CN102593132B - 一种基于标准cmos工艺的叠层差分光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于硅基光接收机技术领域，涉及一种基于标准CMOS工艺叠层差分双光电探测器，包括：呈垂直分布的MSM型光电探测器、双光电二极管型光电探测器以及位于两者之间的隔离层，其中，双光电二极管型光电探测器制作在硅衬底PSUB上，使用P+/N阱结作为工作二极管，N阱/Psub结作为屏蔽二极管，位于下方，其阴极P+与阳极N+相间分布，每两个阳极N+间的阴极P+数量为3～4个；MSM型光电探测器制作在低掺杂多晶硅层POLY1上，位于上方。本发明提供的光电探测器，能够由一路输入光信号得到两路相互隔离的光电流信号；提高光注入效率；使基于标准CMOS工艺的光接收机在保证带宽和频率特性的情况下获得足够的响应度。

Description

一种基于标准CMOS工艺的叠层差分光电探测器
技术领域
本发明适用于硅基光接收机设计，涉及一种基于标准CMOS工艺的光电探测器。
背景技术
光电探测器是光接收机的关键器件，广泛地应用于光通信领域中，根据不同的工作波长，也在诸如保密通信、环境污染监测以及非侵入性医学诊断等特殊领域中被大量使用。不同应用环境对光电探测器的要求也不同，如核心通信网和存储区域网要求探测器具有非常好的频率特性和性能，对成本并不敏感，这类应用中一般采用基于GaAs或InP-InGaAs技术的光电探测器，这类探测器性能非常好，但造价也非常昂贵。而互联网终端接入、芯片间互连以及移动设备内部数据交互等应用对成本极其敏感，性能则只需达标即可，CMOS技术有着低廉的成本和很高的集成度，基于标准CMOS工艺的光电探测器发展成熟后，一定能在这类应用中得到广泛的使用。
光电探测器从器件结构上分为雪崩二极管(APD)，PN结型光电探测器，PIN光电探测器(PIN-PD)和金属半导体金属光电探测器(MSM-PD)，标准CMOS工艺上研究较多的光电探测器为PN结型和MSM光电探测器。PN结型光电探测器结构简单，MSM PD灵敏度与带宽高，单位面积电容小。
在标准CMOS工艺上设计高速光电探测器有其固有的局限，是一项很有挑战性的工作，其原因在于：硅的光吸收长度长达26μm，这使得大部分的光功率是在距离器件表面较深的地方转换为光生载流子，而标准CMOS工艺中阱的深度只有几微米，意味着形成的PN结也即空间电荷区位于表面下几微米处，这导致大部分光生载流子产生于衬底的中性区，为速度很慢的扩散载流子。这种局限性最终体现在光接收机设计上是这样的矛盾：使用这部分扩散载流子可以获得很高的响应度，但频率特性极差，带宽极低；若将其屏蔽，可以获得足够的带宽，但响应度极低。
由于差分结构因其高稳定性和很强的共模噪声抑制能力，选取差分电路结构作为高速光电探测器的后续电路结构，是一种提升光接收机性能的有效手段。目前有关差分结构光接收机的报道中，或只有一个差分支路连接了光电探测器，造成输入信号不对称和输入负载不平衡；或需要两路输入光信号，使光通信系统变得复杂，同时增加了成本；又或者虽然使用一路光信号输入，但是两个差分的探测器各取一半的光功率，这样降低了光信号的利用率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种基于标准CMOS工艺的叠层差分双光电探测器。本发明提供的光电探测器，能够由一路输入光信号得到两路相互隔离的光电流信号；提高光注入效率；使基于标准CMOS工艺的光接收机在保证带宽和频率特性的情况下获得足够的响应度。本发明的技术方案如下：
一种基于标准CMOS工艺叠层差分双光电探测器，包括：呈垂直分布的MSM型光电探测器、双光电二极管型光电探测器以及位于两者之间的隔离层，其中，双光电二极管型光电探测器制作在硅衬底PSUB上，使用P+/N阱结作为工作二极管，N阱/Psub结作为屏蔽二极管，位于下方，其阴极P+与阳极N+相间分布，每两个阳极N+间的阴极P+数量为3～4个；MSM型光电探测器制作在低掺杂多晶硅层POLY1上，位于上方。
作为优选实施方式，所述的基于标准CMOS工艺叠层差分双光电探测器，其特征在于，其中的隔离层由两层SiO2夹一层高掺杂多晶硅层POLY2构成，高掺杂多晶硅层POLY2接地。
本发明的实质性特点是，MSM型光电探测器产生一路高速光电流信号，双光电二极管(DPD)型光电探测器能够产生另一路高速光电流信号；隔离层隔离了两个探测器的电流与电场，也即隔离了两路高速光电流信号；通过选取适当阱深、掺杂、电极间距及多晶硅厚度，可以使两路电流信号的大小与带宽均可比，使之成为一对差分输入；由于多晶硅层厚度与阱深可比拟，叠层差分双光电探测器的光功率利用率将是相同工艺下的双光电二极管(DPD)型光电探测器的两倍。与现有主流技术相比，本发明具有如下突出的优点：
1、所述叠层差分双光电探测器可由一路输入光信号的到两路相互隔离的光电流信号，简化了光通信系统结构，降低成本；
2、由所述叠层差分双光电探测器得到的两路光电流信号能够成为一组差分信号，解决了造成输入信号不对称和输入负载不平衡的问题，实现全差分光接收机；
3、所述叠层差分双光电探测器的两个子探测器垂直分布，增加了垂直方向的工作区域，使每个子探测器均能接收到全部的光功率，显著提高了光注入效率；
附图说明
图1本发明的标准CMOS工艺的叠层双光电探测器结构示意图。
图2(a)为常规双光电二极管(DPD)型光电探测器电极分布形状示意图；(b)为本发明采用的双光电二极管(DPD)型光电探测器电极分布形状示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的基于标准CMOS工艺叠层差分光电探测器包括：一个MSM型光电探测器、一个双光电二极管(DPD)型光电探测器、一个隔离层。器件具体结构如图1所示，在多晶硅POLY1上制备MSM-PD，在P型衬底上制备双光电二极管，二者被两层SiO2夹一层高掺杂的多晶硅(POLY2)隔离。双光电二极管中使用P+/Nwell(N阱)结作为工作二极管，Nwell/Psub结作为屏蔽二极管，隔离衬底形成的慢光生载流子。SiO2层隔离两个光电探测器的光生电流，高掺杂多晶硅层(POLY2)接地，使两个光电探测器的耗尽区不因受对方电位的影响而发生改变。
选择合适工艺参数，本发明中所述基于标准CMOS工艺叠层差分光电探测器能够输出一对带宽与响应度能够满足现阶段光通信的需求差分光电流信号，详见下文描述：
MSM型光电探测器的响应度很大程度上取决于多晶硅层厚度，厚度越大，响应度越高。偏置电压对响应度也有一定的影响，当偏置电压小于VFB时，电流随偏压增加的很快，当偏置电压超过VFB时，电流基本维持不变，VFB为平带电压，其定义为：VFB＝qNL2/2εrε0，其中N为掺杂浓度，L为电极间距，ε为硅的介电常数，q为电子电量。目前标准CMOS工艺的工作电压大于所需的平带电压VFB，多晶硅层厚度从几百纳米至1微米不等，选择较厚的多晶硅厚度，即可获得足够的响应度。
MSM型光电探测器的带宽与电极间距、偏置电压、多晶硅厚度以及多晶硅掺杂浓度相关。偏置电压越高、电极间距越小，则极间电场越高，光生载流子速度越快，探测器带宽越高；由于所有的电极均位于多晶硅表面，所以越深入多晶硅内部，电场越低，故多晶硅厚度越大，探测器带宽越小；多晶硅掺杂浓度越低，越容易形成耗尽区，探测器带宽也越大。由于大多标准CMOS工艺中多晶硅层厚度不超过1微米，在这样厚度的多晶硅层上制备的MSM型光电探测器，根据不同的掺杂浓度(1015cm-3至1018cm-3)，其带宽为2～5Gb/s不等。
阱深极大地影响双光电二极管的响应度，阱越深，响应度越大。阱深、阱掺杂同时影响双光电二极管的带宽，带宽随阱深的增加而减小、随阱掺杂浓度的增加而减小。不同的电极分布形状在不同程度上影响着双光电二极管的响应度与带宽。研究结果表明阱深不超过2微米、阱掺杂约为1017cm-3至1018cm-4，辅以适当的电极形状，双光电二极管的带宽即可达到1～4Gb/s。
图2(a)所示为双光电二极管常用的梳状电极分布形状，其阳极(N+)位于N阱周围，并将插指状阴极(P+)包围起来，N阱中产生的光生载流子需要扩散至阱的边缘才能被阳极(N+)收集，扩散距离较长，会影响双光电二极管的频率特性，降低其带宽。本发明优化了双光电二极管(DPD)型光电探测器的电极分布形状，如图2(b)所示，阴极(P+)与阳极(N+)相间分布，每两个阳极(N+)间的阴极数量为3～4个。此优化基于如下考虑：若阳极(N+)分布稀疏，则相隔较远，N阱中产生的光生载流子扩散距离较长，降低了探测器带宽；若阳极(N+)分布密集，相应的阴极数量将减少，由阴极与N阱形成的耗尽区也将减少，进而降低了光生载流子中漂移载流子的比率，最终探测器响应度与带宽将减少。每两个阳极(N+)间的阴极数量为3～4个，可同时获得较高的响应度与带宽。
为了隔离本发明所述MSM型光电探测器和所述双光电二极管(DPD)型光电探测器产生的光电流信号，需使用绝缘层将两者隔离。然而仅采用一层绝缘层隔离，对于N型掺杂的多晶硅和N阱，隔离层另一边的正电位将引起多子堆积，使得所述两个探测器相互影响，最终两者的性能均会降低。如图1所示，本发明的隔离层使用了两层二氧化硅，并在两层二氧化硅之间再增加一层接地的高掺杂多晶硅(掺杂浓度约1020cm-3)，所述隔离层能够起到同时隔离电流和电场的作用，不会因形成多子堆积而影响探测器性能。
所述叠层差分光电探测器工作时，入射光由探测器上方处入射，入射光经过所述MSM型光电探测器时，由所述MSM型光电探测器产生一路光电流信号；同一束入射光穿过所述隔离层后入射所述优化过电极形状的双光电二极管(DPD)型光电探测器，由所述优化过电极形状的双光电二极管(DPD)型光电探测器产生另一路光电流信号。由于所述隔离层的存在，所述叠层差分光电探测器产生的两路光电流信号相互独立，可作为一对差分输入信号。

Claims (1)

1.一种基于标准CMOS工艺叠层差分双光电探测器，包括：呈垂直分布的MSM型光电探测器、双光电二极管型光电探测器以及位于两者之间的隔离层，其中，双光电二极管型光电探测器制作在硅衬底Psub上，使用P+/N阱结作为工作二极管，N阱/Psub结作为屏蔽二极管，位于下方，其阴极P+与阳极N+相间分布，每两个阳极N+间的阴极P+数量为3～4个；MSM型光电探测器制作在低掺杂多晶硅层POLY1上，位于上方；其中的隔离层由两层SiO2夹一层高掺杂多晶硅层POLY2构成，高掺杂多晶硅层POLY2接地。
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