[发明专利]微结构增强型吸收光敏装置

说明书

相关申请的引用

本专利申请要求下述申请中的每个申请的优先权，并且下述申请中的每个申请通过引用并入本文中：

2013年5月22日提交的美国临时申请第61/826,446号；

2013年6月13日提交的美国临时申请第61/834,873号；

2013年7月4日提交的美国临时申请第61/843,021号；以及

2013年11月15日提交的美国临时申请第61/905,109号；

在本文中将以上引用的临时专利申请统称为“共同转让并入的申请”。

技术领域

本发明一般地主要涉及光敏装置。更具体地，一些实施方式涉及具有微结构增强型吸收特性的光敏装置。

背景技术

光纤通信广泛用在例如远程通信和大型数据中心内的通信的应用中。由于与使用较短光波长相关联的衰减损失，大多数光纤通信使用800nm以上的光波长。通常使用的传输窗口在1260nm与1675nm之间。在光纤通信系统中使用的光接收器的主要部件是光电检测器，通常为光电二极管(PD)或雪崩光电二极管(APD)的形式。

高品质低噪声的APD可以由硅制成。然而，虽然硅会吸收处于可见光和近红外范围内的光，但是硅在较长光波长下变得较透明。可以通过增加装置的吸收“I”区的厚度来制造针对800nm以上的光波长的硅PD及硅APD。图2是常规PIN光电二极管200的截面图，其中“d”是吸收“I”区220的长度。图3A和图3B示出了直径为30微米的常规硅光电二极管在850纳米光波长下的带宽和量子效率。可以看出，为了获得90％的量子效率，“I”区的厚度“d”超过30微米。这导致小于2.5Gb/s的最大带宽，对于许多当前及未来的远程通信和数据中心应用来说，该带宽太低。

为了避免在较长波长和较高带宽的情况下硅PD和APD具有的固有问题，使用其他材料。锗(Ge)检测直至1700nm波长的红外光，但是具有相对高的倍增噪声。InGaAs可以检测直至大于1600nm的波长，并且与Ge相比具有较低的倍增噪声，但与硅相比噪声仍然非常高。已知InGaAs被用作异质结二极管的吸收区，最典型地包括InP作为衬底并且作为倍增层。该材料系统与大体上900nm至1700nm的吸收窗口兼容。然而与硅相比，InGaAs装置和Ge装置均相对昂贵并且具有相对高的倍增噪声。

本文中要求保护的主题不限于解决任何特定缺点或仅在如上述环境中工作的实施方式。相反，背景技术仅被提供以说明可以实践本文中描述的一些实施方式的一个示例性技术领域。

发明内容

根据一些实施方式，描述了一种具有微结构增强型光吸收的光电检测器。该光电检测器(如光电二极管或雪崩光电二极管)包括：阴极区；阳极区；反向偏置电路，该反向偏置电路被配置成在阴极区和阳极区之间施加电压，使得阴极区被驱载至与阳极区更正的电压；以及微结构增强型光子吸收半导体区，该微结构增强型光子吸收半导体区被配置吸收源信号的光子。该吸收区包括多个微结构，所述微结构被定尺度和定位成增加对包括源信号的波长的波长范围处的光子的吸收。根据一些实施方式，微结构具有等于或小于最长信号波长的至少一个尺度。根据一些实施方式，微结构是柱、孔和/或空隙。微结构可以被布置成周期性间隔阵列、非周期性间隔阵列、随机间隔阵列或多重周期性间隔阵列。根据一些实施方式，微结构具有垂直于下面的衬底材料的上表面的主纵轴。根据一些其他实施方式中，微结构具有相互不平行的主纵轴。根据一些实施方式，微结构被取向成减少对任何单个方向的源信号的灵敏度。

根据一些实施方式，微结构至少部分地通过形成利用谐振效应、散射效应、近场效应、亚波长效应和/或干涉效应的吸收模式高对比度光栅来增加吸收。