CN102856324B - 用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片 - Google Patents

Abstract

用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片，涉及一种硅基单片光电集成电路。所述芯片是一种用于塑料光纤通信的650nm±17.8nm单片光电集成接收芯片，该芯片可替代现有的塑料光纤通信用的650nm±17.8nm光接收模块里的光电探测器芯片和前置放大集成电路芯片，实现650nm±17.8nm光电探测器和前置放大集成电路的单片光电集成，可满足塑料光纤通信100Mbps传输速率要求，用于塑料光纤通信650nm±17.8nm波长的光接收端。可采用标准的0.5μm BCD工艺制备。

Description

用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片

技术领域

本发明涉及一种硅基单片光电集成电路，尤其是涉及一种用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片。

背景技术

塑料光纤通信是新一代短距离传输系统，具有简便、高速、低成本和光纤柔性可弯曲等优点，可成功解决光纤通信中“最后100米”的接入难题，代替现有的铜质线缆实现光纤到桌面的全光网络通信。塑料光纤通信的发展既顺应国家“十二五”规划中光纤宽带到户和“光进铜退”的发展战略，同时在推进三网融合、智能家庭网络、工业控制、物联网等领域发挥重要的作用。随着科技的发展，塑料光纤通信的应用领域越来越广，其市场的发展会越来越广阔。塑料光纤通信设备如媒体转换器、路由器、集线器、交换机和光纤网卡等都以650nm±17.8nm光收发模块为核心，其中光发射模块由分立的650nm±17.8nm谐振腔发光二极管和驱动电路芯片组成；光接收模块由分立的650nm±17.8nm光电探测器芯片和前置互阻放大器芯片组成。目前这些芯片都是分立状态，系统元件较多，制造组装过程较复杂，会影响系统工作的可靠性，而且主要元器件由国外进口成本较高，不利于塑料光纤通信技术的推广和普及。

目前，各类硅基单片光电集成电路几乎涉及了Bipolar、CMOS、BiCMOS、BCD、SOI等工艺，以Bipolar和BiCMOS为主，目前相对成本低、先进成熟的CMOS工艺成为硅基光电探测器和硅基单片光电集成电路研究的一个热点。但BCD标准工艺，可在同一衬底上集成Bipolar器件、CMOS器件和DMOS器件，综合了双极型器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS集成度高、低功耗的优点，也能成为硅基单片光电集成电路研究的一个创新思路和有益探索，目前，可采用标准的0.5μm BCD工艺制备塑料光纤通信用的650nm±17.8nm单片光电集成接收芯片的相关技术鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种可采用标准的0.5μm BCD工艺制备的用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片，所述用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片是一种用于塑料光纤通信的650nm±17.8nm单片光电集成接收芯片，该用于塑料光纤通信的650nm±17.8nm单片光电集成接收芯片可替代现有的塑料光纤通信用的650nm±17.8nm光接收模块里的光电探测器芯片和前置放大集成电路芯片，实现650nm±17.8nm光电探测器（即为Photo-Detector，简写为PD）和前置放大集成电路的单片光电集成，可满足塑料光纤通信100Mbps传输速率要求，用于塑料光纤通信650nm±17.8nm波长的光接收端。

本发明所述用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片采用0.5μm标准BCD工艺制备，所述用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片设有硅基光电探测器和前置放大集成电路；

硅基光电探测器的结构采用“叉指状P型重掺杂硅/N-EPI外延层/BN+埋层”结构；硅基光电探测器设有P型硅衬底(P-Substrate)、BN+埋层（BN+）、BP+埋层（BP+）、N-EPI外延层、N阱(N-Well)、P阱(N-Well)、P型重掺杂硅(P⁺)、N型重掺杂硅(N⁺)、金属铝(Al)、场氧区、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层；P型硅衬底(P-Substrate)、BN+埋层（BN+）、BP+埋层（BP+）、N-EPI外延层、N阱(N-Well)、P阱(N-Well)、P型重掺杂硅(P⁺)和N型重掺杂硅(N⁺)设于同一硅片上；场氧区为硅片表面生成的氧化硅，金属铝沉积在硅片表面；由下至上共3层SiO₂绝缘介质层附着在硅衬底上；Si ₃N₄表面钝化层附着在SiO₂绝缘介质层上；硅基光电探测器纵向结构自下而上依次是：第一层为低掺杂的P型硅衬底，第二层为BN+埋层（BN+）和BP+埋层（BP+），第三层为N-EPI外延层，第四层为N阱和P阱，第五层为N型重掺杂硅、P型重掺杂硅、场氧区和金属铝；第六层至第八层为三层SiO₂绝缘介质层，第九层为Si₃N₄表面钝化层；

在所述N-EPI外延层等间距注入11个N-Well区，并以处于中间的第6个N-Well为中心对称分布；每两个相邻的N-Well之间分布着的N-EPI的上表面是P型重掺杂硅，即有10个P型重掺杂硅区域，10个P型重掺杂硅区域连接在一起，呈现叉指状分布；所述BN+埋层作为探测器的阴极，金属铝与N阱上表面的N型重掺杂形成欧姆接触，有11个N阱，所有N阱上表面的N型重掺杂硅连接在一起，并引出作为硅基光电探测器的阴极，阴极接高电位；N-EPI外延层形成探测器的I层；N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅与其接触的金属铝形成欧姆接触，10个P型重掺杂硅区域作为光电探测器的阳极，阳极作为后续处理电路的输入；N阱外围的P阱形成保护环，保护环用于隔离硅基光电探测器与其他BCD器件。

前置放大集成电路包括互阻前置放大器（即为Tran-Impedance Amplifier，简写为TIA）、单双端转换电路（即为Single-to-Differential Amplifier,简写为SDA）、限幅放大器(即为Limiting Amplifier,简写为LA)、输出缓冲（即为Output Buffer，简写为OB）电路和直流负反馈电路；互阻前置放大器的信号输入端接所述光电探测器信号输出端，互阻前置放大器的信号输出端接单双端转换电路信号输入端；单双端转换电路信号输出端接限幅放大器信号输入端，限幅放大器信号输出端接输出缓冲电路信号输入端，输出缓冲电路信号输出端接外部电路，直流负反馈电路输入端连接到限幅放大器的输出端，直流负反馈电路的输出端连接到单双端转换电路的输出端。

所述硅基光电探测器的有效光敏面积可为200μm×200μm，总横向尺寸为200μm。所述硅基光电探测器的总横向尺寸是根据需要的有效光敏面积来确定。

所述10根叉指的长度均为200μm；每个N阱为等宽度等距离分配，除最外围的两个N阱，每个N阱两边都是N-EPI外延层，处于N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅距离两边N阱边缘不小于0.8μm；处于N阱内部的，距离N阱边缘不小于0.4μm的上表面为N型重掺杂硅，宽度不小于0.8μm；在两个最外围的N阱的外围是P阱，距离N阱不小于0.8μm的P阱上表面为P型重掺杂硅，宽度不小于0.8μm；BN+埋层与N阱重叠部分不小于3μm，BN+埋层与N阱边缘距离2μm；N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅、N阱上表面的N型重掺杂硅和P阱上表面的P型重掺杂硅之间均由场氧区隔开，宽度不小于1μm；P阱上表面其他部分为场氧区；金属铝附着在各个N型重掺杂硅和P型重掺杂硅上，其中N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅上的金属铝分布在N-EPI外延层周边且靠近场氧区。

所述单双端转换电路最好设有低通滤波器，低通滤波器由电阻与电容构成。

所述限幅放大器最好设有三个级联差分放大电路，每级差分放大电路均采用有源电感做负载的差分放大器结构。

所述直流负反馈电路最好由4个电阻和2个电容组成。

与现有塑料光纤通信用的650nm±17.8nm光接收模块里的光电探测器芯片和前置放大集成电路芯片相比较，本发明具有以下突出优点：

1、本发明中的光电探测器利用BCD标准工艺下的N-EPI外延层形成探测器的I层，形成纵向结构“叉指状P型重掺杂硅/N-EPI外延层/BN+埋层”的硅基光电探测器，克服一般硅基光电探测器频率响应低的缺点。

2、本发明中的光电探测器由于P型重掺杂硅采用多叉指的结构，降低了结电容，克服了一般硅基光电探测器结电容较大的缺点，从而使得前置放大集成电路因输入结电容降低而带宽增大。

3、本发明的光电探测器有很宽的光谱响应范围，克服一般硅基光电探测器短波响应差的缺点。

4、本发明的光电集成芯片制备工艺与商业的BCD标准工艺完全兼容，不需要对工艺做任何修改，提高了整体光电集成芯片的性能，降低了650nm±17.8nm塑料光纤通信的成本。

5、本发明的集成芯片使650nm±17.8nm光接收器简化了封装过程。

6、本发明的硅基单片光电集成接收芯片流片后用于塑料光纤通信测试，在误码率10^-9下灵敏度为-8dBm，传输速率200Mbps。

由此可见，本发明主要具有以下突出优点：减少了系统元件，简化了组装过程，提高了系统工作可靠性并大大降低了成本；器件间的互连线减少到最少，电容、电感等寄生参量减少，提高了器件性能；单片集成体积小、重量轻、功能齐全。

附图说明

图1为本发明实施例的硅基光电探测器的俯视结构示意图。

图2为图1的纵向厚度剖面结构示意图。在图2中，标记表示场氧区，标记表示N⁺，标记表示P⁺，标记表示Al。

图3为本发明实施例的硅基光电探测器及前置放大集成电路框图。

图4为图3中的互阻前置放大器电路原理图。

图5为图3中的单双端转换电路原理图。

图6为图3中的限幅放大器中的单级差分放大电路原理图。

图7为图3中的输出缓冲电路原理图。

图8为图3中的直流负反馈电路原理图。

具体实施方式

本发明实施例所述的硅基单片光电集成接收芯片采用0.5μm标准BCD工艺制备，设有硅基光电探测器和前置放大集成电路。

参见图1和2，硅基光电探测器的结构及其制造工艺流程说明如下：首先在高阻的<100>P型硅衬底1上光刻BN+埋层区，并利用离子注入工艺形成BN+埋层2和BP+埋层3。在BN+埋层2与BP+埋层3上生长N-EPI外延层4。在外延层4上等间距的光刻上距离14.6μm，宽度6.3μm的N阱区11个，并采用离子注入工艺实现这11个N阱。在N阱5和6的外围光刻P阱区，并采用离子注入工艺实现P阱7和8；光刻N型重掺杂有源区和P型重掺杂有源区，采用氧化工艺实现场氧区9；在11个N阱区域，均光刻N型重掺杂区，通过离子注入实现N型重掺杂硅10；光刻P型重掺杂区，通过离子注入实现在每两个N阱之间的外延层4上表面的P型重掺杂硅11及P阱内的P型重掺杂硅12；沉积第一层SiO₂绝缘介质层13；光刻接触孔18沉积金属铝14，并光刻实现需要的电极与连线，金属铝附着在各个N型重掺杂硅10和P型重掺杂硅11、12上，其中N-EPI外延层4上表面的P型重掺杂硅11上的金属铝14分布在其周边靠近场氧区。沉积第二层绝缘介质层15和第三层绝缘介质层16，沉积Si₃N₄表面钝化层17。

硅基光电探测器的纵向结构“叉指状P型重掺杂硅/N-EPI外延层/BN+埋层”。在BCD工艺中利用BN+埋层作为探测器的阴极，金属铝与N阱上表面的N型重掺杂形成欧姆接触，有11个N阱，所有N阱上表面的N型重掺杂硅连接在一起，引出探测器的阴极，阴极接高电位VDD；N-EPI外延层形成探测器的I层；N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅与其接触的金属铝形成欧姆接触，有10个P型重掺杂区域，并且连接在一起，呈现出叉指状态，作为硅基光电探测器的阳极，阳极作为后续处理电路的输入；N阱外围的P阱起到了隔离探测器与其他BCD器件的作用；按制备顺序从下至上设有3层SiO₂表面绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层。

参见图3，前置放大集成电路IC包括互阻前置放大器（即为Tran-Impedance Amplifier，简写为TIA）40、单双端转换电路（即为Single-to-Differential Amplifier,简写为SDA）50、限幅放大器(即为Limiting Amplifier,简写为LA)60（为三级限幅放大器）、输出缓冲（即为Output Buffer，简写为OB）电路70和直流负反馈(即为DC Negative Feedback)电路80；互阻前置放大器40的信号输入端接所述硅基光电探测器PD信号输出端，互阻前置放大器40的信号输出端接单双端转换电路50信号输入端；单双端转换电路50信号输出端接限幅放大器60信号输入端，限幅放大器60信号输出端接输出缓冲电路70信号输入端，输出缓冲电路70信号输出端接外部电路，直流负反馈电路80输入端连接到第三级限幅放大器的输出端，直流负反馈电路80的输出端则连接到单双端转换电路50的输出端。

参见图4，互阻前置放大器的作用是将硅基光电探测器输出的微弱的电流信号转换成电压信号；硅基光电探测器PD工作时是反向的，即阳极接输入点，阴极接高电位，这里接的只能是电源电压。根据这些接法重新设计了调节式共源共栅（即为Regulated Cascade，简写为RGC）结构，其具有稳定的直流偏置以及非常小的输入阻抗，电源电压为5V。

参见图5，单双端转换电路的作用是将单端的互阻前置放大器输出信号转换成双端信号，其中电阻R与电容C构成了一个低通滤波器。它的作用是提取互阻前置放大器输出的直流电平信号，并将该信号送至M₂的栅极。随着信号频率的升高，电容C的阻抗下降，从X节点发出，通过电阻R的信号逐步由电容C导至地。这样的结构起到了一个高通滤波器的作用：在低频时，X与Y节点的信号基本都同，通过差分输出得到了零输出；而在高频时由于Y节点没有信号输入，所以可以有一个大的输出。

参见图6，限幅放大器的作用是二次放大前置放大器的输出电压，提高整个单片光电集成电路的光响应度。构成限幅放大器的主体是三个级联差分放大电路，每级差分放大电路均采用了有源电感做负载的差分放大器结构，利用并联峰化技术，拓展了带宽，其中每个差分放大电路的R_S都有所不同，可适当地调整以达到增益及带宽的最大化。

参见图7，输出缓冲电路的作用是用来实现输出的阻抗匹配以及减小信号反射。输出级电路不仅有较高的输出摆幅和高的输出电流，而且因为要与后续电路进行阻抗匹配还要求要有低的输出阻抗。

参见图8，直流负反馈电路是由4个电阻R和2个电容C组成，直流负反馈电路的作用是用于稳定直流工作点和交流增益。

Claims (6)

1.用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片，其特征在于采用0.5μm标准BCD工艺制备，所述用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片设有硅基光电探测器和前置放大集成电路；

硅基光电探测器的结构采用叉指状P型重掺杂硅/N-EPI外延层/BN+埋层结构；硅基光电探测器设有P型硅衬底、BN+埋层、BP+埋层、N-EPI外延层、N阱、P阱、P型重掺杂硅、N型重掺杂硅、铝、场氧区、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层；P型硅衬底、BN+埋层、BP+埋层、N-EPI外延层、N阱、P阱、P型重掺杂硅和N型重掺杂硅设于同一硅片上；场氧区为硅片表面生成的氧化硅，铝沉积在硅片表面；由下至上共3层SiO₂绝缘介质层附着在硅衬底上；Si₃N₄表面钝化层附着在SiO₂绝缘介质层上；硅基光电探测器纵向结构自下而上依次是：第一层为低掺杂的P型硅衬底，第二层为BN+埋层和BP+埋层，第三层为N-EPI外延层，第四层为N阱和P阱，第五层为N型重掺杂硅、P型重掺杂硅、场氧区和铝；第六层至第八层为三层SiO₂绝缘介质层，第九层为Si₃N₄表面钝化层；

在所述N-EPI外延层等间距注入11个N-Well区，并以处于中间的第6个N-Well为中心对称分布；每两个相邻的N-Well之间分布着的N-EPI的上表面是P型重掺杂硅，即有10个P型重掺杂硅区域，10个P型重掺杂硅区域连接在一起，呈现叉指状分布；所述BN+埋层作为探测器的阴极，铝与N阱上表面的N型重掺杂形成欧姆接触，有11个N阱，所有N阱上表面的N型重掺杂硅连接在一起，并引出作为硅基光电探测器的阴极，阴极接高电位；N-EPI外延层形成探测器的I层；N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅与其接触的金属铝形成欧姆接触，10个P型重掺杂硅区域作为光电探测器的阳极，阳极作为后续处理电路的输入；N阱外围的P阱形成保护环，保护环用于隔离硅基光电探测器与其他BCD器件；

前置放大集成电路包括互阻前置放大器、单双端转换电路、限幅放大器、输出缓冲电路和直流负反馈电路；互阻前置放大器的信号输入端接所述光电探测器信号输出端，互阻前置放大器的信号输出端接单双端转换电路信号输入端；单双端转换电路信号输出端接限幅放大器信号输入端，限幅放大器信号输出端接输出缓冲电路信号输入端，输出缓冲电路信号输出端接外部电路，直流负反馈电路输入端连接到限幅放大器的输出端，直流负反馈电路的输出端则连接到单双端转换电路的输出端。

2.如权利要求1所述的用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片，其特征在于所述硅基光电探测器的有效光敏面积为200μm×200μm，总横向尺寸为200μm。

3.如权利要求1所述的用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片，其特征在于10根叉指的长度均为200μm；每个N阱为等宽度等距离分配，除最外围的两个N阱外，每个N阱两边都是N-EPI外延层，处于N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅距离两边N阱边缘不小于0.8μm；处于N阱内部的，距离N阱边缘不小于0.4μm的上表面为N型重掺杂硅，宽度不小于0.8μm；在两个最外围的N阱的外围是P阱，距离N阱不小于0.8μm的P阱上表面为P型重掺杂硅，宽度不小于0.8μm；BN+埋层与N阱重叠部分不小于3μm，BN+埋层与N阱边缘距离2μm；N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅、N阱上表面的N型重掺杂硅和P阱上表面的P型重掺杂硅之间均由场氧区隔开，宽度不小于1μm；P阱上表面其他部分为场氧区；金属铝附着在各个N型重掺杂硅和P型重掺杂硅上，其中N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅上的金属铝分布在N-EPI外延层周边且靠近场氧区。

4.如权利要求1所述的用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片，其特征在于所述单双端转换电路设有低通滤波器，低通滤波器由电阻与电容构成。

5.如权利要求1所述的用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片，其特征在于所述限幅放大器设有3个级联差分放大电路，每级差分放大电路均采用有源电感做负载的差分放大器。

6.如权利要求1所述的用于塑料光纤通信的硅基单片光电集成接收芯片，其特征在于所述直流负反馈电路由4个电阻和2个电容组成。