专利名称：高速光敏设备及相关方法
高速光敏设备及相关方法优先权数据本申请要求2010年6月18日提交的美国临时专利申请序列号61/356，536的权益，其内容以参考方式合并于此。
背景技术：
许多成像应用例如免手持姿态控制、视频游戏、医疗和机器视觉以及通信应用使用各种光电子设备，例如光电探测器和光电探测器的成像阵列。通信应用通常使用例如光纤网络，因为这种网络在光纤经历较低的信号损失的近红外波长的光中效果良好。激光标记和距离测定的应用一般使用具有近红外波长例如1064nm的激光。其他应用例如深度感知应用使用能够检测近红外波长例如850nm或940nm的成像器。这些波长一般由用砷化镓(GaAs)制造的发光二极管或激光二极管生成。所有这些应用都要求探测器或探测器阵列具有快速响应时间，一般比利用厚的(例如，大于100 μ m)硅有源层可以实现的响应时间更快。因此，用于这些应用的硅设备通常是薄的，并且将具体设计考虑考虑在内以便降低响应时间。然而，随着娃有源层变得更薄，在更长波长(例如，850nm、940nm和1064nm)下的响应比厚硅设备层的响应低得多。另一方面，在更长波长下具有更高响应的厚硅设备具有缓慢的响应时间并且难以耗尽。
发明内容
本发明提供高速光电子设备及相关方法。在一个方面，例如，高速光电子设备可以包括具有入射光表面的娃材料、在娃材料中形成半导体结的第一掺杂区和第二掺杂区以及耦合到硅材料并被定位成与电磁辐射相互作用的纹理区。对于具有从大约SOOnm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，该光电子设备具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.4A/W的灵敏度。在另一方面,对于具有从大约800nm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，该光电子设备具有大于或等于大约0.5A/W的灵敏度。在另一方面，对于具有大约850nm的波长的电磁福射,该光电子设备具有大于或等于大约0.45A/W的灵敏度。在进一步的方面，该硅材料具有从大约I μ m到大约100 μ m的厚度。在更进一步的方面，在工作期间该设备的暗电流是从大约ΙΟΟρΑ/cm2到大约10nA/cm2。在另一个方面,一种高速光电子设备可以包括具有入射光表面的娃材料、在娃材料中形成半导体结的第一掺杂区和第二掺杂区以及稱合到娃材料并被定位成与电磁福射相互作用的纹理区。对于具有大约940nm的波长的电磁辐射，该光电子设备具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.3A/W的灵敏度。在另一个方面,一种高速光电子设备可以包括具有入射光表面的娃材料、在娃材料中形成半导体结的第一掺杂区和第二掺杂区以及稱合到娃材料并被定位成与电磁福射相互作用的纹理区。对于具有大约1060nm的波长的电磁辐射，该光电子设备具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.05A/W的灵敏度。在另一个方面，一种光电二极管阵列可以包括具有入射光表面的娃材料，在娃材料中的至少两个光电二极管，每个光电二极管包括形成半导体结的第一掺杂区和第二掺杂区，以及耦合到硅材料并被定位成与电磁辐射相互作用的纹理区。对于具有从大约SOOnm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，该光电二极管阵列具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.4A/W的灵敏度。在一个方面，该硅材料具有从大约Ium到大约100 μ m的厚度。在另一个方面，一种提高光电子设备的速度的方法包括对硅材料中的至少两个区进行掺杂以形成至少一个结，以及使得硅材料具有纹理结构，从而形成定位成与电磁辐射相互作用的纹理区。对于具有从大约800nm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，该光电子设备具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.4A/W的灵敏度。在一个方面，该设备可以包括用于将载流子从与结相反的一侧带到结区的额外掺杂区。
图1是根据本发明的一个方面与基于硅但是具有纹理区的光电探测设备的吸收特性相比较的基于标准硅的快速(或薄的)光电探测器设备的吸收特性的图形表示；图2是根据本发明的另一方面的光敏设备的示意图；图3是根据本发明的再一方面的光敏设备的示意图；图4是根据本发明的进一步方面的光敏设备的示意图；图5是根据本发明的更进一步方面的光敏设备的示意图；图6是根据本发明的另一方面的光敏设备的示意图；图7是根据本发明的再一方面的光敏设备的示意图；图8是根据本发明的进一步方面的光敏阵列设备的示意图；图9示出根据本发明的另一方面的渡越时间(time of flight)测量；图1Oa是根据本发明的另一方面的光学成像器阵列的像素结构的示意图；图1Ob是根据本发明的另一方面的光学成像器阵列的像素结构的示意图；图1Oc是根据本发明的另一方面的光学成像器阵列的像素结构的示意图；图11是根据本发明的另一方面的六晶体管成像器的示意图；图12是根据本发明的另一方面的十一晶体管成像器的示意图；图13是根据本发明的更进一步方面的光敏阵列设备的示意图；图14是根据本发明的另一方面的光敏阵列设备的示意图；以及图15描述根据本发明的再一方面的提高光电子设备的速度的方法。
具体实施例方式在本文中描述本发明之前，应该理解的是，本发明不限于特定的结构、处理步骤或本文中公开的材料，而是延伸至本领域普通技术人员将认识到的这些内容的等价物。还应当理解的是，本文中使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例而非进行限制。定义将根据以下阐述的定义使用下面的术语。应当注意，如说明书和随附权利要求中所用，单数形式“一个”和“该”可以包括复数个对象，除非上下文中以其他方式明确地指示。因此，例如，“一种掺杂剂”的指代内容可以包括一种或更多种此类掺杂剂，“该层”的指代内容可以包括指代一个或更多个此类层。如本文所用，“量子效率”(QE)被定义为入射到光电子设备上的光子被转换成电子的百分比。外部量子效率(EQE)被定义为针对每一入射光子在设备外部获得的电流。因此EQE同时取决于光子的吸收和电荷的米集。由于复合效应和光损耗(例如，传输损耗和反射损耗)，EQE比QE更低。如本文所用，“灵敏度”是探测器系统的输入-输出增益的度量。在光电探测器的情况中，灵敏度是每一光输入的电输出的度量。光电探测器的灵敏度用入射的辐射功率的每瓦特安培数表示。此外，灵敏度是入射辐射的波长和设备特性例如制造设备的材料的能带隙的函数。等式I中示出灵敏度(I)的一个表达式，其中n是针对给定波长(λ)的探测器的外部量子效率，q是电子电荷，h是普朗克常量，以及V是光频率。
权利要求
1.一种高速光电子设备，其包含: 具有入射光表面的娃材料； 在所述硅材料中形成半导体结的第一掺杂区和第二掺杂区；以及 耦合到所述硅材料并定位成与电磁辐射相互作用的纹理区； 其中对于具有从大约800nm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，所述光电子设备具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.4A/W的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述硅材料具有从大约Iμ m到大约100 μ m的厚度。
3.根据权利要求1所述的设备，其中对于具有从大约800nm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，所述光电子设备具有大于或等于大约0.5A/W的灵敏度。
4.根据权利要求1所述的设备，其中对于具有大约850nm的波长的电磁福射，所述光电子设备具有大于或等于大约0.45A/W的灵敏度。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述光电子设备具有从大约I皮秒到大约I纳秒的响应时间。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一掺杂区具有从大约0.1 μ m2到大约32 μ m2的表面积。
7.根据 权利要求1所述的设备，其中所述光电子设备具有大于或等于大约IGbs的数据速率。
8.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含第一接触端和第二接触端，其中所述第一接触端的电压极性与所述第二接触端的电压极性相反。
9.根据权利要求8所述的设备，其中反向偏压被施加在所述第一接触端和所述第二接触端之间。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述反向偏压是从大约0.0OlV到大约20V。
11.根据权利要求8所述的设备，其中在使用过程中偏压不被施加在所述第一接触端和所述第二接触端之间。
12.根据权利要求1所述的设备，其中在工作期间所述设备的暗电流是从大约IOOpA/cm2 到大约 IOnA/Cm20
13.根据权利要求1所述的设备，其中在工作期间所述设备的最大暗电流小于大约InA/cm2。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述纹理区被定位在所述硅材料的与所述入射光表面相对的面上。
15.—种高速光电子设备,其包含: 具有入射光表面的娃材料； 在所述硅材料中形成半导体结的第一掺杂区和第二掺杂区；以及 耦合到所述硅材料并被定位成与电磁辐射相互作用的纹理区； 其中对于具有大约940nm的波长的电磁辐射，所述光电子设备具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.3A/W的灵敏度。
16.—种高速光电子设备,其包含: 具有入射光表面的娃材料；在所述硅材料中形成半导体结的第一掺杂区和第二掺杂区；以及耦合到所述硅材料并被定位成与电磁辐射相互作用的纹理区；其中对于具有大约1060nm的波长的电磁辐射，所述光电子设备具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.05A/W的灵敏度。
17.一种光电二极管阵列，其包含:具有入射光表面的娃材料；在所述硅材料中的至少两个光电二极管，每个光电二极管包括形成结的第一掺杂区和第二掺杂区；以及耦合到所述硅材料并被定位成与电磁辐射相互作用的纹理区；其中，对于具有从大约800nm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，所述光电二极管阵列具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.4A/W的灵敏度。
18.根据权利要求'7所述的阵列，其中所述硅材料具有从大约Ιμπι到大约IOOym的厚度。
19.根据权利要求'7所述的阵列，其中所述至少两个光电二极管是形成方形阵列的四个光电二极管。
20.根据权利要求 '9所述的阵列，其中所述方形阵列的所述四个光电二极管对于单一波长范围是选择性的。
21.根据权利要求17所述的阵列，其中所述阵列是图像传感器。
22.根据权利要求17所述的阵列，其中所述阵列可操作以检测反射光信号和发射光信号之间的相位延迟。
23.根据权利要求17所述的阵列，其中所述阵列可操作以检测脉冲光信号。
24.根据权利要求17所述的阵列，其中所述至少两个光电二极管可操作以便以至少IGbps的速率发送数据。
25.—种提高光电子设备的速度的方法,其包含:对硅材料中的至少两个区进行掺杂以形成至少一个结；以及使得所述硅材料具有纹理结构，从而形成定位成与电磁辐射相互作用的纹理区；其中对于具有从大约800nm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，所述光电子设备具有从大约I皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.4A/W的灵敏度。
全文摘要
本发明提供一种高速光电子设备及相关方法。在一个方面，例如，高速光电子设备可以包括具有入射光表面的硅材料、在硅材料中形成半导体结的第一掺杂区和第二掺杂区以及耦合到该硅材料并定位成与电磁辐射相互作用的纹理区。对于具有从大约800nm到大约1200nm的至少一个波长的电磁辐射，该光电子设备具有从大约1皮秒到大约5纳秒的响应时间和大于或等于大约0.4A/W的灵敏度。
文档编号H01L31/04GK103081128SQ201180039710
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月20日 优先权日2010年6月18日
发明者J·凯里, D·米勒 申请人:西奥尼克斯公司