CN108538865A - 一种硅基三光电探测器 - Google Patents
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Abstract
一种硅基三光电探测器，属于半导体光电器件领域。包括P型衬底和设置在P型衬底上的深N阱，P型衬底和深N阱构成屏蔽二极管PD1；深N阱上设置有P阱，P阱外围设置有N阱，P阱和深N阱构成第一工作二极管PD2；N阱内设置第一N+扩散区，P阱内设置第二N+扩散区，第二N+扩散区和P阱构成第二工作二极管PD3；P阱内位于第二N+扩散区外围且不与N+扩散区接触的位置处设置第一P+扩散区，在P型衬底表面且位于N阱外围处设置第二P+扩散区；第一N+扩散区和第二N+扩散区引出电极接阴极，第一P+扩散区引出电极接阳极，第二P+扩散区引出电极接地。本发明提高了器件的响应度和量子效率，扩大了光探测范围，可以适用于高速应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种硅基三光电探测器，能够适用于高速应用中。
背景技术
自从20世纪70年代光电集成(OEIC)概念被提出后，光电集成技术迅速发展，在光互连、光通信、光存储、光计算机系统以及军事、航空领域均有重要应用。光电集成电路是利用微电子和光电子的集成技术，将光电器件和电学器件集成在一块芯片上，其中，光电器件一般为发光二级管或光电接收二极管，实现将光信号转化为电信号，电信号在后续由电学器件构成的电路中被处理。单片光电集成电路中衍生出两个发展方向：一是利用CMOS工艺设计硅Si基的光电探测器与后续电路集成，二是利用具有良好光电探测特性的III-V族材料设计光电探测器件，其中硅基光电探测器由于其成熟而廉价的工艺而被业内广泛采用，是单片光电集成的首选器件。
PN结是最简单的光电探测器，当P型半导体和N型半导体接触时，由于载流子的扩散运动会在结处形成一个具有一定电场的空间电荷区。当入射光照射器件时，若光子的能量大于光电器件材料的禁带宽度，位于价带的电子就会跃迁到导带，形成一个电子-空穴对。耗尽区内的空穴-电子对会在电场作用下做漂移运动，形成光电流。在中性区内产生的空穴-电子对会通过扩散作用到达耗尽区内，这部分扩散电流也会对光电流有贡献，但由于扩散速度较慢，往往会影响光电器件的带宽，对高速应用的光电集成OEIC有所影响。
为适用于高速场合的光电探测器，目前已经研究出多种结构的光电二极管，如：空间调制型光电探测器，PIN型光电二极管，双光电探测器(Double Photodiode-DPD)等。空间调制型光探测器利用受光和不受光的二极管产生的电流作差可消除慢扩散的电流，但光电流和响应度较小；PIN型光电二极管利用大耗尽区的特点实现高带宽，但由于PIN型器件一般与标准CMOS工艺不兼容，会增加流片成本。典型双光电探测器的结构如图2所示，双光电探测器利用一个屏蔽二极管为另一个工作二极管屏蔽掉衬底本征带宽较低的慢扩散电流实现高带宽，但由于单个工作二极管的耗尽区很窄，产生的光电流小，因此与光电转换能力相关的参数--响应度和量子效率也较低，而且由于工作二极管耗尽区一般位于器件表面，只适用于短波段的光探测。
发明内容
针对上述传统高速光电探测器响应度小、量子效率低的缺点，本发明在双光电探测器的基础上为进一步改进结构、扩大光探测范围、优化器件的响应度和量子效率，提供了一种与CMOS工艺兼容的硅基三光电探测器(Triple Photodiode-TPD)。
本发明的技术方案为：
一种硅基三光电探测器，其特征在于，包括P型衬底P-SUB和设置在所述P型衬底P-SUB上的深N阱DNW，所述P型衬底P-SUB和所述深N阱DNW构成屏蔽二极管PD1；
所述深N阱DNW上设置有P阱PWELL，所述P阱PWELL外围设置有N阱NWELL，所述P阱PWELL和所述深N阱DNW构成第一工作二极管PD2；
所述N阱NWELL内设置第一N+扩散区，所述P阱PWELL内设置第二N+扩散区，所述第二N+扩散区和所述P阱PWELL构成第二工作二极管PD3；
所述P阱PWELL内位于第二N+扩散区外围且不与所述N+扩散区接触的位置处设置第一P+扩散区；
在所述P型衬底P-SUB表面且位于所述N阱NWELL外围处设置第二P+扩散区；
所述第一N+扩散区和第二N+扩散区引出电极接阴极，所述第一P+扩散区引出电极接阳极，所述第二P+扩散区引出电极接地。
具体的，所述第一N+扩散区、第一P+扩散区和第二P+扩散区为环形结构，且所述第一N+扩散区、第一P+扩散区和第二P+扩散区的环形结构均为同心环。
具体的，所述硅基光电探测器采用SMIC的0.18umCMOS工艺制作。
本发明的有益效果为：由于第二工作二极管PD3和第一工作二极管PD2耗尽区的载流子可很快被阳极吸收，屏蔽二极管PD1阻止来自衬底的慢扩散载流子进入第二工作二极管PD3和第一工作二极管PD2，这样一来就消除了对器件带宽不利的慢扩散电流，实现了器件的高带宽，可以适用于高速应用场合；同时本发明用位于不同深度的第一工作二极管PD2和第二工作二极管PD3的两个耗尽区来扩宽光子的吸收区，提高了器件的响应度和量子效率；与双光电探测器相比具有更好的光电转换能力。
附图说明
图1是本发明提供的一种硅基三光电探测器的截面结构示意图。
图2是典型双光电探测器的截面结构示意图。
图3是本发明提供的硅基三光电探测器在不同反向偏压下的频率响应曲线。
图4是本发明提供的硅基三光电探测器和典型双光电探测器的光谱响应曲线。
图5是本发明提供的硅基三光电探测器和典型双光电探测器的量子效率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的器件结构和工作原理进行进一步说明。
如图1所示是本发明提供的一种硅基三光电探测器的截面结构示意图，包括P型衬底P-SUB和设置在P型衬底P-SUB上的深N阱DNW；深N阱DNW上设置有P阱PWELL，P阱PWELL外围设置有N阱NWELL；N阱NWELL内设置第一N+扩散区，P阱PWELL内设置第二N+扩散区；P阱PWELL内位于第二N+扩散区外围且不与N+扩散区接触的位置处设置第一P+扩散区，在P型衬底P-SUB表面且位于所述N阱NWELL外围处设置第二P+扩散区；第一N+扩散区和第二N+扩散区引出电极接阴极，第一P+扩散区引出电极接阳极，第二P+扩散区引出电极接地。
一些实施例中第一N+扩散区、第一P+扩散区和第二P+扩散区为环形结构，且第一N+扩散区、第一P+扩散区和第二P+扩散区的环形结构均为同心环为了给环形结构的扩散区充分供电，在每个环形结构上都可以引出四个电极。
为了提高光电探测器的带宽，一般有两类方法：1.增大器件的耗尽区，耗尽区宽度增加会使更多的光生载流子产生在具有大电场的耗尽区内，这部分光生载流子在电场作用下做高速的漂移运动，可以提高器件带宽。2.消除来自衬底的慢扩散电流，入射光在硅中的透射深度随波长增加而增加，衬底中也有大部分光生载流子，消除这部分载流子产生的电流会大大提高器件带宽但会减小响应度。可以看出在提高器件带宽的同时，势必在工艺实现或者保持响应度和量子效率上存在难度。
而本发明利用三个PN结形成三个光电二极管，其中P型衬底P-SUB和深N阱DNW构成屏蔽二极管PD1，P阱PWELL和深N阱DNW构成第一工作二极管PD2，第二N+扩散区和P阱PWELL构成第二工作二极管PD3，三个光电二极管PD1、PD2、PD3并联，在器件不同深度处形成耗尽区，屏蔽二极管PD1用于屏蔽衬底慢扩散载流子，本发明区别于只有一个工作二极管的双光电探测器，在消除了来自衬底的慢扩散载流子的基础上还增加一个工作管，用位于不同深度的第一工作二极管PD2和第二工作二极管PD3的两个耗尽区来扩宽光子的吸收区，提高了器件的响应度和量子效率。
一般可实现高带宽的硅基光电器件如PIN型二极管与标准CMOS工艺不兼容，会增加流片成本，而本发明提供的硅基三光电探测器可以采用SMIC的0.18umCMOS工艺，这样做使得本发明与标准CMOS工艺兼容，该工艺流程如下：
步骤一：在P型衬底P-SUB上离子注入生长一层深N阱DNW，本实施例中其结深为3.8um，深N阱DNW和P型衬底P-SUB构成一个屏蔽二极管PD1。
步骤二：在深N阱DNW上表面的边界附近生长一圈N阱NWELL环包围深N阱DNW，一些实施例中为了保证良品率，可以使得根据不同工艺的设计规则调整N阱NWELL和深N阱DNW的位置。
步骤三：在深N阱DNW中进行P阱PWELL的注入，使得N阱NWELL包围P阱PWELL，本实施例中P阱PWELL和N阱NWELL结深都为1.2um，P阱PWELL和深N阱DNW构成第一工作二极管PD2。
步骤四：进行有源区的扩散，即在N阱NWELL内形成第一N+扩散区，引出阴极给N阱NWELL和深N阱DNW供电；在P阱PWELL内制造第二N+扩散区，第二N+扩散区引出接阴极并和P阱PWELL形成第二工作二极管PD3，第一N+扩散区和第二N+扩散区的注入可与NMOS的源漏极同时制备。
步骤五：在P阱PWELL内制造第二N+扩散区周围的第一P+扩散区，第一P+扩散区引出接阳极，第一P+扩散区的注入可与PMOS的源漏极同时制备，本实施例中所有N+/P+扩散区结深均为0.2um。
步骤六：在P型衬底P-SUB表面制造第二P+扩散区构成器件的保护环，第二P+扩散区将N阱NWELL包围，并在第二P+扩散区内引出电极接地，用于隔离同一块衬底上的其他器件。
所以，该结构一共有三个二极管，分别为：第二工作二极管PD3(N+/PWELL)、第一工作二极管PD2(PWELL/DNW)、屏蔽二极管PD1(DNW/P-SUB)，其中第二工作二极管PD3和第一工作二极管PD2的耗尽区为三光电探测器的光吸收区。
以上工艺在三光电探测器整体尺寸60um×60um的基础上，根据其设计规则(DRC)和器件的结构特点，确定工作管的优选尺寸参数：PD3的尺寸为47um×47um，PD2的尺寸为51um×51um。
本实施例中的电极接法为：P型衬底P-SUB上的第二P+扩散区保护环接零电位，N阱NWELL和P阱PWELL中的第一N+扩散区和第二N+扩散区引出接阴极Cathode，P阱PWELL中的第一P+扩散区引出接阳极Anode作为器件的输出端。这样一来，当该三光电探测器工作时，阴极电压Vcathode＝VDD，屏蔽二极管PD1、第一工作二极管PD2和第二工作二极管PD3均位于反向偏压状态。
当有光照射在器件上，反偏的第二工作二极管PD3和第一工作二极管PD2产生一个耗尽区，第二工作二极管PD3的耗尽区主要分布在浅掺杂的P阱PWELL一侧，第一工作二极管PD2由于PN结两侧掺杂低耗尽区宽度会大于第二工作二极管PD3，此时光子主要在两个耗尽区内被吸收，在耗尽区内做漂移运动被阳极吸收形成光电流，最后通过阳极Anode输出。第一N+扩散区和第二N+扩散区结深较浅，在标准CMOS工艺下只有零点几微米。P阱PWELL和深N阱DNW的浅掺杂使得耗尽区占据了PN结较大一部分宽度，所以在第一N+扩散区、第二N+扩散区、P阱PWELL和深N阱DNW中性区内的慢扩散载流子可忽略不计，第二工作二极管PD3和第一工作二极管PD2耗尽区电流的本征带宽可以达到很大。
在工作状态下，从P型衬底P-SUB扩散到P阱PWELL/深N阱DNW耗尽区内的慢扩撒载流子被屏蔽二极管PD1的耗尽区所吸收，不会扩散到两个工作二极管内，对输出光电流的响应速度不会产生影响。
第二工作二极管PD3和第一工作二极管PD2耗尽区的载流子可很快被阳极吸收，这样一来就消除了对器件带宽不利的慢扩散电流，实现器件的高带宽。并且两个工作管，提高了器件的光吸收区宽度，可产生更大的光电流，弥补了双光电管中屏蔽管屏蔽掉的那部分慢扩散电流，提高器件的响应度和量子效率。
仿真带宽分析(仿真结果如图3)，在入射光波长为850nm，阴极电压Vcathode＝2.5V，3V，5V的条件下3dB带宽分别为392Mhz，406Mhz，598Mhz。带宽随反向电压增加而增加，是因为反向电压增加耗尽层电场增加，载流子漂移速度增加，漂移时间减小导致带宽提高。在适当电压条件下，该结构所达到的带宽已适用于高速应用场合。本发明可以适用于要求的带宽低于该高速探测器带宽的所有场合，而高速应用中要求的带宽更大。
本发明在响应度和量子效率方面较双光电探测器均有改善，双光电探测器DPD的工作管尺寸与三光电探测器TPD一样，响应度仿真结果如图4。仿真结果发现：在3V的反偏电压下，三光电探测器的峰值波长约为500nm，响应度峰值约为0.311A/W，在波长850nm处的响应度约为0.074A/W。双光电探测器的光谱响应曲线的变化趋势与本发明提出的三光电探测器相同，响应度均是先增加，然后再降低。只是双光电探测器的峰值波长小于本发明提出的三光电探测器的峰值波长，这主要是因为双光电探测器的工作二极管结深较浅，所以能够探测到的峰值波长更小。从图2还可知，双光电探测器的响应度(特别是长波段)明显低于本发明提出的三光电探测器的响应度，这主要是因为本发明提出的三光电探测器相比于双光电探测器，三光电探测器的内部增加了一个工作二极管即第一工作二极管PD2，此工作二极管有利于吸收光子(特别是长波段的光子)，因此本发明提出的三光电探测器可以产生更多的光电流，在长波段得到更大的响应度。
量子效率的仿真结果如图5，仿真结果表明：在3V反向偏压下，三光电探测器在波长为450nm时量子效率最高，约80.2％，在850nm时量子效率为10.8％。当波长一定时，本发明提出的三光电探测器的量子效率大于双光电探测器的量子效率。这主要是因为本发明提出的三光电探测器比双光电探测器结构增加了一个工作二极管即第一工作二极管PD2，当外加偏压和波长一定时，本发明提出的三光电探测器的的光吸收区要大于双光电探测器的光吸收区，所以三光电探测器吸收的光子数要多于双光电探测器，因此三光电探测器的量子效率要大于双光电探测器的量子效率。
由图5还可知，随着入射波长的增加，三光电探测器与双光电探测器量子效率的差值先增加然后减小。这主要是因为当入射波长较小时，光的透射深度较小，进入双光电探测器的光子大部分都能被双光电探测器吸收，而三光电探测器由于内部增加了一个工作二极管即第一工作二极管PD2，所以不仅能够吸收到透射深度较浅的光子，而且还能够吸收透射深度大于双光电探测器光吸收区的光子。由于入射波长较短，所以透射深度大于双光电探测器光吸收区的光子数量较少，所以两种光电探测器量子效率的差值较小。但是随着入射波长的增加，透射深度大于过双光电探测器光吸收区的光子数量增加，三光电探测器的第一工作二极管PD2可以吸收到更多的光子，所以随着入射波长的增加，所以两种光电探测器量子效率的差值逐渐增加。当入射波长较长，光子的透射深度超过三光电探测器的光吸收区时，三光电探测器与双光电探测器均只能吸收到少量的光子，所以两种光电探测器量子效率的差值较小。当波长大于截止波长时，此时硅材料相对于入射光来说是透明的，不会吸收入射光子，所以两种光电探测器量子效率均变为零，量子效率的差值也为零。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种硅基三光电探测器，其特征在于，包括P型衬底(P-SUB)和设置在所述P型衬底(P-SUB)上的深N阱(DNW)，所述P型衬底(P-SUB)和所述深N阱(DNW)构成屏蔽二极管(PD1)；
所述深N阱(DNW)上设置有P阱(PWELL)，所述P阱(PWELL)外围设置有N阱(NWELL)，所述P阱(PWELL)和所述深N阱(DNW)构成第一工作二极管(PD2)；
所述N阱(NWELL)内设置有第一N+扩散区，所述P阱(PWELL)内设置有第二N+扩散区，所述第二N+扩散区和所述P阱(PWELL)构成第二工作二极管(PD3)；
所述P阱(PWELL)内位于第二N+扩散区外围且不与所述N+扩散区接触的位置处设置有第一P+扩散区；
在所述P型衬底(P-SUB)表面且位于所述N阱(NWELL)外围处设置有第二P+扩散区；
所述第一N+扩散区和第二N+扩散区引出电极接阴极，所述第一P+扩散区引出电极接阳极，所述第二P+扩散区引出电极接地。
2.根据权利要求1所述的一种硅基三光电探测器，其特征在于，所述第一N+扩散区、第一P+扩散区和第二P+扩散区为环形结构，且所述第一N+扩散区、第一P+扩散区和第二P+扩散区的环形结构均为同心环。
3.根据权利要求1所述的一种硅基三光电探测器，其特征在于，所述硅基光电探测器采用SMIC的0.18umCMOS工艺制作。
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