CN101488510A

CN101488510A - 一种标准cmos全差分光检测器及其制作方法

Info

Publication number: CN101488510A
Application number: CNA2009100680038A
Authority: CN
Inventors: 毛陆虹; 余长亮
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: CN101488510B

Abstract

本发明属于光通信系统及光互连领域，涉及一种标准CMOS全差分光检测器，其作用是将由同一根光纤输入的光信号转换成一对全差分电流信号，并为后续的差分接收电路提供一对对称且一致的输入负载，包括：一个插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和一个插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器，所述的插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器的形状相同且对称、尺寸相同、相互紧靠，并各占据总受光区域的一半，构成一个近似方形的受光区域。本发明的光检测器，能够克服现行差分光接收机的输入负载不对称的缺点，大大提高现行差分光接收机的带宽和灵敏度。

Description

一种标准CMOS全差分光检测器及其制作方法

技术领域

本发明属于光通信系统及光互连领域，涉及一种标准CMOS工艺完全兼容的全差分光检测器。

背景技术

对于运用于短距离和甚短距离光通信等高速光通信场合中光接收机，不仅需采用差分电路结构以提高电路的稳定性和克服各种共模噪声干扰，而且需采用硅基标准CMOS工艺来实现光接收机的单片集成以大大降低其应用成本。

现已报道的标准CMOS差分光电集成接收机一般只集成有一个光电探测器，即差分跨阻前置放大器的两条差分支路中只有一条支路连接有可检测输入光信号的光电探测器。这种结构的缺点是造成了差分光接收机的两条差分支路的不平衡(差分跨阻前置放大器与光电探测器是非对称集成的)以及差分光接收机的两条差分支路的输入信号的不对称(即连接有光电探测器的输入端有光生电流信号输入，而另一端则无光生电流信号输入)，从而限制了光接收机的带宽和灵敏度。因而，需要一种标准CMOS全差分光检测器来克服目前的标准CMOS差分光电集成接收机的缺限。

发明人之前申请的申请号为200710060334.8和200710060334.3的两个发明专利，公开了一种差分光接收机及灵敏度和带宽同时倍增的方法，以及带宽与灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机。本发明提出的标准CMOS全差分光检测器，可用于该标准CMOS差分光电集成接收机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可应用于标准CMOS差分光电集成接收机的标准CMOS全差分光检测器，以克服现行差分光接收机的非全差分缺点，提高光接收机的带宽和灵敏度。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种标准CMOS全差分光检测器，其作用是将由同一根光纤输入的光信号转换成一对全差分电流信号，并为后续的差分接收电路提供一对对称且一致的输入负载，包括：一个插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和一个插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器，所述的插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器的形状相同且对称、尺寸相同、相互紧靠，并各占据总受光区域的一半，构成一个近似方形的受光区域。

作为优选实施方式，所述的插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器，包括一个制作在P型衬底上的长方形深N阱区、一个制作在深N阱区中的插指状P+区和一个环绕深N阱区的凹状高压P阱区；所述的插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器，包括一个制作在P型衬底上的长方形高压P阱区、一个制作在高压P阱区中的插指状N+区和一个环绕高压P阱区的凹状深N阱区；所述的全差分光检测器在带深N阱和高压P阱的P型衬底标准CMOS工艺下制作，工作波长为850nm。

本发明同时提供上述的标准CMOS全差分光检测器的制作方法，包括如下制作步骤：

第一步：取一个P型半导体衬底1；

第二步：在P型半导体衬底1上制作出一个长方形深N阱区2和一个凹状深N阱区3；

第三步：在P型半导体衬底1上制作出一个长方形高压P阱区4和凹状高压P阱区5；其中，长方形高压P阱区4与长方形深N阱区2的形状相同且对称、尺寸相同，两者间距为制造工艺所允许的最小间距，并近似构成一个正方形；凹状高压P阱区5和凹状深N阱区3的形状相同且对称、尺寸相同；并且，凹状深N阱区3以制造工艺所允许的最小间距环绕在高压P阱区4的外围；凹状高压P阱区5以与凹状深N阱区3形状对称的方式和制造工艺所允许的最小间距并环绕在深N阱区2的外围。

第四步：在深N阱区2、高压P阱区4和凹状高压P阱区5中分别制作出插指状P+注入区6、环形P+注入区7和凹状P+注入区8，且环形P+注入区7环绕在插指状P+注入区6的外围并以制造工艺所允许的最小间距靠近高压P阱区4的边缘。

第五步：在高压P阱区4、深N阱区2和凹状深N阱区3中分别制作出插指状N+注入区9、环形N+注入区10和凹状N+注入区11，且环形N+注入区10环绕在插指状N+注入区9的外围并以制造工艺所允许的最小间距靠近深N阱区2的边缘；其中，插指状N+注入区9与插指状P+注入区6的形状相同且对称、尺寸相同；环形N+注入10与环形P+注入区7的形状相同且对称、尺寸相同；凹状N+注入区11和凹状P+注入区8的形状相同且对称、尺寸相同。

第六步：引出各个电极。其中，插指状P+注入区6的引出电极12和插指状N+注入区9的引出电极均为“一”字形来连接各插指条；深N阱区2和高压P阱区4的引出电极分别为与环形N+注入区10和环形P+注入区7的形状与尺寸相同的环形；凹状高压P阱区5和凹状深N阱区3的引出电极分别为与凹状P+注入区8和凹状N+注入区11的形状与尺寸相同的凹形。

由插指状P+注入区6、深N阱区2和凹状高压P阱区5形成了一个插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器，由插指状N+注入区9、高压P阱区4和凹状深N阱区3形成了一个插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器，这两个光电探测器共同构成了一个标准CMOS全差分光检测器。

所述的全差分光检测器，最好在带深N阱和高压P阱的P型衬底标准CMOS工艺下制作，工作波长为850nm。

与现有主流标准CMOS光检测器相比，本发明具有如下突出的优点：

1、本发明的标准CMOS全差分光检测器中的两个光电探测器具备近似相同的光频响应特性和几乎对等的电路模型，而且在入射光信号照射下该全差分光检测器所生成的是一对全差分光生电流信号。集成该全差分光检测器的差分光接收机可克服现行差分光接收机的输入负载不对称、带宽和灵敏度受限等缺点，大大提高现行差分光接收机的带宽和灵敏度，使现行标准CMOS差分光电集成接收机的速率和灵敏度达到实用要求。

2、该全差分光检测器与标准CMOS工艺是完全兼容的，可实现与标准CMOS光接收电路的单片集成。

3、当该标准CMOS全差分光检测器运用于标准CMOS差分光电集成接收机中时，仍只需用一根光纤来传输光信号，不会增加任何成本。

附图说明

图1是本发明的标准CMOS全差分光检测器的结构俯视图；

图2是本发明的标准CMOS全差分光检测器沿纵向平分线的结构剖面图；

图3是本发明的标准CMOS全差分光检测器正常工作时的等效电路模型。

具体实施方式

本发明是通过以下方法来实现的：图1是本发明的标准CMOS全差分光检测器的结构俯视图；图2是本发明的标准CMOS全差分光检测器沿纵向平分线的结构剖面图；图3是本发明的标准CMOS全差分光检测器正常工作时的等效电路模型。下面结合附图和实施例对本发明进行详细阐述：

图1和图2所示的标准CMOS全差分光检测器的制造工艺流程如下：

首先，在P型衬底1上先后制作出长方形深N阱区2和凹状深N阱区3以及长方形高压P阱区4和凹状高压P阱区5。其中，深N阱区2作为插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器的负极区；高压P阱区4作为插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器的正极区；凹状深N阱区3环绕高压P阱区4，作为插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器的电源保护环；凹状高压P阱区5环绕深N阱区2，作为插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器的接地保护环。并且，凹状深N阱区3以制造工艺所允许的最小间距环绕在高压P阱区4的外围；凹状高压P阱区5以与凹状深N阱区3形状对称的方式和制造工艺所允许的最小间距并环绕在深N阱区2的外围。

然后，在深N阱区2、高压P阱区4和凹状高压P阱区5中分别制作出插指状P+注入区6、环形P+注入区7和凹状P+注入区8，且环形P+注入区7环绕在插指状P+注入区6的外围并以制造工艺所允许的最小间距靠近高压P阱区4的边缘。接着，在高压P阱区4、深N阱区2和凹状深N阱区3中分别制作出插指状N+注入区9、环形N+注入区10和凹状N+注入区11，且环形N+注入区10环绕在插指状N+注入区9的外围并以制造工艺所允许的最小间距靠近深N阱区2的边缘。(注：P+注入区和N+注入区的制作顺序由标准的工艺流程决定)。其中。插指状P+注入区6作为插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器的正极区；插指状N+注入区9作为插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器的负极区；环形P+注入7作为高压P阱区4的欧姆接触区以便引出电极；环形N+注入10作为深N阱区2的欧姆接触区以便引出电极；凹状P+注入区8作为凹状高压P阱区5的欧姆接触区以便引出电极；凹状N+注入区11作为凹状深N阱区3的欧姆接触区以便引出电极。

之后，制作出SiO₂氧化层19和接触孔18，并引出全差分光检测器的各个电极(包括12、13、14、15、16和17)。其中，电极12、13和14分别为插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器的正极、负极和接地保护环的电极；电极15、16和17分别为插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器的负极、正极和电源保护环的电极。最后，在整个芯片覆盖上钝化保护层20。

注意，在制作掩膜版图形时，长方形深N阱区2与长方形高压P阱区4的形状和尺寸相同，两者间距为制造工艺所允许的最小间距，并近似构成一个为正方形；凹状深N阱区3和凹状高压P阱区5的形状相同且对称、尺寸相同；插指状P+注入区6和插指状N+注入区9的形状和尺寸相同；环形P+注入7和环形N+注入10的形状和尺寸相同；凹状P+注入区8和凹状N+注入区11的形状相同且对称、尺寸相同。

制作完成后，插指状P+注入区6、深N阱区2和凹状高压P阱区5形成了一个插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器。该插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器包含两个二极管：一个是由插指状P+注入区6和深N阱区2所形成的用于探测光信号的光电二极管，其正极为插指状P+注入区6引出的电极12，负极为深N阱区2引出的电极13；另一个是由深N阱区2和凹状高压P阱区5所形成的二极管，其正极为凹状高压P阱区5引出的电极14，负极为深N阱区2引出的电极13。插指状N+注入区9、高压P阱区4和凹状深N阱区3形成了一个插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器。该插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器也包含两个二极管：一个是由插指状N+注入区9和高压P阱区4所形成的用于探测光信号的光电二极管，其正极为高压P阱区4引出的电极16，负极为插指状N+注入区9引出的电极15；另一个是由高压P阱区4和凹状深N阱区3所形成的二极管，其正极为高压P阱区4引出的电极16，负极为凹状深N阱区3引出的电极17。

这样，插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器便构成了一个标准CMOS全差分光检测器。当该全差分光检测器正常工作时，插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器的正极12为全差分光检测器连接到全差分跨阻前置放大器的一个输出端(IN1)，负极13接电源电压VDD，电极14接地GND；插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器的负极15为全差分光检测器连接到全差分跨阻前置放大器的另一个输出端(IN2)，正极16接地GND，电极17接电源电压VDD。此时，该全差分光检测器的等效电路模型如图3所示，其中，左侧的光电探测器所产生的光生电信将流入全差分跨阻前置放大器，而右侧的光电探测器所产生的光生电信将流出全差分跨阻前置放大器。因此，插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器中由深N阱区2和凹状高压P阱区5所形成的二极管和插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器中由高压P阱区4和凹状深N阱区3所形成的二极管均处于反偏状态，并分别在深N阱区2周围和高压P阱区4周围形成了很宽的PN结耗尽区。当有光照时，插指状P+注入区6和深N阱区2以及插指状N+注入区9和高压P阱区4内都产生了大量的光生载流子。这部分光生载流子通过扩散、漂移被电极12和13以及15和16收集，形成了有效的光生电流。而在P型衬底1中所产生的光生载流子则被深N阱区2周围的PN结耗尽区以及高压P阱区4周围的PN结耗尽区所吸收，并形成电流流入电源VDD和地GND。由于由深N阱区2和凹状高压P阱区5所形成的二极管和由高压P阱区4和凹状深N阱区3所形成的二极管的两个电极都是分别接电源VDD和地GND，所以在交流分析时，这两个二极管均被短接(电源VDD和地GND均等效为交流地)，使得P型衬底1中产生的光生载流子所形成的光生电流被短掉。因此，由深N阱区2和凹状高压P阱区5所形成的二极管和由高压P阱区4和凹状深N阱区3所形成的二极管屏蔽了P型衬底1中所产生的光生载流子，从而使得该全差分光检测器的速度被大大提高。

除以上特点外，本发明的标准CMOS全差分光检测器中的插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器具有具备近似相同的光频响应特性和几乎对等的电路模型，因而当电极12和电极15的直流电压(或全差分跨阻前置放大器的输入端直流电压)为VDD/2时，该标准CMOS全差分光检测器在光照条件下不仅产生了一对近似全差分的光生电流信号，而且对全差分跨阻前置放大器的两个输入端具有几乎相同的负载效应，即该标准CMOS全差分光检测器达到了全差分特性。并且，该标准CMOS全差分光检测器仍只需用一根光纤来获取入射光信号，即其中的插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器都是从同一根光纤来获取入射光信号的，所以当该标准CMOS全差分光检测器运用于标准CMOS差分光电集成接收机中时，不会导致任何成本的增加。

Claims

1.一种标准CMOS全差分光检测器，其作用是将由同一根光纤输入的光信号转换成一对全差分电流信号，并为后续的差分接收电路提供一对对称且一致的输入负载，包括：一个插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和一个插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器，所述的插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器和插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器的形状相同且对称、尺寸相同、相互紧靠，并各占据总受光区域的一半，构成一个近似方形的受光区域。

2.根据权利要求1所述的标准CMOS全差分光检测器，其特征在于，所述的插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器，包括一个制作在P型衬底上的长方形深N阱区、一个制作在深N阱区中的插指状P+区和一个环绕深N阱区的凹状高压P阱区。

3.根据权利要求1所述的标准CMOS全差分光检测器，其特征在于，所述的插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器，包括一个制作在P型衬底上的长方形高压P阱区、一个制作在高压P阱区中的插指状N+区和一个环绕高压P阱区的凹状深N阱区。

4.根据权利要求1所述的标准CMOS全差分光检测器，其特征在于，所述的全差分光检测器在带深N阱和高压P阱的P型衬底标准CMOS工艺下制作，工作波长为850nm。

5.一种权利要求1所述的标准CMOS全差分光检测器的制作方法，其特征在于，其中包括如下制作步骤：

第一步：取一个P型半导体衬底(1)；

第二步：在P型半导体衬底(1)上制作出一个长方形深N阱区(2)和一个凹状深N阱区(3)；

第三步：在P型半导体衬底(1)上制作出一个长方形高压P阱区(4)和凹状高压P阱区5；其中，长方形高压P阱区(4)与长方形深N阱区(2)的形状相同且对称、尺寸相同，两者间距为制造工艺所允许的最小间距，并近似构成一个正方形；凹状高压P阱区(5)和凹状深N阱区(3)的形状相同且对称、尺寸相同；并且，凹状深N阱区(3)以制造工艺所允许的最小间距环绕在高压P阱区(4)的外围；凹状高压P阱区(5)以与凹状深N阱区(3)形状对称的方式和制造工艺所允许的最小间距并环绕在深N阱区(2)的外围；

第四步：在深N阱区(2)、高压P阱区(4)和凹状高压P阱区(5)中分别制作出插指状P+注入区(6)、环形P+注入区(7)和凹状P+注入区(8)，且环形P+注入区(7)环绕在插指状P+注入区(6)的外围并以制造工艺所允许的最小间距靠近高压P阱区(4)的边缘。

第五步：在高压P阱区(4)、深N阱区(2)和凹状深N阱区(3)中分别制作出插指状N+注入区(9)、环形N+注入区(10)和凹状N+注入区(11)，且环形N+注入区(10)环绕在插指状N+注入区(9)的外围并以制造工艺所允许的最小间距靠近深N阱区(2)的边缘；其中，插指状N+注入区9与插指状P+注入区(6)的形状相同且对称、尺寸相同；环形N+注入(10)与环形P+注入区(7)的形状相同且对称、尺寸相同；凹状N+注入区(11)和凹状P+注入区(8)的形状相同且对称、尺寸相同；

第六步：引出各个电极，其中，插指状P+注入区(6)的引出电极(12)和插指状N+注入区(9)的引出电极均为“一”字形来连接各插指条；深N阱区(2)和高压P阱区(4)的引出电极分别为与环形N+注入区(10)和环形P+注入区(7)的形状与尺寸相同的环形；凹状高压P阱区(5)和凹状深N阱区(3)的引出电极分别为与凹状P+注入区(8)和凹状N+注入区(11)的形状与尺寸相同；

由插指状P+注入区(6)、深N阱区(2)和凹状高压P阱区(5)形成了一个插指状P+/深N阱/高压P阱型光电探测器，由插指状N+注入区(9)、高压P阱区(4)和凹状深N阱区(3)形成了一个插指状N+/高压P阱/深N阱型光电探测器，这两个光电探测器共同构成了一个标准CMOS全差分光检测器。

6.根据权利要求5所述的标准CMOS全差分光检测器的制作方法，其特征在于，所述的全差分光检测器在带深N阱和高压P阱的P型衬底标准CMOS工艺下制作，工作波长为850nm。