CN101494503B - 一种肖特基型标准cmos全差分光电集成接收机 - Google Patents

一种肖特基型标准cmos全差分光电集成接收机 Download PDF

Info

Publication number
CN101494503B
CN101494503B CN200910068112A CN200910068112A CN101494503B CN 101494503 B CN101494503 B CN 101494503B CN 200910068112 A CN200910068112 A CN 200910068112A CN 200910068112 A CN200910068112 A CN 200910068112A CN 101494503 B CN101494503 B CN 101494503B
Authority
CN
China
Prior art keywords
schottky type
schottky
standard cmos
differential
fully differential
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN200910068112A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101494503A (zh
Inventor
毛陆虹
余长亮
肖新东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nantong Juntai motor vehicle testing Co., Ltd
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN200910068112A priority Critical patent/CN101494503B/zh
Publication of CN101494503A publication Critical patent/CN101494503A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101494503B publication Critical patent/CN101494503B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明属于光通信系统及光互连领域，涉及一种肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，肖特基型全差分光检测器、全差分跨阻前置放大器、全差分限幅放大器、差分转单端的输出缓冲级，其中的肖特基型全差分光检测器中的两个肖特基型光电探测器的结构、形状、尺寸和面积均相同，位置对称且以制造工艺所允许的最小间距紧邻，共同构成一个近似为正方形的受光区域，其所产生的两个光生电流的大小相等但方向相反。本发明的光接收机，实现标准CMOS差分光接收机的全差分特性，并可实现单片集成，并能够提高光接收速度和灵敏度。

Description

一种肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机
技术领域
本发明属于光通信系统及光互连领域，涉及一种带肖特基接触的标准CMOS工艺完全兼容的肖特基型全差分光电集成接收机。
背景技术
在短距离和甚短距离光通信以及光互连等高速光通信场合，采用硅基标准CMOS工艺来实现单片光电集成接收机已成为不少学者研究的热点问题。但截至目前，尚未见有达到实用要求的硅基标准CMOS光电集成接收机的报道，这主要是由于硅基高速标准CMOS光电探测器的低响应度特性导致硅基标准CMOS光电集成接收机的灵敏度受到了限制。
此外，在高速电路中，一般需采用全差分结构以提高电路的稳定性，克服各种共模噪声干扰，增加灵敏度。但现已报道的标准CMOS光电集成接收机中的前置部分(包含光电探测器和差分跨阻前置放大器)均未实现全差分特性，其常见结构是只集成有一个光电探测器，即差分光接收机的两条差分支路中只有一条支路连接有可检测入射光信号的光电探测器。这种结构的缺点是不仅导致了差分光接收机的两个输入负载的不一致或平衡，降低了带宽，而且使得差分光接收机的两条差分支路中的一条支路无光生电流信号输入，降低了灵敏度。
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。本发明提出的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，可用于该差分光接收机的标准CMOS单片集成。
发明内容
为实现标准CMOS差分光接收机的全差分特性，提高光接收机的速度和灵敏度，本发明提出了一种肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机。
为此，本发明采用如下的技术方案：
一种肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，包括：
一个肖特基型全差分光检测器，其作用是将输入的光信号转换成一对差分电流信号，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；
一个全差分跨阻前置放大器，其作用是将由全差分光检测器输出的一对差分电流信号转换成一对差分电压信号；
一个全差分限幅放大器，其作用是对全差分跨阻前置放大器输出的电压信号进行放大处理放大到数字处理单元所需要的电压水平；
一个差分转单端的输出缓冲级，与全差分限幅放大器的输出端相连；
所述的肖特基型全差分光检测器包括各占光检测器总受光区域面积一半的第一和第二肖特基型光电探测器，其中，第一肖特基型光电探测器的两个电极分别与全差分跨阻前置放大器的一个输入端和电源端相连；第二肖特基型光电探测器的两个电极分别与接地端和全差分跨阻前置放大器的另一个输入端相连；所述的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机与带肖特基接触的标准CMOS工艺兼容，所述的肖特基型全差分光检测器中的两个肖特基型光电探测器的结构、形状、尺寸和面积均相同，位置对称且以制造工艺所允许的最小间距紧邻，共同构成一个近似为正方形的受光区域，两者所产生的两个光生电流的大小相等但方向相反。
本发明采用的肖特基型光电探测器可以是制作在N阱中、利用第一层金属与N阱形成的肖特基接触构造的插指状第一层金属/N阱肖特基型光电探测器；也可以是制作在深N阱中、利用第一层金属与深N阱构造的肖特基接触形成的插指状第一层金属/深N阱肖特基型光电探测器；也可以是制作在N+埋层中、利用第一层金属与N+埋层形成的肖特基接触构造的插指状第一层金属/N+埋层肖特基型光电探测器；肖特基型光电探测器中，两组数条等间距的第一层金属/N阱或深N阱或N+埋层肖特基接触区以插指状形式相互交叉且均匀地位于N阱或深N阱或N+埋层中，两组肖特基接触区的引出电极分别为肖特基型光电探测器的正极与负极。
本发明利用标准CMOS工艺中所提供的肖特基接触构造出肖特基型标准CMOS光电探测器以及肖特基型标准CMOS全差分光检测器，进而制造出肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机。与现有标准CMOS光电集成接收机相比，本发明具有如下突出的优点：
1、本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机具备全差分特性，不仅提高了光接收机的稳定性，而且大大提高了现已报道的标准CMOS光电集成接收机的速度和灵敏度，其性能可达到实用化水平。
2、本发明的肖特基型全差分光电集成接收机是与标准CMOS工艺完全兼容的，是实现硅基标准CMOS光电集成接收机实用化的一种途径，可应用于短距离、甚短距离高速光通信以及光互连等场合。
3、与现已报道的标准CMOS光电集成接收机相比，本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机仍只需用一根光纤来传输光信号，不会产生任何成本的增加。
附图说明
图1是本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机的电路结构原理图；
图2是本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机中的肖特基型全差分光检测器的结构俯视图；
图3是本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机中的肖特基型全差分光检测器的结构剖面图；
图4是本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机中的肖特基型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是本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机的电路结构原理图；图2是本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机中的肖特基型全差分光检测器的结构俯视图；图3是本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机中的肖特基型全差分光检测器的结构剖面图；图4是本发明的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机中的肖特基型全差分光检测器正常工作时的等效电路模型。下面结合附图进行详细阐述：
现已报道的标准CMOS差分光电集成接收机普遍结构是只集成有一个光电探测器，并未实现真正的全差分，即光接收机中的差分跨阻前置放大器的两个输入端口中只有一个输入端口连接有检测入射光信号的光电探测器。这种非全差分结构的缺点是不仅导致了差分光接收机的两个输入端口的输入负载的不一致或平衡，降低了带宽；而且使得差分光接收机中非连接有光电探测器的支路未被利用来检测入射光信号(无光生电流信号输入)，降低了灵敏度。
为实现标准CMOS光电集成接收机的全差分特性，提高目前的标准CMOS差分光电集成接收机的灵敏度和速度，本发明设计了一种如图1所示的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，它共包括四个部分：一个肖特基型全差分光检测器，由肖特基光电探测器PD1和PD2组成；一个全差分跨阻前置放大器“DTIA”；一个全差分限幅放大器“DLMA”；一个差分转单端的输出缓冲级“DFSO”。
肖特基型全差分光检测器的版图结构俯视图和剖面图分别如图2和3所示，它由两个结构、形状、尺寸和面积均相同、位置左右(或上下)对称且以制造工艺所允许的最小间距紧邻的肖特基型光电探测器组成。其中，每个肖特基型光电探测器的宽度约是长度(或长度约是宽度)的两倍，共同构成一个近似为正方形的受光区域，即肖特基型全差分光检测器的受光区域。图2中的左半部分和右半部分分别组成了前述的两个肖特基型光电探测器，它们分别对应图1中的肖特基型光电探测器PD1和PD2。该肖特基型全差分光检测器的制造工艺流程如下：
首先，在P型衬底1上制作出两个形状与尺寸完全相同且对称分布的N阱区或深N阱区或EEPROM工艺中的N+埋层区2和3；然后在区域2及区域3中对称地分别制作出两组形状与尺寸完全相同且均匀地、相互交叉地分布的插指状肖特基注入区4和5及6和7，其中，插指状肖特基注入区4和5及6和7中的各插指状肖特基注入条都是等间距分布的；之后，制作出SiO2氧化层13和接触孔8，并引出全差分光检测器的各个电极(包括9、10、11和12)。最后，在整个芯片覆盖上钝化保护层20。
制作完成后，左侧的插指状肖特基注入区4和5与区域2形成了一个肖特基型光电探测器PD1，而右侧的插指状肖特基注入区6和7与区域3则形成了一个肖特基型光电探测器PD2。其中，电极9和10是左侧肖特基型光电探测器的两个电极，11和12是右侧肖特基型光电探测器的两个电极，并且肖特基型光电探测器的电极无正负极性之分，可以对换。这样，左侧的肖特基型光电探测器PD1和右侧的肖特基型光电探测器PD2便共同构成了一个肖特基型全差分光检测器。
当该肖特基型全差分光检测器工作时，其中的一个肖特基型光电探测器(以取左侧的肖特基型光电探测器为例)的一个电极(如电极9)接电源电压VDD，另一个电极(如电极10)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)；另一个肖特基型光电探测器的一个电极(如电极12)接地GND，另一个电极(如11)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)。此时，该肖特基型全差分光检测器的等效电路模型如图4所示，其中，左侧的肖特基型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，而右侧的肖特基型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。为保证上述肖特基型全差分光检测器正常工作，在电路设计时还需使电极10和电极11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，以保证其中的两个肖特基型光电探测器具备相同的工作状态。这样，由于这两个肖特基型光电探测器的结构、形状、尺寸和面积都完全相同，因而它们具有完全相同的光频响应特性和等效电路模型。故上述肖特基型全差分光检测器在光照条件下不仅产生了一对全差分光生电流信号输入到全差分跨阻前置放大器，而且对全差分跨阻前置放大器的两个输入端具有相同的负载效应，即该肖特基型全差分光检测器达到了全差分特性。此外，由于上述肖特基型全差分光检测器中的两个肖特基型光电探测器是从同一根光纤来获取入射光信号的，因而本发明中的肖特基型全差分光检测器仍只需用一根光纤来传输光信号；当其运用于标准CMOS光电集成接收机中时，不会导致任何成本的增加。
全差分跨阻前置放大器“DTIA”、全差分限幅放大器“DLMA”和差分转单端的输出缓冲级“DFSO”都是采用标准CMOS工艺来实现的。其中，全差分跨阻前置放大器“DTIA”在设计时应通过参数调整使其两个输入端的直流电压(近似)等于电源电压VDD的一半，即VDD/2，以保证肖特基型全差分光检测器中的两个肖特基型光电探测器具有(近似)相同的工作状态和等效电路；全差分限幅放大器“DLMA”通常是由多级低增益、高带宽的全差分放大器级联而成，它具有足够大的增益和带宽，以将全差分跨阻前置放大器输出的差分电压信号放大到数字处理单元所需要的电压水平，并保证信号的无损传输；而差分转单端的输出缓冲级“DFSO”则将已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出电压信号，并提供足够大的驱动能力和实现与后续电路或测试设备的匹配，以保证信号的无损传输。
总之，本发明实现了一种与带肖特基接触的标准CMOS工艺完全兼容的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机。与现已报道的标准CMOS光电集成接收机相比，该肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机不仅具备了全差分特性，大大提高了标准CMOS光电集成接收机的稳定性、速度和灵敏度，而且未导致任何成本的增加。此外，由于肖特基型标准CMOS光电探测器的电容比通常的PN结型标准CMOS光电探测器的结电容要小得多，其本征带宽和响应度也都比通常的PN结型标准CMOS光电探测器的本征带宽和响应度要高不少，因而，该肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机的速度和灵敏度等性能指标比集成PN结型光电探测器的标准CMOS光电集成接收机要好得多，其性能可达到实用化水平，具备良好的市场应用前景。

Claims (5)

1.一种肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，包括：
一个肖特基型全差分光检测器，其作用是将输入的光信号转换成一对差分电流信号，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；
一个全差分跨阻前置放大器，其作用是将由全差分光检测器输出的一对差分电流信号转换成一对差分电压信号；
一个全差分限幅放大器，其作用是对全差分跨阻前置放大器输出的电压信号进行放大处理放大到数字处理单元所需要的电压水平；
一个差分转单端的输出缓冲级，与全差分限幅放大器的输出端相连；
其特征在于：
所述的肖特基型全差分光检测器包括各占光检测器总受光区域面积一半的第一和第二肖特基型光电探测器，其中，第一肖特基型光电探测器的两个电极分别与全差分跨阻前置放大器的一个输入端和电源端相连；第二肖特基型光电探测器的两个电极分别与接地端和全差分跨阻前置放大器的另一个输入端相连；所述的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机与带肖特基接触的标准CMOS工艺兼容，所述的肖特基型全差分光检测器中的两个肖特基型光电探测器的结构、形状、尺寸和面积均相同，位置对称且以制造工艺所允许的最小间距紧邻，共同构成一个近似为正方形的受光区域，两者所产生的两个光生电流的大小相等但方向相反，且全差分跨阻前置放大器的输入端直流电压均为电源电压VDD的一半。
2.根据权利要求1所述的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，其特征在于，所述的肖特基型光电探测器是制作在N阱中、利用第一层金属与N阱形成的肖特基接触构造的插指状第一层金属/N阱肖特基型光电探测器。
3.根据权利要求1所述的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，其特征在于，所述的肖特基型光电探测器是制作在深N阱中、利用第一层金属与深N阱构造的肖特基接触形成的插指状第一层金属/深N阱肖特基型光电探测器。
4.根据权利要求1所述的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，其特征在于，所述的肖特基型光电探测器是在EEPROM工艺下制作的，其是制作在N+埋层中、利用第一层金属与N+埋层形成的肖特基接触构造的插指状第一层金属/N+埋层肖特基型光电探测器。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的肖特基型标准CMOS全差分光电集成接收机，其特征在于，所述的肖特基型光电探测器中，两组数条等间距的第一层金属/N阱或深N阱或N+埋层肖特基接触区以插指状形式相互交叉且均匀地位于N阱或深N阱或N+埋层中，两组肖特基接触区的引出电极分别为肖特基型光电探测器的正极与负极。
CN200910068112A 2009-03-12 2009-03-12 一种肖特基型标准cmos全差分光电集成接收机 Active CN101494503B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200910068112A CN101494503B (zh) 2009-03-12 2009-03-12 一种肖特基型标准cmos全差分光电集成接收机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200910068112A CN101494503B (zh) 2009-03-12 2009-03-12 一种肖特基型标准cmos全差分光电集成接收机

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101494503A CN101494503A (zh) 2009-07-29
CN101494503B true CN101494503B (zh) 2012-08-29

Family

ID=40924932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200910068112A Active CN101494503B (zh) 2009-03-12 2009-03-12 一种肖特基型标准cmos全差分光电集成接收机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101494503B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104539373A (zh) * 2014-12-30 2015-04-22 天津大学 交叉耦合结构的高速cmos单片集成光接收机前端电路
CN107846194A (zh) * 2017-10-24 2018-03-27 天津大学 带有直流电平漂移消除电路的可见光通信接收机专用芯片
CN111987144B (zh) * 2020-08-21 2022-06-28 西安电子科技大学 氮化镓肖特基二极管多级限幅电路

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7110028B1 (en) * 2002-08-13 2006-09-19 Foveon, Inc. Electronic shutter using buried layers and active pixel sensor and array employing same
CN101197623A (zh) * 2007-12-18 2008-06-11 天津大学 一种差分光接收机及灵敏度和带宽同时倍增的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7110028B1 (en) * 2002-08-13 2006-09-19 Foveon, Inc. Electronic shutter using buried layers and active pixel sensor and array employing same
CN101197623A (zh) * 2007-12-18 2008-06-11 天津大学 一种差分光接收机及灵敏度和带宽同时倍增的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
余长亮等.一种与标准CMOS工艺兼容的光电集成接收机设计与实现(英文).《半导体学报》.2007,第28卷(第08期),全文. *
朱浩波等.高灵敏度CMOS光电集成接收机设计(英文).《半导体学报》.2007,第28卷(第05期),全文. *
石世长等.MSM光电探测器电磁场特性的TLM方法模拟.《固体电子学研究与进展》.2001,第21卷(第01期),第44页第3段、图1. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN101494503A (zh) 2009-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101197625B (zh) 带宽与灵敏度均倍增的标准cmos差分光电集成接收机
CN101197623B (zh) 一种差分光接收机及灵敏度和带宽同时倍增的方法
CN102820857B (zh) 宽带高增益跨阻放大器
CN107147448B (zh) 一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路
CN103701533B (zh) 基于标准SiGe BiCMOS工艺的光电集成接收机
US10431707B2 (en) Monolithically integrated photodetector and receiver
JP6425271B2 (ja) 光受信回路
CN101494503B (zh) 一种肖特基型标准cmos全差分光电集成接收机
CN110830113B (zh) 一种用于可见光通信的标准cmos全差分光电集成接收机
CN101488510B (zh) 一种标准cmos全差分光检测器及其制作方法
CN202750095U (zh) 光接收机
US7262655B2 (en) High bandwidth resistor
CN102593132B (zh) 一种基于标准cmos工艺的叠层差分光电探测器
US9933304B2 (en) Active photonic device having a Darlington configuration with feedback
CN102244499A (zh) 一种高灵敏度跨阻放大器前端电路
CN109545882B (zh) 一种电容式光电探测器及制作工艺
CN115224138B (zh) 一种水平拉通型锗硅雪崩光电探测器
CN100413078C (zh) 带前均衡电路的cmos光电集成接收机
CN107846248B (zh) 一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器
CN106018926B (zh) 一种微电流检测电路
CN110098202A (zh) 一种用于智能仪表的光电集成传感器及制备方法
CN105827236A (zh) 一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的电路结构
CN206835056U (zh) 一种基于apd的采集放大电路
CN202978824U (zh) 一种光电信号转换放大器件
CN113437097A (zh) 一种具有电容结构的光电器件

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20201120

Address after: 226399 200m north of the intersection of Jinxia road and Gusha Road, Jinsha street, Tongzhou District, Nantong City, Jiangsu Province

Patentee after: Nantong Juntai motor vehicle testing Co., Ltd

Address before: 300072 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 92, Tianjin University

Patentee before: Tianjin University

TR01 Transfer of patent right