CN105004419B - 应用于智能家居的光电传感集成芯片 - Google Patents

Abstract

应用于智能家居的光电传感集成芯片，涉及光电传感器。设有第1路硅基光电探测器、第1路互阻前置放大器、第1路直流负反馈电路、第2路硅基光电探测器、第2路互阻前置放大器、第2路直流负反馈电路、限幅放大器、输出缓冲电路；第1路硅基光电探测器输出端接第1路互阻前置放大器输入端，第1路互阻前置放大器输出端接限幅放大器的第1差分输入端，第2路硅基光电探测器输出端接第2路互阻前置放大器输入端，第2路互阻前置放大器输出端接限幅放大器的第2差分输入端，限幅放大器输出端接输出缓冲电路输入端，输出缓冲电路输出端接外部电路；限幅放大器输出端分别通过第1路直流负反馈电路和第2路直流负反馈电路接限幅放大器的2个差分输入端。

Description

应用于智能家居的光电传感集成芯片

技术领域

本发明涉及光电传感器，尤其是涉及一种应用于智能家居的光电传感集成芯片。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对家居的高效便利的要求愈加显著，家居自动化、信息化、智能化将成为主流趋势。近年来信息化的高度发展，通信的自由化与高层次化，业务量的急速增加与人类对居住环境的节能性、安全性、舒适性、效率性要求的提高对智能家居的需求更加显著(中国专利CN201410571226.7)。而要实现智能化，首先要把外界的声、光、电等输入信号转换成中央处理器可以识别的电信号，然后中央处理器才能根据这些输入数据进行设定好的动作输出，控制家电等设备，从而无需人工干预，真正自动化、智能化。

在这些输入信号中，外界的光信号是最为重要和关键的输入数据，像一些如根据外界的日照自动采光，自动调节灯光亮度，自动窗帘控制和红外线遥控等智能化操作，均需对外界光(包括非可见光)信号进行光电转换然后放大到处理芯片可以识别的电平，处理芯片进行下一步操作。目前市场上的绝大部分光电传感器均为分立式设计，即采用光电二极管进行光电转换，再通过电路板布线或连线到放大电路将转换出来的电信号放大。由于转换出来的电信号非常微弱所以极其容易受到外界的影响，从而造成输入数据误差。另外有一些一体化的光电传感器如红外遥控接收头，采用直接从光电二极管绑定两根金线到放大电路，然后把两者整个封装在一起的办法，虽然可以大大降低受到干扰的风险，但是需要增加一道绑定的工序，增加成本并有绑定不可靠的风险，同时封装尺寸无法进一步缩小。智能家居的光电集成传感器主要由一个光电探测器和前置放大集成电路组成。目前的Bipolar、CMOS、BiCMOS、BCD等工艺在制造光电集成电路中比较常见。BCD工艺可以集合Bipolar、CMOS、DMOS工艺的优点，在同一块硅基上集成此三种工艺的器件(CN201310324878.6)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的光电传感器存在的上述问题，提供可采用标准的0.5μm BCD工艺制备，可以满足智能家居所需各种光谱光信号的数据输入要求，可完全集成的一种应用于智能家居的光电传感集成芯片。

本发明设有第1路硅基光电探测器、第1路互阻前置放大器、第1路直流负反馈电路、第2路硅基光电探测器、第2路互阻前置放大器、第2路直流负反馈电路、限幅放大器、输出缓冲电路；

第1路硅基光电探测器的输出端接第1路互阻前置放大器的输入端，第1路互阻前置放大器的输出端接限幅放大器的第1差分输入端，第2路硅基光电探测器的输出端接第2路互阻前置放大器的输入端，第2路互阻前置放大器的输出端接限幅放大器的第2差分输入端，限幅放大器的输出端接输出缓冲电路输入端，输出缓冲电路输出端接外部电路；限幅放大器的输出端分别通过第1路直流负反馈电路和第2路直流负反馈电路接限幅放大器的2个差分输入端。

硅基光电探测器的结构为“叉指状P型重掺杂硅/N-EPI外延层/BN+埋层”结构，含有P型硅衬底(P-Substrate)、N阱(N-Well)、N型重掺杂硅(N+)、P阱(P-Well)、P型重掺杂硅(P+)、金属铝(Al)、N-EPI外延层、BP+埋层、BN+埋层、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层；P型硅衬底(P-Substrate)、N-EPI外延层、BP+埋层、BN+埋层、N阱(N-Well)、N型重掺杂硅(N+)、P阱(P-Well)、P型重掺杂硅(P+)设于同一硅片材料上，金属铝通过溅射工艺沉积在硅片表面，按制备顺序从下至上共3层SiO₂绝缘介质层通过沉积工艺附着在硅衬底上、Si₃N₄表面钝化层通过沉积工艺附着在SiO₂绝缘介质层上。

所述光电探测器纵向结构自下而上依次是：第一层是低掺杂的P型硅衬底；第二层是BP+埋层和BN+埋层；第三层是N-EPI外延层；第四层为N阱和P阱，第五层为P型重掺杂硅(P+)、N型重掺杂硅(N+)、金属铝、场氧区；第六层到第八层为三层的SiO₂绝缘介质层；第九层是Si₃N₄表面钝化层。在所述N-EPI外延层之上等间距注入17个N阱区，每个N阱区上表面是N型重掺杂硅，以第9个N阱区为中心呈中心对称分布，每相邻N阱区之间的N-EPI外延层上表面分布着P型重掺杂硅，16个P型重掺杂硅区域相连形成叉指结构，BN+埋层作为探测器阴极并接高电位，N-EPI外延层形成PIN结构的I层，N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅用金属铝形成欧姆接触，作为探测器的阳极，探测器的阳极形成电路信号的输出端作为后续电路的输入，在第1和第17个N阱外围作P阱，作为保护环隔离光电探测器与其他器件影响。

所述硅基光电探测器的有效光敏面积为300μm×300μm，总横向尺寸为300μm。所述硅基光电探测器的总的横向尺寸根据需要的有效光敏面积确定。所述叉指长度均为300μm，位于N-EPI外延层上表面P型重掺杂硅距离两边N阱边缘不小于0.8μm，位于N阱上表面N型重掺杂硅距离N阱边缘距离不小于0.4μm，宽度不小于0.8μm，位于第1和第17个N阱外围的P阱，距离N阱不小于0.8μm，P阱上表面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，所有P型重掺杂硅和N型重掺杂硅之间均由场氧区隔离，宽度不小于1μm，金属铝与各处N型重掺杂硅和P型重掺杂硅形成欧姆接触。

所述限幅放大器LA可采用三级限幅放大器。

一种硅基单片光电集成电路,用于智能家居的光电传感器，负责把所需光信号转换成电信号并放大到处理器可以直接识别、处理的电平，可以大大简化智能家居光电传感器的设计。

本发明用于各种波长的光信号的接收、转换并放大，输出处理芯片可以直接识别的电信号，可以采用0.5μm BCD工艺研制，光电单片集成电路设计完全解决上述问题。

与现有的光电传感器相比，本发明具有以下突出优点：

1、本发明中的光电探测器采用标准BCD工艺，形成纵向PIN结构“叉指P型重掺杂硅/N-EPI外延层/BN+埋层”的光电探测器。

2、本发明中的光电探测器由于采用叉指P型重掺杂的结构，有效降低结电容，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、互阻前置放大电路一体化的设计使得光接收灵敏度得到极大提高。

4、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。

5、本发明的制备工艺与商业的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，大幅降低了成本。

6、本发明使光电传感器无需一道绑定工序，简化了封装过程，从而使得光电传感器的小型化成为可能。

附图说明

图1为本发明实施例的电路组成框图。

图2为本发明中硅基光电探测器的结构剖面图。

图3为本发明的参考硅基单片光电集成接收芯片的电路框图。

图4本发明的互阻前置放大器电路原理图。

图5本发明的限幅放大器中的单级差分放大电路原理图。

图6本发明的输出缓冲电路原理图。

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相应的前置放大电路。

参见图1，本发明实施例设有第1路硅基光电探测器PD1、第1路互阻前置放大器TIA1、第1路直流负反馈电路Rf1、第2路硅基光电探测器PD2、第2路互阻前置放大器TIA2、第2路直流负反馈电路Rf2、限幅放大器LA、输出缓冲电路OB。

第1路硅基光电探测器PD1的输出端接第1路互阻前置放大器TIA1的输入端，第1路互阻前置放大器TIA1的输出端接限幅放大器LA的第1差分输入端，第2路硅基光电探测器PD2的输出端接第2路互阻前置放大器TIA2的输入端，第2路互阻前置放大器TIA2的输出端接限幅放大器LA的第2差分输入端，限幅放大器LA的输出端接输出缓冲电路OB输入端，输出缓冲电路OB输出端接外部电路；限幅放大器LA的输出端分别通过第1路直流负反馈电路Rf1和第2路直流负反馈电路Rf2接限幅放大器LA的2个差分输入端。

硅基光电探测器的结构为“叉指状P型重掺杂硅/N-EPI外延层/BN+埋层”结构，含有P型硅衬底(P-Substrate)、N阱(N-Well)、N型重掺杂硅(N+)、P阱(P-Well)、P型重掺杂硅(P+)、金属铝(Al)、N-EPI外延层、BP+埋层、BN+埋层、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层；P型硅衬底(P-Substrate)、N-EPI外延层、BP+埋层、BN+埋层、N阱(N-Well)、N型重掺杂硅(N+)、P阱(P-Well)、P型重掺杂硅(P+)设于同一硅片材料上，金属铝通过溅射工艺沉积在硅片表面，按制备顺序从下至上共3层SiO₂绝缘介质层通过沉积工艺附着在硅衬底上、Si₃N₄表面钝化层通过沉积工艺附着在SiO₂绝缘介质层上。

所述光电探测器纵向结构自下而上依次是：第一层是低掺杂的P型硅衬底；第二层是BP+埋层和BN+埋层；第三层是N-EPI外延层；第四层为N阱和P阱，第五层为P型重掺杂硅(P+)、N型重掺杂硅(N+)、金属铝、场氧区；第六层到第八层为三层的SiO₂绝缘介质层；第九层是Si₃N₄表面钝化层。在所述N-EPI外延层之上等间距注入17个N阱区，每个N阱区上表面是N型重掺杂硅，以第9个N阱区为中心呈中心对称分布，每相邻N阱区之间的N-EPI外延层上表面分布着P型重掺杂硅，16个P型重掺杂硅区域相连形成叉指结构，BN+埋层作为探测器阴极并接高电位，N-EPI外延层形成PIN结构的I层，N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅用金属铝形成欧姆接触，作为探测器的阳极，探测器的阳极形成电路信号的输出端作为后续电路的输入，在第1和第17个N阱外围作P阱，作为保护环隔离光电探测器与其他器件影响。

所述硅基光电探测器的有效光敏面积为300μm×300μm，总横向尺寸为300μm。所述硅基光电探测器的总的横向尺寸根据需要的有效光敏面积确定。所述叉指长度均为300μm，位于N-EPI外延层上表面P型重掺杂硅距离两边N阱边缘不小于0.8μm，位于N阱上表面N型重掺杂硅距离N阱边缘距离不小于0.4μm，宽度不小于0.8μm，位于第1和第17个N阱外围的P阱，距离N阱不小于0.8μm，P阱上表面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，所有P型重掺杂硅和N型重掺杂硅之间均由场氧区隔离，宽度不小于1μm，金属铝与各处N型重掺杂硅和P型重掺杂硅形成欧姆接触。

所述限幅放大器LA可采用三级限幅放大器。

图2为本发明的硅基光电探测器的半边结构剖面图。选取高阻<100>P型硅衬底1，光刻BN+埋层区，随后离子注入形成BN+埋层2和BP+埋层3，在埋层之上生长N-EPI外延层4，在外延层4上等间距光刻上距离12.8μm，宽度5.6μm的17个N阱区，随后离子注入形成这17个N阱区5。在两边最外围N阱的外部光刻P阱区，随后离子注入形成P阱区6，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7，随后通过离子注入在17个N阱区上表面形成N型重掺杂硅8，通过离子注入在每两个N阱区之间的N-EPI外延层4上表面形成N型重掺杂硅9和P阱上表面的P型重掺杂硅10。在场氧区7上淀积第一层SiO₂绝缘介质层11，第一层SiO₂绝缘介质层11光刻接触孔12，接触孔12中淀积金属铝，并光刻需要的电极与连线，金属铝附着在各个N型重掺杂硅9和P型重掺杂硅10上。在第一层SiO₂绝缘介质层11上依次淀积第二层SiO₂绝缘介质层13、第三层SiO₂绝缘介质层14和Si₃N₄表面钝化层15。

0.5μm标准BCD工艺下的硅基光电探测器利用BN+埋层2作为探测器的阴极，所有N阱上表面N型重掺杂硅8通过金属铝互连，引出探测器阴极并接VDD。N-EPI外延层4形成探测器I层，N-EPI外延层4上表面P型重掺杂硅9通过金属铝互连，形成探测器阳极并作为后续的前置放大电路的输入端，N阱外围P阱起到隔离探测器作用。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，本发明用于形成参考硅基光电探测器的半边结构剖图。通过对图2的硅基光电探测器上表面淀积金属铝16，达到屏蔽光信号的作用。参考硅基光电探测器由暗电流产生信号与正常硅基光电探测器产生信号差分输入，得到去除器件自身暗电流影响的数据信号。

参见图4，互阻前置放大器的作用是将光电探测器输出的微弱的电流信号转换成电压信号。光电探测器工作时是反向的，即P+接后续电路的输入端，N+接电源电压。根据这些接法形成双光电探测器调节式共源共栅结构，其具有较大的输出摆幅、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，限幅放大器的作用是二次放大前置放大器的输出电压，提高整个光接收芯片的光响应度。三个级联差分放大电路LA形成整个限幅放大器，每级差分放大电路均采用了有源电感作负载的差分放大结构。通过并联实现了带宽的扩展，通过调节每一级差分放大电路中电阻R的大小，提高增益以及带宽。

参见图6，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，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。

Claims (4)

1.应用于智能家居的光电传感集成芯片，其特征在于设有第1路硅基光电探测器、第1路互阻前置放大器、第1路直流负反馈电路、第2路硅基光电探测器、第2路互阻前置放大器、第2路直流负反馈电路、限幅放大器、输出缓冲电路；

第1路硅基光电探测器的输出端接第1路互阻前置放大器的输入端，第1路互阻前置放大器的输出端接限幅放大器的第1差分输入端，第2路硅基光电探测器的输出端接第2路互阻前置放大器的输入端，第2路互阻前置放大器的输出端接限幅放大器的第2差分输入端，限幅放大器的输出端接输出缓冲电路输入端，输出缓冲电路输出端接外部电路；限幅放大器的输出端分别通过第1路直流负反馈电路和第2路直流负反馈电路接限幅放大器的2个差分输入端；

硅基光电探测器的结构为“叉指状P型重掺杂硅/N-EPI外延层/BN+埋层”结构，含有P型硅衬底、N阱、N型重掺杂硅、P阱、P型重掺杂硅、金属铝、N-EPI外延层、BP+埋层、BN+埋层、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层；P型硅衬底、N-EPI外延层、BP+埋层、BN+埋层、N阱、N型重掺杂硅、P阱、P型重掺杂硅设于同一硅片材料上，金属铝通过溅射工艺沉积在硅片表面，按制备顺序从下至上共3层SiO₂绝缘介质层通过沉积工艺附着在硅衬底上、Si₃N₄表面钝化层通过沉积工艺附着在SiO₂绝缘介质层上；

所述光电探测器纵向结构自下而上依次是：第一层是低掺杂的P型硅衬底；第二层是BP+埋层和BN+埋层；第三层是N-EPI外延层；第四层为N阱和P阱，第五层为P型重掺杂硅、N型重掺杂硅、金属铝、场氧区；第六层到第八层为三层的SiO₂绝缘介质层；第九层是Si₃N₄表面钝化层；在所述N-EPI外延层之上等间距注入17个N阱区，每个N阱区上表面是N型重掺杂硅，以第9个N阱区为中心呈中心对称分布，每相邻N阱区之间的N-EPI外延层上表面分布着P型重掺杂硅，16个P型重掺杂硅区域相连形成叉指结构，BN+埋层作为探测器阴极并接高电位，N-EPI外延层形成PIN结构的I层，N-EPI外延层上表面的P型重掺杂硅用金属铝形成欧姆接触，作为探测器的阳极，探测器的阳极形成电路信号的输出端作为后续电路的输入，在第1和第17个N阱外围作P阱，作为保护环隔离光电探测器与其他器件影响。

2.如权利要求1所述应用于智能家居的光电传感集成芯片，其特征在于硅基光电探测器的有效光敏面积为300μm×300μm，总横向尺寸为300μm。

3.如权利要求1所述应用于智能家居的光电传感集成芯片，其特征在于硅基光电探测器的叉指长度均为300μm，位于N-EPI外延层上表面P型重掺杂硅距离两边N阱边缘不小于0.8μm，位于N阱上表面N型重掺杂硅距离N阱边缘距离不小于0.4μm，宽度不小于0.8μm，位于第1和第17个N阱外围的P阱，距离N阱不小于0.8μm，P阱上表面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，所有P型重掺杂硅和N型重掺杂硅之间均由场氧区隔离，宽度不小于1μm，金属铝与各处N型重掺杂硅和P型重掺杂硅形成欧姆接触。

4.如权利要求1所述应用于智能家居的光电传感集成芯片，其特征在于所述限幅放大器LA采用三级限幅放大器。