収領域及び前記電子的プロセッサは同じ大きさの程度の夫々の厚さを有しており、且つカソード領域とアノード領域とが前記フォトン吸収領域及び逆バイアス回路と動作上関連しており、該逆バイアス回路は前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域とアノード領域との間に電圧を印加させる形態とされている。
【0013】
該フォトン吸収領域の厚さは、好適には、０．５乃至５μｍの範囲内である。該電子的プロセッサは、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）装置、バイポーラ（Ｂｉ）装置、及びＢｉＣＭＯＳ装置の内の少なくとも一つを有している応用特定集積回路（ＡＳＩＣ）とすることが可能である。該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍ、又は１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの波長において入射ソース信号の４０％、又は５０％、又は６０％を越えて吸収し、且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とさせることが可能である。該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍ、又は１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍのソース信号波長の少なくとも２０ｎｍの選択した波長範囲に亘って２０％未満だけ変動する吸収百分率において該入射ソース信号を供給する形態とさせることが可能である。
【0014】
各穴は、４００ｎｍと２５００ｎｍとの間の最大寸法を有しており該基板の表面に対して平行な断面を有することが可能であり、且つ各穴は該複数個の穴の内の最も近い隣接する穴の中心から３５００ｎｍ未満だけ離隔されている中心を有することが可能である。該光検知器は、好適には、更に、１０１９／ｃｍ３において又はそれを越えて高度にドープされており且つ前記フォトン吸収領域の側面に位置しているＰ層及びＮ層を有しており、且つ該フォトン吸収領域は、好適には、軽度にドープされているか又は意図的にドープされておらず高々１０１６／ｃｍ３である。該光検知器はアバランシェ光検知器を有することが可能であり、且つ該フォトン吸収領域はＳｉ及びＧｅの内の少なくとも一つを有することが可能である。該光検知器は、前記ソース信号を担持するオプチカルファイバーを受け付け且つ該ファイバーの端部を前記フォトン吸収領域から選択した距離に維持する形態とされているテーパー付き又は段差付きの穴を有することが可能である。該ファイバーの前記端部と該フォトン吸収領域との間にレンズを包含させることが可能である。該光検知器は、更に、該ソース信号の多数回の反射を発生させそれにより前記ソース信号を該フォトン吸収領域を多数回横断させる形態とされている反射構造を有することが可能である。該光検知器は該フォトン吸収領域の２つの反対側から該ソース信号を受け取る形態とさせることが可能であり、且つ前記穴は、該穴の複数のグループにおいて光を電気信号へ変換させる場合の結合共振を発生させてそれによりソース信号吸収を向上させる形態とさせることが可能である。
【0015】
１個又はそれ以上の付加的な光検知器を前記半導体基板上に形成することが可能であり、それは夫々の付加的なソース信号を受け取り且つそれに対応する夫々の出力電気信号を供給する夫々のフォトン吸収領域を具備しており、又、１個又はそれ以上の付加的な電子的プロセッサを前記半導体基板上に形成し且つ前記夫々の出力電気信号をそれから受け取り且つ処理するために前記付加的な光検知器の夫々のフォトン吸収領域と動作上関連させることも可能である。該複数個の穴は、前記ソース信号の波長を含む複数の波長の範囲において穴が無いがその他は同一の光検知器と比較してフォトンの吸収を向上させる形態とさせることが可能である。該電子的プロセッサは、相互インピーダンス増幅器、信号処理エレクトロニクス、及びルーチングエレクトロニクスからなるグループから選択した１個又はそれ以上のタイプを包含することが可能である。該光検知器と関連する容量は、アノード領域及びカソード領域を従来のボンドパッドへ動作上接続させているその他は同一の光検知器と比較して減少されている。該光検知器は、更に、増倍領域を有することが可能であり、それはアバランシェフォトダイオードをして８００乃至９００ｎｍのソース信号波長において１０ギガビット／ｓよりも大きなデータ帯域幅で該ソース信号を検知する形態とさせ、且つ２よりも大きな利得を具備している。
【0016】
幾つかの実施例においては、光学的／電子的システムにおいて、光検知器とアクティブ電子回路とが設けられており、それらは同一の半導体基板上に構築されており且つ互いに動作上関連付けられていて単一の集積回路チップを形成しており、Ｇｂ／ｓレートでの情報を担持する該光学的ソース信号を発生させるためにデータのＧｂ／ｓレートで変調されるレーザが設けられており、且つその入力端において該光学的ソース信号を受け取り且つそれをその出力端へ送るために該レーザと関連してオプチカルファイバーが設けられており、その場合に、該光検知器は該光学的ソース信号を受け取るために該オプチカルファイバーの該出力端と関連しており且つそれを電気的出力信号へ変換させる形態とされており、且つ該アクティブ電子回路は該出力電気信号を受け取るために該光検知器と関連しており且つ該電気出力信号を処理し且つ前記処理済の電気信号を出力する形態とされている。該ソース信号及び該電気的出力信号の各々は少なくとも５Ｇｂ／ｓのレートで変調させることが可能である。該光検知器及び該アクティブ電子回路は同じ程度の大きさの厚さを有することが可能である。該光検知器は、該半導体基板へ向かって延在している複数個の穴を包含しているフォトン吸収領域を有することが可能であり、その場合に、複数の穴が同一のソース信号を同時的に受け取る形態とされている。高度にドープしたＰ層及びＮ層が該フォトン吸収領域の側面に位置することが可能であり、且つ該フォトン吸収領域は０．１乃至５．０μｍの範囲内の厚さを有することが可能であり且つ、好適には、意図的にはドープされていないか又はＰ領域及びＮ領域と比較して軽度にドープされている。該光検知器は、該光検知器によって該ソース信号が受け取られる方向に沿う方向において電子又は正孔を掃引させるべくバイアスさせることが可能である。該光検知器及び該アクティブ電子回路の各々はシリコンをベースとしたものとすることが可能である。該光検知器はアバランシェ光検知器とすることが可能である。
【0017】
幾つかの実施例において、マイクロストラクチャ向上型光吸収を具備している光検知器が、好適には０．５μｍと５μｍとの間の厚さを具備しており且つデータ通信用に変調されたソース信号からフォトンを吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされているフォトン吸収領域を有しており、前記フォトン吸収領域は該フォトン吸収領域の厚さの少なくとも一部を介して延在している複数個の穴であって該穴の複数において同一のソース信号を同時的に受け取る形態とされている該複数個の穴を有しており、且つ前記フォトン吸収領域は８００ｎｍ乃至９００ｎｍ及び１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍの範囲の内の少なくも一つにおける波長において入射ソース信号の４０％を超えて吸収し且つそれに対応する出力電気信号を供給する形態とされている。該フォトン吸収領域は、８００ｎｍ乃至９００ｎｍ又は１４００ｎｍ乃至１７００ｎｍのソース信号波長の少なくとも２０ｎｍの波長範囲に亘り２０％未満だけ変化する吸収百分率において入射ソース信号を吸収する形態とさせることが可能である。
【0018】
各穴は、好適には、４００ｎｍと２５００ｎｍとの間の最大寸法を有する該基板の上部表面と平行な断面を有しており、且つ各穴は、好適には、該複数個の穴の内の最も近くに隣接する穴の中心から３５００ｎｍ未満だけ離隔されている中心を有している。該光検知器は、更に、Ｐ層及びＮ層を有しており、それらは、好適には、１０１９／ｃｍ３での又はそれを越えて高度にドープされており且つ前記フォトン吸収領域の側面に位置しており、且つ該フォトン吸収領域は、好適には、意図的にはドープされていないか又は高々１０１６／ｃｍ３で軽度にドープされている。該光検知器はアバランシェ光検知器を有することが可能である。該フォトン吸収領域はＳｉ又はＧｅを有することが可能である。該光検知器は、前記ソース信号を担持しているオプチカルファイバーを受け付け且つ該ファイバーの端部を前記フォトン吸収領域から選択された距離に維持する形態とされているテーパー付き又は段差付きの穴を有することが可能であり、且つ該ファイバーの前記端部と該フォトン吸収領域との間にレンズを包含させることが可能である。該光検知器は、該ソース信号の多数回の反射を発生させそれにより該フォトン吸収領域を前記ソース信号で多数回横断させる形態とされている反射構造を有することが可能である。該光検知器は、該フォトン吸収領域の２つの反対側の側部から該ソース信号を受け取る形態とさせることが可能である。
【0019】
幾つかの実施例において、マイクロストラクチャ向上型光吸収を具備する光検知器は、カソード領域、アノード領域、前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域と前記アノード領域との間に電圧を印加する形態とされている逆バイアス回路、上部表面を具備している基板物質、及び該カソード領域とアノード領域とに動作上関連しており且つソース信号からフォトンを吸収する形態とされておりシリコンから構成されているフォトン吸収領域、を有しており、前記シリコン吸収領域は各々が４００ｎｍと２５００ｎｍとの間の最大寸法を持っている該上部基板表面と平行な断面を持っている複数個の穴を包含しており、且つ各穴は該複数個の穴の内の最も近くに隣接する穴の中心から３５００ｎｍ未満だけ離隔されている。該ソース信号は８００ｎｍよりも大きく且つ１０００ｎｍよりも小さい波長を有することが可能である。該複数個の穴は、六角形又は正方形の格子パターンを有することが可能な周期的に離隔されたアレイに配列させることが可能である。該複数個の穴は、穴の無いものと比較してフォトンの吸収を向上させるが、その他は、前記ソース信号の波長を含む波長の範囲において同じ光検知器である。該穴の各々は該上部基板表面と平行な支配的に円形状の断面を有することが可能である。該カソード領域及びアノード領域は集積回路エレクトロニクスへ動作接続させることが可能であり、且つ該光検知器及び集積回路エレクトロニクスは単一のシリコンチップに集積化させることが可能であり、その場合に、該集積回路エレクトロニクスは相互インピーダンス増幅器、信号処理エレクトロニクス、及びルーチングエレクトロニクスからなるグループから選択される一つ又はそれ以上のタイプを包含することが可能である。該光検知器と関連する容量は、そのアノード領域とカソード領域とを従来のボンドパッドへ動作接続させているその他は同じ光検知器と比較して、減少させることが可能である。該光検知器は、更に、シリコンから形成される増倍領域を有することが可能であり、その場合に、該光検知器は、２より大きいな利得を持っており、８５０ｎｍのソース信号波長において５Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅において該ソース信号を検知する形態とされているアバランシェフォトダイオードである。該光検知器は、量子効率が少なくとも３０％又は５０％で８５０ｎｍのソース信号波長において２．５Ｇｂ／ｓ以上か又は５Ｇｂ／ｓ以上のデータ帯域幅において前記ソース信号を検知する形態とさせることが可能である。該複数個の穴はシリコンの一部をエッチング除去することによって形成させることが可能である。該光検知器は、該ソース信号の一部が最初に該フォトン吸収領域を通過し、表面から反射し、その後に該フォトン吸収領域を再度通過するような形態とさせることが可能である。該光検知器は、更に、基板を包含することが可能であり、その場合に、該カソード、吸収及びアノード領域は該基板の上方に形成し且つ該光検知器は該基板と反対側の該光検知器の側部に面する方向から該ソース信号を受け取る形態とされる。
【0020】
幾つかの実施例においては、マイクロストラクチャ向上型光吸収を具備する光検知器は、カソード領域、アノード領域、前記カソード領域が前記アノード領域よりも一層正の電圧へ駆動されるように前記カソード領域とアノード領域との間に電圧を印加する形態とされている逆バイアス回路、上部表面を具備している基板物質、及び該カソード領域及びアノード領域と動作上関連しており且つソース信号からのフォトンを吸収する形態とされておりゲルマニウムをベースとした物質から構成されているフォトン吸収領域、を有しており、前記ゲルマニウムをベースとした吸収領域は各々が７５０ｎｍと３０００ｎｍとの間の最大寸法を持っており該上部基板表面と平行な断面を持っている複数個の穴を包含しており、且つ各穴は該複数個の穴の内の最も近くに隣接する穴の中心から５０００ｎｍ未満だけ離隔されている中心を有している。該ゲルマニウムをベースとしたフォトン吸収層は、シリコンからなる物質の一つ又はそれ以上の層の上にエピタキシャル成長及びエピタキシャル横方向過剰成長（epitaxial lateral overgrowth）プロセスの内の少なくとも一つによって形成させることが可能である。該光検知器は、更に、最上シリコン層の上にＧｅの結晶成長を開始させる形態とされたＧｅバッファー層を有することが可能である。該光検知器のアノード領域は、エピタキシャル成長及びエピタキシャル横方向過剰成長プロセスの内の少なくとも一つによって形成されるＰドープゲルマニウム層を有することが可能である。該光検知器はアバランシェフォトダイオードとすることが可能であり、且つ、更に、シリコンから形成される増倍領域を有することが可能である。該ソース信号は、１２００ｎｍよりも大きく且つ１９００ｎｍよりも小さいか、又は１４００ｎｍよりも大きな波長を有することが可能である。該光検知器は、量子効率が少なくとも３０％か又は５０％で１５５０ｎｍのソース信号波長において２Ｇｂ／ｓ又は５Ｇｂ／ｓよりも大きなデータ帯域幅において前記ソース信号を検知する形態とさせることが可能である。
【0021】
本書において使用されているように、「及び（and）」、「又は（or）」、及び「及び／又は（and/or）」等の文法上の接続詞は、全て、それらが接続する事例、客体、主体の内の一つ又はそれ以上が発生するか又は存在している場合があることを表すことを意図している。この様に、本書において使用されているように、全ての場合においての用語「又は（or）」は「排他的又は（exclusive or）」の意味ではなく「包括的又は（inclusive or）」の意味を表している。
【0022】
本書において使用されているように、「１個の穴（hole）」又は「複数の穴（holes）」という用語は一つの物質又は複数の物質の中へ又は貫通している何らかの開口のことを意味している。一般的に、該開口は、円形、楕円、多角形、及びランダム形状を含む任意の形状及び断面を有することが可能である。
【0023】
この特許明細書の要旨の上述した及びその他の利点及び特徴を更に明確にさせるために、その実施形態の特定の例を添付図面に例示してある。理解すべきことであるが、これらの図面は単に例示的実施例を図示するに過ぎず、従ってこの特許明細書又は特許請求の範囲を制限するものと考えるべきものではない。本書の要旨を添付図面の使用を介して付加的な特定性及び詳細と共に記載し且つ説明する。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】幾つかの実施例に基づいてマイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードを使用することが可能な光学的データ伝送システムを例示している概略図。
【図2】幾つかの実施例に基づいてマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＭＳ−ＰＤ）及びマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）と共に包含される波長選択要素を示している概略図。
【図3】幾つかの実施例に基づいてマルチ波長選択要素を具備しているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを示している概略図。
【図4】（Ａ）乃至（Ｄ）は幾つかの実施例に基づく種々のバンドパスフィルター特性を示している各プロット。
【図5】幾つかの実施例に基づく粗波長分割多重（ＣＷＤＭ）形態を示している概略図。
【図6】（Ａ）及び（Ｂ）は幾つかの実施例に基づくマイクロストラクチャ型フォトダイオードの幾つかの基本的な部分を示している各概略図。
【図7】（Ａ）及び（Ｂ）は幾つかの実施例に基づく底部照射型フォトダイオードの幾つかの基本的な部分を示している各概略図。
【図8】（Ａ）及び（Ｂ）は幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＡＰＤ構造の幾つかの基本的な部分を示している各概略図。
【図9】（Ａ）及び（Ｂ）は幾つかの実施例に基づくＩＩＩ−Ｖ又はＧｅのＳＡＧ前後の選択的区域成長（ＳＡＧ）ＡＰＤ構造の側面を示している各概略図。
【図10】幾つかの実施例に基づくＰＩＮエピタキシャル層を具備する簡単化したマイクロストラクチャ型シリコンフォトダイオードを示している概略図。
【図11】幾つかの実施例に基づくＰＩＮエピタキシャル層を具備する簡単化したマイクロストラクチャ型シリコンフォトダイオードを示している概略図。
【図12】（Ａ）乃至（Ｃ）は幾つかの実施例に基づくＰＩＮエピタキシャル層を具備する簡単化したマイクロストラクチャ型シリコンフォトダイオードを示している各概略図。
【図13】幾つかの実施例に基づくＰ−Ｉ−Ｎドーピングを具備する高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）に対するエピタキシャル層構造を示している概略図。
【図14】幾つかの実施例に基づくＰ−Ｉ−Ｎドーピングを具備する高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）に対するエピタキシャル層構造を示している概略図。
【図15】幾つかの実施例に基づくＰ−Ｉ−Ｎドーピングを具備する高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）に対するエピタキシャル層構造を示している概略図。
【図16】幾つかの実施例に基づく高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の幾つかの側面を示している概略図。
【図17】（Ａ）乃至（Ｄ）は幾つかの実施例に基づく穴配列、間隔、寸法、及びパッシベーション層の例を示している各概略図。
【図18】幾つかの実施例に基づく高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の幾つかの更なる側面を示している概略図。
【図19】幾つかの実施例に基づく高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の幾つかの更なる側面を示している概略図。
【図20】幾つかの実施例に基づく高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の幾つかの更なる側面を示している概略図。
【図21】幾つかのその他の実施例に基づく高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の幾つかの側面を示している概略図。
【図22】（Ａ）及び（Ｂ）は幾つかの実施例に基づく特定のマイクロストラクチャ型ＰＤのシミュレーションの側面を示している各概略図。
【図23】幾つかの実施例に基づく高コントラストマイクロストラクチャ型ＰＤの或る側面を示している概略図。
【図24】幾つかの実施例に基づくヘテロエピタキシャルマイクロストラクチャ型ＰＤの或る側面を示している概略図。
【図25】幾つかの実施例に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）又は垂直表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の光学的発光器用の高コントラスト構造を示している概略図。
【図26】幾つかの実施例に基づく、例えば、高コントラスト１．３ミクロン波長フォトエミッタ（photo emitter）用の基本構造を示している概略図。
【図27】幾つかの実施例に基づいてエッチング形成した穴を具備する高コントラストマイクロストラクチャ型フォトエミッタ（ＰＥ）の幾つかの基本的な特徴を示している概略図。
【図28】幾つかのその他の実施例に基づくＰＥの幾つかの側面を示している概略図。
【図29】幾つかのその他の実施例に基づくＰＥの幾つかの側面を示している概略図。
【図30】幾つかのその他の実施例に基づくＰＥの幾つかの側面を示している概略図。
【図31】幾つかの実施例に基づくシンプルＰＩＮフォトダイオード構造の幾つかの側面を示している概略図。
【図32】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ製造の或る側面を示している概略図。
【図33】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ製造の或る側面を示している概略図。
【図34】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ製造の或る側面を示している概略図。
【図35】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ製造の或る側面を示している概略図。
【図36】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ製造の或る側面を示している概略図。
【図37】幾つかのその他の実施例に基づいて少数キャリアーライフタイムを減少させるための一つの技術を示している概略図。
【図38】（Ａ）乃至（Ｃ）はシミュレーションした幾つかのマイクロストラクチャ型フォトダイオードに対する種々のパラメータを示している各説明図。
【図39】マイクロストラクチャ型穴フォトダイオードのシミュレーション結果をプロットしたグラフ。
【図40】幾つかの実施例に基づくＰ−Ｉ−Ｐ−Ｉ−Ｎエピタキシャル構造を具備するマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を示している概略図。
【図41】幾つかのその他の実施例に基づくＰ−Ｉ−Ｐ−Ｉ−Ｎエピタキシャル構造を具備するマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を示している概略図。
【図42】幾つかの実施例に基づくＧｅ吸収層及びＧｅＰキャッピング層を具備しているマイクロストラクチャ型ＡＰＤを示している概略図。
【図43】（Ａ）乃至（Ｄ）は幾つかの実施例に基づくマイクロストラクチャ型フォトダイオード及びＡＰＤの分極（偏光）感度を示した各説明図。
【図44】幾つかの実施例に基づいて相互インピーダンス増幅器及び／又はその他のＡＳＩＣ（応用特定集積回路）と集積化されているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを示している概略図。
【図45】幾つかの実施例に基づいて単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理ＩＣを集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図。
【図46】幾つかのその他の実施例に基づいて単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理ＩＣを集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図。
【図47】幾つかのその他の実施例に基づいて単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理ＩＣを集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図。
【図48】幾つかのその他の実施例に基づいて単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理ＩＣを集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図。
【図49】幾つかのその他の実施例に基づいて単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理ＩＣを集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図。
【図50】幾つかのその他の実施例に基づいて単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理ＩＣを集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図。
【図51】幾つかのその他の実施例に基づいて単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理ＩＣを集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図。
【図52】幾つかの実施例に基づいて単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理及びルーチングエレクトロニクスなどのＩＣエレクトロニクスと集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤのアレイを示している概略図。
【図53】幾つかの実施例に基づく高データレートＭＳ−ＰＤ用のエピタキシャル構造を示している概略図。
【図54】幾つかの実施例に基づく高データレートＭＳ−ＰＤ用のエピタキシャル構造を示している概略図。
【図55】幾つかの実施例に基づく高データレートＭＳ−ＰＤ用のエピタキシャル構造を示している概略図。
【図56】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ用のメサ寸法、穴直径、穴周期距離、及び格子パターンを示している表。
【図57】（Ａ）及び（Ｂ）は幾つかの実施例に基づく六角形及び正方形の格子穴パターンを示している各概略図。
【図58】幾つかの実施例に基づくシリコンＭＳ−ＰＤ用のエピタキシャル層構造を示している概略図。
【図59】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図。
【図60】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図。
【図61】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図。
【図62】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ用のＧｅ・オン・ＳｉのＰＩＮエピタキシャル層構造を示している概略図。
【図63】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・ＳｉのＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図。
【図64】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・ＳｉのＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図。
【図65】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・ＳｉのＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図。
【図66】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・ＳｉのＰＤの或る側面を示している概略図。
【図67】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・ＳｉのＰＤの或る側面を示している概略図。
【図68】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＡＰＤの或る側面を示している概略図。
【図69】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＡＰＤの或る側面を示している概略図。
【図70】幾つかの実施例に基づくＳｉＯ２層無しのＭＳ−ＡＰＤを示している概略図。
【図71】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）を示している概略図。
【図72】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）を示している概略図。
【図73】幾つかの実施例に基づくエッチストップ層を具備しているＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）を示している概略図。
【図74】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）を示している概略図。
【図75】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ用の別のＳｉＮＩＰエピタキシャル層構造を示している概略図。
【図76】（Ａ）乃至（Ｃ）は幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ用の埋込酸化物上のＳｉＮ−Ｉ−Ｐエピタキシャル層を示している各概略図。
【図77】幾つかの実施例に基づくＰＳｉ基板上のＳｉＮＩＰエピタキシャル層及びＳｉＧｅＢエッチストップ層を具備しているＭＳ−ＰＤを示している概略図。
【図78】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ用のＳｉＧｅＢエピタキシャル層構造上のＧｅ・オン・ＳｉのＮＩＰを示している概略図。
【図79】幾つかの実施例に基づくＭＳ−ＰＤ用のＧｅ・オン・Ｓｉエピタキシャル構造を示している概略図。
【図80】幾つかの実施例に基づく別のＧｅ・オン・Ｓｉエピタキシャル構造を示している概略図。
【図81】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・Ｓｉエピタキシャル構造を示している概略図。
【図85】幾つかの実施例に基づくマイクロストラクチャ型フォトダイオードチップの概略平面図。
【図86】幾つかの実施例に基づいて単一チップ上に相互インピーダンス増幅器及び／又はその他のエレクトロニクスを集積化したＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを示している概略平面図。
【図87】マイクロストラクチャが無い状態の単純なエピタキシャル構造を示している概略図。
【図88】マイクロストラクチャが無い状態の別の単純なエピタキシャル構造を示している概略図。
【図92】幾つかの実施例に基づいてシリコン内へ穴をエッチングした場合のシリコン内のマイクロストラクチャ型領域を示している概略図。
【図93】幾つかの実施例に基づいてテーパー付き穴を具備するＭＳ−ＰＤ構造を示している概略図。
【図94】幾つかの実施例に基づいて徐々にテーパーが付けられた穴を具備するＭＳ−ＰＤ構造を示している概略図。
【図95】幾つかの実施例に基づいて異なる直径のマイクロストラクチャ型穴を具備する物質構造を示している概略図。
【図99】幾つかの実施例に基づいて８００乃至１０００ｎｍの波長範囲における動作に対するＳｉアバランシェフォトダイオード用の別の好適なエピタキシャル構造を示している概略図。
【図100】幾つかの実施例に基づくマイクロストラクチャ型ＡＰＤの幾つかの特徴を示している概略図。
【図101】
【図102】マイクロストラクチャ型Ｇｅ・オン・ＳｉＡＰＤの幾つかの特徴を示している概略図。
【図103】（Ａ）乃至（Ｃ）は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型シリコン及びＧｅ・オン・Ｓｉフォトダイオード及びアバランシェフォトダイオードに対する直径、周期、及びその他のパラメータを示している各説明図。
【図104】（Ａ）及び（Ｂ）はマイクロストラクチャ型ＧｅＰ−ＧｅＩ−ＳｉＮ・オン・ＳｉＮ基板フォトダイオードである図８２Ａに示した構造に対する吸収−波長に対してＦＤＴＤ（有限差分時間領域）を使用したシミュレーション結果を示している各グラフ。
【図105】（Ａ）及び（Ｂ）は幾つかの実施例に基づく正方形格子穴パターンに対する固有モードを説明するための各説明図。
【図106】幾つかの実施例に基づいて互いにオーバーラップして配設された２個の正方形格子を具備しているマイクロストラクチャ型穴を示している概略図。
【図107】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・Ｓｉのエピタキシャル構造を示している概略図。
【図108】幾つかの実施例に基づくＧｅ・オン・Ｓｉのマイクロストラクチャ型フォトダイオードの基本的な特徴を示している概略図。
【図109】（Ａ）及び（Ｂ）は幾つかの実施例に基づいてマイクロストラクチャ型穴アレイに対してマクスウエル方程式を使用したＦＤＴＤシミュレーションの結果を示している各グラフ。
【図110】幾つかの実施例に基づいて異なる穴直径及び格子周期を有するマイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードに対する吸収−波長のプロット。
【図112】幾つかの実施例に基づいて同じ周期の２つの六角形状格子が結合され且つ互いにインターレースされている場合の別の格子構造を示している概略図。
【図113】各セルが固有モードを有しており何らかのフィールド伝播／分布がその固有モードの拡張である場合がある６単位セルを具備している六角形状格子を示している概略図。
【図114】幾つかの実施例に基づく穴アレイ及びテクスチャー表面を具備しているＳｉＮＩＰマイクロストラクチャ型フォトダイオードを示している概略図。
【図115】波長に対してのＳｉ及びＧｅの吸収係数を示しているグラフ。
【図116】幾つかの実施例に基づいてマイクロストラクチャ型穴アレイに起因するＧｅの向上された実効吸収係数を示しているグラフ。
【図117】幾つかの実施例に基づいてＳｉマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤの向上された吸収を示しているグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0025】
好適実施例の幾つかの例の詳細な説明を以下に与える。幾つかの実施例について説明するが、本特許明細書において記載する新たな要旨はここに記載されるいずれか一つの実施例又は幾つかの実施例の組合せに制限されるものではなく、多数の代替物、修正物、及び均等物を包含することを理解すべきである。更に、完全なる理解を与えるために以下の説明においては多数の特定の詳細を記述するが、幾つかの実施例はこれらの詳細の幾つか又は全てが無い状態で実施することが可能である。更に、説明の便宜上、本書に記載する新たな要旨が不必要にぼかされることを回避するために、関連技術において既知である或る技術的物質については詳細に記載していない。本書に記載する特定の実施例の内の一つ又は幾つかの個々の特徴を他の記載する実施例の特徴と結合して使用することが可能であることは明らかである。更に、種々の図面における同様の参照番号及び記号は同様の要素を表している。
【0026】
幾つかの実施例によれば、半導体物質のバンドギャップの近傍における波長において物質のバルク吸収定数又は吸収を改善するためにマイクロストラクチャが使用される。このことは、光センサーの動作光学的波長及び／又は動作スペクトルを拡張することを可能とする。向上されたバルク吸収定数（即ち、係数）は実効吸収定数（即ち、係数）と呼称される。「実効」という用語が使用される理由は、吸収定数即ち係数は固有の物質特性だからである。しかしながら、共振効果、結合型共振効果、遅波効果、プラズモン効果、フィールドエンハンスメント効果、散乱効果、近場及びサブ波長効果、線形及び非線形効果がある場合、実効吸収定数即ち係数はバルク即ち物質吸収定数即ち係数よりも一層大きい場合がある。吸収は吸収係数と吸収長との積に指数的に依存するので、バルク吸収係数を維持することによって、実効吸収長は、量子効率に比例する同一の吸収を達成するためにＰＤ／ＡＰＤの「Ｉ」吸収領域の物理的な長さよりも一層大きなものである場合がある。本書において使用されているように、以下の用語は交換可能に使用されており、即ち、向上された吸収定数、向上された吸収係数、向上された実効吸収定数、向上された実効吸収係数、及び実効吸収定数、及び実効吸収係数、向上された吸収長、実効吸収長、向上された実効吸収長である。向上された吸収即ち実効吸収は、向上された吸収係数及び／又は向上された吸収長のいずれか又は両方に起因する場合がある。
【0027】
幾つかの実施例によれば、向上された吸収は経路長に関して劇的な効果を有する場合がある。一つのバルク吸収例において、その元の振幅の１／ｅに対して吸収すべきフォトンに対する経路長は１００μｍであり、一方、この特許明細書において記載される幾つかの実施例に基づく向上された吸収の下では、その経路長はその元の振幅の１／ｅへ減衰するための光学振幅に対して１μｍである。等価的に、経路長を１μｍに一定に維持する場合には、向上された吸収係数はバルク吸収係数よりも１００倍大きく及び／又は向上された実効吸収長は実際の物理的長さよりも１００倍大きい。
【0028】
このことはＡ＝Ａ０ｅ−αＬの関係から理解されるが、尚Ａは入射フォトンフラックスＡ０の減衰振幅であり、αは吸収係数であり、Ｌは吸収が行われる経路長である。従って、Ｌを１００倍一層長いものとする代わりに、実効αがバルク吸収係数等の向上されていない吸収係数よりも１００倍一層大きなものであるように実効αを定義することが可能である。例えば、マイクロストラクチャの共振／結合共振／散乱／近場効果が１００倍一層長い経路長の均等性を与え、その場合に該共振／散乱／近場マイクロストラクチャは１ミクロンの長さであるに過ぎない。このことの一層簡単な記述は、共振／結合共振構造内のフォトンはその元の振幅の１／ｅの値に到達する前に５０回の往復を行い、従ってその均等線形長さは結合共振構造の長さの１００倍であるということである。説明の便宜上、共振／結合共振／線形及び非線形フィールドエンハンスメント／散乱／近場効果をここでは集約的に「共振（resonant）」として言及することとし、そのことは、共振、結合共振、遅波、散乱、近場、プラズモン、非線形及び線形光学場効果を包含することが可能である。
【0029】
本書において使用されているように、「マイクロストラクチャ」及び「マイクロストラクチャ型」という用語は、少なくとも一つの寸法がミクロン尺度、サブミクロン尺度、及び／又はサブ波長尺度及び／又は波長尺度である寸法及び種々の形状の柱体、ボイド、穴及びメサのことを意味している。
【0030】
幾つかの実施例によれば、実効吸収を向上させるための本技術は、シリコン、ゲルマニウム、ＩｎＰとＧａＡｓとＧａＮとＧａＮとＩｎＧａＡｓ等のＩＩＩ―Ｖ物質、及びＩＩＩ−Ｖ物質群の任意の組合せを包含する種々の物質へ適用することが可能である。本明細書において使用されるように、ＩＩＩ−Ｖ物質の「物質群」という用語は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＩｎＳｂ半導体に対して格子整合しているか又はほぼ格子整合（数％以内）している任意の物質として定義される。例えば、ＩｎＰ物質群はＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓを包含することが可能である。幾つかの実施例によれば、マイクロストラクチャの場合、選択区域成長（ＳＡＧ），エピタキシャル横方向過剰成長（ＥＬＯＧ）、ＧｅかＩｎＧａＡｓか又はシリコンマイクロストラクチャにおけるその他のＩＩＩ−Ｖ物質の薄いバッファ層が有るか又は無いエピタキシャル成長（ＥＧ）等の再成長を格子不整合の有害な影響無しに実施することが可能である。何故ならば、シリコン上の格子不整合物質のフットプリントの寸法が小さいからである（約数ミクロン乃至サブミクロン）。このことは、従来のバッファ層（Ｇｅ・オン・Ｓｉ成長の場合における非晶質Ｇｅ等）を使用すること無しにＧｅ及びその他のＩＩＩ−Ｖ物質をシリコンと集積化させることを可能とさせる。複数物質の不均一集積化は、ホモ又はヘテロ構造、結晶性及び微結晶性及び非晶質半導体の組合せ、炭素等の導体、グラフェン、絶縁体、誘電体、固体、気体、ガラス等の液体、又は半電導性とすることが可能なポリマーとすることが可能である。Ｇｅ及びＩＩＩ−Ｖ物質は、ミクロン尺度より大きな面積からウエハ尺度をカバーする面積を被覆することが可能なＳＯＧ、ＥＬＯＧ，ＥＧ方法を使用するバッファ層と共に又は無しでＳｉ上に成長させることも可能である。
【0031】
幾つかの実施例によれば、実効屈折率を低下させるために、埋込酸化物（ＢＯＸ）、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）、非晶質半導体等の低密度半導体、ナノワイヤ半導体、ボイド及び穴等の低指数物質が使用される。屈折率は物質の固有の特性である。しかしながら、幾つかの実施例によれば、ボイド、空隙、及び／又は穴（低屈折率物質で充填又は部分的に充填させることが可能）等の構造が光学波長程度の寸法を有している場合には、光学的電磁界が物質屈折率と該構造（低屈折率物質で充填又は部分的に充填させることが可能）とからなる平均屈折率を見ることとなる。この平均は、ここでは、実効屈折率と呼称する。幾つかの実施例によれば、低指数又は低実効指数物質をマイクロストラクチャにおいて使用することは必要ではない。
【0032】
幾つかの実施例によれば、実効吸収を向上させる技術をシリコン、ゲルマニウム、ＩｎＰやＧａＡｓやＧａＮやＩｎＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ物質、及びＩＩＩ−Ｖ物質群の任意の組合せを含む種々の物質へ適用することが可能である。
【0033】
マイクロストラクチャに起因して、容量も実効容量によって表すことが可能であり、それは、（１）一つの半導体の誘電率と、（２）半導体、誘電体、気体、真空、部分的真空、ガラス又はポリマー（ポリイミド、マイラー、又はその他の有機化合物）等の液体、とすることが可能な別の物質の誘電率との並列容量である。本装置の実効容量は、２つ又はそれ以上とすることが可能な並列コンデンサの容量の結合である。幾つかの実施例によれば、マイクロストラクチャを使用する利点は、その実効容量を半導体等の均一物質の容量よりも著しく低下させることが可能であるということである。ＲＣ時間（抵抗容量）はフォトダイオード及びアバランシェフォトダイオードの帯域幅を決定する基本的な時間の内の一つである。より低い容量は、装置をして、適切に高いデータレート帯域幅を維持しながら一層大きな面積を有することを可能とし、及び／又はＰＤ／ＡＰＤの帯域幅を決定する基本的な時間である電子及び／又は正孔の走行時間（transit time）を減少させるために該装置の厚さを減少させることによってデータレート帯域幅を増加させることを可能とする。
【0034】
幾つかの実施例によれば、本光センサーはフォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電池（ＰＶ）又は太陽電池、又はフォトンを電子へ変換させる任意のオプトエレクトロニクス装置とすることが可能である。幾つかの実施例によれば、レーザー及び発光ダイオード等の電子／正孔をフォトンへ変換させるエミッター即ち発光体もマイクロストラクチャを使用して実現することが可能である。
【0035】
幾つかの実施例によれば、向上させた吸収はＡＰＤ／ＰＤを、（１）バルク吸収係数が弱い、例えば、ＱＥ（量子効率）が３０％より大きいか又は５０％より大きく且つデータ帯域幅が３Ｇｂ／ｓよりも大きい状態で約１０００ １／ｃｍ又はそれ以下である場合にＡＰＤ／ＰＤの感度を物質バンドギャップに近いエネルギ（又は波長）を有するフォトンへ拡張させ、（２）一層短い吸収長従って一層短い走行時間に起因して高データレート帯域幅（例えば、１０Ｇｂ／ｓを越える）で動作させ、（３）向上させた吸収で量子効率を増加させ、（４）アバランシェフォトダイオードに対して低過剰ノイズで優れた増倍特性を有するシリコンで製造させ、（５）Ｓｉフォトニクス及びＣＭＯＳプロセスと適合性があるものとさせることを可能とする。幾つかの実施例によれば、ＰＤ／ＡＰＤは、信号処理、信号増幅、メモリ、ＣＰＵ、電気的送信機、光学的導波路、集積化オプティックス、及び特定適用例のためのその他のＩＣ等のＡＳＩＣ（応用特定集積回路）と集積化させることが可能である。このことはＣＭＯＳファンドリーを使用する大量生産に有益的である。更に、エレクトロニクスと共に又は無しで集積化されている表面（又は底部）照射型ＰＤ／ＡＰＤはウエハレベルプロービングでテストすることが可能であり、更に、単一モード及びマルチモードの両方を取り扱うことが可能である。単一の光学的及び電気的チップはセラミックマルチチップキャリアーの必要性をバイパスし且つ組立及びパッケージングのコストを著しく減少させる。シリコンベンチは必要とされる場合のレンズ、ファイバー等の光学的部品に対する光学的アライメントに関連して使用することも可能である。
【0036】
幾つかの実施例によれば、シリコンはアバランシェ利得のために使用される。シリコンはアバランシェフォトダイオードに対して過剰ノイズが一層低い。Ｇｅをシリコンと統合させることによって、吸収はＧｅ物質内において行われ且つ電子的利得はシリコン内において発生する。光学的波長、例えば１１００ｎｍ未満、に依存して、シリコンは、マイクロストラクチャの使用と共に、吸収及び電子的利得の両方のために使用することが可能である。
【0037】
幾つかの実施例によれば、半導体におけるフォトンの吸収はマイクロストラクチャを使用して向上される。該マイクロストラクチャは、共振、結合共振、フィールドエンハンスメント、近場及びサブ波長効果、散乱、プラズモン、線形及び非線形光学的場、フォトニック結晶、与えられた物理的長さに対するフォトンの一層大きな吸収となる実効吸収長を効果的に増加させることが可能であり及び／又は該吸収係数を実効係数へ向上させることが可能な線形及び非線形の両方の効果である近場領域においての高コントラストグレーチングにおける吸収モード又は損失モード等の効果を有することが可能である。
【0038】
幾つかの実施例によれば、シリコンフォトダイオード及び／又はアバランシェフォトダイオードのための吸収向上のために使用されるマイクロストラクチャは、長さ及び／又は係数の向上に起因して、量子効率が約５０％以上で、幾つかの場合にはＱＥが７０％以上で波長が約８５０ｎｍ（それは現在のデータ通信の好適な波長である）で帯域幅が１０Ｇｂ／ｓ（又は、等価的に、デジタルコーディングフォーマットに依存して、約６．７５ＧＨｚ）を越えているシリコンＰＤ及びＡＰＤとなる場合がある。
【0039】
シリコン光学的検知器は、物質及び処理技術の成熟性に起因して、非常にロバスト即ち堅牢であり、その表面は表面状態及びキャリアー再結合中心を発生させる場合があるダングリングボンドを取り除くために容易にパッシベーションすることが可能であり、且つ、ＡＰＤ適用例の場合、正孔と電子との間のイオン化比（ｋ係数、シリコンはどのＩＩＩ−Ｖ物質よりも低いｋ係数を有している）が小さいのでノイズが低く、且つこの様な検知器は信号処理用エレクトロニクス及びＳｉフォトニクスとの集積化に対してＣＭＯＳ適合性を有している。
【0040】
幾つかの実施例によれば、光発生されたキャリアーは、高変調帯域幅（１０Ｇｂ／ｓ帯域幅以上）及び高量子効率のため及び利得が３ｄＢより大きな高電流利得用のＡＰＤのためのＰ−Ｉ−Ｎダイオード（ＰＤ）又はＰ−Ｉ−Ｐ−Ｉ−Ｎダイオード（ＡＰＤ）の吸収用「ｉ」（時々「Ｉ」と言及される）領域における外部逆バイアスでスイープアウト即ち一掃される。
【0041】
１Ｇｂ／ｓよりも大きな帯域幅を有するマイクロストラクチャ型フォトダイオード及びアバランシェフォトダイオードは通信において使用される。光学信号は、バイナリー（強度）、位相／周波数偏移（コヒーレント、ヘテロダイン通信）、分極（偏光）コーディング（polarization coding）、波長分割多重化等の多波長、及び分極多重化等の技術を使用して光に刻印された情報を有している。該光学信号は、空中及び／又はファイバーを介して走行してマイクロストラクチャフォトダイオード及び／又はアバランシェフォトダイオード上に突き当たり、そこで該光学信号上に刻印されている情報を電気信号として抽出することが可能である。幾つかの場合においては、ヘテロダイン又はホモダインにおけるように、別の一つ又は複数の光学的供給源を混合させることが必要である。
【0042】
図１は、幾つかの実施例に基づいて、本マイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードを使用することが可能な光学データ伝送システムを例示している概略図である。光学データ伝送システム１００は、光学的供給源（ソース）１１０、空気及び／又はオプチカルファイバー等の伝送媒体１２０、及びマイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤから構成されている。幾つかの実施例によれば、光学的供給源１１０はレーザーとすることが可能である。電気データ１１２が、直接的変調のためにレーザー１１０を順方向バイアスしている電源１１４で光学信号上に刻印される。レーザー１１０の出力は、ボールレンズ等の結合器１２２を介してオプチカルファイバー１２０へ結合させることが可能である。該光学信号はファイバー１２０（又は空気）を介して伝播し且つファイバー１２０から例えばレンズ１２４を介して高速マイクロストラクチャフォトダイオード／アバランシェフォトダイオード１３０へ結合させることが可能であり、そこで、該光学信号は電気信号へ変換され且つその結果得られるデータ１３２（データ１１２と一致する）が回復される。該マイクロストラクチャフォトダイオード／アバランシェフォトダイオードは電源１３４を使用して逆バイアスされる。
【0043】
幾つかの実施例によれば、波長選択要素を該マイクロストラクチャ型フォトダイオード及びマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオードと集積化させることが可能である。特に、マイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードのアレイを、例えばＣＭＯＳ、ｂｉ−ＣＭＯＳ、バイポーラ装置及び回路を具備している応用特定集積回路を包含することが可能な単一のチップ上に製造させることが可能である。バンドパスフィルター等の波長選択要素は、粗波長分割多重化（ＣＷＤＭ）のために使用することが可能であり、その場合に、例えば、各々が１０−４０Ｇｂ／ｓの変調データを担持している８１０，８２０，８３０，８４０，８５０，８６０，８７０，８８０ｎｍの波長は、単一伝送媒体内において８０−３２０Ｇｂ／ｓの総合データレートを有することが可能である。
【0044】
波長選択要素の例は、高コントラストサブ波長グレーチング、金属膜又は誘電体膜におけるサブ波長穴からなるアレイ、及びブラッグ反射器におけるような交番する屈折率を有している誘電体層、を包含している。該波長選択要素は、空胴共振器を形成するための多数の高コントラストグレーチングを包含しているバンドパスフィルターとすることが可能である。該要素は、グレーチングと、金属膜又は半金属膜上のサブ波長穴アレイ及び／又はブラッグミラー等のその他の波長選択要素との結合とすることも可能である。
【0045】
更に、フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードのマイクロストラクチャはそれ自身、波長選択性及び吸収長向上の両方とすることが可能であるように高コントラストグレーチング等の反射器を形成することが可能である。特に、該フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードのフォトン吸収領域を向上させることが可能である。幾つかの実施例によれば、波長選択性のために共振光学空胴を形成するために、マイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードの上に付加的な高コントラストグレーチングを製造することが可能である。該高コントラストグレーチングの内の一つが該２つの波長選択要素の間で電圧を発生させるように電気的にバイアスさせることが可能である場合には、同調可能なオプチカルファイバーの如く選択された波長を同調させることが可能である。
【0046】
図２は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＭＳ−ＰＤ）及びマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）と共に包含されている波長選択要素を示している概略図である。波長選択要素２２０を使用して、選択波長範囲内の波長のみがＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ１３０上に入射する。幾つかの実施例によれば、その窓は幅を１−２０ｎｍとすることが可能である（例えば、８２０ｎｍの中心波長±５ｎｍで、その場合バンドパスは８２０ｎｍを中心にした１０ｎｍである）。図２に示した場合は、シリコンＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ１３０と集積化させることが可能なシリコンから構成されている高コントラストグレーチング２２０である。幾つかの実施例によれば、マイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオード１３０のマイクロストラクチャ特徴部２１０は、該フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードの吸収特性を向上させる機能に加えて、それ自身が波長選択器として動作することも可能である。ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ１３０のマイクロストラクチャ２１０が波長選択器として構成される場合には、高コントラストグレーチング２２０の付加はバンドパスフィルターとして機能することが可能な共振空胴を形成する。
【0047】
図３は、幾つかの実施例に基づいて、複数個の波長選択要素を具備しているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを示している概略図である。この場合には、複数個の波長選択要素３２０及び３２２が製造され且つＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ１３０内に集積化されている。波長選択要素３２０及び３２２は、バンドパスフィルターとして機能するデュアル高コントラストグレーチングである。幾つかの実施例によれば、他のものと相対的に一つの波長選択要素へ或る電圧を印加すると、同調可能なバンドパスフィルターを製造することが可能である。
【0048】
図４（Ａ）乃至（Ｄ）は、幾つかの実施例に基づいて、種々のバンドパスフィルター特性を示しているグラフである。図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）におけるプロットは、夫々、中心波長が８２０，８３０，８４０，８５０ｎｍであり、尚「Ｒ」は反射率である。例えば、１０ｎｍの帯域幅の場合の中心波長において、反射率は実際上ゼロであって殆どの光が透過され、一方、その帯域幅の外側においては、反射率は殆ど１００％であり透過は実際上ゼロである。
【0049】
図５は、幾つかの実施例に基づく、粗波長分割多重化（ＣＷＤＭ）形態を示している概略図である。この場合に、中心波長が８２０，８３０，８４０，８５０ｎｍで各々が１００Ｇｂ／ｓ総合データレートに対して２５Ｇｂ／ｓの変調データレートを有しているような伝送媒体内を４つの波長が伝播する。各波長選択ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤで反射することによりＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ５３０，５３２，５３４，５４６上のバンドパスフィルターによって光学バンドが分離される。各反射の後、その光は反射器５５０を介して次の波長選択ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤへ反射され、全ての光学バンドが指定されたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤによって吸収されるまで、以下同様に行われる。各中心波長は一つのデータチャンネルを担持しており、例えば、８２０ｎｍは２５Ｇｂ／ｓのデータレートにおいてチャンネル１を担持しており、且つ８２０ｎｍにおけるバンドパスフィルターを有するＭＳ−ＰＤ５３０は８２０ｎｍ信号を光学信号の残部から分離し且つ集積化したＣＭＯＳＡＳＩＣ（不図示）によって更なる信号処理を行うために回復されたデータチャンネル１を発生させる。
【0050】
幾つかの実施例によれば、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤエピタキシャル層厚さは、エピタキシャル層厚さ及びＣＭＯＳ（相補的金属酸化物半導体）プロセスの構造と適合性があり、従ってＣＭＯＳＡＳＩＣと集積化させることが可能である。対照的に、１．２５Ｇｂ／ｓのデータレートを有する８５０ｎｍにおいての従来のシリコンフォトダイオードは１０μｍ厚さよりも大きなエピタキシャル層及び５３％量子効率を有している。従って従来のシリコンフォトダイオードの比較的厚い層はＣＭＯＳプロセスと容易に適合可能なものではない。
【0051】
幾つかの実施例によれば、該光吸収層は非結晶性のものとすることが可能である。特に、それは、例えば、プラズマエンハンスト化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）及び／又はホットワイヤ化学蒸着（ＨＷＣＶＤ）によって付着される水素化非晶質Ｓｉ（ａ−Ｓｉ：Ｈ）とすることが可能である。その層は、典型的に、０．３−３μｍ厚さの程度である。該光吸収領域（即ち、ｐｉｎフォトダイオード構造のｉ領域）を横断して逆バイアスで電圧を印加して光発生されたキャリアーを一掃して高速データ通信適用例のための高効率及び高帯域幅を可能とさせる。該非結晶性層上の層は透明又は半透明の導電性金属又はインジウムすず酸化物等の導電性酸化物とすることが可能である。該上部層はｐｉｎ構造を形成するためにドープした非結晶性物質の薄い層とすることが可能である。
【0052】
図６（Ａ）及び（Ｂ）は、幾つかの実施例に基づく、マイクロストラクチャ型フォトダイオードの幾つかの基本的な部品を示している概略図である。図６（Ａ）はマイクロストラクチャをエッチングする前の物質構造６００を示しており、且つ図６（Ｂ）はエッチング後のＭＳ−ＰＤ６６０を示している。注意すべきであるが、幾つかの実施例によれば、該マイクロストラクチャは穴６２２であり、且つ幾つかのその他の実施例においては、該マイクロストラクチャは柱体である。幾つかのその他の実施例において、該マイクロストラクチャは穴と柱体との結合である。「ｌａ」層６０８は、結晶性又は非結晶性Ｎ層上に成長させた非結晶性（例えば、水素化非晶質Ｓｉ（ａ−Ｓｉ：Ｈ））とすることが可能である。Ｐ層６１０は非結晶性及び高度にドープしたＰ又は導電性酸化物又は金属とすることも可能である。Ｎ層６０６も金属又は導電性酸化物とすることが可能である。オーミックコンタクト６２８及び６３０を使用してＰ層とＮ層との間にバイアスを印加させて、水素化キャリアーを一掃する高電界をＩ層６０８内に形成させる。基板６０２は、例えば、非結晶性及び／又は石英等の誘電体、ガラス、セラミック、及び／又は金属等の導体、シリサイド、導電性ポリマーとすることが可能である。幾つかの実施例によれば、「ｉ」層６０８としても知られる「ｌａ」は０．３乃至３μｍの厚さ範囲を有することが可能である。
【0053】
図７（Ａ）及び（Ｂ）は、幾つかの実施例に基づく底部照射型フォトダイオードの幾つかの基本的な部品を示している概略図である。図７（Ａ）はマイクロストラクチャをエッチングする前の物質構造７００を示しており、且つ図７（Ｂ）はマイクロストラクチャ（穴７２２等）をエッチングした後の底部照射型ＭＳ−ＰＤ７６０を示している。底部照射型ＰＤ／ＡＰＤの場合、「ｌａ」即ち「ｉ」領域７０８はａ−Ｓｉ：Ｈ等の非結晶性とすることが可能であり且つ「Ｎ」層７１０も非結晶性とすることが可能であり、一方、「Ｐ」層７０６はＢＯＸ／ＳＯＩ７０４上で結晶性か又は非結晶性とすることが可能であり且つ結晶性又は非結晶性基板７０２とすることが可能である。しかしながら、光学損失を最小とさせるために、基板７０２及びＰ層７０６が結晶性であることが望ましい。何故ならば、それは８００乃至１１００ｎｍの範囲の波長において非晶質シリコンよりも吸収性が少ないからである。「ダブル又はマルチバウンス（bounce）」のＰＤ／ＡＰＤの場合、吸収領域「ｌａ」層７０８は０．２乃至２μｍの厚さ範囲を有することが可能である。何故ならば、光学信号はＮ金属コンタクト７２６で反射し且つ「ｌａ」吸収層７０８へ戻るからである。「ｌａ」層７０８の厚さは減少させることが可能であり、従って、走行時間を減少させ且つフォトダイオード又はアバランシェフォトダイオードの帯域幅を増加させることが可能である。
【0054】
図８（Ａ）及び（Ｂ）は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＡＰＤ構造の幾つかの基本的な部品を示している概略図である。図８（Ａ）はマイクロストラクチャをエッチングする前の物質構造８００を示しており、且つ図８（Ｂ）はエッチング後のＭＳ−ＡＰＤ８６０を示している。光吸収用の「ｌａ」領域８０８は結晶性又はａ−Ｓｉ：Ｈなどの非結晶性とすることが可能である。ＰＩＮシリコン（８２０，８１８、及び８０６）の結晶性アバランシェ利得領域をシリコン基板又はＢＯＸ／ＳＯＩ（埋込酸化物／シリコン・オン・インシュレータ）基板８０２上に成長させる。Ｐａ上部層８１０は結晶性又は非結晶性とすることが可能である。ＰＳｉ層８１０とオーミックコンタクトを形成するため及び／又はシート抵抗を減少させるために、透明な金属酸化物層８２６を設けることが可能である。注意すべきことであるが、光学信号は上部表面へ真っ直ぐ（垂直）に来るか、又はそれはフォトン矢印で示したように角度をもって来る場合がある。マイクロストラクチャ８２２は穴、柱体、又はこれらの組合せとすることが可能である。図８（Ｂ）に示したものは上部照射型ＡＰＤ８６０であるが、幾つかの実施例によれば、ＢＯＸ／ＳＯＩを使用して、基板のバルクを除去することが可能であり、且つ該ＡＰＤは８００−１１００ｎｍの波長範囲で底部から照射させることが可能である。Ｐ層８１０を介してのＰオーミック及びボンド金属８２８とＮ基板８０６を介してのＮオーミック及びボンド金属８３０との間に逆バイアスを印加させる。その逆バイアスは水素化キャリアーを一掃すると共に電子的利得を与える。ＰＤ用の典型的なバイアス電圧は１乃至１０ボルトの逆バイアスであり、且つＡＰＤの場合には、その範囲はほぼ５乃至５０ボルトの逆バイアスである。ここに記載する全てのＰＩＮ、ＰＩＰＩＮ装置における如く、ＰとＮとは交換可能であり、例えば、フォトダイオード及びアバランシェフォトダイオードに対して、ＰＩＮはＮＩＰとすることが可能であり且つＰＩＰＩＮはＮＩＮＩＰとすることが可能である。アノード即ちＰ層はカソードＮ層に関して負にバイアスされる。
【0055】
図９（Ａ）及び（Ｂ）は、幾つかの実施例に基づいて、ＩＩＩ−Ｖ又はＧｅ物質のＳＡＧ前後の選択区域成長（ＳＡＧ）ＡＰＤ構造の或る側面を示している各概略図である。図９（Ａ）はエッチングした穴９２２（又は柱体周りの区域）を有するＳｉＡＰＤ構造を示している。ＩＩＩ−Ｖ物質又はＧｅの選択区域成長（ＳＡＧ）エピタキシャル成長を実施することが可能であり、図９（Ｂ）に示した如く、その場合には、Ｐａ層９１０及びｌａ層９０８はａ−Ｓｉ：Ｈ等の非結晶性とすることが可能であり、又はそれは結晶性シリコンとすることが可能である。特に、マイクロストラクチャのＩ区域９３４はＩｎＧａＡｓ又はＧｅとすることが可能であり、且つＰ区域９３２はＩｎＧａＡｓとすることが可能である。幾つかの実施例によれば、アバランシェ利得層（Ｐ層９２０及びＩ層９１８）を除去したＰＤ構造で開始して、ＩｎＧａＡｓ又はＧｅを具備するＳＡＧ ＰＤを製造することが可能である。ＧａＮ，ＺｎＳｅ，ＩｎＰ，ＧａＡｓ等のその他の物質もＳＡＧにおいて使用することが可能である。幾つかの実施例によれば、非晶質Ｇｅ等のその他の非晶質半導体を使用することも可能である。幾つかの実施例によれば、間接遷移を超えるエネルギを有するフォトンの結晶シリコンよりも一層高い吸収係数に起因して非晶質シリコンを使用することが可能である。
【0056】
図１０は、幾つかの実施例に基づくＰＩＮエピタキシャル層を具備する簡単化したマイクロストラクチャ型シリコンフォトダイオードを示している概略図である。０．２乃至１０μｍの厚さとすることが可能な埋込酸化物層（ＢＯＸ）１００４へ穴１０２２がエッチングされている。この構造１０６０は、シリコンと二酸化シリコンとの間の屈折率において高コントラストを提供しており、そのことは吸収を向上させることが可能である。Ｉ層１００８は０．５乃至５μｍの範囲内の厚さとすることが可能であり、且つＰ層１０１０及びＮ層１００６は０．１乃至５μｍの範囲内の厚さとすることが可能である。吸収の向上は８００乃至９００ｎｍ又はそれ以上の波長範囲において５０％を越えるものとすることが可能である。その向上された吸収は、垂直共振器面発光レーザー等のレーザーを直接的に変調させることによるか、又は光学的変調器がレーザー光を変調させる間接的変調によって発生される光学信号の或る波長範囲に対して最適化させることが可能である。Ｇｂ／ｓでのその変調されたレーザー光が該光学信号である。該光学信号は垂直入射で又は垂直入射に対して或る角度でのいずれかでマイクロストラクチャ型フォトダイオード１０６０上に入射する。マイクロストラクチャ型フォトダイオード１０６０の高速動作のためにＰオーミックコンタクトのアノード１０２８とＮオーミックコンタクトのカソード１０３０との間に逆バイアスを印加させる。図示していないものはシリコン表面上の１０乃至１００ｎｍの厚さのパッシベーション層で、それは、表面再結合において発生するダングリングボンドを減少させるために、例えば、Ｓｉのウエット（蒸気）又はドライ酸化、二酸化シリコンの原子層付着、蒸着、によって成長される。
【0057】
図１１は、幾つかの実施例に基づくＰＩＮエピタキシャル層を具備している簡単化したマイクロストラクチャ型シリコンフォトダイオードを示している概略図である。ＭＳ−ＰＤ１１６０は、マイクロストラクチャ型穴１１２２がＢＯＸ層１００４へ完全に貫通してエッチングされていないことを除いて、ＭＳ−ＰＤ１０６０と同一である。幾つかの実施例によれば、０．０１乃至２μｍのＮ層１００６を残存させることが可能である。
【0058】
図１２（Ａ）−（Ｃ）は、幾つかの実施例に基づいて、特定のマイクロストラクチャ型穴パターンのマクスウエル伝播方程式方法の有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）を使用するシミュレーションの状況を示している。図１２（Ａ）は六角形穴パターンを示しており、その穴の中心間距離がｘ方向において４９５ｎｍでｙ方向において８６０ｎｍである。図１２（Ｂ）に示してあるように、該穴は２μｍの深さまで完全に貫通してエッチングされており、その穴の直径は上部において３８５ｎｍであり底部において４３０ｎｍである。図１２（Ｃ）は、有限差分時間領域技術を使用したシミュレーションの結果を示しているプロットである。曲線１２１０，１２１２，１２１４は、夫々、吸収率、反射率、及び透過率を示している。この特定の例においては、２μｍの厚さのシリコンの場合、８０５乃至８３０ｎｍの波長範囲の光の６０％を超えるものを吸収させることが可能であることが理解される。穴直径、間隔、エッチング深さを変えることによって、光学信号の特定の波長に対して吸収を最適化させることが可能である。幾つかの実施例によれば、穴直径は２００乃至１８００ｎｍで変化させることが可能であり、間隔は２００乃至３５００ｎｍで変化させることが可能であり、且つ深さは０．１乃至２μｍで変化させることが可能である。
【0059】
図１３は、幾つかの実施例に基づいて、Ｐ−Ｉ−Ｎドーピングを有する高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）用のエピタキシャル層構造を示している概略図である。Ｓｉ１３０２におけるＢＯＸ（埋込酸化物）１３０４で開始して、尚該酸化物層の厚さは０．１乃至１０ミクロン又はそれ以上の範囲であり、薄いＧｅバッファ層１３７０をＮＳｉ１３０２の上に成長させることが可能である。Ｇｅバッファ層１３７０を設けるか又は設けずに、その後のＮ，Ｉ，Ｐ層１３０６，１３０８，１３１０はＧｅ及び／又はＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ物質群とすることが可能である。Ｎ，Ｉ，Ｐ層１３０６，１３０８，１３１０がＳｉである場合、Ｇｅバッファ層１３７０は省略することが可能である。該ＰＤの高速動作のために、該Ｎ層１３０６は０．１乃至５ミクロンの範囲とすることが可能であり、該Ｉ層１３０８は０．２乃至３ミクロンの厚さ範囲とすることが可能であり、且つ該Ｐ層１３１０は０．１乃至２ミクロンの範囲とすることが可能である。最後の層、この例においてはＰ層１３１０、は薄いＩｎＧａＡｓのキャッピングを具備するＩｎＰとＰ層等の複数の層の結合とすることが可能である。
【0060】
図１４は、幾つかの実施例に基づいて、Ｐ−Ｉ−Ｎドーピングを有する高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）用のエピタキシャル層構造を示している概略図である。該ＰＩＮヘテロ構造は、Ｇｅバッファ層１４７０がＩ層１４０８とＮ層１４０６との間の界面又はその近くにおけるものとすることが可能であり、その場合にＩ層１４０８及びＰ層１４１０はＧｅ及び／又はＩＩＩ−Ｖ物質群とすることが可能であるということを除いて、図１３のものと同様である。この構造例の利点は、Ｓｉのバンドギャップ未満のフォトンエネルギーの場合に、Ｎ層１４０６においてより少ない数の電子・正孔対が発生され、そこで光発生されたキャリアーはＩ層１４０８内の高電界領域へ拡散することが可能であり、その結果該ＰＤの高速応答における低速成分となる。該Ｇｅバッファ層はヘテロ成長のためには必要ではない場合もある。
【0061】
図１５は、幾つかの実施例に基づいて、Ｐ−Ｉ−Ｎドーピングを有する高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）用のエピタキシャル層構造を示している概略図である。該ＰＩＮヘテロ構造は、Ｉ領域１５０８のみがＧｅ及び／又はＩｎＧａＡｓ，ＩｎＳｂ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ物質群等の一層低いバンドギャップ物質であることを除いて、図１３及び１４のものと同様である。Ｐ層１５１０及びＮ層１５０６の両方が一層高いバンドギャップ物質から構成されている。幾つかの実施例によれば、Ｐ層１５１０及びＮ層１５０６はフォトンエネルギーよりも一層高いバンドギャップエネルギーを有しており、且つＩ層１５０８はフォトンエネルギーと等しいか又はそれより低いバンドギャップエネルギーを有している。例えば、Ｎ層１５０６はＳｉとすることが可能であり、Ｉ層１５０８はＩｎＧａＡｓ及び／又はＧｅとすることが可能であり、且つＰ層１５１０はＳｉ及び／又はＩｎＰとすることが可能である。Ｇｅバッファ層はヘテロ成長のために必要である場合も必要でない場合もある。Ｐ領域及びＮ領域において一層高いバンドギャップ物質を有することの利点は、これらの領域において発生される光キャリアを最小とさせることである。Ｐ領域及びＮ領域において発生される光キャリアは高電界領域へ拡散することが可能であり、その結果短い光学パルスに対してのフォトダイオードの応答における比較的遅い成分となる。したがって、Ｐ領域及びＮ領域において発生される光キャリアを減少させることは「テール効果（tail effect）」、即ちデータを光学的に送信するためのビットストリームにおける如く光学的入力パルス又は１組のパルスに応答してＰＤの電気的パルス出力の下降時間、を減少させる。Ｐ領域及びＮ領域の高ドーピングも、これらの領域において発生された光キャリアが高電界「Ｉ」領域へ拡散する前に再結合することが可能であるように、少数キャリア寿命を減少させる。
【0062】
図１６は、幾つかの実施例に基づいて、高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の幾つかの側面を示している概略図である。図１３に図示した例示的構造が、シリコン層１３０２内に埋め込まれている酸化物層１３０４までずーとＰＩＮ層１３１０，１３０８，１３０６を貫通してエッチングされている穴１６２２と共に示されている。ドライ及び／又はウエットエッチを使用することが可能であり、原子層付着によって露出表面へパッシベーション層を付加させることが可能である。この例においては、Ｇｅバッファ層１３７０がＮ層１３０６とＳｉ層１３０２との界面に設けられている。幾つかの実施例によれば、図１４及び１５に示した構造に対して同様の製造方法が使用される。
【0063】
図１７（Ａ）−（Ｄ）は、幾つかの実施例に基づいて、穴配置、間隔、寸法、及びパッシベーション層の例を示している各概略図である。図１７（Ａ）は２８０ｎｍの間隔でパッシベーション層厚さが５０ｎｍである六角形レイアウトを示している。図１７（Ｂ）は正方形レイアウトを示している。図１７（Ｃ）及び（Ｄ）は、夫々、テーパー付き及び垂直の穴形状を示している。これらの図示例はシリコン用であるが、寸法を多少修正すれば、該技術はＧｅ及びＩＩＩ−Ｖ物質群に対しても適用可能である。該穴は円形断面を有することが可能であり、又は、幾つかの実施例によれば、たとえば、楕円、矩形等のその他の形状とすることが可能である。
【0064】
図１８は、幾つかの実施例に基づいて、高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の更なる側面を示している概略図である。マイクロストラクチャ型穴１６２２をエッチングし、且つＰオーミックコンタクト層１８２８を付着させ且つアニールさせた後の図１３及び１６に図示した例示的構造を示してある。
【0065】
図１９は、幾つかの実施例に基づいて、高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の幾つかの更なる側面を示している概略図である。図１３，１６，１８に図示した例示的構造が示されている。Ｐオーミックコンタクト１８２８を付着させ且つアニールさせた後に、メサをエッチングして物質１９７２を除去してＰＤの容量を画定させることが可能である。該メサの直径は該ＰＤに対して望ましいＲＣ時間に依存して５ミクロンから１００ミクロンを超える範囲とすることが可能である。露出されたＰ，Ｉ，Ｎ領域のパッシベーションを実施して、例えば、ダングリングボンドに起因する漏洩電流を最小とさせる。幾つかの実施例によれば、電気的に半絶縁性又は絶縁性の領域を発生させることによってＰＩＮ構造の容量を画定させるために、メサエッチングの代わりにプロトン衝撃等のイオン注入を使用することも可能である。
【0066】
図２０は、幾つかの実施例に基づいて、高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の製造の幾つかの更なる側面を示している概略図である。図１３，１６，１８，１９に図示した例示的構造が示されている。メサエッチングの後に、Ｎ層１３０６上にリング又は部分的リング形状のＮオーミックコンタクト２０３０を形成する。Ｐ領域１３１０へ電気的バイアスを印加するためにＰオーミックコンタクト１８２８からボンドパッド（不図示）へのメタリゼーションを接続させるために架橋経路が形成されるようにポリイミド等の物質から絶縁層を形成すること等のＰＤを完成させるための付加的な処理ステップは図示していない。又、簡単化のための、Ｎオーミックコンタクト２０３０をＮボンドパッドとの間の接続用金属は図示していない。Ｉ層１３０８内に高電界を形成させるためにＰ及びＮオーミックコンタクト１８２８と２０３０とに逆電気バイアスを印加させる。幾つかの実施例によれば、負の１乃至負の１０ボルトの電圧を印加させることが可能である。
【0067】
図２１は、幾つかの実施例に基づいて、損失性高コントラストマイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＰＤ）の幾つかの側面を示している概略図である。図２１は、光が吸収層１３０８内を２度走行するマイクロストラクチャ型ＰＰＤを示している。このことは、Ｓｉ基板１３０２の一部２１７４を酸化物層１３０４まで除去し且つ該酸化物をＡｕ，Ａｇ，Ａｌ又はＣｕ等の金属反射器２１７６でコーティングすることによって達成される。幾つかの実施例によれば、ブロードバンド又は波長選択性のいずれかのためにブラッグ反射器の形態とすることが可能である。幾つかの実施例によれば、特に、粗波長分割多重化、又は波長分割多重化において使用するために更に波長選択性を与えるためにＰ層１３１０の上部表面上にブラッグ層を包含させることも可能である。
【0068】
図２２（Ａ）及び（Ｂ）は、幾つかの実施例に基づいて、特定のマイクロストラクチャ型ＰＤのＦＤＴＤ方法を使用するシミュレーションの状況を示している。図２２（Ｂ）は、図２１に図示した如きダブルバウンス構造に対するフォトンの波長に対してのフォトンの吸収のシミュレーション結果を示しているプロットである。該シミュレーションにおいて使用された例示的な厚さは以下の通りであり、即ち、酸化物１３０４は２ミクロン、Ｐシリコン１３１０は３００ｎｍ、ＩＳｉ１３０８は２ミクロン、及びＮシリコン１３０２は３００ｎｍであり、反射器２１７６は１００ｎｍ厚さのＡｕである。図２２（Ａ）に示した如く、六角形マイクロストラクチャ型穴を採用している。図２２（Ａ）に示されている如く、該穴は中心間六角形周期が６００ｎｍであり、穴直径が４８０ｎｍであり、ＳｉＯ２パッシベーションが３０ｎｍである。これらの寸法は、波長に対する吸収特性の対応するシミュレーションを有するマイクロストラクチャ型穴に対する単なる一つの例である。図２２（Ｂ）の曲線２２１０（吸収）及び２２１２（反射）から理解することが可能であるように、マイクロストラクチャ型穴の無いＳｉの場合におけるよりも吸収が著しく一層高いものであることが判明した。例えば、８５０ｎｍ波長の近傍において、吸収は７０％よりも一層良い。
【0069】
図２３は、幾つかの実施例に基づいて、高コントラストマイクロストラクチャ型ＰＤの或る側面を示している概略図である。下部構造は図２０の構造と類似しており、即ち、Ｓｉ基板２３０２、ＳｉＯ２層２３０４、及びＳｉＮ層２３０６である。下部Ｓｉ層２３０８を設けることも可能である。この場合、Ｇｅは上部Ｉ層２３０９及びＰ層２３１０として使用される。Ｐ層２３１０は、ＧｅＩ層２３０９上に成長させることが可能なＩｎＰから構成することも可能である。ＩｎＰＰ層２３１０の利点は、それが０．９乃至２μｍの波長においての吸収性がより低いということである。Ｐ層２３１０はＧｅＩ層２３０９上に成長されるＧａＡｓから構成することも可能である。更に、マイクロストラクチャ穴２３２２、Ｐオーミックコンタクト２３２８、Ｎオーミックコンタクト２３３０も示されている。注意すべきことであるが、光はＰ層２３１０の上部表面上及び／又はＳｉ基板表面２３０２上に入射することが可能である。
【0070】
図２４は、幾つかの実施例に基づいて、ヘテロエピタキシャルマイクロストラクチャ型ＰＤの状況を示している概略図である。この場合に、Ｉ領域は、Ｇｅ層２４７０によって分離されているＳｉ（下部層２４０８）とＩｎＧａＡｓ（上部Ｉ層２４０９）との複合体とすることが可能である。Ｐ領域２４１０はＩｎＰである。幾つかの実施例によれば、該Ｉ領域は、その全体をバッファＧｅ層２４７０の薄い層の上に成長させたＩｎＧａＡｓとすることが可能である。更に、Ｓｉ基板２４０２、酸化物層２４０４、Ｎ層２４０８、マイクロストラクチャ穴２４２２、Ｐオーミックコンタクト２４２８、及びＮオーミックコンタクト２４３０も示されている。これは、高コントラストマイクロストラクチャ型ＰＤ構造の１例である。それは、更に、図２１における如き金属反射器を組み込むことが可能であり、その場合には、該ＰＤ下側の酸化物層へエッチングすることによってＳｉを除去し且つＡｕ，Ａｇ，Ａｌ又はＣｕ金属層を付着させて光をＩ吸収層へ向けて反射させることが可能である。上述した如くブラッグ反射器を使用することも可能である。光は、この例においては、Ｐ層側からやってくる。光はＳｉ基板側から来ることも可能であり、その場合には、Ｉ層を二度走行させるために反射器が該Ｐ層上に配置される。この様な構成の利点は、Ｉ層を単一走行の場合のものから不変のまま維持しながら、吸収領域を二度又はそれ以上走行させることによって吸収が著しく改善されるということを包含している。吸収領域厚さを、例えば、単一走行ＰＤのものの半分へ減少させることによって、ＰＤの速度が増加する。何故ならば、光発生されたキャリアーに対する走行時間は単一走行ＰＤの距離の半分だけ走行することが必要であるに過ぎないからである。高コントラストマイクロストラクチャとは、該マイクロストラクチャ及び一つの表面界面における空間又は大気及びＳｉＯ２及び／又は別の表面界面におけるバルク半導体物質の間の屈折率差のことを意味している。光は結合型固有セル又は共振器セルの複雑な態様で該マイクロストラクチャと相互作用を行い、その場合に、格子内の各六角形又は正方形セルは、発生する場合がある線形及び非線形の光学的フィールド向上に加えて、その隣接するセル又は共振器と結合されている個別的な共振器として考えることが可能である。光学的損失が存在しないか又は殆ど存在しない場合には、その結合型共振器構造は高いＱ（共振器の品質係数）を有することが可能であり、即ち、光は、例えば、消失する前に１０４乃至１０６回を越えて該マイクロストラクチャ内において繰り返しバウンス即ち跳ね返ることが可能である。しかしながら、弱い吸収に起因する等の光学的損失が或る場合、Ｑは低い場合があり且つ光は１００回未満、又は２０−３０回未満だけ該マイクロストラクチャ内で繰り返し跳ね返る場合がある。ＰＤ／ＡＰＤにおけるマイクロストラクチャは低Ｑ高コントラスト構造又は損失性高コントラスト構造であり、各セルのＱは隣接するセルに結合されている。
【0071】
図２５は、幾つかの実施例に基づいて、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は垂直表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の光学的発光器に対する高コントラスト構造を示している。光学的発光器２５００はヘテロエピタキシャル層構造である。Ｓｉ層２５０６をＳｉ基板２５０２及びＢＯＸ／ＳｉＯ２層２５０４上に形成する。バッファＧｅ層２５７０をＳｉ層２５０６上に形成することが可能であり、続いて層２５１０を形成することが可能であり、該層２５１０はＩｎＡｓ量子ドット２５７２とし、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓで被覆させることが可能である。更に、「Ｉ」層を約１０００ｎｍ以下の薄いものとすることが可能であり且つ順方向バイアスさせる簡単なＳｉＰＩＮマイクロストラクチャはフォトン射出体とすることが可能である。
【0072】
図２６は、例えば、幾つかの実施例に基づく、高コントラスト１．３ミクロン波長フォトエミッタ（ＰＥ）用の基本的な構造を示している。１．３ミクロン波長エミッタ用のアクティブ層は、ＩｎＡｓ量子ドット層２５７０（図２５に図示）又は図２６における２６７０をＧａＡｓＰ層２６０４とＮ層２６０６との間に挟み込み、それらをＡｌＧａＡｓＰ層２６０８とＮ層２６０２との間に挟み込み、且つＰＧａＡｓキャッピング層２６１０を最終層として使用して形成される。典型的な厚さは文献中に見出すことが可能である。例えば、AY Liu, S Srinivasan, J Norman, AC Gossard, JE Bowers等のシリコンフォトニクス用量子ドットレーザー（Quantum Dot Lasers For Silicon Photonics）、フォトニクスリサーチ３（５）、Ｂ１−Ｂ９（２０１５）を参照すると良く、この文献を引用により本書に取り込む。更に、量子ドット及び／又は被覆層の複数の層がある場合がある。該マイクロストラクチャは、利得及び光学的フィールドオーバーラップを最適化させるために、ＱＤ層の内の一つ又はそれ以上に定常波ピークが位置されるように構成することが可能である。ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤの場合、該マイクロストラクチャの長さは、特定の波長において、整数個の波長が往復して、例えば、その特定の波長においての吸収の向上を最適化させるようなものとさせることが可能である。更に、単一のマイクロストラクチャ、例えば、単一の穴が、マイクロストラクチャの無い同様の構造のものと比較して、ＰＥ又はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤのいずれかに対して吸収又はエミッションの向上を有することが可能である。
【0073】
図２７は、幾つかの実施例に基づいて、エッチングした穴を具備する高コントラストマイクロストラクチャ型フォトエミッタ（ＰＥ）構造の幾つかの基本的な特徴を示している概略図である。その物質構造は図２５に示したＰＥ２５００のものと同様である。マイクロストラクチャ穴２７２２はアクティブ層２５１０内にエッチングされている。Ｐ及びＮオーミックコンタクト２７２８及び２７３０を使用して、装置２７００を順方向にバイアスさせ、即ちＮに対してＰを正とさせてアクティブ層２５１０からフォトンを発生させ、該アクティブ層２５１０は、本例においては、１．３ミクロンの波長においてのＩｎＡｓ量子ドット２５７２を有している。可視光から赤外光のその他の波長において光を発生させるために、その他のアクティブ層、被覆層を使用することが可能である。光の波長に依存して、光は上部表面から及び／又は酸化物層２５０４を介して底部表面から射出させることが可能である。マイクロストラクチャ型高コントラストフォトンエミッタの利点は、フォトンが該アクティブ層及び／又はレーザーの場合には利得層と一層長く相互作用を行うことである。何故ならば、該高コントラスト構造は非常に高いＱを有することが可能であり、そのＱは１０３乃至百万以上の範囲に亘り、というのも、該構造は殆ど光学的損失を有するものではなく且つ該量子ドットが光学的利得を与えるからである。該高コントラスト低損失マイクロストラクチャ型フォトエミッタはＬＥＤとして、ＶＣＳＥＬとして、及び／又はレーザー及び／又は高出力ＬＥＤとして動作することが可能である。該ＰＥは順方向バイアスされ、Ｎオーミック即ちＮ層であるカソード２７３０に対してＰオーミック即ちＰ層は正電圧にある。
【0074】
図２８は、幾つかの実施例に基づいて、ＰＥの幾つかの側面を示している概略図である。ＰＥ２８００は、基板２５０２の一部２８７４が光射出領域下側で酸化物層２５０４へ除去されていることを除いて、図２７に示したＰＥ２７００と同様である。金属及び／又は分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）２５０４等のブラッグからなる反射器を該酸化物層上に形成してアクティブ層内で発生された光をＰ層２５１０表面へ反射して戻させる。幾つかの実施例によれば、装置２８００はＬＥＤモード及び／又はレーザーモードで動作する。
【0075】
図２９は、幾つかの実施例に基づいて、ＰＥの幾つかの側面を示している概略図である。ＰＥ２９００は、金属とすることが可能であり且つ、所望により、Ｐオーミックコンタクトとしても動作することが可能な反射器２９２８を包含している点を除いて、図２８のＰＥ２８００と同様である。幾つかの実施例によれば、別体のＰオーミックを設けることが可能である。反射器２９２８は分散型ブラッグ反射器及び／又は部分的に金属及び部分的にＤＢＲとすることも可能である。光は酸化物層２５０４の下部表面から且つ一部２８７４が除去されている基板２５０２を介して射出される。フォトエミッタ即ち光射出器２９００は、ＬＥＤ及び／又はＶＣＳＥＬモード等のレーザーモードで動作することが可能である。幾つかの実施例によれば、フォトエミッタ２９００はエッジモードで動作することが可能であり、その場合に光はアクティブ層の面に対して垂直ではなく面内において射出され、射出エッジに沿ってＤＢＲ又は金属等のミラーが存在する場合も存在しない場合もある。
【0076】
図３０は、幾つかの実施例に基づいて、ＰＥの幾つかの側面を示している概略図である。ＰＥ３０００は図２９のＰＥ２９００と同様であるが、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）として構成されている。ＰＥ３０００は高コントラストマイクロストラクチャ型穴（又は柱体）を具備しておりＳｉ上にヘテロエピタキシャル成長されている。注意すべきことであるが、簡潔性のために非常に基本的な部品のみが示されているに過ぎない。該高コントラスト構造は反射器２９２８及び３０７６によって挟み込むことが可能である。Ｐ層２５１０は半導体エピタキシーによって成長されたＤＢＲとすることが可能であり、それに続いてＰオーミックメタリゼーション層２９２８を設けることが可能である。幾つかの実施例によれば、ＤＢＲは導電性酸化物又は非導電性酸化物から形成することが可能であり、ＤＢＲ上にＰ金属を設けるか及び／又は図２８における如くその側部上に設けることが可能である。酸化物層２５０４の底部側上のミラー３０７６は金属及び／又は異なる屈折率の誘電体層のＤＢＲとすることが可能である。図示した如き光出力は底部からのものであるが、上部からのものとすることも可能である。
【0077】
図３１は、幾つかの実施例に基づいて、簡単なＰＩＮフォトダイオード構造の幾つかの側面を示している概略図である。高電界領域外側の領域において発生された光キャリアーに起因する拡散電流を最小とさせるために、「Ｉ」層３１０８、Ｐ及びＮ層３１１０及び３１０６は高度にドープさせ及び／又は縮退的にドープさせて少数キャリアーの寿命を減少させる。Ｎ及びＰドーピングは１×１０１８乃至８×１０２１／ｃｍ３以上の範囲とすることが可能である。Ｉ層３１０８は意図的にドープしておらず且つ５×１０１６／ｃｍ３未満とすることが可能である。更に、酸化物層３１０４とＳｉ基板３１０２とが示されている。前の例におけるように、Ｇｅバッファ層を付加するかしないかに拘わらず、Ｇｅ及び／又はＩＩＩ−Ｖ物質を成長させることが可能であり且つＰ及びＮ層も高度にドープさせるか及び／又は縮退的にドープさせることも可能である。そのドーピングは一様なものであることは必要ではなくグラデーションを有することが可能であり、例えば、エピタキシャル成長期間中に「Ｉ」層内へのドーパントの拡散を最小とさせるために「Ｉ」層界面近くのＰ又はＮ層においてドーピングを減少させる。
【0078】
Ｐ及びＮ層における少数キャリアーの寿命を減少させることによって、これらの層内の光発生されたキャリアーは拡散し及び／又は高電界「Ｉ」内に移動する前に再結合することが可能であり、該高電界「Ｉ」においては、電子及び／又は正孔が光電流に貢献してフォトダイオード変調型周波数応答の劣化となる場合がある。従って、高電界領域外側で発生されたキャリアーに起因する光電流の寄与を最小とさせることが望ましい。
【0079】
少数キャリアーの寿命を減少させるその他の方法は、Ｐ及び／又はＮ領域における部分的及び／又は完全なビアイオン注入等の欠陥を導入することを包含している。導入されるイオンは不活性イオン及び／又は活性イオンとすることが可能であり、部分的な又は完全な熱アニーリングを行うか又は行わないことが可能である。更に、該マイクロストラクチャ型穴（及び／又は柱体）は部分的なパッシベーションを行うか又は行わないものとすることが可能であり、従って、Ｎ及びＰ層の低電界領域はキャリアーシンクとして作用することが可能であり、一方、「Ｉ」層の高電界領域においては、該キャリアーは迅速に一掃される。パッシベーションは「Ｉ」層上において目だって選択的とすることが可能である。
【0080】
図３２は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤ製造の幾つかの側面を示している概略図である。開始物質構造は図３１の構造３１００に図示した如きものとすることが可能である。簡単なＮＩＰ（Ｎ及びＰはＰＩＮに対しては交換可能である）マイクロストラクチャ型フォトダイオードが示されており、その場合に、穴３２２２がＰ層３１０６の上部へエッチングされている。その目的はＮ及び「Ｉ」層の壁をパッシベーションし且つＰ層の壁をパッシベーションせずにおいてそれにより、例えば、７８０乃至９８０ｎｍの波長を有する光で発生されるＰ層内の少数キャリアーの寿命を減少させる。パッシベーションされていないＰ壁上の表面状態は少数キャリアー用の潜在的なシンクとして作用することが可能であり、そこで該キャリアーは再結合される。
【0081】
図３３は、幾つかの実施例に基づいて、ＭＳ−ＰＤ製造の或る側面を示している概略図である。Ｎ及び「Ｉ」層の穴３２２２の側壁のパッシベーションが示されており、結果的にパッシベーション層３３２４が形成されている。該パッシベーションは熱酸化及び／又はＳｉＯ２の原子層付着を使用して実施することが可能である。５−５０ｎｍ厚さの熱酸化物３３２４を、例えば、該側壁上に成長させることが可能である。その他の厚さのものを成長させることも可能である。熱酸化の後に、穴のエッチングを継続して行い、例えば、Ｐ層３１０６を貫通してＳｉＯ２層３１０４へエッチングすることが可能である。全ての処理ステップが示されているわけではなく、例えば、穴のエッチングを継続する期間中に不図示の熱酸化物によってＮ層を保護することが可能である。
【0082】
図３４は、幾つかの実施例に基づいて、ＭＳ−ＰＤ製造の側面を示している概略図である。パッシベーションの後に、穴３２２２は区域３４２２で示した如くに更にエッチングされる。注意すべきことであるが、Ｎ及びＰ層は交換させることが可能であり、従ってこの例において示されている如きＮＩＰ構造の代わりに、ＰＩＮ構造とすることも可能である。穴３２２２はＳｉＯ２層３１０４へエッチングさせることが可能であり、及び／又はそれらはＰ層３１０６を介して部分的にのみエッチングさせ、薄いＰ層が残存するようにさせることが可能である。Ｐ層３１０６内の穴３２２２の側部は、この例においては、パッシベーションされておらず、その表面状態が光によって発生される何らかの少数キャリアーをその潜在的なシンクへと引き込んで再結合させることを可能としている。幾つかの実施例によれば、Ｐ層３１０６もパッシベーションさせ及び／又は部分的にパッシベーションさせることが可能である。層３１０６も高度にドープさせることが可能であるので、少数キャリアーの寿命は数十ピコ秒以下である可能性がある。
【0083】
図３５は、幾つかの実施例に基づいて、ＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図である。マイクロストラクチャ型ＮＩＰフォトダイオード３５６０は、Ｎ及び「Ｉ」層のパッシベーションされた側壁を具備しているがＰ層の側壁はパッシベーションされていないマイクロストラクチャ穴３２２２を有している。Ｎ及びＰ層の夫々へのオーミックコンタクト３５２８及び３５３０が付加されてフォトダイオード３５６０の高速動作のための逆バイアスを与えている。該フォトダイオードのＮ側上に入射する光は垂直であるか及び／又はＮ層面に対して垂直からずれたもののいずれかである。
【0084】
図３６は、幾つかの実施例に基づいて、ＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図である。マイクロストラクチャ型穴フォトダイオード３６６０はＳｉＮＩＰ層を有しており、その場合に、パッシベーションは図３５に示したＰＤ３５６０と同様に側壁上で部分的である。しかしながら、ＰＤ３６６０の場合には、光はＳｉ基板側からオプチカルファイバー３６８０を介してやってくるが、そこではビア３６７２がエッチングされているので自己整合プロセスを可能とさせ、その場合に、ファイバー３６８０は、レンズ３６８２と共に又は無しで、ビア３６７２に沿って光のマイクロストラクチャ型フォトダイオード３６６０内への光学的結合を行うための正しい位置へ案内される。略０．１−１０μｍ厚さの誘電体層３６７６を穴３２２２上方のＮ層３１１０上に位置決めさせることが可能である。誘電体層３６７６上にはＡｇ又はＡｕ（又は任意のその他の適宜の金属又は合金で、例えば、Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｒ等）等の金属反射器３６７８及び／又は吸収用「Ｉ」層３１０８へ向けて光を反射させるためにブラッグ反射器（ＢＲ）等の誘電体積層体を設けることが可能である。反射防止コーティング３６７４を設けることも可能である。先の例における如く、Ｇｅバッファ層を付加するか又は付加せずにＧｅ及び／又はＩＩＩ−Ｖ物質を成長させることも可能である。
【0085】
図３７は、幾つかの実施例に基づいて、少数キャリアーの寿命を減少させるための技術を示している概略図である。この場合には、穴表面をパッシベーションするか又は部分的にパッシベーションする代わりに、表面及びバルクの再結合が使用される。１０２０／ｃｍ３より大きな高ドーピングは拡散長を例えば０．１μｍ（オーガ（Auger）再結合）未満へ減少させることが可能である。更に、層３７１０及び３７０６内に欠陥３７７０及び３７７２を導入させるためにイオン注入が使用される。半導体内の欠陥はショックリー−リード−ホール（Shockley-Read-Hall）再結合プロセスを介して寿命を減少させることも可能である。例えばＸｅ，Ｂｉ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｒ，Ｎ等のイオンをＮ及び／又はＰ層内に注入させることが可能である。装置動作のために長い少数キャリアーの寿命が望ましい場合の既知の構造と逆に、本書に記載する技術は、ショックリー−リード−ホール効果に起因する再結合率を増加させるために、エピタキシャル成長及び／又は金属、非金属及び不活性イオンのイオン注入のいずれかによって欠陥を導入させる。該欠陥に起因して深い及び／又は浅いトラップを形成させることが可能であり、それらは少数キャリアーの寿命を短くさせることが可能である。少数キャリアーの寿命が短いことは、高電界領域「Ｉ」層へ通じて光電流に寄与することが可能な拡散電流の寄与を最小とさせるためにＰ及びＮ領域において望ましいものである。該「Ｉ」領域内へ拡散及び／又は走行するこれらの「遅い」拡散電流は、フォトダイオードの光電流時間応答特性に対しての遅い成分に寄与することによってフォトダイオードの時間応答の劣化を発生させる場合がある。
【0086】
図３８（Ａ）乃至（Ｃ）は、シミュレーションしたマイクロストラクチャ型フォトダイオードに対する種々のパラメータを示している。図３８（Ａ）は穴中心間の距離「ｄ」を有している六角形穴パターンを示している。図３８（Ｂ）は穴中心間の距離「ｄ」を有している正方形穴パターンを示している。図３８（Ｃ）はＦＤＴＤ方法を使用したシミュレーションに対して使用したパラメータの表である。８５０乃至９５０ｎｍ及び、例えば、９８０ｎｍの範囲の光学信号の波長に対して六角形状格子の穴における周期が２０００ｎｍで直径が１３００乃至１５００ｎｍの範囲の複数の穴で２−２．５μｍの厚さのＳｉＯ２層上の２μｍ厚さのシリコン層で９０％より大きな吸収を達成することが可能であることが判明した。更に、波長は７５０−１０００ｎｍの範囲に亘ることが可能である。穴直径は、サブ波長乃至入射光学信号の波長より大きなものとすることが可能であり、１００乃至３０００ｎｍの直径の範囲に亘る。Ｓｉ吸収層の厚さは０．３乃至１０μｍの範囲とすることが可能である。ＳｉＯ２層は０．２乃至１０μｍの範囲に亘ることが可能である。幾つかの実施例によれば、入射フォトンの吸収を最適化させるために複数の穴直径の混合を使用することも可能である。
【0087】
図３９は、波長に対する吸収に対してのＦＤＴＤを使用するマイクロストラクチャ型穴フォトダイオードのシミュレーション結果をプロットしたグラフである。フォトダイオード吸収「Ｉ」層は２μｍ厚さであり、穴直径は１０００乃至１５００ｎｍの範囲にわたるものであった。入射エネルギー波長は８５０乃至９５０ｎｍの範囲であった。３つの曲線３９１０，３９１２，３９１４は、夫々、１０００ｎｍ，１３００ｎｍ，１５００ｎｍの穴直径に対しての吸収のプロットである。このシミュレーションは、１５００ｎｍの穴直径の場合、８５０−８７０ｎｍの波長範囲にわたって９０％より大きな吸収が達成されており、且つ、１３００ｎｍの穴直径の場合、２０００ｎｍの周期での六角形状格子での穴で８７５乃至９５０ｎｍの波長範囲にわたって８０％より大きな吸収を達成することが可能であることを示している。２μｍＳｉは２−２．５μｍＳｉＯ２層の上にある。理解されるように、何らの特徴無しでの従来のシリコン層のものを越えて吸収を向上させるために、入射波長よりも一層大きな穴直径を有することを使用することが可能である。
【0088】
図４０は、幾つかの実施例に基づいて、Ｐ−Ｉ−Ｐ−Ｉ−Ｎエピタキシャル構造を具備するマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を示している概略図である。図４０の場合には、ＡＰＤ４０６０の全ての層は、例えば、７８０乃至１０００ｎｍの範囲の光学的通信波長に対してシリコンである。ＡＰＤ４０６０は可視光波長範囲においても動作可能である。データレートは１００Ｍｂ／ｓ乃至５０Ｇｂ／ｓ又はそれ以上の範囲に亘ることが可能である。−４乃至−５０ボルトの電圧範囲でＰ及びＮオーミックコンタクト４０２８及び４０３０間に逆バイアス電圧を印加させる。アバランシェマイクロストラクチャ型フォトダイオード４０６０は以下のようなドーピング及び厚さを有することが可能であり、即ち、例えば、Ｐ層４０１０のドーピングは１×１０１９／ｃｍ３を越えるもので且つ厚さは０．１−１．０μｍであり、Ｉ層４００８のドーピングは１×１０１６／ｃｍ３未満であって且つ厚さは０．５−３μｍであり、Ｐ層４０２０のドーピングは１−３×１０１７／ｃｍ３であって且つ厚さは０．１−０．５μｍであり、Ｉ層４０１８のドーピングは１×１０１６／ｃｍ３未満であって且つ厚さは０．３−１μｍであり、及びＮ層４００６のドーピングは１×１０１９／ｃｍ３であって且つ厚さは０．５−３μｍである。幾つかの実施例によれば、上の２つの層４０１０及び４００８はＳｉの代わりにＧｅとすることも可能である。穴４００２はＡＰＤ層を部分的に貫通してエッチングさせるか又は図４０に示されている如くＳｉＯ２層４００４へ完全にエッチングさせることが可能である。
【0089】
マイクロストラクチャフォトダイオードの場合における如く、ＡＰＤの場合に、光学信号は正面側（エピタキシャル層側）から入射するか又は背面側（基板側）から入射することが可能である。更に、基板内にビアがある場合、反射器をＳｉＯ２上に付着させることが可能であり、その結果、ＡＰＤ構造内において光学信号を２回又は多数回バウンス即ち跳ね返させることとなる。幾つかの実施例によれば、ＰとＮとは交換可能であり、その結果Ｎ−Ｉ−Ｎ−Ｉ−Ｐマイクロストラクチャ型ＡＰＤとなる。
【0090】
図４１は、幾つかのその他の実施例に基づいて、Ｐ−Ｉ−Ｐ−ＩＮエピタキシャル構造を具備するマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を示している概略図である。ＡＰＤ４１６０は、複数の穴４１２２（又は柱体）が部分的にエッチングされていることを除いて、図４０に図示したＡＰＤ４０６０と同一である。図４１に示した例においては、穴４１２２はＰ層４０２０内に部分的にエッチングされており及び／又はＰ層４０２０で停止している。幾つかのその他の実施例によれば、穴４１２２はＩ吸収層４００８内に部分的にエッチングさせることが可能である。
【0091】
図４２は、幾つかの実施例に基づいて、Ｇｅ吸収層及びＧｅＰキャッピング層を具備しているマイクロストラクチャ型ＡＰＤを示している概略図である。ＡＰＤ４２６０は、上の２つの層がＳｉの代わりにＧｅであるという点を除いて、図４０に図示したＡＰＤ４０６０と同様又は同一である。ＡＰＤ４２６０は、ＰＧｅ層４２１０が１×１０２０／ｃｍ３より大きなドーピングレベルを有することが可能であるという点を除いて、ＡＰＤ４０６０に対して上述した如き同じドーピング及び厚さ範囲を有することが可能である。埋込酸化物（ＢＯＸ）シリコン基板上のＡＰＤ構造Ｐ（Ｇｅ）−Ｉ（Ｇｅ）−Ｐ（Ｓｉ）−Ｉ（Ｓｉ）−Ｎ（Ｓｉ）のエピタキシャル成長の後に、該マイクロストラクチャをエッチングする。該マイクロストラクチャは穴、柱体又はこれら２つの結合とすることが可能である。該エッチングはＳｉＯ２層まで行うことが可能であり、又はＳｉＯ２層４００４に到達する前の深さへ部分的にエッチングすることも可能であり、例えば、穴はＰＳｉ層４０２０まで又はその中へエッチングさせることが可能である。マイクロストラクチャを具備しているＧｅ吸収層４２０８は、１００Ｍｂ／ｓ乃至５０Ｇｂ／ｓ又はそれ以上のデータレートにおいて７８０乃至２０００ｎｍの波長で光学信号が動作することを可能とさせるものと期待されている。該光学信号は上部表面（エピタキシャル表面）から又は底部表面（基板表面）から入射することが可能である。ビア及びＳｉＯ２上に付着させた反射器がある場合には、上部表面から入射する光学信号を、２回目及び／又は多数回にわたり吸収Ｉ（Ｇｅ）層４２０８へ反射させることが可能である。Ｓｉと、空気と、Ｇｅとの間には光学的屈折率差があるので、定常波を確立させることが可能であり、且つ定在波又は固有モードとしても既知の定常波のピーク強度において吸収層を有するべく該構造の厚さを最適化させることが可能である。更に、Ｓｉがトランスペアレント即ち透明である波長において、光学信号が底部表面からＡＰＤ内へ結合することを助けるためにマイクロレンズをＳｉ基板内にエッチングさせることが可能である。底部から入射する光学信号を吸収Ｉ（Ｇｅ）層４２０８へ反射させるためにＰ（Ｇｅ）４２１０上にＳｉＯ２及び反射器を配置させることが可能である。−４乃至−５０ボルトの範囲の逆バイアス電圧をＰ及びＮオーミックコンタクト４０２８と４０３０との間に印加させる。
【0092】
図４３（Ａ）乃至（Ｄ）は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型フォトダイオード及びＡＰＤの分極感度を示している。図４３（Ａ）はシミュレーション用に使用した幾何学的形状を示している。これらの穴は寸法及び周期において対称的であり、Ｂ又はＡのいずれかに沿っての光学信号の電界分極はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤの吸収特性において５％未満の差を示している。吸収は、入射光からその光の透過及び反射を差し引いたものと等しく、且つ量子効率は吸収に直接的に比例する。穴寸法「ａ」及び「ｂ」が同じでない場合には、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤは分極感度を示す。図４３（Ｂ）において、曲線４３１０は波長に対しての吸収をプロットしており、その場合、「ａ」及び「ｂ」寸法は両方共１０００ｎｍに等しい。該吸収特性は５％未満の差異を示している。図４３（Ｃ）はａ＝１３００ｎｍでｂ＝８７０ｎｍの場合を示している。曲線４３２０及び４３２２は、Ａ又はＢに沿っての分極が或る場合の吸収値における差異は高々２倍であることを理解することが可能であることを示している。図４３（Ｄ）はａ＝１５００ｎｍでｂ＝６５０ｎｍである場合に対する結果を示している。曲線４３３０及び４３３２は、分極配向（polarization orientation）に起因する吸収差も高々２倍であることを示している。「ａ」、「ｂ」、Ａ及びＢの両方における更なる寸法変化がある場合に、分極配向に起因する吸収差は１０乃至１００倍、又はそれ以上異なる場合がある。分極「不感受性」（分極配向に起因する吸収変化が５％未満の場合）及び分極感受性（分極配向に起因する吸収変化が１０倍又はそれ以上の場合）の両方のフォトダイオード及びＡＰＤが有用である。信号が分極多重化されていない場合、例えば、同じ波長を使用する場合、２つのチャンネルを送信することが可能であり、その場合に一つのチャンネルは一つの分極で且つ別のチャンネルは第１のチャンネルに対して直交している。例えば、各チャンネルは同じ波長において特定の分極において２５Ｇｂ／ｓで送信することが可能である。受信機端において、該信号をデマルチプレクス、即ち脱多重化、させるために分極感受性光検知器を使用する。総合データレートは８５０ｎｍの波長において５０Ｇｂ／ｓである。レーザーの直接変調において、該レーザーのスペクトルは、例えば、ＣＷモードで動作しているレーザーよりも常に一層幅広である。該スペクトルは高々数ナノメートル（例えば、３ｎｍ）だけ広くさせることが可能である。従って、８５０ｎｍにおいて、レーザーが直接的に変調される場合には、高々±約１．５ｗｎｍ広げて中心周波数は８５０ｎｍとすることが可能である。垂直共振器面発光レーザーにおいては、マルチな横モードに起因して、横モードは一層幅広のスペクトルに対して著しく寄与することが可能である。マルチモードシステムにおいては、このことはモード選択損失を減少させるので望ましいことである。
【0093】
図４４は、幾つかの実施例によれば、データ処理及び／又はルーチングのために相互インピーダンス及び／又は別のＡＳＩＣ（応用特定集積回路）と集積化されているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを示している。そのプロセスはＣＭＯＳ及び／又はＢｉＣＭＯＳとすることが可能である。ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４４２０は電気的リード４４２２を介してエレクトロニクス４４３０（例えば、相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）及び／又は別のＡＳＩＣ）へ電気的に接続されていることが示されている。その部品は全て単一のシリコン基板４４１０上に集積化されている。マイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤをＩＣエレクトロニクスと集積化させることの一つの利点はパッケージングコストの低下であり、その場合に、２個又はそれ以上の個別的な装置の代わりに、単一のチップが使用され、それは又マルチチップセラミック担体を使用すること無しに回路ボード上に直接的に配置させることも可能である。単一チップ上にＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤをエレクトロニクスと集積化させることの別の利点は、オーミックコンタクトへ接続されている比較的大きなボンドパッドを省略することに起因して、潜在的に容量が低くなることである。動作波長は、全てのシリコンマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤに対して８００−９９０ｎｍの範囲である。動作波長はＧｅマイクロストラクチャ型吸収層を付加した場合には１８００ｎｍへ拡張させることが可能である。１０，２８，５６Ｇｂ／ｓのデータレートでの動作は単独で又はアレイで達成させることが可能である。該データレートは、又、プロトコル及びリンク適用例に依存して１，５，２０，２５，３０，４０Ｇｂ／ｓとすることも可能である。典型的に、マルチモードファイバー及び／又は複数のファイバにわたっての高データレートは１メートル未満から１００メートルを越える長さにわたる距離で使用される。複数のファイバ及びマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤ（ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ）のアレイを使用して１００乃至４００Ｇｂ／ｓの総合データレートを与えることが可能である。例えば、単一シリコンチップ上の相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）及び／又はその他の信号処理／ルーチングＩＣエレクトロニクス等のＩＣエレクトロニクスと集積化されている１０ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤアレイと共に各ファイバーが１０Ｇｂ／ｓで動作している１０ファイバーチャンネルは１００Ｇｂ／ｓの総合データレートを有することが可能である。各チャンネルが５６Ｇｂ／ｓである場合には、該１０チャンネルは５００Ｇｂ／ｓを越える総合データレートを有することが可能である。
【0094】
図４５は、幾つかの実施例に基づいて、単一シリコンチップ上のＴＩＡ及び／又は別の信号処理ＩＣと集積化されているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤに対するフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図である。幾つかの実施例によれば、ＴＩＡ及び／その他の信号処理集積回路４５３０はＣＭＯＳ及び／又はＢｉＣＭＯＳプロセスを使用して製造される。半田バンプ４５１２及び４５１４及び／又は同様のバンプ技術を使用してチップ４５１０をＰＣＢ（プリント回路基板）４５５０へ取り付ける。幾つかの実施例によれば、半田バンプ４５１２の幾つか又は全てを使用してチップ４５１０とＰＣＢ４５５０との間の電気的接続を行い、一方、半田バンプ４５１４は物理的マウンティング及び／又は安定化のために使用される。何故ならば、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０とＰＣＢ４５５０との間の直接的な電気的接続は必要ではない場合があるからである。幾つかの実施例によれば、チップ４５１０を、ＰＣＢ４５５０の代わりに、別のチップ又はマルチチップ担体へ取り付ける。チップ４５１０をＰＣＢ４５５０上に直接的にパッケージングすることは、ＰＣＢ上に配置させる前にＰＤ及びＩＣエレクトロニクスを最初にマルチチップセラミック担体上にマウントさせるという既知の従来技術と比較して、高々８０％だけパッケージングコストを減少させる。更に、オプチカルファイバー４５２４からＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０へ光をフォーカスさせるためにシリコンチップ４５１０上に集積化光学レンズ４５２２を製造させることが可能である。注意すべきことであるが、この構成においては、光信号はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０の基板側から入る。Ｓｉ上の集積化レンズ４５２２は、入ってくる光学信号の吸収のためにＧｅマイクロストラクチャを使用することが可能であり動作波長が１１００ｎｍより大きい（例えば、１１００ｎｍ乃至１８００ｎｍ）である場合に、使用することが可能である。
【0095】
図４６は、幾つかの実施例に基づいて、単一シリコンチップ上にＴＩＡ及び／又は別の信号処理ＩＣと集積化されているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤに対するフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図である。該チップ及びマウント技術は図４５に図示し且つそれについて説明したものと同様か又は同一である。この場合に、チップ４５１０はビア４６２６を包含しており、そこではＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０への光学経路における殆ど又は全てのシリコンは除去されている。光を収集し且つそれをＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０へ指向させるために集積化誘電体レンズ４６２２が設けられている。幾つかの実施例によれば、レンズ４６２２の代わりに光パイプが使用される。ビア４６２６の側壁は光の収集を助けるために誘電体及び／又は金属でコーティングすることが可能である。光学信号がオプチカルファイバー４５２４へ反射して戻ることを減少させるためにレンズ４６２２上に反射防止コーティングを設けることが可能である。更に、ファイバー４５２４又はチップ４５１０を傾斜させてファイバー４５２４へ戻る反射を減少させることが可能である。オプチカルファイバー４５２４は、１Ｇｂ／ｓ未満から６０Ｇｂ／ｓを越える範囲のデータレートでレーザー光源からの光学信号を集積化ＰＤ／ＡＰＤ及びＩＣエレクトロニクス回路４５１０へもたらすために使用される。幾つかの実施例によれば、約１，５，１０，２０，２８，５０，５６Ｇｂ／ｓのデータレートを使用することが可能である。幾つかの実施例によれば、光学信号波長は全シリコンマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤ（ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ）に対して８００−９９０ｎｍの範囲にわたる場合があり、且つ吸収層用のマイクロストラクチャ型Ｇｅの場合には、該波長は１８００ｎｍへ拡張させることが可能である。
【0096】
図４７は、幾つかのその他の実施例に基づいて、単一シリコンチップ上のＴＩＡ及び／又は別の信号処理ＩＣと集積化されているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図である。そのチップ及びマウント技術は図４５及び４６に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一である。図４５及び４６におけるように、単一のチップ４５１０は光学的要素と電子的要素との両方を包含している。集積化フレネルレンズ４７２２と共にＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０への光学経路におけるＳｉの殆ど又は全てを除去するためにチップ４５１０の基板内にビア４６２６が設けられているので、光学信号はオプチカルファイバー４５２４から効率的に収集される。収集された光学信号はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０上に入射する。幾つかの実施例によれば、フレネルレンズ４７２２の代わりに、高コントラストグレーチング（ＨＣＧ）が使用される。幾つかの実施例によれば、ＨＣＧはフィルター効果を有することが可能であり、従って特定の光学波長のみをＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤへ透過させ、一方その他を反射させることが可能である。この帯域通過特性は単一のファイバーにおいて複数の波長が使用される粗波長分割多重化（ＣＷＤＭ）にとって有用である。
【0097】
図４８は、幾つかのその他の実施例に基づいて、単一シリコンチップ上のＴＩＡ及び／又は別の信号処理ＩＣと集積化されているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤに対するフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図である。該チップ及びマウント技術は、図４５−４７に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一である。ビア４６２６の壁は、光がＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０へ入射するための光パイプを提供するために誘電体及び／又は金属でコーティングすることが可能である。次いで、オプチカルファイバー４５２４をビア４６２６内へ挿入させることが可能であり、その場合に該ビアはファイバー４５２４をＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０に対して整合させるためのガイドを提供し、それによりＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤに対するオプチカルファイバーの光学的パッキング及びアライメントを簡単化させて約３０％又はそれ以上のコスト低下を生じさせる。幾つかの実施例によれば、ファイバー４５２４はテーパー付きとさせることも可能であり、及び／又はビア４６２６がファイバー４５２４に対するストップを与えるように複数の直径を有することが可能である。例えば、ビア４６２６にステップ即ち段差を設けてファイバー４５２４の端部をそのステップ上に当接させることが可能であり、それをシリコンへ取り付けることが可能である。このステップ構成は、又、最適な光収集のためのファイバーとＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤとの間の精密な距離を与える。幾つかの実施例によれば、ファイバーからＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤへの光学信号の転送を最適化させるために、ビア４６２６において、特にファイバー４５２４とＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０との間の空間において、屈折率整合流体、ゲル及び／又はポリマー及び／又は誘電体バルク又は薄膜を使用することが可能である。
【0098】
上述した如く、基板側から光が入射する場合（底部照射）、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤは該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ内における光学信号の二重及び／又は多重のバウンス即ち跳ね返りを使用することが可能である。このことは、高い量子効率を達成すると共に吸収層を一層薄くさせることを可能とさせる。一層薄い吸収層は一層高速の走行時間とすることを可能とさせ、それによりＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤが一層高いデータレートで動作することを可能とさせる。
【0099】
図４９は、幾つかのその他の実施例に基づいて、単一シリコンチップ上のＴＩＡ及び／又は別の信号処理ＩＣと集積化されたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図である。該チップ及びマウント技術は図４５−４８に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一である。この例においては、ボールレンズ４９２２がビア４６２６内に位置されていて、オプチカルファイバー４５２４からの光を効率的にＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０へ結合させる。ボールレンズ４９２２はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０に対しての該レンズのアライメントのためにビア４６２６内に位置することが可能である。
【0100】
図５０は、幾つかのその他の実施例に基づいて、単一シリコンチップ上のＴＩＡ及び／又は別の信号処理ＩＣと集積化されたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用のフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図である。該チップ及びマウント技術は図４５−４９に図示し且つそれについて説明したものと同様であるか又は同一である。この例においては、ボールレンズ５０２２がビア４６２６内に位置しており、該ビアにおいてはシリコンの殆ど又は全てがエッチング除去されているので光は殆どが空中及び／又は流体、ゲル、ポリマー、固体等の屈折率整合物質内を走行する。更に、ビア４６２６は、オプチカルファイバー４６２６のボールレンズ５０２２に対しての且つ更にＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ４５２０に対してのアライメントに対するガイド及び／又はストップとして作用する。
【0101】
図５１は、幾つかの実施例に基づいて、単一シリコンチップ上のＴＩＡ及び／又は別の信号処理ＩＣと集積化されているＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤに対するフリップチップ配置の幾つかの側面を示している概略図である。該チップ及びマウント技術は図４５−５０に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるが、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ５１２０及びＴＩＡ及び／又はその他の信号処理集積回路５１３０がシリコンチップ５１１０の上部表面上又はその近くにマウントされている点が異なる。金属性導体導管５１３２及び５１３４はＡｌ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｉ，ＴｉＮ等から構成することが可能である。導管５１３２はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ５１２０をＩＣエレクトロニクス５１３０へ接続させている。導管５１３４はＩＣエレクトロニクス５１３０を、半田バンプ等のバンプ技術を使用してＰＣＢ４５５０（又はチップ担体）へのトレースへ接続させており、そのことは、該チップのＰＣＢ及び／又はチップ担体への良好なアライメントを可能とさせる。幾つかの実施例によれば、ＩＣエレクトロニクスをＰＣＢ上のトレース及び／又はチップ担体へ接続させるために、ワイヤボンディングを使用するその他の方法を使用することも可能である。ファイバー４５２４はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ５１２０の直ぐ近くに位置され、且つその構成は、ファイバー４５２４の先端部上のボールレンズ、及び／又はファイバーとＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤとの間のボールレンズを包含することが可能である。図４５−５０に関して説明した如くに、グレーチング、フレネルレンズ等のその他の光をフォーカスさせる要素を使用することも可能である。幾つかの実施例によれば、上述したＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ構造に示した如く埋込二酸化シリコン（ＢＯＸ，埋込酸化物）等の屈折率の不連続が存在するか及び／又はバルク物質の屈折率に対しての該マイクロストラクチャの実効屈折率における変化が存在している場合には、エピタキシャル表面から照射する光（上部照射型）もＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ５１２０内において光学信号の二重及び／又は多重のバウンス即ち跳ね返りを有する場合がある。ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ内の光学信号の二重及び／又は多重のバウンスは、量子効率を著しく犠牲にすること無しに一層薄い吸収層及び短い走行時間を可能とさせ、それによりＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤの一層高いデータレート動作を可能とさせる。光の二重又は多重のバウンスとは、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤのパスにおいて吸収されず且つ該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ構造から出る光のことを意味しており、これらのフォトンはＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ構造に向けて反射されて戻される。複数の穴及び柱体からなるマイクロストラクチャ内において、光は共振及び／又は結合共振状態となる場合があり、そのことは向上された実効吸収係数及び／又は向上された実効吸収長とさせることが可能である。
【0102】
図５２は、単一Ｓｉチップ上にＴＩＡ及び／又はその他の信号処理及びルーチングエレクトロニクス等のＩＣエレクトロニクスと集積化された複数のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤからなるアレイを示している概略図である。アレイは、例えば、ＴＩＡ及び／または信号処理、ルーチング、格納用のＡＳＩＣ等のＩＣエレクトロニクスと集積化された２個乃至１０個を超える数のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを包含することが可能である。図示例においては、単一のＳｉチップ５２１０上にマウントされている４個のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ５２２０，５２２２，５２２４，５２２６が示されている。これらのＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ５２２０，５２２２，５２２４，５２２６はＩＣエレクトロニクス５２３０，５２３２，５２３４，５２３６へ夫々接続されている。しかしながら、幾つかの実施例によれば、複数のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤがＳｉチップ上の単一のＩＣエレクトロニクス装置へ接続されているか、または複数のＩＣエレクトロニクス装置が単一のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤへ接続されている。アレイ内の複数のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤは同一のものとすることが可能であり、例えば、マイクロストラクチャの穴直径及び周期は同一の波長、例えば８５０−８７０ｎｍ、に対して最適化される。その他の実施例によれば、アレイ内の各ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤは周波数の異なる帯域に対して最適化させることが可能である。例えば、アレイ内に４個のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤが存在している場合、各ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤの穴直径及び周期を最適化させることによって、該４個のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤは、夫々、８５０−８７０ｎｍ、８７５−８９５ｎｍ、９００−９２０ｎｍ、９２０−９５０ｎｍ（又はその任意の組合せ）において最適化させることが可能である。例えば、Molin et al.、次世代ＷＤＭシステム用の８５０−９５０ｎｍ広帯域ＯＭ４マルチモードファイバー（850-950nm wideband OM4 multimode fiber for next generation WDM systems）、ＯＦＣ（２０１５）、を参照すると良く、それを引用により本書に取り込む。１，５，１０，１６，２０，２５，２８，３２，４０，５６及びそれよりも大きなもの及びそれらの間の全ての範囲のデータレートは、光学的データリンク用の標準及びプロトコル及び適用例に依存して可能である。オプチカルファイバー５２４０，５２４２，５２４４，５２４６は別々のファイバーとすることが可能であり、又は並列フィバーリボンとして設けることが可能である。オプチカルファイバー５２４０，５２４２，５２４４，５２４６は各々が単一帯域の波長及び／又は１００Ｇｂ／ｓ乃至１Ｔｂ／ｓ又はそれ以上の総合データレートを与えるためにＷＤＭ及びＣＷＤＭ用の複数帯域の波長を担持することが可能である。例えば、各々が１０Ｇｂ／ｓである１０個のファイバーチャンネルを有する１０個のＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤからなるアレイは１００Ｇｂ／ｓの総合データレートを与える。各々が２５−２８Ｇ／ｂｓにある４個のファイバーチャンネルを有する４ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤアレイは１００Ｇｂ／ｓの総合データレートを与え、各々が５６Ｇｂ／ｓにある２個のファイバーチャンネルを有する２ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤアレイは１００＋Ｇｂ／ｓの総合データレートを与える。各ファイバーチャンネルが複数の波長帯域、例えば８５０−８７０ｎｍ及び８７５−８９５ｎｍ、を担持することが可能であり且つ各波長帯域が２５−２８Ｇｂ／ｓにおいて送信することが可能である場合には、４ファイバーアレイは実効的に２００Ｇｂ／ｓを超える総合データレートを有することが可能である。
【0103】
図５３は、幾つかの実施例に基づく、高データレートＭＳ−ＰＤ用のエピタキシャル構造を示している概略図である。図示した構造は１０Ｇｂ／ｓよりも一層大きなものとすることが可能である。穴５３２２がＳｉＯ２ＢＯＸ層５３０４までエッチングするか、又は該穴をＰ層５３０６までエッチングして及び／又は、例えば、Ｐ層５３０６内へ部分的にエッチングさせることが可能である。ドーピング及び厚さは次の通りであり、即ち、Ｓｉ基板５３０２は１５０μｍの厚さであり、ＢＯＸ層５３０４は２−４μｍの厚さであり、Ｐ＋層５３０６は０．２−１μｍの厚さであってドーピングは１×１０２０／ｃｍ３を越えており、Ｉ層５３０８は１．５−２μｍの厚さであって意図的にはドーピングされておらず（５×１０１６／ｃｍ３未満）、且つＮ＋層５３１０は０．２−０．５μｍの厚さであってドーピングは１×１０１９／ｃｍ３を越えるものである。Ｎ及びＰ層５３１０及び５３０８の高ドーピングは少数キャリアー寿命を短縮させてＰＤの応答を遅くさせる場合がある拡散電流を最小とさせる。幾つかの実施例によれば、１×１０２０及び１×１０２１／ｃｍ３を越える程度の高いドーピングは、少数キャリアー寿命がピコ秒程度であり且つ直列抵抗が減少されるように使用される。
【0104】
図５４は、幾つかの実施例に基づく、高データレートＭＳ−ＰＤ用のエピタキシャル構造を示している概略図である。この構造及びドーピングは図５３に図示しかつそれについて説明したものと同様であるか又は同一であるが、穴５４２２がＰ層５３０６の上部までで及び／又はＰ層５３０６内へ丁度入りかけるまでエッチングされていることが異なっている。
【0105】
図５５は、幾つかの実施例に基づく、高データレートＭＳ−ＰＤ用のエピタキシャル構造を示している概略図である。この構造及びドーピングは図５３及び５４に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一であるが、穴５５２２がＰ層５３０６内の少なくとも中間までエッチングされている点が異なっている。
【0106】
図５６は、幾つかの実施例に基づいて、ＭＤ−ＰＤに対するメサ寸法、穴直径、穴周期距離、及び格子パターンを示している表である。これらの例においては、該格子は六角形又は正方形とすることが可能である。該穴は円形、楕円、多角形とすることが可能である。該穴は、２０００ｎｍの周期で１３００ｎｍの直径、２０００ｎｍの周期で１５００ｎｍの直径、１０００ｎｍの周期で７００ｎｍの直径、９００ｎｍの周期で６３０ｎｍの直径である。動作波長は８００−９９０ｎｍで且つその物質はＳｉである。厚さが３−１００ｎｍの範囲の薄いパッシベーション層ＳｉＯ２を包含させることが可能である。該メサ寸法は、部分的にはＭＳ−ＰＤ（ボンドパッド及びコンタクト金属を除く）の容量を決定し、該ＭＳ−ＰＤのデータレートに依存して、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、及び８０μｍである。低容量及び短い走行時間は一層高いデータレートのＭＳ−ＰＤとさせる。
【0107】
図５７（Ａ）及び（Ｂ）は、幾つかの実施例に基づく、六角形及び正方形の格子穴パターンを示している概略図である。図５７（Ａ）は六角形格子パターンを示しており、且つ図５７（Ｂ）は正方形パターンを示しており、「ｄ」は各場合における周期である。幾つかの実施例によれば、これらのレイアウトは図５６に示したＭＳ−ＰＤに対する例示的パラメータに対して使用される。
【0108】
図５８は、幾つかの実施例に基づく、シリコンＭＳ−ＰＤ用のエピタキシャル層構造を示している概略図である。この構造の厚さ及びドーピングは以下の通りであり、即ち、Ｓｉ基板５８０２は１５０μｍであり、ＢＯＸ（埋込酸化物）層５８０４は２−４μｍの厚さであり、ＳｉＰ層５８０６は０．２−０．５μｍの厚さでドーピングは２×１０２０／ｃｍ３を越えており、ＳｉＩ層５８０８は約１．５−２μｍの厚さで且つ意図的にはドーピングされておらず（５×１０１６／ｃｍ３未満のバックグラウンドドーピングを有している）、ＳｉＮ層５８１０は約０．２μｍの厚さで且つ２×１０２０／ｃｍ３を越えてドーピングされている。該Ｐ及びＮ層の高ドーピングは、例えば、１×１０１９／ｃｍ３を越えるものとすることが可能である。幾つかの実施例によれば、ＳｉＧｅＢ，ＳｉＧｅＣ，ＳｉＧｅＢＣ等の物質から構成されており厚さが５ｎｍ乃至５０ｎｍであるエッチストップ層を、マイクロストラクチャ型穴及び／又はメサのエッチング期間中に処理を助けるために、ＰＳｉ５８０６とＩＳｉ５８０８との間の界面に包含させることが可能である。高度にＰドープされているＳｉＧｅＢが使用される場合、構造はＮ−Ｉ−Ｐとすることが望ましい。Ｐ及びＮ領域の高ドーピングは、シート抵抗を減少させることに加えて、小数キャリアー寿命も減少させ、従ってＰ及びＮ領域において吸収されたフォトンは光電流に対しての寄与は最小とされる。Ｐ及びＮ領域における減少された小数キャリアー寿命は光発生されたキャリアーの高電界「Ｉ」領域への拡散を減少させ、尚該領域においては、少数キャリアーはアノード及びカソードへ掃引されて光電流に寄与する。
【0109】
図５９は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図である。厚さ及びドーピングを含むその物質構造は、図５８に図示し且つそれについて説明したものと同様であるか又は同一である。図５９の場合には、層５９１０及び５９０６におけるＰ及びＮドーピングが交換されてＰ−Ｉ−Ｎ配置となっている。注意すべきことであるが、図５８又は５９のいずれかにおいて、その配置はＰ−Ｉ−Ｎ又はＮ−Ｉ−Ｐとすることが可能である。穴５９２２はＳｉＯ２５８０４へエッチングされており、且つＰ及びＮオーミックコンタクト５９２８及び５９３０が、夫々、Ｐ及びＮ層５９１０及び５９０６に対して形成されている。メサをエッチングして感光区域を画定し且つＰＩＮ構造の容量を画定している。メサ直径は、ＭＳ−ＰＤが設計されている（図５６に関して説明した如く）データレートに依存して１０μｍ乃至８０μｍの範囲である。２０−４０Ｇｂ／ｓの場合、該メサの直径は、典型的に、２０−４０μｍである。０．２μｍの厚さで２×１０２０／ｃｍ３を越えるドーピングＰ層５９１０は、約５０Ω未満のシート抵抗を有することが可能である。０．２μｍの厚さで２×１０２０／ｃｍ３を越えるドーピングのＮ層５９０６は約３５Ω未満のシート抵抗を与えることが可能である。該Ｐ及びＮ層の高ドーピングも、例えば、１×１０１９／ｃｍ３とすることも可能である。一層薄いＰ及びＮ層は一層高い百分率の光学パワーが該「Ｉ」層内となり且つ該Ｐ及びＮ層内において一層低い百分率となることを可能とし、それによりＭＳ−ＰＤの量子効率を最大とさせる。説明の便宜上、パッシベーション、ポリイミドブリッジ、ボンドパッド及びその他の処理ステップは図示していない。逆バイアス電圧がＰ及びＮコンタクト間に印加されて該「Ｉ」層内に高電界領域を形成する。電圧は、典型的に、約２−６Ｖの範囲である。図示した場合には、照射は上から垂直に又は垂直からずれた角度においてである。波長は８００−９９０ｎｍの範囲であるが、７８０ｎｍ等のその他の波長を使用することも可能である。公称波長は８５０ｎｍであるが、８１０−８３０，８３０−８５０，８５０，８８０，９３０−９６０，９６０−９９０などの波長を包含することも可能である。
【0110】
図６０は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図である。物質構造の厚さ及びドーピングを含む該ＭＳ−ＰＤは図５８及び６０に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一である。この場合に、穴６０２２がＮ層５９０６まで及び／又はその中にエッチングされているが、図５９におけるようにＳｉＯ２層５８０４までずーとエッチングされるものではない。従って、該Ｎ層における吸収は向上されておらず、その結果該「Ｉ」層における光学パワーの百分率を一層高いものとする場合がある。このことは該ＭＳ−ＰＤの量子効率を改善する傾向となる。ＳｉＯ２層５８０４は必要な場合と必要ではない場合とがある。
【0111】
図６１は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤの或る側面を示している概略図である。該ＭＳ−ＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを包含して、図５８−６１に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一である。この場合に、該ＳｉＭＳ−ＰＤは基板側から照射される（本書においては、背面照射型又は底部照射型とも呼称される）。ビア６１７０がエッチングされてシリコン基板を除去し、且つＳｉＯ２層５８０４まで又は殆ど該ＳｉＯ２層まで又は該ＳｉＯ２層内へ又は該ＳｉＯ２層を貫通してエッチングされる。Ｓｉ基板５８０２を除去して８００−９９０ｎｍの波長範囲における光学損失を最小とさせる。Ｐ層５９１０表面上に反射器６１３２を製造し、それは該反射器６１３２がＰＩＮダイオードを短絡させないようにポリイミド、固体二酸化炭素、又はスピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）等の充填プロセス（filler process）を包含することが可能である。注意すべきことであるが、反射器６１３２は正確に平面状であることは必要ではなく、穴を有する領域において凹状とさせることが可能であり、そのことは光波のトラッピングを向上させる場合がある。反射器６１３２は誘電体、ブラッグ反射器、導電性透明金属酸化物、銀、金又はその任意の組合せ等の金属又は合金とすることが可能である。インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を、ブラッグ反射器を形成するために非導電性誘電体と共に、使用することも可能である。金属及び／又は導電性酸化物は、更に、Ｐ層５９１０のシート抵抗を減少させることが可能であり、それにより寄生抵抗を減少させ且つＭＳ−ＰＤの変調型周波数応答（データレート）を改善させる。幾つかの実施例によれば、「Ｉ」層５８０８は反射器を具備する背面照射の場合に一層薄くさせることが可能である。何故ならば、光は量子効率を劣化させること無しに「Ｉ」層を介して少なくとも２回及び多分それ以上の回数走行することが可能であり、しかも同時にＭＳ−ＰＤの変調型周波数（データレート）応答を改善させるからである。その理由は、一層薄い「Ｉ」層の場合に、光発生されたキャリアーの走行時間は一層短いからである。フォトダイオードの周波数応答は、その容量及び抵抗（ＲＣ時間）及び走行時間（transit time）によって決定される。例えば或る高データレートに対して１００又はそれ以上のファクターより一層大きな高い向上された実効吸収長において光学的走行時間が重要となる場合がある。
【0112】
図６２は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤ用のＧｅ・オン・ＳｉＰＩＮエピタキシャル層構造を示している。厚さとドーピングとを含む物質構造は、図５８−６２に図示し且つそれらに基づいて説明したものと同様であるか又は同一である。この場合には、２×１０１９／ｃｍ３を越えるドーピングを有するＮＳｉ層６２０２は０．２−２μｍの厚さを有することが可能である。Ｇｅ「Ｉ」層６２０８も設けられており、それは意図的にはドーピングされておらず、ドーピングは２×１０１６／ｃｍ３未満であり且つ厚さは０．５−２μｍである。ドーピングが２×１０２０／ｃｍ３を越える上部ＧｅＰ層６２１０は０．１−０．２μｍの厚さで形成される。幾つかの実施例によれば、Ｓｉ上のＧｅの良好な結晶成長を開始させるためにＮＳｉ層６２０６と「Ｉ」Ｇｅ層６２０８との間の界面において薄いＧｅバッファ層（不図示）を使用することが可能である。Ｐ及びＮの高ドーピングも少数キャリアー寿命を減少させ、それにより全体的な光電流に対して寄与する場合がある光電界「Ｉ」領域内へ掃引される場合がある光発生されたキャリアーの拡散を最小とさせる。
【0113】
図６３は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・ＳｉＭＳ−ＰＤを示している。物質構造の厚さとドーピングとを含んで、該ＭＳ−ＰＤは図５８−６２に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一である。穴６３２２がＳｉＯ２層５８０４までエッチングされており、又は該穴はＮＳｉ層６２０８までエッチングさせることが可能であり、その場合には、ＳｉＯ２層５８０４は必要である場合と必要ではない場合とがあり、且つ該ＭＳ−ＰＤは上部即ち正面（エピタキシャル表面）から照射される。１１００乃至１８００ｎｍの波長範囲におけるフォトンの吸収は該Ｓｉ領域よりも殆どが該Ｇｅ領域においてである。ＰＧｅ層６２１０を薄く維持することによって、該フォトンの大きな百分率がＧｅ「Ｉ」層６２０８において吸収され、それにより量子効率を増加させる。ＧｅとＳｉとの間の高い屈折率差は、該穴をＳｉＮ層６２０６の上部までエッチングさせるに過ぎないことを必要とする場合がある。しかしながら、本例においては、穴６３２２はＳｉＯ２層５８０４までエッチングされている。ＮＳｉ層６２０６は、本例においては、最大で２μｍの厚さとすることが可能であり、且つ５０Ω未満のシート抵抗を与えるために１×１０１９／ｃｍ３の範囲のドーピングとすることが可能である。８５０ｎｍ動作の場合、又は８００−９９０ｎｍの範囲における波長の場合、薄いＮＳｉ層は該ＩＧｅ領域において吸収されるフォトンの百分率を増加させることが可能である。ドーピングが２×１０２０／ｃｍ３を越える０．２μｍ厚さのＮＳｉ層は５０Ω未満のシート抵抗を与え且つ少数キャリアー寿命を減少させる。２μｍの厚いＮＳｉ層も８００−９９０ｎｍ又は８００−１８００ｎｍの波長範囲に対して使用することが可能である。何故ならば、８００−９９０ｎｍの範囲における波長に対しては、Ｇｅは２μｍの長さにわたり該フォトンの９０％を越えるものを吸収するからである。従って、該フォトンの５％未満が該ＮＳｉ層に到達する。８５０ｎｍの波長において、１％未満が該ＮＳｉ層へ到達し、且つ９９０ｎｍにおいては３％未満がそれに到達する。
【0114】
或る場合には、８００−９９０ｎｍの波長範囲に対して、マイクロストラクチャ型穴は吸収を向上させるために支配的に使用することができない場合があり、寧ろＧｅ層内に部分的に又は完全にエッチングされた穴での容量を減少させるために使用される場合がある。更に、穴が必要ではない場合があり且つバルクＧｅが使用される場合がある。幾つかの実施例によれば、マイクロストラクチャは反射を減少させるためにも使用することが可能である。
【0115】
図６４は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・ＳｉＭＳ−ＰＤを示している。物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、該ＭＳ−ＰＤは図５８−６３に図示し且つそれらについて説明したものと同様のものであるか又は同一のものである。この場合には、穴６４２２がＳｉ層６２０６までエッチングされている。Ｇｅに対する屈折率は約４であり且つＳｉに対する屈折率は約３．４５である。この屈折率における差異は該Ｇｅ領域において十分に向上された吸収を与える場合がある。この場合に、ＳｉＯ２層５８０４は必要でない場合があり且つ該ＭＳ−ＰＤはＢＯＸ層５８０４無しでＳｉウエハ上に成長させる場合がある。１１００−１８００ｎｍの波長範囲に対して、Ｓｉは許容可能に低い光学損失を有しており且つ該吸収の殆どは該Ｇｅ領域においてのものである。上部照射型ＭＳ−ＰＤの場合、該ＰＧｅ層は薄くさせることが可能であり、従って該フォトンのバルクは該ＩＧｅ領域において吸収され、そのことは量子効率を増加させる。該Ｐ層のシート抵抗を更に減少させるためにＰＧｅ層６２１０と関連してＩＴＯ（インジウム錫酸化物）を使用する場合がある。
【0116】
図６５は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・ＳｉＭＳ−ＰＤを示している。該ＭＳ−ＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図５８−６４に関して図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一である。この場合には、該ＭＳ−ＰＤは背面即ち底部照射型である。この構造は０．２μｍの薄いＮＳｉ層を使用して８００−１８００ｎｍの波長範囲に対して非常に良好である。８００ｎｍにおける波長を有するフォトンの３％未満がＮＳｉ層６２０６において吸収される。更に、１μｍのＧｅの単一パス即ち通過において、９９０ｎｍフォトンの８５％を越えるものが吸収される。ダブルパス即ち二重通過においては、９９０ｎｍフォトンの９５％を越えるものが吸収される。ＧｅＩがＮＳｉ上に成長されている背面照射型ＭＳ−ＰＤにおいては、該ＰＧｅ層上の反射器６５３２と共に、該フォトンの二重及び／又は多重の通過が一層薄いＩ吸収層６２０８を可能とさせ、そのことは光発生された電子及び正孔の走行時間を減少させる。４０Ｇｂ／ｓ又はそれ以上の一層高い帯域幅を有するフォトダイオードを得ることが可能である。穴６３２２はＳｉＯ２層５８０４へエッチングさせることが可能であり、又はＳｉ層６２０６へエッチングさせることが可能である（図６４に示した如く）。マイクロストラクチャ型穴アレイの場合、向上された吸収は１１００−１８００ｎｍの波長において発生することが可能である。例えば、１５５０ｎｍにおいて、１μｍ厚さのバルクＧｅを介してのダブルパス即ち二重通過で、９％未満が吸収され、一方、該Ｇｅ層内にマイクロストラクチャ型穴がある場合には、３０％より大きな吸収を達成することが可能であり、且つ、幾つかの場合においては、５０％より大きな吸収を達成することが可能である。或る場合には、ＧｅＩ層を具備するＭＳ−ＰＤにおける吸収は、１μｍ厚さのＧｅにおける二重通過に対して又は２μｍ厚さのＧｅＭＳ−ＰＤにおける単一通過に対して、１５５０ｎｍにおいて７０％より大きなものを達成することが可能である。
【0117】
該ＭＳ−ＰＤは次の層を有することが可能であり、即ち、Ｇｅ（又はＳｉＧｅ）Ｐ層６２１０は約０．１μｍの厚さで２×１０２０／ｃｍ３を越えるものへドーピングさせることが可能であり、ＧｅＩ（吸収層）６２０８は０．５−２．０μｍの厚さで意図的にドーピングしないものとすることが可能であり（５×１０１６／ｃｍ３未満）、且つ、最後に、ＳｉＮ層６２０６は０．２−０．５μｍの厚さで２×１０１９／ｃｍ３を越えるものへドーピングさせることが可能である。更に、Ｓｉ基板を除去するためのビアエッチング期間中、該ＳｉＯ２層は不変のままとさせるか、部分的にエッチングさせるか、又は該ＳｉＯ２を除去するために完全にエッチングさせることが可能である。
【0118】
図６６は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・ＳｉＰＤを示している概略図である。該ＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含めて、図５８−６５に図示し且つそれらについて説明したものと同様である。図６６はフリップチップとして配置されたものを示しているが、該ＰＧｅ層に起因して僅かに劣化するが正面照射型配置とすることも可能である。該ＰＤは、マイクロストラクチャ型穴アレイが無い場合の図６４に示したＭＳ−ＰＤと類似している。８００−１３００ｎｍにおける動作のために図示した如きエピタキシャル構造を具備するＧｅ・オン・Ｓｉフォトダイオードは、特に１３００ｎｍ波長領域に対してのダブルバウンス即ち二重跳ね返りを利用しており尚且つ高いデータレート動作を維持している。該ＰＤはＳｉＧｅＢｉＣＭＯＳと集積化させることが可能である。幾つかの実施例によれば、該ＳｉＯ２層が省略される。半田バンプ技術で、該ＰＤは、例えば図４４−５２に示した如く、その他の実施例に対して上述したと如くに、ＰＣＢ上に直接マウントさせたフリップチップとさせることが可能である。幾つかの実施例によれば、該ＰＤは次の層を有することが可能であり、即ち、約０．１μｍの厚さで２×１０２０／ｃｍ３を越えてドープされているＧｅ（又はＳｉＧｅ）Ｐ層６２１０、０．５−２．０μｍの厚さで意図的にはドーピングしていない（５×１０１６／ｃｍ３未満）ＧｅＩ（吸収層）６２０８、及び最後に０．２−０．５μｍの厚さで２×１０１９／ｃｍ３を越えてドーピングされているＳｉＮ層６２０６である。更に、Ｓｉ基板を除去するためのビア６６７０のエッチング期間中に、ＳｉＯ２層５８０４は不変のままとさせるか（図６５に示した如く）、部分的にエッチングするか、又はＳｉＯ２を除去するために完全にエッチング（図６６に示した如く）させることが可能である。該ＳｉＯ２層が完全にエッチング除去される場合には、反射を最小とするために反射防止層（不図示）を該ＳｉＮ層へ付与することが可能である。
【0119】
図６７は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・ＳｉＰＤを示している概略図である。該ＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図５８−６６に図示し且つそれらについて説明したものと同様である。この場合には、装置ＰＩＮ接合容量を減少させるためにボイド６７２２が形成されている。ボイド６７２２は、或る量だけ容量を減少させるために十分な量の物質を除去するために、該Ｇｅ層内に部分的にエッチングさせることが可能である。該容量減少は、ボイドが無い同様のＧｅ・オン・ＳｉＰＤと同じデータレート帯域幅を維持しながら一層大きな面積のＰＤとすることを可能とする。その一層大きな面積のＰＤは、フォトダイオードに対するオプチカルファイバー及び／又は光源のミスアライメント即ち不整合において一層大きな公差を可能とさせる。データレート帯域幅はＲＣ時間と走行時間とによって決定される。この構造の説明してきた全ての構造との統合は、半田バンプ技術と共にＰＣＢへ直接取り付けることが可能なＴＩＡ等のエレクトロニクスで可能である。幾つかの実施例によれば、この構造に対する動作波長は８００−１３００ｎｍの範囲であり且つデータレートは４０Ｇｂ／ｓを越えるものである。
【0120】
注意すべきことであるが、ＢＯＸ構造を使用することは必要ではない。本ＰＤは次のような層を有することが可能であり、即ち、約０．１μｍの厚さで２×１０２０／ｃｍ３を越えてドーピングされているＧｅＰ層６２１０、０．５−１．０μｍの厚さで意図的にはドーピングしていない（５×１０１６／ｃｍ３未満）ＧｅＩ（吸収層）６２０８、及び最後に０．２−０．５μｍの厚さで２×１０１９／ｃｍ３を越えてドーピングされているＳｉＮ層６２０６、及び２−４μｍの埋込酸化物層５８０４である。
【0121】
図６８は、幾つかの実施例に基づく、マイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）の或る側面を示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは次の層を有することが可能であり、即ち、約０．１−０．２μｍの厚さで２×１０１９／ｃｍ３を越えてＰドーピングされているＳｉＰ層６８１０、０．５−２．０μｍの厚さで意図的にはドーピングされていない（５×１０１５／ｃｍ３未満）ＳｉＩ（吸収層）６８０８、０．２−０．５μｍの厚さで２×１０１９／ｃｍ３を越えてｎドーピングされているＳｉＮ層６８０６、及びＳｉ基板６８０２上の２−４μｍの厚さの埋込酸化物層６８０４、である。該ＭＳ−ＡＰＤ装置は２つの付加的な層、即ち電荷層及び増倍層、を有している。電荷層６８２０は吸収Ｉ層６８０８の直下である。ＳｉＰ電荷層６８２０は約１．８×１０１７／ｃｍ３へドーピングされており且つ約０．１μｍの厚さを有している。該電荷層の直下は該ＭＳ−ＡＰＤの増倍層６８１８である。ＳｉＩ層６８１８は意図的にはドーピングされておらず（１×１０１６／ｃｍ未満）且つ約０．５μｍの厚さを有している。ビア６８７０がシリコン基板内を該ＳｉＯ２層までエッチングされており（反射を最小とさせるために反射防止コーティングを適用することが可能）、且つ８００−９９０ｎｍの範囲の波長を有する光が該ビアを介して適用される。該ＭＳ−ＡＰＤの上部表面上の反射器６８３２は吸収用「Ｉ」層６８０８を介してのフォトンの二重／多重通過を与える。一つの利点は一層薄い吸収層であり、それは一層短い走行時間とさせる。従って、該ＭＳ−ＡＰＤのデータレート帯域幅は向上される。マイクロストラクチャ型穴アレイ６８２２はＳｉＯ２層６８０４まで及び／又は殆ど該ＳｉＯ２層までエッチングされる。Ｐ及びＮコンタクト６８２８及び６８３０は半田バンプが付与されるべき同一の表面上に示されており、従って、該ＭＳ−ＡＰＤはセラミックマルチチップ担体上及び／又はプリント回路基板上に直接フリップチップマウントさせることが可能である。説明の便宜上、最も基本的な処理ステップのみが示されている。パッシベーション、ボンドパッド、ポリイミド／スピン・オン・ガラス平坦化、反射防止コーティング、等の付加的なステップ又は要素は図示していない。更に、ビア６８７０のエッチング期間中、Ｓｉ基板を除去した後に、該ＳｉＯ２層はＭＳ−ＡＰＤ又はＭＳ−ＰＤのいずれかの構造のために部分的にエッチング除去するか又は完全にエッチング除去することが可能である。反射器６８３２が無い場合には、光学信号は上部表面から入射することも可能である。
【0122】
図６９は、幾つかの実施例に基づく、マイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）の或る側面を示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図６８に図示し且つそれについて説明したものと同様である。マイクロストラクチャ型穴アレイ６９２２は、該ＡＰＤ構造の電荷層６８２０、増倍層６８１８、及び／又はＮ層６８０６までエッチングされる。穴６９２２は該ＳｉＯ２層までずーとエッチングされるものではない。光が該ＳｉＯ２までシリコン基板が除去されているビア６９７０を介して照射される。光がＮＳｉ層６８０６上に直接入射するように該ＳｉＯ２層もエッチングすることが可能である。このことは全ての底部照射型ＭＳ−ＰＤ及びＭＳ−ＡＰＤ装置に対して適用可能であり、その場合には反射防止コーティングを直接Ｓｉへ適用することが可能である。８００−９９０ｎｍの範囲の波長の場合、約０．２μｍの薄いＮＳｉ層６８０６が吸収用「Ｉ」層６８０８から離れた領域における吸収を減少させるために好適である。光は上部／正面から入手することも可能であり、その場合には反射器６８３２は除去される。この様な場合には、ビアを省略する場合があり且つ該Ｓｉ「Ｉ」層は３０％を越える量子効率のために１．５−２μｍへ増加させる場合がある。幾つかの場合においては、量子効率は５０％を超えるものであり、幾つかの場合には、７０％を超えるものであり、且つ幾つかの場合には、８０％を超えるものである。該アバランシェの増倍係数即ち利得は２を越えるものとすることが可能である。幾つかの場合には、その利得は５を超えるものである。幾つかの場合には、それは１０を超えるものである。更なる幾つかの場合には、それは１５を超えるものであり、且つ更に幾つかのその他の場合には、該利得は２０を超えるものである。データレート帯域幅は１０Ｇｂ／ｓを超えることが可能である。幾つかの場合には、該帯域幅は１５Ｇｂ／ｓを超えるものであり、且つ幾つかの場合には、３０Ｇｂ／ｓを超えるものである。更に、該ＳｉＯ２層は完全に又は部分的に除去することが可能であり、及び／又はそれはＭＳ−ＰＤ及びＭＳ−ＡＰＤのためにＳｉで充填されているか又はされていないボイドを有することが可能であり、且つ背面／底部照射用に使用されるビアを形成するためのＳｉ基板の除去期間中にＳｉＧｅＢ，ＳｉＧｅＣ又はＳｉＧｅＢＣ等のエッチストップ層を使用することが可能である。
【0123】
図７０は、幾つかの実施例に基づき、該ＳｉＯ２層が無いＭＳ−ＡＰＤを示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図６８−６９に図示し且つそれらについて説明したものと同様である。エッチストップ層７０３４はＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＣ又はＳｉＧｅＢ（該ＳｉＧｅは約１％のＧｅを有しており且つ１×１０２０／ｃｍ３を越えてボロンで高度にドープされている）で、且つ厚さは０．１乃至２μｍの範囲である。ＳｉＧｅＢＣはＳｉ基板６８０２上、及び／又はＮＳｉ層６８０６等のＳｉエピタキシャル層上に成長させることが可能である。幾つかの実施例によれば、該ＭＳ−ＡＰＤは次のような厚さ及びドーピングレベルを有しており、即ち、ＳｉＮ層６８０６は０．２乃至１μｍの範囲の厚さ及びドーピングレベルを有しており、ＳｉＮ層６８０６は０．２乃至１μｍの範囲の厚さ及び２×１０１９／ｃｍ３を越えるものから２×１０２０／ｃｍ３を越えるものの範囲のドーピングを有しており、ＳｉＩ増倍層６８１８は意図的にはドーピングされておらず（１×１０１６／ｃｍ３未満）且つ約０．５μｍの厚さを有しており、ＳｉＰ電荷層６８２０は約１．８×１０１７／ｃｍ３にドーピングされており且つ約０．１μｍの厚さを有しており、ＳｉＩ吸収層６８０８は意図的にはドーピングされたおらず（５×１０１５／ｃｍ３未満）且つ０．５−１．０μｍの厚さを有しており、且つＳｉＰキャッピング層６８１０は２×１０２０／ｃｍ３を越えてドーピングされており且つ約０．１μｍの厚さを有している。幾つかの実施例によれば、複数のエッチストップ層を使用することが可能である。例えば、ＳｉＩ増倍層６８１８とＳｉＮ層６８０６との界面に別のエッチストップ層を形成することが可能である。該エッチストップ層の厚さは１ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲に亘ることが可能であり、且つ隣接する層の電気的特性と一致させるためにＰ又はＮへドーピングさせるか又は意図的にドーピングしないものとすることが可能である。光学信号の波長は８００乃至９９０ｎｍの範囲にわたることが可能であり且つ背面側から照射される場合には、ＳｉＯ２／Ａｇ等の誘電体から反射器を形成することが可能である。幾つかの実施例によれば、反射器６８３２は、ＳｉＯ２とＨｆＯ２、又はＡｇ，Ａｕ及び／又はＰｔと共にＩＴＯ等の屈折率が異なる２つの誘電体からなるブラッグ反射器である。反射器６８３２は吸収されなかった信号フォトンを吸収用ＳｉＩ領域６８０８を介して二重及び／又は多重回通過させるべく反射させるために使用される。更に、該装置は正面照射型とすることが可能であり、その場合には反射器６８３２は省略され且つ吸収用ＳｉＩ層６８０８は量子効率を最適化させるために１．５−２μｍへ厚くされる。幾つかの実施例によれば、該正面／上部照射型ＭＳ−ＡＰＤにビアを包含させることも可能である。同様に、或るＭＳ−ＰＤは、該ＳｉＰ電荷層及びＳｉＩ増倍層を省略して、この構造を使用することも可能である。正面及び背面照射型ＭＳ−ＰＤが有益的である場合がある。何故ならば、Ｓｉ基板の除去は屈折率コントラストを改善し且つ該マイクロストラクチャにおいて改善された吸収係数を有しており、そのことは量子効率を改善させるからである。
【0124】
該Ｐ及びＮ層の高ドーピングは、シート抵抗を減少させると共に該Ｐ及びＮ層内の少数キャリアーの寿命を減少させて、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤのデータレート応答（周波数応答とも呼称される）において劣化を発生される場合がある高電界ＳｉＩ吸収層内への少数キャリアーの拡散を減少させる。該マイクロストラクチャ型穴アレイは、該ＳｉＧｅＣ及び／又はＳｉＧｅＢストップ層まで及び／又は穴エッチング期間中及び／又はビアエッチング期間中のいずれかで該ストップ層を超えてエッチングさせることが可能である。該エッチストップ層も該穴エッチングの後又は該ビアエッチング期間中に完全に又は部分的に除去することも可能である。この様に、ＳｉＧｅＣ，ＳｉＧｅＢＣ又はＳｉＧｅＢ層は背面照射型ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ用の光学系路中には無い。注意すべきことであるが、Ｇｅが約１％（例えば、Ｓｉ０．９９Ｇｅ０．０１）であるＳｉＧｅＢにおいては、そのバンドギャップはほぼＳｉのものと同じである。更に、図６９における如く、該マイクロストラクチャ型穴アレイは、該吸収用ＳｉＩ層に対応する深さへ及び／又は該ＳｉＩ吸収層より大きく且つ部分的にアバランシェ領域内へ入る深さへエッチングさせることが可能である。
【0125】
図７１は、幾つかの実施例に基づき、Ｇｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）を示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図６８−７０に図示し且つそれらについて説明したものと同様である。ＧｅＩ吸収層７１０８は意図的にはドーピングされておらず（５×１０１５／ｃｍ３未満）且つ０．５−２．０μｍの厚さを有している。上部ＧｅＰキャッピング層７１１０は２×１０２０／ｃｍ３を越えてドーピングされており且つ約０．１μｍの厚さを有している。マイクロストラクチャ型穴アレイ７１２２は、ＳｉＰ電荷層６８２０まで又は該ＳｉＰ層直前までエッチングされている。代替的に、穴７１２２はＳｉＰ電荷層６８２０内へ及び／又はＳｉ増倍層６８１８内へエッチングさせることが可能である。ビア６９７０がエッチングされて光学経路からＳｉ基板を除去している。該ＳｉＯ２層は不変のままとするか、部分的にエッチングさせるか又は完全に貫通してエッチングさせることが可能であり、又はＳｉＯ２の無いＮＳｉ基板を使用することが可能である。ＳｉＮ層６８０６が露出される場合には、反射を最小とさせるために反射防止層（不図示）を付与することが可能である。波長範囲は、例えば、８００−１８００ｎｍ，１３００−１６００ｎｍ，８１０−８８０ｎｍ，９３０−９９０ｎｍとすることが可能である。穴寸法及び周期は或る波長範囲に対して最適化させることが可能である。ＰＧｅ又はＳｉＧｅ層７１１０上に反射器６８３２を形成することが可能である。該反射器６８３２は誘電体及び金属、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物又は同様の透明導電性酸化物）及び金属、ブラッグ反射器のような全誘電体、又はそれらの任意の組合せから構成することが可能である。反射器６８３２は、１回目の通過で吸収されなかったフォトンを２回又は多数回の通過のために吸収用ＧｅＩ層７１０８へ向かって反射させて戻す。単一通過でのフォトダイオードと比較して一層薄いＧｅＩ吸収層７１０８を使用することが可能である。該一層薄いＧｅＩ層は一層短い走行時間とさせ、従って一層高いデータレートとさせる。Ｇｅ・オン・Ｓｉの成長はＧｅバッファ層を使用する場合があり、それはＧｅの高品質結晶成長を開始させるために成長される。例えば、Kang et al.の１．３ＡＥｍ光検知用のエピタキシャル的に成長されたＧｅ／Ｓｉアバランシェフォトダイオード（Epitaxially-grown Ge/Si avalanche photodiodes for 1.3Em light detection）、Ｖｏｌ．１６、Ｎｏ．１３／オプティックスエクスプレス（OPTICS EXPRESS）９３６５（２００８）（以後、「Kang et al」と呼称する）を参照すると良く、尚それを引用により本書に取り込む。１２００−１７５０ｎｍの波長範囲の場合、Ｓｉはこれらの波長においては殆ど透明であるからビア７２７０は必要ではない。更に、反射器６８３２が無い場合には、光学信号は上部表面から入射することが可能であり且つＧｅ「Ｉ」層７１０８は厚さを約２ミクロンへ増加させることが可能である。
【0126】
図７２は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）を示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図６８−７１に図示し且つそれらについて説明したものと同様である。この場合には、マイクロストラクチャ穴アレイ７２２２がＳｉＯ２層６８０４までエッチングされている。幾つかの実施例によれば、穴７２２２はＳｉＯ２層６８０４の十分の数μｍ内までエッチングされ且つビア７２７０は該ＳｉＯ２層までエッチングされる。該ＳｉＯ２層は該ビアエッチング期間中に不変のままであるか、部分的にエッチングされるか、又は完全に貫通してエッチングさせることが可能である。背面側から入射する光は８００−１８００ｎｍの範囲の波長を有している。例えば６３０−７８０ｎｍなどのその他の波長を使用することも可能である。該Ｓｉ層内において幾らかの光発生されたキャリアーが存在する場合があるが、光発生されたキャリアーのバルクはＧｅＩ層７１０８においてであり、とりわけ８００−１８００ｎｍの波長範囲においてであって、特に１１００−１８００ｎｍの波長範囲においてである。該エピタキシャル構造は図７１に示したものに類似しており、というのも、該ＧｅＰ層上の反射器６８３２が光をＧｅＩ吸収層へ向けて反射して戻すからである。該ＳｉＯ２層の除去は該マイクロストラクチャ型半導体穴間に高い反射指数コントラストを可能とさせ、そのことは該マイクロストラクチャ型穴アレイと空気の光収集特性を改善させることを可能とする。又、ＳｉＯ２−空気界面及びＳｉＯ２−半導体界面において発生する場合がある反射が取り除かれている。正面照射型ＭＳ−ＡＰＤの場合、反射器６８３２は除去され且つＧｅＩ吸収層７１０８が１−２μｍの範囲へ厚くされる。該ビア及びＳｉＯ２の除去は正面側照射型ＭＳ−ＡＰＤのために行うことが可能である。該アバランシェ層、Ｐ電荷及びＩ増倍、を除去することによって、該ＭＳ−ＡＰＤはＭＳ−ＰＤとなる。
【0127】
図７３は、幾つかの実施例に基づく、エッチストップ層を具備するＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）を示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図６８−７２に図示し且つそれらについて説明したものと同様である。ＳｉＧｅ，ＳｉＧｅＣ，ＳｉＧｅＢ，ＳｉＧｅＢＣ等のエッチストップ層７３３４をＳｉウエハ上に成長させる。注意すべきことであるが、Ｓｉ基板（ウエハ）６８０２は、既に、ＮＳｉエピタキシャル層、その後のＡＰＤ層、その他のバッファ層、スペーサ層、又はその他のエッチストップ層等の夫々の層（不図示）をその上に有している場合があり、それらは良好な結晶成長及び処理再現性を促進させるものである。基本的なＡＰＤ層は、厚さが０．２乃至０．５μｍの範囲でドーピングが２×１０１９／ｃｍ３をこえるものから２×１０２０／ｃｍ３を越えるものの範囲であるＳｉＮ層６８０６、意図的にはドーピングされておらず且つ厚さが約０．５μｍであるＳｉＩ増倍層６８１８、約１．８×１０１７／ｃｍ３へドーピングされており且つ厚さが約０．１μｍであるＳｉＰ電荷層６８２０、意図的にはドーピングされておらず且つ厚さが０．５−１．０μｍであるＧｅＩ吸収層７１０８、及びドーピングが２×１０２０／ｃｍ３を越えており且つ厚さが約０．１μｍであるＧｅ又はＳｉＧｅＰキャッピング層７１１０である。マイクロストラクチャ型穴アレイは特定の波長範囲に対して最適化されている穴直径及び周期でエッチングされている。特定の班長範囲は次のものを包含しており、即ち、８００−８６０，８６０−８８０，８８０−９２０，９２０−９９０，９９０−１１００，１１００−１３５０，１３５０−１４５０，１４５０−１５５０，１５５０−１６５０，１６５０−１８００ｎｍである。穴及びメサのパッシベーションは説明の便宜上割愛してあるが、Ｋａｎｇ ｅｔ ａｌの中にそれらの例が示されている。文献においてはその他のパッシベーション方法が存在している。光はビア７３７０を介して背面側から入射し、その場合は該エッチストップ層を除去することが可能である。光は正面側から入射することも可能であるが、吸収ＧｅＩ層７１０８の厚さは約１−２μｍの範囲に増加される。正面側照射型ＭＳ−ＡＰＤ／ＰＤの場合、例えば、半導体マイクロストラクチャと空気との間の反射指数コントラストを増加させるために該ビアを実現させることも可能である。平坦化層、ブリッジ層、ボンドパッド、及び充填物等のその他の層も説明の便宜上図示していない。
【0128】
図７４は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＡＰＤ）を示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは、物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図６８−７３に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるが、Ｐコンタクト層における光キャリアーの吸収を減少させるために該ＧｅＰ層がＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＣのＰ層７４１０で置換されている点が異なっている。ＳｉＧｅ及び／又はＳｉＧｅＣはＧｅよりも一層大きなバンドギャップを有しており、従って同じ厚さの場合に吸収係数はＧｅにおける場合よりも一層小さい。例えば、Kolodzey et al.の「Ｓｉ基板上に成長させたＳｉＧｅＣ合金の光学的及び電子的特性（Optical and electronic properties of SiGeC alloys grown on Si substrates）」、ジャーナルオブクリスタルグロス（Journal of Crystal Growth）１５７、３８６−３９１（１９９５）（以後「Ｋｏｌｏｄｚｅｙ ｅｔ ａｌ」と呼称する）を参照すると良く、尚それを引用により本書に取り込む。例えば、Ｋｏｌｏｄｚｅｙ ｅｔ ａｌから、ＳｉＧｅ０．８８Ｃ０．１２の場合、バンドギャップは、Ｓｉが１．１１ｅＶであり且つＧｅが０．６６ｅＶであるのと比較して、１．３ｅＶ（直接）である。ＳｉＧｅ合金はＳｉとＧｅとの間のバンドギャップを与え、従ってＧｅに対してのＳｉの何らかの付加はバンドギャップを増加させ且つ該Ｐ層における吸収を減少させる。幾つかの実施例によれば、このＰ層置換技術はここに示し且つ記載した全てのＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ構造に対して適用される。特に、ＧｅＰ層はＳｉＧｅＰ及び／又はＳｉＧｅＣＰ層で置換される。幾つかの更なる実施例によれば、ここに示し且つ記載した全てのＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤにおいて、該ＳｉＰ及びＮ層も完全に又は部分的にＳｉＧｅＣ Ｐ及びＳｉＧｅＣ Ｎで置換させることが可能であり、そのことは該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤのＰ及びＮ領域における光学信号の吸収を減少させる。幾つかの場合には、本発明における光学フォトンの吸収を減少させるために、Ｓｉである該ＡＰＤの増倍領域もＳｉＧｅＣ Ｉで置換させることが可能である。或る波長１２００−１７５０ｎｍにおいては、Ｓｉは殆ど透明であり、ビア７３７０及びエッチストップ層７３３４のいずれか一方又は両方が必要ではない。この場合には、ＮＳｉ基板を使用してその背面を研磨し且つ反射防止コーティングを行う。
【0129】
図７５は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤ用の別のＳｉＮＩＰエピタキシャル層構造を示している概略図である。穴７５２２が約２．３μｍの深さまでエッチングされており且つＳｉＰ層７５０６の前及び／又は後の十分の数ミクロンで終端することが可能である。ドーピング及び厚さはほぼ次の通りであり、即ち、ＳｉＰ基板７５０２、１×１０１９／ｃｍ３を越えるものとすることも可能であるが２×１０２０／ｃｍ３を越えるＰドーピングで０．２μｍ（又は０．１−１μｍの範囲）のＳｉＰ層７５０６、意図的にはドーピングされておらずバックグラウンドドーピングが５×１０１６／ｃｍ３未満であり且つ幾つかの場合には５×１０１５／ｃｍ３未満であって厚さが約２又は１−２．５μｍの範囲内であるＳｉＩ層７５０８、ドーピングが２×１０１９／ｃｍ３を越えており且つ厚さが約０．３μｍ又は０．２−０．５μｍの範囲内であるＮＳｉ層７５１０である。Ｎコンタクト７５２８はＳｉＮ層７１５０上にある。Ｐコンタクトは、コンタクト７５３０における如くＳｉＰ基板の上部表面上とすることが可能であり、及び／又はコンタクト７５３２における如く該基板の底部／背面側上とすることが可能である。ＰＩＮ接合区域、従って容量、を画定するためにメサエッチングが使用される。メサはＰ層７５０６まで及び／又はＰ基板７５０２までエッチングされ且つＰコンタクト７５３０はＳｉＰ層７５０６上及び／又はＳｉＰ基板７５０２背面側７５３２上にデポジット即ち付着させることが可能である。幾つかの実施例によれば、その他の電気的分離を使用することも可能であり、例えば、ＰＩＮ区域を画定するための陽子衝撃（proton bombardment）又はＰＮ接合ドーピング又はトレンチドーピング等のその他のドーピング技術である。この構造において、光は約８００−９９０ｎｍの範囲の波長で正面側から入射する。周期が２０００ｎｍで穴直径が１３００ｎｍ、及び周期が２０００ｎｍで穴直径が１５００ｎｍを六角形及び／又は正方形格子パターンのいずれかで使用することが可能である。幾つかの実施例によれば、穴直径の範囲は約６００ｎｍ乃至１５００ｎｍであり且つ周期の範囲は約９００乃至２５００ｎｍである。
【0130】
図７６（Ａ）−（Ｃ）は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤ用の埋込酸化物上のＳｉＮ−Ｉ−Ｐエピタキシャル層を示している各概略図である。図７６（Ａ）において、穴７６２２がＳｉＰ層７６０６へエッチングされており、該ＳｉＰ層内へ部分的に及び／又はＳｉＯ２層７６０４へエッチングされている。ドーピング及び厚さはほぼ次の通りであり、即ち、基板７６０２内のＳｉＢＯＸ（埋込酸化物）７６０４、Ｐドーピングが２×１０２０／ｃｍ３を越えている１μｍ（又は０．１−１μｍの範囲）のＳｉＰ層７６０６、意図的にはドーピングしておらず且つバックグラウンドドーピングが５×１０１６／ｃｍ３未満であり且つ幾つかの場合には５×１０１５／ｃｍ３未満であって厚さが２μｍ又は０．５−２．５μｍの範囲であるＳｉＩ層７６０８、及びドーピングが２×１０１９／ｃｍ３を越えており且つ厚さが例えば０．３μｍ又は０．２−０．５μｍの範囲であるＮＳｉ層７６１０である。Ｎ及びＰコンタクト７６２８及び７６３０は正面側上とすることが可能であり、その場合に、ＰコンタクトはＰ層７６０６に対するメサエッチングの後に形成される。ＳｉＧｅＢ又はＳｉＧｅＣ等のエッチストップ層をＰ層７６０６とＩ層７６０８との間の界面において使用することが可能である。光が背面側から入射し且つ光がＩ層７６０８を介して複数回の通過をすることが可能であるように上部表面ＳｉＮ層７６１０上に反射器が配置される場合には、Ｉ層７６０８は薄くすることが可能であり、例えば０．５−１μｍとすることが可能である。ＰとＮとは交換可能であり、且つ該マイクロストラクチャ型フォトダイオード（ＭＳ−ＰＤ）は、例えば、ＰＩＮとすることが可能である。ＳｉＧｅＢがエッチストップ層として使用される場合には、該ＳｉＧｅＢは高度にＰ型であり且つ該ＮＩＰ構造が好適である。該エッチストップ層は、例えば、０．０５乃至１μｍの厚さとすることが可能であり且つ該ＳｉＰ層を全体的に又は部分的に置換させることが可能である。適切に装置又はエピタキシャル層を修正して、光は正面側から及び／又は背面側から入射することが可能である。波長範囲は約８００−９９０ｎｍである。
【0131】
図７６（Ｂ）においては、図７６（Ａ）におけるＰＳｉ層７６０６は、Ｐドーピングが２×１０２０／ｃｍ３を越えており且つ厚さが０．５μｍ又は０．２−１μｍの範囲であるＳｉ０．９９Ｇｅ０．０１Ｂ層７６１６で置換されている。その他の全ての層は図７６（Ａ）における通りである。マイクロストラクチャ型穴７６２２がエッチングされ且つ該ＳｉＧｅＢ層において停止するか及び／又は該ＳｉＧｅＢ層を貫通して通過し且つ該ＳｉＯ２層において停止するか及び／又は該ＳｉＯ２層内に入ることが可能である。該ＳｉＯ２層において停止するか又は該ＳｉＯ２層内で停止するか又はそれを貫通するビア７６７０をエッチングすることが可能である。ＳｉＮ層及びＳｉＧｅＢＰ層の夫々の上にＮ及びＰオーミックコンタクト７６２８及び７６３０が形成されている。光は上部表面（エピ表面）から及び／又は底部表面（基板表面）からのいずれかから入射することが可能であり、及び該Ｉ吸収層を介して複数回通過させるために誘電体スペーサ層と共に上部か又は底部のいずれかの上に反射器を配置させることが可能である。波長は８００乃至１０００ｎｍの範囲である。説明の便宜上図示していないものは、パッシベーション層、ポリイミドブリッジ層、メサ、ボンドメタル等のその他の要素である。
【0132】
図７６（Ｃ）においては、約０．１μｍの厚さで且つドーピングが１×１０２０／ｃｍ３より大きいＰＳｉ層７６２６がＳｉＯ２７６０４上の第１層として付加されており、その上にＰドーピングが１×１０２０／ｃｍ３より大きく且つ厚さが約０．３μｍのＳｉ０．９９Ｇｅ０．０１Ｂ層７６１６が成長される。図７６（Ａ）及び（Ｂ）における如く、光はビアがエッチングされている上部及び／又は底部表面から入射することが可能である。Ｎ及びＰオーミックコンタクトが該Ｎ及びＰ層の上に夫々配置されている。マイクロストラクチャ型穴アレイ７６２２がＳｉＯ２層７６０４を貫通してエッチングされ及び／又はＰ層７６２６内に部分的にエッチングされる。光が底部から入射する場合には、ビア７６７０をシリコン基板７６０２内へ及びＳｉＯ２層７６０４内へエッチングし、尚ＳｉＯ２層７６０４は部分的に又は完全にエッチングさせることが可能である。１−１０ボルトの逆バイアス電圧を該Ｐ及びＮコンタクトの間に印加させる。
【0133】
幾つかの適用例においては、光はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤの上部及び底部から同時的に入射することが可能である。該光は、同一の又は異なる波長、データレート、極性、及びコヒーレント光学通信用の振幅を有することが可能である。光が上部と底部の両方から入射することの利点はビームスプリッターを使用することの必要性が無く且つ光学パワー損失において３ｄＢ節約することが可能であるということである。
【0134】
図７７は、幾つかの実施例に基づく、ＳｉＮＩＰエピタキシャル層とＰＳｉ基板上のＳｉＧｅＢエッチストップ層とを具備しているＭＳ−ＰＤを示している概略図である。エッチストップ層７７１６はＳｉ０．９９Ｇｅ０．０１Ｂ又はＳｉＧｅにおいて約１％Ｇｅから構成することが可能であり、その場合に、そのバンドギャップは実質的にＳｉと同じであり且つＢドーピングは１×１０２０／ｃｍ３を越えるものである。この高度のＰドーピングはＳｉＰ層７７０６を部分的に又は全体的に置換させる場合がある。これらの層及び厚さは次の通りとすることが可能であり、即ち、ＳｉＰ基板７７０２、厚さが０．１−２μｍのＳｉＧｅＢ層７７１６、Ｐドーピングが２×１０２０／ｃｍ３を越えている０．２μｍ（又は０．１−１μｍの範囲）のＳｉＰ層７７０６、意図的にはドーピングされておらずバックグラウンドドーピングが５×１０１６／ｃｍ３であり且つ幾つかの場合には５×１０１５／ｃｍ３未満であって厚さが２μｍ又は０．５−２．５μｍの範囲内であるＳｉＩ層７７０８、及びドーピングが２×１０１９／ｃｍ３を越えており且つ厚さが０．３μｍ又は０．２−０．５μｍの範囲内であるＮＳｉ層７７１０である。Ｎ及びＰコンタクト７７２８及び７７３０は両方共正面側とすることが可能である。該Ｐコンタクトは、又、コンタクト７７３２におけるように該ＰＳｉの背面側上とすることも可能である。マイクロストラクチャ型穴アレイ７７２２はＳｉＧｅＢのエッチストップ層７７１６へエッチングさせることが可能である。該ＳｉＰ内へ及び／又は該ＳｉＧｅＢ層へメサをエッチングさせて該ＮＩＰ区域、従ってＮＩＰ容量を画定する。Ｐコンタクト７７３０はＰＳｉ層７７０６又はＰＳｉＧｅＢ層７７１６の上に配置させることが可能である。Ｎコンタクト７７２８がＳｉＮ層７７１０上に配置される。該Ｓｉ基板を除去するために、該Ｓｉ及びＳｉＧｅＢに対するものとは異なるエッチングプロセスを使用して、該ＳｉＧｅＢ層まで及び／又は部分的に該ＳｉＧｅＢ層内へビア７７７０をエッチングさせることが可能である。ＳｉＧｅＢ層７７１６もエッチング除去することが可能であり、その場合には、ビア７７７０はＳｉＰ層７７０６まで延在される。更に、ＳｉＰ層７７０６は部分的に又は全体的に該ＳｉＧｅＢ層で置換させることが可能である。そのような場合には、少なくとも０．２乃至０．３μｍのＳｉＧｅＢ層が残存することが望ましい。光は正面及び／又は背面側から入射することが可能である。誘電体が半導体と接触しており厚さが０．５−４μｍの誘電体金属反射器を設けることが可能であり、その場合に、該誘電体はＳＯＧ、ポリイミド、ＳｉＯ２、フッ化カルシウム、又は窒化シリコンとすることが可能であり、それに続いて、正面か又は背面側のいずれかの上にＡｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉ等の金属又は合金を設ける。例えば、該誘電体金属反射器が背面側に配置される場合には、正面側からの光を該吸収用Ｉ層を介して多数回反射させることが可能であり、且つ逆に、該反射器が正面側に配置される場合には、背面側からの光は該吸収用Ｉ層を介して多数回反射させることが可能である。反射器がある場合には、一層薄いＩ層を使用することが可能であり、それは、例えば、１μｍであるか又は反射器が無いＭＳ−ＰＤの厚さの約半分であって、そのことは該ＭＳ−ＰＤに対して一層高いデータレートとさせることが可能である。該ＭＳ−ＰＤの場合に８００−９９０ｎｍの波長範囲を使用することが可能である。幾つかの場合において、該反射器は、単純に、ブラッグミラー等の金属とすることが可能である。更に、光が正面の表面からのみ入射するものであって２回及び／又は多数回の反射が実現されない場合には、ビア７７７０は必要ではない場合がある。
【0135】
図７８は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤ用のＳｉＧｅＢエピタキシャル層上のＧｅ・オン・ＳｉＮＩＰを示している概略図である。マイクロストラクチャ型穴アレイ７８２２がＧｅ層７８１０及び７８０８において且つＳｉＰ層７８０６内へ又はそこまでエッチングされている。エッチストップ層７８１６はＳｉ０．９９Ｇｅ０．０１Ｂ又は約１％のＧｅのＳｉＧｅから構成されており、その場合にバンドギャップはＳｉと実質的に同じであり且つＢドーピングは１×１０２０／ｃｍ３は越えている。この高度のＢドーピングはＳｉＰ層７８０６を部分的に又は全体的に置換させる場合がある。これらの層及び厚さは次の通りとすることが可能であり、即ち、ＳｉＰ基板７８０２、ＳｉＧｅＢ層７８１６は０．１−２μｍの厚さであり、ＳｉＰ層７８０６は０．２μｍ（又は０．１−１μｍの範囲）でありＰドーピングは１×１０１９／ｃｍ３であり、ＧｅＩ層７８０８は意図的にドーピングされておらずバックグランドドーピングが５×１０１６／ｃｍ３未満であって且つ幾つかの場合においては５×１０１５／ｃｍ３未満であり厚さが２μｍ又は０．５−２．５μｍの範囲であり、且つＮＧｅ層７８１０はドーピングが２×１０１９／ｃｍ３を越えるものであって厚さが０．２μｍ又は０．２−０．５μｍの範囲内である。Ｎ及びＰコンタクト７８２８及び７８３０の両方を正面側とすることが可能である。該Ｐコンタクトは、コンタクト７８３２における如く、ＰＳｉ基板上の背面側とすることも可能である。数ｎｍのＧｅバッファー層をＳｉ層とＧｅ層との間に成長させることが可能であり、且つその場合のＧｅバッファー層の成長条件は該ＧｅＩ層の成長条件とは異なっている。ビア７８７０をＳｉ基板７８０２内にエッチングして該ＳｉをＳｉＧｅＢ層７８１６まで除去することが可能である。異なるエッチ条件で、ＳｉＧｅＢ層７８１６を部分的に及び／又は全体的にエッチングすることが可能である。光は正面側又は背面側のいずれかから入射することが可能であり、反射器がある場合には、フォトンはＩ吸収層を介して複数回の通過を行い且つ本装置は一層高いデータレート動作のために一層薄い層を使用することが可能である。何故ならば、電子及び正孔の光発生されたキャリアーの走行時間は一層短いからである。波長範囲は８００乃至１８００ｎｍである。穴直径及びアレイ周期は約３０−１００ｎｍに亘る或る波長範囲に対して最適化させることが可能である。光学信号が正面／上部表面から入射する場合にはビア７８７０は必要ではない場合がある。更に、光学信号が１２００−１７５０の範囲内の波長を有している場合には、これらの波長においてシリコンは殆どトランスペアレント即ち透明であるか又は発生する光学損失は非常に低いので底部照射の場合にはビアが必要ではない場合がある。
【0136】
図７９は、幾つかの実施例に基づく、ＭＳ−ＰＤ用のＧｅ・オン・Ｓｉエピタキシャル構造を示している概略図である。その物質構造は次の通りであり、即ち、ＳｉＮ基板７９０２（又は代替的にＰＳｉ基板上のＮＩＰ構造）、Ｎドーピングが２×１０１９／ｃｍ３を越えている０．２μｍ（又は０．１−１μｍの範囲）のＳｉＮ層７９０６、意図的にはドーピングされておらずバックグランドドーピングが５×１０１６／ｃｍ３未満であり且つ幾つかの場合には５×１０１５／ｃｍ３未満であって厚さが２μｍ又は厚さ範囲が０．５−２．５μｍであるＧｅＩ層７９０８、及びドーピングが２×１０２０／ｃｍ３であり且つ厚さが０．２μｍ又は０．２−０．５μｍの範囲内であるＰＧｅ層７９１０である。Ｐ及びＮコンタクト７９２８及び７９３０は両方共正面側とすることが可能である。マイクロストラクチャ型穴アレイ７９２２をＮＳｉ層７９０６までエッチングするか、部分的にその中へエッチングするか、又はそれを貫通してエッチングする。メサエッチングがＰＩＮ区域及び容量を画定する。Ｎコンタクト７９３０及び７９３２を該ＮＳｉ基板の正面側表面上又は背面側表面上のいずれかに該メサエッチングの後に付着させる。パッシベーションは図示されていないが、Ｋａｎｇ ｅｔ ａｌ．を使用して、非晶質Ｓｉを露出されたＧｅ表面の側壁上に付着させることが可能であり且つ高温でアニールさせることが可能であり、及び／又はＳｉＧｅを露出されたＧｅの側壁上に付着させ且つアニールして漏洩電流を減少させることが可能である。該ＭＳ−ＰＤ及びＭＳ−ＡＰＤにおけるメサ直径は、データレートに依存して、５μｍ乃至１００μｍの範囲とすることが可能である。幾つかの実施例によれば、該メサ直径範囲は３０Ｇｂ／ｓのデータレートの場合に２０−４０μｍである。更に、高結晶品質を確保するために、ＮＳｉ７９０６とＩＧｅ７９０８との間にバッファＧｅ層を使用することが可能である。例えば、Ｋａｎｇ ｅｔ ａｌ．を参照すると良い。正面側から光が入射する場合には、波長は８００−１８００ｎｍの範囲とすることが可能である。好適な範囲においては、該波長は１４５０−１６００ｎｍとすることが可能であり、且つ別の好適な範囲においては、例えば、１２５０−１６００ｎｍとすることが可能である。該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤはデータ通信波長及び遠隔通信波長の両方をカバーすることが可能である。
【0137】
図８０は、幾つかの実施例に基づく、別のＧｅ・オン・Ｓｉエピタキシャル構造を示している概略図である。該ＭＳ−ＰＤは、その物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図７９に図示し且つそれについて説明したものと同様又は同一であるが、それは０．２乃至４μｍの厚さの埋込酸化物層８００４を具備するＳｉＢＯＸウエハ上に成長されることが異なっている。マイクロストラクチャ型穴アレイ８０２２をＮＳｉ層７９０６までエッチングし且つＮＳｉ層７９０６内へ又はそれまで又はＳｉＯ２層８００４までエッチングさせることが可能である。メサエッチングがＰＩＮ容量を画定し且つ該ＭＳ−ＰＤ／ＭＳ−ＡＰＤ用のメサ直径は該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤのデータレート帯域幅に依存して５−１００μｍの範囲である。２０−５０μｍのメサ直径が２０−３５Ｇｂ／ｓのデータレート帯域幅に対して好適である。光は前部表面又は後部表面から入射することが可能である。１１００ｎｍを越える波長において、Ｓｉの光学損失は非常に低く且つ該Ｓｉ基板は、例えば、レンズ又はグレーチングをエッチングするために使用することが可能である。ＳｉＯ２を全体的に又は部分的に除去するためにビア８０７０をエッチングすることが可能である。ビア８０７０は、光及び／又はファイバーを、例えば、該ＭＳ−ＰＤへ案内するために使用することが可能である。ビア８０７０内に反射器８０７０を付着させることが可能であり、その場合に、正面側からの光が該反射器で跳ね返り且つＩＧｅ吸収領域７９０８を複数回横断するように該ＳｉＯ２は完全には除去しないか又は全く除去することはない。反射器が正面側か又は背面側のいずれかにある場合、ＩＧｅ７９０８は一層薄く、例えば１μｍとすることが可能であり、そのことは電子正孔走行時間を減少させ且つ該ＭＳ−ＰＤ／ＭＳ−ＡＰＤのデータレート帯域幅を増加させる。波長は８００−１８００ｎｍの範囲とすることが可能であり、それはデータ通信及び遠隔通信波長範囲の両方をカバーしている。連続的なＮＳｉ層７９０６の場合、例えば該ＳｉＯ２層が完全にエッチングされている場合には、該ＮＳｉの底部表面へ反射防止コーティングを付与することが可能である。
【0138】
図８１は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・Ｓｉエピタキシャル構造を示している概略図である。該ＭＳ−ＰＤは、その物質構造の厚さ及びドーピングを含んで、図７９−８０に図示し且つそれらについて説明したものと同様であるか又は同一であるが、ビア８１７０がＳｉＯ２ＢＯＸ層８００４へエッチングされており且つ２−４μｍの厚さ又は０．２−６μｍの範囲の該ＳｉＯ２を部分的にエッチングするか、完全にエッチングするか、又はエッチングしないものとすることが可能であることが異なっている。更に、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｒ，Ａｌ等の物質からなる反射器８１７２を形成することが可能である。該反射器８１７２は、又、ブロードバンド、ナローバンド、又はパスバンドブラッグ反射器とすることが可能である。注意すべきことであるが、反射器８１７２が誘電体である場合には、それは、該ＳｉＯ２層をエッチング除去して、ＮＳｉ層７９０６上に直接的に付着させることも可能である。ＩＧｅ層７９０８を介しての１回目の通過で吸収されなかった正面側から入射する光は、該ＩＧｅ吸収層を介して複数回通過するために該ＩＧｅ層へ反射して戻すことが可能である。該ＩＧｅ層は一層薄く、例えば１μｍ、することが可能であり、そのことは該ＩＧｅ層においての電子及び正孔に対する走行時間を一層短いものとさせる。このことは該ＭＳ−ＰＤ／ＭＳ−ＡＰＤのデータレート帯域幅を増加させる。
【0139】
図８２Ａ−８２Ｃは、図７９に図示した構造に類似したＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型フォトダイオードに関しての有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）を使用してのシミュレーションに関するものである。図８２Ａは、シミュレーションを行ったＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型フォトダイオードを示している概略図である。その穴パターンは正方形格子パターンである。穴周期と穴直径との２つの組合せについてシミュレーションを行っており、即ち２５００ｎｍの穴周期と１５００ｎｍの直径、及び２３００ｎｍの穴周期と１３００ｎｍの直径である。図８２Ｂ及び８２Ｃにおいて、水平軸はμｍでの波長であり且つ垂直軸は吸収であってそれは量子効率に直接的に関係している。各場合において、穴の正方形格子パターンをシミュレーションしている。図８２Ｂにおいて、８００ｎｍ乃至１０００ｎｍの範囲の波長を有する光学信号に対して、曲線８２１０は２３００ｎｍの穴周期及び１３００ｎｍの直径に対しての吸収のプロットであり、且つ曲線８２１２は２５００ｎｍの穴周期及び１５００ｎｍの直径に対しての吸収のプロットである。図８２Ｃにおいて、１０００ｎｍ乃至１８００ｎｍの範囲の波長を有する光学信号に対して、曲線８２２０は２３００ｎｍの穴周期及び１３００ｎｍの直径に対しての吸収のプロットであり且つ曲線８２２２は２５００ｎｍの穴周期及び１５００ｎｍの直径に対しての吸収のプロットである。０．８乃至０．９８μｍの波長範囲に対して０．４（フォトンの４０％を吸収）を越えるものから高々０．９（フォトンの９０％を吸収）を越えるものまでの吸収が判別された。０．５より大きな吸収は１．５５μｍに対して見られ且つＧｅの約２μｍの吸収層に対して１．８μｍへ延在している。これはマイクロストラクチャの無い２μｍ厚さの同等のＧｅ層よりも著しく一層大きく、特に１５５０ｎｍ及びそれより一層長い波長においてそうである。
【0140】
図８３Ａ−８３Ｃは、図８０における構造に類似したＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型フォトダイオードに関して有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）を使用したシミュレーションに関するものである。図８３Ａは、上部表面から入射する光でシミュレーションを行ったＧｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型フォトダイオードを示している概略図である。図８３Ｂ及び８３Ｃのグラフにおいて、水平軸はμｍでの波長であり且つ垂直軸は吸収であって、それは２５００ｎｍの周期及び１５００ｎｍの直径（曲線８３１２及び８３２２）と２３００ｎｍの周期及び１３００ｎｍの直径（曲線８３１０及び８３２２）を有する複数の穴の正方形格子に対する量子効率に直接的に関係している。０．７より大きな吸収（フォトンの７０％を吸収）が１．５５μｍに対して見られ且つＧｅの約２μｍの吸収層に対して０．５吸収（フォトンの５０％を吸収）よりも良い状態で１．８μｍへ延在している。このことは、例えば、１６５０ｎｍ及びそれより長い波長において２μｍ厚さを有するＩｎＰと格子整合された同等のＩｎＧａＡｓ層よりも著しく一層大きい。
【0141】
図８４Ａ及び８４Ｂは、Ｇｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型フォトダイオードに関して有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）を使用したシミュレーションの結果を示している。シミュレーションした構造は図８２Ａに示されている。図８４Ａ及び８４Ｂにおいて、グラフの水平軸はμｍ単位での波長であり且つ垂直軸は吸収であって、それは該穴アレイに対しての正方形及び六角形の両方の格子に対する量子効率に直接関係している。図８４Ａは、２３００ｎｍの周期及び１３００ｎｍの穴直径を有する正方形格子（曲線８４１０）及び六角形格子（曲線８４１２）の両方を示している。０．９（フォトンの９０％を吸収）より大きな吸収が、５０ｎｍ波長スパンにわたって吸収が１０％未満だけ変化している領域と共に１．５５μｍ波長に対して示されている。図８４Ｂは、２５００ｎｍの周期で１５００ｎｍの直径に対しての正方形（曲線８４２０）及び六角形（曲線８４２２）の格子の両方を示しており、それは１．５５μｍにおいて０．７の吸収を示している。全体的に、六角形格子は正方形格子よりも一層良好なフォトン吸収を示している。或る波長範囲においての吸収を改良又は最適化させるために周期及び穴直径、穴形状及び格子のその他の組合せを使用することが可能である。
【0142】
図８５は、幾つかの実施例に基づく、縮尺通りではないが、マイクロストラクチャ型フォトダイオードチップの概略平面図を示している。チップ８５６０の近似的な寸法は３５０μｍ×３００μｍ×１５０μｍである。メサエッジ８５６２によって画定されるメサは３０μｍの直径を有している。該メサはＮＩＰ又はＰＩＮ接合容量を画定する。該メサの上部には上部表面８５１０が見えており（例えば、ＮＩＰＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを取るＮ層）、マイクロストラクチャ型穴８５２２も見えている。該メサの外側エッジ近くにはＮオーミックコンタクトリング８５２８（ＮＩＰＭＳ−ＰＤを取る）がある。該メサの外側にはＰオーミックコンタクトリング８５３０がある。Ｎボンドパッド８５８０がブリッジ相互接続８５８２によってＮオーミックコンタクト８５２８へ電気的に接続されている。同様に、Ｐボンドパッド８５９０が相互接続８５９２によってＰオーミックコンタクトへ接続されている。幾つかの実施例によれば、ブリッジ相互接続８５８２と区域８５０６（Ｐ層表面である場合がある）との間の不所望の短絡は、それらの間に付着されたポリイミド等の絶縁体を使用して防止されている。注意すべきことであるが、上述した説明は、Ｎ及びＰ層及びコンタクトが逆にされる場合に、ＰＩＮ配置型ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤに対しても適用可能である。
【0143】
幾つかの実施例によれば、ＢＯＸＳｉウエハ上のＮＩＰＭＳ−ＰＤ構造の基本的な製造ステップの簡単な処理フローは、（１）マスクし且つＳｉＯ２層への穴アレイ８５２２をエッチングし、（２）マスクし且つＮ層８５１０上にＮオーミックコンタクト金属リング８５２８を付着させ、（３）マスクし且つ接合容量を画定するメサをエッチングし、Ｐ層８５０６へエッチングし、（４）マスクし且つＳｉＯ２へＰメサをエッチングし、（５）マスクし且つＰ層８５０６上にＰオーミックコンタクト金属８５３０を付着させ、（６）ボンドパッド８５８０によってＮオーミックリング８５２８へのコンタクト用のポリイミドブリッジをマスクし、（７）マスクし且つ夫々Ｐオーミック及びＮオーミックの両方に対してのボンドパッド８５９０及び８５８０を付着させる、ことからなる場合がある。接合及びボンドパッド容量は並列であり、従って、加法型であるので、該ボンドパッドは約１００×１００μｍ２でＮオーミックリング８５２８とコンタクトしている。ＲＣ時定数は全接合、パッド、フリンジ容量によって決定される。上記したプロセスから削除したものは、パッシベーション、アニール、キュア、反射防止、薄層化（thinning）、背面側メタリゼーション、ダイシング等である。ＮＩＰ／ＰＩＮメサ直径は１０乃至１００μｍの範囲とすることが可能であり、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤは従来のＰＤ／ＡＰＤと比較してメサにおける半導体物質はより少ないので、容量はより少なく、従って従来のＰＤ／ＡＰＤと比較して同じデータレート帯域幅に対して一層大きな面積のメサ（又は等価的に一層大きな感光性面積）を有することが可能であり、従ってＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ内への光学信号のアライメントは一層大きな誤差余裕を有しており、そのことはパッケージングにおいて一層コストを低下させることとなる。図５６及び図５７から、正方形穴格子で２０００ｎｍの周期及び１３００ｎｍの直径の穴の場合、その容量は、穴が無いが同じ直径のメサでＩ層の厚さで、フリンジ容量を無視した場合の同等の構造のものよりも約３０％一層少ない。周期が２０００ｎｍで穴直径が１３００ｎｍである六角形格子穴の場合、該ＭＳ−ＰＤの面積は穴が無いＰＤの場合よりも約３５％一層大きい場合がある。その他の格子、周期、及び穴直径、吸収向上のためではないが容量減少のための穴、は容量を減少させるため、及び／又は、例えば、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ構造における吸収を増加させるか又は最適化させるために使用することも可能である。幾つかの実施例によれば、複数の周期及び／又は複数の穴直径を使用することも可能である。更に、非周期的に離隔させた穴を使用することも可能である。
【0144】
図８６は、単一チップ上に相互インピーダンス増幅器及び／又はその他のエレクトロニクスと共に集積化させたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを示している概略平面図である。単一シリコンチップ８６００上に、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ８６６０が相互接続線８６９２を使用してＴＩＡ又はその他のエレクトロニクス８６９０へ接続して示されている。図８５は、更なる信号処理及び送信のために電気信号を他の電子部品へ送信するためにボンドパッドを必要とするスタンドアローンＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤを示しているが、図８６は、単一チップに集積化されたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ及びエレクトロニクスを示している。ボンドパッドは不所望の容量を付加し、且つこの容量は、接合容量と共に、ＭＳ−ＰＤのデータレート帯域幅を計算するために使用される。例えば、２０ＧＨｚ（又は約３０Ｇｂ／ｓ）の帯域幅を有するＲＣ時間は約０．１６ｐＦの容量と５０Ωの負荷抵抗とである。２μｍＩ層を有する３０μｍ直径のＳｉＰＩＮＰＤは、Ｉ層が逆バイアス電圧によって完全に空乏化された状態で３７フェムトファラッド（ｆＦ）の接合容量を有している。このことは、２μｍのポリイミドの上に９０μｍ×９０μｍのボンドパッドを可能とさせて約０．２ｐＦの全容量を与える。該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤをＴＩＡ及び／又はエレクトロニクスと集積化させるとすると、ボンドパッドは最早使用されることは無く且つ該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤから該ＴＩＡ及び／又はエレクトロニクスへの送信線の容量を無視すると、該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ容量は０．１６ｐＦとなることが可能であり、そのことは、ＭＳ−ＰＤの場合、スタンドアローン装置に対する直径において３０μｍであるのと比較して、直径において約６０μｍの装置となる。この面積における増加は、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤに対する光学ビームのアライメント誤差における余裕を一層大きなものとさせ且つパッケージングにおけるコストを一層低下させることとなる。寄生容量を含むと、ＭＳ−ＰＤの直径はスタンドアローンＭＳ―ＰＤの３０μｍよりも著しく一層大きく、且つ、例えば、４０μｍよりも大きい場合があり、且つ幾つかの場合においては、直径において５０μｍよりも一層大きい場合がある。
【0145】
注意すべきことであるが、本特許明細書に記載されるように、光の波長とほぼ同じ（多かれ少なかれ）直径を有するマイクロストラクチャ型穴アレイ（又は柱体）は、マイクロストラクチャ型穴アレイ（又は柱体）を有することの無い同様の物質のものよりも、フォトンの吸収を向上させる。例えば、ＳｉＰＩＮＰＤが数十Ｇｂ／ｓで動作するためには、Ｉ層の厚さは必ず約２μｍの程度でなければならず、そうでない場合には、光発生されたキャリアである電子及び正孔の走行時間が数十Ｇｂ／ｓのデータレート帯域幅を達成し尚且つ８５０ｎｍ、或る場合には８８０ｎｍ、そして或る場合には９８０ｎｍの公称波長において約２０％を越える、幾つかの場合には４０％を超える十分な量子効率を有するためには長過ぎるものとなる。このことは、単一の周期及び直径で、及び／又は複数の周期及び直径でのいずれかによって、マイクロストラクチャ型穴アレイ（又は柱体）を使用する本書に記載した技術で可能とされる。該穴及び／又は複数の穴（柱体及び／又は複数の柱体）は周期的及び／又は非周期的なものとすることが可能であり、且つ該マイクロストラクチャが吸収及び／又はエミッション（emission）を向上させるためには円形以外の断面形状を有することが可能である。該マイクロストラクチャ型穴アレイ（又は柱体）が存在しない場合には、該２μｍ又はそれ未満の厚さのＳｉ層は９００ｎｍフォトンの約５％を吸収し、一方、マイクロストラクチャ型穴アレイ又は柱体が存在する場合には、２０％を超えて吸収させることが可能であり、幾つかの場合においては、３０％を越えるものである。更に幾つかのその他の場合においては、９００ｎｍ波長のフォトンにおいて４０％、５０％、及び８０％を越えることが可能である。
【0146】
このことはＧｅ・オン・Ｓｉの場合でも同じであり、この特許明細書を使用することによって、例えば、１５５０ｎｍ、且つ幾つかの場合においては１６００ｎｍ及び幾つかの場合においては１７００−１８００ｎｍの波長において数十Ｇｂ／ｓデータレート帯域幅を達成することが可能である。
【0147】
既知のナノワイヤーフォトダイオードにおいては、数十Ｇｂ／ｓの高データレート帯域幅に対する約２μｍ又はそれ未満の薄い層が同等のバルク層のものを越えるというような吸収の向上は存在しない。例えば、バンドギャップよりも大きな波長における２μｍ長さのＩｎＰナノワイヤーと２μｍバルクＩｎＰとはほぼ同等であり、ＩｎＰナノワイヤーの利点は反射を減少させることのみにある。
【0148】
図８７は、何らマイクロストラクチャが存在しない単純なエピタキシャル構造を示している。図８７の構造は、８００−８８０ｎｍの波長範囲を有する入射フォトンの吸収に関して、穴アレイ等のマイクロストラクチャを有する同様のエピタキシャル構造と比較するために使用される。ＦＤＴＤ（有限差分時間領域）を使用するシミュレーション目的のために、Ｐ及びＮコンタクト、メサエッチング、パッシベーション、平坦化、及び完全なフォトダイオードを製造するためのその他のプロセス無しで、マイクロストラクチャを有する構造と有さない構造のみが示される。ケース１におけるエピタキシャル構造は、ドーピングされており且つ約１５０μｍへ薄膜化されたシリコン基板Ｐ８７０２上に成長され、その第１層は約０．２μｍの厚さでボロンを使用して１×１０２０／ｃｍ３を越えてドーピングされているＳｉＰ層８７０６であり、次いで約２μｍの厚さで意図的にはドーピングされておらず且つドーピングレベルが５×１０１６／ｃｍ３未満であるＳｉイントリンシック層８７０８であり、次いで約０．３μｍの厚さで燐ドーパントでのドーピングが１×１０１９／ｃｍ３を越えているＳｉＮ層８７１０である。
【0149】
図８８は、何らマイクロストラクチャが存在しない別の単純なエピタキシャル構造を示している。図８８の構造は、８００−８８０ｎｍの波長範囲での入射フォトンの吸収に関して穴アレイ等のマイクロストラクチャを有する同様のエピタキシャル構造と比較するために使用する。ＦＤＴＤ（有限差分時間領域）を使用するシミュレーション目的のために、Ｐ及びＮコンタクト、メサエッチング、パッシベーション、平坦化、及び完全なフォトダイオードを製造するためのその他のプロセス無しで、マイクロストラクチャを有する構造と有さない構造のみが示される。ケース２におけるエピタキシャル構造は、２μｍの埋込酸化物（ＢＯＸ）層８８０４を具備するシリコン基板８８０２上に成長され、該ＢＯＸ層上には約０．１μｍの厚さでボロンを使用したドーピングが１×１０２０／ｃｍ３を越えているＳｉＰ層８８０６であり、次いでＰドーピングが１×１０２０／ｃｍ３を越えているＳｉＧｅＢ（Ｓｉ０．９８Ｇｅ０．０１Ｂ０．０１）層８８１６であり、次いで約２μｍの厚さで意図的にドーピングされておらずドーピングレベルが５×１０１６／ｃｍ３未満であるＳｉイントリンシック層８８０８であり、次いで約０．３μｍの厚さで燐ドーパントで１×１０１９／ｃｍ３を越えてドーピングされているＳｉＮ層８８１０である。ケース１及びケース２の両方に対してフォトンは、シミュレーション研究のために、上部表面即ちＳｉＮエピタキシャル層（８７１０及び８８１０）を有する表面から入射する。
【0150】
図８９は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型穴アレイが該ＳｉＰエピタキシャル層までエッチングされていること以外は図８７におけるものと同じエピタキシャル構造を示している。このケース３においては、穴８９２２は１５００ｎｍの直径及び正方形格子アレイにおいて２０００ｎｍの周期を有している。８００−８８０ｎｍの波長を有するフォトンが上部表面即ちＳｉＮエピタキシャル層８７１０上に入射する。該Ｎ及びＰ層／基板は或る適用例においては交換させることが可能であり、その吸収結果はほぼ同じである。
【0151】
図９０は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型穴アレイが該ＢＯＸＳｉＯ２層へエッチングされていること以外図８８におけるものと同じであるエピタキシャル構造を示している。このケース４においては、穴９０２２は１５００ｎｍの直径及び正方形格子アレイにおいて２０００ｎｍの周期を有している。８００−８８０ｎｍの波長を有するフォトンが上部表面即ちＳｉＮエピタキシャル層８８１０上に入射する。該Ｎ及びＰ層／基板は或る適用例においては交換可能であり且つその吸収結果はほぼ同じである。
【0152】
更に、該穴は該エッチストップ層ＳｉＧｅＢ８８１６までエッチングさせることが可能である。エッチストップ層８８１６は高度にＰドーピングされており且つＰ層とエッチストップ層とが処理において所望される場合の層構造において使用することが可能であり、このことはフォトダイオード及びアバランシェフォトダイオード構造を包含している。
【0153】
図９１Ａ−９１Ｂは、図８７−９０に図示した例示的構造に対するシミュレーションの結果を示しているプロットである。図９１Ａはケース１−４（夫々、図８７−９０）の比較を示しており、その場合に、ＦＤＴＤシミュレーションを使用して８００−９００ｎｍにわたって示した波長に対しての各ケースにおける「Ｉ」Ｓｉイントリンシック層に起因する吸収を計算している。各ケースにおいて、フォトンは上部表面即ちＮＳｉエピタキシャル表面へ入射している（図８７−９０における層８７１０及び８８１０）。該「Ｉ」層以外のその他の層に起因する吸収は包含されていない。曲線９１１０，９１１２，９１１４，９１１６は、ケース１，２，３，４（図８７，８８，８９．９０に示してある）に対する結果を夫々示している。ケース１及び２においては、マイクロストラクチャは存在しておらず、該Ｉ層における吸収は４０％未満である。そのことは、入射フォトンの内の４０％が吸収されたことを意味している。ケース１においては、それは１５％未満であり、且つケース２においては、例えば８０５ｎｍの或る波長において、それは丁度４０％未満とすることが可能であり且つ一層長い波長の８８０ｎｍ及び８５０ｎｍにおいて２０％未満へ減少し且つ８８５ｎｍにおいては１０％未満である。吸収は量子効率に直接比例している。何故ならば、フォトンが吸収され且つ電子及び正孔へ変換されそれらの電子及び正孔が「Ｉ」領域を空乏化させるバイアス電圧の下で該「Ｉ」領域の外へ掃引される前に再結合しない場合には、これらの光発生されＮ及びＰ領域へ夫々掃引された電子及び正孔は光電流に寄与するからである。直径が１５００ｎｍで正方形格子における周期が２０００ｎｍであるマイクロストラクチャ型穴を包含しているケース３及び４において、或る波長においては１００％に近い吸収レベルが見られている。ケース３及び４の両方において、８００乃至９００ｎｍの波長において吸収は４０％よりも大きい。８００−８５０ｎｍの範囲において、それは約７０％よりも大きい吸収である。そして、ケース４においては、８８０乃至９００ｎｍにおいてその吸収は７０％よりも良い。ケース４での８５５ｎｍにおいては、吸収は９５％を越えており、それは１０％未満であるケース２と対比される。マイクロストラクチャの場合における「Ｉ」層においての吸収百分率は、穴直径、周期、及び／又は格子を変化させる、例えば正方形格子から六角形格子へ、ことによって或る波長において高吸収のために増加又は最適化させることが可能である。
【0154】
本書に記載する如きマイクロストラクチャを具備するシリコンＰＩＮフォトダイオードの場合に、波長が３００Ｋにおける１．１１ｅＶのシリコンバンドギャップ、即ち約１１１７ｎｍに近づく場合に吸収は必ずしも減少するものではないことが判明した。それと比較して、マイクロストラクチャの無いＰＩＮ（又はＮＩＰ）フォトダイオードの場合、波長が１１１７ｎｍに近づくにつれて吸収は減少する。このことは、光学損失が減少するにつれてマイクロストラクチャの共振及び／又は結合共振のＱ（品質係数）が増加し、従ってフォトンが該マイクロストラクチャ内を行ったり来たりして跳ね返ることによりより多くの時間にわたり滞在し、その結果、波長が１１１７ｎｍに近づく場合でも５０％を超える場合がある吸収となっていることに起因しているものと考えられる。該マイクロストラクチャ内の屈折率差は実効指数で表すことが可能である。例えば、該穴はシリコン物質を取り除き且つ、例えば、空気で置換されるので、穴を具備する該領域の実効指数、即ち実効屈折率は、穴が無い場合の該領域の屈折率未満である。単純な評価は屈折率の平均であるが、例えば、該穴が穴を具備する該領域におけるシリコンの半分を除去する場合には、該穴が空気で充填されるものと仮定すると、その実効屈折率は約（１＋３．４４）／２＝２．２２であり、その場合にバルクＳｉの屈折率は１０００ｎｍの波長において約３．４４である。従って、穴を具備しており且つ穴を具備していない該領域は、ほぼ１．２２の屈折率不連続性、即ち約３５％の屈折率変化、を見ることとなる。この屈折率における不連続性は、光学損失が低い場合に１，０００，０００又はそれ以上に近づく場合があるＱを有する高コントラストグレーチングとなる場合がある。このことはマイクロストラクチャ型フォトダイオード及び／又はアバランシェフォトダイオードにおける吸収の向上を説明することが可能である。フォトンが該フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードの走行時間及びＲＣ時間である特性時間に近づく時間の間該マイクロストラクチャ内に滞在する場合には、そのことはＰＤ／ＡＰＤのデータレート帯域幅に悪影響を与え始める。しかしながら、データレート帯域幅が低い場合には、一層高いＱを許容することが可能である。該Ｑ係数は、格納されたエネルギー／サイクル当たりのエネルギー損失に比例するものとして定義される。これは該マイクロストラクチャにおける吸収向上に対する蓋然性のある説明である。該マイクロストラクチャは格子から構成されており、従って各々がその組の共振を有しており且つ密接に結合されている多数の単位セル又はセルから構成されている。単一共振器であるのでその共振はシャープなピークや谷であり且つ周期的な波動関数である単一の共振特性のみを示す従来既知の共振フォトダイオードとは異なり、結合共振セルを具備するマイクロストラクチャは、吸収がゆっくりと変化する、例えば、或る波長範囲、例えば５０−１００ｎｍ、に亘って１０％未満だけ変化する波長に対する吸収における領域、及び非周期的な波動関数を有している。該マイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤは複数個の共振の総和を有しており、従って従来既知の共振フォトダイオードと比較してそれほど際立っていないピーク及び谷を有している。非周期的な穴は、又、それ自身が非周期的であり且つ隣接する隣のセルと結合することが可能な共振セルを有することが可能であり、それは吸収及び／又はエミッションを向上させることが可能な結合型共振構造とさせる。
【0155】
概算見積もりとして、該特性時間は約２０ＧＨｚ３ｄＢ帯域幅に対して約２０ｐｓである。２０ｐｓにおいて、光はシリコン内を約２０００μｍ走行し、そのことは、光が２μｍマイクロストラクチャ内で約１０００回バウンスすることが可能であり、従って２μｍ厚さの「Ｉ」層は同等の光学長において２０００μｍの厚さとすることが可能であることを意味しており、従って、本特許明細書において記載するマイクロストラクチャにおいては、光は一層多くのバウンスを行い且つバルク吸収係数を上回わって向上されており且つ近似的に実効吸収＝バルク吸収×マイクロストラクチャ内のバウンス数として書くことが可能な実効吸収を与えることが可能である。光が該マイクロストラクチャ内において費やす時間は光学的走行時間と呼称され、それは該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤに対する別の基本的な時間である。これら３つの基本的な時間、即ちＲＣ時間、走行時間、及び光学的走行時間を夫々二乗したものの和は全時間を二乗したものを与える。例えば、Ｔ（全時間）２＝Ｔ（ＲＣ時間）２＋Ｔ（走行時間）２＋Ｔ（光学的走行時間）２であり、２０ＧＨｚの場合には、全時間は２０ｐｓとなる場合があり、且つ簡単化のために、ＲＣ時間、走行時間、及び光学的走行時間は全て同じであると仮定すると、各時間は約１１．５ｐｓに過ぎない場合がある。光学的走行時間に対する１１．５ｐｓは約１０００μｍの等価な光学長へ変換され、即ち、３つの基本的な時間の全てが等しいと仮定した場合に、該光学的走行時間が１１．５ｐｓよりも長い場合にそれがＭＳ−ＰＤの帯域幅を劣化させることを開始する前に、該向上された実効吸収長は１０００μｍ又はほぼ２５０のＱである場合がある。
【0156】
図９１Ｂは、マイクロストラクチャ型穴アレイが異なる深さにエッチングされた場合の図９０（ケース４）におけるエピタキシャル構造を示している。曲線９１２０は、穴がＳｉＯ２層８８０４へエッチングされた場合の８００乃至９００ｎｍの波長の関数としての「Ｉ」Ｓｉ層における吸収を示している。曲線９１２２は、ＳｉＧｅＢ層８８１６へエッチングした穴について波長に対する吸収を示している。両方の場合に、光は上部表面即ちＳｉＮ表面８８１０から入射する。ピーク及び谷がシフトしているが、８００−９００の範囲における殆どの波長において該ＳｉＯ２層への全体的なエッチングは、該ＳｉＧｅＢ層への穴のエッチングよりも良好である。
【0157】
図９２は、幾つかの実施例に基づいて、穴をシリコン内へエッチングした場合のシリコンにおけるマイクロストラクチャ型領域を示している概略図である。その例示的な構造は、ＳｉＰ基板９２０２、ＳｉＰ層９２０６、ＳｉＩ層９２０８及びＳｉＮ層９２１０を包含しており、それら全ての厚さ及びドーピングレベルは図示した如くである。穴９２２２が約２．３μｍの深さへエッチングされており且つ１５００ｎｍの直径及び正方形格子において２０００ｎｍの周期を有している。概略点線の円９２８０で示した該穴が存在する領域は、実効屈折率ｎ１を有しており、それは１０００ｎｍ波長で３００Ｋにおいて約３．４４であるバルクＳｉの屈折率よりも小さい。これは、該エッチングした領域は空気、真空にあるか、又はシリコンの屈折率よりも低い屈折率を有するポリイミド等の物質で充填されていることを前提としている。該マイクロストラクチャに対して上述した寸法に対して、穴を具備する該領域における実効屈折率は近似的に空気部分０．４４×１＋Ｓｉ部分０．５６×３．４４によって与えられ、それは約２．３６である。例えば、上部表面９２１０に入射するフォトンは、該マイクロストラクチャ内にトラップされ且つ該２つの屈折率不連続部の間でバウンス即ち跳ね返る。一方の不連続部は空気とマイクロストラクチャとの間の界面であり、そこでの屈折率差は約１．３６であり、且つ他方の不連続部はマイクロストラクチャとシリコンとの間の界面であって、そこでの屈折率差は約１．０７である。この屈折率差は該マイクロストラクチャを損失性高コントラストグレーチングとみなすことを可能としており、そのことは観測される吸収の向上を説明することが可能である。
【0158】
図９３は、幾つかの実施例に基づいて、テーパー付き穴を具備するＭＳ−ＰＤ構造を示している概略図である。テーパーの付いた漏斗形状の穴９３２２は実効屈折率ｎ１において次第に変化しており、それは穴の直径において著しい変化が無いが領域１におけるよりも一層小さい直径で、例えば、実効屈折率ｎ２を有している領域に対するものよりも一層小さく、その場合に、単にそこでのシリコン物質がより少ないという事実に起因して、領域１における実効屈折率は領域２における実効屈折率よりも一層小さい。領域１において、表面近くの実効屈折率は６０％又はそれ以上のボイド（空気又は例えばポリイミド等の低屈折率物質）と４０％又はそれ以下のシリコンとすることが可能であり、そのことは該上部表面（この場合にはＳｉＮ層）へ垂直に入射するフォトンに対して一層低い反射とさせる。垂直からずれて入射するフォトンにおいては、その反射は更に低いものとなる場合がある。更なる例として、該表面近くにおいて該穴が９０％又はそれ以上を占有し且つＳｉが１０％又はそれ以下を占有する場合には、垂直入射フォトンに対してのフレネル反射は１％又はそれ以下である場合がある。該穴の直径は深さに関して次第に減少しているので、領域１における実効屈折率は次第に変化する。図示例は漏斗であるが、それは、例えば、単に２つの別個の穴直径でのステップ即ち段差とするか、又は段差が該表面から遠ざかるに従い各段差直径が一層小さくなる複数個の穴直径での複数の段差とすることが可能である。
【0159】
図９４は、幾つかの実施例に基づいて、次第にテーパーが付いた穴を具備しているＭＳ−ＰＤ構造を示している概略図である。穴の全長にわたり延在している漸次的漏斗形状を有する穴９４２２で別の形態が図示されている。その実効屈折率も深さの関数として次第に増加する。幾つかの実施例によれば、穴は複数の直径、周期、及び／又は異なる漏斗形状を有する擬似ランダム又はランダム穴で設けることが可能である。種々の穴パラメータは或る波長帯域において吸収特性を改善するか又は最適化させるために使用することが可能である。幾つかの実施例によれば、穴９４２２は各段差が異なる直径を有している一連の段差を設けることが可能である。これらの段差は均一の間隔とさせるか及び／又は不均一の間隔とさせることが可能である。それらの間隔は、波長の特定の帯域において吸収特性を改善させるか又は最適化させるために、例えば、フィルター又は結合型共振器等を形成するために、四分の一波長、半波長、又は四分の一波長及び半波長の倍数とすることが可能である。光学的発光体の場合、該穴又は柱体の直径におけるこの様な段差は、例えば、利得媒体との光波のオーバーラップを改善させることが可能である。幾つかの実施例によれば、穴９４２２の漏斗形状は任意の形状を有することが可能である。例えば、Ｖ形状とすることが可能であり且つ空気・穴界面においての及び穴・シリコン界面においての実効屈折率は反射及び吸収特性又はエミッション特性における向上のために最適化させることが可能である。
【0160】
該マイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤと関連する吸収向上に対する別の説明は、該マイクロストラクチャはメタマテリアルであり且つブロードバンド吸収体として振舞うことが可能である。例えば、G. Dayal et al.「ＩＴＯを接地面として使用した可視透過性のブロードバンド赤外メタマテリアル吸収体（Broadband infrared metamaterial absorber with visible transparency using ITO as ground plane）」、オプティックスエクスプレス（OPTICS EXPRESS）、15104 June 2014、N Lie et al.「赤外完全吸収体及びそのプラズモニックセンサーとしての適用（Infrared Perfect Absorber and Its Application As Plasmonic Sensor）」、ナノレター（Nano Lett.）、2010,10,2342-2348、及びL. Meng et al.「近赤外波長における極性感応性完全吸収体（Polarization-sensitive perfect absorbers at nea-infrared wavelengths）」、オプティックスエクスプレス（OPTICS EXPRESS）、A111 Dec 2012（以後、「Ｍｅｎｇ ｅｔ ａｌ．」と呼称）を参照すると良く、これら全ての文献は引用により本書に取り込む。
【0161】
例えば、Ｍｅｎｇ ｅｔ ａｌ．において、複数の溝がクロスバーパターンで交差される場合、吸収は極性独立性である。長尺溝の代わりに、本書において記載するように、Ｍｅｎｇ ｅｔ ａｌ．におけるＡｕはシリコン及び／又はゲルマニウム等の半導体で置換されており、且つ穴／溝はボイドであってそれは空気、気体、真空、ポリイミド、及び／又は該穴を部分的に又は完全に被覆する任意の誘電体とすることが可能である。特に、Ｍｅｎｇ ｅｔ ａｌ．の図１１においては、その構造がクロスバーである場合には、Ａｕ基板上に誘電体の正方形アレイが存在している。幾つかの実施例によれば、Ａｕは、半導体及び空気、気体、又は二酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化カルシウム、スピン・オン・ガラス、ポリイミド、又はパッシベーション誘電体などの誘電体物質で充填されている穴を具備している誘電体で置換されている。Ｍｅｎｇ ｅｔ ａｌ．における図１１も波長に対する吸収を示している。
【0162】
高コントラストグレーチングは或るクラスのメタマテリアルと考えることが可能である。このことは、その他の効果と共に、観察された吸収向上を説明することが可能な場合がある。その他の効果は、プラズモン、非線形、サブ波長及び近波長効果、フォトニック結晶、遅波、結合型共振、干渉、フィールド向上、及び損失を伴う共振を包含している。
【0163】
図９５は、幾つかの実施例に基づいて、異なる直径のマイクロストラクチャ型穴を具備している物質構造を示している概略図である。穴９５２２及び９５２４は異なる直径を有している。周期が近似的に同じである場合には、より小さな直径の穴はより大きな直径の穴よりも除去するシリコン物質は一層少ない。より小さな直径の複数の穴９５２２からなるアレイの実効屈折率は実効屈折率ｎ１であり、且つこれらの穴はＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤの中心近くにクラスター即ち集めることが可能である。一層大きな直径の複数の穴９５２４からなるアレイは実効屈折率ｎ２を有しており、該一層小さな直径の穴の周りにクラスターすることが可能である（例えば、リング形状パターンで）。一層大きな直径の穴９５２４におけるよりも一層小さな直径の穴９５２２において除去される物資は一層少ないので、例えば、ｎ１はｎ２よりも一層大きい。光はｎ１領域内に案内され、従って光が該穴・シリコン（この例においてはＰシリコン）界面と該穴・空気界面との間で行ったり来たりバウンスする場合に、例えば回折に起因して失われる光は最小である。更に、メサエッチングは該Ｎシリコン層及び領域９５３０における「Ｉ」シリコン層の全部ではないにしても殆どを除去する。メサ９５４０がエッチングされてこの例に示した如くＮＩＰ接合の容量を画定する。或る場合には、該ＮＩＰ接合容量を画定するためにイオン注入及び／又は拡散を使用することが可能である。そして、或る場合には、該ＮＳｉ層のみを除去し及び／又は低ドーピング又は反対のドーピングへ変換させることが必要であるに過ぎない。該Ｎ及びＰは交換可能であり、例えば、ＭＳ−ＰＤはＰＩＮとし且つＭＳ−ＡＰＤをＮＩＮＩＰ又はＰＩＰＩＮとすることが可能である。
【0164】
図９６は、図９５に図示した如く、異なる直径のマイクロストラクチャ型穴を具備する物質構造の平面図を示している。見えるように、より小さな直径の穴９５２２はより大きな直径の穴９５２４の中にクラスターしている。その結果得られるこのマイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオード（ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤ）９６００の中心近くにおける領域間での実効屈折率差は、光が一層高い実効屈折率の領域へより一層案内されるというようなオプチカルファイバーと同様の光案内効果を発生させることとなる。エッチング除去された領域９５３０によって画定されているメサ９５４０も示されており、それは更に光案内効果を与えることが可能である。メサ９５４０は、又、ＮＩＰ接合容量を画定し、且つ単にそのＮ層、「Ｉ」層を介して、又はＰ層まで完全にエッチングさせることも可能である。図示していないものは、オーミックコンタクト金属、ボンド金属、パッシベーション、平坦化、ポリイミド、及びその他の誘電体等である。該ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤの開口数は、幾つかの実施例によれば、クラッディング（一層大きな直径の穴）と比較してコア区域（一層小さな直径の穴）内の穴の直径を調節することによって調節することが可能である。実効屈折率を変更させるためには、穴の密度及び直径が或る領域内のシリコン物質の量を調節するための方法である。
【0165】
幾つかの実施例によれば、一層高い屈折率のコアと一層低い屈折率のクラッディングとを有する案内構造は、例えば、回折に起因する光損失を減少させるか又は最小とさせるために、光学的導波路等の光案内器として効果的に動作することが可能である。例えば、周期が２３００ｎｍで穴直径が１５００ｎｍである正方形穴格子は近似的な実効屈折率を２．６３とすることが可能であり、及び周期が２０００ｎｍで穴直径が１５００ｎｍである正方形格子は近似的な実効屈折率を２．３６とすることが可能である。一層高い屈折率はコア側で且つ一層低い屈折率をクラッディング側とすることが可能である。該コアとクラッディングとの間の約１０％の屈折率差は該正方形格子の周期を変えることによって達成することが可能である。その他の組合せとすることも可能である。該クラッディングは六角形格子を有することが可能であり且つ該コアは正方形格子を有することが可能であり、その場合に周期及び直径は同じままでも又は変化するものであっても良い。
【0166】
図９７Ａ及び９７Ｂは、図８２Ａに示した如き層構造を具備するマイクロストラクチャ上に入射する光に対する吸収を示しているグラフである。六角形及び正方形の格子アレイ内に穴を１５００ｎｍの直径で且つ夫々２０００及び２５００ｎｍの周期でエッチングしている。曲線９７１２は同一の周期及び穴直径を有する正方形格子に対するものである。その吸収は１．４乃至１．６μｍの波長において８０％を越えており、且つ１．５５μｍにおいては六角形格子に対して９０％を越えている。曲線９７１４は、マイクロストラクチャ型穴無しでの吸収であり、１０％又はそれ未満の吸収を与えており且つ１．５５μｍにおいては数％の吸収に過ぎない。更に、六角形格子の場合、吸収は１４５０ｎｍ乃至１６００ｎｍの波長範囲に亘り１０％未満だけ変化している。図９７Ａは、又、データ及び通信帯域、Ｓ，Ｃ，Ｌ，Ｕ／ＸＬ、を示している。図８２Ａにおけるような構造の場合、ＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤはＳ乃至Ｕ／ＸＬのこれら全ての帯域において使用することが可能である。
【0167】
図９７Ｂにおいて、曲線９７２０は、周期が２５００ｎｍの六角形穴格子であり且つ穴直径が１５００ｎｍの場合の波長に対する吸収を示しており、且つ曲線９７２２は同じ周期及び直径の正方形格子に対するものである。それは最適性がより低いものであるが、１．５５μｍ波長においては、その吸収は９０％を越えている。曲線９７１４も参照のために示されている。
【0168】
吸収と量子効率とは直接的比例関係にあり、且つ最小の反射での約９０％の吸収は約９０％の量子効率と同等である場合がある。例えば、外部量子効率をＱＥ＝（１−Ｒ）（１−ｅ−αｘ）として定義することが可能であり、尚ＲはＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤの表面からの反射であり、αは吸収係数であり、且つｘは吸収長である。吸収は（１−ｅ−αｘ）で与えることが可能であり、それは吸収係数がαで長さがｘにおいて吸収されるフォトンの量である。１．５５μｍ波長での９０％の吸収は吸収係数と吸収長との積へ変換され、αｘは約２．３に等しい。バルク吸収係数が使用される場合には、１．５５μｍ波長において４６０／ｃｍであるから、ｘは約５０μｍである。Ｇｅの物理的長さ２．２μｍと比較して、光は吸収領域を約２３回通過したこととなる。等価的に、物理的な吸収長が２．２μｍである場合には、向上される実効吸収係数は１．５５μｍ波長において約１０４５５／ｃｍであり、一方１．５５μｍ波長においてのバルク吸収係数が約４６０／ｃｍであるのと対比される。このことも向上が約２３倍であることを示している。
【0169】
該吸収向上は以下の事項のいずれか又は組合せによって発生させることが可能であり、即ち、フィールド向上、干渉、プラズモン、メタマテリアル吸収体、高コントラストグレーチング、波長及びサブ波長特徴寸法、非線形効果、共振効果、損失を伴う高コントラストグレーチング、遅波、結合波、結合型共振、結合モード、及びフォトニック結晶である（例えば、Krauss, J.「フォトニック結晶導波路における低速光（Slow light in photonic crystal waveguides）」、Phys. D: Appln. Phys. 40 2666-2670(2007)を参照すると良く、それを引用により本書に取り込む）。
【0170】
更に、吸収に直接的に比例する量子効率はデータ／遠隔通信波長の範囲に亘って高い。標準的な帯域はＳ（１４６０−１５３０ｎｍ）、Ｃ（１５３０−１５６５ｎｍ）、Ｌ（１５６５−１６２５ｎｍ）、及びＵ／ＸＬ（１６２５−１６７５ｎｍ）である。示していないその他の帯域も高い吸収効率を有することが可能であり、例えばＯ（１２６０−１３６０ｎｍ）及びＥ（１３６０−１４６０ｎｍ）等である。単一のマイクロストラクチャ型Ｇｅ・オン・ＳｉＰＤ／ＡＰＤは全体的なデータ／遠隔通信波長スペクトルをカバーすることが可能である。例えば、Gasca、「ＯからＬへ：光学的波長帯域の未来（From O to L: The Future of Optical-Wavelength Bands）」、www.broadbandproperties.com,、ＢＲＯＡＤＢＡＮＳＤ ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ、２００８年６月、を参照すると良く、それを引用により本書に取り込む。
【0171】
図９８は、図８２Ａに示してあり且つ図９７Ａ及び９７Ｂにおいてシミュレーションした構造に対するシミュレーションした吸収を示しているグラフである。曲線９８１０及び９８１２は六角形格子及び正方形格子の夫々に対する吸収を示している。各場合において、穴周期は２０００ｎｍであり且つ直径は１５００ｎｍであった。該構造は８５０ｎｍ波長範囲において良く吸収しており、８３０乃至１０００ｎｍの間では８０％より良い吸収であることが理解できる。一つの利点は、単一の装置で、７０％より良い吸収及び／又は量子効率で、波長のカバレージは８００乃至１７００ｎｍ及びそれ以上にわたることが可能であることである。この様なＧｅ・オン・ＳｉＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤはエレクトロニクスと集積化させることが可能であり、従ってＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤと相互インピーダンス増幅器又は信号処理用のその他の集積回路エレクトロニクスとを有する単一チップとすることが可能であり、そのことは組立コストやパッケージングコストを著しく低下させる。
【0172】
図９９は、幾つかの実施例に基づいて、８００乃至１０００ｎｍの波長範囲において動作するためのＳｉアバランシェフォトダイオード用の別の好適なエピタキシャル構造を示している。特に、図示した構造は、データ通信の多くが行われる８５０ｎｍ±３０ｎｍ回りで且つ５−４０Ｇｂ／ｓ又はそれ以上のデータレートに対して非常に良く動作することが判明している。吸収を向上させるためにマイクロストラクチャが使用され、それは向上された吸収係数及び／又は向上される吸収長のいずれかとすることが可能である。ＮＳｉ基板９９０２は、装置処理の後に、１５０μｍへ薄くさせることが可能である。エピタキシャル層としては、例えば、厚さが０．１−４μｍの範囲で且つ幾つかの場合においては０．３乃至２μの範囲であり且つドーピングが１×１０１９／ｃｍ３を越えているＮコンタクト層であるＮＳｉ層９９０６と、厚さが０．２乃至１μｍの範囲で幾つかの場合には０．５μｍであり且つバックグラウンドドーピングが１×１０１６／ｃｍ３未満でありアバランシェ層としても知られる増倍即ち利得層であるＳｉイントリンシック即ち「Ｉ」層９９１８と、厚さが０．０２乃至０．３μｍで幾つかの場合には０．１μｍであり且つドーピングが１−６×１０１７／ｃｍ３の範囲であり且ついくつかの場合には１．８×１０１７／ｃｍ３である電荷層であるＰＳｉ層９９２０と、厚さが０．３乃至４μｍの範囲で幾つかの場合には２μｍであり且つバックグラウンドドーピングが１×１０１６／ｃｍ３未満である吸収層であるＳｉイントリンシック「Ｉ」層９９０８と、厚さが０．１乃至２μｍで幾つかの場合には０．３μｍであり且つドーピングが１×１０２０／ｃｍ３より大きくＰコンタクト層であるＰＳｉ層９９１０とである。
【0173】
図１００は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型ＡＰＤの幾つかの特徴を示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは図９９に図示した物質構造を使用している。マイクロストラクチャ型穴アレイ１００２２はＰＳｉコンタクト層９９２０内へ及び「Ｉ」Ｓｉ吸収層９９１８内へ部分的か又は完全にのいずれかでエッチングされる。光は上部表面即ちＰＳｉ層９９１０から該表面へ垂直に及び／又は該表面に対して垂直からずれて入射する。メサエッチングをＮコンタクト層９９０６まで実施して該装置の容量を画定する。Ｐオーミックコンタクト１００２８及びＮオーミックコンタクト１００３０をＰＳｉコンタクト層９９１０及びＮＳｉコンタクト層９９０６上に夫々形成させる。１０−６０ボルトの逆バイアスを該Ｐ及びＮオーミックコンタクトへ印加させる。Ｎコンタクト（カソード）と相対的に負電圧がＰコンタクト（アノード）へ印加される。簡単化のために示していないものは、パッシベーション層、平坦化層、ブリッジング層、ボンドメタリゼーション層、及びガードリング等の要素である。吸収を向上させたマイクロストラクチャ型フォトダイオードとＳｉアバランシェ即ち利得層との結合は、該マイクロストラクチャ型ＳｉＡＰＤが５Ｇｂ／ｓより大きく且つ幾つかの場合には１０Ｇｂ／ｓよりも大きなデータレートで８００−１０００ｎｍの波長範囲で特に８５０ｎｍ±３０ｎｍにおいて動作することを可能とさせる。その他の場合には、該データレートを増倍係数が２，４，６，８，１０又はそれ以上で１５−４０Ｇｂ／ｓとすることが可能である。Ｓｉマイクロストラクチャ型ＡＰＤの一つの利点は過剰ノイズが低いことであり、それは、例えば、ＧａＡｓ及び／又はＩｎＰをベースとしたＡＰＤよりも一層低い。
【0174】
図１０１は、幾つかの実施例に基づいて、８００乃至１７００ｎｍの波長範囲においての動作のためのＧｅ・オン・Ｓｉアバランシェフォトダイオード用の別の好適なエピタキシャル構造を示している。特に、図示した該構造は、遠隔通信の多くが行われる１５５０±２００ｎｍ回りで５−４０Ｇｂ／ｓ又はそれ以上のデータレートに対して良好に動作することが判明している。吸収を向上させるためにマイクロストラクチャを使用することが可能であり、それは向上された吸収係数及び／又は向上された吸収長のいずれかとすることが可能である。ＮＳｉ基板１０１０２は装置処理の後に１５０μｍへ薄くさせることが可能である。該エピタキシャル層は、厚さが０．１−４μｍの範囲で幾つかの場合には０．３乃至２μｍであって且つドーピングが１×１０１９／ｃｍ３より大きなＮコンタクト層であるＮＳｉ層１０１０６と、厚さが０．２乃至１μｍの範囲で幾つかの場合には０．５μｍであり且つバックグラウンドドーピングが１×１０１６／ｃｍ３未満であるアバランシェ層としても知られている増倍即ち利得層であるＳｉイントリンシック即ち「Ｉ」層１０１１８と、厚さが０．０２乃至０．３μｍの範囲であり幾つかの場合には０．１μｍであり且つドーピングが１−６×１０１７／ｃｍ３で幾つかの場合には１．８×１０１７／ｃｍ３である電荷層であるＰＳｉ層１０１２０と、厚さが０．３乃至４μｍの範囲で幾つかの場合には２μｍであり且つバックグラウンドドーピングが１×１０１６／ｃｍ３未満である吸収層であるＧｅイントリンシック「Ｉ」層１０１０８と、厚さが０．１乃至２μｍの範囲で幾つかの場合には０．２μｍであり且つドーピングが１×１０２０／ｃｍ３より大きなＰコンタクト層であるＰＧｅ層１０１１０とである。しばしば、ＳｉとＧｅとの間の界面において、通常のＧｅエピタキシャル成長の前に、低温Ｇｅバッファ層を成長させることが可能である。この点については、例えば、Ｋａｎｇ ｅｔ ａｌ．を参照すると良い。
【0175】
図１０２は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型Ｇｅ・オン・ＳｉＡＰＤの幾つかの特徴を示している概略図である。該ＭＳ−ＡＰＤは図１０１に図示した物質構造を使用している。マイクロストラクチャ型穴アレイ１０２２２は、図９７Ａにおける如き寸法、直径及び六角形格子で、ＰＧｅコンタクト層１０１１０内及び部分的に又は完全に「Ｉ」Ｇｅ吸収層１０１０８内にエッチングされている。光は上部表面即ちＰＳｉ層から該表面に対し垂直及び／又は該表面に対して垂直からずれてのいずれかで入射する。Ｎコンタクト層１０１０６に対するメサエッチングが本装置の容量を画定し、且つＰオーミックコンタクト１０２２８及びＮオーミックコンタクト１０２３０がＰＧｅコンタクト層及びＮＳｉコンタクト層の上に夫々形成される。１０−６０ボルトの逆バイアスを該Ｐ及びＮオーミックコンタクトへ印加させる。簡単化のために図示していないものは、パッシベーション層、平坦化層、ブリッジング層、ボンドメタリゼーション層、及びガードリング等である。吸収が向上されているマイクロストラクチャ型ＧｅフォトダイオードとＳｉアバランシェ即ち利得層との結合は、マイクロストラクチャ型Ｇｅ・オン・ＳｉＡＰＤが、２より大きく且つ幾つかの場合には４より大きく且つ更に幾つかの場合には８−１０より大きな増倍係数で５Ｇｂ／ｓより大きく且つ幾つかの場合には１０Ｇｂ／ｓより大きく且つ更に幾つかの場合には１５−４０Ｇｂ／ｓより大きなデータレートで８００−１７００ｎｍで特に１５５０ｎｍ±２００ｎｍの波長範囲において動作することを可能とさせる。Ｇｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型ＡＰＤの一つの利点は過剰ノイズが一層低いことであり、それは、例えば、ＧａＡｓ及び／又はＩｎＰをベースとしたＡＰＤよりも一層低い。
【0176】
図１０３（Ａ）−（Ｃ）は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型シリコン及びゲルマニウム・オン・Ｓｉフォトダイオード及びアバランシェフォトダイオードに対する直径、周期、及びその他のパラメータを示している。図１０３（Ａ）は、使用した種々のパラメータを示している表である。幾つかの実施例によれば、六角形及び正方形の両方の格子を使用することが可能である。複数の穴のその他の格子及び／又は非格子配置も可能であるが、図示してはいない。１０，２５，３０，４０，５０，６０，８０μｍのメサ寸法は５乃至８０を越えるＧｂ／ｓのデータレートをサポートするための容量を達成するために使用される。幾つかの実施例によれば、キャリアーを枯渇させるためにイオン注入又は拡散などの接合容量を画定するその他の方法を使用することが可能である。８００−１０００ｎｍで特に８５０ｎｍ±３０ｎｍの波長範囲におけるＳｉマイクロストラクチャ型ＰＤ及びＡＰＤの動作のための穴直径及び周期は、例えば、六角形及び／又は正方形格子のいずれかに対して１３００／２０００，１５００／２０００，７００／１０００，６３０／９００（ｎｍ単位での直径／周期）の範囲にわたることが可能である。Ｇｅ・オン・Ｓｉマイクロストラクチャ型ＰＤ及びＡＰＤの場合、８００−１７００ｎｍで特に１５５０ｎｍ±２００ｎｍの波長範囲における動作に対して、六角形又は正方形のいずれかの格子に対する穴直径と周期との組合せの例は、１３００ｎｍ／２０００ｎｍ、１５００ｎｍ／２０００ｎｍ、１５００ｎｍ／２５００ｎｍ、１３００ｎｍ／２３００ｎｍを包含している。その他の穴直径及び周期とすることも可能である。５０％よりも良好な、及び、幾つかの場合には、７０％又は９０％よりも良好な吸収は、８００−１０００ｎｍ及び８００−１７００ｎｍの波長においてこれらの直径及び周期で達成することが可能である。図１０３（Ｂ）及び（Ｃ）において、「ｄ」は六角形及び正方形の格子パターンに対する周期として示されている。円形状の穴が図示されているが、楕円、矩形、多角形、及び／又はその他の不規則形状等の非円形状の穴も可能である。円形状の穴はＦＤＴＤを使用するシミュレーションの簡単化のために選択されているに過ぎない。
【0177】
図１０４（Ａ）及び（Ｂ）は、マイクロストラクチャ型ＧｅＰ−ＧｅＩ−ＳｉＮ・オン・ＳｉＮ基板フォトダイオードである図８２Ａに示した構造に関して波長に対しての吸収についてＦＤＴＤ（有限差分時間領域）を使用したシミュレーション結果を示しているグラフである。注意すべきことであるが、このシミュレーション結果はマイクロストラクチャ型ＧｅＰＧｅＩＳｉＰＳｉＩＳｉＮＡＰＤへ適用することも可能である。該シミュレーションは六角形格子、１５００ｎｍの穴直径、２０００ｎｍの穴周期を使用しており、その場合に、該穴は該ＳｉＮ層へエッチングされる。このシミュレーションにおいては、波長は１５００ｎｍ±１０ｎｍ（図１０４（Ａ）における曲線１０４１０）を且つ１５５０ｎｍ±１ｎｍ（図１０４（Ｂ）における曲線１０４１２）を中心としている。そのシミュレーションメッシュは０．１ｎｍよりも一層細かく、且つ図１０４（Ｂ）における曲線１０４１２から、吸収は、１５４９乃至１５５１ｎｍ波長にわたって、０．９（９０％吸収）を越える高吸収値及び０．８５（８５％吸収）を越える低吸収値で、１０％未満の変動であることを理解することが可能である。波長に対する吸収におけるこの特性は光学的遠隔通信適用例において重要であり、その場合には、例えば、１５５０ｎｍを中心とした波長変動の２ｎｍ以内の吸収において迅速な変化は存在しない。図１０４（Ａ）における曲線１０４１０は、１５５０ｎｍを中心とする２０ｎｍの波長変動をこえる０．８乃至０．９９の吸収変動を示している。どの２ｎｍの波長変動にわたっても、その吸収変動は１５％未満である。或る場合には、それは５％未満である。粗ＷＤＭに対する波長分割多重化（ＷＤＭ）におけるチャンネル間隔は２ｎｍ又はそれより大きいものとすることが可能であり、一方密ＷＤＭに対しては、チャンネル間隔は０．８、０．４又はそれ未満とすることが可能であり、従って、例えば、１５５０ｎｍにおいて、３個又はそれ以上のチャンネルが２ｎｍ分光幅内に適合することが可能であり、一方粗ＷＤＭに対しては、４ｎｍ又はそれ以上が必要とされる。
【0178】
図１０５（Ａ）及び（Ｂ）は、幾つかの実施例に基づいて、正方形格子穴パターンに対する固有モードに関するものである。図１０５（Ａ）は正方形格子配置における単一の単位セル１０５１０を示している。図１０５（Ｂ）は、Ｓｉ（又はＧｅ）物質におけるマイクロストラクチャ型穴の単位セルにおける種々の２Ｄ固有モード（静止モード、定常波モード、共振モード）（マクスウエル方程式を使用するＦＤＴＤシミュレーションから）を示している。波は、例えば、空気／半導体界面とＧｅ／Ｓｉ界面との間を、該マイクロストラクチャ型穴アレイの長さに沿って伝播する。該マイクロストラクチャ型穴がエッチングされている領域によって導波路及び／又は共振器が画定されている。該単位セルにおける半導体及び穴の長さは光学的導波路及び／又は共振器と考えることが可能であり、且つ隣接する単位セルの多くの並列光学的導波路／共振器は結合されて、２Ｄアレイにおける結合された波、結合されたモード、及び／又は結合された共振器となることが可能である。高コントラストグレーチング（ＨＣＧ）、フォトニック結晶、遅波効果及び結合された導波路／共振器の固有モード、スーパーモード、フィールド向上、線形及び非線形効果、横モード、導波共振モード（guided resonant modes）、ブロッホ（Bloch）モード、及び結合されたブロッホモードの組合せは吸収である（１−ｅ―αｘ）に比例する量子効率に対する式における「αｘ」積の観察される向上を発生させることが可能であり、尚αはバルク物質吸収係数であり且つｘは吸収長である。ｘが一定である場合には、αを向上させることが可能であり、αが一定である場合には、ｘを向上させることが可能であり、且つ幾つかの場合には、αとｘの両方を向上させることが可能である。図１０５（Ｂ）は、図１０５（Ａ）における正方形格子の単位セル１０５１０の多くの複雑な固有モードを示している。該正方形格子における各セルはこれらの固有モードの内のいずれか一つ又は複数を有することが可能であり且つ隣接するセルの固有モードと結合することが可能であり、これら全てのセルの大量に結合されたモードはスーパーモードと呼ばれる。この大量の結合は、波長に対して「一層滑らかな」吸収特性となる場合があり、尚一層滑らかとは或る波長範囲、例えば２０ｎｍで或る場合には５０ｎｍで且つ或る場合には１００ｎｍ又はそれ以上、にわたっての吸収特性においての変動が１０％未満であるものとして定義することが可能である。
【0179】
図１０６は、幾つかの実施例に基づいて、互いにオーバーラップして配置された２個の正方形格子でのマイクロストラクチャ型穴を示している概略図である。点線の正方形１０６１０は穴直径としてＤ１を有する正方形格子の単位セルを表している。破線の正方形１０６１２は同様の周期であるが穴直径としてＤ２を有している別の正方形格子を表しており、Ｄ１とＤ２とは等しくない。もしもＤ１がＤ２と等しい場合には、それは正方形格子（４５度だけ傾斜）である。又は、等価的に、これら２つの正方形格子の周期が同様のものである場合には、２つの異なる穴直径を有する六角形格子として考えることも可能である。該格子パターンは、２つを越えて異なる穴直径を有することも可能であり、例えば、六角形格子において３つの異なる穴直径を有することが可能である。例えば、複数の穴からなる一つの好適なマイクロストラクチャにおいて、Ｄ１は１３００ｎｍ直径とすることが可能であり且つ該正方形格子は２０００ｎｍの周期を有することが可能である。マイクロストラクチャアレイにおいて一つを越える穴直径を有することの一つの利点は、波長に対する吸収の曲線が更に平坦化されて、吸収における変動が、Ｓｉ内に構成されるマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤに対する波長において８００−９９０ｎｍにわたり、且つ図１０１におけるようなＧｅ・オン・Ｓｉ内に構成されるマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤに対する１２５０−１７５０ｎｍの波長に対して、２０％未満とすることが可能であるということである。幾つかの場合において、該変動はこれらの波長範囲に亘っての変動は１０％未満であり、且つ幾つかの場合には、５％未満である。又、全体的な吸収又は等価的に該マイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤの量子効率を改善させることが可能である。
【0180】
異なる穴直径を散在させることは吸収に直接比例する量子効率を一層広い範囲の波長、特に、シリコンにおけるマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤに対して８００−９９０ｎｍで且つＧｅ・オン・Ｓｉにおけるマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤに対して１０００−１８００ｎｍ、にわたって更に平坦化させることを可能とする。幾つかの実施例によれば、その他の穴直径及び周期とすることも可能である。
【0181】
幾つかの実施例によれば、例えば吸収用物質の厚さなどの設計パラメータ内において適切な量子効率を維持するのにバルク吸収係数が不十分である場合に、ＰＤ／ＡＰＤの量子効率を向上させるために使用されるマイクロストラクチャ型穴及び／又は柱体の吸収における改良は、太陽電池、イメージング用センサー、ラディエーション吸収体等のフォトンの吸収を使用するその他の装置へ適用させることが可能である。
【0182】
図１０７は、幾つかの実施例に基づく、Ｇｅ・オン・Ｓｉのエピタキシャル構造を示している概略図である。該構造は図８２Ａに図示したものと同様であるが、Ｎドーピングが１×１０１９／ｃｍ３を越えている０．２μｍ（又は０．１−２μｍの範囲）のＳｉＮ層１０７０６上に成長されたバックグラウンドドーピング（Ｎ又はＰのいずれかとすることが可能）が１−５×１０１６／ｃｍ３で０．１−０．５μｍ厚さのＳｉＩ層１０７１８が付加されており、次いで意図的にはドーピングされておらずバックグラウンドドーピングが５×１０１６／ｃｍ３未満で幾つかの場合には５×１０１５／ｃｍ３未満であり且つ厚さが２μｍ又は０．５−２．５μｍの範囲であるＧｅＩ層１０７０８がそれに続いている。ＰＧｅ層１０７１０が最上部でドーピングが１×１０１９／ｃｍ３を越えており且つ厚さが０．２μｍ又は０．２−０．５μｍの範囲である。これらの層の全てがＮＳｉ基板１０７０２上に成長される。マイクロストラクチャ型穴アレイ１０７２２は図１０３（Ａ）−（Ｃ）に示したパラメータを使用して形成することが可能である。幾つかの実施例によれば、穴直径は１３００−１５００ｎｍであり且つ周期は六角形又は正方形の格子において２０００ｎｍである。その他の実施例によれば、図１０６に示したようなレイアウトが使用される。その様な場合には、複数の直径を有する穴は、例えば、図１０６に示した如く互いに入れ子構造とさせた周期２０００ｎｍの１３００ｎｍ及び１５００ｎｍの正方形格子とすることが可能である。
【0183】
ＳｉＩ層１０７１８は、ＧｅＩ層を成長させることを可能とさせるためにＧｅＩ層１０７０８内へのドーパント拡散が減少されるか又は最小とされるようにＳｉにおけるドーパントを低いレベルとさせるために使用される。
【0184】
幾つかの実施例によれば、図１０７に示した構造はマイクロストラクチャ型ＰＤ用であり且つ、図１０１における如く、増倍層と電荷層とを付加したマイクロストラクチャ型ＡＰＤ用とすることも可能である。この構造に対する波長範囲は８００−１７００ｎｍで、特に約１５５０ｎｍ±２００ｎｍとすることが可能である。
【0185】
付加したＳｉ「Ｉ」層１０７１８は本装置の容量を減少させることにも寄与する。何故ならば、該「Ｉ」層は今や該ＧｅＩ層と該ＳｉＩ層との総和だからである。容量における減少はＰＤ／ＡＰＤの変調帯域幅を増加させることを助ける。該Ｓｉ「Ｉ」層は、幾つかの場合において、その厚さが、例えば０．１乃至３μｍの範囲である場合がある。穴１０７２２は、例えば、該Ｓｉ「Ｉ」層までエッチングすることが可能であり、及び／又は幾つかの場合においては該Ｓｉ「Ｉ」層内へエッチングすることが可能である。
【0186】
図１０８は、幾つかの実施例に基づいて、Ｇｅ・オン・Ｓｉのマイクロストラクチャ型フォトダイオードの基本的な特徴を示している概略図である。該構造は図１０７に図示したものと同様であるか又は同一である。該ＭＳ−ＰＤは１３００−１７００ｎｍ及び６００−１３００ｎｍの波長範囲において良好に動作することが判明している。図示した如く、光は穴アレイがエッチングされている上部表面から入射する。幾らかのマイナーチェンジでもって、底部上のＮオーミックコンタクト１０８３２に開口を設け且つＳｉ基板１０７０２の底部を反射防止コーティングでポリッシュした場合には、光は該基板の底部から入射することも可能である。更に、オプチカルファイバーを該マイクロストラクチャ型ＰＤに対してアライメント即ち整合させるためのガイドを与えることが可能であるようにＳｉ基板１０７０２の底部上にビア（不図示）を形成することが可能である。この例においては、穴１０７２２はＳｉＩ層１０７１８までエッチングされる。幾つかの実施例によれば、該穴は該ＳｉＩ層内へ又はそれを通過してエッチングさせるか、又は該ＳｉＩ層まで貫通してエッチングさせないことが可能である。穴アレイは複数の穴寸法及び複数の周期を有することが可能であり、且つ非周期的なものとさせることが可能である。穴直径は５００−１７００ｎｍの範囲とすることが可能であり、且つ周期は１０００−２５００ｎｍの範囲とすることが可能である。幾つかの実施例によれば、穴直径は１３００及び１５００ｎｍで、正方形又は六角形の格子における周期が２０００ｎｍである。更に、１３００及び１５００ｎｍの穴は、図１０６に示した如くに互いに入れ子とされている周期が２０００ｎｍの正方形格子内のものとすることが可能である。穴直径及び周期は１０−５０ｎｍだけ、且つ幾つかの場合においては５０−１００ｎｍだけ変化する場合がある。図示していないものとしては、パッシベーション層であって、それは該半導体の壁上に２−１００ｎｍの厚さを有する場合がある。パッシベーションは漏洩電流を減少させるために露出されているメサの高電界領域において使用することが可能である。−２乃至−１２ボルトの逆バイアスがＰコンタクト１０８２８とＮコンタクト１０８３０（及び／又は１０８３２）との間に印加される。逆バイアスとは、負電圧がＮ（カソード）コンタクトと相対的なＰ（アノード）へ印加されることを意味している。負記号を付けて又は付けずに示されている電圧は、カソードと相対的にアノードにおいて負であることを意味している。更に、複数の穴は異なる形状を有することが可能であり、必ずしも全てが円形状であることは必要ではない。
【0187】
光検知器においてナノワイヤーを使用することは既知である。該ナノワイヤーはＩｎＰであり且つ該光検知器は１４ｐｓ応答時間、又は等価的に、ガウス変換に対する周波数領域において、約３０ＧＨｚ３ｄＢ変調帯域幅に制限されることを示している。V.J. Logeeswaran et al.「非晶質表面上の交差するＩｎＰナノワイヤーで製造された１４ｐｓ半値全幅高速光導電体（A 14-ps full width at half maximum high-speed photoconductor fabricated with intersecting InP nanowires on an amorphous surface）」、アプライドフィジックス（Appl.Phys.）、Ａ９１，１−５（２００８）（以後、「Ｌｏｇｅｅｓｗａｒａｎ ｅｔ ａｌ．」という）を参照すると良く、これを引用により本書に取り込む。Ｌｏｇｅｅｓｗａｒａｎ ｅｔ ａｌ．においては、入射するフォトンは７８０ｎｍにおいてであり且つ約７８０ｎｍにおけるＩｎＰ吸収係数は約３５０００ｃｍ−１であり且つ吸収の向上も吸収長も必要なものではなかった。同様に、別の既知の技術において、８５０ｎｍフォトンがナノワイヤー上に入射され且つ約８５０ｎｍにおけるＧａＡｓの吸収係数は約１２０００ｃｍ−１であり、その場合も吸収の向上及び／又は長さが必要なものではなかった。M.A. Seyedi et al.「大活性区域で９ＧＨｚ変調帯域幅での効率的なショットキー状接合ＧａＡｓナノワイヤー光検知器（Efficient Schottky-like junction GaAs nanowire photodetector with 9GHz modulation bandwidth with large active area）」、アプライドフィジックスレターズ（APPLIED PHYSICS LETTERS）、１０５，０４１１０５（２０１４）を参照すると良く、これを引用により本書に取り込む。対照的に、本書に記載する技術によれば、高速フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードがｐｓ応答時間及び／又は５Ｇｂ／ｓ又はそれ以上にの変調帯域幅で記載されている。８５０ｎｍにおけるＳｉにおいて、吸収効率は約７００ｃｍ−１であり且つ吸収の向上及び／又は吸収長を使用して４０％又はそれより良い量子効率を達成している。同様に、Ｇｅに対して約１５５０ｎｍにおいて、その吸収効率は約４５９ｃｍ−１であり、それもまた吸収の向上及び／又は吸収長を使用している。
【0188】
例えば、約１０−３０Ｇｂ／ｓにおける動作のための典型的な高速又は高変調帯域幅ＰＤ／ＡＰＤ用の２μｍ厚さの吸収用「Ｉ」層の場合（該「Ｉ」層は該ＰＤ／ＡＰＤの変調帯域幅に依存して０．３−３．５μｍ変化することが可能）、８５０ｎｍにおけるフォトンの約１３％が向上無しで吸収される。例えば、本特許出願において記載するマイクロストラクチャ型穴アレイ（又は柱体）によって約１２倍又はそれ以上だけの吸収の向上及び／又は吸収長がある場合には、フォトンの８０％を超えるものを２μｍの物理的な「Ｉ」吸収長において吸収させることが可能である。夫々８５０及び１５５０ｎｍのデータ通信波長及び遠隔通信波長においてＳｉ及びＧｅ等の弱い吸収性（約１０００ｃｍ−１又はそれ未満）物質を使用する場合にマイクロストラクチャ型穴及び／又は柱体を付加すると、その吸収即ち吸収係数及び／又は吸収長を、該物質が強く吸収性となり（約２０００ｃｍ−１又はそれ以上）且つ該マイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤを高速又は高変調帯域幅データ及び遠隔通信適用例及びシステムのために使用することが可能である点まで向上させることが可能であることがここで証明された。
【0189】
幾つかの場合においては、或る光学的データ／遠隔通信のためには単に約４０％の吸収で十分であり、且つ単に約３倍の吸収の向上及び／又は吸収長が、例えば、８５０ｎｍにおいての２μｍＳｉ「Ｉ」層に対して必要とされるに過ぎず、又は２μｍＧｅ「Ｉ」層に対しての１５５０ｎｍ波長におけるＧｅに対する吸収係数又は吸収長の４．５倍の向上係数が必要であるに過ぎない。一層高い向上係数が可能であり、１０より大きな係数、且つ幾つかの場合においては２０より大きなもの及び幾つかの場合においては４０より大きいものとすることが可能である。半導体バルク物質の吸収係数が一層小さくなるに従い、向上係数は一層大きくなり、１００又はそれ以上となる。
【0190】
Ｓｉナノワイヤーの吸収は、Lu Hu, Gang Chen,ナノレターズ（Nano Lett.）「光電池適用例に対するシリコンナノワイヤーアレイにおける光学的吸収の解析（Analysis of Optical Absorption in Silicon Nanowire Arrays for Photovoltaic Applications）」、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．１１，２００７（以後、「Ｈｕ ｅｔ ａｌ．」と呼称する）において討論されており、それを引用により本書に取り込む。８５０ｎｍに対応する１．４６ｅＶにおいての吸収は薄いＳｉ膜と比較して向上されず、且つ約２．２５ｅＶの上即ち約５５０ｎｍ又はそれより短い波長の場合には、吸収は薄いＳｉ膜と比較して向上される。Ｈｕ ｅｔ ａｌ．は、更に、「一方、低周波数範囲においては、シリコンの吸光係数（extinction coefficient）は小さいために改良を達成することは不可能である」と付け加えている。
【0191】
同様の結論は別の刊行物においても到達されており、即ち、Chenxi Lin, Michelle L. Provinelli「光電池適用例に対する大きな格子定数を有するシリコンナノワイヤーアレイにおける光吸収の向上（Optical absorption enhancement in silicon nanowire arrays with a large lattice constant for photovoltaic applications）」、Vol. 17, No. 22／オプティクスエクスプレス（OPTICS EXPRESS）、１９３７１、２００９年１０月２６日（以後、「Ｌｉｎ ｅｔ ａｌ．」と呼称する）があり、それも引用により本書に取り込む。Ｌｉｎ ｅｔ ａｌ．は約１．５ｅＶにおいての吸収の共振向上を示しており、そのことをＬｉｎ ｅｔ ａｌ．はナノ構造において電磁界強度の増大となるガイド共振モード（guides resonance mode）又は遅ブロッホモード（slow Bloch mode）によるものであるとしている。Ｌｉｎ ｅｔ ａｌ．は「空中からの入射光を２Ｄ周期的構造の高Ｑ漏洩モードへの結合」と述べている。高Ｑモードのシャープな共振はデータ及び／又は遠隔通信適用例に対するフォトダイオードの使用において望ましいものではない。共振フォトダイオードの特性は、例えば、J. D. Schaub et al.「エピタキシャル横方向過剰成長により成長された共振空胴向上型高速Ｓｉフォトダイオード（Resonant-Cavity-Enhanced High-Speed Si Photodiode Grown by Epitaxial Lateral Overgrowth）」、ＩＥＥＥフォトニクステクノロジーレターズ（IEEE POTONICS TECHNOLOGY LETTERS）、VOL. 11, No. 12, １９９９年１２月（以後、「Ｊ．Ｄ．Ｓｃｈａｕｂ ｅｔ ａｌ．」と呼称する）において討論されており、尚その文献を引用により本書に取り込む。Ｓｃｈａｕｂ ｅｔ ａｌ．は約８００ｎｍ波長において高々４０％の量子効率を示している（例えば、Ｓｃｈａｕｂ ｅｔ ａｌ．における図３を参照）。しかしながら、そのシャープな共振は望ましいものではない。何故ならば、温度に起因する送信機の波長におけるドリフト（例えば、或るダイオードレーザーに対して０．３ｎｍ／度であり、且つジュール加熱及び環境に起因するレーザー内部温度は、例えば、データセンターにおいて高々８０℃又はそれ以上変化する場合がある）は、例えば、量子効率において著しい変化を発生させる場合がある。シャープな共振を有する従前に既知の共振フォトダイオードも量子効率が最高であるピーク共振波長の点で温度に敏感である場合がある。更に、レーザー源は、しばしば、製造上の変動に起因してレーザー波長において変動を有しており、レーザーをフォトダイオードに対して波長において精密に整合させねばならないことは望ましいことではない。共振フォトダイオードの製造における変動は変化する波長における共振ピークとなる場合もある。このことは、該レーザー源と検知器の波長を整合させることの必要性のために注意深いテスト及び温度安定性を維持することが必要であるので、歩留まりを低下させ且つ光学システムのコストを増加させることとなる。
【0192】
最近の文献であるRui Ren, Yong-Xin Guo, Ri-Hong Zhu「太陽エネルギー収穫用楕円シリコンナノワイヤーアレイにおける向上された吸収（Enhanced absorption in elliptical silicon nanowire arrays for solar energy harvesting）」オプチカルエンジニアリング（Optical Engineering）５３（２）、０２７１０２（２０１４年２月）も１．５ｅＶにおいての向上が弱いか又は存在しないが一層高いエネルギーにおける吸収の向上が一層強いという同様の結果を示しており、尚その文献を引用により本書の取り込む。
【0193】
Donnelly et al.「光電池適用例用シリコンナノホールアレイのモードに基づく解析（Mode-based analysis of silicon nanohole arrays for photovoltaic applications）」、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．Ｓ５、オプティックスエクスプレス（OPTICS EXPRESS）、Ａ１３４３ ２０１４年８月２５日、（以後「Ｄｏｎｎｅｌｌｙ ｅｔ ａｌ．」と呼称する）において、ナノホールが光電池適用例について解析されており、尚その文献を引用により本書に取り込む。太陽のスペクトルは非常に広い（数百ｎｍ）ので、シャープな共振は光電池適用例においては問題ではないが、一方光学的データ／遠隔通信においては、レーザーのスペクトルは非常に狭く、例えば、分布帰還形レーザ、ファブリー・ペローレーザー、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等のレーザーのタイプ、及びそれが単一モードであるか又はマルチモードであるか、及びそれが外部変調又は直接変調でのＣＷで動作されるか否かに依存して、１ｎｍよりもかなり小さいものから数ｎｍ、即ち０．０１未満〜３ｎｍと狭いものである。Ｄｏｎｎｅｌｌｙ ｅｔ ａｌ．は、又、例えば、その図４において８００ｎｍにおいて２０ｎｍの波長スパンに亘って高々７５％又はそれ以上だけの吸収における変動と共に８５０ｎｍ波長領域においてシャープな共振を示している。Ｄｏｎｎｅｌｌｙ ｅｔ ａｌ．の図５は、種々のナノホール深さでの５００ｎｍの最適な周期を示しており、又、例えば、８５０ｎｍ波長においてシャープな共振を示しており、その場合に吸収は１０ｎｍ波長スパンに亘って約１００％乃至２０％変化、即ち吸収において約８０％の変化する場合がある。共振導波モード（resonance guided mode）に加えて、該文献は基本モード及び吸収向上を発生させることが可能なチャンネリングモードも包含している。
【0194】
量子効率に直接的に比例する吸収におけるリップルが約３０％−４０％、及び幾つかの場合においては２０％以下又は１０％以下はデータ通信適用例及び遠隔通信適用例に対して許容可能なものである。幾つかの場合において、約８５０ｎｍの中心波長、例えば、±５，１０，２０，５０又は１００ｎｍに対して、量子効率のリップルは５％以下が望ましい。
【0195】
実験的には、光トラッピング及び向上された吸収はErik Garnett, Peidong Yang「シリコンナノワイヤー太陽電池における光トラッピング（Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells）」、ナノレター（Nano Lett.）、２０１０，１０，１０８２−１０８７（以後、「Ｇａｒｎｅｔｔ ｅｔ ａｌ．」と呼称する）において観察されており、尚該文献を引用により本書に取り込む。Ｇａｒｎｅｔｔ ｅｔ ａｌ．の図４は、１１００ｎｍまでの波長において１０％未満で且つ８５０ｎｍ波長において約５％の光透過を示しており、反射を無視することが可能である場合には、吸収は１＝Ｔ＋Ｒ＋Ａの式から約９０−９５％であり、尚Ｔは透過で、Ｒは反射で、Ａは吸収であり、全ての光が回収されるものと仮定している。
【0196】
別の最近の文献であり引用により本書に取り込むKatherine T. Fountaine, Christian G. Kendall, Harry A. Atwater「局所化したラジアルモード励起を介しての半導体ナノワイヤーアレイ用の１に近いブロードバンド吸収デザイン（Near-unity broadband absorption design for semiconducting nanowire arrays via localized radial mode excitation）」Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．オプティックスエクスプレス（OPTICS EXPRESS）Ａ９３０，２０１４年５月５日（以後、「Ｆｏｕｎｔａｉｎｅ ｅｔ ａｌ．」と呼称する）において、異なる直径を有する３μｍ高さのＳｉ上のＧａＡｓナノワイヤーのシミュレーション結果は、５％の充填率で１に近い吸収を達成することが可能であることを示している。Ｆｏｕｔａｉｎｅ ｅｔ ａｌ．の図４を参照すると良い。該シミュレーションの目的は、高効率光電池装置を達成するために物質の使用を減少させることであり、３μｍＧａＡｓナノワイヤーでの５％の充填率は物質の量について平坦状のＧａＡｓ層の１５０ｎｍと等価である。しかしながら、吸収向上の適切な比較は、３μｍＧａＡｓナノワイヤーを３μｍ厚さのＧａＡｓの平坦状の層と比較することである。この場合には、該平坦状ＧａＡｓ３μｍ層は、１．４２ｅＶのバンドギャップ端部又は８７３ｎｍに到達するまでは１の吸収を有し、且つそれは急激に降下し、８８６ｎｍにおいては吸収係数は約２４１／ｃｍであり、その場合に、例えば強い吸収性である８５５ｎｍにおいての約５９１７／ｃｍと比較して弱い吸収性であり、及び３μｍ厚さの層の約７％が８８６ｎｍにおいて吸収され、８５５ｎｍにおいて約８３％の吸収であり、且つ８２７ｎｍにおいて約９９％の吸収である。３μｍＧａＡｓ層をＦｏｕｎｔａｉｎｅ ｅｔ ａｌ．の図４と比較すると、何ら吸収の向上は認められない。知覚しうる吸収向上無しでは、バルク層フォトダイオードのものを越えてナノワイヤーフォトダイオードを使用することの利点は無い。この場合には、８００−８５０ｎｍにおけるデータ／遠隔通信用の３μｍＧａＡｓナノワイヤーフォトダイオードよりも一層良いものではないとしても、バルク３μｍＧａＡｓフォトダイオードはほぼ同程度に良く動作する。
【0197】
本書に記載する技術によれば、例えばＳｉにおける２μｍマイクロストラクチャ型穴（柱体及び／又は柱体と穴とすることも可能）が、例えば、５Ｇｂ／ｓ以上の高いデータレートのデータ／遠隔通信のための８００−９００ｎｍ波長において２μｍＳｉバルク層フォトダイオードよりも著しく一層吸収性であるように吸収（係数及び／又は長さ）の向上が提供される。
【0198】
図１０９（Ａ）及び（Ｂ）は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型穴アレイに対してマクスウエルの式を使用したＦＤＴＤシミュレーションの結果を示しているグラフである。該穴アレイは、２０００ｎｍ周期の六角形格子を有しており且つ２μｍの「Ｉ」厚さのＳｉＮＩＰの図９２に類似したエピタキシャル構造を有しており且つ穴は該Ｉ層を貫通してエッチングされており且つ２つの穴直径（図１０６に示した如く）を有している。図１０９（Ａ）は、１６７０及び１５００ｎｍの穴直径を使用する曲線１０９１０を含む４つのケースについて波長に対する吸収を示しており、一方、図１０９（Ｂ）は、１６７０及び１５００ｎｍの穴直径を使用する曲線１０９１０を含む該４つのケースの内の２つのケースについて誇張した尺度での波長に対する吸収を示している。該シミュレーションは、８４０乃至８６０ｎｍの波長に亘って１０％未満のリップルを示しており、平均吸収は約９０％である。更に、８３５−８７５ｎｍ波長の間の領域は入射フォトンの８０％以上の吸収を有することが可能である。１個を越える穴直径及び／又は周期の付加は該波長に対する吸収の曲線におけるリップルを減少させる。異なる共振モード、異なる穴直径及び／又は周期を有している異なる構造の固有モードの結合は、リップルを減少させ且つ一層広い波長範囲に亘っての吸収の向上を改善させ、且つ約２μｍ厚さのＳｉ物質において８５０ｎｍにおいて８０％よりも大きな量子効率に直接比例する高い吸収効率を達成することに貢献する。幾つかの場合において、８５０ｎｍ±１０ｎｍにおいて９０％より大きなものを達成することが可能である。幾つかの場合において、８５０ｎｍ±１０ｎｍにおいて、７０％、６０％、５０％又は４０％より大きな量子効率を達成することが可能である。
【0199】
その他の穴直径も示されており、例えば１３３０及び１５００ｎｍ、１５００及び１５００ｎｍ、１６７０及び１６７０ｎｍは全て周期が２０００ｎｍであり且つリップルは他の場合よりも或る波長範囲において一層良好であり、従って、例えば８５０ｎｍ±１０ｎｍ等の或る波長範囲に対してマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤを設計する場合に、周期が２０００ｎｍの六角形格子における該１５００ｎｍ穴寸法は、２μｍＳｉ「Ｉ」層においてリップルが１０％未満で８０％より大きな吸収を達成することが可能である。更に、１３３０ｎｍ及び１５００ｎｍの穴、及び、前述した如く、周期が２０００ｎｍの六角形格子での１５００及び１６７０ｎｍ直径の穴もこの性能をほぼ達成することが可能である。従って、９００乃至２０００ｎｍの周期の範囲で６００乃至１７００ｎｍの穴寸法の範囲を使用して２０ｎｍ又はそれ以上のスペクトル範囲での特定の波長範囲を設計することが可能である。その他の直径及び周期を使用することも可能であり、記載した例は、穴直径と周期との或る組合せは、リップルが１０％、２０％、３０％、４０％、５０％未満で吸収を向上させることが可能であることを示している。
【0200】
該穴直径は波長より大きいものとするか又は波長未満とすることが可能であり、且つ自由空間における該周期は波長よりも一層大きい。サブ波長周期も或る波長以上の周期と関連して使用することが可能である。
【0201】
この例は、２０ｎｍ及び幾つかの場合には１０ｎｍ及び幾つかの場合には４０ｎｍ以上の有用なスペクトル範囲で、５Ｇｂ／ｓ、及び幾つかの場合には１０Ｇｂ／ｓ及び幾つかの場合には２０Ｇｂ／ｓ、及び幾つかの場合には３０−４０Ｇｂ／ｓ以上を超えるデータレートで、Ｓｉにおける操作可能な８５０ｎｍＰＤ／ＡＰＤを設計するために、同じ周期で多様な穴直径を使用することが可能であることを示している。例えば８８０ｎｍ波長、９８０ｎｍ波長においての吸収向上を最適化させるために、その他の穴直径及び周期を使用することが可能であり、その場合に、一般的には、波長が一層長くなるに従って穴直径及び／又は周期は対応して一層大きくなる。複数の穴直径及び／又は複数の周期を使用して該マイクロストラクチャ型シリコンＰＤ／ＡＰＤを一層長い波長へ拡張させることが可能であり、例えば、８００から１０００ｎｍの波長で向上される吸収は４０％以上であり、且つ幾つかの場合においては、５０％以上であり、且つ幾つかの場合においては、６０％以上であり、且つ幾つかの場合においては、７０％以上であり、且つ幾つかの場合においては８０％以上であり、且つ或る場合には或る波長において９０％以上である。一層長い波長の場合、例えば１５５０ｎｍでは、該穴及び周期は、例えば、１３００ｎｍ直径及び１５００ｎｍ直径で周期が２３００及び２５００ｎｍとすることが可能であり、その場合には周期が増加している。Ｇｅ・オン・Ｓｉにおける１５５０ｎｍ波長に対するその他の穴直径／周期は、例えば、２３００／３１００（ｎｍ単位）、２０００／３１００（ｎｍ単位）とすることが可能であり、その場合には直径と周期の両方が増加している。
【0202】
更に、吸収向上のために山形又は「Ｖ」形状の穴等のその他の形状を使用することも可能である。その他の形状は、「Ｘ」形状、矩形状、三角形状、多角形状、及び／又は所望の吸収向上及びスペクトル幅及び分極感度を達成するための複数の形状の任意の組合せとすることが可能である。
【0203】
図１１０は、幾つかの実施例に基づいて、異なる穴直径と格子周期とを有するマイクロストラクチャ型フォトダイオード／アバランシェフォトダイオードに対しての波長に対する吸収のプロットを示している。シミュレーションしたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤは正方形格子を有しておりフォトンは上部表面か又は底部表面のいずれかから入射していた。吸収層はＧｅで約２μｍの厚さである。該構造は図８２Ａに示したものと同様である。該波長に対する吸収の曲線において、例えば曲線１１０１０で表されている周期が２０００ｎｍで穴直径が１５００ｎｍのマイクロストラクチャは、１５００ｎｍから１６５０ｎｍへの波長範囲での入射フォトンの良好な吸収特性を示している。該波長に対する吸収の曲線の中で、例えば、曲線１１０１２によって表される周期３０００ｎｍで穴直径２２５０ｎｍのマイクロストラクチャは、例えば、１６５０から１７００ｎｍへの波長範囲で入射フォトンに関して良好な吸収特性を示している。これら２つの穴直径及び格子の組合せは１５００から１７００ｎｍへの波長範囲に対して６０％よりも良い吸収となる場合がある。例えば、５０％よりも良い、幾つかの場合においては４０％よりも良い、及び幾つかの場合においては３０％よりも良い等の良好な吸収特性を達成するために、穴直径／周期のその他の組合せを使用することも可能である。或る波長においては、８０％よりも良いものを達成することが可能であり、例えば、１５５０ｎｍ波長±１０ｎｍ以上である。更に、１６６９ｎｍも８０％吸収効率±波長における数ナノメートルよりも良いものを達成することが可能である。１８７５ｎｍ／２５００ｎｍのその他の穴直径／周期も示されており且つ曲線１１０１４で表されている。
【0204】
或る場合においては、穴直径は吸収されるべく該マイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤへ入射する光の波長よりも一層大きいものとすることが可能であり、且つ、幾つかの場合においては、該穴の直径は入射するフォトンの波長とほぼ同じとすることが可能であり、且つ幾つかの場合には、該穴の直径は入射するフォトンの波長よりも小さいものとすることが可能である。同じことが格子の周期についても言うことが出来、その場合に、該周期は検知されるべき光の入射波長よりも一層小さいか、ほぼ同じであるか、及び／又は一層大きいものとすることが可能である。
【0205】
図１１１Ａ及び１１１Ｂは、幾つかの実施例に基づいて、図８２Ａに示した構造のＦＤＴＤ方法を使用したシミュレーションを示しており、その場合に、２つの格子及び２つの異なる穴直径を使用している。図１１１Ａは穴パターンを示しており、そこでは１５００ｎｍの穴直径Ｄ１を有する六角形格子が中心において２２５０ｎｍのＤ２と４つの角部においてＤ１とを有する正方形格子とが結合されている。Ｄ１穴は水平方向に３μｍ（ｄ２＝３μｍ）だけ且つ垂直方向に約３．４６μｍだけ離隔されている。該六角形格子は周期が２μｍである（ｄ１＝２μｍ）。図１１１Ｂは波長に対しての吸収のプロットを示している。該２つの格子で２つの異なる穴直径のケース（曲線１１１１０）は、或る幾つかの波長において、吸収が単一格子／穴のマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤのものよりも一層良好であることを示していることを見ることが可能である。例えば、約１５７０ｎｍ乃至１６００ｎｍ、即ちデータ／遠隔通信波長のＬ帯域、において、曲線１１１１０はかなり一層良好な吸収を示している。このことは、例えば、１５００ｎｍの穴直径での２μｍ周期（曲線１１１１２）と２２５０ｎｍの穴直径での２μｍ周期（曲線１１１１４）とを有する正方形格子と比較される。この結果は、穴直径と周期との異なる組合せで、吸収応答はより少ない共振及び／又はよりシャープでない共振を有することが可能であり且つ又ある波長範囲において吸収応答を最適に調整することが可能であることを示しているだけである。これは単に一つの例であり、所望の量子効率、分極感度、非感受性、波長選択性及び／又は非選択性、例えば、ブロードバンド、リップル／共振減少等を得るために、格子、周期、穴直径及び形状のその他の組合せをシミュレーションすることが可能である。例えば、直径又は最小直径は１００ｎｍから３０００ｎｍの範囲にわたることが可能であり、且つ該周期及び／又は複数の周期は１５０ｎｍから４０００ｎｍの範囲にわたることが可能である。更に、穴パターンは格子ではない場合もあり、例えば複数の穴が非周期的に分布されたり、及び／又は複数の穴の間の間隔がチャープされる場合がある。更に、穴のパターンは周期的である必要が無い場合があるが、該パターンは周期的であるか又は非周期的とすることが可能である。複数の穴をランダムに又は擬似ランダムに分布させることが可能であり、且つ穴直径は周期的、非周期的な態様、ランダムな態様、又は擬似ランダムな態様で変化することが可能である。更に、例えば、周期が同じか、殆ど同じか、或る周期において穴の直径未満である場合には、複数の穴は少なくとも一点で接続させることが可能である。穴のアレイは複数の周期を有することが可能であり、且つ少なくとも一つの周期は穴が接触するか及び／又はオーバーラップするようにすることが可能である。
【0206】
本書に記載する技術に従って共振セルを隣接する隣の共振セルとの結合を使用して、吸収応答の平滑化が達成され、そのことは単一の共振器を有するのみであり且つその波長に対する吸収においてシャープな共振動作を示す既存の共振フォトダイオードと対比される。本書に記載する技術に基づく共振セルの集団は、制御されたリップルと波長範囲とを有する一層調節された吸収応答となる。更に、本書に記載する技術は、特定の波長において一層最適なＰＤ／ＡＰＤ性能のために特定の波長において特定の吸収特性を調節するために使用することが可能である。
【0207】
更に、吸収向上プロセスに参画することの無いその他のマイクロストラクチャ／ナノストラクチャを使用して反射を減少させることが可能であり、例えば、数十ｎｍ乃至数百ｎｍの範囲の寸法（直径等）の表面上のサブ波長の穴又はピット等であり、その場合に、その深さは数十ｎｍ乃至数百ｎｍ又はそれ以上の範囲とすることが可能である。
【0208】
図１１２は、幾つかの実施例に基づいて、同じ周期の２つの六角形格子が結合され且つ互いにインターレースされている別の格子構造を示している概略図である。該パターンは同一又は異なる直径の穴を使用することが可能である。図示した如く、該パターンは２つの異なる直径を有しており、例えば、その周期は２０００ｎｍとすることが可能であり、且つＤ１は１５００ｎｍとすることが可能であり且つＤ２は７００ｎｍとすることが可能である。周期及び直径のその他の組合せも可能であり、且つ吸収特性、従って入射フォトン波長に対する量子効率、及び光学的データ／遠隔通信目的に対して吸収特性が許容可能である波長スパンを調節するため、及びその特定の一つ又は複数の光学システムに対するいかなる特定の適用条件を満足させるために使用される。
【0209】
２つの六角形格子の点線によって示した如き単位セルは互いにオーバーラップしており、従ってそれらの固有モードも互いにオーバーラップし、そのことは特定の波長範囲においての吸収特性のリップルを更に減少させることが可能であり且つ該吸収特性におけるリップルが減少される波長範囲を拡張させることも可能である。或る波長範囲内においての吸収特性におけるシャープな変化はフォトダイオード／アバランシェフォトダイオードにおいて望ましいものではない。何故ならば、例えば、入ってくる光学信号波長におけるドリフト及び／又は温度に関してのフォトダイオード吸収特性のドリフトは光学から電気への信号変換において著しい変化をもたらす場合があるからである。５％未満の変化が好適であり、且つ幾つかのその他の場合においては、２ｎｍ，４ｎｍ，１０ｎｍ，２０ｎｍ，４０ｎｍ，６０ｎｍ，１００ｎｍ，又は２５０ｎｍの或る波長範囲内において１０％，２０％，３０％，４０％又は５０％未満であることが好適である。
【0210】
図１１３は、６個の単位セルを有している六角形格子を示しており、各セルはその自身の固有モードを有しており、その場合にいかなるフィールド伝播／分布はその固有モードの拡張である場合がある。各セルの固有モードは隣接セルの固有モードと結合させることが可能であり、それにより複合結合型スーパーモードが形成され、そのことは、単なる視覚化の目的のためだけであるが、複数の振り子からなる２Ｄアレイのカップリングとして考えることが可能であり、その場合に、各振り子が弱いスプリング（該弱いスプリングは機械的カップリング機構である）を介してその隣接する全ての振り子に接続されているこの大量に結合された２Ｄアレイの振り子の応答即ち運動は非常に複雑であり且つ単一の振り子の単純な振動運動ではない。該カップリングに加えて、第２の入れ子型の六角形格子を図１１２における如くに付加させることが可能である。更に、円形状又は任意の形状で且つ任意の深さのもので且つ任意の直径のものであり該パラメータの内のいずれもが複数の値を有することが可能な穴を該セル内及び／又は隣接するセルの境界に付加させることが可能であり、そのことは該セルの固有モード及び隣接するセルの固有モードとのその結合に影響を与えることが可能である。例えば、説明の便宜上、直径Ｘの複数の穴を図示した如くに付加させることが可能であり、その場合にＸは単一又は複数の値を有することが可能であり且つ該穴はＳｉ又はＧｅ表面において及び該吸収層内に部分的に又は完全にエッチングさせることが可能である。このことは、単に該表面上だけで該吸収層を侵入するものではないものとすることも可能である。幾つかの実施例によれば、該穴は該吸収層内に部分的に又は完全にエッチングさせることが可能である。
【0211】
複雑な定在波即ちスーパー固有モードとなる該セルのカップリングは、吸収応答（量子効率に比例）がシャープな応答特徴を有している従来既知の構造における如き共振応答などの単一共振器のものと比較して、一層滑らかな吸収対波長応答を与えることが可能である。
【0212】
図１１４は、幾つかの実施例に基づいて、穴アレイとテクスチャー表面とを有するＳｉＮＩＰマイクロストラクチャ型フォトダイオードを示している。テクスチャー表面１１４４０は上部表面上及び／又は穴１１４２２自身内とすることが可能である。テクスチャ付けは垂直からずれた角度において行うことが可能であり、その場合に基板をドライエッチングビーム（方向）に関して傾斜した状態で回転させる（又は静止）ことが可能であり、且つテクスチャーは、例えば、側壁上に部分的にさせることが可能である。幾つかの実施例によれば、テクスチャー１１４４０は入射照射の反射を減少させる。何故ならば、光学的通信リンクにおいて、光学的供給源へ反射して戻される光学信号は望ましいものではなく且つデータ通信システムの信号対ノイズの劣化を発生させる場合がある。マスキングを行うか又は行うこと無しに半導体表面上でドライエッチを実施するブラックシリコン等のテクスチャー付けはフォトンをトラップし反射を減少させることが可能なナノ構造体の森を発生させることが可能である。テクスチャリングが無い場合には、反射は１０％未満であり且ついくつかの場合においては５％未満であり且つ幾つかの場合においては２％未満であり、そのことは、例えば、図３９におけるような波長に対する吸収のプロットにおいてみることが可能であり、その場合に、吸収は或る波長において９０−９５％よりも大きい。１＝Ｔ＋Ｒ＋Ａの式から、尚Ｔは透過光であり、Ｒは反射光であり、Ａは吸収光である、Ａ＝９０−９５％の場合には、Ｔ＋Ｒは５−１０％である。従って、Ｒは１０％以下であり、且つ幾つかの場合には、５％以下である。半導体表面にテクスチャを付加すると、反射を或る波長において１％未満に更に減少させることが可能である。更に、光学信号は垂直からずれた或る角度でマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤ上に入射することが可能であり、且つ光学データ通信チャンネル内へ反射して戻ることを更に減少させることが可能である。
【0213】
図１１５は、波長に対してのＳｉ及びＧｅの吸収係数を示したグラフであり、例えば、http://www.silvaco.com/tech_lib_TCAD/simulationstandard/2010/apr_may_jun/a1/a1.htmlの図６を参照すると良く、それを引用により本書に取り込む。Ｓｉの場合は８５０ｎｍにおいて且つＧｅの場合には１５５０ｎｍにおいて、両者は約３００／ｃｍ未満の吸収係数を有している。この弱い吸収は、例えば１０Ｇｂ／ｓ帯域幅を超えるデータレートに対して典型的に約２μｍの吸収厚さを有している高速フォトダイオード及び／又はアバランシェフォトダイオードに対して不良な量子効率とさせる。このことは、例えば、Ｓｉの場合は８５０ｎｍの波長でＧｅの場合は１５５０ｎｍの波長に対して、例えば５Ｇｂ／ｓのデータレートを越える高速のフォトダイオードが現在市販されていない理由の一つである。
【0214】
図１１６は、幾つかの実施例に基づいて、マイクロストラクチャ型穴アレイに起因するＧｅの向上された実効吸収係数を示しているグラフである。曲線１１６１０は、Ｇｅの２μｍ厚さの層に対して１．２５μｍの穴直径で１．６５μｍの周期を有する六角形格子でのＧｅに対する向上された吸収係数を示している。比較のために、曲線１１６１２はバルクＧｅ（マイクロストラクチャ型穴無し）の吸収係数を示している。幾つかの実施例によれば、その他のマイクロストラクチャも或る波長帯域に対して最適化させることが可能な向上された実効吸収係数を与えることが可能である。例えば、該マイクロストラクチャは穴又は柱体とすることが可能であり、その間隔は周期的又は非周期的とすることが可能であり、該穴又は柱体は単一又は複数の直径を有することが可能であり、且つその形状は円形状又は非円形状とすることが可能である。先に示した如く、吸収は吸収係数と吸収長との積である。従って、吸収係数をバルク物質の吸収係数（Ｇｅの場合は曲線１１６１２）として維持しながら、吸収長を向上された実効吸収長とさせることが可能であり、即ち、物理的吸収長よりも５，１０，２０又はそれ以上一層長いものとさせることが可能である。図１１６から理解される如く、向上された実効吸収係数は、多くの波長範囲において、Ｇｅにおけるバルク吸収係数よりも１０倍を越えて一層大きい。マイクロストラクチャに起因するＧｅにおける向上された実効吸収係数は、３０％より大きな、４０％より大きな、５０％より大きな、６０％より大きな、７０％より大きな、８０％より大きな、９０％知より大きな量子効率（吸収に直接比例する）で、典型的に、１５５０ｎｍ波長及び一層長い波長においての吸収長が約２μｍ以下である場合には、高速ＰＤ／ＡＰＤの開発を可能とさせる。この様な物質、吸収長、波長、データレート、及び量子効率の組合せはＳｉでもＧｅでも市販されていることが既知ではない。同じことは、例えば、５，１０，２０Ｇｂ／ｓ及びそれより一層早いデータレートに対して吸収長が典型的に約２μｍ以下である場合の高データレート帯域幅において且つ８０５ｎｍ及びそれより長い波長範囲においての動作のためのＳｉマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤについても言うことが可能である。
【0215】
更に、マイクロストラクチャは単一の要素又はセル及び／又は複数の要素又はセルから構成することが可能であり、且つ線形光学フィールド効果、非線形光学フィールド効果、結合モード効果、及び／又は遅波効果の結果である場合がある向上された実効吸収及び／又は向上された実効吸収長を有することが可能である。
【0216】
マイクロストラクチャを使用する吸収係数及び／又は吸収長の向上は、吸収係数が一層弱くなる帯域端部においてＩＩＩ−Ｖ物質、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮ等のその他の物質の動作波長を拡張させるために使用することも可能である。例えば、Slawomir S. Piatek、http://www.hamamatsu.com/us/en/community/optical_sensors/tutorials/phsics_of_mppc/indexx.html?utm_source=googleplus&utm_medium=social&utm_campaign=hc-socialにおける図３を参照すると良く、それは１．６μｍ波長の近傍におけるＩｎＧａＡｓに対するものであり、又それを引用により本書に取りこむ。幾つかの実施例によれば、マイクロストラクチャは１．６μｍ近く及びそれより長い動作波長を拡張させるために使用することが可能である。
【0217】
更に、吸収の向上のためのマイクロストラクチャの使用は、例えば非晶質Ｓｉ等の非晶質物質へ適用することも可能であり且つ又ポリマー、セラミックス、グラフェン、合金及び酸化物等のその他の物質へ適用することも可能である。更に、音響、マイクロ波、ＵＶ，Ｘ線、及び圧力波等のその他のエネルギー伝播形式を一つの形式のエネルギーから別の形式へ変換させることが可能である。例えば、ピエゾ電気セラミック及び／又は結晶上の略音響波長程度の寸法の構造は、例えば、音響エネルギーから電気的エネルギーへの変換を向上させることが可能である。略音響波長の寸法の構造を使用することは音響吸収を向上させることが可能であり、そのことは、例えば、一層薄いピエゾ電気物質とさせることが可能であり、更にそのことは、例えば、一層高い音響周波数応答を有することを可能とさせる。
【0218】
図１１７は、幾つかの実施例に基づいて、Ｓｉマイクロストラクチャ型ＰＤ／ＡＰＤの向上された吸収を示しているグラフである。シミュレーションしたＭＳ−ＰＤ／ＡＰＤは六角形格子穴アレイと、２０００ｎｍの周期と、１５００ｎｍの直径と、垂直から、例えば、１０，２０，４０度ずれて入射するフォトンとを有している。図３９は、フォトンが表面に対して垂直に入射する場合の同様の構造に対しての波長に対する向上された吸収のシミュレーションを示している。理解されるように、垂直から１０度ずれてたフォトンは８５０ｎｍの波長においての吸収を著しく変化させるものではなく、該吸収は未だに９０％よりも一層大きい。４０度において、８５０ｎｍにおける吸収は未だに９０％を越えているが、２０度において、吸収は８５０ｎｍにおいて８５％へ減少するようである。全体的に、或る波長においては、マイクロストラクチャに入射するフォトンの入射角度における変化は、例えば、０−４０度の角度範囲にわたって１０％未満の吸収変化を有することが可能である。或る波長範囲において穴直径、周期、非周期的マイクロストラクチャ、を最適化すると、入射フォトンの入射角度に関しての量子効率（吸収に直接比例する）における変化は１０％未満とさせることが可能であり、且つ或る場合には、５％未満、且つ或る場合には、３％未満とさせることが可能である。この特徴はレーザー供給源へ向かって戻される反射光を最小とさせるために重要であり、該レーザー供給源は、オプチカルファイバー及び／又は自由空間及び／又は光学導波路における送信のために電気信号を光学信号へ変換させるために光学変調器が使用される場合に該光学信号を送信するためのデータレートにおいて直接的に又は間接的に変調される。電気信号から光学信号への変換器として発光ダイオード等のレーザーではない供給源を使用することは、該光学供給源へ向かって戻される反射パワーの条件を低下させることとなる。何故ならば、ＬＥＤはコヒーレント性がより低く及び／又はインコヒーレントな光学供給源だからであり、且つ同じ波長における反射は電気信号から光学信号への変換器として完全性においての崩壊の発生はより少ない。
【0219】
本特許出願は装置の性質及び動作を説明する上で或る理論に言及しているが、これらの理論は現在の理解に基づくものであって、たとえ将来の進展によりその理論が正しくないものであると証明されたとしても、ここに開示されている装置の実際の動作に影響を与えるものではないことは明らかである。本特許明細書は、又、パラメータの数値範囲に言及しており、この様な範囲からの実質的ではない逸れはここに開示された進歩の精神内のものであることを理解すべきである。
【0220】
装置を図示している図面は縮尺通りのものではなく幾分理想化されており、例えば直線は尖った角部等であり、一方、実際の装置はそれほど直線的ではないか又は滑らかなものではない壁や幾分丸められている角部を有している場合があり且つ蓋然性があることを理解すべきである。実際に、処理パラメータに依存して、マイクロストラクチャにおける穴又は柱体の壁などの壁は不均一で且つ窪みやへこみ等の表面特徴を具備している粗い表面を有している蓋然性があり、そのことは実際に不所望な反射の減少等の効果を奏することに寄与する場合がある。
【0221】
光の検知及び／又は信号処理及びディストリビューション集積回路用の半導体層は、気相エピタキシー、化学蒸着、プラズマエンハンスト化学蒸着、原子層付着、分子ビームエピタキシーなど、及び／又は、例えば、選択的区域エピタキシー、選択的区域エピタキシャルラテラルオーバーエッチ、エピタキシャルラテラル過剰成長、ヘテロエピタキシー、ウエハーボンディング、エピタキシャルリフトオフプロセス、及び成長、ボンディング、リフトオフプロセスの任意の組合せ等の技術を使用してエピタキシャル的に成長させることが可能である。該半導体層に対する好適なプロセスは気相エピタキシー又は化学蒸着である。
【0222】
更に、該マイクロストラクチャ穴は吸収用の高電界「Ｉ」領域においてのみとすることが可能であり且つ必ずしも該ＰＤ／ＡＰＤのＮ及びＰ領域内へ及び／又はそれを貫通して延在するものではない。該穴はその全長にわたってオーバーラップすることが可能であり及び／又は隣接する穴は該穴の長さに沿って部分的にオーバーラップすることが可能である。
【0223】
Ｐ，Ｉ及びＮ領域のドーピングは、しばしば、エピタキシャル成長期間中のドーパントの拡散に一部起因して異なるドーピングレベル領域の間で漸次的な遷移を有している。高ドーピングから低ドーピングへの遷移は、ドーパントタイプ、ドーピングレベル、成長温度及びエピタキシャル付着方法に依存して、１乃至１０００ｎｍ又はそれ以上の距離にわたって発生する場合がある。ＰＩＮ構造は、しばしば、Ｐ＋ＰＰ−ＩＮ−ＮＮ＋であり、その場合に、Ｐ及びＰ−及びＮ及びＮ−は遷移領域であり且つ非常に狭い遷移領域が望ましい。
【0224】
以上明確性の目的のために幾らか詳細に説明したが、その原理から逸脱すること無しに或る変更及び修正を行うことが可能であることは明らかである。注意すべきことであるが、本書に記載したプロセス及び装置の両方を実施する場合に多くの代替的方法がある。従って、本実施例は例示的なものであって制限的なものではないとして考えるべきであり、且つ本書に記載した業績の内容は本書に記載されている詳細に制限されるべきものではなく、特許請求の範囲及びその均等物内において修正することが可能なものである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】
【図49】
【図50】
【図51】
【図52】
【図53】
【図54】
【図55】
【図56】
【図57】
【図58】
【図59】
【図60】
【図61】
【図62】
【図63】
【図64】
【図65】
【図66】
【図67】
【図68】
【図69】
【図70】
【図71】
【図72】
【図73】
【図74】
【図75】
【図76】
【図77】
【図78】
【図79】
【図80】
【図81】
【図82A】
【図82B】
【図82C】
【図83A】
【図83B】
【図83C】
【図84A】
【図84B】
【図85】
【図86】
【図87】
【図88】
【図89】
【図90】
【図91A】
【図91B】
【図92】
【図93】
【図94】
【図95】
【図96】
【図97A】
【図97B】
【図98】
【図99】
【図100】
【図101】
【図102】
【図103】
【図104】
【図105】
【図106】
【図107】
【図108】
【図109】
【図110】
【図111A】
【図111B】
【図112】
【図113】
【図114】
【図115】
【図116】
【図117】