微结构增强吸收光敏器件的制作方法
本专利申请要求以下临时申请中每个临时申请的权益并且以下临时申请中每个临时申请通过引用并入：
2015年12月21日提交的美国临时序列第62/270,577号；
2016年2月2日提交的美国临时序列第62/290,391号；
2016年3月7日提交的美国临时序列第62/304,907号；
2016年5月11日提交的美国临时序列第62/334,934号；
2016年5月18日提交的美国临时序列第62/338,263号；
2016年6月7日提交的美国临时序列第62/346,850号；
2016年7月7日提交的美国临时序列第62/359,349号；
2016年7月25日提交的美国临时序列第62/366,188号；
2016年7月28日提交的美国临时序列第62/368,109号；
2016年8月13日提交的美国临时序列第62/374,828号；
2016年8月18日提交的美国临时序列第62/376,869号；
2016年8月27日提交的美国临时序列第62/380,364号；
2016年9月3日提交的美国临时序列第62/383,391号；
2016年9月4日提交的美国临时序列第62/383,479号；
2016年9月14日提交的美国临时序列第62/394,222号；
2016年9月23日提交的美国临时序列第62/398,607号；
2016年9月28日提交的美国临时序列第62/401,126号；
2016年10月12日提交的美国临时序列第62/406,999号；
2016年10月29日提交的美国临时序列第62/414,671号；和
2016年10月31日提交的美国临时序列第62/415,339号。
本专利申请涉及以下临时申请和非临时申请，每个临时申请和非临时申请均通过引用并入：
2014年5月22日提交的国际专利申请第pct/us14/039208号；
2015年11月17日提交的国际专利申请第pct/us15/061120号；
2015年11月17日提交的美国申请序列第14/943,898号；
2015年11月18日提交的美国申请序列第14/945,003号；
2015年11月20日提交的美国申请序列第14/947,718号；
2016年11月9日提交的美国申请序列第15/309,922号；
基于2015年11月20日提交的美国申请序列第14/892,821号，于2016年11月15日授权的美国专利第9,496,435号；
基于所述美国申请序列第14/945,003号，于2016年12月20日授权的美国专利申请第9,525,084号；
基于所述美国申请序列第14/943,898号，预期将于2016年12月27日授权的美国专利申请第9,530,905号；
2013年5月22日提交的美国临时序列第61/826,446号；
2013年6月13日提交的美国临时序列第61/834,873号；
2013年7月4日提交的美国临时序列第61/843,021号；
2013年11月15日提交的美国临时序列第61/905,109号；
2014年6月27日提交的美国临时序列第62/017,915号；
2014年11月18日提交的美国临时序列第62/081,538号；
2014年12月11日提交的美国临时序列第62/090,879号；
2015年1月5日提交的美国临时序列第62/100,025号；
2015年2月3日提交的美国临时序列第62/111,582号；
2015年3月27日提交的美国临时序列第62/139,511号；
2015年4月27日提交的美国临时序列第62/153,443号
2015年4月29日提交的美国临时序列第62/154,675号；
2015年5月6日提交的美国临时序列第62/157,876号；
2015年6月5日提交的美国临时序列第62/171,915号；
2015年6月11日提交的美国临时序列第62/174,498号
2015年6月15日提交的美国临时序列第62/175,855号；
2015年6月21日提交的美国临时序列第62/182,602号；
2015年7月6日提交的美国临时序列第62/188,876号；
2015年7月27日提交的美国临时序列第62/197,120号；
2015年7月31日提交的美国临时序列第62/199,607号；
2015年8月15日提交的美国临时序列第62/205,717号；
2015年8月24日提交的美国临时序列第62/209,311号；
2015年9月2日提交的美国临时序列第62/213,556号；和
2015年9月25日提交的美国临时序列第62/232,716号。
所有上述引用的临时专利申请和非临时专利申请在本文中统称为“共同转让的并入申请”。
本专利说明书主要涉及光敏器件。更特别地，一些实施方式涉及具有微结构增强吸收特性的光敏器件。
背景技术：
光纤通信广泛用于诸如电信和大型数据中心内的通信的应用中。由于与使用较短光学波长相关的衰减损失，大多数光纤通信使用800nm和更长的光学波长。通常使用的传输窗口存在于800nm至1675nm之间。光纤通信系统中使用的光接收器的主要部件是光电探测器，通常是光电二极管(pd)或雪崩光电二极管(apd)的形式。
高质量的低噪声apd可以由硅制成。然而，虽然硅将会吸收可见光和近红外范围内的光，但是硅在较长的光学波长下会变得较透明。可以通过增加器件的吸收“i”区域的厚度来制造针对800nm和更长的光学波长的硅pd和apd。然而，为了获得充足的量子效率，硅“i”区域的厚度变得如此之大，以至于器件的最大带宽对于许多当前和未来的电信和数据中心应用而言太低。
为了避免硅pd和apd在较长波长和较高带宽方面的固有问题，使用其他材料。锗(ge)检测出1700nm波长外的红外，但具有相对较高的倍增噪声。ingaas可以检测出超过1600nm，并且与ge相比具有较少的倍增噪声，但与硅相比仍然具有大得多的倍增噪声。已知ingaas用作异质结构二极管的吸收区域，大部分通常涉及inp作为衬底且作为倍增层。该材料系统与大约900nm至1700nm的吸收窗口兼容。然而，与硅相比，两种ingaas器件都相对昂贵并且具有相对高的倍增噪声，并且难以与si电子器件集成为单个芯片。
一家大公司在光电探测器业务上发布的信息(参见http://files.shareholder.com/downloads/fnsr/0x0x382377/0b3893ea-fb06-417d-ac71-84f2f9084b0d/finisar_lnvestor_presentation.pdf)在第10页表明目前对于光通信器件市场规模超过70亿美元，其中年复合增长率为12％。用于850nm-950nm波长的光电二极管(pd)采用gaas材料，并且对于1550nm-1650nm波长，光电二极管是基于inp材料的，这既昂贵又难以与基于si的电子器件集成。因此，对于更好的器件的开发存在巨大的市场和长期以来未能满足的需求。到目前为止，根据本文中发明人的知识可商购获得的，作为顶部或底部照射并且具有5gb/s或更大的数据速率，针对850nm至950nm既没有基于si材料的光电二极管也没有雪崩光电二极管(apd)，而且针对1550nm至1650nm既没有基于si上ge材料的光电二极管也没有雪崩光电二极管。然而，不乏尝试为这个大市场开发更好的器件。例如，已经提出了用si材料制造的谐振光电二极管(参见resonant-cavity-enhancedhigh-speedsiphotodiodegrownbyepitaxiallateralovergrowth，schaub等人，ieeephotonicstechnologyletters,vol.11,no.12,1999年12月)，但他们还没有到达已知的商业市场。已经提出了波导配置中的其他形式的高速光电二极管，例如在以下中：40ghzsi/geuni-travelingcarrierwaveguidephotodiode,piels等人,doi10.1109/jlt.2014.2310780，journaloflightwavetechnology(通过引用并入本文)；monolithicgermanium/siliconavalanchephotodiodeswith340ghzgain-bandwidthproduct，naturephotonics|vol3|2009年1月|www.nature.com/naturephotonics(通过引用并入本文并且在本文中称为“kang等人2009”)；high-speedgephotodetectormonolithicallyintegratedwithlargecross-sectionsilicon-on-insulatorwaveguide,feng等人，appliedphysicsletters95,261105(2009)，doi:10.1063/1.3279129(通过引用并入本文)；其中光沿边缘耦合到光波导中，并且其中吸收长度可以为100μm或更长以补偿ge在1550nm处的弱吸收系数。在这些先前提出的波导光电二极管结构中，光沿着波导的长度传播并且电场施加在pin波导两端，使得光传播的方向和电场的方向主要是垂直的。由于si中的光行进比电子/空穴的饱和速度快约1000倍，因此例如波导pd可以是200微米长，并且例如pin中的“i”可以是2微米并且实现超过10gb/s的带宽。与本专利说明书中描述的表面照射相比，这种光的边缘耦合在封装中是昂贵的，其中与已知表面照射的光电二极管或雪崩光电二极管的数十微米相比，波导截面的尺寸通常为几微米。已知的波导pd/apd通常仅是单模光学系统，而本专利说明书中描述的表面照射的pd/apd可以用于单模光学系统和多模光学系统两者。另外，已知的波导光电二极管难以在晶片级测试，而本专利说明书中描述的表面照射的光电二极管可以在晶片级容易地测试。已知的波导光电二极管/雪崩光电二极管主要用于专用光子电路中，并且不能广泛商业获得。在可以与si集成的顶部或底部照射的si和si上ge或si上gesipd或apd在850nm至950nm和1550nm至1650nm的波长下在5gb/s或更高的数据速率下已知尚无法商购获得。相比之下，如本专利说明书中所述，基于si材料的光电二极管可以与单个si芯片上的集成电子电路单片集成，从而显著降低封装成本，此外，在本专利说明书中描述的在850nm标称波长下的微结构pd/apd可以主要用于短距离，例如小于一米、以及在某些情况下小于10米、以及在某些情况下小于100米、以及在某些情况下小于1000米的距离的光学数据传输。pin或nip结构的“i”区域中的入射光束和电场的微结构pd/apd方向主要是共线的和/或几乎共线的。该专利说明书使得能够实现这样的器件并且期望将当前数据中心转换为叶片之间和/或叶片内的几乎所有光学数据传输，这将极大地增加数据传输带宽能力并显著减少电力使用。
本文要求保护的主题不限于解决任何特定缺点或仅在诸如上述那些环境中操作的实施方式。更确切地，提供该背景仅用于说明可以实践本文描述的一些实施方式的一个示例性技术领域。
技术实现要素：
根据一些实施方式，微结构增强光电探测器包括光子吸收i层、在i层上方的顶层和在i层下方的底层。i层包含gexsi1-x材料，其中x大于零且小于1，并且i层有意地通过微结构划分为多个区域，使得在所述多个区域中的一些区域与其他区域相比不存在i层材料的至少一部分。这种材料的不存在可以形成i层中的孔或i层材料的柱。顶层包含gexsi1-x材料，其中x在0至1之间且包括0和1，并且顶层被掺杂成p导电性或n导电性。底层包含gexsi1-x材料，其中x在0至1之间且包括0和1，并且底层被掺杂成与顶层的导电性相反的导电性。当被反向偏置以响应于在选定波长范围内的入射光束而生成电信号时，与具有体材料i层的其他相同器件相比，所述光电探测器具有增强的光子吸收和量子效率(qe)，所述入射光束与微结构基本上共线并且以基本上连续截面的光束同时照射多个微结构。该专利说明书中的共线意味着光束不是沿着层之间的界面，而是与这种界面成小于90度的角度，并且优选地与这种界面成45度或更小的角度。术语“顶”和“底”适用于光电探测器的特定取向；例如，当光电探测器旋转90度时，“顶”层可以位于一侧而“底”层位于相对侧。
在一些实施方式中，i层与顶层和底层中至少之一形成异质结，i层材料的x大于顶层和底层中至少之一的材料的x或顶层和底层两者的材料的x。
在一些实施方式中，i层包含gexsi1-x材料的子层的堆叠体，其中子层中至少两个子层在它们的x值上不同。在一些实施方式中，i层材料基本上由ge和si组成。
在一些实施方式中，微结构包括在i层中的孔，该孔中断以其他方式连续的i层。孔可以是漏斗形的，该孔具有大体上随着距顶层的距离而减小的横截面。
微结构可以在顶层和底层两者中延伸。微结构可以包括在i层中的孔，该孔的横截面是非圆形的。孔可以是基本上非周期性的阵列，并且可以包括穿过顶层并进入i层的孔阵列和穿过底层并进入i层的另一个孔阵列。顶层和底层中至少之一可以是纹理化的。i层中的孔可以相对于顶层和i层之间的界面倾斜。
一些实施方式还包括：包含si的衬底，在衬底上或在衬底中形成有光电探测器；以及集成电路，其构建在同一衬底上或在同一衬底中并且与光电探测器电耦接以处理所述电信号。可以形成附加光电探测器，并且多个集成电路构建在同一衬底上或在同一衬底中并且电耦接附加光电探测器以处理来自每个光电探测器的电信号。在衬底上或在衬底中的光电探测器中的至少之一可以大于在同一衬底上或在同一衬底中的另一个光电探测器。
在一些实施方式中，微结构具有在100nm至5000nm(纳米)范围内的深度或高度、在50nm至3000nm范围内的横向尺寸、以及在0至5000nm范围内的间距。光电探测器还可以包括：反射器，所述反射器至少围绕i层并且被配置成将来自i层的光反射回i层；以及在一些情况下至少在顶层和底层中一个处的反射器，其被配置成将来自i层的光反射回i层。
一些实施方式还包括在i层下的掺杂电荷层、在电荷层下的雪崩i层、以及在雪崩i层下的被掺杂成导电性与电荷层的导电性相反的半导体层，从而形成微结构增强的雪崩光电探测器。
在一些实施方式中，光电探测器的量子效率在所述入射光束的波长范围800nm至900nm和1450nm至1650nm中至少之一的选定部分中为至少30％。在一些情况下，对于至少20gb/s的带宽，量子效率在850nm±10nm的波长范围内为至少30％，并且在一些情况下，对于至少20gb/s的带宽，光电探测器的量子效率在1550nm±10nm的波长范围内为至少30％。i层可以是2微米厚的ge0.2si0.8材料，并且该示例中的光电探测器在入射光束的波长范围850nm至980nm和至少20gb/s的带宽下具有至少40％的量子效率。i层可以是2微米厚的ge0.4si0.6材料，在这种情况下，光电探测器可以在入射光束的波长范围1250nm至1350nm和至少20gb/s的带宽下具有至少30％的量子效率。
一些实施方式包括光子吸收i层、在i层上方的被掺杂成p导电性或n导电性的顶层、以及在i层下方的被掺杂成导电性与顶层的导电性相反的底层，其中i层基本上由ge组成，并且有意地通过微结构划分为多个区域，使得所述多个区域中一些区域与i层的其他区域相比不存在i层材料的至少一部分；并且顶层和底层中的每一个除了被掺杂成所述p导电性或n导电性之外基本上由ge和si中的一者组成而没有另一者。当被反向偏置以响应于在选定波长范围处的入射光束而生成电信号时，与具有体材料i层的其他相同器件相比，所述光电探测器具有增强的光子吸收和量子效率(qe)，所述入射光束与微结构基本上共线并且以基本上连续截面的光束同时照射多个微结构。顶层和底层中的每一个除了被掺杂成所述p导电性或n导电性之外基本上由ge组成，或者顶层和底层中的每一个除了被掺杂成所述p导电性或n导电性之外基本上由si组成。i层可以与顶层和底层中至少之一形成异质结。光检测器还可以包括在i层下的掺杂电荷层、在电荷层下的雪崩i层、以及在雪崩i层下的半导体层，所述半导体层被掺杂成导电性与电荷层的导电性相反，从而形成微结构增强的雪崩光电探测器。微结构可以包括在i层中的孔，该孔中断以其他方式连续的i层，并且孔可以是漏斗形的，该孔具有大体上随着距顶层的距离而减小的横截面，并且可以是基本上非周期性的阵列。孔包括穿过顶层并进入i层的孔阵列和穿过底层并进入i层的另一个孔阵列。光电探测器还可以包括：包含si的衬底，在衬底上或在衬底中形成有所述光电探测器；以及集成电路，其构建在同一衬底上或在同一衬底中并且与光电探测器电耦接以处理所述电信号。
一种制造微结构增强光电探测器的方法可以包括：形成被掺杂成p导电性或n导电性的半导体材料的底层、在底层上方的光吸收i层、以及在i层上方并且被掺杂成导电性与底层的导电性相反的顶层，其中：i层包含以下中之一：(i)gexsi1-x材料，其中x大于0且小于1，以及(ii)基本上仅ge；顶层和底层中的每一个可以包含以下中之一：(i)gexsi1-x材料，其中x在0至1之间且包括0和1，以及(ii)基本上仅ge和si中的一者而没有另一者。该方法还包括形成微结构，其将i层结构划分为多个区域，使得在所述多个区域中一些区域与其他区域相比不存在i层材料的至少一部分。当被反向偏置以响应于在选定波长范围内的入射光束而生成电信号时，与具有体材料i层的其他相同器件相比，所得到的光电探测器具有增强的光子吸收和量子效率(qe)，所述入射光束与微结构基本上共线并且以基本上连续截面的光束同时照射多个微结构。该方法可以包括在i层与顶层和底层中至少之一之间的界面处创建异质结，并且还可以包括形成在i层下并且被掺杂成选定导电类型的电荷层、在掺杂电荷层下的雪崩层、以及在雪崩层下并且被掺杂成导电类型与电荷层的导电类型相反的半导体层，从而形成微结构雪崩光电导体。微结构的形成可以包括在i层中形成孔同时保持i层除了孔之外基本上连续。
如本文所使用的，语法连词“和”、“或”和“和/或”都旨在表示它们连接的一个或更多个情况、对象或主题可以发生或存在。以这种方式，如本文所使用的，术语“或”在所有情况下表示“包含性或”含义而不是“排他性或”含义。
如本文所使用的，术语“孔(hole)”或“孔(holes)”是指进入或穿过一种或多种材料的任何开口。通常，开口可以具有任何形状和横截面，包括圆形、椭圆形、多边形和随机形状。
附图说明
为了进一步阐明本专利说明书的主题的上述和其他优点和特征，在附图中示出了其实施方式的特定示例。应当理解，这些附图仅描绘了说明性实施方式，并且因此不被认为是对本专利说明书或所附权利要求的范围的限制。通过使用附图，将利用附加的特征和细节来描述和解释本专利说明书的主题，在附图中：
图1是示出根据一些实施方式的用于反射微结构光电二极管中的横向或侧向光学模式的结构的图；
图2是根据一些实施方式的示出了微结构光电二极管中的示例性横向或侧向反射模式的图1的图；
图3是示出根据一些实施方式的以倾斜蚀刻的微结构孔的示意图；
图4是示出根据一些实施方式的具有倾斜的微结构孔的反射模拟的曲线图；
图5是示出具有图4中使用的尺寸并且具有15度孔的微结构孔的fdtd模拟反射的曲线图；
图6是示出图3和图4中描述的结构的增强的吸收特性的fdtd模拟的曲线图；
图7a和图7b是根据一些实施方式的漏斗形孔的图和表；
图8a和图8b是示出撞击在具有如图7a和图7b所示的漏斗形的微结构孔上的电磁场的fdtd模拟的曲线图；
图9a至图9d是根据一些实施方式的具有漏斗形孔的si、soi和si上ge微结构pd(apd)的p-i-n微结构pd/apd的表和示意图；
图10是示出具有如图9b所示结构的微结构sipd的fdtd模拟结果的曲线图；
图11a和图11b是示出具有如图9c所示结构的微结构sipd(或mapd)的fdtd模拟结果的曲线图；
图12a和图12b是示出具有如图9d所示结构的微结构si上gepd的fdtd模拟结果的曲线图；
图13是蚀刻的微结构孔的扫描电子显微照片，其中侧壁具有多个斜面。在某些情况下，侧壁可以主要具有单个斜面，以及在其他情况下，侧壁可以具有多个斜面；
图14a至图14c是根据一些实施方式的以多个侧壁角蚀刻的微结构孔的扫描电子显微照片；
图15a至图15d是根据一些实施方式的简化示出两种类型的微结构孔的图；
图16是示出根据一些实施方式的用于硅微结构光电二极管与cmos和/或bicmos电子器件的单片集成的可能层结构的图；
图17是示出使用如图16所示的外延层结构将微结构光电二极管与电子器件集成的一种可能方法的基本元件的截面图；
图18是示出根据一些实施方式的集成到电子电路中作为从微结构光电探测器(pd/apd)到电子器件的传输线的一部分的电感器的图；
图19是示出根据一些实施方式的用于将微结构光电二极管或雪崩光电二极管与cmos/bicmos电子器件集成的一些方面的基本流程图；
图20a和图20b是示出根据一些实施方式的微结构孔和微结构柱的互补设计的图；
图21a是示出根据一些实施方式的六边形和正方形晶格中的孔直径和周期(以nm为单位)的几个不同示例的表；
图22a是示出根据一些实施方式的用于增强在si或soi上ge/gesi/simpd/mapd的吸收的正方形和六边形晶格的孔直径/周期(以nm为单位)的几个不同示例的表；
图22b是示出其中pge可以具有0.1μm至0.5μm(微米)的厚度范围并且ige层可以具有0.5μm至5μm的厚度范围的si上ge光电二极管的示例的图；
图23a和图23b是示出图21c所示的soi上simpd的模拟的曲线图；
图24是示出根据一些实施方式的在mpd/mapd器件中反弹的光的简化光线视图的图；
图25是示出根据一些实施方式的光从背面入射的si上ge微结构光电二极管的图；
图26是示出包括例如在所有层p、i、n中吸收的功率的微结构mpd/mapd的吸收(1-r-t)的曲线图；
图27a至图27c是示出根据一些实施方式的正方形和/或六边形晶格的孔直径和周期(直径/周期均以nm为单位)的范围的表和两个示例结构；
图28a至图28c是根据一些实施方式的用于在si和/或ge、ge/gexsi1-xmpd/mapd中蚀刻孔的深反应离子蚀刻(drie)bosch工艺的另一示例的扫描电子显微照片截面图；
图29是示出根据一些实施方式的孔直径的宽度变化的示意性横截面的图；
图30是示出根据一些实施方式的光电二极管和/或雪崩光电二极管的表面上的另外的微米特征和/或纳米特征的图；
图31是示出根据一些实施方式的可以在表面上以及在微结构侧壁上的微米/纳米特征的示意性横截面；
图32示出根据一些实施方式的用于将ge/gesimpd/mapd与cmos/bicmos电子器件集成的可能的层结构；
图33a是示出si上ge选择性区域外延生长(saeg)也称为选择性区域生长(sag)的图，其中ge是结晶的和/或主要是结晶的如多晶的；
图33b是示出根据一些实施方式的与cmos/bicmos电子器件集成的沟槽隔离的gesip-i-nmpd的简化示意图的图；
图34a是示出根据一些实施方式的与电子器件集成的si上ge微结构pd的图；
图34b示出了根据一些实施方式的si和/或soi上gexsi1-x与图33b中所示的cmos/bicmos结构集成的可能集成的截面示意图；
图34c是示出根据一些实施方式的gexsi1-xmpd(mapd)与cmos/bicmos集成电路电子器件的可能集成的截面示意图；
图35是示出根据一些实施方式的具有gesi合金i层异质结的微结构孔pd的图；
图36示出了根据一些实施方式的异质结gexsi1-x合金微结构(孔)雪崩光电二极管结构p-i-p-i-n配置；
图37a至图37c是示出根据一些实施方式的mpd/mapd中的i吸收层的变化的图；
图38a和图38b是根据一些实施方式的微结构光电二极管的顶视示意图和sem显微照片；
图39是根据一些实施方式的具有不规则孔直径和间距的mpd/mapd的顶视示意图；
图40a是示出如图39b所示的30微米(micro)(微米，micrometer)直径的simpd器件的实验结果的曲线图；
图40b是示出根据一些实施方式的不同孔直径/周期和mpd直径的测量qe相对于780nm至900nm波长的实验结果的曲线图；
图41是示出根据一些实施方式的针对具有2微米si吸收层的mpd的计算的qe相对于波长的曲线图；
图42是示出以gb/s为单位的数据速率带宽和以百分比为单位的量子效率的增强相对于具有如图39b的扫描电子显微镜照片所示的30微米直径的simpd(和单位增益的mapd)的i层的厚度的曲线图；
图43是示出根据一些实施方式的针对30微米直径的si上gempd数据速率带宽和在吸收增强下的qe的曲线图；
图44是示出根据一些实施方式的针对si上gexsi1-xmpd的数据速率带宽和由于吸收增强的qe相对于i层厚度的曲线图；
图45是示出根据一些实施方式的针对另一si上gexsi1-xmpd的数据速率带宽和由于吸收增强的qe相对于i层厚度的曲线图；
图46是示出根据一些实施方式的微结构和接合焊盘对电容的影响及其对数据速率带宽的影响的曲线图；
图47是示出针对具有30微米直径的台面的si上gemapd诸如图36中的但是其中igexsi1-x层的x＝1而不是0.4的数据速率带宽和qe相对于i层厚度的曲线图；
图48是示出根据一些实施方式的在具有不同深度的微结构孔蚀刻的soi上或si结构上的可能的simpdp-i-n的图；
图49是示出根据一些实施方式的si或soi上的simpdp-i-n上的ge0.4si0.6的层结构的图；
图50是示出根据一些其他实施方式的多层i层的图；
图51是示出根据一些实施方式的具有由顶部的psi和底部的nsi包覆的应变ge0.2si0.8i层的p-i-n结构的图；
图52是示出根据一些实施方式的p-i-nmpd的另一变型的图；
图53是示出根据一些其他实施方式的具有用于i区域的多个层的si或soi上的mpd的p-i-n层结构的图；
图54a和图54b示出了根据一些实施方式的si上ge和/或gexsi1-x(其中x可以在0至1的范围内)的外延横向过度生长(elog)的一些基本步骤；
图55是示出根据一些实施方式的将si上ge和/或gesi合金与cmos和/或bicmos电子器件集成的可能方法的截面示意图；
图56是示出图48的simpd的变化的截面图，其中在顶表面和底表面两者上增加了微结构；
图57是示出类似于图52的p-i-n结构的在顶表面和底表面两者上的梯形孔的图；
图58是示出与图49中的结构类似的结构的图，其中在顶表面和底表面两者上都蚀刻有孔；
图59是示出根据一些实施方式的si上gesi合金mapd的图；
图60是示出根据一些实施方式的在不同i层掺杂浓度下的具有根据反向偏置的以微米为单位的耗尽宽度的曲线图；
图61是示出根据一些实施方式的具有与i层接触的肖特基接触金属或tco的mpd的图；
图62是示出根据一些实施方式的与图61类似的但包括薄p层的结构图；
图63是示出根据一些实施方式的与图62类似的但在p层顶部上没有tco或金属层的结构的图；
图64是示出根据一些实施方式的与cmos和/或bicmos电子器件集成在单个硅芯片上的mpd/mapd的截面示意图；
图65是根据一些实施方式的mpd/mapd的顶视图，其中反射器包括在台面的周边；
图66a和图66b是示出了两种不同类型的dbr的图65的mpd/mapd的截面；
图67是根据一些实施方式的与电子iccmos和/或bicmos集成的mpd/mapd的简单顶视示意图；
图68是根据一些实施方式的与电子器件单片集成在单个芯片上的多个mpd/mapd的简单示意图的顶视图；
图69是根据一些实施方式的可以在p-i-nsi/gesi(sige)/gempd/mapd中蚀刻的微结构孔的横截面示意图；
图70是根据一些实施方式的类似于图69中所示的除了用金属或透明导电氧化物替代p层之外的mpd/mapd的截面示意图，；
图71是mpd/mapd的截面示意图，其中微结构孔可以具有连接相邻垂直孔的地下孔；
图72a和图72b是与图69中所示类似的但在微观结构中具有两个孔和柱用于增强吸收和量子效率结构的横截面和顶视示意图；
图73a和图73b是根据一些实施方式的如图72中的孔内具有柱的孔的横截面和顶视示意图，其中填充物至少部分地填充环形沟槽；
图74a和图74b是具有柱作为吸收增强微结构的微结构pd/apd的截面和顶视示意图；
图75a是示出根据一些实施方式的在微结构孔中传播的光场的有限差分时域仿真的曲线图；
图75b是根据一些实施方式的随机和/或非周期性间隔的孔的示例的顶视图；
图76a和图76b示出了根据一些实施方式的在soi衬底上具有p-i-n结构的微结构发射极(me)的截面示意图；
图77是根据一些实施方式的与cmos/bicmos集成电路(ic)电子器件单片集成在单个硅芯片上的me的示意性截面图；
图78是根据一些实施方式的与cmos/bicmos电子ic单片集成的me的示意性顶视图；
图79a和图79b是根据一些实施方式的两个可能的微结构光电二极管的示意性截面图；
图80是示出使用cmos和/或bicmos工艺将图79b中所示结构与si集成电路(ic)或专用电子器件(asic)集成的截面示意图；
图81是示出根据一些实施方式的大面积mpd的截面示意图；
图82是根据一些实施方式的布置在单元中的非周期性/随机微结构孔的示意性顶视图，并且该单元周期性地步进；
图83、图84、图85是根据一些实施方式的以不同取向布置的矩形孔的顶视图；
图86是示出一些示例性微结构孔布置中的光场的有限差分时域仿真的曲线图；以及
图87示出了根据一些实施方式的在不同类型的部件的单个硅芯片上的集成和/或单片集成。
具体实施方式
以下提供优选实施方式的示例的详细描述。虽然描述了若干实施方式，但应理解，本专利说明书中描述的新主题不限于本文描述的任何一个实施方式或实施方式的组合，而是包括许多替选方案、修改和等同物，此外，为了提供透彻的理解，在以下描述中阐述了许多具体细节，可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践一些实施方式。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关领域中已知的某些技术材料，以避免不必要地模糊本文所述的新主题。应该清楚的是，本文描述的一个或几个特定实施方式的各个特征可以与实施方式描述的特征或其他特征结合使用。此外，各附图中相同的附图标记和名称指示相同的元件。
微结构光电二极管和微结构雪崩光电二极管可以增强入射信号光子的吸收，并且可以比没有微结构的相似结构产生更大的量子效率以增强在给定波长范围内的吸收。吸收的增强也可以被视为吸收长度的增强。光可以与吸收层相互作用更长的时间长度，如果速度恒定，则可以等效地更长长度。在微结构光电二极管/雪崩光电二极管中激发的光学模式可以在与撞击在微结构光电二极管/雪崩光电二极管(mpd/mapd)中的入射光子方向不同的方向传播，其可以包括在外延层的平面中的主要横向方向。光学模式可以是垂直模式和横向模式的任何算术组合，其是可以是相似和/或不同的许多谐振器的复合耦合模式。此外，通过微结构可以产生慢波，其进一步增强吸收并因此提高量子效率，在光电二极管的情况下量子效率与吸收率成比例。量子效率与吸收率的比率可以在例如1至0.5或更小的范围内。对于异质结构光电二极管，例如p-i-n结构，其中p和n是硅并且i可以是gesi合金，在更长的波长，例如950nm或更长处，p和n将吸收更少并且大部分吸收将发生在igesi层。这可以导致量子效率与吸收率比率接近1，例如0.8至0.99，并且在一些情况下0.6至0.9。在存在增益的雪崩光电二极管的情况下，量子效率通常可以大于100％。例如，在吸收率为60％并且量子效率与吸收率的比率为70％(在单位增益的情况下)，量子效率为42％，并且在增益为2(3db)的情况下，量子效率可以为84％，并且在增益为4(6db)的情况下，量子效率可以为164％。
图1是示出根据一些实施方式的用于反射微结构光电二极管(mpd)中的横向或侧向光学模式的结构的图。在si衬底102上，其可以可选地包括掩埋氧化物(box)层，如果形成的话，微结构孔阵列包括形成在阵列区域110中的孔112。在pin结构的情况下，环形欧姆金属120接触p区域。形成几个布拉格si空气反射器130用于反射横向光波。在一些情况下，在微结构孔和/或柱阵列中侧向光学模式可以包括布洛赫模式。注意，孔112可以包括其他微结构，诸如柱和/或其他形式和/或形状。为简单起见，提到孔用于描述用于增强入射光子的吸收的微结构。由于微结构孔阵列，可以存在与复合耦合模式相关联的横向传播和/或静止光学模式。这些横向模式可以主要在衬底的平面中的方向上传播。也可以存在垂直于衬底平面传播的模式，并且可以存在横向模式和垂直模式的组合。布拉格反射器130可以是si和空气的交替层。可以将反射器130蚀刻到si中至与孔112大致相同的深度，或者它们可以更深或更浅。si空气布拉格反射器130将光波反射回微结构孔阵列以进一步增强吸收，因此可以提高器件的量子效率。垂直模式可以从微结构区域和非微结构区域的折射率差异和/或从不同材料(诸如从ge到si和/或从si到掩埋二氧化硅层)反射。反射模式可以进一步与微结构相互作用以增强吸收。
例如，环120由欧姆金属形成，例如示出了用于p-i-n光电二极管结构的p欧姆。根据其他实施方式，n欧姆金属可以在顶表面上，其中例如可以蚀刻通孔和/或台面以接触n层。注意，p和n可以互换。
si空气界面的布拉格反射器可以设计成以应用波长例如850nm为中心，并且例如可以反射波长范围为820nm至880nm的光。如果材料是si上ge/gesimpd/mapd(微结构apd)，则中心波长可以是1300nm并且例如跨1250nm至1350nm。众所周知，布拉格反射器中心波长和波长跨度可以通过si/空气厚度/间隔距离来调节，并且如果材料不是空气，则交替层的折射率差决定了波长跨度。
在图1中，光主要在mpd/apd110的阵列区域110处撞击到孔112中并且可能偏离外延层的平面的法线0度至50度。在任何光纤或透镜中，撞击光将具有数值孔直径，并且如果光离开焦点，则不同角度的光线将撞击在mps/apd表面上。另外，撞击光轴可能偏离法线，导致撞击在mpd/apd器件表面上的光的更大角度变化。不同角度的光线可以激发mpd/apd的不同光学模式，这可以产生可以共同有助于增强吸收的mpd/apd中的复合光学模式组，这可以导致比没有微结构的类似结构在给定波长下更高的量子效率。
图2是根据一些实施方式的示出了微结构光电二极管中的示例性横向或侧向反射模式的图1的图。虚线双头箭头表示可以主要在衬底的平面中并且被布拉格si空气反射器130反射的可能的横向或侧向模式的非常简化的光线视图。垂直模式可以通过不同区域诸如例如由于孔可以具有不同有效折射率的微结构区域和非微结构区域、以及si到掩埋二氧化硅层和ge和/或gesi和si区域的折射率差异来反映。布拉格反射器130可以是具有不同光学折射率的材料的组合，所述光学折射率是四分之一波长或四分之一波长近似宽度的奇数倍。折射率差异越大，反射波长跨度越宽。将横向光学模式反射回微结构孔阵列可以进一步增加增强的吸收，从而提高微结构光子器件的量子效率。该器件可以是光电二极管、雪崩光电二极管或光发射器。为简单起见，在图1和图2中示出了仅微结构孔和同心布拉格反射器的顶视图并且在这些附图中未示出整个光电二极管/雪崩光电二极管和/或与电子器件的任何集成，但是在下面讨论的其他图中示出。
图3是示出根据一些实施方式的以倾斜蚀刻的微结构孔的示意图。示出的孔312形成为偏离法线大于1度。在一些实施方式中，孔312偏离法线5度或更多。入射光子法线地和/或几乎与表面300成法线撞击。例如，倾斜的微结构孔的好处是在有或没有附加抗反射涂层和/或微结构(如黑硅)的情况下减少反射至小于5％并且在一些实施方式中至小于1％。在现有的光电二极管中，采用抗反射和/或使光电二极管倾斜偏离法线两者。然而，倾斜光电二极管增加了光学器件和电子器件的封装和对准的复杂性。通过倾斜微结构孔，微结构光电二极管、雪崩光电二极管及其电子器件(诸如跨阻放大器和其他信号处理器以及可与mpd/mapd单片集成的通信电子器件作为单个芯片)可以封装地平坦。这种封装使组装更容易并降低了制造成本。为简单起见，图3仅示出了一个和/或多个孔而不是整个mpd/mapd结构。在某些情况下，孔可以以不同的角度倾斜，例如某些孔和或一组孔可以以一个角度倾斜，而其他孔和或其他组孔可以以不同的角度倾斜。这可以应用si上si、gesi、ge微结构光电二极管(mpd)和微结构雪崩光电二极管(mapd)及其相关波长。
例如，整个光电二极管可以由具有p和n欧姆接触的pin结构、接合金属化、钝化、用于接合焊盘的桥电介质组成，其可以在有或没有用于单芯片上的信号处理的电子器件的soi(绝缘体上硅晶片)上或者体p或n晶片上。另外，例如，可以在有或没有一个或更多个电子集成电路的情况下形成诸如阵列的多个mpd/mapd。为简单起见，未示出mpd/mapd的其他细节，例如台面、通孔和用于功能mpd/mapd的许多其他元件。
可以在mpd/mapd的表面上和/或部分地在孔中制造黑硅以进一步减少反射。参见例如nanostructuredblacksiliconandtheopticalreflectanceofgraded-densitysurfaces，branz等人，appliedphysicsletters94，231121(2009)(通过引用并入本文)。在许多光学数据通信应用中，来自mpd/mapd的反射可以减少-20db或至大约1％或更少的返回到将光信号传送到mpd/mapd以便从光信号转换成电信号的光纤。在一些应用中，反射可以例如小于5％。
对于孔的周期性和/或非周期性(非周期)布置，孔直径可以在300nm至5000nm的范围内，并且在一些情况下，300nm至3000nm，并且间距可以在100nm至3000nm的范围内。在p-i-n或n-i-pmpd结构中，对于si的波长可以在800nm至1000nm范围内，并且对于gexsi1-x合金(其中x<＝(小于或等于)0.4)的波长可以在800nm至1350nm范围内，并且对于ge吸收i层的波长可以在1250nm至1750nm范围内。
图4是示出根据一些实施方式的具有倾斜的微结构孔的反射模拟的图。该模拟使用fdtd(麦克斯韦方程的有限差分时域)用于微结构孔阵列，其可以与mpd/mapd一起使用，其中在六边形晶格中孔直径为1300nm，并且周期为2000nm。在硅衬底上的si中，以偏离法线0度、5度和15度的角度蚀刻孔至2000nm的深度处。从模拟中可以看出，偏离法线15度给出了通常较低例如0度的反射。在大约870nm波长处，15度倾斜孔的反射可以具有小于2％的反射，并且对于黑硅，可以进一步减小到1％或更小。低反射在收发器设计中很重要。在一些收发器设计中，在850nm和10gb/s处小于或等于-12db反射是优选的，并且在一些情况下小于或等于-20db是理想的。例如，角度可以是从法线的2度到45度的范围。
图5是示出具有图4中使用的尺寸的15度孔的微结构孔的fdtd模拟反射的曲线图。处于偏离法线倾斜的孔在表面处可具有椭圆形状并且可以不是圆形。例如在入射辐射近似垂直于mpd/mapd表面的情况下，在845nm波长下反射可以低至2％或更低或约-16db。添加黑硅，其中纳米特征被蚀刻在表面和部分在孔中，反射可以在800nm至1000nm范围内的信号波长下进一步减小至1％或更小。黑硅也可以沉积在mpd/mapd的表面上，并且在一些情况下外延生长，并且在一些情况下，非晶硅和/或其他半导体和/或碳类材料和/或电介质和/或金属材料，可以沉积并且在一些情况下可以随后进行干蚀刻以进一步增强和/或制造可以减少反射的纳米结构。
可以在si上gempd/mapd、si上si/ge/si、sigesi/si和ge/gesimpd和mapd上实施用于减少反射的类似微结构和纳米结构。波长可以跨越800nm至1750nm，并且在一些情况下为850nm至950nm，并且在一些情况下为1250nm至1350nm，并且在一些情况下为1350nm至1750nm。孔直径可以在300nm至5000nm的范围内，并且间距为100nm至5000nm，其中间距是最近的相邻微结构之间的距离。在可以在800nm至1750nm范围内的信号波长下，反射可以小于5％并且在一些情况下小于3％并且在一些情况下小于2％并且在一些情况下小于1％。
图6是示出图3和图4中描述的结构的增强的吸收特性的fdtd模拟的曲线图。对于mpd和mapd器件，对于从800nm至900nm信号波长的法线偏离的各种角度，可以看到微结构孔阵列的增强的吸收特性。曲线610、612和614分别示出了具有0度、5度和15度的倾斜角的孔的吸收特性。在偏离法线15度处，在840nm至860nm入射波长下吸收优于90％。高吸收可导致在某些波长下量子效率>＝40％，并且在一些情况下>＝50％，并且在一些情况下>＝60％，并且在一些情况下>＝70％，并且在一些情况下>＝80％，并且在一些情况下>＝90％。对于p-i-n或n-i-pmpd和p-i(吸收)-p-i(倍增)-nmapd，波长在800nm至900nm范围内，其中在高电场i层(以外部施加的反向偏置)中光电载体如电子和空穴(e-h)的吸收和产生贡献在高数据速率带宽mpd下的大量量子效率，其中数据速率带宽>＝1gb/s，并且在一些情况下>＝5gb/s，并且在一些情况下>＝10gb/s，并且在一些情况下>＝25gb/s，并且在一些情况下>＝40gb/s，并且在一些情况下>＝50gb/s。类似地，微结构可以设计用于800nm至1000nm的波长范围。此外，孔直径和周期分别在300nm至5000nm和500nm至15000nm范围内，si上ge和si上gesimpd/mapd也可以在800nm至1750nm，并且在一些情况下850nm至950nm，并且在一些情况下1250nm至1350nm，并且在一些情况下1350nm至1750nm范围内的某些波长下具有低反射和高吸收，其中反射<＝5％，并且在一些情况下<＝3％，并且在一些情况下<＝2％，并且在一些情况下<＝1％，以及量子效率>＝30％，并且在一些情况下>＝40％，并且在一些情况下>＝50％，并且在一些情况下>＝60％，并且在一些情况下>＝70％，并且在一些情况下>＝80％。数据速率带宽可以>＝1gb/s，并且在一些情况下>＝5gb/s，并且在一些情况下>＝10gb/s，并且在一些情况下>＝25gb/s，并且在一些情况下>＝40gb/s，并且在一些情况下>＝50gb/s。在si上ge、si上si/ge、si上si/gesi、si上gesi、si(和/或soi，绝缘体上硅)上ge/gesi/si(单层和/或多层，诸如量子阱和/或超晶格)mapd的情况下，例如，在-10伏至-50伏的反向偏置下，增益可以>＝2并且在一些情况下>＝5并且在一些情况下>＝10。
在所描述的示例中，mpd/mapd可以在si衬底和/或soi衬底上，并且在一些情况下可以具有多个soi层。微结构还可以是柱、微腔、微突起及其任何组合。
图7a和图7b是根据一些实施方式的漏斗形孔的图和表。漏斗形孔被蚀刻通过si中的p-i-n微结构光电二极管的2微米厚度的“i”层708。i层708可以在0.5微米至3.5微米范围内。p层710为0.3微米厚(并且可以为0.1微米至1微米厚)，n层706为1微米厚(并且可以为0.1微米至2微米或更厚)，并且nsi衬底702也可以是soi衬底。所描述的结构也适用于sip-i-p-i-nmapd以及除simpd/mapd之外的具有针对特定波长范围的孔和周期和/或间隔的其他材料系统，诸如si和/或soi上的ge、gesi、ge/gesi/si。孔的侧壁相对于水平表面的角度在65.6度至80度之间变化，其中90度是垂直侧壁，并且在一些情况下，角度可以在50度至90度之间变化，并且在一些情况下可以在45度至90度之间变化，并且在一些情况下，45度至大于90度，在大于90度的情况下，斜率与斜率<90度符号形式相反。表面孔直径的示例在表中给出并且从1300nm至1900nm之间变化，以及在fdtd模拟中使用六边形晶格的2000nm的周期。孔直径和周期分别可以在300nm至8000nm和400nm至16000nm的范围内，并且漏斗可以是梯形和/或v形或锥形，其中侧壁达到近似点。在一些情况下，侧壁可以具有多个角度，并且在一些情况下可以具有弯曲的侧壁。例如，侧壁可以具有“平滑”变化的斜率，其中“无限”角度与曲线相切。在微结构为非周期性的情况下，相邻微结构之间的间隔可以在0nm至10000nm的范围内，并且在一些情况下为500nm至3000nm。在一些情况下，对于非圆形微结构，微结构的至少一个横向尺寸可以在100nm至5000nm的范围内。
用于模拟的角度在图7b的表中给出并且与水平方向成65.6度、75度和80度。通常，例如，角度可以在与水平方向成45度至90度或更多之间变化，并且在一些情况下小于45度。另外，侧壁可以具有多个角度，例如以与水平方向成较小的角度65度开始并且过渡到75度的更陡的角度。其他范围也可以是30度到90度并且侧壁角度有多种变化。此外，在一些情况下，角度可以大于90度，例如从漏斗到倒锥(flair)，或者斜率在符号上可以从负到正或者从正到负变化。如果漏斗被定义为正斜率，则倒锥将是负斜率。该孔可以具有多个斜率，并且可以具有多个正斜率到负斜率。一些实施方式可具有例如55+/-3度、65+/-3度、70+/-度、75+/-3度、80+/-3度和85+/-3度的角度。孔也可以具有大于90度的角度。另外，侧壁的不同面可以在结晶平面或非结晶平面处具有不同的斜率，这取决于可以是各向同性和/或各向异性工艺的蚀刻工艺。同样的讨论也适用于柱和其他微结构形状，例如腔、突起。类似地，这可以应用于si上ge、si上gesi、si上si/ge、si上si/gesi以及相关的波长。
图8a和图8b是示出撞击在具有如图7a和图7b所示的漏斗形状的微结构孔上的电磁场的fdtd模拟的曲线图。图8a示出根据800nm至900nm波长变化的吸收。该曲线用于如图7a和图7b所示的微结构p-i-npd，其中“i”层为2微米并且孔蚀刻为漏斗或锥形形状的2微米至2.2微米深，其中表面处直径为1900nm并且六边形晶格的周期为2000nm。图8a中的侧壁的角度相对于水平表面为65.6度或大约66度。从820nm至860nm，吸收率大约为80％或更高。图8b示出了相同孔直径和周期为1900/2000的结果，但是侧壁相对于水平表面的不同角度大约为75度。与66度情况相比，该结构对于大于870nm的波长显示出较小的吸收，并且还具有较大的吸收特性波动。75度漏斗的蚀刻深度为约2.3微米。漏斗/锥体为66度，并且在一些情况下为55度，与水平方向成45度至70度之间的角度可以产生根据波长变化的更宽的吸收特性，并且吸收相对于波长的变化也可以小于约20％并且在一些情况下低于10％。
量子效率(qe)可以>＝30％并且在一些情况下>＝40％并且在一些情况下>＝50％并且在一些情况下>＝60％并且在一些情况下>＝70％。对于simpd/mapd，在800nm至1000nm范围内的某些波长下微结构pd/apd的量子效率高于没有微结构的类似结构。由于重复合，一些光载流子在mpd/mapd的p和n层中丢失；qe的大部分来自i区产生的光载流子，其中由于施加到p阳极和n阴极的反向偏置而存在高电场。
等效漏斗微结构也适用于其他材料系统，例如si或soi上ge、si或soi上gesi、si或soi上ge/gesi以及si或soi上ge/gesi/si，其中孔直径范围为300nm至4500nm，并且周期为500nm至10000nm。对于p层，最表面层，厚度可以在0.1微米至1微米的范围内(在p层对入射波长大部分透明的情况下，例如具有比吸收i层更大的带隙，该层可以是更厚，0.1微米至3微米)。i吸收层可以具有0.5微米至3.5微米范围内的厚度。n层可以具有0.1微米至1微米范围内的厚度，并且在n层具有比i吸收层更大的带隙的情况下，该层可以更厚，并且可以在0.1微米至5微米范围内。p-i-n可以在nsi衬底或nsisoi衬底上外延生长。
对于si或ge上si和/或si或soi上gesi和/或simapd可以具有与mpd相同的p-i层，并添加p(电荷)-i(倍增)-n层，其中p(电荷)可以具有0.05微米至0.2微米范围内厚度，i(倍增)可以具有0.1微米至2微米范围内厚度，并且n(阴极)可以具有0.1微米至5微米范围内厚度。对于mpd和apd两者，si上si、si上ge、si上gesi和si上ge/gesi/si器件，p阳极和n阴极掺杂可以>＝5×1018/cm3，并且p电荷层可以掺杂>＝1×1017/cm3，并且i吸收和倍增层可以无意掺杂和/或固有本底掺杂<＝5×1016/cm3。
图9a至图9d是根据一些实施方式的具有漏斗形孔的si、soi和si上ge微结构pd(apd)的p-i-n微结构pd/apd的表和示意图。图9a的表给出了以nm为单位的表面处的孔直径和周期的样品范围(在1900nm至4200nm直径和2000nm至4400nm的周期范围内)以及相对于水平表面的55度至70度的侧壁角度。尽管该表指定了水平晶格图案，但是可以使用其他晶格图案。此外，单行孔或一组孔可以具有与下一行孔或一组孔不同的某些周期。而且，孔可以具有非周期性间隔。
未示出其他直径和周期；在一些情况下，孔的直径可以在600nm至2500nm的范围内，并且在一些情况下可以在600nm至5000nm的范围内，周期可以在800nm至10000nm的范围内，并且在一些情况下可以在600nm至5000nm的范围内。侧壁角度可以在40至90和/或更大的范围内，并且可以在单个侧壁中具有多个角度，并且侧壁的不同面可以具有不同的多个角度。蚀刻深度可以取决于侧壁的角度，例如，角度可以从50度开始并且变化到80度，并且孔可以比具有50度的单个角度的侧壁蚀刻地更深。一旦相对的侧壁相交，继续蚀刻除了蚀刻更深将加宽孔的直径，深度可以通过简单的三角法确定。例如，对于1900nm的孔直径和55度的侧壁角，对于锥形孔，深度为约1.36微米。
图9b和图9c是例如对于数据速率>＝5gb/s，在一些情况下>＝10gb/s，在一些情况下>＝25gb/s，并且在一些情况下>＝40gb/s在800nm至900nm，并且在一些情况下，850nm+/-30nm波长，并且在一些情况下850nm至950nm下操作的3微米(微米)厚的si中“i”层。mpd/mapd可以与电子器件例如互阻抗放大器和si上的其他信号处理、存储和传输电子器件集成。p和i层也可以是si和/或gexsi1-x合金，其中x<＝0.4，在一些情况下<＝0.2，并且在一些情况下<＝0.6。在一些情况下，p层可以具有比i层的x低的x。i层也可以是多层的，其中si和/或gexsi1-x对于每层具有不同或相同的x值。
图9d示出了si上gep-i-n，其中“i”层是3微米厚的ge，用于1350nm至1750nm，并且在一些情况下，例如在1550nm+/-100nm下操作。i层也可以是gexsi1-x，其中x可以在0至1的范围内，并且i层可以是si和/或gexsi1-x的多层，其中层可以具有相同或不同的x值，在一些情况下x<＝0.4并且对于gesi合金p层可以具有小于i层的x值的x值，以最小化p层中的光载流子的吸收和产生。数据速率带宽可以>＝1gb/s，在一些情况下>＝5gb/s，在一些情况下>＝10gb/s，在一些情况下>＝25gb/s，在一些情况下>＝40gb/s，在一些情况下>＝50gb/s，并且在一些情况下>＝60gb/s。
这些微结构也适用于mapd器件，如前所述增加了电荷和倍增层，并且可以具有增益>＝2，在一些情况下>＝5，在一些情况下>＝10，并且在一些情况下>＝20。
例如，孔直径可以在600nm至6000nm的范围内，并且例如周期可以在900nm至8000nm的范围内。根据侧壁角度，漏斗或锥体可以部分地蚀刻到“i”层中和/或蚀刻经过“i”层，在一些情况下，漏斗或锥体可以部分地蚀刻到p层中并且在一些情况下蚀刻到soi(绝缘体上硅)衬底上的sio2层中。漏斗和/或锥体也可以用于微结构雪崩光电二极管、太阳能电池或图像传感器。漏斗和/或锥形微结构还可以用于需要相对于波长特性的延长吸收、和/或相对于考虑到特定应用对器件的物理吸收长度有限制在吸收系数不足以实现qe>＝30％的情况下在某些波长处比没有微结构的类似结构改进的灵敏度或更高的量子效率的任何光子传感器。例如，在高数据速率带宽光学光电二极管/雪崩光电二极管中，吸收i层中的电子和/或空穴的传输时间确定了器件的数据速率频率响应。对于1-4×104v/cm左右的施加场，例如在阳极和阴极跨2微米至3微米厚的i层上的-3至-10v的反向偏置，空穴和电子的饱和速度分别约为5×106cm/s至1×107cm/s。
在微结构光电二极管/雪崩光电二极管工艺中未提及的是半导体表面的钝化、去除由于干蚀刻、等离子体清洁和/或暴露于可能导致晶体损坏的任何高能粒子的晶体损伤，其中晶体损伤进而可能导致光生载流子的复合中心，这会导致光电探测器的性能下降，例如qe降低。一些去除损伤的方法包括湿蚀刻以去除晶体损伤、热退火、氧化、低能量cl和/或其他离子蚀刻等。此外，激光器可以用于通过经由用短的激光脉冲在硅中快速吸收而加热选择性区域退火和氧化。
由于孔直径相对较小，如果表面是疏水的，则孔内的湿蚀刻是困难的。表面活性剂和超声波浴可用于帮助在孔的整个长度内获得液体蚀刻剂。另一种方法使用700摄氏度至1100摄氏度下的湿(蒸汽)或干氧化持续一段时间，以在干蚀刻期间损坏的si之外生长sio2层，使用热氧化将约50nm，在一些情况下100nm并且在一些情况下30nm损坏的si转换为sio2。氧化物可以用作钝化和/或然后hf或缓冲hf可以用于去除亲水性sio2。随后的热氧化和/或其他钝化可以施加在孔内以减少表面态和复合中心，这会降低吸收并因此降低微结构光电二极管的量子效率。
图10是示出具有如图9b所示结构的微结构sipd的fdtd模拟结果的曲线图。图10中的曲线图是用于在六边形晶格中具有4200nm直径和4400nm周期的孔的pd；这些孔是漏斗形的并且具有66度侧壁角。该曲线图示出了吸收相对于波长从800nm至900nm的关系。也可以使用其他晶格结构和周期性或非周期性结构。具有4200nm直径和66度侧壁的漏斗的深度为约3300nm。如图所示，波长从800nm至900nm的吸收大于90％。这可以导致对于si或soi上si、si或soi上ge、si或soi上gesi、以及si或soi上ge/gesi/si的mpd/mapd器件qe>＝40％，在一些情况下>＝50％，在一些情况下>＝60％，在一些情况下>＝70％，并且在一些情况下>＝80％。
也可以使用其他孔直径和周期。例如，孔直径可以在500nm至5000nm的范围内，并且周期可以在600nm至10000nm的范围内。此外，孔可以部分地蚀刻在p层中至i层中，部分地蚀刻到i层中，穿过i层，部分地蚀刻到n层中，到soi的氧化物层以及其深度的任何组合。
图11a和图11b是示出具有如图9c所示结构的微结构sipd(或mapd)的fdtd模拟结果的曲线图。根据孔直径，孔的深度从表面蚀刻到约2000nm至4300nm，其中侧壁角为66度。
图11a示出对于该模拟，具有2600nm孔直径和2800nm周期的六边形晶格的微结构孔的吸收相对于波长800nm至900nm。也可以使用其他晶格结构和周期性或非周期性结构。模拟显示在800nm至900nm波长下吸收大于80％。
图11b示出孔的直径和周期分别为4200nm和4400nm的pd的结果。侧壁的角度为66度，并且蚀刻深度为约4300nm。吸收优于90％，并且在一些情况下，从800nm至900nm波长优于95％，并且在800nm至900nm波长的吸收中具有小于10％的波纹。
对于可与si电子器件和/或sige电子器件如bicmos集成的mpd/mapd器件，增强的吸收可以导致qe>＝40％并且在一些情况下>＝50％并且在一些情况下>＝60％并且在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。
与侧壁的水平方向成的角度可以在±1％-50％或更多的范围内变化，微结构孔深度、直径、周期可以单独地在±1％-50％或更多地变化和/或和/或以任何组合一起变化。
孔(和/或柱)直径可以在300nm至5000nm的范围内，并且周期可以在400nm至10000nm的范围内。此外，孔的深度(或柱的高度)可以在0.1微米至5微米或更大的范围内，例如，可以将孔蚀刻到soi的sio2层。
图12a和图12b是示出具有如图9d所示结构的微结构si上gepd的fdtd模拟结果的曲线图。将孔蚀刻至约3300nm，其中侧壁角度为66度+/-10度。图12a示出了用于该模拟的六边形晶格中的孔直径和周期分别为2600nm和2800nm的结果。也可以使用其他晶格结构和周期性或非周期性结构。曲线显示波长在1400nm至1700nm之间的吸收大于70％。
图12b是具有孔直径和周期分别为4200nm和4400nm的结构的吸收相对于波长曲线图。侧壁的角度为66度+/-10度，并且蚀刻深度为3300nm。图12b中的曲线是对于六边形晶格的孔直径/周期为4200nm/4400nm和具有66度侧壁而言的，对于撞击在微结构pd/apd的表面上的光的大多数波长在1400nm至1700nm波长其吸收优于85％，并且在一些情况下优于90％。
侧壁的角度可以变化±1％-50％或更多。类似地，微结构孔深度、直径和周期可以单独地以±1％-50％或更多地变化和/或以任何组合一起变化。
在表面处具有比表面下方的孔横向尺寸大的横向尺寸的孔可以具有比在表面横向尺寸在蚀刻深度的整个长度上大致相同的孔更高的吸收特性。例如，对于某些孔直径，漏斗孔在某些波长范围内可以具有比相当的圆柱孔更大的吸收。例如漏斗可以是圆形或多边形，诸如倒金字塔形。
孔直径(为了简化讨论使用直径并且暗示圆形，但是可以使用诸如正方形或多边形的其他孔形状，并且此外孔可以是椭圆形、卵形、不规则多边形、不规则形状和/或其任何组合，可以在500nm至5000nm或更大的范围内。在某些情况下，孔具有800nm至4200nm的表面直径并且具有大约62度至68度的蚀刻角，在一些情况下，蚀刻角可以为40度至90度或更大。周期可以在600nm至10000nm的范围内，并且在一些情况下可以是1100nm至5000nm。
fdtd模拟示出当光大致垂直于与微结构漏斗/锥体和/或圆柱体的表面撞击时，光波在表面的平面中传播。对于在800nm至1100nm范围内并且在一些情况下850nm至1000nm范围内的光子波长，光波的这种横向传播增加了硅吸收“i”层的入射光子的吸收。对于锗吸收“i”层和/或gexsi1-x合金，其中x可以在0.01至1的范围内，并且在一些情况下x<＝0.4，光子波长可以在1350nm至1800nm的范围内。在一些情况下，波长可以在1250nm至1350nm、1350nm至1750nm、850nm至950nm、850nm至1000nm、或者800nm至1350nm的范围内。
在某些情况下，表面处的孔直径可以小于入射光波长，在某些情况下，表面处的孔直径可以与入射光子波长大致相同，并且在某些情况下，微结构光电二极管/雪崩光电二极管的表面处的孔直径可以大于入射光子波长。
可以将漏斗孔蚀刻至0.1微米至4微米或更大的深度，并且可以将其蚀刻至soi衬底的sio2层。在某些情况下，漏斗孔被蚀刻到nsi层。
如上所述，图12a示出了对于在六边形晶格上具有2600nm直径和2800nm周期的微结构漏斗的吸收相对于1400nm至1700nm波长的fdtd模拟。侧壁角度为66度，并且蚀刻深度为3300nm。在1400nm至1700nm波长范围内，增强的吸收优于70％。
同样如上所述，图12b示出了对于在六边形晶格上具有4200nm直径和4400nm周期的微结构漏斗的吸收相对于1400nm至1700nm波长的fdtd模拟。侧壁角度为66度，并且蚀刻深度为3300nm。在1400nm至1700nm波长范围内，增强的吸收优于80％。
增强的吸收可导致qe>＝30％、>＝40％、>＝50％、>＝60％、>＝70％、>＝80％、和/或>＝90％。微结构可以应用于具有相同p和i吸收和n阴极层的雪崩光电二极管，但是在i吸收层和n阴极层之间添加p电荷(si)和i倍增(si)层。对于mpd/mapd器件数据速率带宽>＝1gb/s、>＝5gb/s、>＝10gb/s、>＝25gb/s、>＝40gb/s、>＝50gb/s、和/或>＝60gb/s。例如对于mapd，增益可以为>＝2、>＝4、>＝6、>＝10、>＝13、>＝15、>＝20。
图13是蚀刻的微结构孔的扫描电子显微照片，其中侧壁具有多个斜面。在某些情况下，孔侧壁可以主要具有单个斜面，以及在其他情况下，它可以具有多个斜面。图13中所示的蚀刻是用于硅的标准干蚀刻，如硅mems(微电子机械系统)的制造和用于沟槽的cmos工艺诸如用于互连的beol(后端线)工艺以及在cmos工艺中的蚀刻工艺。干蚀刻会对硅表面造成损害，并且热氧化物钝化、湿蚀刻、低能离子蚀刻、hf钝化、氧化和湿蚀刻等可用于去除和/或减少损坏和/或或钝化表面。蚀刻的si表面的钝化可以包括热氧化物、ald(原子层沉积)氧化物和电介质、氧化物和/或电介质的pecvd(等离子体增强化学气相沉积)、氧化物和/或电介质的cvd(化学气相沉积)等。
注意，可以使用其他蚀刻形状，诸如具有负斜率的孔、具有连续斜率变化的桶状孔、钩形孔、沙漏形孔。
图14a至图14c是根据一些实施方式的以多个侧壁角蚀刻的微结构孔的扫描电子显微照片。可以使用漏斗和圆柱孔的组合。孔还可以具有其他形状，诸如矩形、多边形、变形虫状或三叶草状。
在许多情况下，用于mpd/mapd器件的孔和/或腔型微结构是优选的，因为与柱或突起相比，表面是连续的并且电连接。对于柱，每个柱都是一个岛，并且所有柱都需要电连接，这增加了加工的复杂性。这往往会增加制造mpd/mapd器件的成本。
图15a至图15d是根据一些实施方式的简化示出两种类型的微结构孔的图。图15a和图15b示出了梯形孔，并且图15c和图15d示出了漏斗(锥形)孔。不同的蚀刻深度可以影响微结构孔中及其在半导体材料中的周围的光子的吸收，其中光场可以在横向(或主要平行于衬底的表面)方向上并且除了垂直方向之外传播。微结构孔的深度可以在0.05微米至5微米或更大的范围内。在一些情况下，微结构孔组中的孔可以具有多个蚀刻深度，例如2个或更多个蚀刻深度，以优化横向光场模式和与i吸收层的波相互作用。该组孔也可以在非周期性孔布置中具有多个直径和/或周期和/或间距。直径可以在300nm至5000nm的范围内，并且周期可以在400nm至10000nm的范围内。间距可以为0至5000nm范围内。这些尺寸适用于si(soi)上simpd/mapd和si(soi)上gempd/mapd以及si(soi)上的gesimpd/mapd和si(soi)上ge/gesi/simpd/mapd。
如图15a至图15d所示，simpd在si或soi上形成并且可以具有以下层厚度：对于si上p-i-n结构，p层厚度可以在0.05微米至0.5微米的范围内，掺杂>1×1019/cm3并且在一些情况下>＝1×1020/cm3；i吸收层厚度可以在0.5微米至3.5微米范围内，掺杂<＝5×1015/cm3；并且n层厚度可以在0.2微米至2微米或更大的范围内，掺杂>＝1×1018/cm3，并且在一些情况下>＝3×1019/cm3。对于nsi衬底和/或nsoi衬底，n可以具有0.01微米至0.2微米的厚度范围，并且sio2可以具有0.5微米至4微米或更大的厚度。这些范围是指导性的，并且对于不同的应用，范围可以变化以反映该特定应用。
微结构和层可以应用于si或soi上ge、gesi、ge-gesi、ge-gesi-simpd/mapd，对于si上的p-i-n结构具有以下范围：p(ge和/或gexsi1-x其中x<＝0.4)层厚度可以在0.05微米至0.5微米范围内，掺杂>1×1019/cm3，并且在一些情况下>＝1×1020/cm3；i(ge和/或gexsi1-xx<＝0.4，和/或ge和/或si和/或gexsi1-xx<1多层)吸收层厚度可以在0.5微米至3.5微米范围内，并且掺杂<＝5×106/cm3，并且在一些情况下<＝1×1016/cm3，并且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3，并且n(si和/或gexsi1-xx<＝0.4)层厚度可以在0.2微米至2微米或更大的范围内，掺杂>＝1×1018/cm3，并且在一些情况下>＝3×1019/cm3；在nsi衬底和/或nsoi衬底上，其中n可以具有0.01微米至0.2微米的厚度范围，并且sio2可以具有0.5微米至4微米或更大的厚度。该范围是指导性的，并且对于不同的应用，可以改变范围以反映该特定应用，在一些情况下，在si上进行ge外延生长之前生长和/或沉积缓冲ge层。参见，例如，epitaxially-grownge/siavalanchephotodiodesfor1.3μmlightdetection，kang等人，2008年6月23日/vol.16,no.13/opticsexpress9366(通过引入并入本文并且称为“kang等人，2008”)；和high-performancege-on-siphotodetectors，michel等人，naturephotonics|vol4|2010年8月|www.nature.com/naturephotonics(通过引用并入本文并且称为“michel等人”)。由于ge和si层之间的晶格失配，缓冲ge层减轻了ge外延层上的应变。大的应变会导致晶片弯曲，这会使半导体处理变得困难并且增加制造成本并且应变可能是不可再现的。
示出了mpdp-i-n结构，但是可以通过在i吸收层和n层之间插入厚度范围为0.05微米至0.2微米和掺杂>＝1×1017/cm3的p(si)电荷层以及厚度范围为0.3微米至1.0微米和掺杂<＝5×1016/cm3且在一些情况下<＝1×1016/cm3且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3的i(si)倍增层来制造mapd结构。mapd可以用于si或soi上simapd以及si或soi上ge、gesi、ge-gesi、ge-gesi-si、si-ge-si、si-gesi-simapd，mapd可以具有反向偏置p阳极和n阴极之间的电压为-10伏至-40伏，并且在一些情况下-20伏至-30伏，其中增益范围为2至10或更高，数据速率带宽范围为1gb/s至50gb/s或更高。simpd/mapd的波长可以在800nm至950nm范围内，在一些情况下在850nm至950nm。对于在simpd/mapd上gexsi1-x，其中x<＝0.4，波长可以在1250nm至1350nm、850nm至1000nm、850nm至950nm、850nm至1350nm，并且在一些情况下950nm至1350nm范围内。对于si上gempd/mapd，波长可以在1350nm至1750nm、1450nm至1750nm，并且在一些情况下1500nm至1600nm范围内。
量子效率与吸收成比例，并且可以是吸收的10％至80％或更多。例如，在850nm波长的光下吸收可以是0.9(90％)，并且量子效率可以是吸收的0.7(70％)，这是由于光损失到诸如n和p层的区域，其中光生成的载流子在贡献光电流之前重新复合。在i吸收层中产生的光载流子由于施加的外部反向偏置而存在高电场，产生p-i-nmpd/mapd器件的大部分量子效率。响应度(r)是光电流安培/光功率瓦特，并且量子效率(qe)可以从响应度得出为qe＝hfr/q其中h是普朗克常数，f是光学频率，并且q是电荷。或者，qe约为r(1.234)/波长(μm)。
可以将孔部分地蚀刻到如图15a和图15c所示i层中和/或通过i层蚀刻，和/或如图15b和图15d所示经过i层并进入n层。孔也可以蚀刻到衬底和/或sio2层中。通常在漏斗孔的情况下，蚀刻深度也受到孔的直径和侧壁的角度的限制。在某些情况下，漏斗形孔提供更宽和更均匀的吸收特性，在50nm或更大的波长范围内，吸收和/或qe的变化小于圆柱形孔的10％至20％。
图16是示出根据一些实施方式的用于硅微结构光电二极管与cmos和/或bicmos电子器件的单片集成的可能层结构的图。电子器件可以包括跨阻抗放大器和其他信号处理/调节、发送-接收/通信、存储、恢复、计算电子器件。在该特定示例中，示出了两个掩埋的sio2层。光电二极管pin位于两个氧化物层之间，并且cmos/bicmos层位于顶层。还可以包括其他结构，包括微结构雪崩光电二极管和/或si上ge、gesimpd/mapd。
在一些情况下，可以使用单个氧化物层、没有氧化物层或多个氧化物层。例如氧的物质的离子注入可用于隔离。pn结也可用于电隔离。还可以蚀刻通孔使得光可以从衬底(底部)侧而不是从顶侧进入，此外，它可以包括多个光电二极管，每个光电二极管具有相同和/或不同的微结构孔图案、尺寸、周期和/或布置中的非周期性和/或伪随机性。
诸如与各个电子器件集成的四个25gb/smpd的mpd阵列可以形成单个芯片4×25gb/s器件，其用作用于光学数据通信的100gb/s光接收器的聚合数据速率带宽。4个通道可以是单独的多模光纤和/或与cwdm一起使用的单个光纤(粗波分复用)。使用单个集成芯片可显著降低封装成本并降低每gb/s的成本。
图17是示出使用如图16所示的外延层结构将微结构光电二极管与电子器件集成的一种可能方法的基本元件的截面图。注意，微结构光电二极管也可以是具有用于电荷和倍增的附加层的微结构雪崩光电二极管。可以首先在表面上的cmos/bicmos层中制造电子器件，然后通过去除暴露pin结构的第一层sio2来制造微结构光电二极管的后端线(beol)工艺，其中微结构孔被干蚀刻，并且例如隔离台面/沟槽也被干蚀刻到n层。沟槽包括侧壁氧化物1734。沟槽的底部是阴极1730。金属导体1740和1742分别将阴极1730和阳极1732与跨阻抗放大器(tia)1760连接。孔和台面的钝化没有示出。台面侧壁还可以包括电介质和/或电介质和金属反射器，以将可以被散射和/或传播到台面/沟槽边缘的光反射回微结构，以增加增强的吸收，从而提供与吸收成比例的量子效率，倍增因子在0.2至0.9或更大的范围内。beol(后段制程)工艺还可以包括从光电二极管的n和p层到cmos电子电路的金属电极的互连，如图所示。
图18是示出根据一些实施方式的集成到作为从微结构光电探测器(pd/apd)到电子器件的传输线的一部分的电子电路中的电感器的图。例如，将电感器1800与几个纳亨利即0.1-10nh的传输线串联添加可以引起微结构光电探测器的高频(ghz)响应的峰值，这可以产生较高的3db带宽的光电探测器数据速率响应。频域中的峰值等同于由二极管电容和电感之间的能量交换引起的时域振铃，其中，电阻充当阻尼器。集成电感器在微波电路领域中是公知的。根据一些实施方式，诸如晶体管、电容器和电阻器的部件可以集成到作为从光电探测器(pd/apd)到电子器件的传输线的一部分的电子电路中。
图19是示出根据一些实施方式的用于将微结构光电二极管或雪崩光电二极管与cmos/bicmos电子器件集成的一些方面的基本流程图。注意，为了清楚起见，未示出许多处理步骤。在该示例中，使用后段制程处理方法将微结构光电二极管或雪崩光电二极管与cmos/bicmos电子器件集成以将光电探测器与电子器件连接并且用于电子器件内的互连。在框1910中，执行用于形成cmos/bi-cmos和tia的处理。在框1912中，蚀刻掉pin区上方的cmos/sio2层。在框1914中，蚀刻并钝化微结构孔图案。在框1916中，蚀刻周围沟槽，在框1918中，在沟槽中执行侧壁氧化物处理。在框1920中，形成tia的n欧姆和电极。注意，为简单起见，省略了形成桥接电介质/聚酰亚胺，在框1922中，形成tia的p欧姆和电极。在框1924中，在需要时形成抗反射(antireflective)涂层。在框1926中，在需要时形成背面通孔用于背面照射。注意，存在许多其他集成方法，例如使用离子注入进行电隔离，pn结也可以用于隔离和诸如meso外延(mesoepitaxy)的其他方法。另外，对于例如1300-1700nm的其他波长的光，可以外延生长诸如ge的其他材料以及诸如自组装的其他方法，剥离外延和晶片接合是其他示例。
图20a和图20b是示出根据一些实施方式的微结构孔和微结构柱的互补设计的图。使用fdtd模拟方法已经发现：两种类型的微结构对于从200至4500nm的孔/柱直径范围以及300至9000nm的周期和50至90度或更大的侧壁角可以呈现在0.8-1μm波长范围内的60％+/-30％的吸收。孔深度和柱高度是侧壁角和起始孔/柱直径和周期的函数。蚀刻深度可以在0.05至5微米的范围内。晶格可以是正方形和/或六边形和/或除了可以具有均匀和/或非均匀的孔/柱间距以外的其他分布。对于给定mpd/mapd器件，孔和柱的直径和形状也可以变化，所述给定mpd/mapd器件可以是si/soi上si微结构pd/apd或si/soi上ge、gesi、si微结构pd/apd。
图21a是显示根据一些实施方式的六边形和正方形晶格的以nm为单位的孔直径和周期的几个不同示例的表。示例是针对850nm波长的入射光，在该入射光下，体材料吸收较弱，在si的情况下为535cm-1。对于光学数据通信系统中的>10gb/s数据速率应用，i层厚度约为2μm。在不具有任何微结构的情况下，对于2μm厚度的i层，吸收在850nm处约为10％，在具有微结构的情况下，在具有2μmi层厚度时，增强的吸收在850nm处可以为30-90％或更高。如果吸收的增强为90％，则这等同于在不具有微结构的结构上的43μm(微米)的有效吸收长度或11500/cm的有效增强吸收或近似20x的较高吸收。与谐振腔增强(rce)光电二极管或apd的加载q>1000至10000相比，这还可以转换为微结构光电二极管(或apd)的近似10(可以定义为2μm距离上的往返次数)的q。诸如在微结构光电二极管的情况下的低q在比rce光电二极管更宽的波长范围内给出更宽且更平滑的响应，rce光电二极管被认为是不实用的并且已知尚未被商业化。除了大部分垂直光波传播之外，复合耦合微结构谐振器中的光波还可以具有可以基本上垂直于垂直方向的横向光学模式和/或波传播。该横向模式/波传播还可以通过光波与吸收区域的相互作用来显著地增强吸收。mpd/mapd的量子效率主要来自在其中电子和空穴分别被扫描到阴极和阳极的高电场区域i层中产生的光载流子。在诸如p和n区域的高场i区域外产生的光载流子被重新组合和/或扩散到i区域以有助于qe，然而，这些缓慢扩散的电子和空穴在高数据速率带宽mpd/mapd中是不理想的，因为它们会劣化mpd/mapd的频率数据速率响应。孔/晶格参数适用于具有相关波长的si上si、gesi、gempd/mapd。
qe与吸收成比例，由于微结构而增强的吸收也将使qe增强，并且因为并非所有吸收的光载流子均被收集，所以qe通常小于吸收，并且可以是吸收的0.3至0.95倍。
为了使i(吸收)层中得光子的吸收最大化，p和n层被保持得较薄，例如小于1微米，并且在一些情况下小于0.5微米，并且在一些情况下小于或等于0.3微米。而且在诸如gexsi1-x吸收i层的一些情况下，p和n可以具有小于在吸收i层的x的x值，在一些情况下，层中的一个层可以是si，另一个层可以是gexsi1-x，其中，对于也可以与可以包括mpd/mapd阵列的单个si芯片上的电子器件集成的si上ge/gesi/si、si上si/ge/si、si上si/gesi/si或soimpd/mapd器件，x小于i吸收gexsi1-x层。
图21b和图21c是示出根据一些实施方式的p-i-n光电二极管的两种结构的图。图21b示出了不具有soi的结构。而图21c示出了具有soi的结构。注意，厚度是出于模拟目的而示出的，并且对于p层和n层，厚度可以具有0.1-1.0μm(微米)的范围，对于l-层，厚度可以具有0.3至5μm(微米)的范围。
图22a是示出根据一些实施方式的用于si或soi上ge、gesi、si同源和/或异质结mpd/mapd的增强吸收的正方形晶格和六边形晶格的以nm为单位的孔直径/周期的几个不同示例的表。体材料吸收较弱；例如，在1550nm波长下，对于>10gb/s应用的高带宽的2μm的ige层，锗吸收系数为459cm-1。在不具有用于增强吸收的微结构孔的情况下，材料对于未应变到ge的带隙变窄了大于0.006-0.01ev的点的si上ge层具有近似9％的吸收。在具有微结构孔/柱的情况下，550nm处的吸收可以增强至>30％。在一些情况下，1550nm处的吸收可以增强至大于50％、70％、80％甚至大于90％。量子效率可以是吸收的一部分，其中，所述一部分的范围从0.2至0.95或更高。如果增强的吸收为80％，则量子效率可以是吸收的60％或近似0.8。减少的量子效率可以归因于在pge层中吸收的光，并且光载流子重新组合并且例如对qe不具有显著贡献。
图22b是示出其中pge可以具有0.1-0.5μm(微米)的厚度范围并且ige层可以具有0.5-5μm的厚度范围的si上ge光电二极管的示例的图。nsi层可以具有0.1-200μm的厚度范围和/或衬底可以是nsi。此外，nsi可以在其中使用了掩埋氧化物层的soi上。在1550nm的波长下，si基本上是透明的，具有最小的光学损耗。p和i层也可以是gexsi1-x，其中，x,<1，并且在一些情况下x<＝0.6，在一些情况下x<＝0.4，pgexsi1-x层可以具有小于在gexsi1-x层的x的x。i层可以是具有gexsi1-x层的多个层，其中，x<＝1和/或x＝0，并且i层可以在10nm至500nm的厚度范围内或者在一些情况下在10nm至1000nm的厚度范围内。对于大于25gb/s的数据速率，i层的多个层可以具有0.3微米至3.5微米的总厚度。对于10gb/s，i层可以更厚，例如到5微米或更大。对于50gb/s，i层厚度近似为1.8微米或更小。
图23a和图23b是示出图21c所示的针对正方形或六边形孔阵列的指示的孔直径/周期的soi上simpd的模拟结果的曲线图。为简单起见，微结构孔是圆柱形的，并且被蚀刻到sio2层。i层中的吸收或量子效率被显示在垂直轴上，并且以nm为单位的波长被显示在820nm至880nm的水平轴上。还对应于qe而仅显示2μm厚的1层中的光子吸收。在p层和n层中丢失的或被反射或透射的光子不被计入i层的吸收中。由于不包括反射形成台面边缘的横向模式(例如布洛赫模式)和/或光传播和/或静止(例如本征模式)，所以模拟可能被低估为吸收的光子。横向反射模式可以显著地增加光电二极管的量子效率。给定与在840nm处的591cm-1的si的体吸收系数相比的8000cm-1的增强的吸收系数或者27μm的有效吸收长度或者等效地近似为7的q或者光子可以等效地在消散之前在垂直方向上进行7次往返，通过fdtd方法来模拟在六边形晶格中的具有600nm的直径和900nm的周期的孔在840nm处的80％的量子效率。q也可以定义为λ/δλ，其中，λ是峰值波长，δλ是幅度(吸收或量子效率)减少1/2的线宽。对于近似为8的q，例如，以850nm处为中心的线约为100nm。该较低的q产生作为入射波长的函数的更宽且整体上更平滑的吸收或量子效率曲线。作为示例，对于q为1000至10000的rce光电二极管，约850nm的线宽为0.8-0.08nm，这对于实际应用来说太尖锐，因此已知尚未被商业化。
图24是示出根据一些实施方式的在mpd/mapd设备中反弹的光的简化光线视图的图。微结构可以是孔、矩形凹槽、柱、沟道、沟槽、分形体、规则和不规则腔。微结构可以被部分地蚀刻到p层中，穿过p层并部分地被蚀刻到i层中(如所示)，穿过i层并部分地被蚀刻到n层中，穿过n层并且到达氧化层，或者被部分地蚀刻到氧化层。光可以耦合到硅p层、硅i层和硅n层中并被捕获，使得其从呈现折射率不匹配的边界和/或从诸如金属反射器2410的反射器被反射或被部分反射。反射器2410可以是例如ag、ai、au、cr、pt、ni和/或介电布拉格反射器和/或空气/硅布拉格反射器。这种反射光可以形成传播和/或静止模式和反弹，并且与i层的相互作用越大，则与i层中的光子吸收成比例的量子效率越大。由微结构产生的光波的复合耦合模式也可以产生可以从折射率不连续性的边界和反射器反射的横向和纵向的传播和静止波，这也增加了光子场与i区域的相互作用。光波与i区域的相互作用的增加可以产生30微米的有效吸收长度，这对于si在850nm处可以产生大于50％的qe并且在一些情况下产生大于70％的qe。
微结构的衍射和折射是光波与微结构相互作用的方法，微结构可以是亚波长、波长和/或大于波长的。每个微结构可以耦合到相邻的微结构，使得其形成复杂的耦合谐振器(摆锤)模式/波、布洛赫波、干涉、线性和非线性效应、加载的高对比度光栅和/或低q高对比度光栅和/或具有吸收的高对比度光栅和/或光子晶体和/或亚波长光学器件和/或等离子体光学器件等。模式/光波/光场的这种复杂耦合可以引起光场与i区域的相互作用时间和/或长度的增加，这可以在不具有微结构的类似结构上在某些波长下产生增强的量子效率。
如图1和图2所示，台面边缘也可以是布拉格反射器，诸如si/空气/si/空气/si/空气或具有不同折射率的任何介电层。
为了使p层和n层中产生的光电流最小化，p和n可以被高度掺杂成大于1×1019/cm3以减少少数载流子寿命，并且可以为0.1-0.3μm厚以使吸收最小化。另外，p层可以用诸如形成例如肖特基型接触或异质结p接触使得其是部分透明的氧化铟锡的导电透明金属氧化物代替，
p-i-nmpd也可以是si或soi上ge、gesi同源和/或异质结mpd/mapd器件，例如其中，代替空气/硅布拉格反射器，其可以是ge/gesi/空气布拉格反射器。
图25是示出根据一些实施方式的光从背面入射的si上ge微结构光电二极管的图。光从背面，硅衬底侧入射，并且利用在ge层中蚀刻的微结构空穴而到达sin层，并且进入sin层中，并且到达诸如soi层的氧化层(为简单起见未示出)，或者进入这样的氧化层中。空穴蚀刻深度可以在0.1微米至10微米的范围内，并且在一些情况下如果p和n互换，则距p层或n层的表面为0.1微米至5微米。注意，这也适用于其中添加了sip电荷层和sii雪崩增益层的si上ge雪崩光电二极管。
金属欧姆接触层2510可以与pge层接触，以将光反射回ige层以改善吸收，并且还可以使用较薄的ige层来缩短电子和空穴的渡越时间，这会产生较高的数据速率带宽。例如，i层可以是1微米厚，这会产生>＝50gb/s的数据速率带宽，并且利用反射器，光可以反射并与i层相互作用，其可以有效地具有大于i层的物理长度的吸收长度。代替金属，反射器2510也可以是另一种类型，诸如介电布拉格反射器。为简单起见未示出的是在孔中或者部分地在孔中的填充材料诸如聚酰亚胺，以防止欧姆金属使pge短路成ige和/或nsi。还未示出钝化层，以及在外延生长期间从si转变为ge所需的层。参见例如kang等人2008以及michel等人。还未示出抗反射层、通孔、抛光表面、偏置电极、传输线、n欧姆接触和电极、例如p阳极和n阴极上的欧姆金属、接合焊盘、焊料凸块。此外，台面壁可以具有介电氧化物金属反射器2410，以将可能撞击台面边缘的光子反射回ige层以增加吸收。如果吸收在ige层中，则这将产生由于施加到p阳极和n阴极欧姆接触的反向偏置而被扫除的电子空穴对并且将在外部电路中产生外部电流。光生电流与输入光功率之比是光电二极管的响应度。量子效率近似等于响应度乘以1.23985除以以μm为单位的波长。
gexsi1-x合金也可以用于p层和i层，其中，i层可以具有gexsi1-x，其中x<＝0.4并且在一些情况下x<＝0.6并且可以是多个层，其中，x可以在例如0到1的范围内，并且在一些情况下，对于多个层中的每个层，x可以在0.01至0.4的范围内，并且在一些情况下在0.01至0.6的范围内。多个层中的每个层的厚度可以为3nm至300nm，并且在一些情况下为3nm至500nm，并且在一些情况下为3nm至1000nm或更大。p阳极层可以是gexsi1-x，其中，x小于i层中的x，以例如以形成异质结以减少p层中光的吸收。如果p层和n层互换，则n阴极层可以是gexsi1-x，其中，x小于igexsi1-x层中的x。p层或n层中的至少一层是si和可以在si上生长以形成i层的ge、gexsi1-x。ge、gexsi1-x缓冲层可以在si和ge、gexsi1-x之间以减轻si和ge、gexsi1-x层之间的应变。参见例如kang等人2008和michel等人。
在850nm至950nm、850nm至1000nm、1250nm至1350nm、1350nm至1650nm、1500nm至1750nm、850nm至1250nm以及在一些情况下的1000nm至1350nm的波长范围内，可以实现>＝30％、>＝40％、>＝50％、>＝60％、>＝70％以及在一些情况下的>＝80％的量子效率。
图26是示出包括例如在所有层p、i、n中吸收的功率的微结构mpd/mapd的吸收(1-r-t)的曲线图。注意，图23a和图23b示出了qe，或小于1-r-t给出的吸收的i层中吸收的功率，其中r是反射，t是透射。在一些已知技术中，例如在太阳能电池纳米结构中，示出了要增强的吸收。然而，在许多情况下，量子效率不反映增强的吸收，并且由于纳米结构，qe不存在改善或不存在边际改善。在几乎所有情况下，纳米结构太阳能电池都具有比不具有纳米结构的太阳能电池差的qe。使用本文所述的技术，微结构pd(以及mapd)具有与不具有在800nm至950nm的波长范围内的针对soi上simpd的微结构的类似光电二极管相比而增强了2倍至超过10倍(200％至超过1000％)的qe。这也适用于波长范围为1500nm至1750nm、1250nm至1350nm、850nm至1000nm以及在一些情况下为1350nm至1650nm的si或soi上ge、gesi合金mpd/mapd。
这表明对于高速光电二极管，大部分光电流应当来自在高场i层中产生的光载流子，其中，在对于光电二极管利用在-1到-12v之间以及在一些情况下在-2到-6伏之间的外部电源，在n阴极和p阳极(或p和n，或肖特基金属与半导体接触)之间施加反向偏置。在i层中产生的光载流以接近饱和速度和/或以饱和速度扫过i层厚度的距离，该距离可以在0.5至3.5微米的范围内。mpd(mapd)是受限的渡越时间，其产生光电二极管的高频响应，其中，响应数据速率大于5gb/s，大于10gb/s，大于25gb/s，大于40gb/s并且在一些情况下大于50gb/s。在高场i区域以外的区域中产生光载流子不是理想的，因为它们会导致光电二极管的脉冲响应中的慢尾，这会降低光电二极管的频率响应。通常p和n被高度掺杂，以减少少数载流子寿命，从而快速重新组合在这些区域中产生的光载流子。在ge/gesi合金i区域p-i-nmpd/mapd中，p可以是gexsi1-x合金，其中，x小于gexsi1-xi区域中的x，以使p区域中的光载流子吸收最小化。n区域是si。p和n可以互换，n可以是gexsi1-x，其中，x小于gexsi1-xi区域中的x并且p是硅。
因此，在高速光电二极管中，重点是尽可能或可行地在高场i区域中产生尽可能多的光载流子，这可以产生高的qe。这与太阳能电池(光伏)器件不同，在太阳能电池器件中，许多已知的现有技术模拟仅关注绝对吸收a＝1-r-t，其中r是反射而t是透射。在这种情况下，光载流子可以在包括在p区域和n区域中的任何地方产生。因此，p区域和n区域通常被低掺杂，因此少数寿命较长并且光载流子可以缓慢地扩散回pn结的内建场。
例如，可以在820至880nm波长下绘制在具有2400nm的圆柱形孔蚀刻深度以及具有800/950、800/5050和800/1300的直径(nm)/周期(nm)的六边形晶格的情况下的在硅衬底上的2000nmsio2上具有300nmn和2000nmi和300nmp的nipmpd结构，qe(仅在i层中的吸收)和吸收(所有区域)。对于800/1050六边形晶格结构，qe在820nm波长处为60％，并且总吸收接近98％。大约60％的入射光子在i层中被吸收。在一些情况下，i层中吸收的百分比可以在30％至90％或更大的范围内，并且在一些情况下可以在40％至80％或更大的范围内。简单地根据p和n层厚度之和与i层厚度之比0.6/2，大约70％的光子在i层中被吸收。
在已知的太阳能电池技术中，通常仅模拟和测量吸收(1-r-t)。然而，在高速光电二极管中，模拟qe和吸收，并且测量qe。注意，吸收是必要的而非充分的；还必须模拟并且优化或改进高场i层中的吸收(也可以是qe)。测量qe，该测量是对外部电流有贡献的光生载流子的i层中的吸收的测量。
图27a至图27c是表和两个示例结构，其示出根据一些实施方式的正方形和/或六边形晶格的孔直径和周期(均以nm为单位的直径/周期)的范围。所示的范围为250nm至4200nm的直径以及350至6200nm的周期。其他范围也是可能的，例如50至1500nm的直径和80至3000nm的周期。孔可以具有不同的形状——从多边形到椭圆形，此外，装置可以具有柱和/或孔和柱。还包括图27c所示的结构的针对在800-850nm波长处的某些孔直径/周期和蚀刻深度的从超过40％到超过60％的范围的一些实验测量的量子效率。并非所有的孔都具有表中列出的直径/周期；由于制造工艺变化，光刻掩模被设计成具有直径/周期，但是成品器件可以具有稍微不同的孔直径/周期。另外，蚀刻深度也不一定是如图27c所示的那样。在一些情况下，孔的蚀刻深度可以是近似2600nm的蚀刻深度的30-90％(外延层变化可以将到sio2的蚀刻深度改变1-30％或更大)，并且在一些情况下，当蚀刻进入例如sio2box(掩埋氧化物)层中时，其可以是100％和/或大于100％。表中的孔/周期参数也适用于具有相关波长的si上ge、gesimpd/mapd。
这也适用于图27b和27c中的其中gexsi1-x代替p和i层中的si的si和/或soi上gexsi1-x。对于p和/或i层，gexsi1-x可以具有x＝<1。在一些情况下，对于p和/或i层，x<＝0.4，并且在一些情况下，p层的x可以小于例如在i层中的x。在一些情况下，p和/或i层可以具有x<＝0.6，并且在一些情况下，p和/或i层可以具有x<＝0.2。
孔直径可以为250nm至5000nm、600nm至2000nm、900nm至3000nm，并且在一些情况下为1000nm至3500nm。周期可以为300nm至7000nm、900nm至9000nm，并且在一些情况下为1000nm至6000nm。在微结构不是圆形的情况下，至少一个尺寸可以采用上面给出的范围的直径尺寸。在非周期性微结构的情况下，相邻微结构之间的间距可以为0nm至9000nm。在一些情况下为100nm至5000nm，在一些情况下为600nm至6000nm。
在si和/或soi上simpd/mapd和ge、gexsi1-xmpd/mapd二者中，孔的蚀刻深度(空腔，空隙)或柱的高度(突起，台面)可以为100nm至10000nm、10nm至5000nm、500nm至5000nm、300nm至5000nm、并且在一些情况下为1000nm至6000nm或更大。
对于si和/或soi上simpd/mapd，波长可以为800nm至950nm、840nm至960nm、820nm至860nm、850nm至950nm、850nm+/-20nm、并且在一些情况下为840nm到980nm。
对于si和/或soi上ge，gexsi1-xmpd/mapd，波长范围为850nm至950nm、1250nm至1350nm、1350nm至1550nm、1500nm至1650nm、1500nm至1750nm、1200nm至1600nm、900nm至1350nm、850nm至1350nm、1350nm至1650nm、1550nm+/-20nm、1300nm+/-50nm、并且在一些情况下为1600nm+/-50nm。
si和ge、gexsi1-xmpd/mapd的量子效率在上述一个或更多个波长范围内可以为>＝30％，并且在一些情况下可以为>＝40％、>＝50％、>＝60％、>＝70％、>＝80％，并且在一些情况下可以为>＝90％。
si和ge/gexsi1-xmpd/mapd的数据速率带宽可以为>＝1gb/s、>＝5gb/s、>＝10gb/s、>＝20gb/s、>＝25gb/s、>＝40gb/s、>＝50gb/s、并且在一些情况下>＝60gb/s。
对于si和ge、gexsi1-xmpd/mapd二者，i层可以为0.5至3.5微米厚度，并且在一些情况下为3至5微米厚度。p层厚度可以为0.05至1微米厚度，并且在一些情况下为0.1至0.5微米，并且在一些情况下为0.3至1微米。n层可以为0.05至1微米厚度，并且在一些情况下为0.1至0.5微米，并且在一些情况下为0.3至1微米厚度。在ge/gexsi1-xmpd/mapd的情况下，在波长大于900nm并且在一些情况下大于1000nm的情况下，n层是si并且可以更厚，从0.1到10微米或更大。
p层和n层可以互换，替代p-i-n，其可以是psi和/或soi上n-i-p。掺杂范围如前给出。
图28a至图28c是根据一些实施方式的用于在si和/或ge、ge/gexsi1-xmpd/mapd中蚀刻孔的深反应离子蚀刻(drie)bosch工艺的另一示例的扫描电子显微照片截面图。该工艺类似于cmos和bicmos中用于不同层的金属互连的工艺。与图14a至图14c相比，drie是也用于cmos和bicmos工艺的电感耦合等离子体(icp)或变压器耦合等离子体(tcp)蚀刻。孔的光刻掩模尺寸为650nm，并且在drie之后的加工孔在孔的宽部分和窄部分处对于慢蚀刻工艺为所示的697至659nm，并且对于如图28a中的左侧显微照片所示的标准蚀刻工艺为多达800nm以上。扇形化是由于bosch过程并且可以通过蚀刻参数来控制以减少扇形化和/或增加扇形化。扇形化可以通过每个扇形的宽/窄部分的直径比来定义。图28a中标准过程中的每个扇形例如可以在单个孔内为近似180至250nm的高度或深度。在si中，扇形范围从亚波长到大于850nm的波长的波长，其中一个波长近似为233nm。图28a至图28c示出了可以产生尺寸变化的工艺变化的示例。然而，通过更严格的过程控制和专用加工机器，可以极大地减少工艺变化以及因此尺寸变化，并且可以将尺寸控制到某些限制，诸如小于几个百分比的变化，并且在一些情况下小于10％的变化，并且在一些情况下小于30％的变化，并且在一些情况下小于60％的变化，并且在一些情况下大于60％的变化。
图29是示出根据一些实施方式的孔直径宽度的变化的示意性截面的图。直径的变化可以是根据深度变化的，并且可以是材料中的亚波长、是材料中的波长或者大于材料中的波长(λ/η，其中λ是波长，n是材料的折射率)。变化可以是亚波长、波长和/或大于波长的变化的组合，其中波长被定义为光子的入射平均波长。示例可以是作为入射光子波长的850nm+/-10nm。孔(和/或柱)可以是圆柱形(孔2910)、漏斗形(孔2912)和/或倒置漏斗形(未示出)，并且可以具有单个和/或多个侧壁斜率(角度)，其可以是负的和/或正的和/或负的和正的组合。侧壁斜率可以定义为起伏的每个点处的斜率。例如，具有根据深度变化的直径变化的微结构可以在诸如图29中的2910或2912的结构上，并且可以在si和/或soi光电二极管上的ge、gesi上以及在微结构雪崩光电二极管上。注意，这些技术可以应用于其他微结构形状诸如多边形，其中宽度的一个或更多个尺寸的变化可以是根据深度变化的。
每个孔内的起伏数量可以从0到10s或到100s甚至1000s。每个微结构例如孔内的起伏可以支持多种光波模式，使得与具有完美平滑和垂直的侧壁的微结构谐振器相比，每个微结构谐振器的谐振被拓宽。拓宽每个微结构的谐振及其与其相邻微结构谐振器的复合耦合可以产生较宽的吸收以及具有较少纹波的波长特征。在一些情况下，吸收纹波的变化在中心波长附近的20nm波长跨度内小于10％，并且在一些情况下，在中心波长附近的50nm波长跨度内吸收的幅度变化<＝25％，并且在一些情况下，在60nm的波长跨度内为<＝50％，并且在一些情况下在100nm的波长跨度内为<＝50％，并且在一些情况下在10nm波长跨度内为<＝10％。
图30是示出根据一些实施方式的光电二极管和/或雪崩光电二极管的表面上的另外的微米特征和/或纳米特征的图。微米特征和/或纳米特征可以在光电二极管和/或雪崩光电二极管的表面上为亚波长/波长/大于波长和/或亚波长/波长/大于波长的组合。表面可以是半导体和/或可以导电和/或半导电的透明金属氧化物(tmo)。表面可以是p或n型、涂覆有tmo的p或n型和/或涂覆有tmo的i型(并非有意被掺杂，本征的)，以例如形成肖特基势垒接触。微米特征可以减少反射，从而提高微结构光电二极管和/或雪崩光电二极管的量子效率。tmo和/或透明导电氧化物(tco)可以是氧化铟锡、zno、nio、cr-氧化物等。参见例如transparentconductingoxide–anup-to-dateoverview，stadler，materials，2012，5，661-883页，其对tmo/tco进行了评论(通过引用并入本文并在本文中称为“stadler”)。
例如，微纳米特征诸如金字塔形、金字塔形孔、针状、微纳米空隙成形特征可以减少反射并增强微结构光电探测器中的光捕获，并且从而提高量子效率。
另外，在光学数据通信系统中，在信号波长+/-2nm处，来自光电二极管的反射应当<＝1％并且在一些情况下<＝5％，并且在一些情况下<＝10％。
si和/或soimpd/mapd上si以及si和/或soimpd/mapd上ge、gesi都可以利用这种微米和/或纳米特征来减少反射。
图31是示出根据一些实施方式的可以在表面上以及在微结构侧壁上的微米/纳米特征的示意性截面图。微米/纳米特征可以是亚波长/波长/大于波长和/或亚波长/波长/大于波长的组合。这些特征可以在另外可以具有根据深度变化的宽度起伏的侧壁上，该宽度可以是亚光学波长/光学波长/大于光学波长，该光学波长由其中n是折射率的波长/n给出。例如，空气中850nm处的波长是850nm，而在si中，其近似为233nm，其中n是3.65。注意，“宽度”在圆孔或柱的情况下或者在多边形的情况下是直径，至少一个尺寸具有起伏，多于一个尺寸也可以在一个和/或多个相同和/或不同的起伏周期处具有波动。微米/纳米特征还可以是具有单个和/或多个成形特征的亚波长/波长/大于波长的变化的组合，所述单个和/或多个成形特征可以是单个或多个形状的突起和/或空隙的组合或单独的单个或多个形状的突起和/或空隙。微纳米特征可以通过减少来自侧壁表面的反射来提高量子效率。此外，孔可以不具有起伏和简单的圆柱形或漏斗形或具有多个斜面。微米/纳米特征可以位于孔和/或柱的顶表面和/或侧壁上和/或孔中的底表面上，例如，所述孔可以是半导体或例如sio2的绝缘体。此外，微米/纳米特征可以部分位于其侧壁上的孔中。
另外，在光学数据通信系统中，在信号波长+/-2nm处，来自光电二极管的反射应当<＝1％并且在一些情况下<＝5％并且在一些情况下<＝10％。
si和/或soimpd/mapd上si和si和/或soimpd/mapd上ge/gesi都可以利用微米和/或纳米特征来减少反射。
图32示出了根据一些实施方式的用于将ge/gesimpd/mapd与cmos/bicmos电子器件集成的可能的层结构。存在两个soi层，并且sio2可以具有例如大于10nm的厚度，或者具有10至4000nm的厚度。n层可以被掺杂到1×1017掺杂剂/cm3到8×1019掺杂剂/cm3的范围，其中n型掺杂剂可以是p、as、sb、bi、li并且在一些情况下例如为c，并且层可以具有100至3000nm或更大的厚度。
替代nsi层，可以外延地生长nsi层上的具有x<＝0.4的pgexsi1-x层和具有x<＝0.4的igexsi1-x层，其中pgexsi1-x可以具有小于igexsi1-x的x值的x。pgexsi1-x层厚度可以为0.1微米至1微米，并且掺杂可以为1×1019/cm3至3×1020/cm3。igexsi1-x层厚度可以为0.5微米至5微米；层并非有意被掺杂，并且可以具有<＝5×1016/cm3并且在一些情况下<＝1×1016/cm3并且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3的本底掺杂。
一层或多层被包括用于电子器件，并且为了简单起见，其被标记为cmos层和/或可以是具有p和n掺杂的bicmos层。该层用于在硅上制造用于信号处理和数据通信电子器件的电子器件。电子器件可以包括跨阻抗放大器、专用集成电路(asic)、晶体管、电容器、电阻器、电感器、忆阻器以及用于信号处理、存储和数据传输所需的任何电子器件。
图32示出了ge/gesi与cmos/bicmos电子器件集成的可能性。其他层结构可以包括更多的sio2层或更少的sio2层或没有sio2层和/或其他电隔离和/或光学隔离方法，诸如空隙、离子注入、掩埋非晶层等。另外，可以使用异质外延来包括在除了例如si之外的诸如iii-v材料的其他材料族上制造的电子器件。
图33a是示出si上ge(或gesi)选择性区域外延生长(saeg)也称为选择性区域生长(sag)的图，其中ge是结晶的和/或主要是结晶的，诸如多晶。为简单起见，基本步骤是：去除cmos/bicmossi层和sio2的那部分，直到通过适当的标准掩模和蚀刻步骤暴露nsi层为止，所述蚀刻步骤可以包括作为cmos/bicmos处理技术中的标准工艺的干法和/或湿法蚀刻。例如，使用掩模3310，例如通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)沉积的介电掩模，诸如sinx和/或siox掩模。形成具有300至4000nm的厚度以及并非被有意掺杂的gei层，其中，本底掺杂小于8×1016/cm3，并且在一些情况下<＝1×1016/cm3，并且在一些情况例如<＝1.5×1015/cm3或更小，接着是pge层，其具有50至2000nm的厚度以及具有5×1018/cm3至1×1020/cm3的p型掺杂剂掺杂，其中p掺杂剂可以是c、b、al、si、ga、in等。这仅是将ge结合在si上并与cmos/bicmossi电子器件集成的一个示例，其他方法可以包括通过pecvd进行ge的非晶沉积，然后进行例如激光退火，以在对周围材料的最小加热的情况下将非晶ge转换成局部的多晶ge和/或晶体ge。外延剥离和晶片接合是可以用于异质材料集成的其他方法。
在一些情况下，对于p层和/或i层，ge可以是无定形的和/或微晶的。p-i-n可以被反转并且是n-i-p，并且所有讨论都应当适用于n-i-p情况。
此外，可以通过添加p-si、i-si和n-si来包括si雪崩区域，其中在i-ge层之后插入p和isi雪崩层。为简单起见，未示出用于材料生长技术的其他层，诸如缓冲ge层。
图33b是示出根据一些实施方式的与cmos/bicmos电子器件集成的沟槽隔离的gesip-i-nmpd的简单示意图的图。mpd/mapd和所述电子器件在单个芯片上，所述单个芯片还可以包括与多个asic或在单个芯片上的其他电子器件集成的mpd/mapd阵列。gexsi1-xp和i层在si或soi上的sin层上生长，第二soi层与gexsi1-xp晶片接合，其可以包括未示出在其上制造有cmos/bicmosic(集成电路)的gexsi1-xp层与soisio2层之间的薄si层。gexsi1-xp层可以具有x<＝0.4并且在一些情况下<＝0.1并且在一些情况下<＝0.05，并且在一些情况下，pgexsi1-x层中的x小于igexsi1-x层的x。在将soicmos/bicmos晶片晶片接合到nsi上gesip和i之后，可以蚀刻gesip/i区域上的si和soi以展现sin上gesip-i光电二极管(未示出具有si电荷p层和si倍增i层的雪崩光电二极管)，接着是蚀刻以形成沟槽3320，沟槽3320限定了p-i-n光电二极管区域。如图33b所示，将沟槽3320蚀刻到nsi层。
pgexsi1-x层厚度可以在0.05微米至1微米，并且掺杂可以从>＝5×1018/cm3到2×1020/cm3或更高的p型掺杂诸如b、ai、ga、in和有时为c。gexsi1-xi层可以具有x<＝0.4并且在一些情况下<＝0.8并且在一些情况下<＝0.8，并且另外可以具有对于相邻层而具有不同的x值的多个层。gexsi1-xi层的总厚度可以为0.5微米至5微米，并且在一些情况下为0.5微米至3.5微米。所有层厚度可以具有厚度上的近似+/-25％，并且在一些情况下为+/-x10％或更小。gexsi1-xi层并非有意被掺杂并且可以是本征的，其中，本底掺杂<＝5×1016/cm3，并且在一些情况下<＝1×1016/cm3，并且在一些情况下<＝5×1015/cm3。nsi层可以具有0.1至10微米或更大的厚度，并且n型掺杂在>＝5×1017/cm3至5×1019/cm3或更高的范围内，并且在一些情况下在>＝5×1018/cm3至5×1019/cm3或更高的范围内。n型掺杂剂可以包括n、p、as、sb，有时还包括c。soi中的sio2层可以为0.01微米至6微米或更大。
图34a是示出根据一些实施方式的与电子器件集成的si上ge微结构pd的图。电子器件可以包括跨阻抗放大器(tia)和/或用于例如信号处理、发送、存储、计算、切换的其他si上电子器件。根据一些实施方式，gempd阵列可以连接到单个芯片上的多个asic或其他电子器件。mapd也可以与插入在gei和nsi阴极之间的si电荷p层和si倍增i层一起使用。示出了微结构孔3412，其被蚀刻通过p-ge和i-ge并且到达和/或进入nsi层中。这些孔也可以部分地被蚀刻到p-ge层中，部分地被蚀刻到i-ge层中和/或被蚀刻到sio2层。光照射在微结构在ge上的顶表面上。对p-ge阳极和n-si阴极进行电接触，并且使用另外的电极3430和3432将mpd连接到例如tia。为简单起见，未示出许多步骤，例如半导体表面的钝化、欧姆接触等。
此外，可以在i-ge之后插入诸如p-si和i-si的si雪崩增益层，以提供si上ge微结构雪崩光电二极管。光可以垂直地照射到mpd的表面和/或以与垂直方向偏离0到45度的角度照射到mpd的表面。在一些情况下，角度可以大于45度但小于90度。
另一种单片集成gempd/mapd(微结构光电二极管/微结构雪崩光电二极管)的方法，“ge优先”方法在cmos-integratedhigh-speedmsmgermaniumwaveguidephotodetector，assefa等人，2010年3月1日/第18卷，第5期/opticsexpress4986-4999(通过引用并入本文并且在本文中被称为“assefa等人”)中被讨论。非晶ge层被沉积，并且在随后的使用快速热退火的cmos处理期间，非晶ge层被熔化并且在si晶体模板之后重结晶成结晶ge层。这种前段制程(feol)cmos处理可以用于简化在cmos工艺中结合ge的处理。可以使用离子注入，以使用诸如硼的离子例如以>1×1014/cm2的剂量并且针对>1×1019/cm3的掺杂浓度在近似30kev的加速能量下产生0.1-0.3微米量级的薄p-ge层。然后可以将微结构蚀刻到p-ge层和i-ge层中以增强在1350nm至1800nm、1500nm至1700nm以及在一些情况下的1250nm至1350nm的波长下的吸收。在上述波长范围内给出的一些波长中，量子效率>＝30％。在一些情况下，对于在上述范围内给出的波长，>＝40％、>＝50％、>＝60％、>＝70％、或>＝80％的qe是可实现的。
在单个硅芯片上与电子器件集成的si上gempd/mapd的数据速率带宽可以>＝1gb/s、>＝5gb/s、>＝10gb/s、>＝25gb/s、>＝40gb/s、>＝50gb/s，并且在一些情况下>＝60gb/s。在单个芯片上与电子器件集成的si上gemapd的增益可以>＝2、>＝5、>＝10并且在一些情况下>＝20。
与cmos单片集成si上ge的另一种方法在以下给出：highspeednearinfraredopticalreceiversbasedongewaveguidephotodetectorsintegratedinacmosprocess，masini等人，advancesinopticaltechnologiesvolume2008，articleid196572，5页(通过引用并入本文并且在本文中被称为“masini等人”)。在cmos处理期间结合了si上ge外延生长。在masini等人中示出了波导ge光电二极管，其中，如本文所述，形成非波导微结构光电二极管，其中入射光主要沿所施加的电场的方向并且不像在波导pd结构的情况下那样垂直。在ge外延生长之后，诸如孔(和/或柱)的微结构被蚀刻到p和ige中，以例如增强在1400nm至1800nm范围内以及在例如1500nm至1700nm的这些范围之间的任何地方的波长处光的吸收。
将ge与cmos结合的另一种方法是如下所讨论的晶片接合：developmentofsigearraysforvisible-nearirimagingapplications，sood等人，detectorsandimagingdevices：infrared，focalplane，singlephoton，proc.ofspie第7780卷，77800f，2010(通过引用并入本文)。si上ge光电二极管和cmos层被晶片接合以形成si上gepd与cmos电子器件的集成结构。类似地，mpd/mapd可以被分别制造并且被晶片接合到cmos晶片。这些都是将si上gempd/mapd与cmos电子器件集成的示例。也可以采用其中ge是gesi合金诸如gexsi1-x的变型，在所述gexsi1-x中，对于cmos技术中的ge，x为0.4或更小，并且双极型晶体管也可以用于通过使用微结构针对进一步的吸收增强来扩展光电二极管/雪崩光电二极管的波长，因为对于高数据带宽应用，层必须保持小于3微米，并且在一些情况下小于或等于2微米，并且在一些情况下小于或等于1.5微米。
在si上si和/或ge、gesi中的微结构光电二极管的某些情况下，某些层可以是无定形的和/或非晶的和/或多晶的和/或微晶的和/或晶体的，并且可以具有各种组合的这些类型的材料。例如，在pin光电二极管结构中，p层和i层可以是微晶的以及n层结晶的，在一些情况下，微晶和/或非晶是优选的，这是由于制造工艺和/或为了降低制造成本，并且光电二极管/雪崩光电二极管的性能对于特定应用是足够的。在雪崩光电二极管的情况下，p和i区域可以是微晶的和/或无定形的，并且p电荷层、i倍增层和n层可以是例如结晶的。
例如与使用体而非微结构光子吸收层的其他相同器件相比，微结构光电二极管和/或微结构雪崩光电二极管(mpd/mapd)的量子效率(qe)在900nm至1000nm的波长范围内可以是10％或更高，并且在某些情况下是20％、30％、50％或更高。对于800-880nm的波长范围以及对于3gb/s、5gb/s、10gb/s、20gb/s、40gb/s或更大的数据带宽，这样的微结构器件的qe可以是30％、40％、50％、60％、80％或更大。
对于3gb/s、5gb/s、10gb/s、20gb/s、40gb/s或更大的数据带宽，si上ge、gexsi1-x(x<1，在一些情况下x<＝0.6，并且在一些情况下x<＝0.4)mpd/mapd的qe在1500nm至1650nm的波长范围内可以是10％、20％、30％、50％或更大，并且对于1200-1550nm、1550-1650nm或1250-1350nm的波长范围，qe可以是30％、40％、50％、60％、80％或更大。
可以是沟槽和/或台面、孔和/或柱、空隙和/或突起的微结构的深度可以是圆形、多边形、矩形，并且可以具有正角度和/或负角度及其任何组合的单个侧壁角和/或多个侧壁角，可以在小于100nm至超过5000nm的范围内，并且对于例如一组微结构，微结构可以具有多个深度。在某些情况下，微结构中可以存在多个深度，其中深度范围从小于100nm到超过100nm到2000nm或更大，和/或范围为10-5000nm。深度可以从微结构的顶部到微结构的底部，例如对于孔，深度可以从孔的表面到孔的底部。如果单个微结构具有多个深度，则深度可以是具有特定横向尺寸的特定微结构的深度/长度，并且第二深度可以是与新的特定横向尺寸相关的深度/长度；例如，在楼梯孔的情况下，每个台阶可以具有特定的深度。
在一组微结构中，所有孔的孔深度可以相同，并且在一些情况下，孔具有深度范围，并且在一些情况下，孔可以具有不同的深度，并且在一些情况下，它们可以具有随机的和/或几乎随机的深度。孔也可以具有加权深度，例如，60％的微结构被蚀刻到4000nm并且40％被蚀刻到2000nm。分布可以是有序的和/或无序的和/或随机的。例如，可以存在其他百分比，0-100％的多个分布百分比，以及100nm到5000nm的其他多个深度范围。
孔的直径可以在300至3000nm、600nm至5000nm或600nm至2500nm的范围内，并且周期可以在400至5000nm或900nm至8000nm的范围内，并且孔可以以诸如正方形、六边形的规则晶格排列，和/或可以存在不规则的孔布置。在不规则的微结构布置中，相邻微结构的最近边缘之间的间隔可以在0nm至5000nm、100nm至10000nm，并且在一些情况下为250nm至2500nm的范围内。
在矩形和/或非圆形孔的情况下，尺寸适用于较小的横向尺寸，例如矩形孔可以具有500×1500nm、或500×10000nm的尺寸，和/或至少一个尺寸在300-3000nm的范围内，并且在一些情况下在100nm至6000nm的范围内。微结构的最近边缘之间的间隔可以在10至5000nm的范围内，并且在一些情况下，微结构可以相交，例如柱/台面可以接触并且空隙可以合并。
对于si上ge微结构光电二极管，其中在阳极和阴极之间外部地施加-1至-10伏的反向偏置，并且在si上ge、gesi合金(以及sige)微结构雪崩光电二极管的情况下，可以在mapd的阳极和阴极之间施加-5到-60伏的反向偏置，并且在一些情况下可以施加-10到-30v。
由于诸如孔(柱)的微结构而具有增强的吸收的si上ge、gesimpd/mapd的波长范围可以是1320nm至1800nm，并且在一些情况下为1350nm至1750nm，并且在一些情况下为1400nm至1750nm，并且在一些情况下为1250nm至1350nm。利用微结构的1310-1350nm的量子效率可以在50-90％或更大的范围内。对于1350-1450nm的波长范围，量子效率可以在40-70％或更大的范围内。对于1450-1550nm范围内的波长，qe可以在20-70％或更大的范围内。对于1550-1650nm范围内的波长，qe可以在10-60％或更大的范围内。对于1650-1800nm范围内的波长，利用微结构以增强吸收的qe可以在10-50％或更大的范围内。
吸收的增强可以是体吸收系数的2至200倍，在一些情况下是3至10倍，并且在一些情况下是3至20倍，并且在一些情况下是3至50倍。例如，硅微结构在850nm波长下，增强可以是没有微结构增强的535/cm的吸收系数的3-10倍。然后，3至10倍的吸收增强将分别产生1605/cm至5350/cm的增强的有效吸收系数。对于例如不具有用于增强吸收的微结构的2微米吸收层，在si中在850nm处的qe近似为10％；在利用微结构而吸收增强了3至10倍的情况下，在si中在850nm波长处的qe可以在近似27％至66％或更大的范围内。具有微结构的光电二极管/雪崩光电二极管的qe与不具有微结构的类似光电二极管/雪崩光电二极管相比增强了超过200％至超过600％。在使用纳米结构的已知现有太阳能电池中，qe的增强小于几个百分比。太阳光谱的大部分位于可见光中，其中si和大多数半导体具有优异的可见光子吸收，添加纳米结构在太阳能电池的qe中最多具有边际改善。事实上，大多数纳米结构太阳能电池具有比不具有任何纳米结构的太阳能电池差的qe。
类似地，对于1550nm处的ge，不具有微结构增强的情况下的吸收系数为459/cm；微结构吸收增强了例如3至10倍可以产生1377/cm至4590/cm的增强的有效吸收系数。在2微米厚的ge中，不具有微结构增强的情况下的1550nm处的qe可以是近似9％，并且在具有3至10倍的吸收系数增强的情况下，对于ge微结构中的1550nm波长的qe可以在近似24％至60％的范围内。
在strongelectro-absorptioningesiepitaxyonsilicon-on-insulator(soi)，luo等人，micromachines，2012，3，345-363页(通过引用并入本文并且在本文中被称为“luo等人”)中，ge0.94si0.06(x＝0.94)在1550nm处的吸收系数近似为1000/cm，其是对于2微米ge0.94si0.06层并且可以给出近似18％的量子效率。在具有微结构的情况下，吸收可以增强2至10倍，并且在一些情况下可以增强3至10倍或更大，这可以将量子效率提高至近似33％至86％或更大以及33％至86％之间的任何地方。孔和/或柱的直径和/或至少一个横向尺寸可以在300nm至3000nm的范围内，并且在一些情况下在100nm至3000nm的范围内，并且周期可以在100至10000nm的范围内并且可以是周期性的和/或非周期性的。对于非周期性/非周期情况，最近边缘的间隔可以是0到10000nm，并且在一些情况下，孔和/或柱可以交叠。孔的深度和/或柱的长度可以在100nm至5000nm或更大的范围内，并且在一些情况下可以在10nm至4000nm的范围内，并且在一些情况下可以在300nm至4000nm的范围内以及其间的任何地方。
图34b示出了根据一些实施方式的si和/或soi上gexsi1-x与如图33b的cmos/bicmos结构集成的可能集成的截面示意图。cmos/bicmos也在soi上，并且被晶片接合到si晶片上的gesimpd(mapd)。微结构孔3412被完全和/或部分地蚀刻在gexsi1-xp层和gexsi1-xi层中，并且还可以被蚀刻到nsi层中，并且在一些情况下被蚀刻到sio2层。连接p-i-mpd的p阳极和n阴极的电极被附着到电子层，并且在一些情况下可以包括电感器以使mpd/mapd的高频响应达到峰值。p层和i层的gexsi1-x合金的x值可以<＝0.4，并且在一些情况下<＝0.2，并且在一些情况下<＝0.6，并且在一些情况下<＝0.8，并且在一些情况下<＝1.0。对于异质结，pgexsi1-x层的x可以小于igexsi1-x层的x值，以使p层中入射光子的吸收最小化。p层和n层可以互换，在这种情况下，ngexsi1-x层将位于表面上，并且psi层将位于soi或psi晶片上。
将mpd/mapd与电子器件集成在单个芯片上显著降低了封装成本，并且还提高了性能，这是因为使由接合焊盘引起的寄生电容、由接合线引起的寄生电感、寄生电阻和阻抗最小化，其产生了与未被集成和引线接合和/或焊接凸点附着的pdapd相比的较大的直径的mpd/mapd和数据速率带宽。例如，对于相同的数据速率带宽，与未被集成的pd/apd相比，集成的mpd/mapd的直径可以是30％或更大，并且在一些情况下>10％，并且在一些情况下>20％，并且在一些情况下>40％，并且在一些情况下>50％。由于光学部件将光耦合到mpd/mapd的较大的不对准容限，mpd/mapd直径的增加可以降低封装成本。
gexsi1-xp层可以具有x<＝0.4并且在一些情况下<＝0.6并且在一些情况下<1，并且可以具有0.1微米至1微米的范围内的厚度以及在5×1018/cm3至2×1020/cm3或更高的p型的范围内的掺杂(在p和n互换的情况下，ngexsi1-x可以具有与pgexsi1-x相同的厚度范围，并且掺杂可以在5×1017/cm3至1×1020/cm3或更高的n型的范围内)。igexsi1-x可以具有0.5微米至3.5微米范围内的厚度，并且在一些情况下为0.5微米至5微米范围内的厚度。x可以<＝0.4，并且在一些情况下<＝0.6，并且在一些情况下<1。对于i层完全地和/或部分地，igexsi1-x层的掺杂可以<＝5×1016/cm3，并且在一些情况下<＝1×1016/cm3，并且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3。nsi可以具有0.1微米至10微米范围内的厚度以及具有5×1017/cm3至5×1019/cm3或更高的n型的范围内的掺杂。在p和n互换的情况下，psi可以具有与nsi相同的厚度范围并且具有5×1018/cm3至2×1020/cm3或更高的p型的范围内的掺杂。
对于具有x<＝0.2的igexsi1-x，对于850-950nm以及在一些情况下的850nm至1000nm以及在一些情况下的880nm至1100nm以及在一些情况下的950nm至1000nm以及在一些情况下的950nm的范围内的波长，在mpd/mapd中具有微结构的qe增强可以>＝30％并且在一些情况下>＝40％并且在一些情况下>＝50％并且在一些情况下>＝60％并且在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。对于x<＝0.4，对于1250nm至1350nm以及在一些情况下的1000nm至1350nm以及在一些情况下的850nm至1000nm以及在一些情况下的850nm至1350nm以及在一些情况下的1350nm的范围内的波长，在mpd/mapd中具有微结构的qe增强可以>＝30％并且在一些情况下>＝40％并且在一些情况下>＝50％并且在一些情况下>＝60％并且在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。对于x<＝0.96，并且在一些情况下x<＝1，在mpd/mapd中具有微结构的qe增强对于1550nm的波长可以>＝30％并且在一些情况下>＝40％并且在一些情况下>＝50％并且在一些情况下情况>＝60％并且在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。
在单个芯片上与电子器件集成的si/soi上gexsi1-xmpd/mapd的数据速率可以>＝1gb/s，并且在一些情况下>＝5gb/s，并且在一些情况下>＝10gb/s，并且在一些情况下>＝25gb/s，并且在一些情况下>＝40gb/s，并且在一些情况下>＝50gb/s，并且在一些情况下>＝60gb/s。
si或soi上gexsi1-xmapd的增益可以>＝2，并且在一些情况下>＝5，并且在一些情况下>＝10，并且在一些情况下>＝20，并且在一些情况下>＝40。
对于具有950nm或更长的波长的光子，光可以从衬底侧穿过si照射，si可以变薄并且可以添加通孔3440以进一步去除si。信号光也可以从表面侧、垂直于表面和/或以小于90度并且在一些情况下<＝45度的角度照射。
图34c是示出根据一些实施方式的gexsi1-xmpd(mapd)与cmos/bicmos集成电路电子器件的可能集成的截面示意图。cmos/bicmos层可以在nsi晶片上的nsi和/或soi上生长的gexsi1-xp层和gexsi1-xi层上生长。如果需要，则在p-i-n和cmos/bicmos层之间的电隔离可以用例如o、h、n、ar、p、b的深离子注入和/或使用离子扩散的pn结隔离来完成，和/或p-i-nmpd(mapd)可以是n-l-p，其中mpd/mapd的顶层是例如nsi和/或ngexsi1-x，并且i是gexsi1-x，并且p可以是si和/或gexsi1-x。该工艺避免了晶片接合步骤，并且可以降低制造成本并提高产量。
mpd/mapd区域由蚀刻到n(或p)si层的沟槽3420或台面来限定，并且微结构孔被完全地和/或部分地蚀刻在pgexsi1-x层和igexsi1-x层中，并且在一些情况下被蚀刻到n(或p)si层中，并且在一些情况下被蚀刻到soi的sio2层。将mpd/mapd的阳极和阴极连接到电子器件ic的电极使用标准cmos/bicmos处理来制造。
对于具有950nm或更长的波长的光子，光可以从衬底侧穿过si照射，si可以变薄并且可以添加通孔3440以进一步去除si；信号光也可以从顶表面、垂直于表面和/或以小于90度并且在一些情况下<＝45度的角度来照射。
将mpd/mapd与电子器件集成在单个芯片上显著降低了封装成本，并且还提高了性能，这是因为使由接合焊盘引起的寄生电容、由接合线引起的寄生电感、寄生电阻和阻抗最小化，其产生了与未被集成和引线接合和/或焊接凸点附着的pdapd相比的较大的直径的mpd/mapd和数据速率带宽。例如，对于相同的数据速率带宽，与未被集成的pd/apd相比，集成的mpd/mapd的直径可以是30％或更大，并且在一些情况下>10％，并且在一些情况下>20％，并且在一些情况下>40％，并且在一些情况下>50％。由于光学部件将光耦合到mpd/mapd的较大的不对准容限，mpd/mapd直径的增加可以降低封装成本。
gexsi1-xp层可以具有x<＝0.4并且在一些情况下<＝0.6并且在一些情况下<1，并且可以具有0.1微米至1微米的范围内的厚度以及在5×1018/cm3至2×1020/cm3或更高的p型的范围内的掺杂。在p和n互换的情况下，ngexsi1-x可以具有与pgexsi1-x相同的厚度范围，并且掺杂可以在5×1017/cm3至1×1020/cm3或更高的n型的范围内。igexsi1-x可以具有0.5微米至3.5微米范围内的厚度，并且在一些情况下为0.5微米至5微米范围内的厚度。x可以<＝0.4，并且在一些情况下<＝0.6，并且在一些情况下<1。对于i层完全地和/或部分地，igexsi1-x层的掺杂可以<＝5×1016/cm3，并且在一些情况下<＝1×1016/cm3，并且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3。nsi可以具有0.1微米至10微米范围内的厚度以及具有5×1017/cm3至5×1019/cm3或更高的n型的范围内的掺杂。在p和n互换的情况下，psi可以具有与nsi相同的厚度范围并且具有5×1018/cm3至2×1020/cm3或更高的p型的范围内的掺杂。
对于具有x<＝0.2的igexsi1-x，对于850-950nm以及在一些情况下的850nm至1000nm以及在一些情况下的880nm至1100nm以及在一些情况下的950nm至1000nm以及在一些情况下的950nm的范围内的波长，在mpd/mapd中具有微结构的qe增强可以>＝30％并且在一些情况下>＝40％并且在一些情况下>＝50％并且在一些情况下>＝60％并且在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。对于x<＝0.4，对于1250nm至1350nm以及在一些情况下的1000nm至1350nm以及在一些情况下的850nm至1000nm以及在一些情况下的850nm至1350nm以及在一些情况下的1350nm的范围内的波长，在mpd/mapd中具有微结构的qe增强可以>＝30％并且在一些情况下>＝40％并且在一些情况下>＝50％并且在一些情况下>＝60％并且在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。对于x<＝0.96，在mpd/mapd中具有微结构的qe增强对于1550nm的波长可以>＝30％并且在一些情况下>＝40％并且在一些情况下>＝50％并且在一些情况下情况>＝60％并且在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。
在单个芯片上与电子器件集成的si/soi上gexsi1-xmpd/mapd的数据速率可以>＝1gb/s，并且在一些情况下>＝5gb/s，并且在一些情况下>＝10gb/s，并且在一些情况下>＝25gb/s，并且在一些情况下>＝40gb/s，并且在一些情况下>＝50gb/s，并且在一些情况下>＝60gb/s。
si或soi上gexsi1-xmapd的增益可以>＝2，并且在一些情况下>＝5，并且在一些情况下>＝10，并且在一些情况下>＝20，并且在一些情况下>＝40。
图35是示出根据一些实施方式的具有gesi合金i层的微结构孔pd的图。对于i层，例如x在0.3到0.4的范围内的gexsi1-x，ge百分比在30-40％的范围内。此外，在x在0.3到0.4的范围内的i层以及例如x在0.1至0.3的范围内的另外的层中可以存在多个层，并且在一些情况下，x可以为0.01至0.2或0.01至0.3或0.01至0.4。x可以是1和/或0.001以及0和1之间的所有数字。可以存在多个层和/或单个层。多个层中的每一层可以具有在从3nm到1000nm或以上的范围内的厚度，以及在一些情况下具有在从1nm到100nm的范围内的厚度，例如超晶格和/或量子阱层和/或阶梯层，其中相邻层具有不同的x值。参见例如opticalabsorptioninhighly-strainedge/sigequantumwells：theroleofγ→δscattering；lever等，https://arxiv.org/pdf/1302.7241v1.pdf(通过引用并入本文并且在本文中称为“lever等”)。i吸收gesi(sige)层可以是多量子阱，例如，具有近似重复55次的11nm/14nm/11nm的厚度的si/si0.4ge0.4/si。例如，每层的量子阱厚度可以在例如从1nm至50nm的范围内，并且势垒可以在例如1nm至50nm的范围内，并且相邻的层可以具有不同的厚度和/或x值。例如，可以存在啁啾量子阱。在lever等中，具有11nm/14nm/11nm的厚度的si/si0.4ge0.4/si的量子阱可以具有近似1000/cm的吸收系数；在1350nm波长处对于具有55层的近似2微米厚的isi/gesi/si量子阱，在1350nm波长处的量子效率可以是18％。通过添加例如孔的微结构，可以将吸收增强2-10倍或以上，这可以将量子效率提高到>30％-80％或更大。量子阱si/gesi/si微结构pd/apd可以在1250nm至1350nm以及在一些情况下在820nm至1350nm以及在一些情况下在840nm至960nm以及在一些情况下在840nm至1000nm以及在一些情况下在950nm至1350nm的波长范围内以>＝30％至>＝80％以及在一些情况下>＝90％以及在一些情况下>＝50％的范围内的量子效率起作用。
opticalabsorptioncoefficientdeterminationandphysicalmodellingofstrainedsige/siphotodetectors，polleux等，http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp？arnumber＝919052(通过引用并入本文并且在文本中被称为“polleux等”)报道了si0.6ge0.4(x＝0.4)在1300nm处的吸收系数近似为200-300/cm，这对2微米厚的si上sio0.6ge0.4可以给出在1300nm波长处的近似6％的量子效率。在诸如孔的微结构的情况下，量子效率可以增加到>＝30％，在一些情况下>＝50％，在一些情况下>＝60％，以及在一些情况下>＝70％。
在图35所示的示例中，对于gexsi1-xi吸收层，x可以是0.94。lou等表明在近似1550nm波长处，吸收系数近似为1000/cm。通过包括具有300nm至3000nm的范围的直径以及300nm至6000nm的范围的周期并且被蚀刻到500nm至5000nm的范围的深度的诸如孔的微结构，可以将吸收增强2至10倍或以上，这可以在1550nm波长以及在一些情况下在1400nm至1550nm波长以及在一些情况下在1500nm至1600nm波长以及在一些情况下在1250nm至1350nm处产生在30％至80％或更大以及在30％与80％之间的所有值的范围内的量子效率。
对于gexsi1-x<＝0.4，pd/apd的微结构吸收i层可以是单个层和/或多个层，其可以包括超晶格、量子阱，阶梯层(lever等讨论了量子阱和/或超晶格，并且polleux等讨论了体应变sige/si层)。这与gesicmos双极型晶体管和si电子器件集成兼容，cmosintegratedsiliconphotonics，haensch等，cleo2014，sm30.4，其中gesi中40％的ge对于与gesibicmos工艺兼容性而言是最高的(通过引用并入本文)。如本文所述的微结构的使用可以增强吸收，从而在900nm至1350nm以及在一些情况下的1250nm至1350nm以及在一些情况下的850nm至1000nm以及在一些情况下的950nm至1350nm以及在一些情况下的850nm至950nm的波长范围处将量子效率提高至30％至70％或更大的范围。
与不具有微结构的类似结构相比，通过微结构的吸收增强2至10倍或更大可以产生量子效率的大于2倍至大于5倍的提高。光从其中微结构3512在沿电场的主要方向上被制造的顶表面进行照射，其可以在法线上和/或偏离法线0-45度或更大。对于其中si基本上透明的光的波长例如980nm和更长的波长，光也可以从衬底侧以垂直于衬底表面的角度和/或偏离法线小于90度的角度照射。可以在衬底中蚀刻通孔3540以允许光从阴极侧照射。
层厚度和掺杂的范围可以如下：从soi层开始，sio2层可以是0.1微米至10微米或更大，nsi层可以是0.01微米至10微米，其中，掺杂n掺杂>1×1017/cm3。n外延层可以是si和/或gexsi1-x，其中x<0.4并且在一些情况下<＝0.2，并且其中，厚度在0.01微米至10微米的范围内并且掺杂在1×1017/cm3至5×1019/cm3或更大的范围内。x为0.2至0.4或更大的igexsi1-x层具有0.5微米至3.5微米以及在一些情况下为0.5微米至5微米的范围内的厚度，并且并非被有意进行掺杂，具有<5×1016/cm3以及在一些情况下<＝1×1016/cm3以及在一些情况下<＝1.5×1015/cm3的掺杂本底。最后，psi和/或gexsi1-x层具有x<0.4并且在一些情况下x<0.2并且具有0.05微米至2微米的范围内的厚度以及1×1018/cm3至3×1020/cm3或更大的范围内的p掺杂。所示的结构是p-i-n构造，p和n可以被转换为例如具有p-sisoi上的n-i-p。
响应于具有1450nm至1600nm以及在一些情况下的1500nm至1600nm以及在一些情况下的850nm至1000nm以及在一些情况下的850nm至1600nm以及在一些情况下的1250nm至1350nm以及在一些情况下的850nm至950nm以及在一些情况下的1350+/-20nm的波长范围的光学信号源，si上ge和/或si上gexsi1-xmpd/mapd数据速率带宽可以为1gb/s或更大，并且在一些情况下为>＝5gb/s，并且在一些情况下为>＝10gb/s，并且在一些情况下为>＝20gb/s，并且在一些情况下为>＝25gb/s，并且在一些情况下为>＝40gb/s，并且在一些情况下为>＝50gb/s，并且在一些情况下为>＝60gb/s。
mpd通过处于相对于n阴极3532的负电压的p阳极3530被反向偏置；反向偏置电压可以在-1伏至-10伏的范围内。
对于具有950nm或更长的波长的光子，光可以从衬底侧穿过si照射，可以使si变薄并且可以添加通孔3540以进一步去除si。信号光也可以从表面侧、垂直于表面和/或以小于90度以及在一些情况下的<＝45度的角度照射。
图36示出了根据一些实施方式的gexsi1-x合金微结构(孔)雪崩光电二极管结构p-i-p-i-n构造。顶部p是阳极，底部n是阴极，gexsi1-x合金可以具有从0到1以及在一些情况下的0.001到0.4以及在一些情况下的0.2到0.4以及在一些情况下的0到0.4的范围的x，在该示例中，x＝0.4并且与gexsi1-xcmos/bicmos和双极型晶体管电子器件兼容。如图35中，i-gexsi1-x层可以是单个层和/或多个层，所述单个层和/或多个层可以包括量子阱、超晶格、阶梯层(仅举几例)，相邻层具有不同的x，其中x的范围可以是从0到1以及0到1之间的任何值，以及/或者厚度的范围为从3nm到2000nm并且在一些情况下为从3nm到3500nm并且在一些情况下为从3nm到5000nm。可以在gexsi1-x合金层和/或ge层中建立应力和应变，以增加在较长波长处的吸收系数，因为ge和/或gexsi1-x层上的这种应变可以使带隙变窄，如在germaniumonsiliconfornear-infraredlightsensing，colace等，ieeephotonicjournal，第1卷，第2期，2009年8月(通过引用并入本文中)中所示。
除了mapd中的另外的层p-si、电荷层和i-si倍增(雪崩)层之外，mapd和mpd层是相似的并且在许多情况下是相同的。除了mapd中的倍增层和电荷层之外的层可以与mpd中的层互换。
层厚度和掺杂的范围可以如下，从soi层开始，sio2层可以是0.1微米至10微米或更大，nsi层(阴极)可以是0.01微米至10微米，其中，掺杂n掺杂＝>1×1017/cm3(＝>：等于和/或大于)并且在一些情况下＝>5×1018/cm3。l-si倍增层为0.2微米至2微米或更大，并非有意地在i区域中部分地和/或完全地进行掺杂(本征)，具有＝<5×1016/cm3以及在一些情况下<＝1×1016/cm3以及在一些情况<＝1.5×1015/cm3(＝<：等于和/或小于)的本底掺杂。p-si电荷层可以具有从0.02微米至2微米的厚度范围，并且其中，p掺杂＝>1×1017cm3。igexsi1-x层(吸收层)具有从0.2至0.4或更高以及在一些情况下为0.4至1的x，并且具有范围从0.5微米到3.5微米的厚度，并且并非有意地在i区域中部分地和/或完全地进行掺杂(本征)，具有<5×1016/cm3以及在一些情况下<＝1×1016/cm3以及在一些情况下<＝1.5×1015/cm3的掺杂本底。psi和/或gexsi1-x阳极层具有x<0.4，并且在一些情况下x<0.2，并且可以具有范围从0.05微米至2微米的厚度以及范围从1×1018/cm3至3×1020/cm3或更大的p掺杂。光从顶表面垂直照射和/或偏离法线与表面法线成至多45度照射。在一些情况下，在生长ge和/或gesi层之前，在si上生长缓冲ge或gesi合金作为应变消除层。
在所有的半导体掺杂中，当层在高温下生长时，在p与i之间以及在i与n之间，p和n掺杂剂扩散到i区。对i区域进行测量，其中掺杂水平下降至＝<5×1016/cm3，并且在一些情况下＝<1×1016/cm3，并且在一些情况下＝<5×1015/cm3。通常，掺杂越低，则获得设计的i层厚度的反向偏压越低。例如，与具有最少的向i区的p和n掺杂剂扩散的类似结构相比，如果p和n显著扩散到i区中，则需要较高的反向偏压来获得2微米的完全耗尽的i区。
利用体ge0.4si0.6，对于gesi量子阱，所测量的吸收系数在1300nm处近似为300/cm(参见polieux等和lever等)，吸收系数在1350nm处可以是1000/cm。利用诸如孔的微结构，吸收系数可以增强2-15倍或更大，这可以将量子效率提高到多达30％到50％或更大，在一些情况下>＝60％，在一些情况下>＝70％，并且在一些情况下>＝80％或更大。
响应于具有1250nm至1350nm以及在一些情况下的1000nm至1350nm以及在一些情况下的950nm至1350nm以及在一些情况下的850nm至950nm以及在一些情况下的850nm至1750nm以及在一些情况下的1250nm至1750nm以及在一些情况下的1320+/-20nm的波长范围的光学信号源，si上ge和/或si上gexsi1-x单层和/或多层mapd可以具有可以>＝30％以及在一些情况下>＝40％以及在一些情况下>＝50％以及在一些情况下>＝60％以及在一些情况下>＝70％以及在一些情况下>＝80％的qe。数据速率带宽为1gb/s或更高，在一些情况下>＝5gb/s，在一些情况下>＝10gb/s，在一些情况下>＝20gb/s，在一些情况下>＝25gb/s，在一些情况下>＝30gb/s，在一些情况下>＝40gb/s，在一些情况下>＝50gb/s，以及在一些情况下>＝60gb/s。增益的范围可以从1到5，在一些情况下可以从2到10，以及在一些情况下可以从2到10或更大。
mapd通过处于比n阴极3532更负的电压处的p阳极3530以及通过-4伏到-50伏或更大以及在一些情况下-10伏到-55伏以及在一些情况下-10伏到-55伏以及在一些情况下为-6伏至-35伏的反向偏压范围被反向偏置。
另外，kang等2008和michel等讨论了低温生长的ge(或sige)缓冲层，使得gei吸收层可以被生长成为不具有显著应变。根据本公开内容的一些实施方式，我们可以使用ge/gesi缓冲层来减少和/或消除应变。
另外，i吸收层可以是gesi合金的超晶格，其中，ge分数x的范围从0到1，例如其中，相邻层可以具有不同的x值。
图37a至图37c是示出根据一些实施方式的mpd/mapd中的i吸收层的变化的图。吸收pin异质结层可以是p(si和/或ge和/或gexsi1-x)-i(ge和/或gexsi1-x和/或si)-n(si和/或gexsi1-x)或n(si和/或gexsi1-x)-i(ge和/或si和/或gexsi1-x)-p(si和/或gexsi1-x)微结构光电二极管或p(si和/或ge和/或gexsi1-x)-i(ge和/或gexsi1-x和/或si)-p(si)-i(si)-n(si)微结构雪崩光电二极管，其中i吸收层可以是ge、ge和si多层，以及/或者ge和/或gexsi1-x和/或si层或多层。
图37a中的示例示出了i层是gexsi1-x，其中x<＝1；对于x＝0.4，mpd/apd可以响应820nm至1350nm的波长范围，其中，微结构增强了在1250nm至1350nm以及在一些情况下的1000nm至1350nm以及在一些情况下的840nm至1350nm的波长范围处的吸收。较低的x值例如x＝0.2对于850nm至950nm的波长范围可以产生微结构pd/apd的>40％以及在一些情况下>50％以及在一些情况下>60％或更高的量子效率增强。对于x＝0.6，微结构pd/apd的1250-1350nm波长的量子效率可以从40％增强到70％或更大。
在图37a至图37c中未示出微结构。通过添加诸如孔的微结构，吸收可以进一步增强2-10倍或更大，这可以针对在850nm至1550nm以及在一些情况下的850nm至1650nm或更长的范围内的波长而产生40％或更大以及在一些情况下的50％或更大以及在一些情况下的60％或更大以及在一些情况下的70％或更大以及在一些情况下的80％或更大的量子效率——取决于其范围可以从x＝0.001至1以及在一些情况下从0.2至0.4以及在一些情况下至0.6或更高的ge分数。对于si衬底上的不具有应变消除的2微米或更大的厚ge膜，拉伸应变和在一些情况下的压缩应变可能如此之高，以致ge在si晶片上的延伸被弯曲并且可能导致高分辨率cmos类型处理的困难。选择性区域生长(sag)可以用于仅在特定区域而不是在整个晶片上外延生长ge和/或gesi合金。
另外，如图37b所示，i层可以是分别为x＝1和x＝0的ge和si的多层，这可以由于内部应变而增大吸收系数并通过补偿层来减少整体应变。局部应变的多层比单层更具可再生性，因为应变可以通过厚度和在具有竞争应变层或补偿应变层的两个表面上存在应变的事实来控制。另外，在蚀刻孔之后，可以在孔中生长si和/或ge共形层的外延生长以提供进一步的应变。
在对于每层具有不同的x值且层厚度的范围从3nm至30nm的情况下，可以生长量子阱(参见lever等)，例如对于交替层x＝0.6和x＝1。在1350nm波长处可以获得近似1000/cm的吸收系数，并且通过应用微结构，在1250nm至1350nm以及更长的波长范围处，量子效率可以增强至>＝30％，在一些情况下>＝40％，在一些情况下>＝50％，在一些情况下>＝60％，并且在一些情况下>＝70％或更大。staircasebandgapsi1-xgexsiphotodetectors，lo等，appl.phys.lett.，第77卷，第10期，2000年9月4日(通过引用并入本文)讨论了以下述方式使用的阶梯层结构：针对9个层，每层具有范围从0.12至0.33的不同的x并且每个层为200nm厚，从而产生范围从900nm至超过1100nm的波长响应，并且峰值在近似975nm处。在添加诸如孔和/或柱的微结构以及增强吸收的情况下，在900nm至1150nm以及在一些情况下的1000nm至1350nm以及在一些情况下的1250nm至1350nm的波长范围内，量子效率可以从40％增强到70％或更大，其可以是不具有微结构的类似结构的qe的2至10倍。
enhancementoftheinfrareddetectionefficiencyofsiliconphoton-countingavalanchephotodiodesbyuseofsilicongermaniumabsorbinglayers，loudon等，opticsletters/第27卷,第4期/2002年2月15日(通过引用并入本文)讨论了具有si/si0.7ge0.3的多个量子阱的si上gesiapd，其中si层的范围从6nm到7nm，阱si0.7ge0.3为3.5nm并且针对在1210nm处的峰值波长响应重复25次。通过将x增加到0.4，对于si0.6ge0.4的阱并通过将阱厚度改变为14nm并且将势垒(si)改变为11nm，并且在25-70个量子阱周期的情况下，可以获得近似300-1000/cm的吸收系数。该层也可以是超晶格或多层，其中si0.6ge0.4可以具有范围从20nm至2500nm的厚度，si层可以具有例如范围从10nm至1000nm的厚度。ge、gexsi1-x、si的i吸收层并非有意被掺杂(本征)，具有<5×1016/cm3以及在一些情况下<＝1×1016/cm3以及在一些情况<＝1.5×1015/cm3的掺杂本底。在i吸收层和阳极(用于p-l-n构造)层中形成微结构以将吸收增强2-10倍或更大并且对于在不具有微结构的情况下增强将是例如<30％的波长范围可以产生30％至70％或更大的量子效率。
在图37c中，不同分数的ge的gexsi1-x合金可以在多层中生长，如所示的，对于交替层，x在0和0.4之间变化。应当注意，相邻层可以具有不同的x值和/或厚度。层中x的其他变化也是可能的，例如非周期性变化、周期性变化和随机/伪随机变化。在一些情况下，ge0.4si0.6层可以是300nm并且si层可以是30nm并且重复7次，在一些情况下，ge0.4si0.6层可以是500nm，si层是50nm并且重复4次，并且在一些情况下，ge0.4si0.6可以是2000nm并且si层是300nm并且顶部的si层可以是例如阳极和ge0.4si0.6层，i吸收层在可以形成阴极的n硅层上外延生长。
添加诸如孔和/或柱的微结构和/或空隙和/或突起的其他几何或非几何形状可以将吸收增强2至10倍或更大，并且在一些情况下增强2至30倍或更大，一些情况下增强2至50倍或更大，从而产生比不具有微结构的类似结构高的量子效率。
作为gexsi1-x的x的函数的临界层厚度在以下中给出：calculationofcriticallayerthicknessversuslatticemismatchforgexsi1-x/sistrainedlayerheterostructures，people等，appl.phys.lett.47(3)，1985年8月1日(通过引用并入本文并且在本文中被称为“people等”)。作为gexsi1-x的x的函数的应变和带隙在以下中示出：past，presentandfuture：sigeandcmostransistorscaling，kuhn等，ecstransactions，33(6)，2010年3月17日(通过引用并入本文)。
例如，对于gexsi1-x在x＝0.4处，对于例如1250-1350nm的波长范围，可以针对si上p-i-nmpd/mapd的i-gesi吸收层的厚度为2微米的ge0.4si0.6/si/ge0.4si0.6超晶格来生长总共80对的20nm的ge0.4si0.6和5nm的si的对(pair)。
对于x＝0.2，可以生长100nm的ge0.2si0.8，对于在850nm至950nm以及在一些情况下的820nm至980nm以及在一些情况下的820nm至1000nm的范围内的波长操作，si上p-i-n(或n-i-p)mpd/mapd的达2微米厚的i-ge0.2si0.8/si/ge0.2si0.8吸收层(对于mapd，层是p(gesi)-i(gesi多层吸收-psi-isi-nsi)的总共18对的100nmge0.2si0.8和10nm的si的对的多层结构。mpd/mapd的qe可以>+30％，在一些情况下>＝40％，在一些情况下>＝50％，在一些情况下>＝60％，在一些情况下>＝70％，以及在一些情况下>＝80％。
其他层厚度也是可能的，gesi层的厚度的范围可以从3nm至2000nm，si层厚度的范围可以从2nm至2000nm，这取决于x和层上的应变。
图38a和图38b是根据一些实施方式的微结构光电二极管的顶视示意图和sem显微照片。光垂直和/或几乎垂直地照射到该示例n-i-p装置上的包含孔3822的平面。环形欧姆接触3828位于n层3810上；蚀刻具有边缘3862的台面以暴露具有p欧姆接触3830的p层3806。p电极3890附接至p欧姆接触3830，并且n电极3880附接至n环形欧姆接触3828。注意，光可以以在从偏离法线0度(法线)至60度或更大的范围内的角度以及之间的所有角度照射在孔上。另外，对于大于980nm的波长，光也可以从有或没有通孔的基底侧照射。
在soi晶片上，针对n-i-p(也可以是p-i-n，其中p和n互换)光电二极管的一些基本步骤可以包括：(1)光刻掩模和孔蚀刻(干蚀刻)；(2)热氧化钝化；(3)光刻掩模(或仅掩模)环形n欧姆和电子束沉积n欧姆金属例如ti、al、pt；(4)掩模n台面电隔离并且蚀刻至p层或者离子注入例如o离子以用于电隔离和/或掺杂剂的扩散；(5)掩模和p台面并且蚀刻至sio2层；(6)掩模p欧姆接触并且沉积p欧姆金属例如ti、al、pt；(7)快速热退火；(8)掩模聚酰亚胺和/或电介质例如siox/sinx以用于接合焊盘电极至n欧姆的桥；以及(9)掩模并且沉积ti、al的接合焊盘电极。为简单起见，未示出诸如氧化物蚀刻的步骤。为简单起见，未示出其他步骤例如介电蚀刻掩模、台面、孔、抗反射涂层的介电钝化。
图38b的扫描电子显微照片示出了具有约0.5微米直径的锥形孔的直径为30微米的n台面微结构pd。其他孔直径未示出，并且可以在从0.2微米直径至2.5微米直径的范围内，并且在一些情况下可以在0.5微米直径至1.3微米直径的范围内并且在一些情况下在0.6微米直径至1.3微米直径的范围内。处理可能导致尺寸变化多达+/-2％至+/-20％。
电rf和dc探头附接(引线接合、焊接凸起、集成电极至si/gesi电子器件)至阴极n电极和阳极p电极，在所述阴极n电极和阳极p电极处施加有反向偏置并且此外来自mpd/mapd的电信号被传输至电子器件以用于进一步的信号处理和通信。mpd和mapd是光学接收器的构成部分，所述光学接收器用于例如数据中心的数据通信应用、短距离(shortreach)、粗波分复用(cwdm)、中等距离(mediumreach)、长距离(longreach)、光纤到户、局域网、存储区域网络、大都市区域网络、长距离电信等。
图35中的mpd和图36中的mapd也可以具有从衬底侧照射的光，其中，可以对si衬底进行抛光以及/或者蚀刻通孔以移除衬底中的在以下波长的光的路径上的部分，在所述波长处si主要地可透射，例如波长大于1000nm，在一些情况下波长大于900nm或更大并且在一些情况下波长大于1200nm或更大。
如图35中所示的soisi衬底上的微结构ge和/或gesi合金光电二极管以及图36中的soisi衬底上的微结构ge和/或gesi合金雪崩光电二极管，mpd和mapd二者也可以在不具有掩埋sio2层的情况下被制造在si衬底上。在p-i-nmpd和p-i-p-i-nmapd二者中，例如，si衬底可以是n型si衬底。例如，p和n可以互换以具有p型si衬底上的n-i-pmpd和n-i-n-i-pmapd。并且对于特定波长的光，光可以从衬底侧入射，其中，可以对衬底进行抛光以及/或者可以蚀刻通孔以移除部分衬底以使得光到达光电探测器的吸收i层。波长可以在从850nm至1800nm的范围内，并且在一些情况下在从850nm至1000nm的范围内，并且在一些情况下在从950nm至1300nm的范围内，并且在一些情况下在从900nm至1650nm的范围内，并且在一些情况下在从1000nm至1650nm的范围内，并且在一些情况下在从1200nm至1750nm的范围内。
例如x<＝0.4并且在一些情况下x<＝0.3并且在一些情况下x<＝0.2并且在一些情况下x<＝1的gexsi1-x合金和ge微结构光电二极管(mpd)和微结构雪崩光电二极管(mapd)可以与cmossi/gesi电子器件集成到能够与100g-clr4数据中心应用兼容的光电探测器阵列及其相关联的电子器件中。参见100g-clr4；https://www.clr4-alliance.org/media/doc/100g-clr4-specification_v1p52_final(通过引用并入本文)。粗波分复用长距离4×25gb/s(100g-clr4)的中心波长是：通道(lane)l0：1271nm，其中范围近似为1264nm至1278nm；通道l1：1291nm，其中范围近似为1284nm至1298nm；通道l2：1311nm，其中范围近似为1304nm至1318nm；通道l3：1331nm，其中范围近似为1324nm至1338nm。
mpd和mapd的集成可以显著降低光学接收器的成本。
对于短距离(小于100米至300米)100g-sr4(短距离4×25gb/s)和100g-csr4(粗波分多路复用短距离4×25gb/s)，参见例如swdmstrategiestoextendperformanceofvcselsovermmf；kocot等，ofc2016，tu2g.1(通过引用并入本文)。对于在数据中心应用中使用的光学接收器，波长通常以850nm为中心，并且在一些情况下在约805nm至880nm的范围内并且在一些情况下在约800nm至1000nm的范围内并且在一些情况下在约850nm至950nm的范围内。参见850-950nmwidebandom4multimodefiberfornextgenerationwdmsystems，molin等，ofc2015m3b(通过引用并入本文)。可以利用simpd和mapd以及/或者可以利用gesi(也被写成sige)合金mpd和mapd。在一些情况下，在阵列中，一些mpd/apd可以是si以及/或者一些可以是gexsi1-x合金mpd/apd，其中x的范围可以从0至1并且在一些情况下从0至0.4并且在一些情况下从0至0.3并且在一些情况下从0至0.2并且在一些情况下从0至0.1并且在一些情况下x＝0.4并且在一些情况下x<＝0.85。将mpd/apd与si和/或gesicmos电子器件集成可以显著降低光学接收器的成本。另外，具有si和/或gesi电子器件的mpd和/或mapd阵列也可以显著降低光学接收器的封装成本。
在simpd和simapd和/或ge/gesi/si(ge和/或gesi和/或si的组合)mpd/apd中，数据速率带宽可以>＝5gb/s并且在一些情况下>＝10gb/s并且在一些情况下>＝25gb/s并且在一些情况下>＝40gb/s并且在一些情况下>＝45gb/s并且在一些情况下>＝50gb/s(其中，>＝意思是大于和/或等于)。
在gesi吸收i层mpd/apd中，有利的是使包覆吸收igesi层的区域具有比吸收gexsi1-x层的带隙大的带隙，其中x可以>0但是小于或等于1。例如，如果x＝0.4，则包覆区域可以具有gexsi1-x，其中x为0和/或<0.4并且在一些情况下x＝0和/或0.3并且在一些情况下x＝0和/或<0.2并且在一些情况下x＝0和/或<0.1，使得在包覆i吸收区域的区域例如p区域和n区域中吸收较少的光子。因此，减少了在高场i吸收区域外产生的光载流子的数量，并且可以避免数据速率带宽和/或量子效率的相关劣化。
图39是根据一些实施方式的具有不规则孔直径和间距的mpd/mapd的顶视示意图。该装置类似于图38a和图38b中所示的装置，除了微结构孔3922的大小和分布之外。在一些情况下，可以形成随机孔直径和/或间距，并且在一些情况下，可以对孔直径和间距进行加权(weight)以调节特定波长和波长跨度处的吸收特性。在一些情况下，孔可以具有相同的直径并且间距是不规则的，而在其他情况下，间距可以是规则的并且孔直径是变化的。耦合具有略微不同特性的谐振器的优点是使吸收/qe特性相对波长变宽和变平。孔直径可以具有在1％至10％的范围内的变化，间距具有在1％至10％的范围内的变化，并且孔的深度也可以在1％至10％的范围内变化，并且在一些情况下，孔直径可以在3％至20％的范围内变化，间距可以在2％至20％的范围内变化并且深度可以在3％至20％的范围内变化，并且在一些情况下，孔直径可在0％至50％或更大的范围内变化，间距可以在0％至50％或更大的范围内变化，并且深度可以在0％至50％或更大的范围内变化。
si和/或soi上p-i-n或n-i-pmpd以及si和/或soi上p-i-p-i-n或n-i-n-i-pmapd层可以由gexsi1-x组成，其中x可以具有在从0至1的范围内的值，并且在一些情况下吸收i层可以具有也由gexsi1-x组成的多层，其中x可以具有在从0至1的范围内的值。每个层可以有在0至1的范围内的其自己的x值。在所有simpd、mapd中，对所有层x＝0是特殊情况。如先前针对si、ge、gexsi1-xmpd/mapd给出的层的掺杂、孔/柱直径和间距、蚀刻深度、波长、偏置电压、数据速率带宽也适用于层组成的这种变化。
图40a是示出如图38b中所示的30微米(微米)直径的simpd器件的实验结果的曲线图。装置结构根据图27c但是其中p和n互换，从p-i-n至n-i-psimpd。孔图案是六边形的。孔直径为700nm，其中周期为1000nm。孔被蚀刻成基本穿过i层，可能进入到p阳极层中并且可能至sio2层。不同的孔直径的干蚀刻速率是不同的，较小的孔直径蚀刻得比大孔直径微结构慢。
图40a示出了直径为30微米的simpd的脉冲响应。响应于模式锁定的飞秒850nm激光脉冲，使用至simpd共面传输线的rf探头采集来自simpd的电信号并且在采样示波器上显示所述电信号，所述simpd共面传输线附接至n阴极和p阳极欧姆金属(在图38b的扫描电子显微照片中未示出)。另外，通过串联连接至采样示波器与simpd之间的传输线的偏置t，将simpd反向偏置至-3伏至-4伏。脉冲宽度的半高全宽(fwhm)被测量为30皮秒(ps)，使用公式δtδf＝0.44，30皮秒(ps)对应于约14.7ghz-3db带宽，其中，δt是脉冲响应的fwhm，并且δf是频率响应的-3db带宽。使用以下公式gb/s＝ghz/0.675将ghz转换成gb/s。这产生21.7gb/s的数据速率带宽。ghz与gb/s之间的另一转换因子可以是0.5，其给出29.4gb/s的gb/s。转换因子可以是位模式相关的。
图40b是示出根据一些实施方式的不同孔直径/周期和mpd直径的测量qe(量子效率)相对于从780nm至900nm的波长的实验结果的曲线图。具有700nm的孔直径和1000nm的周期的直径为500微米的simpd(图27c)测试结构的qe在780nm处显示约60％qe，并且在900nm波长处单调地降低至38％至40％qe。注意，simpd在层结构、掺杂浓度、微结构尺寸方面尚未优化，并且mpd可以被进一步优化或改进。在这样的优化下，预期qe提高10％至20％或更多。
图41是示出根据一些实施方式的针对具有2微米si吸收层的mpd的计算的qe相对于波长的曲线图。针对从750nm至980nm的波长绘制了qe。还绘制了在吸收系数增强3倍、5倍、7倍和9倍的情况下的qe。叠加在计算的qe上的是针对与图27c类似的结构的具有700nm的孔直径和1000nm周期的simpd的测量qe。
实验qe显示，从约780nm至840nm，qe大致落在si吸收系数的5倍增强上，并且从860nm至900nm，实验qe大致落在si吸收系数的7倍增强上。在较长波长处，随着si吸收变弱，由于simpd装置上的微结构，增强变得更明显。
在非优化的simpd上通过实验观测到780nm处的qe增强约为300％，并且在900nm处的qe增强约为660％。与现有技术的太阳能电池纳米结构相比，在许多情况下，具有纳米结构的太阳能电池比没有纳米结构的太阳能电池具有更差的qe。在少数情况下，与可比较的没有纳米结构的太阳能电池相比，具有纳米结构的太阳能电池的qe的提高为5％或更少。
根据本公开内容，使用微结构来增强光电探测器的qe适用于所有以下材料：与没有微结构的类似结构的qe相比，所述材料的qe在特定波长处可以通过微结构来增强。通过微结构的qe增强在特定波长处可以>＝50％，在一些情况下>＝200％，在一些情况下>＝300％，在一些情况下>＝500％，在一些情况下>＝1000％，在一些情况下>＝1500％，在一些情况下>＝2000％并且在一些情况下>＝5000％，其中，在所述特定波长处，在没有微结构的情况下，吸收小于50％，在一些情况下<＝40％，在一些情况下<＝30％，在一些情况下<＝20％，在一些情况下<＝10％，在一些情况下<＝5％并且在一些情况下<＝2％。
与没有用于增强的微结构的类似结构相比，应用微结构以使吸收增强以及qe增强超过10％并且在一些情况下超过100％并且在一些情况下超过200％适用于除了si、ge、x<＝1的gexsi1-x之外的其他材料，包括iii-v材料族、ii-vi材料族、有机材料、玻璃材料、碳类材料、半导体、半金属、金属、绝缘体，所述其他材料在一些情况下可以是mpd/mapd，以及在一些情况下用于图像感测，以及在一些情况下用于数据和电信，以及在一些情况下用于能量收集，以及在一些情况下用于分析感测，以及在一些情况下用于图像存储，以及在一些情况下用于光学存储。例如针对诸如半导体、电介质、金属、玻璃中的f-中心、玻璃、聚合物、半导体聚合物、石墨烯等的材料，孔直径(或至少一个横向尺寸)可以在从100nm至5000nm的范围内并且间距(规则或不规则分布、边缘至相邻边缘)可以在从0nm(接触和/或交叠)至5000nm的范围内。
根据一些实施方式，本文描述的技术可以应用于正向偏置装置以增强材料的增益，使得微结构发射器me和/或微结构激光器ml可以发光以照亮应用和/或作为光学数据通信的光源。以及在一些情况下用于成像，以及在一些情况下用于光电信，以及在一些情况下用于光纤到户，以及在一些情况下用于照明，以及在一些情况下用于自由空间光通信。
图42是示出以gb/s为单位的数据速率带宽以及以百分比为单位的量子效率的增强相对于具有如图38b的扫描电子显微照片中所示的30微米直径并且具有如图27b或图27c中所示的结构的simpd(以及单位增益的mapd)的i层的厚度的曲线图。对于约2微米厚的i层和7倍的吸收增强，在850nm信号波长处，qe可以是约50％或更大，并且数据速率带宽可以是25gb/s或更大。对于更高的数据速率带宽，i层应该更薄例如厚度为1微米，并且在直径为30微米的mpd/mapd的情况下，数据速率带宽可以约为48gb/s或更大，并且在20倍的吸收增强的情况下qe可以>＝60％。数据速率带宽曲线是实线，并且竖直刻度位于曲线图的右侧，qe是虚线并且竖直刻度位于曲线图的左侧。
图43是示出根据一些实施方式的针对30微米直径的si上gempd的数据速率带宽和在吸收增强的情况下的qe的曲线图。针对1550nm波长示出了数据速率带宽和在吸收增强的情况下的qe与ige层吸收厚度的关系。该结构类似于图22b中所示的结构，并且可以在si衬底和/或soi上。波长可以在从1350nm至1550nm的范围内，并且在一些情况下在从1250nm至1350nm的范围内，并且在一些情况下在从1350nm至1650nm或更长的范围内。
在2微米ige层厚度处的数据速率带宽可以约为20gb/s并且使用微结构可以具有8倍的吸收增强。可以在1550nm信号波长处达到50％或更大的qe。实线曲线是数据速率带宽，其中竖直刻度在右侧，并且虚线曲线是qe，其中竖直刻度在左侧。没有微结构增强并且ge层未处于使得带隙可以变窄的显著应力下的类似结构，对于2微米厚的吸收ige层在1550nm处qe小于10％。这是针对si上的无应变ge。
对于更高的数据速率带宽，将si上gempd的直径保持为30微米，1.5微米的ige层可以达到约25gb/s并且qe在1550nm的波长处在11倍吸收增强的情况下可以是50％或更多。对于在直径为30微米的si上gempd的情况下的60gb/s的数据速率，i层约为1微米厚，并且在1550nm的波长处通过微结构可以在16倍或更大的吸收增强的情况下达到50％或更大的qe。在很大的吸收增强例如大于16倍的情况下，qe将相应地增加。在一些实验中，吸收增强可以高达例如60倍至70倍。
图44是示出根据一些实施方式的的数据速率带宽和由于吸收增强的qe相对于si上gexsi1-xmpd的i层厚度的曲线图。使用si上ge0.2si0.8或者si或sqi衬底上gexsi1-x，其中x<＝0.2。mpd的直径为30微米，并且光的波长为980nm。i层是ge0.2si0.8，并且p层和/或n层可以是si和/或gexsi1-x其中x<＝0.2，并且可以具有在从0.1微米至2微米的范围内的厚度。p层的掺杂水平可以在从1×1018/cm3至2×1020/cm3的范围内，i层的掺杂水平可以<＝5×1016/cm3并且在一些情况下<＝1×1016/cm3并且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3，并且n层可以具有在5×1017/cm3至2×1020/cm3的范围内的掺杂。p掺杂离子和n掺杂离子与在cmos和bicmos处理中众所周知的标准硅p掺杂处理和n掺杂处理中使用的相同。
在2微米厚的ge0.2si0.8i层、mpd(或具有单位增益的mapd)和30微米直径的情况下，可以达到约25gb/s的数据速率带宽，并且通过具有如图21a、图22a和图27a中的表中给出的尺寸和间距的微结构孔(或柱)可以达到6倍的吸收增强。此外对于本说明书中其他地方给出的范围并且例如对于半导体mpd/mapd，孔直径可以在从250nm至3000nm的范围内，并且间距可以在从0nm至5000nm的范围内。在980nm波长处可以达到50％或更大的qe。波长范围可以跨850nm至950nm，在一些情况下跨850nm至980nm，在一些情况下跨840nm至980nm，在一些情况下跨950nm至1000nm，并且在一些情况下跨810nm至1000nm。
实线曲线是数据速率带宽，其中纵轴在右侧给出，并且虚线曲线是qe，其中纵轴在左侧。
在直径为30微米的mpd(mapd)的情况下，1微米厚的ge0.2si0.8i层可以达到50gb/s的数据速率带宽，并且在980nm的波长处在体吸收系数的12倍的微结构增强吸收的情况下可以达到50％或更大的qe。在通过微结构实现的体吸收系数的更高的增强的情况下，可以达到更高的qe。在不具有通过微结构实现的吸收系数的增强的情况下，2微米和1微米的i层的qe分别小于12％和5％。
图45是示出根据一些实施方式的数据速率带宽和由于吸收增强的qe相对于另一si上gexsi1-xmpd的i层厚度的曲线图。装置是如图44中的直径为39微米的mpd，该mpd具有包覆有si和/或x<＝0.4的gexsi1-x的ge0.4si0.6i层以及p阳极层和n阴极层，p阳极层和n阴极层具有与图44的si和/或soi上mpd相同的掺杂和厚度范围。作为在从0.1微米至3.5微米的范围内的i层厚度的函数，实线曲线是数据速率带宽，其中纵轴在右侧，并且虚线曲线是在1300nm波长处在具有和不具有通过微结构实现的吸收增强的情况下的qe，其中垂直轴线在左侧。对于2微米厚的igeo.4sio.6层，直径为30微米的mpd(mapd)可以达到约25gb/s，并且在1300nm的波长处在通过微结构实现的11倍或更大吸收增强的情况下可以达到约50％或更大的qe。在1.5微米厚的i层的情况下，数据速率带宽可以达到约50gb/s，并且在15倍或更大的吸收增强的情况下，在1300nm波长处，qe可以是50％或更大。波长可以从1250nm跨至1350nm，并且在一些情况下从1000nm跨至1300nm，并且在一些情况下从950nm跨至1300nm。
微结构可以是孔、腔、柱、突起，并且横向尺寸中之一可以在从100nm至5000nm的范围内，并且间距可以是周期性的和/或非周期性的并且可以在从0nm(接触和/或交叠)至5000nm或更多的范围内，所述间距是在微结构的相邻边缘处测量的。微结构的深度或高度可以在从50nm至10000nm的范围内，并且在一些情况下在从300nm至5000nm的范围内。另外，微结构的横向尺寸可以根据深度和/或高度而变化。横向尺寸可以具有多个尺寸，并且这些尺寸中的每一个可以根据深度和/或高度而相同和/或不同地变化。在沟槽的情况下，横向尺寸可以在例如从100nm至80000nm或更大的范围内。这些尺寸适用于由例如半导体、非半导体、电介质、聚合物、金属、碳类、玻璃等类型的材料制成的mpd/mapd。
图46是示出根据一些实施方式的微结构和接合焊盘对电容的影响及其对数据速率带宽的影响的曲线图。将mpd/mapd与电子器件集成在单个芯片上可以省去对接合焊盘的需求并且减小寄生电容。pd和mpd具有厚度为2微米的i层。纵轴是以gb/s(以-3db衰减(roll-off))为单位的数据速率带宽，并且横轴是pd或mpd的直径。
实线曲线是针对作为示例的具有直径为1000nm以及周期为2000nm并且被蚀刻至2300nm的深度的的孔的simpd，并且示出了对于具有最高达100微米的直径的mpd，mpd具有超过25gb/s的数据速率带宽，而以短划线示出的没有微结构的类似pd(光电二极管)，针对25gb/s，最大直径约为60微米。实线曲线和短划线曲线二者是针对pd和mpd，所述pd和mpd与电子器件一起集成在单个硅芯片上使得由于接合焊盘引起的寄生电容显著降低。
虚线示出了没有微结构但是具有接合焊盘的pd，接合焊盘增加了额外的寄生电容，该寄生电容会降低数据速率带宽并且在pd直径为20微米的情况下将数据速率带宽限制至20gb/s。在一些情况下，使用直径为30微米的拥有具有较小寄生电容的接合焊盘的pd/mpd可以达到25gb/s。然而，对于更高数据速率带宽，在具有接合焊盘的pd的情况下，将pd直径减小至小于30微米(微米)直径并且在一些情况下将直径减小至20微米或更小直径。通过将pd/mpd/mapd与电子器件集成在单个硅芯片上，显著降低了寄生电容、电阻和电感，并且允许更大面积的mpd/mapd以用于光学信号的检测。较大的面积通过放宽光学部件的对准公差以将信号光聚焦到mpd/mapd中而大大降低了封装成本。在>40gb/s的数据速率处，集成pd/mpd/mapd的直径可以是未被集成但是需要接合焊盘以将pd/mpd/mapd连接至信号处理电子器件和放大器例如跨阻放大器(tia)的可比较的pd/mpd/mapd的1.2倍并且在一些情况下是2倍或更多。
图47是示出针对例如图36中的si上gemapd的数据速率带宽和qe与i层厚度的关系的曲线图，其中，所述si上gemapd具有x＝1而不是0.4的igexsi1-x层以及直径为30微米的台面。例如，其他i层结构可以具有针对x<＝1的各种值的多个gexsi1-x层并且具有各种厚度，使得每个单个层不超过针对给定x的临界厚度(参见people等)，并且在计算电容时使用多层化的i层的平均介电常数。此外，使用孔，可以进一步减小电容。
如图47中所示，在从0db增益至9db增益的各种雪崩增益的情况下以虚线示出了数据速率带宽。随着增益的增加，数据速率带宽由于雪崩时间而降低。雪崩层厚度为0.5微米；对于2倍的增益，雪崩渡越时间增加2倍，并且对于4倍的增益，雪崩渡越时间增加4倍。对于具有2微米ige层和直径为30微米的台面的si上gemapd，在6db雪崩增益的情况下在-3db处的数据速率带宽可以超过15gb/s。连同微结构进一步使吸收增强5倍，如实线曲线所示，在1550nm波长处qe可以超过200％。与没有微结构的类似结构si上geapd相比较，6db雪崩增益之后的qe在1550nm波长处将约为36％。与si上ge的apd相比，mapd的qe的提高在1550nm处超过500％。
波长可以从1350nm跨至1650nm，在一些情况下从1250nm跨至1350nm，在一些情况下从1200nm跨至1700nm，并且在一些情况下从1500nm跨至1600nm。对于在其处添加微结构的波长而言，其他波长也是可能的。与没有微结构的类似结构相比，qe可以提高40％或更多。在一些情况下，提高可以为>＝60％，在一些情况下>＝100％，在一些情况下>＝200％，并且在一些情况下>＝500％。
图48是示出根据一些实施方式的具有不同深度的微结构孔蚀刻的soi或si上的可能的simpdp-i-n结构的图。以虚线示出的孔4812可以被蚀刻至soi的sio2层、穿过i层和/或部分地穿过i层。前面针对simpd给出了孔直径和间距/周期。前面也给出了波长、qe和数据速率。对于p型优选掺杂b并且对于n型优选掺杂as，也可以使用其他掺杂剂例如al、p、c等，但是根据一些实施方式，使用通常在cmos/bicmos处理中使用的掺杂剂使得可以在同一实验室或工厂使用相同或类似的制造装备完成mpd与电子器件的集成。通常在大多数电子器件步骤经处理之后制造mpd，并且可以将某些步骤例如热处理/钝化与在cmos/bicmos处理中使用的热处理/钝化结合。
另外，i层厚度可以在从0.5微米至5微米的范围内，通常p区域和n区域被保持为尽可能薄，并且仍然具有小于100欧姆的薄层电阻使得光子不会由于p区域和n区域中的吸收而损失，从而最大化或增加qe。
图49是示出根据一些实施方式的si或soi上的si上geo.4sio.6mpdp-i-n的层结构的图。微结构孔4912可以被蚀刻至soi的氧化物层和/或穿过i和/或部分地穿过i层。以虚线表示示出了示例。
根据people等，在people等的图1中给出了针对gesi中的ge的各分数的临界层厚度。对于gexsi1-x中的x＝0.3，临界层厚度为50nm。利用>＝3×1019/cm3的as或p掺杂在具有类似掺杂的nsi上生长厚度为150nm的n型geo.3sio.7层。利用<＝5×1016/cm3、在一些情况下<＝1×1016/cm3并且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3的掺杂(如果有的话)生长2微米的厚度(或者在从0.5微米至5微米的范围内)的geo.4sio.6i层。由于底部gesin层与gesii层之间的x的差异为0.1，因此i层可以是“未应变的”。例如，0.3微米厚的geo.2sio.8p层遵循>＝1×1020/cm3的b离子掺杂。微结构孔4912被蚀刻至soi的氧化物层、穿过i层和/或部分地穿过i层。例如，微结构孔直径可以在从300nm至5000nm的范围内并且间距可以在从0nm(接触和/或交叠)至5000nm的范围内以用于在从850nm至1350nm、在一些情况下从1250nm至1350nm、在一些情况下从840nm至1300nm并且在一些情况下从1250nm至1550nm的范围内的波长的情况下增强光子的吸收。数据速率带宽可以>＝1gb/s、>＝5gb/s、>＝10gb/s、>＝20gb/s、>＝25gb/s、>＝40gb/s并且在一些情况下>＝50gb/s。对于上述特定波长，qe的范围可以>＝30％、>＝40％、>＝50％、>＝60％、>＝70％并且在一些情况下>＝80％。
图50是示出根据一些其他实施方式的多层化i层的图。i层类似于图49，除了i层是在n型si上生长的达2.1微米的总i层厚度的重复10次的0.2微米的ge0.4si0.6和0.01微米的ge0.2si0.8，其中，n型si在soi或si衬底上为0.5微米厚，具有as或p的>＝3×1019/cm3的掺杂。波长、孔直径、间距、数据速率带宽和qe类似于图49中讨论的结构。
图51是示出根据一些实施方式的具有由顶部的psi和底部的nsi包覆的应变ge0.2si0.8i层的p-i-n结构的图。由顶部的psi和底部的nsi进行的包覆可以在i层的两个表面上均引起应变。增加的应变可以进一步使ge0.2si0.8i层带隙变窄使得可以在950nm或更大的波长处发生约1000/cm或更小的弱吸收。微结构si上ge0.2si0.8mpd的孔直径在从300nm至3000nm的范围内并且间距在从0nm至3000nm的范围内并且蚀刻深度可以在从蚀刻至soi的氧化物层和/或穿过i层和/或部分穿过i层的范围内。波长可以在从840nm至990nm、在一些情况下从850nm至950nm、在一些情况下从850nm至1000nm、在一些情况下从850nm至1250nm、在一些情况下从950nm至1350nm并且在一些情况下从1250nm至1350nm的范围内。数据速率带宽可以在>＝3gb/s、>＝5gb/s、>＝10gb/s、>＝20gb/s、>＝25gb/s、>＝40gb/s、>＝50gb/s的范围内。在通过微结构增强的情况下，qe可以在>＝30％、>＝40％、>＝50％、>＝60％、>＝70％并且在一些情况下>＝80％的范围内。在特定波长处，与没有微结构的类似结构相比较，可以通过微结构使qe增强2倍至10倍以上。
图52是示出根据一些实施方式的p-i-nmpd的另一变型的图。该mpd类似于图51中所示的mpd，其中ige0.2si0.8层生长在0.1微米厚的具有>＝3×1019/cm3的掺杂的ge0.1si0.9n层上，使得层之间的x的差异为0.1以降低应变。另外，pgesi层为具有>＝1×1020/cm3的掺杂的0.05分数的ge并且为0.3微米厚。
在所有情况下，gesi层可以具有从0至1变化的ge分数x以及以+/-10倍并且在一些情况下以+/-5倍变化的掺杂。厚度也可以在+/-50％的范围内变化，并且在一些情况下减去50％以及加上100％或更多。
图53是示出根据一些其他实施方式的具有i区域的多个层的si或soi上的mpd的p-i-n层结构的图。i区域由在0.3微米厚的具有>＝1×1020/cm3的掺杂的psi与0.5微米厚的具有>＝3×1019/cm3的掺杂的nsi之间达2.1微米的总层厚的重复10次的0.2微米的ge0.2si0.8层和0.01微米的si层组成。以虚线示出的微结构孔可以被蚀刻至soi的氧化物层和/或穿过i层和/或部分地穿过i层。
孔直径可以在从300nm至3000nm的范围内，并且间距可以在从0nm至3000nm的范围内，并且蚀刻深度可以在从蚀刻至soi的氧化物层、穿过i层和/或部分穿过i层的范围内。波长可以在从840nm至990nm、在一些情况下从850nm至950nm、在一些情况下从850nm至1000nm、在一些情况下从850nm至1250nm、在一些情况下从950nm至1350nm并且在一些情况下从1250nm至1350nm的范围内。数据速率带宽可以在>＝3gb/s、>＝5gb/s、>＝10gb/s、>＝20gb/s、>＝25gb/s、>＝40gb/s、>＝50gb/s的范围内。在通过微结构增强的情况下，qe可以在>＝30％、>＝40％、>＝50％、>＝60％、>＝70％并且在一些情况下>＝80％的范围内。在特定波长处，与没有微结构的类似结构相比，可以通过微结构使qe增强2倍至10倍以上。
在所有情况下，在阳极与阴极之间施加针对mpd在从-1v至-20v的范围内的反向偏置以及针对mapd在从-6v至-45v的范围内的反向偏置，使得i区域在施加反向偏置电压时被尽可能或可实行地耗尽。
图54a和图54b示出了根据一些实施方式的si上ge和/或gexsi1-x的外延横向过度生长(elog)的一些基本步骤，其中x可以在从0至1的范围内。参见例如参考文献：oda等，crystallinityimprovementsofgewaveguidesfabricatedbyepitaxiallateralovergrowth，japanesejournalofappliedphysics55，04eh06(2016)。si的表面可以用具有在从亚微米至几微米的范围内的开口5422的siox和/或sinx电介质5420掩蔽，并且其中ge和/或gesi合金可以成核并引发外延生长。ge和/或gesi外延层可以在电介质上横向生长成连续平面层，其中层可以是掺杂的p和n，并且还可以如图54b所示具有在p层与n层之间的未掺杂或低掺杂的i层。然后，可以将微结构孔5412蚀刻至mpd和/或mapd装置的p-i-nge和/或gesi和/或si层中。在本申请的先前讨论中给出了层的尺寸和掺杂以及孔的直径和间距。
图55是示出根据一些实施方式的将si上ge和/或gesi合金mpd/mapd装置与cmos和/或bicmos电子器件集成的可能方法的截面示意图。电子器件可以用于放大、处理、存储、传输来自mpd/mapd的电信号，所述mpd/mapd将光学信号转换成电信号。为了简单起见，仅讨论基本步骤，所述基本步骤可以包括：(1)在cmos/bicmos晶片中蚀刻具有直径(或对角线)为10微米至100微米的孔的深度为2微米至3微米的孔；(2)在侧壁和si表面上沉积电介质，其中，纳米/微米特征向si表面打开(open)；(3)gexsi1-x层的elog生长以形成mpd和/或mapd，其中x<＝1；(4)使cmos/bicmos表面平坦化；(5)制造cmos/bicmos电子器件；(6)mpd/mapd的后段制程(beol)处理；(7)蚀刻微结构孔/特征5512；(8)形成台面/隔离并且形成p欧姆和n欧姆；(9)例如使用电极5540将mpd/mapd阳极和阴极连接至电子器件。许多步骤未示出，并且所示的步骤可以按照相同的处理顺序或者可以不按照相同的处理顺序。将在-1v至-45v的范围内的反向偏置施加至mpd/mapd的阳极和阴极。参见例如310ghzgain-bandwidthproductge/siavalanchephotodetectorfor1550nmlightdetection，dua等，2012年5月7日/第20卷，第10期/opticsexpress11031(通过引用并入本文)。
在所有情况下，光(也被称为光学信号)可以从顶表面和/或从底表面照射，并且在一些情况下，在硅仍然可以吸收大部分入射光的情况下，蚀刻通孔以移除大部分硅，所述入射光也可互换地被称为光学信号。期望衬底在特定波长处吸收小于50％的入射光；可以将通孔蚀刻到衬底中使得由于衬底吸收而损失的光少于50％。抛光和/或抗反射涂层可以用于在光学信号到达i吸收层之前进一步降低光学信号的损失。
图56是示出图48中所示的simpd的变形的截面图。在顶表面和底表面二者上蚀刻微结构例如圆锥体5612和5632以提高用于光学数据通信的mpd的吸收增强。参见例如absorptionenhancementindouble-sidednanoconeholearraysforsolarcells；zhang等，journalofoptics，第17卷，(7)1至6页，2015年(通过引用并入本文)。顶表面即p表面上的圆锥体5612可以具有在从300nm至3000nm的范围内的直径并且具有在从0nm至5000nm的范围内的间距，并且其中圆锥体的深度可以在至soi的氧化物层和/或穿过i层和/或部分穿过i层的范围内。圆锥体与水平面的角度可以在从45度至90度的范围内，在90度的情况下孔是圆柱体。圆锥体可具有在从30度至90度的范围内的多个角度。底表面(衬底侧)上的圆锥体5632可以被蚀刻至soi的氧化物层和/或穿过氧化物至n层和/或穿过n层。在不使用soi的情况下，圆锥体可以蚀刻至n层和/或几乎蚀刻至n层和/或蚀刻到n层中和/或穿过n层。圆锥体的直径可以在从200nm至5000nm的范围内，并且间距可以在从0nm(交叉和/或交叠)至10000nm的范围内。圆锥体的角度可以在从30度至90度的范围内，并且可以具有多个角度。
顶表面和底表面的圆锥体的尺寸可以不同和/或相同。
在阳极与阴极之间施加在从-1v至-20v范围内的反向偏置，光/光学信号从顶部p表面以在偏离法线0度至45度的范围内的法向角度和/或几乎法向的角度照射。在特定波长处，与没有微结构的类似结构的qe相比，由于吸收增强而增强的qe可以是2倍至20倍或更多。波长可以在从840nm至950nm并且在一些情况下从780nm至960nm的范围内。在特定波长处，增强的qe可以>＝30％，在一些情况下>＝40％，在一些情况下>＝50％，在一些情况下>＝60％，在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。数据速率带宽可以>＝3gb/s，在一些情况下>＝5gb/s，在一些情况下>＝10gb/s，在一些情况下>＝20gb/s，在一些情况下>＝25gb/s，在一些情况下>＝40gb/s并且在一些情况下>＝50gb/s。
另外，底部微结构5632中的全部或一些可以涂覆(5640)有金属例如ag、al、au、ni等和/或电介质例如布拉格反射器以延长光子与吸收层/区域的相互作用以最大化或提高qe增强。
图57是示出与图52类似的p-i-n结构的顶表面和底表面二者上的梯形孔的图。梯形孔5712和5732可以被蚀刻到顶表面和底表面二者中。另外，顶表面和底表面的孔的尺寸和种类(形状)可以不同。
可以将顶表面孔5712蚀刻成穿过i层和/或部分地穿过i层和/或进入到soi衬底的氧化物层中。微结构孔尺寸——直径和/或对角线——可以在从200nm至5000nm的范围内并且间距可以在从0nm至5000nm的范围内，并且侧壁与水平面的角度可以在从30度至90度的范围内，并且不同的侧壁可以具有不同的角度。另外，侧壁可以具有多个角度。
底部孔5732可以具有尺寸——直径/对角线在从200nm至10000nm的范围内并且间距在从0nm至10000nm的范围内——并且底部孔5732可以被蚀刻至soi的氧化物层、穿过氧化物层、部分地进入到n层中和/或穿过n层。
孔可以具有不同的尺寸和不同的蚀刻深度。侧壁的角度可以在从30度至90度的范围内并且可以具有多个角度，并且不同的侧壁可以具有不同的角度。
在阳极与阴极之间施加在从-1v至-20v的范围内的反向偏置，在特定波长处，与没有微结构的类似结构的qe相比，从顶部p表面以在偏离法线0度至45度的范围内的法向角度和/或几乎法向的角度照射的光/光学信号可以给出由于2倍至20倍或更大的吸收增强而引起的增强的qe。波长可以在从840nm至950nm、在一些情况下从780nm至960nm、在一些情况下从850nm至1000nm、在一些情况下从950nm至1250nm、在一些情况下从1250nm至1350nm并且在一些情况下从850nm至1350nm的范围内。在特定波长处，增强的qe可以>＝30％，在一些情况下>＝40％，在一些情况下>＝50％，在一些情况下>＝60％，在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。数据速率带宽可以>＝3gb/s，在一些情况下>＝5gb/s，在一些情况下>＝10gb/s，在一些情况下>＝20gb/s，在一些情况下>＝25gb/s，在一些情况下>＝40gb/s并且在一些情况下>＝50gb/s。
另外，底部微结构中的全部或一些可以涂覆(5740)有金属例如ag、al、au、ni等和/或电介质例如布拉格反射器以延长光子与吸收层/区域的相互作用以最大化qe增强。
图58是示出与图49中的结构类似的结构的图，其中，孔被蚀刻在顶表面和底表面二者上。顶表面孔5812类似于图49中蚀刻的孔，并且可以是具有相同和/或变化的直径/对角线并具有相同或不同蚀刻深度的圆锥形孔，其中蚀刻深度可以至soi的氧化物层和/或穿过i层和/或部分地穿过i层。蚀刻深度也可以至n层、部分地穿过n层和/或穿过n层。顶部微结构孔5812可以将光子的吸收增强2倍或更多，并且在一些情况下增强4倍或更多，并且在一些情况下增强8倍或更多，并且在一些情况下增强12倍或更多，并且在一些情况下增强20倍或更多。
底部孔5832的横向尺寸和深度尺寸二者也均可以变化。横向尺寸可以在从100nm至10000nm的范围内，深度可以在从200nm至5000nm的范围内，并且形状可以是圆锥形、角锥形、矩形、多边形，并且可以具有在从5度至90度的范围内的侧壁角度并且每个侧壁可以具有相同和/或不同的角度。全部和/或一些孔可以涂覆有金属和/或介电层5840例如布拉格镜以帮助增强mpd的qe。
图59是示出根据一些实施方式的si上gesi合金mapd的图。i层是具有0.5微米至3.5微米的厚度范围并且(如果有的话)具有小于5×1016/cm3的掺杂的ge0.4si0.6以及具有0.01微米至0.5微米的厚度范围并且(如果有的话)具有小于5×1016/cm3、在一些情况下<＝1×1016/cm3并且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3的掺杂的ge0.3si0.7。sip层(电荷层)具有在从0.05微米至0.2微米的范围内的厚度并且掺杂有>＝11017/cm3的硼离子。sii倍增层具有在从0.1微米至2微米的范围内的厚度并且(如果有的话)具有小于5×1016/cm3、在一些情况下<＝1×1016/cm3并且在一些情况下<＝1.5×1015/cm3的掺杂。nsi阴极具有在nsi层上的在从0.2微米至10微米的范围内的厚度并且掺杂有>5×1018/cm3并且在一些情况下>＝3×1019/cm3的p或as离子，nsi层可以在nsi衬底或soi上。顶部阳极p层可以是si或ge0.2si0.8，所述si或ge0.2si0.8具有在从0.2微米至0.5微米的范围内的厚度，并且掺杂有>＝1×1020/cm3的硼离子。
在所有情况下，gesi合金可以具有在从0至1的范围内的x值，在该示例中使用0.4、0.3和0.2的x值。其他x值如0.6、0.8、1和0也是可能的，并且将具有不同的波长吸收特性。在该示例中，波长可以在从850nm至1000nm、在一些情况下从1250nm至1350nm、在一些情况下从1250nm至1550nm、在一些情况下从850nm至1650nm、在一些情况下从900nm至1350nm并且在一些情况下从1400nm至1580nm的范围内。
孔5912可以是具有与水平面成在从10度至90度的范围内的单个和/或多个侧壁角度的圆锥形、也具有与水平面成在从5度至90度的范围内的单个和/或多个侧壁角度的梯形以及圆柱形/或矩形孔和/或多边形孔。孔直径/对角线可以在从100nm至5000nm的范围内，并且间距可以在从0nm至6000nm的范围内。孔的深度可以是均匀的和/或不均匀的，并且深度可以在从100nm至10000nm的范围内，其中孔可以被蚀刻成穿过i层、部分地穿过i层。孔的直径/对角线也可以是均匀的和/或不均匀的。间距可以是均匀的和/或不均匀的。这些微结构孔用于增强mapd的吸收。
底部还可以具有拥有各种横向尺寸和/或深度的微结构5932。微结构的横向尺寸可以在从100nm至10000nm的范围内，深度或高度可以在从10nm至100000nm的范围内，并且形状可以具有圆锥形、多边形、梯形、角锥形、圆柱形、矩形。与水平面成的侧壁角度可以从与水平面成的5度至90度变化。底部微结构可以涂覆有金属和/或电介质5940例如布拉格反射器以防止光从装置泄漏。
在阳极与阴极之间施加在-10v至-45v的范围内的反向偏置，在特定波长处，与没有微结构的类似结构的qe相比，从顶部p表面以在偏离法线0度至45度的范围内的垂直角度和/或几乎垂直的角度照射的光/光学信号可以给出由于2倍至20倍或更大的吸收增强而引起的增强的qe。波长可以在从840nm至1350nm、在一些情况下从1250nm至1350nm、在一些情况下从850nm至1550nm、在一些情况下从950nm至1550nm、在一些情况下从1250nm至1350nm、在一些情况下从950nm至1650nm并且在一些情况下从1250nm至1650nm的范围内。在特定波长处，增强的qe可以>＝30％，在一些情况下>＝40％，在一些情况下>＝50％，在一些情况下>＝60％，在一些情况下>＝70％并且在一些情况下>＝80％。数据速率带宽可以>＝3gb/s，在一些情况下>＝5gb/s，在一些情况下>＝10gb/s，在一些情况下>＝20gb/s，在一些情况下>＝25gb/s，在一些情况下>＝40gb/s并且在一些情况下>＝50gb/s。例如，增益可以>＝2(3db)、>＝4(6db)、>＝8(9db)。增强和增益结合的总qe可以>＝100％，在一些情况下>＝200％，在一些情况下>＝300％，在一些情况下>＝400％并且在一些情况下>＝500％。
可以将其他具有ge分数x值的gesi合金用于i层，其中x在从0至1的范围内，并且可以将具有相差<＝0.2的x的应变层用于降低具有较高x值的gesi合金在例如si上生长时的应变。例如，p层可以是具有比igesi的x值小的x值的gesi。
在i层中，掺杂(如果有的话)可以是本征的(intrinsic)，本底掺杂可以<＝5×1016/cm3，在一些情况下<＝1×1016/cm3，在一些情况下<＝2×1015/cm3，在一些情况下<＝1×1015/cm3并且在一些情况下<＝2×1014/cm3。本底掺杂可以是p型或n型，并且在一些情况下是n型。这可以适用于i增强吸收层和isi倍增层。
图60是示出根据一些实施方式的在不同i层掺杂浓度的情况下的作为反向偏置电压的函数的以微米为单位的耗尽宽度的曲线图。mpd的典型操作电压在从-1伏至-10伏的范围内。如可以在图60的曲线中看到的，例如，在-4v处，在本底掺杂为1.5×1015cm-3的情况下，i层的耗尽宽度可以约为2微米，并且在本底掺杂为1×1015cm-3的情况下，i层的耗尽宽度约为2.5微米。这些是针对阶跃(abrupt)的p-i-n界面掺杂，实际上，掺杂几乎不阶跃并且具有近似高斯分布的扩散前沿，这可以根据掺杂浓度引起更宽或更窄的耗尽宽度。
在-1伏至-20伏的反向偏置电压的情况下，厚度在从0.5微米至5微米的范围内的i层中的电场可以在从2×103v/cm至4×105v/cm的范围内并且在一些情况下为2×104v/cm。在2×104v/cm的场强度下可以达到约7×106cm/sec至9×106cm/sec的饱和速度。参见http://www.ioffe.ru/sva/nsm/semicond/si/electric.html(通过引用并入本文)。
图61是示出根据一些实施方式的具有与i层接触的肖特基接触金属或tco的mpd的图。如所示，肖特基接触金属半导体和/或透明导电氧化物(tco)例如氧化铟锡(ito)与i层直接接触。可以将微结构6112例如孔(和/或柱)蚀刻成穿过金属和/或tco层、完全和/或部分地进入到i层中、完全和/或部分地到n层中和/或至soi——如果使用soi的话——的二氧化硅层。可以在利用以下厚度和掺杂范围在si晶片或soi晶片上生长mpd结构。soi(或si晶片上)的sin装置层可以是0.01微米至10微米厚并且具有>＝1×1017/cm3的n掺杂。si和/或x<＝1的gexsi1-x层n以as或p掺杂成>＝3×1019/cm3，并且可以具有在0.001微米至0.5微米的范围内的厚度。si和/或x<＝1的gexsi1-x的可以是多层的i层(如果是多层化的，则层具有与相邻层不同的x)对于具有在从0.5微米至5微米的范围内的厚度的所有i层是未掺杂的和/或具有<＝5×1015/cm3的本底掺杂。金属例如pt、ni、cr、w和/或tco层例如氧化铟锡(ito)(参见例如stadler)的厚度可以在从0.001微米至0.2微米的范围内。微结构的横向尺寸中之一和/或直径可以在从200nm至5000nm的范围内，并且间距可以在从0nm(接触和/或交叠)至5000nm的范围内。在特定波长处，与没有用于增强吸收的微结构的类似结构相比，由于微结构而引起的增强qe可以>＝40％，在一些情况下>＝50％，在一些情况下>＝60％，在一些情况下>＝70％，在一些情况下>＝80％并且在一些情况下>＝90％。波长可以依赖于gesi合金的x值在以下范围内：针对x＝0在从820nm至860nm的范围内；针对x<＝0.2，在从850nm至950nm、在一些情况下从850nm至1100nm并且在一些情况下从850nm至1250nm的范围内；针对x<＝0.4，在从1000nm至1350nm并且在一些情况下从1200nm至1400nm的范围内；以及针对x<＝1，在从1350nm至1650nm并且在一些情况下从1400nm至1750nm的范围内。例如，针对mpd的特定i层厚度和直径，数据速率带宽可以在从5gb/s至60gb/s或更大的范围内，其中直径可以在从10微米至100微米或更大的范围内。光信号以偏离法线<＝45度垂直地和/或几乎垂直地照射到微结构的表面，并且在特定情况下可以从底表面照射以用于自由空间以及/或者单模和/或多模的光纤光学应用。可选地，可以包括底部微结构6132以进一步增强吸收和qe。
铂(pt)例如具有10×10-6欧姆-厘米的电阻率，其为si中的以b高度掺杂的1×1020/cm3的p层的约100分之一，2.5nm厚的pt膜具有与以硼掺杂至1×1020/cm3的300nmpsi层大约相同的薄层电阻率。
在有或没有抗反射涂层的isi和/或gesi层上有或没有薄p++层并且具有用于吸收增强的微结构的情况下，与没有pt和/或其他金属/tco的p-i-n结构相比较，使用pt可以提高mpd/mapd的qe。
图62是示出根据一些实施方式的与图61类似的但是包括薄p层的结构的图。包括薄p层使得mpd仍然是p-i-n，但是例如通过添加tco来降低薄p层的薄层电阻。p层可以是具有>＝1×1019/cm3的掺杂并且厚度在从0.001微米至0.2微米的范围内的si和/或gexsi1-x，其中x<＝1。金属可以例如是pt、ni、cr、w等和/或tco例如ito层，具有在从0.001微米至0.2微米的范围内的厚度。如图61中的那样蚀刻微结构孔6212。如果孔具有覆盖孔的开口的填充物例如聚酰亚胺，则图61和图62中的孔可以由ito或tco覆盖，使得tco/1to不会涂覆孔的侧壁以在p-i和/或i-n区域之间引起电短路。替选地，可以将微结构孔蚀刻成穿过金属和/或tco并且进入到i区域中并且在一些情况下进入到n区域中并且在一些情况下至soi的二氧化硅区域。
铂(pt)金属例如具有10×10-6欧姆厘米的电阻率，对于厚度为5nm的pt层，薄层电阻约为20欧姆。p层可以是薄的例如50nm以最小化入射光子的吸收，并且5nm的薄pt可以将组合的psi和pt层的薄层电阻降低至约20欧姆。
图63是示出根据一些实施方式的与图62类似但是在p层顶部没有tco或金属层的结构的图。p层是具有>＝1×1020/cm3的掺杂并且厚度在从0.1微米至0.3微米的范围内的si和/或gexsi1-x，其中x<＝1。
如在本专利说明书中描述的所有mpd/mapd中那样，通过添加si和/或gexsi1-x，其中x<＝1，p型电荷层和si倍增层可以将mpd转换成如图36中的mapd。电荷层可以是掺杂有>＝1×1020/cm3的硼(b)并且厚度在从0.05微米至0.2微米的范围内的si和/或gexsi1-x，其中x<＝1。sii倍增层不需要掺杂并且通常不是有意掺杂的；它可以是本征的，其中本底掺杂(如果有的话)小于2×1016/cm3，并且厚度在从0.2微米至2微米的范围内。电荷层和倍增层被插入在mpd的i吸收层与阴极n层之间。
例如，mapd的增益可以在从1db至20db的范围内，并且依赖于期望的数据速率带宽，增益带宽乘积近似恒定，使得在大多数情况下并且在一些情况下仅在高增益处增益越高数据速率带宽越低。参见kang等，2009年。
在本专利说明书中描述的所有mpd和mapd中，在阳极与阴极之间施加反向偏置电压。未示出附接至mpd和mapd的阳极和阴极的传输线，所述传输线将来自mpd和mapd的电信号带至电子器件例如跨阻抗放大器和/或其他电子器件以用于信号处理、存储、传输、调节、分析、加密和/或用于数据中心使用和/或电信使用的任何其他信号处理。电信号还可以连接至用于系统、装置测试和分析的测试仪器例如采样示波器、误码率测试仪、信号分析仪、偏置器。针对mpd的反向偏置电压可以是在-1伏至-20伏并且在一些情况下在-3伏至-6伏的范围内的任何电压；针对mapd，反向偏置电压可以是在-4伏至-60伏并且在某些情况下在-10伏至-25伏的范围内的任何电压。被供应给mpd、mapd的偏置电压也可以根据输入光学信号强度而变化，其中连接至mpd、mapd的电子器件可以感测例如mpd、mapd的线性度，并且改变mpd和mapd的偏置以保持一定的线性度和/或带宽和/或灵敏度。例如，电子器件可以感测来自mpd、mapd的电信号和其他参数例如温度，并且调整mpd和/或mapd的偏置以获得最佳的或更好的性能。电子器件可以接收来自mpd/mapd的信号，并且还向mpd、mapd发送信号以进行调整以获得最佳或更好的性能和/或节能模式例如在待机模式下的减小的偏置，直到接收到光学信号来“唤醒”mpd、mapd以接收高数据速率光学信号并且将所述高数据速率光学信号转换成高数据速率电信号。例如，电子器件具有算法和/或查找表和/或可接收外部命令以与mpd、mapd交互。
图64是示出根据一些实施方式的与cmos和/或bicmos电子器件集成在单个硅芯片上的mpd/mapd的截面示意图。在所示的示例中，可以在mpd/mpad层上生长si和/或gesi层，使得可以在制造mpd/mapd(作为被称为后段制程(beol)处理的一部分)之前首先完成所有或几乎所有处理步骤来制造cmos和/或bicmos电子器件。例如，在针对cmos和/或bicmos电子器件完成所有或几乎所有处理步骤之后，可以移除cmos和/或bicmos层(并且在某些情况下，cmos和/或bicmos层可能不需要移除)以露出mpd/mapd层，所述mpd/mapd层可以包括或不包括psi和/或gesi层。可以提供如以虚线矩形和空的空间所示的至n层的沟槽蚀刻6420(例如，其可以是空的以及/或者填充和/或部分地填充有电介质和/或其他电绝缘材料例如聚酰亚胺)，其中，可以制造阴极接触。mpd/mapd的阴极和阳极二者均经由传输线6440连接至cmos和/或bicmos层上的电子电路。电子器件进一步连接(例如，使用互连6442)至可以在相同芯片或单独芯片上的其他电子器件。多个mpd和/或mapd可以与一个和/或多个电子电路单片集成在单个si芯片上。
与电子集成电路(ic)单片集成的mpd(和/或通过添加电荷层和倍增层而形成的mapd)可以是如图61、图62和图63所示的结构，其中gexsi1-x合金可以具有在从0至1的范围内的ge分数x并且用于beol处理，所述beol处理对cmos和/或bicmos制造而言是优选的，因为电子元件的特征尺寸在不断变小，从先前22nm节点处于14nm节点或更小节点。然而，特定ic可能不需要最小的节点，并且较大的节点可能就足够了。这仍然小于mpd/mapd的特征尺寸，所述特征尺寸可以是约200nm并且在一些情况下是100nm并且在一些情况下是300nm。因此，在制造光电探测器之前制造最小特征尺寸元件，所述最小特征尺寸元件在这种情况下是电子元件。对于要在mpd/mapd层的顶部生长的cmos和/或bicmos层，晶片应该具有高平坦度以用于高成品率(highyield)cmos和/或bicmos处理。这种平坦度可以排除由于gesi合金层而引起的任何应变，所述应变可能会干扰cmos和/或bicmos处理。使用缓冲层、不同x和/或保持x<1、在一些情况下x<＝0.4并且在一些情况下x<＝0.2的gesi和/或si的超晶格层的应变消除层可以用于管理晶片的翘曲，使得可以以高成品率成功制造特定节点的cmos和/或bicmos电子器件。参见，例如kang等，2008年。示出了微结构孔6412，并且可以将微结构孔6412蚀刻成穿过金属和/或tco和/或p层并且进入到i层中并且在一些情况下至n层并且在一些情况下至soi的氧化物层。
在mpd/mapd没有顶部p层的情况下，可以使用金属层例如pt形成与i层的肖特基接触，所述金属层具有在从1nm至10nm并且在一些情况下在从2nm至2.5nm的范围内的厚度，并且可以将微结构孔蚀刻成穿过金属层并且进入到i层中，并且在一些情况下进入到n层中并且在一些情况下至soi的氧化物层。在这种情况下，cmos和/或bicmos层可以位于mpd/mapd的i层上，以及/或者可以在没有进一步外延生长单独的cmos和/或bicmos层的情况下通过离子注入被分别掺杂到将要制造电子ic的区域中的i层中。可以使用电介质和/或金属和/或聚合物掩蔽mpd/mapd区域以防止来自离子注入过程的离子渗透到i层中以及/或者在一些情况下，对于cmos和/或bicmos注入非常浅，使得不需要掩蔽，并且可以使用光蚀刻来移除mpd/mapd上的注入区域。在一些情况下，注入区域可能不需要被移除并且可以是mpd/mapd的一部分。例如，可以在电隔离沟槽之后蚀刻微结构孔以将mpd/mapd的电容限定至n层。可以在提供从阳极和阴极至电子器件的传输线之后，形成与p层(如果有的话)和n层的欧姆接触。在没有p层的情况下，阳极可以是肖特基金属层，并且阴极可以是n层。为了简单起见，未示出热退火、钝化、抗反射涂层、平面化以及其他介电钝化和隔离层。
另外，如图64中在衬底的底部由虚线6432所示，可以在单片集成的mpd和/或mapd的背面蚀刻微结构孔和/或其他特征。底部微结构可以进一步提高与电子ic集成的mpd和/或mapd的吸收效率和qe。
在一些情况下，可以使用前段制程处理(feol)，在所述前段制程处理(feol)中，可以在处理cmos和/或bicmos之前处理和/或主要处理mpd/mapd。
在大多数mpd/mapd中，与电子ic单片集成在单个si芯片上对于降低光学接收器的成本是至关重要的。与光电探测器和电子器件首先安装在陶瓷芯片载体上并且然后通过引线接合将光电探测器连接至电子芯片的已知现有技术相比，由于封装上的节省，所以光电探测器与电子器件这样集成在单个si芯片上可以将光学接收器的成本降低多达50％或更多。通过单片集成，三个目前独立的部件gaas探测器、si电子器件和陶瓷多芯片载体被简化成单个芯片。
另外，通过减小寄生电容、电感和电阻，改善了与电子ic单片集成的mpd/mpad的性能，从而允许较大的mpd/mapd光敏区域以用于光学信号的检测。这种较大的光敏区域允许光学对准和封装的较大的余量，从而进一步降低成本并且改善性能。
微结构孔可以是空的和/或填充有空气和/或惰性气体例如氮气、氩气、氦气等以及/或者填充和/或部分填充有介电材料例如sinx、siox、sic、聚合物等，并且底部微结构可以涂覆有金属和/或介质反射器以进一步有助于增强mpd/mapd的吸收和qe。
图65是根据一些实施方式的mpd/mapd的顶视图，其中反射器被包括在台面的周界处。示出了微结构孔6512，阳极在该示例中是顶表面p(和/或肖特基和/或p与金属和/或tco的组合)欧姆环/电极6520和台面，台面之后是空气半导体分布式布拉格反射器(dbr)6530，空气半导体分布式布拉格反射器(dbr)6530之后是n层上的阴极欧姆/电极6522。空气半导体dbr的其他详细信息参见edge-emittinglaserswithshort-periodsemiconductor/airdistributedbraggreflectormirrors，yuan等，ieeephotonicstechnologyletters，第9卷，第7期，1997年7月(通过引用并入本文)。使用gaas/空气，其中gaas折射率近似于si和gesi折射率。两周期四分之一波长dbr可以达到超过90％的反射率并且具有100nm的谱宽。围绕台面的周边添加dbr可以将横向传播的光波和/或静止波保持在mpd/mapd内，其中光波与i吸收区域的相互作用可以进一步增提高量子效率的增强和吸收效率的增强。
图66a和图66b是图65的mpd/mapd的示出了两种不同类型的dbr的截面。也可以使用之后是金属层的简单介电层代替dbr以将从mpd/mapd泄漏出的光子反射回mpd/mapd以进一步提高i区域中的吸收效率和qe。在图66a中，示出了空气/半导体dbr6630，并且周期的数量可以在从2至10并且在一些情况下从2至4的范围内，并且厚度和间距可以是四分之一波长的奇数倍，其中波长是dbr的中心波长。例如，如果dbr反射器的中心波长是880nm，则220nm约为空气中的四分之一波长，而65nm约为半导体例如si中的四分之一波长。如果65nm太薄而无法处理，则也可以使用四分之五波长或325nm，或者可以使用例如四分之三波长195nm。例如，反射器可以在830nm至930nm的范围内具有>60％的反射率并且在一些情况下具有>90％的反射率。可以使用其他中心波长来优化mpd/mapd以实现使用微结构和台面周边处的dbr的最佳或提高的qe增强。在图66b中，使用电介质dbr6632例如taox/siox。参见fabricationandperformanceofbluegan-basedvertical-cavitysurfaceemittinglaseremployingain/ganandta2o5/sio2distributedbraggreflector，kao等，appliedphysicsletters87,0811052005(通过引用并入本文)。使用八个周期的taox/siox在几乎100nm的跨度上达到>95％的反射率。如在空气/半导体dbr中，首先选择dbr的中心波长，然后taox和siox的层厚度是中心波长的四分之一波长。如图66b中所示，taox/siox可以例如以8个周期并且在一些情况下以2至10个周期被涂覆在mpd/mapd的台面壁上，并且之后可以是金属层例如ag、al、ni、cr、zr、w等以进一步帮助将任何泄漏的光子反射回mpd/mapd结构来进一步提高qe和吸收效率。
还在两个示意图中示出，阴极金属6522可以包裹n层的侧壁以帮助将从n层泄漏的任何光子反射回到mpd/mapd中。另外，还可以包括底部微结构6640以帮助提高qe和吸收效率。此外，微结构可以涂覆有电介质和/或金属和/或电介质dbr和/或涂层的任何组合。
图67是根据一些实施方式的与电子ic、cmos和/或bicmos集成的mpd/mapd的简单顶视示意图。使用从mpd/mapd到电子块6730的传输线6740将mpd/mapd与电子iccmos和/或bicmos集成在芯片6710上。可以添加遮光罩6744以遮住电子器件使其免受光学信号光的影响，光学信号光可以通过在电子半导体中产生电子空穴(e-h)对而引起干扰。遮光罩6744对于光学信号的波长可以是不透明和/或半透明的。遮光罩6744可以是可以作为beol处理被制造和/或在收发器的光学和电气组装期间被附接的聚合物层、泡沫层、介电层和/或金属层。电子器件6730从mpd/mapd接收电信号以进行进一步处理(如放大)。电子器件6730还可以与mpd/mapd进行交互以调节偏置电压，从而节省功率、延长mpd/mapd的寿命以及在操作期间优化或改善mpd/mapd的信噪比。另外，电子器件6730可以将电信号发送至其他电子器件，以进行进一步处理、存储、分析、重新传输、调整、压缩、加密等。
图68是根据一些实施方式的与电子器件单片集成在单个芯片上的多个mpd/mapd的简单示意图的顶视图。mpd/mapd被显示为圆形，但是也可以实现其他形状，如菱形、多边形、椭圆形、星形、三角形等。mpd/mapd与cmos和/或bicmos电子器件单片集成，每个电子器件具有单独和/或共享的电子ic，用于处理来自mpd/mapd的由mpd/mapd从光学信号转换的电信号。经处理的电信号可以进一步被传输至其他电子部件。电子器件可以彼此互相作用并且将来自不同mpd/mapd的信号路由至不同电子器件，以传输至数据中心中的其他电子器件。另外，可以包括光学屏蔽件6844，以保护电子器件免受光学信号中的可能引起干扰的光波长的影响。光学屏蔽件6844可以是芯片的组成部分和/或在收发器的组装期间的稍后阶段被添加。
单片集成的示例在下面给出：afully-integrated12.5-gb/s850-nmcmosopticalreceiverbasedonaspatially-modulatedavalanchephotodetector，m.j.lee等，2014年2月10日|第22卷，第3期|doi:10.1364/oe.22.002511|opticsexpress251(通过引用并入本文中)，使用130nm技术节点；assefa等；以及monolithicsiliconphotonicsat25gb/s，stricker等，ofc2016
收发器的封装和组装是光收发器的主要成本，并且利用单片集成，减少了需要封装的部件的数目，因此降低了封装的总成本。另外，随着诸如电容、电感和电阻的寄生效应的减少，mpd/mapd可以具有更大的光敏区域并且具有与非单片集成的类似pd/apd相同的数据速率带宽。较大的光敏区域允许光学对准的较大余量，因此降低了封装成本。
应当注意，在许多情况下，术语“晶格”用于描述微结构例如微结构孔的分布。如本文中所用，术语“晶格”可以指周期性结构或非周期性结构。如本文中描述的，微结构的分布可以是非周期性的、非周期性的，并且可以是微结构的无定形或几乎随机的分布。微结构的矩阵在分布方面可以是周期性的、非周期性的(non-periodic)、啁啾的(chirped)、非周期性的(aperiodic)、周期性和非周期性的混合、几乎随机、随机、伪随机。此外，微结构的间距和尺寸(例如直径)可以变化，并且在一些情况下微结构的横向尺寸之一以及此外微结构的高度和/或深度可以变化。间距可以在从相邻微结构之间的0纳米(交叠和/或接触)到微结构的相邻最近边缘之间的5000nm的范围内。直径和/或横向维度之一可以在从100nm至6000nm的范围内。高度和/或深度可以在从100nm至10000nm的范围内。
应当注意，在单片集成中，其他集成方法也是可以的，例如在一些情况下，可以首先生长cmos器件层，之后是利用si和/或sige合金生长微结构光电二极管和/或微结构雪崩光电二极管p-l-n或n-i-p(针对mpd)以及p-i-p-i-n或n-i-n-i-p(针对mapd)。在这种情况下，可以首先蚀刻微结构孔，然后进行台面蚀刻，接着进行cmos器件处理并完成mpd/mapd和/或按照任何其他处理顺序。其他集成方法可能涉及mpd/mapd晶片在cmos晶片上的晶片接合。在一些情况下，选择性区域外延、外延横向过生长技术可以用于单片集成/集成中。
单片集成/集成可以在soi晶片和/或没有掩埋氧化物的晶片上，并且在一些情况下，单片集成/集成可以在具有掩埋氧化物的区域和无掩埋氧化物的区域的晶片上。
另外，单片集成/集成的一部分可能涉及用于光纤的自对准和/或将光纤附接至mpd/mapd的结构。可以集成的其他结构的示例包括：内置环带透镜(zonelens)、菲涅耳透镜、常规透镜、无源孔径和有源孔径、无源衰减器和有源衰减器、用于光学信号的对准和/或路由的微机电系统(mems)以及无源滤波器和有源滤波器。
本文可互换地使用单片集成和集成，并且soi晶片、部分soi晶片可以用于光子器件与电子器件的单片集成。对于cmos电子器件与光子器件的单片集成，参见例如：monolithicsiliconphotonicsat25gb/s，orcutt等，ofc2016(通过引用并入本文中)；assefa等；以及stricker等，其中，光收发器的成本可以显著降低并且性能显著提高。
图69是根据一些实施方式的可以在p-i-nsi/gesi(sige)/gempd/mapd中蚀刻的微结构孔的横截面示意图。微结构孔6912可以被蚀刻成穿过顶层(在这种情况下顶层是p层)并且到i层中，在一些情况下到n层，并且在一些情况下到氧化物层——如果在soi衬底上生长p-i-n的话。还示出了使用例如外延横向过生长方法掩埋在顶层(在这种情况下顶层是p层)下面的孔，其中，在外延横向过生长方法中，可以在i层处用电介质填充或部分填充孔，然后随后在i层和填充的孔的表面上生长p层。还示出了具有不同蚀刻深度的孔。这些孔可以被蚀刻成部分地到i层中，在一些情况下这些孔可以被蚀刻成穿过i层，在一些情况下这些孔可以部分地被蚀刻到底部n层中，并且在一些情况下这些孔可以被蚀刻成穿过底部n层。所示的mpd结构是p-i-n，其中顶层p由gexsi1-x构成，其中x可以是0、1并且在从0到1的范围内。p层的厚度在从0.1微米到1.0微米的范围内，并且掺杂可以大于1×1019/cm3，并且在一些情况下掺杂大于和/或等于1×1020/cm3。i层可以是gexsi1-x，其中x可以是0、1并且在从0到1的范围内，并且i层可以具有多个层并且厚度可以在从0.5微米至3.5微米的范围内，并且在一些情况下，厚度在从1.0微米到5.0微米的范围内，并且层不是有意进行掺杂的(本征的)而且具有小于或等于2×1015/cm3的本底掺杂。n层可以是gexsi1-x，其中x可以是0、1并且在从0到1的范围内，其中厚度在从0.01微米到5微米或更大的范围内。
图70是根据一些实施方式的除了用金属或透明导电氧化物代替p层以外类似于图69所示mpd/mapd的mpd/mapd的横截面示意图。透明导电氧化物(tco)可以是氧化铟锡(ito)，并且在一些情况下非常薄(例如0.005微米至0.1微米)，除了金属和tco层以外，还可以存在p层。如果诸如pt的金属直接在i层上，则它也被称为肖特基结。孔7012可以被蚀刻成穿过金属和/或tco层并且到i层中，在一些情况下孔7012被蚀刻成穿过i层并且到n层，在一些情况下孔7012被蚀刻到n层中，并且在一些情况下孔7012被蚀刻成穿过n层到氧化物层(在soi衬底的情况下)。金属和/或tco层也可以覆盖孔7012，其中，例如使用通过聚酰亚胺的平面化，由于表面张力孔可以被部分填，仅可以填充孔的顶部并且然后去除i层的表面上的其他地方的聚酰亚胺，可以沉积金属层和/或tco以形成例如肖特基结。金属可以是pt、w、al、cr、ni、ag或任何金属合金(如nicr)等，并且金属的厚度可以在从0.001微米到0.1微米的范围内。在一些情况下，可以在金属之前首先沉积0.001微米至0.01微米的ge薄层，用于作为润湿剂来获得超光滑金属表面ultrasmoothmetalnanolayersforplasmonicapplications:surfaceroughnessandspecificresistivity，stefaniuk等，2014年4月1日/第53卷，第10期/appliedoptics(通过引用并入本文中)。
图71是mpd/mapd的横截面示意图，其中，微结构孔可以具有连接相邻竖直孔的隐藏孔。隐藏孔7114可以在竖直孔7112紧密靠近并且交叠时出现，并且隐藏孔7114可以在以下情况下出现：当孔在侧壁中具有“波纹”(ripple)时并且在波纹可以相交并导致侧壁中的孔——从而导致隐藏孔与相邻的竖直孔7112相交——的地方。孔可以是椭圆形或圆形的，其中一个维度在从10nm到2000nm的范围内，并且孔的长度可以在从1nm到1000nm或更大的范围。这可以产生孔的三维晶格，孔的三维晶格可以进一步增强光捕获，这增强了吸收和量子效率。p-i-n结构类似于图69中的结构。
光捕获、慢波、光场的横向模式是用于增强微结构、微米/纳米结构在两个和/或三个维度上的吸收和增强的量子效率的可能机制。光子晶体、高对比度光栅、衍射光栅等是可以呈现慢光的微米和纳米结构的示例。参见slowlightinphotoniccrystals，baba，naturephotonics，2008年8月第2卷，www.nature.com/naturephotonics(通过引用并入本文中)。例如,本文中描述的微结构可以是光子无定形结晶、光子非周期性结晶、光子多晶和/或光子无序结晶，其中，带隙未被很好地限定，而是如在无定形、无序、多晶半导体的带隙中可以是连续体。慢波可以用群折射率来表示，群折射率越高，光场传播越慢。v＝c/ng，其中c是光在空间或真空中的速度，ng是群折射率，v是光传播速度。光场的缓慢传播允许光场与材料的更大相互作用，因此增强了吸收并导致增强的量子效率。
图72a和图72b是与图69所示的结构类似但是在用于增强吸收和量子效率的微结构中有两个孔和柱的结构的截面示意图和顶视示意图。如图72a和图72b所示，孔7212在中心包含柱7214。例如，可以用圆环形图案蚀刻孔，使得可以蚀刻具有在中间的岛的圆形沟槽，从而产生具有柱的孔。在一些情况下，孔内可以有多个柱。在具有单个柱的孔的示例中，孔直径可以在100nm至5000nm的范围内，并且柱的直径或一个维度可以在10nm至4900nm的范围内。柱不需要在孔中居中，并且孔和/或柱可以是除圆形以外的其他形状，例如卵形、多边形、矩形、双椭圆形、苜蓿叶形、变形虫形、星鱼形等。孔和柱的深度可以在从100nm到10000nm的范围内，并且可以埋在顶层下面且仅在i层中，被蚀刻成穿过顶层到i层中，在一些情况下被蚀刻成穿过i层，在一些情况下被蚀刻到n层，在一些情况下被蚀刻成穿过n层，并且在一些情况下到氧化物层——如果在soi晶片上制造mpd/mapd的话。另外，孔和柱可以是非周期性的和/或周期性的。
已经将通过微米/纳米结构进行的光捕获与视网膜中的视杆和视锥进行了比较。参见enhancedphotovoltaicsinspiredbythefoveacentralis，shalev等，scientificreports|5:8570|doi:10.1038/srep08570(通过引用并入本文中)，其中，已经针对太阳能电池应用显示了吸收增强，在太阳能电池应用中，在零外部偏置电压处并且通过没有任何信号调制的连续光源来操作器件，并且数据速率带宽不重要。吸收区域的长度不像在高数据速率带宽光电二极管中那样是约束，并且通常被优化以获得太阳能转换为电力的最大效率。
根据一些实施方式，本文中描述的微结构可以是柱，并且柱可以是锥形、倒锥形、漏斗形、圆形、卵形、多边形、椭圆形、苜蓿叶形、变形虫形、星形等。
图73a和图73b是根据一些实施方式的如图72中具有在孔中的柱7314的孔7312的截面示意图和顶视示意图，其中，填充物7316至少部分填充圆环沟槽。在p-i-nmpd结构(或用于mapd结构的p-i-p-n)的情况下，柱顶p层通过透明导电氧化物例如氧化铟锡(ito)7320连接至阳极电极。为了将沟槽和ito层7320桥接，可以使用诸如聚酰亚胺和/或旋涂玻璃7316的平坦化层来填充和/或部分填充圆环沟槽，使得ito层7320可以在不会使p-i-n结构电短路的情况下通过ito在沟槽的侧壁上的沉积来接触柱的p层。例如，透明导电氧化物可以是其他材料，如金属层(例如1nm至10nm厚的pt)。在ito的情况下，例如，层7320的厚度可以在从10nm到500nm或更大的范围内。图73b示出了在孔7312内具有柱7314的微结构的顶视图。还示出了阳极和阳极环，并且还示出了阴极。未示出台面，并且为简单起见例如未示出阳极和ito的聚酰亚胺隔离。由于聚酰亚胺和/或旋涂玻璃的粘度以及沟槽的可以在从10nm到2000nm或更大的范围内的尺寸，因此如图73a所示，聚酰亚胺可以不完全填充沟槽，而只填充顶部。在一些情况下，其可以填充大部分沟槽，并且在一些情况下其可以填充整个沟槽。在大多数应用中，可能期望尽可能少地填充沟槽，原因是这将在半导体材料与沟槽的空隙之间产生更大的折射率差异。
在图72a、图72b、图73a和图73b中，在孔中仅示出一个柱，每个孔中可以存在多个柱，并且不同的孔可以具有不同和/或相同数目的柱。除了柱可以具有许多不同形状以外，柱还可以具有单个侧壁斜率和/或可以具有从负到正的多个侧壁斜率。孔的尺寸可以在从200nm到5000nm的范围内，柱的尺寸可以在从100nm到4500nm的范围内，微结构的间距可以在从100nm到5000nm的范围内，并且在一些情况下，微结构可以是接触的。该结构可以应用于mpd/mapd的si、ge、gesi材料系统。
图74a和图74b是具有柱作为吸收增强微结构的微结构pd/apd的截面示意图和顶视示意图。p-i-n类似于例如图69中的p-i-n。对于mapd，添加电荷p层和i倍增层以形成p-i-p-i-n结构，其中，阳极在顶部p层上并且阴极在n层上。电荷p层可以是gesi合金或si，倍增i层可以是具有如先前mapd结构中给出的掺杂和尺寸的si。从如图69中的层结构开始，柱7412被蚀刻到i层，在一些情况下柱7412被蚀刻成部分地穿过i层，在一些情况下柱7412被蚀刻成穿过i层，在一些情况下柱7412被蚀刻成部分地到n层中，并且在一些情况下柱7412被蚀刻成穿过n层并到氧化层——如果mpd在soi晶片上生长的话。对于mapd，柱可以被蚀刻成部分地穿过i层，在一些情况下柱可以被蚀刻成穿过i层，在一些情况下柱可以被蚀刻成部分地到电荷层，并且在一些情况下柱可以被蚀刻成部分地穿过倍增层。柱7412可以具有在从100nm到5000nm的范围内的横向尺寸，并且可以具有从正到负的单个和/或多个侧壁斜率。另外，柱可以是圆形和/或卵形和/或多边形和/或苜蓿叶形和/或三角形和/或矩形和/或变形虫形。另外，一个孔和/或多个孔可以在柱(例如稻草柱和/或筛柱等)中。
为了连接每个柱的顶部p层，使用例如聚酰亚胺和/或旋涂玻璃作为填充物7416的平坦化工艺使得ito层7420可以桥接每个柱并且将所有和/或几乎所有柱连接至阳极电极和p层。填充物7416可以完全和/或部分地填充柱之间的空间7414。如图74a所示，由于聚酰亚胺的粘度，因此仅填充柱之间的空间的顶部。柱可以具有在从10nm到5000nm或更大的范围内的间距。在一些情况下，微结构的孔和/或柱的间距可以从在200nm到2500nm的范围内。在一些情况下，孔和/或柱可以接触相邻的柱。孔的横向尺寸可以在柱内和/或不在柱内在从100nm到3000nm的范围内。柱间距可以是周期性的和/或非周期性的，并且可以在从100nm到5000nm的范围内，柱直径可以在从200nm到5000nm的范围内，以及柱的长度可以在从500nm到5000nm的范围内。该结构可以应用于mpd/mapd的si、ge、gesi材料系统。柱的周期性和/或非周期性阵列可以是不同形状(如圆形、矩形、卵形、多边形、星形、变形虫形等)的混合。
图74b是具有柱作为吸收和量子效率增强微结构并且具有阳极环、阳极电极和阴极电极的mpd/mapd的顶视图。为了简单和清楚起见，未示出聚酰亚胺桥接和隔离层、台面、钝化、环形分布的布拉格反射器、抗反射涂层、减少反射的纳米结构等。
孔和柱的尺寸和间距是类似的，并且可以互换使用。根据模拟，孔微结构是柱微结构的相反结构，并且增强是相似的。然而，孔中的柱和柱中的孔可以是或可以不是彼此的相反结构。
对于孔和/或柱，其横向尺寸之一可以在从100nm到5000nm的范围内，并且与相邻微结构的间距可以在从0nm(接触和/或交叠)到5000nm的范围内。孔的深度和/或柱的长度可以在从100nm到10000nm的范围内，并且在一些情况下孔的深度和/或柱的长度可以在从300nm到5000nm的范围内。间距可以是周期性和/或非周期性和/或啁啾的和/或随机和/或伪随机的及其组合，例如，由孔和/或柱构成的非周期性微结构组可以周期性地重复和/或伪周期性地重复(当并不是严格周期性的时)，其中，周期可以例如不同。除了周期性和/或非周期性以外，微结构的尺寸也可以连同和/或不连同周期性和/或非周期性的变化而以有序和/或非有序方式变化。微结构的长度和深度也可以变化。微结构的间距和/或横向尺寸和/或竖直尺寸可以组合变化。非周期性和/或部分非周期性可以导致量子效率对波长较不敏感，并且在一些情况下提高某些波长处的量子效率。参见opticalabsorptionenhancementinpartiallyaperiodicsiliconnanoholestructuresforphotovoltaics，lin等，cleo:2013technical
图75a是示出了在微结构孔中传播的光场的有限差分时域仿真的图。在一种情况下，在方形晶格中使用700nm的孔直径和1000nm的周期，而在第二种情况下，孔是非周期性的和/或随机间距+/-100nm。图75b是根据一些实施方式的随机周期孔的示例的顶视图。圆柱孔被蚀刻成穿过i层。mpd具有在soi上的p-i-n结构，其中i层厚度为2微米，p层和n层各自0.3微米厚，并且材料是硅。纵轴是整个p-i-n结构的吸收(1-r-t)，横轴是从800nm到900nm的波长。实线曲线7520是在具有从中心到中心的1000nm平均值的+/-100nm的随机间距的情况下的增强吸收，而短划线7522是具有1000nm周期的固定方形晶格。两者都具有700nm的孔直径。可以看出，与方形晶格中的孔相比，随机非周期性孔具有“更平坦”的相对于波长响应的增强吸收。另外，对于某些波长，随机非周期性孔具有比周期性孔的增强吸收更高的增强吸收，并且波纹的振幅变化较小。如所示的，对于simpd，波长跨度为从800nm到900nm，同样地也可以适用于si、ge、gesi材料系统，其中，波长跨度为从800nm至1000nm，在一些情况下从850nm到950nm，在一些情况下从1250nm到1350nm，在一些情况下从1350nm到1550nm，并且在一些情况下从1450nm到1650nm。
非周期性孔/柱可以应用于mpd结构和mapd结构，并且间距可以从接触或交叉微结构即0nm到5000nm变化，并且在一些情况下，间距可以从相邻微结构的最近边缘从100nm到3000nm变化，微结构的横向尺寸之一可以在从50nm到3000nm的范围内，并且在一些情况下，微结构的横向尺寸之一可以在从100nm到10000nm的范围内。在si、ge、gesi及其任何组合的材料系统中，柱/孔的长度和深度可以在从100nm到10000nm或更大的范围内，并且在一些情况下，柱/孔的长度和深度可以在从500nm到10000nm的范围内。
孔可以被蚀刻成穿过可以是阳极层或阴极层的第一层并且部分到i层中；在一些情况下，孔可以被蚀刻成部分地到i层中，而不在第一层中蚀刻孔；在一些情况下，孔可以被蚀刻成穿过i层；在一些情况下，孔可以被蚀刻到mpd的阳极层或阴极层或mapd的电荷层；在一些情况下，孔可以被蚀刻到soi晶片的氧化物层；并且在一些情况下，孔可以被蚀刻成部分地到阴极层或阳极层或电荷层中。在一些情况下，孔可以被蚀刻成部分地到mapd的倍增层中；在一些情况下，孔可以被蚀刻到mapd的阴极层；并且在一些情况下，孔可以被蚀刻成部分地到mapd的阴极层中。
类似地，柱的长度可以包括i层的部分和/或全部；在一些情况下，柱的长度可以包括顶层的部分和/或全部；在一些情况下，如果顶层是阳极，则柱的长度可以包括可以作为阴极的下包覆层的部分和/或全部。对于mapd，柱可以包括电荷层的部分和/或全部；在一些情况下，柱可以包括倍增层的部分和/或全部；并且在一些情况下，柱可以包括阴极层的部分和/或全部。
图76a和图76b示出了根据一些实施方式的具有在soi衬底上的p-i-n结构的微结构发射器(me)的截面示意图。在一些情况下，该结构可以在没有box(掩埋氧化物)层的n掺杂si衬底上。孔7612可以是周期性和/或非周期性的，并且可以被蚀刻成穿过i层并且到阴极层和/或阳极层中；在一些情况下，可以使用例如外延横向过生长来掩埋孔。微结构孔和/或柱可以生成慢波，慢波然后可以增加光场与增益介质的相互作用时间。微结构发射器在从0.1毫安到500毫安(ma)或以上的范围内被正向偏置。偏置电流被调制，因此从me输出的光也被调制，并且调制的数据速率可以在100mb/s到40gb/s或以上的范围内。沿正向偏置方向将电数据信号与正向偏置一起施加至me阳极和阴极，以生成与输入电信号对应的输出光学调制信号。
量子阱可以是si/gexsi1-x，其中x可以是0.2与1之间的任何值，并且其中，gexsi1-x的层厚度可以是1nm与20nm之间(当使用从a到b的范围时，该范围也表示a与b之间的任何值，包括a和b在内)的任何值，其是阱，并且si(或gexsi1-x合金，其中x可以在从0到0.6的范围内)包覆层可以具有在5nm与100nm之间的值，包覆层和阱都可以是未掺杂和/或非有意掺杂成<＝5×1016/cm3。例如，量子阱的数目可以是单个阱或多个量子阱(例如，2至15个)。
微结构孔7612可以具有在从100nm到5000nm的范围内的横向尺寸，并且可以具有相邻微结构之间的在从0nm(接触和/或交叠)到6000nm的范围内的间距，并且可以是周期性和/或非周期性和/或部分周期性和/或部分非周期性。孔蚀刻深度可以在从100nm到10000nm的范围内；在一些情况下，孔可以被恰好蚀刻到i层；在一些情况下，孔可以被蚀刻成部分地穿过i层；在一些情况下，孔可以被蚀刻成穿过i层；在一些情况下，孔可以被蚀刻到底部p层或n层中。
si/gesi合金的量子阱由p层和n层包覆，p层和n层的厚度可以在从100nm到5000nm的范围内，p和/或n可以具有>＝1×1018/cm3的掺杂，在一些情况下，p和/或n可以具有>＝1×1019/cm3的掺杂，并且在一些情况下，p和/或n可以具有>＝1×1020/cm3的掺杂。可以在soi晶片上或在p或nsi晶片上制造me。
可以在me的顶部和底部上添加分布式布拉格反射器；在底部上，应当蚀刻通孔使得通孔与掺杂的p层或n层接触，并且由顶部和底部布拉格反射器限定的光腔是单波长腔，使得峰值光学模式在空间上与量子阱的位置一致，以实现光场与增益介质的最大交叠。另外，当它被正向偏置时在具有增益介质或量子阱的区域中传播的慢波可以进一步增强光波所经历的增益。me可以在激光模式、发光二极管模式、超辐射模式、多模式和/或单模式下进行操作。可以通过调制电信号来直接调制me，其中调制可以表示用于数据传输的0和1。me光输出还可以具有调制输出，其中调制数据速率在从100mb/s到100gb/s的范围内，波长在从850nm到1650nm的范围内，在一些情况下在从1250nm到1350nm的范围内，在一些情况下在从1200nm到1600nm的范围内，在一些情况下在从750nm到850nm的范围内，在一些情况下在从850nm到1000nm的范围内，在一些情况下在从950nm到1100nm的范围内。
分布式布拉格反射器(dbr)可以是例如具有不同折射率的电介质、si/空气、具有不同折射率的不同透明导电氧化物。
图77是根据一些实施方式的与cmos/bicmos集成电路(ic)电子器件单片集成在单个硅芯片上的me的示意性截面。电子器件可以用于接收来自计算机处理器单元(cpu)、专用集成电路(asic)、信号处理和调节装置、存储装置、驱动器、接收器和发送器以及适用于数据通信、处理、存储和路由的任何其他电子器件的电信号。电信号和直流偏置电流一起被施加至me阳极和阴极，使得me被预偏置。me可以以在从100mb/s到100gb/s的范围内的数据速率将电脉冲忠实地复制成光学信号脉冲，其中，在一些情况下数据速率范围>＝1gb/s，在一些情况下数据速率在>＝3gb/s的范围内，在一些情况下数据速率在>＝5gb/s的范围内，在一些情况下数据速率在>＝10gb/s的范围内，在一些情况下数据速率在>＝20gb/s的范围内，在一些情况下数据速率在>＝25gb/s的范围内，在一些情况下数据速率在>＝40gb/s的范围内，以及在一些情况下数据速率在>＝50gb/s的范围内。开/关比可以>＝2db，在一些情况下开/关比>＝3db，在一些情况下开/关比>＝5db，在一些情况下开/关比>＝10db，在一些情况下开/关比>＝13db，在一些情况下开/关比>＝16db，以及在一些情况下开/关比>＝20db。on与当电脉冲是“1”并且me给出较高光强输出(on)时对应，而off是当电脉冲是“0”并且me给出较低光强输出(off)时。
图78是根据一些实施方式的与cmos/bicmos电子ic单片集成的me的示意性顶视图。me与电子器件的集成可以显著降低光发送器的封装成本，从而降低在数据通信中使用光学器件的成本。多个me可以与单个和/或多个电子ic集成在同一芯片上。
图79a和图79b是根据一些实施方式的两个可能的微结构光电二极管的示意性截面视图。所描述的结构也可以应用于其中添加了电荷层和倍增层的微结构雪崩光电二极管。图79a的结构可以是p-i-nsi和/或gesi结构，其中吸收i层可以是si和/或gesi合金，p层和/或n层也可以是si和/或gesi合金，并且其中，gesi合金可以具有从0到1变化的ge分数。图79a的结构可以是在si上具有box(掩埋氧化物)——也可以被称为soi(绝缘体上硅)——和/或没有box层——在这种情况下pin结构可以直接在n型si衬底上。另外，可以包括gesi合金蚀刻停止层，其中ge分数约为百分之一或百分之几，并且可以是n型掺杂。图79a的结构的层厚度可以如下：顶层p(p和n可以互换)可以具有在从0.1微米至1微米的范围内的厚度并且掺杂成>8×1019/cm3。具有反向偏置的其中光子吸收可以有助于光电流的i层可以具有1微米到5微米的厚度范围，并且不是有意掺杂的和/或是本征的。n层可以具有在从0.1微米到1微米的范围内的厚度并且掺杂成>1×1019/cm3，并且可以位于厚度在从0.03微米到0.1微米的范围内的n型器件层上。box层具有在si衬底上的在从0.2微米到10微米的范围内的厚度。替选地，可以在没有box层的情况下使用n型硅衬底，并且n型硅衬底可以包括在n型硅衬底上生长的厚度在从0.01微米到0.5微米的范围内的掺杂n型>1×1019/cm3的蚀刻停止gesi合金层。
图79b的结构类似于图79a的结构，但是衬底被去除到box层和/或gesi蚀刻停止层。衬底的去除在微结构区域与微结构外部区域之间提供了更大的折射率对比度，这可以促进光子的捕获和微结构中的光学慢波(慢光、慢模式)的限制。衬底的去除可以改进增强的吸收，并且从而改进mpd/mapd的增强的量子效率。
微结构孔7912可以是圆柱形、圆锥形、梯形、卵形和/或任何规则和/或不规则形状。孔7912可以被蚀刻成部分地到i层中，在一些情况下孔7912可以被蚀刻成穿过i层，在一些情况下孔7912可以被蚀刻成部分地到n层中和/或穿过n层，在一些情况下孔7912可以被蚀刻到box层和/或gesi蚀刻停止层，以及在一些情况下孔7912可以被蚀刻成穿过box层和/或蚀刻停止层。微结构孔7812与微结构柱的不同之处在于：p-i-n材料是连续的以及/或者共享共同的连接区域或质量(mass)，例如瑞士干酪切片中的孔。类似于瑞士干酪切片，微结构孔可以被蚀刻完全穿过p-i-n层并穿过box和/或蚀刻停止层。另外，可以使得易于在p表面和n表面上形成与p区域和n区域的欧姆接触。相比之下，柱如同岛并且每个柱需要与所有其他柱电连接以形成mpd，并且柱不能从p层被蚀刻到box和/或穿过蚀刻停止层，原因在于：柱没有共同材料来将它们保持在一起，因而将被分开。因此，柱mpd/mapd的制造会比利用微结构孔的制造更复杂，从而会导致更低的产量——这可以导致更高的成本。
孔的至少一个横向尺寸(如果孔是圆柱形的，则直径；如果孔是圆锥形的，则在表面处的直径)可以具有从250nm到2500nm的范围，并且在一些情况下可以具有从500nm到5000nm的范围，并且在一些情况下可以具有从600nm到2500nm的范围。微结构孔之间的间距可以在从100nm到5000nm的范围内；在一些情况下，微结构孔之间的间距可以在从300nm到2000nm的范围内；在一些情况下，微结构孔之间的间距可以在从250nm到2500nm的范围内。在任何周期性和/或非周期性布置中，微结构孔可以以晶格(例如方形晶格和/或六方晶格)来布置，以任何周期性和/或非周期性布置来布置，以及在一些情况下，一组孔可以是非周期性的，并且非周期性组以晶格来周期性地重复。可以以周期性和/或非周期性的方式重复具有不同周期性和/或非周期性孔布置、具有不同数目的孔和尺寸、组大小不同的多个组；例如，mpd/mapd的中心可以具有与离开中心并且靠近mpd/mapd的周边的微结构孔不同的周期性和/或非周期性布置。
在图79a和图79b的两个结构中，光学信号照射在顶表面上，在该示例中顶表面是p层表面。在某些情况下，光也可以从底部衬底表面并且在图79b的结构的情况下进行照射。区域7930中的衬底被去除，其中，在区域7930上方存在微结构。可以将诸如分布式布拉格反射器的介电涂层施加在例如蚀刻停止层的底部处，以及/或者将金属膜施加至例如蚀刻停止层以反射可能逃离微结构孔阵列的任何光学信号。另外，可以将蚀刻停止层和/或薄的剩余衬底层纹理化，以进一步帮助将光学信号重定向回到微结构孔阵列中，从而进一步改进增强的吸收。
对于gexsi1-x全simpd/mapd中x＝0，波长在从800nm到980nm的范围内，以及在一些情况下波长在从850nm到950nm的范围内。对于应变gesi合金，对于x＝0.2，由于应变，波长可以在从850nm到1000nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从950nm到1250nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从900nm到1350nm的范围内。对于x＝0.4，波长可以在从850nm到1100nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从950nm到1250nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从1250nm到1350nm的范围内，其中gesi可以是应变的并且带隙变窄。对于x＝0.6，波长可以在从1100nm到1350nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从950nm到1350nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从1250nm到1350nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从1250nm到1450nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从1350nm到1550nm的范围内，其中，gesi可以是应变的。对于x＝0.8，波长可以在从1250nm到1350nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从1100nm到1300nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从1250nm到1450nm的范围内；在一些情况下，波长可以在从1250nm到1550nm的范围内，其中gesi可以是应变的并且带隙变窄。对于x＝1，波长可以扩展到1350nm；在一些情况下，波长可以扩展到1550nm；在一些情况下，波长可以扩展到1650nm。gesi合金可以是应变的，在这种情况下带隙变窄，这可以导致更高的吸收效率。在所有情况下，信号光子波长都被保持在带隙以上，其中吸收系数大于或等于10cm-1；在一些情况下，吸收系数>＝50cm-1；在一些情况下，吸收系数>＝100cm-1；在一些情况下，吸收系数>＝400cm-1；以及在一些情况下，吸收系数>＝600cm-1。利用微结构孔，可以通过例如慢波、横向光学模式、收集模式进一步增强吸收效率。
图79a和图79b的两种结构都可以与sicmos和/或si/sigebicmos电子器件单片集成，用于信号处理、放大、调节、通信、分发、路由、缓冲和存储以及数据通信、计算和分析所需的任何其他信号处理。
另外，在图79b的结构中，光学信号也可以从底部照射。在这种情况下，可以采用例如抗反射涂层和/或具有随机纳米结构(例如“黑硅”)的表面的纹理化，以减少光反射回到光纤中；在某些光学数据通信系统中，可能期望或需要低至5％的反射；在一些情况下，可能期望或需要低至1％或更低的反射。另外，可以将介电层和/或反射器层(如金属和/或布拉格反射器)施加到顶表面，使得从微结构泄漏的任何光学信号可以被反射回微结构中。可以将之后是金属层的纹理化的介电层施加到顶表面。纹理化是为了减少可能反射到光纤中的镜面反射。散射和/或漫反射会是更期望的。
在图79b的结构中，在光学信号从顶表面照射的情况下，表面的纹理化可以用于减少反射，底表面也可以被纹理化或不被纹理化，并且可以涂覆有介电层和/或金属层和/或布拉格反射器。在某些应用中，可能期望使光同时和/或顺序地从顶表面和底表面照射，在这种情况下，可以将顶表面和底表面二者纹理化以减少反射。
在所有情况下，微结构孔可以是任何形状，例如，孔可以是漏斗形和/或具有单个和/或多个侧壁角和斜率的锥形。另外，如前所述，微纳结构也可以在后表面上以进一步增强吸收。
美国专利第8,357,960号(通过引用并入本文中，并且在本文中被称为“dutta”)讨论了使用诸如ingaas、inp、gaas的直接带隙材料的3d块或柱的光谱展宽。dutta的图5显示了：inp的间距为200nm的直径为200nm的柱的仿真可以在1.4微米的波长或者约0.88ev的光子能量处具有多达80％(平均)的吸收，其中，0.88ev比直接带隙半导体inp的1.34ev带隙窄0.46ev，该直接带隙半导体inp在1.4微米的波长处基本透明。参考http://www.ioffe.ru/sva/nsm/semicond/inp/figs/843.gif讨论了：对于对应于约0.88ev的1.4微米，吸收系数远小于1，例如如果inp在1.4微米波长处的吸收系数为0.5cm-1，那么超过100微米厚的inp将仅吸收0.5％的光。假设不存在应变变窄效应，那么可以利用微结构来将诸如inp的直接带隙半导体展宽在低于1.34ev的带隙边缘的约0.02ev内。迄今为止，没有实验演示已经发现：在带隙以下吸收的这种宽的展宽。如所理解的，对dutta的关注点在于小于带隙的光子能量。在直接带隙中，诸如inp、ingaas、gaas的材料，能量大于带隙的光子具有1×104cm-1或更大的吸收系数，并且通过微纳结构来增强这些能量处的吸收是不必要的，原因在于吸收已经接近1。dutta的重点要理解为：将柱用于具有在材料的带隙以下的能量的光子一起使用，其中，在材料的带隙以下大多数材料变得几乎透明。通过将柱的直径减小到100nm，dutta说明了：具有在带隙以下甚至更低能量的光子可以以高效率或者至少70％被吸收。
near-unitybroadbandabsorptiondesignsforsemiconductingnanowirearraysvialocalizedradialmodeexcitation，fountaine等，2014年5月5日|第22卷，第s3期|doi:10.1364/oe.22.00a930|opticsexpressa930(通过引用并入本文中并且在本文中被称为“fountaine”)讨论了si上的gaas柱并且显示了接近1的吸收效率，其中gaas柱具有与dutta的柱尺寸大致相同的柱尺寸。然而，如fountaine的图4c所示，这仅针对带隙以上的波长被示出，并且在带隙处下降至近似为零。
不认为在dutta中讨论的波长大于990nm(或大于1.25ev)且吸收效率大于40％的没有光子应变的inp柱的光谱展宽是可行的。
根据本公开内容的一些实施方式，吸收增强主要限于大于或高于材料的带隙的光子能量，并且在一些情况下材料可以是应变的——在这种情况下带隙可以变窄。使用诸如孔并且在一些情况下使用诸如柱并且在一些情况下使用诸如孔和柱的微结构以将约200cm-1至1000cm-1的材料吸收增强2到10倍或更多，使得增强的吸收可以在从2000cm-1至10000cm-1的范围内，在一些情况下增强的吸收可以在从4000cm-1到10000cm-1或更大的范围内。在一些情况下，材料吸收系数可以为50cm-1或更大，增强因子可以为30或更大，使得增强的吸收系数可以>＝1500cm-1，在一些情况下增强的吸收系数>＝3000cm-1，以及在一些情况下增强的吸收系数>＝6000cm-1。
另外，在dutta中讨论的器件的尺寸是5微米×5微米的方形。对于芯直径为50微米和62.5微米的多模光纤以及焦距为150微米的典型球透镜，束斑尺寸的直径约为3微米。这使得对准公差小于2微米。光学元件与光电二极管的这种紧密对准可能需要主动对准(activealignment)，其中光纤在组装期间被照射并照射光电二极管。这在光学接收器的组装和封装中可能是昂贵的。根据本公开内容的一些实施方式，mpd/mapd具有直径为10微米到100微米的器件区域，并且在一些情况下，mpd/mapd具有直径为30微米到80微米的器件区域。这个大的区域使光学部件与mpd/mapd的对准变得容易并且不依赖于主动对准。通过具有10微米或更大的对准精度的机器人装置的被动对准可以大大降低光接收器的组装和封装的成本。
另外，dutta中的柱直径为200nm和100nm，而根据本公开内容的一些实施方式，微结构(其可以是孔和/或柱)具有>＝300nm的尺寸；在一些情况下，微结构具有>＝400nm的尺寸；在一些情况下，微结构具有>＝600nm的尺寸；在一些情况下，微结构具有>＝700nm的尺寸；在一些情况下，微结构具有>＝900nm的尺寸；在一些情况下，微结构具有>＝1000nm的尺寸；在一些情况下，微结构具有>＝1200nm的尺寸；在一些情况下，微结构具有>＝1300nm的尺寸；在一些情况下，微结构具有>＝1500nm的尺寸。
此外，dutta中讨论的示例都是直接带隙材料，而根据本公开内容的一些实施方式，si和gesi(sige)和ge都是间接带隙。
图80是示出使用cmos和/或bicmos工艺将图79b所示的结构与si集成电路(ic)或专用电子器件(asic)集成的截面示意图。对于从顶表面照射的光学信号，通孔7930可以被纹理化和/或被涂覆诸如sio2的介电层、诸如al、cr、ni的金属层和/或电介质布拉格反射器8042，以将可能从针(或用于apd的pipin)微结构泄漏的任何光学信号反射回微结构中以实现进一步吸收增强。在某些应用中，光可以从底表面照射，并且通孔7930可以用作光纤的引导部，从而允许光纤与mpd/mapd的精确被动对准。另外，可以使用干法蚀刻来使底表面纹理化，以产生例如黑硅以例如减少反射和/或可以在通孔上涂覆抗反射(ar)层和/或介电层。顶表面也可以例如涂覆有诸如sio2的介电层和/或诸如al、cr、ni的金属层和/或电介质布拉格反射器。半导体和/或介电层上的顶表面的纹理化可以用于减少回到光纤中的镜面反射。
在某些应用中，光学信号可以同时和/或顺序地从顶表面和底表面照射，在这种情况下，顶表面和底表面的介电层和/或纹理化可以用于减少反射。
对于>20gb/s的高数据速率带宽，mpd/mapd直径可以在从10微米到100微米直径的范围内。然而，存在以下情况：可能期望甚至更大面积的光电二极管、直径为200微米到600微米的mpd/mapd，特别是对于自由空间装置到装置(例如，膝上型计算机到智能电话到智能手表)通信以及近来的可见光通信(vlc)(在vlc中，可见光和850nm波长均可用于短距离自由空间通信)。参见例如modulationandcodingfordimmablevisiblelightcommunication，s.h.lee等，ieeecommunicationsmagazine·2015年2月。
图81是示出根据一些实施方式的大面积mpd的截面示意图。也可以作为添加了si电荷层和倍增层的mapd的器件具有在从200微米到600微米直径的范围内的器件面积。除了i层厚度可以在从4微米至6微米的范围内以外，外延结构与图80所示的外延结构类似。在5微米i层厚度的情况下，200微米直径的mpd器件在50欧姆传输线中的数据带宽速率约为19gb/s；对于400微米直径的mpd，数据带宽速率为4.8gb/s；对于直径为600微米的mpd，数据带宽速率约为2gb/s。微结构孔直径可以在从100nm到1300nm的范围内；在一些情况下，微结构孔直径可以在从300nm到1000nm的范围内。微结构孔的间距可以在从50nm到1000nm的范围内，孔蚀刻深度可以在从300nm到8000nm的范围内。孔可以被蚀刻成部分地到i层中、穿过i层，到底部n层或p层中和/或穿过n层或p层。与具有相同层结构但没有微结构孔的可比较pd/apd相比，mpd/mapd可以在具有微结构孔的情况下具有更高的量子效率。i层可以是si和/或gesi的合金，其中ge的百分比可以在从1％到100％的范围内。在一些情况下，ge的百分比可以在从5％到10％的范围内；在一些情况下，ge的百分比可以在从5％到20％的范围内；在一些情况下，ge的百分比可以在从10％到40％的范围内；在一些情况下，ge的百分比可以在40％到60％的范围内；在一些情况下，ge的百分比可以大于60％。大面积mpd/mapd可以与si电子器件(如使用cmos和/或bicmos晶体管、二极管、电容器、电阻器和其他集成电路元件和工艺的asic)单片集成。微结构孔可以是不同形状，例如，它们可以是圆柱形、漏斗形、锥形，并且孔可以具有单个和/或多个侧壁角和斜率。孔可以是卵形、圆形、多边形、变形虫形、矩形、星形和/或沙漏形。对于非圆形孔，“直径”可以指孔的横向尺寸之一。
应当注意，在图79a、图79b、图80和图81中的所有结构中，可以为某些应用提供或不提供box层。在没有box层的情况下，通孔7930可以被蚀刻到停止蚀刻层，如sigeb(对于nip结构)或sige层，并且通孔7930的底部可以涂覆有具有或不具有纹理的介电层和/或金属层和/或多个介电层，以例如当光从顶表面照射时优化mpd/mapd的吸收效率。光也可以从底表面照射，在这种情况下底表面可以被纹理化以减少反射，并且顶表面可以具有带有或不带有纹理的介电层和/或金属层，以将任何杂散光反射回微结构中以实现吸收增强。
图82是根据一些实施方式的布置在单元中的非周期性/随机微结构孔的示意性顶视图，并且其中单元周期性地步进(step)。这些孔在单元内可以是非周期性和/或随机的和/或伪随机的。在图82的示例中，在每个单元8210内随机或伪随机地设置四个孔，并且单元8210周期性地步进。在某个单元尺寸内，孔可以是非周期性和/或随机的，并且然后可以周期性地布置单元。单元尺寸可以很小，例如包含四个孔，在一些情况下包含10个孔，以及在一些情况下包含100个孔或更多个孔。单元也可以是全局的，使得mpd/mapd的整个表面是单个单元，在这种情况下微结构孔完全是非周期性和/或随机的和/或伪随机的。孔直径也可以在单元内以随机和/或伪随机方式变化。
在一些应用中，期望使mpd/mapd的直径大到1000微米，并且在一些情况下，期望使mpd/mapd的直径大到500微米至700微米，以用于使用可见和红外波长光学信号的自由空间通信。通常期望保持i层厚度低于10微米，使得反向偏置电压可以是10伏或更低，并且在一些情况下反向偏置电压可以低于5伏。对于本征和/或非有意掺杂的5微米厚的i层，反向偏置电压可以例如低于10v，并且对于700微米直径的mpd/mapd，数据速率带宽可以是1ghz(或约1.48gb/s)或更大。使用cmos和/或bicmos将大面积mpd/mapd与诸如asic的si电子器件单片集成可以进一步增加mpd/mapd的直径，原因是可以减小寄生电容。另外，在p-i-n(或用于mapd的p-i吸收-p-isi倍增-n结构)结构中，i层可以是si和/或gexsi1-x合金，其中x可以在从0到1的范围内。
另外，微结构孔可以具有任何期望的尺寸和形状，以及，例如在p-i-nmpd结构或p-i-p-i-nmapd结构中，p层的表面处的尺寸和形状可以随着孔进一步进入到p-i-n或p-i-p-i-n层中而不同。例如，孔可以具有漏斗形状、锥形形状和/或鱼缸形状。孔的形状可以是三角形、矩形、菱形、多边形、椭圆形、卵形、双椭圆形、圆柱形、漏斗形、锥形、沙漏形、苜蓿叶形、变形虫形和/或其任何组合。例如，矩形孔可以与圆形孔组合，以形成圆形边缘和/或杯形边缘。孔可以是几何图案和/或非几何图案的任何组合。变形虫形的孔可以是非几何图案的示例。另外，微结构孔可以具有不同形状和尺寸，并且可以是周期性和/或非周期性的。在一些情况下，n×m的单元，其中n可以等于m或不等于m，孔可以包含不同和/或相同的孔形状和尺寸，并且可以在该单元内是非周期性的，并且其中，单元可以周期性地步进。
图83、图84、图85是根据一些实施方式的以不同取向布置的矩形孔的顶视图。图83示出了布置的方形晶格(lattice)8310的矩形孔8312(在这种情况下为正方形)，其中每个正方形的边彼此对齐。在图84中，在晶格8410中以旋转角度定位孔8412中的每个孔。在图85中，一些方孔8512在晶格8510中被旋转，而一些孔8514未被旋转。在这些示例中，对于在微结构光电二极管的情况下的p-i-n层和/或在微结构雪崩光电二极管的情况下的p-i-p-i-n层，在si和/或ge和/或gesi合金和/或其任何组合中，方孔可以具有在从300nm到5000nm的范围内的对角线，并且孔之间的间距在从100nm到10000nm的范围内。矩形孔和/或多边形孔也可以应用于微结构发射器，如发光二极管和/或竖直腔表面发射激光器和/或激光器和/或无阈值激光器和/或发光二极管；另外，矩形孔和/或多边形孔可以应用于太阳能电池以及需要光子的捕捉和捕获的任何光敏器件。
矩形可以具有不同尺寸和/或不同间距，并且可以在局部和/或在全局是周期性的和/或非周期性的。另外，可以使用其他布置图案和/或图案和非周期性布置的组合。应当注意，诸如六边形的其他晶格是可以的，并且诸如三角形、星形、苜蓿形、变形虫形、梯形、五边形、六边形等的其他多边形形状也是可以的。
已经发现，与诸如图83的类似结构(其中，间距是均匀的)相比，相邻微结构(如图84和图85中的扭曲方形单元)之间的非均匀间距通常可以具有相对于入射光波长特性的更均匀的吸收和/或量子效率。这可能由于：与微结构的可比较的均匀间距相比，在微结构的非均匀间距中的更大数目的光学模式(例如，共振光学模式)。类似地，与具有例如其中孔在竖直方向上的尺寸或多或少不均匀的圆柱形孔的类似结构相比，漏斗形孔和/或微结构也呈现相对于光波长特性的更均匀的吸收和/或量子效率。在这种情况下，尺寸的不均匀性在竖直方向上，而例如图84和图84的尺寸的不均匀性在水平方向上。在某些情况下，相邻微结构的竖直尺寸和水平尺寸都可以是不均匀的，以进一步提供与其中相邻微结构的竖直尺寸和水平尺寸或多或少是均匀的类似结构相比的相对于光波长特性的更平滑的吸收和/或量子效率。另一个示例是可以导致微结构的不均匀间距的微结构的非周期性和/或非周期间距，与例如周期性的类似结构相比，非均匀间距可以导致相对于波长特性的更平滑的吸收和/或量子效率。非周期性可以是局部的，例如，2×2微结构的小单元、3×3微结构的小单元、10×10微结构的小单元、n×m微结构的小单元，其中n和m是任意整数，并且单元可以周期性地步进，或者另外，单元可以跨mpd/mapd的表面非周期性地步进。
图86是示出了一些示例微结构孔布置中的光场的有限差分时域仿真的图。建模的微结构由2.6微米p-i-n光电二极管结构的硅制成，其中纵轴是吸收(也被写为1-r-t，其中r是反射，t是透射)，吸收也与量子效率成正比，其中比例常数可以在从1到0.5的范围内，并且在一些情况下比例常数可以在从0.9到0.4的范围内。横轴是入射光子的波长。曲线8610针对如图83所示的非旋转方孔的布置，而曲线8612针对其中一些方孔如图85所示被旋转的布置。曲线8610中的图83的结构具有其中正方形的每条边为800nm并且周期为1100nm的孔，而曲线8612中的图85的结构具有其中尺寸同样为800nm但是一些孔如图85所示旋转30度的孔。如可以看到的，与结构相同但是一些孔旋转30度的曲线8612相比，曲线8610(非旋转孔)在吸收相对于波长的图中在从800nm到900nm的波长跨度上显示了明显更多的波纹。也可以使用其他旋转的角度的组合。旋转角度可以是随机的，一些以某一顺序和/或随机顺序以一个或更多个固定角度被旋转。n×m个微结构的单元中的图案可以周期性地步进和/或可以在mpd/mapd的表面上存在单个单元。
该相同原理可以应用于基于ge、gesi、si的mpd/mapd，其中p-i-n和/或p-i-p-i-n层可以是基于si、gesi、ge的材料和/或其组合，以应对不同波长跨度，例如，830nm至950nm的波长跨度，850nm到1000nm的波长跨度，1250nm到1350nm的波长跨度，1350nm到1550nm的波长跨度，1400nm到1650nm的波长跨度，900nm到1250nm的波长跨度以及跨度的任意组合，在一些情况下，可能期望从850nm跨到1350nm或更长。
相同的原理也可以应用于微结构发射器，其中微结构之间的间距可以是不均匀的，以允许在给定波长跨度上光子强度相对于波长的更平滑地发射。
在微结构光电二极管和微结构雪崩光电二极管、微结构发射器中，用于p-i-n、n-i-p、n-i-n、p-i-p、i-n、i-p和p-i-p-i-n、n-i-n-i-p层的材料可以是基于硅的和/或基于锗的和/或gesi合金和/或其组合。除了gesi合金以外的材料，如gesisn、gesipb、siga、sic、gesic、sisn、sigeal、sigeb、sigec、siln、geln、sigein、sigesb、sisbc、gesb、siasgage、sialgaas、sialgaasge、基于si的具有金属纳米颗粒的、基于ge的具有金属纳米颗粒的和/或周期表中的元素与基于si和/或ge的材料的任何其他可能组合等可以具有不同的吸收系数和/或增益系数，并且可以与硅电子器件单片集成。
图87示出了根据一些实施方式的在不同类型的部件的单个硅芯片上集成和/或单片集成。芯片8710上的部件可以包括以下部件类型中的一种或更多种：微结构光电二极管、微结构雪崩光电二极管、微结构发射器(如发光二极管和表面发射激光器)、能量收集部件(如微结构太阳能电池)、能量存储部件、能量转换电子器件和/或信号处理和路由电子器件。另外，mpd/mapd可以用于不同的数据速率应用，并且可以具有不同的直径，例如，较大直径的mpd/mpad可以用于小于5gb/s的数据速率，较小的mpd/mapd可以用于大于5gb/s的数据速率，并且每个都可以具有它自己和/或共享的用于信号处理、放大、调节、路由、存储、缓冲的asic电子器件以及用于光学数据通信的其他电子器件。这同样可以应用于微结构发射器，其中不同的数据速率发射器可以与用于信号处理的其相同和/或分离的asic和驱动器电子器件集成和/或单片集成在单个硅芯片上。太阳能电池可以被微结构化以提高效率，并且可以用于向光电探测器和/或光子发射器和/或电子器件提供电力。在某些应用中，可以使用来自光纤的过量和/或有意提供的光功率来照射太阳能电池，以向光电探测器和/或光子发射器提供电力，使得以下是可以的：在某些应用中，对于光收发器操作而言，金属线不是必需的。光功率也可以通过单独的光纤被带到太阳能电池和/或另外其也可以是通过太阳能的功率。
如图87所示，所有光子检测和/或能量转换和/或光子发射器可以具有用于光捕获以及/或者吸收和/或增益的增强的微结构。对于每个部件，可以针对特定波长范围和/或效率来优化孔和/或柱的微结构。在一些情况下，并非同一芯片上的所有光子器件都包括微结构。
除了将用于吸收增强的微结构应用于光电二极管和雪崩光电二极管以外，还可以将微结构应用于其他光电探测器，如光电晶体管。参见例如areviewofbjtbasedphototransistor，sharma等，internationaljournalofengineeringresearch&technology，第3卷，第4期，4月(2014年)(通过引用并入本文中)；其中诸如孔和/或柱的微结构可以形成在光电晶体管的基极上；在一些情况下，诸如孔和/或柱的微结构可以形成在发射极和基极上；在一些情况下，诸如孔和/或柱的微结构可以形成在发射极、基极和集电极上；以及在一些情况下，诸如孔和/或柱的微结构可以部分和/或完全地形成在基极和集电极上。微结构可以完全和/或部分地形成在发射极和/或基极和/或集电极以及/或者发射极/基极/集电极的组合中。与没有用于增强信号光子的吸收的微结构的类似光电晶体管相比，微结构光电晶体管可以具有更高的光增益或量子效率。用于光电晶体管的材料可以包括si、gesi、g以及诸如iii-v材料族的其他材料族。si/gesi和/或ge/si可以形成异质结双极光电晶体管。另外，si/gesi/ge微结构化增强型光电晶体管可以与asic(专用集成电路)电子器件单片集成在单个硅芯片上。
通过应用用于增强吸收的微结构可以具有提高的量子效率的其他光电传感器包括用于图像处理的cmos光学传感器。另外，微结构cmos传感器可以与asic电子器件单片集成在单个硅芯片上。
本专利申请在说明装置的性质和操作时涉及某些理论，但是应该清楚，这些理论是基于当前的理解并且即使未来的发展证明理论不正确也不影响所公开的装置的实际操作。本专利说明书还涉及参数的数值范围，应该理解，从这些范围的非实质性偏离仍然在所公开的改进的精神内。
应该理解，描绘装置的附图不是按比例的并且稍微理想化，例如，具有直线和尖角，而实际装置可以并且可能具有不是直的或平滑的壁以及有点圆的角。实际上，取决于工艺参数，壁例如微结构中的孔或柱的壁可能是不平坦且表面粗糙的，具有诸如凹陷和凸起的表面特征，这实际上可以有助于诸如减少不期望的反射这样的效果。
可以例如使用诸如气相外延、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、分子束外延等和/或选择性区域外延、选择性区域外延横向过生长、外延横向过生长、异质外延、晶片接合、外延剥离工艺以及生长、接合、剥离工艺的任何组合的技术来外延生长用于光的检测和/或信号处理和分配集成电路的半导体层。半导体层的优选工艺是化学气相外延或化学气相沉积。
另外，微结构孔可以仅在吸收高电场“i”区域中，并且不一定延伸到pd/apd的n区域和p区域中和/或穿过pd/apd的n区域和p区域。孔也可以与孔的整个长度交叠和/或相邻的孔可以沿着孔的长度部分地交叠。
部分地由于在外延生长期间掺杂剂的扩散，p区域、i区域和n区域的掺杂通常在不同的掺杂水平区域之间具有逐渐过渡。从高掺杂到低掺杂的过渡可以取决于掺杂剂类型、掺杂水平、生长温度和外延沉积方法而在1nm到1000nm或更长的距离上发生。pin结构通常是p+pp-in-nn+，其中，p和p-以及n和n-是过渡区域，并且非常窄的过渡区域是可取的。
mpd的p-i-n层可以是gexsi1-x，其中x大于0并且可以等于1并且可以是>0与1之间的任何值，gexsi1-x在存在或不存在sin层的情况下生长在soi(绝缘体上的硅)晶片上以及/或者生长在n型(在一些情况下可以是p型)的si衬底上。p和n可以互换。对于mapd器件，p-i-p的层可以是gexsi1-x，其中x大于0并且可以等于1并且可以是>0与1之间的任何值，底部p电荷层也可以是si(其中x＝0，生长在soi晶片上的nsi上的isi倍增层上和/或生长在n型(在一些情况下为p型)的si晶片上)。p和n可以互换。
使用例如离子注入可以在si、gesi、ge材料系统中生成中间带隙缺陷和/或杂质水平，以及/或者高杂质浓度导致子带隙吸收水平；参见例如state-of-the-artall-siliconsub-bandgap,photodetectorsattelecomanddatacomwavelengths，m.casalino等，laserphotonicsrev.，1-27(2016)/doi10.1002/ipor.201600065(通过引用并入本文中，并且被称为“casalino等”)。相同的方法可以应用于si、gesi、ge材料系统mpd、mapd，以将工作波长扩展超过材料带隙，例如si、gesi、gempd/mapd可以与如本申请中描述的用于额外吸收增强的微结构结合通过引入如由casalino等描述的中间带隙吸收水平在1000nm到2000nm的波长范围内的某些波长处具有10％或更高的可用量子效率。
尽管为了清楚起见已经详细描述了前述内容，但是明显的将是，在不脱离其原理的情况下，可以进行某些改变和修改。应当注意，存在实现本文中描述的处理和设备的许多替代方式。因此，本实施方式被认为是说明性的而非限制性的，并且本文中描述的工作主体不限于本文中给出的细节，这些细节可以在所附权利要求的范围和等同物内进行修改。
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