專(zhuān)利名稱(chēng)：高速光敏設(shè)備及相關(guān)方法
高速光敏設(shè)備及相關(guān)方法優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)本申請(qǐng)要求2010年6月18日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/356，536的權(quán)益，其內(nèi)容以參考方式合并于此。
背景技術(shù)：
許多成像應(yīng)用例如免手持姿態(tài)控制、視頻游戲、醫(yī)療和機(jī)器視覺(jué)以及通信應(yīng)用使用各種光電子設(shè)備，例如光電探測(cè)器和光電探測(cè)器的成像陣列。通信應(yīng)用通常使用例如光纖網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫@種網(wǎng)絡(luò)在光纖經(jīng)歷較低的信號(hào)損失的近紅外波長(zhǎng)的光中效果良好。激光標(biāo)記和距離測(cè)定的應(yīng)用一般使用具有近紅外波長(zhǎng)例如1064nm的激光。其他應(yīng)用例如深度感知應(yīng)用使用能夠檢測(cè)近紅外波長(zhǎng)例如850nm或940nm的成像器。這些波長(zhǎng)一般由用砷化鎵(GaAs)制造的發(fā)光二極管或激光二極管生成。所有這些應(yīng)用都要求探測(cè)器或探測(cè)器陣列具有快速響應(yīng)時(shí)間，一般比利用厚的(例如，大于100 μ m)硅有源層可以實(shí)現(xiàn)的響應(yīng)時(shí)間更快。因此，用于這些應(yīng)用的硅設(shè)備通常是薄的，并且將具體設(shè)計(jì)考慮考慮在內(nèi)以便降低響應(yīng)時(shí)間。然而，隨著娃有源層變得更薄，在更長(zhǎng)波長(zhǎng)(例如，850nm、940nm和1064nm)下的響應(yīng)比厚硅設(shè)備層的響應(yīng)低得多。另一方面，在更長(zhǎng)波長(zhǎng)下具有更高響應(yīng)的厚硅設(shè)備具有緩慢的響應(yīng)時(shí)間并且難以耗盡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供高速光電子設(shè)備及相關(guān)方法。在一個(gè)方面，例如，高速光電子設(shè)備可以包括具有入射光表面的娃材料、在娃材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)以及耦合到硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對(duì)于具有從大約SOOnm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。在另一方面,對(duì)于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.5A/W的靈敏度。在另一方面，對(duì)于具有大約850nm的波長(zhǎng)的電磁福射,該光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.45A/W的靈敏度。在進(jìn)一步的方面，該硅材料具有從大約I μ m到大約100 μ m的厚度。在更進(jìn)一步的方面，在工作期間該設(shè)備的暗電流是從大約ΙΟΟρΑ/cm2到大約10nA/cm2。在另一個(gè)方面,一種高速光電子設(shè)備可以包括具有入射光表面的娃材料、在娃材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)以及稱(chēng)合到娃材料并被定位成與電磁福射相互作用的紋理區(qū)。對(duì)于具有大約940nm的波長(zhǎng)的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.3A/W的靈敏度。在另一個(gè)方面,一種高速光電子設(shè)備可以包括具有入射光表面的娃材料、在娃材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)以及稱(chēng)合到娃材料并被定位成與電磁福射相互作用的紋理區(qū)。對(duì)于具有大約1060nm的波長(zhǎng)的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.05A/W的靈敏度。在另一個(gè)方面，一種光電二極管陣列可以包括具有入射光表面的娃材料，在娃材料中的至少兩個(gè)光電二極管，每個(gè)光電二極管包括形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)，以及耦合到硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對(duì)于具有從大約SOOnm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，該光電二極管陣列具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。在一個(gè)方面，該硅材料具有從大約Ium到大約100 μ m的厚度。在另一個(gè)方面，一種提高光電子設(shè)備的速度的方法包括對(duì)硅材料中的至少兩個(gè)區(qū)進(jìn)行摻雜以形成至少一個(gè)結(jié)，以及使得硅材料具有紋理結(jié)構(gòu)，從而形成定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對(duì)于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。在一個(gè)方面，該設(shè)備可以包括用于將載流子從與結(jié)相反的一側(cè)帶到結(jié)區(qū)的額外摻雜區(qū)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面與基于硅但是具有紋理區(qū)的光電探測(cè)設(shè)備的吸收特性相比較的基于標(biāo)準(zhǔn)硅的快速(或薄的)光電探測(cè)器設(shè)備的吸收特性的圖形表示；圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光敏設(shè)備的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的再一方面的光敏設(shè)備的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的光敏設(shè)備的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的更進(jìn)一步方面的光敏設(shè)備的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光敏設(shè)備的示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一方面的光敏設(shè)備的示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面的光敏陣列設(shè)備的示意圖；圖9示出根據(jù)本發(fā)明的另一方面的渡越時(shí)間(time of flight)測(cè)量；圖1Oa是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光學(xué)成像器陣列的像素結(jié)構(gòu)的示意圖；圖1Ob是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光學(xué)成像器陣列的像素結(jié)構(gòu)的示意圖；圖1Oc是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光學(xué)成像器陣列的像素結(jié)構(gòu)的示意圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的六晶體管成像器的示意圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的十一晶體管成像器的示意圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的更進(jìn)一步方面的光敏陣列設(shè)備的示意圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的光敏陣列設(shè)備的示意圖；以及圖15描述根據(jù)本發(fā)明的再一方面的提高光電子設(shè)備的速度的方法。
具體實(shí)施例方式在本文中描述本發(fā)明之前，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于特定的結(jié)構(gòu)、處理步驟或本文中公開(kāi)的材料，而是延伸至本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的這些內(nèi)容的等價(jià)物。還應(yīng)當(dāng)理解的是，本文中使用的術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述特定的實(shí)施例而非進(jìn)行限制。定義將根據(jù)以下闡述的定義使用下面的術(shù)語(yǔ)。應(yīng)當(dāng)注意，如說(shuō)明書(shū)和隨附權(quán)利要求中所用，單數(shù)形式“一個(gè)”和“該”可以包括復(fù)數(shù)個(gè)對(duì)象，除非上下文中以其他方式明確地指示。因此，例如，“一種摻雜劑”的指代內(nèi)容可以包括一種或更多種此類(lèi)摻雜劑，“該層”的指代內(nèi)容可以包括指代一個(gè)或更多個(gè)此類(lèi)層。如本文所用，“量子效率”(QE)被定義為入射到光電子設(shè)備上的光子被轉(zhuǎn)換成電子的百分比。外部量子效率(EQE)被定義為針對(duì)每一入射光子在設(shè)備外部獲得的電流。因此EQE同時(shí)取決于光子的吸收和電荷的米集。由于復(fù)合效應(yīng)和光損耗(例如，傳輸損耗和反射損耗)，EQE比QE更低。如本文所用，“靈敏度”是探測(cè)器系統(tǒng)的輸入-輸出增益的度量。在光電探測(cè)器的情況中，靈敏度是每一光輸入的電輸出的度量。光電探測(cè)器的靈敏度用入射的輻射功率的每瓦特安培數(shù)表示。此外，靈敏度是入射輻射的波長(zhǎng)和設(shè)備特性例如制造設(shè)備的材料的能帶隙的函數(shù)。等式I中示出靈敏度(I)的一個(gè)表達(dá)式，其中n是針對(duì)給定波長(zhǎng)(λ)的探測(cè)器的外部量子效率，q是電子電荷，h是普朗克常量，以及V是光頻率。
權(quán)利要求
1.一種高速光電子設(shè)備，其包含: 具有入射光表面的娃材料； 在所述硅材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)；以及 耦合到所述硅材料并定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)； 其中對(duì)于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，所述光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述硅材料具有從大約Iμ m到大約100 μ m的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中對(duì)于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，所述光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.5A/W的靈敏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中對(duì)于具有大約850nm的波長(zhǎng)的電磁福射，所述光電子設(shè)備具有大于或等于大約0.45A/W的靈敏度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約I納秒的響應(yīng)時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一摻雜區(qū)具有從大約0.1 μ m2到大約32 μ m2的表面積。
7.根據(jù) 權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述光電子設(shè)備具有大于或等于大約IGbs的數(shù)據(jù)速率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包含第一接觸端和第二接觸端，其中所述第一接觸端的電壓極性與所述第二接觸端的電壓極性相反。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中反向偏壓被施加在所述第一接觸端和所述第二接觸端之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述反向偏壓是從大約0.0OlV到大約20V。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中在使用過(guò)程中偏壓不被施加在所述第一接觸端和所述第二接觸端之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中在工作期間所述設(shè)備的暗電流是從大約IOOpA/cm2 到大約 IOnA/Cm20
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中在工作期間所述設(shè)備的最大暗電流小于大約InA/cm2。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述紋理區(qū)被定位在所述硅材料的與所述入射光表面相對(duì)的面上。
15.—種高速光電子設(shè)備,其包含: 具有入射光表面的娃材料； 在所述硅材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)；以及 耦合到所述硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)； 其中對(duì)于具有大約940nm的波長(zhǎng)的電磁輻射，所述光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.3A/W的靈敏度。
16.—種高速光電子設(shè)備,其包含: 具有入射光表面的娃材料；在所述硅材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)；以及耦合到所述硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)；其中對(duì)于具有大約1060nm的波長(zhǎng)的電磁輻射，所述光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.05A/W的靈敏度。
17.一種光電二極管陣列，其包含:具有入射光表面的娃材料；在所述硅材料中的至少兩個(gè)光電二極管，每個(gè)光電二極管包括形成結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)；以及耦合到所述硅材料并被定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)；其中，對(duì)于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，所述光電二極管陣列具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。
18.根據(jù)權(quán)利要求'7所述的陣列，其中所述硅材料具有從大約Ιμπι到大約IOOym的厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求'7所述的陣列，其中所述至少兩個(gè)光電二極管是形成方形陣列的四個(gè)光電二極管。
20.根據(jù)權(quán)利要求 '9所述的陣列，其中所述方形陣列的所述四個(gè)光電二極管對(duì)于單一波長(zhǎng)范圍是選擇性的。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的陣列，其中所述陣列是圖像傳感器。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的陣列，其中所述陣列可操作以檢測(cè)反射光信號(hào)和發(fā)射光信號(hào)之間的相位延遲。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的陣列，其中所述陣列可操作以檢測(cè)脈沖光信號(hào)。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的陣列，其中所述至少兩個(gè)光電二極管可操作以便以至少I(mǎi)Gbps的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。
25.—種提高光電子設(shè)備的速度的方法,其包含:對(duì)硅材料中的至少兩個(gè)區(qū)進(jìn)行摻雜以形成至少一個(gè)結(jié)；以及使得所述硅材料具有紋理結(jié)構(gòu)，從而形成定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)；其中對(duì)于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，所述光電子設(shè)備具有從大約I皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高速光電子設(shè)備及相關(guān)方法。在一個(gè)方面，例如，高速光電子設(shè)備可以包括具有入射光表面的硅材料、在硅材料中形成半導(dǎo)體結(jié)的第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)以及耦合到該硅材料并定位成與電磁輻射相互作用的紋理區(qū)。對(duì)于具有從大約800nm到大約1200nm的至少一個(gè)波長(zhǎng)的電磁輻射，該光電子設(shè)備具有從大約1皮秒到大約5納秒的響應(yīng)時(shí)間和大于或等于大約0.4A/W的靈敏度。
文檔編號(hào)H01L31/04GK103081128SQ201180039710
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者J·凱里, D·米勒 申請(qǐng)人:西奧尼克斯公司