CN106571375A - 一种硅基apd的集成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基APD的集成电路，属于光电集成技术领域，它包括衬底、硅基雪崩光电二极管、光伏二极管阵列、双极型NPN三极管和其它由电阻电容构成的管理电路，在所述的衬底上设有数组V型槽，所述的硅基雪崩光电二极管、光伏二极管阵列和双极型NPN三极管分别设在一个V型槽内、并与管理电路集成于同一衬底上。该集成电路结合了传统的V型槽工艺和双极工艺，电路结构简单，可靠性高，串扰小，功耗低。
Description
技术领域
本发明涉及涉光电集成技术领域，尤其涉及一种用于驱动硅基雪崩光电二极管的集成电路。
背景技术
光电集成电路是指一种将光电器件和微电子器件集成在同一块基片上从而实现某种特定功能的集成化电路，它极大程度的消除了传统电路中负面的寄生效应，减少了混合电路中的组装环节，将电子设备输出的电信号转换成了具有优良复用能力、更低传输损耗、更强抗干扰性能以及更优传输速度的光信号，因为这些显著的特点其被广泛应用于光纤通信、光控雷达系统、光盘系统、医疗系统、激光测距和光电检测等领域。而硅基光电集成电路进一步的将光电设备或光学设备(如光电池，光电探测器，光波导)和微电子器件(如BJT，CMOS，BICMOS电路等)集成在同一块硅基衬底上。硅基光电集成的出现使得制造成本进一步的降低，研发周期进一步缩短，与电路的兼容性得到显著提高可靠性大大加强。
硅基雪崩光电二极管(APD)一直是硅基光电集成领域的一个热点课题，它主要是利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度，因此相较于传统的PIN型光电探测器，其具有增益高，响应速度快，灵敏度高，不受磁场影响，可在室温范围工作等优点，在400nm～1100nm波段的弱光探测技术领域中占据重要地位。
本申请的硅基APD采用了纵向结构，在雪崩区所产生的光生载流子被迅速放大和收集，使其能够快速响应外界的光信号。同时，在同一衬底上集成的若干光伏二极管在光信号下产生输出电压，此电压配合管理电路及外部的偏置电路来达到利用光信号来控制雪崩光电二极管的导通和关断的目的。相较于传统分立的APD及其驱动电路，本申请中的电路结构基本实现了两者在同一衬底上的集成，降低了封装难度和寄生效应，并且器件之间采用了V型槽进行隔离，减小了器件之间的串扰，提高了电路的可靠性。此外，APD控制电路无需额外电源供电，功耗较低，电路噪声更小。
如中国专利公开号CN104180790A涉及的一种新型硅基APD是根据集成电路工艺上相邻器件性能一致的原理设计出的带负反馈控制环路的电路结构，它是为了解决传统动态偏置复杂性问题。本专利的APD为独立结构，由外部提供偏置电压并由管理电路和光伏二极管控制其导通和关断，具有可靠性高，响应速度快的特点。
又如中国专利公开号CN103594468A涉及的一种快速光电探测器能够提升光电探测器的响应速度。然而其结构是传统结构的改进，其光-电流增益及响应速度相较于雪崩击穿二极管仍有一定差距。
再如中国专利公开号CN103872168A涉及的一种用于硅基光电集成电路芯片中的光电探测器采用了横向结构，然而相较于本专利中的V型槽结构，其与其它元器件的隔离效果较差，易产生寄生效应。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种硅基APD的集成电路，该集成电路结合了传统的V型槽工艺和双极工艺，电路结构简单，可靠性高，串扰小，功耗低。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种硅基APD的集成电路，它包括衬底、硅基雪崩光电二极管、光伏二极管阵列、双极型NPN三极管和其它由电阻电容构成的管理电路，在所述的衬底上设有数组V型槽，所述的硅基雪崩光电二极管、光伏二极管阵列和双极型NPN三极管分别设在一个V型槽内、并与管理电路集成于同一衬底上。
进一步，设有所述硅基雪崩光电二极管的V型槽中有低掺杂P层、高掺杂P+层、高掺杂N+层和低掺杂N-外延层。
进一步，设有所述光伏二极管阵列的V型槽内有低掺杂P层、高掺杂P+层、高掺杂N+层、低掺杂N-外延层和较高掺杂P阱。
进一步，设有所述NPN三极管的V型槽中有低掺杂P层、高掺杂P+层、高掺杂N+层、低掺杂N-外延层和较高掺杂P层，其中，所述的高掺杂N+层为两组。
进一步，所述设有硅基雪崩光电二极管的V型槽内的高掺杂N+层形状为插指状。
进一步，在所述的硅基雪崩光电二极管中，所述的低掺杂P层和高掺杂P+层分别对应硅基雪崩光电二极管的阳极和雪崩击穿区，所述高掺杂N+层为硅基雪崩光电二极管的阴极。
进一步，在所述的光伏二极管阵列中，所述较高掺杂P阱与低掺杂N-外延层分别构成了阳极和阴极，所述低掺杂P层和高掺杂P+层外接低电压、并与低掺杂N-外延层构成的二极管反偏，可以吸收器件深处的少数慢生载流子提高器件的响应速度。
进一步，在所述的NPN三极管中，两组高掺杂N+层和较高掺杂P层分别构成了NPN三极管的发射极、基极和集电极；NPN三极管所在的V型槽内低掺杂P层和高掺杂P+层外接低电压、并与低掺杂N-外延层构成的二极管反偏。
进一步，所述的硅基雪崩光电二极管为硅基垂直结构NP型。
进一步，所述的低掺杂P层的厚度约为15um，掺杂浓度为1016cm-3。
进一步，所述的高掺杂P+层的厚度约为2～3um，掺杂浓度为1018cm-3。
进一步，所述的低掺杂N-外延层的厚度约为25um，掺杂浓度为1015cm-3。
进一步，所述的高掺杂N+层的峰值掺杂浓度为1018cm-3。
进一步，所述的较高掺杂P层的峰值掺杂浓度为2×1017～4×1017cm-3。
进一步，所述插指状的高掺杂N+层峰值掺杂浓度为2×1018cm-3；插指间距大于15um小于30um，指宽为15um。
进一步，所述的衬底采用多晶硅材料制作而成。
本发明的硅基APD采用了纵向结构，通过在V型槽内引入P层和高掺杂P+层，形成了APD的雪崩区，在雪崩区所产生的光生载流子由于雪崩效应被迅速放大并由附近的耗尽区拉向电极被收集，APD结构的雪崩效应和高电场等特点使其能够快速响应外界的光信号。
与APD集成于同一衬底上的光伏二极管阵列在光信号下能够产生输出电压，此电压配合管理电路及外部的偏置电路来达到利用光信号来控制雪崩光电二极管的导通和关断的目的。光伏二极管阵列和管理电路结构简单，并与传统工艺兼容。相较于传统分立的APD及其驱动电路，其功耗更低，器件之间采用了V型槽进行隔离，减小了器件之间的串扰，提高了电路的可靠性，降低了封装难度和寄生效应。
本发明具有普通硅基APD的所有优点，包括增益大，响应速度快，结构简单等，并且在这些优点的基础上，本发明还集成了其它器件和电路，具有输出暗电流更低，串扰小，可靠性高等特点。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明剖面结构示意图；
图3为本发明应用原理结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-3所示，一种硅基APD的集成电路，它包括衬底1、硅基雪崩光电二极管2、光伏二极管阵列3、双极型NPN三极管4和其它由电阻电容构成的管理电路5(如图3所示)，在所述的衬底1上设有数组V型槽100，所述的硅基雪崩光电二极管2、光伏二极管阵列3和双极型NPN三极管4分别设在一个V型槽100内、并与管理电路5集成于同一衬底100上。所述的衬底(100)采用多晶硅材料制作而成。
如图2所示，设有所述硅基雪崩光电二极管2的V型槽100中有低掺杂P层200、高掺杂P+层201、高掺杂N+层202和低掺杂N-外延层203；所述设有硅基雪崩光电二极管2的V型槽100内的高掺杂N+层202形状为插指状。
设有所述光伏二极管阵列3的V型槽100内有低掺杂P层300、高掺杂P+层301、高掺杂N+层302、低掺杂N-外延层303和较高掺杂P阱304。
设有所述NPN三极管4的V型槽100中有低掺杂P层400、高掺杂P+层401、高掺杂N+层402、低掺杂N-外延层403和较高掺杂P层404，其中，所述的高掺杂N+层402为两组。
在硅基雪崩光电二极管2中，所述的低掺杂P层100和高掺杂P+层201分别对应硅基雪崩光电二极管的阳极和雪崩击穿区，所述高掺杂N+层202为硅基雪崩光电二极管的阴极。当硅基雪崩光电二极管2处于反向偏压下时，接受光照后P+层201内由于高电场首先发生了雪崩击穿现象，产生的大量电子空穴对被附近的低掺杂N-外延层203耗尽区大量拉向电极6最终被收集形成电流。
在光伏二极管阵列3中，所述较高掺杂P阱304与低掺杂N-外延层303分别构成了阳极和阴极，在接收外界光照时，P阱304下方和低掺杂N-外延层303交界处的耗尽区内将产生光生载流子，并由于内部电场被拉到二极管两端，产生一定的压降，此外光伏二极管所在的V型槽100内低掺杂P层300和高掺杂P+层301外接低电压、并与低掺杂N-外延层303构成的二极管反偏，可以吸收器件深处的少数慢生载流子提高器件的响应速度。
在所述的NPN三极管4中，两组高掺杂N+层402和较高掺杂P层404分别构成了NPN三极管的发射极、基极和集电极；NPN三极管所在的V型槽100内低掺杂P层400和高掺杂P+层401外接低电压、并与低掺杂N-外延层403构成的二极管反偏。
所述的硅基雪崩光电二极管2为硅基垂直结构NP型。
所述的低掺杂P层(200、300、400)的厚度约为15um，掺杂浓度为1016cm-3；所述的高掺杂P+层(201、301、401)的厚度约为2～3um，掺杂浓度为1018cm-3；所述的低掺杂N-外延层(203、303、403)的厚度约为25um，掺杂浓度为1015cm-3；所述的高掺杂N+层(202、302、402)的峰值掺杂浓度为1018cm-3；所述的较高掺杂P层404的峰值掺杂浓度为2×1017～4×1017cm-3。
所述插指状的高掺杂N+层202峰值掺杂浓度为2×1018cm-3；插指间距大于15um小于30um，指宽为15um。
如图3所示，在外界LED光源7两端施加正电压后，LED光源7导通并发射光信号，光伏二极管3和硅基雪崩光电二极管2同时接收到光信号，其中，光伏二极管3由于光伏效应将产生一个输出电压，硅基雪崩光电二极管2在高偏置电压的驱动下将产生光生电流。常开型金属氧化物场效应晶体管8通过充放电管理电路完成栅源极电容的充放电。当无光照条件下时，常开型金属氧化物场效应晶体管8的栅源极电容通过充放电管理电路放电，并最终处于截止状态，此时硅基雪崩光电二极管2的阳极几乎处于断开状态，输出电流极低；当有光照条件下时，光伏二极管阵列3通过充放电管理电路对常开型金属氧化物场效应晶体管8的栅源极电容进行充电，使得栅源极电压超过常开型金属氧化物场效应晶体管8的阈值电压，使晶体最终导通，此时硅基雪崩光电二极管2处于高偏置电压状态下，接受光照后产生较大的输出电流。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种硅基APD的集成电路，其特征在于：它包括衬底(1)、硅基雪崩光电二极管(2)、光伏二极管阵列(3)、双极型NPN三极管(4)和其它由电阻电容构成的管理电路(5)，在所述的衬底(1)上设有数组V型槽(100)，所述的硅基雪崩光电二极管(2)、光伏二极管阵列(3)和双极型NPN三极管(4)分别设在一个V型槽(100)内、并与管理电路(5)集成于同一衬底(100)上。
2.根据权利要求1所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：设有所述硅基雪崩光电二极管(2)的V型槽(100)中有低掺杂P层(200)、高掺杂P+层(201)、高掺杂N+层(202)和低掺杂N-外延层(203)；
设有所述光伏二极管阵列(3)的V型槽(100)内有低掺杂P层(300)、高掺杂P+层(301)、高掺杂N+层(302)、低掺杂N-外延层(303)和较高掺杂P阱(304)；
设有所述NPN三极管(4)的V型槽100中有低掺杂P层(400)、高掺杂P+层(401)、高掺杂N+层(402)、低掺杂N-外延层(403)和较高掺杂P层404，其中，所述的高掺杂N+层(402)为两组。
3.根据权利要求2所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：所述设有硅基雪崩光电二极管(2)的V型槽(100)内的高掺杂N+层(202)形状为插指状。
4.根据权利要求2所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：在所述的硅基雪崩光电二极管(2)中，所述的低掺杂P层(200)和高掺杂P+层(201)分别对应硅基雪崩光电二极管(2)的阳极和雪崩击穿区，所述高掺杂N+层(202)为硅基雪崩光电二极管的阴极。
5.根据权利要求2所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：在所述的光伏二极管阵列(3)中，所述较高掺杂P阱(304)与低掺杂N-外延层(303)分别构成了阳极和阴极，所述低掺杂P层(300)和高掺杂P+层(301)外接低电压、并与低掺杂N-外延层(303)构成的二极管反偏。
6.根据权利要求2所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：在所述的NPN三极管(4)中，两组高掺杂N+层(402)和较高掺杂P层(404)分别构成了NPN三极管的发射极、基极和集电极；NPN三极管所在的V型槽(100)内低掺杂P层(400)和高掺杂P+层(401)外接低电压、并与低掺杂N-外延层(403)构成的二极管反偏。
7.根据权利要求1所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：所述的硅基雪崩光电二极管(2)为硅基垂直结构NP型。
8.根据权利要求2所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：所述的低掺杂P层(200、300、400)的厚度约为15um，掺杂浓度为1016cm-3；
所述的高掺杂P+层(201、301、401)的厚度约为2～3um，掺杂浓度为1018cm-3；
所述的低掺杂N-外延层(203、303、403)的厚度约为25um，掺杂浓度为1015cm-3；
所述的高掺杂N+层(202、302、402)的峰值掺杂浓度为1018cm-3；
所述的较高掺杂P层(404)的峰值掺杂浓度为2×1017～4×1017cm-3。
9.根据权利要求2所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：所述插指状的高掺杂N+层(202)峰值掺杂浓度为2×1018cm-3；插指间距大于15um小于30um，指宽为15um。
10.根据权利要求1所述一种硅基APD的集成电路，其特征在于：所述的衬底(100)采用多晶硅材料制作而成。
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