CN1773712A - Cmos硅双光电探测器 - Google Patents

Abstract

CMOS硅双光电探测器，涉及一种光电集成电路，尤其是涉及一种CMOS硅光电探测器。提供一种与商业CMOS工业完全兼容的CMOS硅双光电探测器及其制备方法。设有P型硅衬底、N阱、P阱、P型重掺杂硅、N型重掺杂硅、金属铝、场氧层、SiO₂绝缘介质层(按制备顺序从下至上共3层)和Si₃N₄表面钝化层，其中P型硅衬底、N阱、P阱、P型重掺杂硅和N型重掺杂硅设于同一硅片材料上，场氧层为对硅片进行氧化在硅片表面生成的氧化硅，金属铝为通过溅射工艺沉积在硅片表面，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。

Description

CMOS硅双光电探测器

技术领域

本发明涉及一种光电集成电路，尤其是涉及一种CMOS硅光电探测器。

背景技术

近年来硅光电探测器有相当快的发展，并得到了广泛的应用，特别是在光纤通信、光盘系统、光电测量等领域。例如，它可用于DVD和CD-ROM等的光学读取头、条形码读取器、超大规模集成电路中的各单元电路的性能检测。在光纤通信领域，硅基光电探测器已经被用在850nm光纤通信和650nm塑料光纤通信中。这些都取决于硅材料本身所决定的光谱特性。另一方面，硅基光电探测器可以采用硅集成电路工艺来实现，易与各种功能的硅IC电路集成，实现单片集成的光电集成电路(OEIC)。

在实际应用中通常需要集成的光电探测器芯片，这是一种光电集成电路(OEIC)。光电探测器芯片主要有两部分组成：光电探测器和相应的处理电路。以光盘信号光电探测器芯片为例，光电探测器接收从光盘上反射过来的微弱的光信号并将之转换成电流信号，这个电流信号很小，通常只有μA量级：光电探测器输出的微弱的电流信号通过处理电路转换成电压信号输出。光电探测器芯片的制备可以采用混合集成或单片集成的办法来实现。前者是在芯片封装过程中通过键合技术把光电探测器与处理电路进行连接；后者则与集成电路的制备方法相同，在同一衬底上实现光电探测器与处理电路并实现他们之间的连接。单片集成可以提高芯片的可靠性和整体性能，同时可以降低大批量生产的成本。从目前来看，各类硅光电探测器和OEIC几乎涉及了Bipolar、CMOS、BiCMOS、SOI工艺，且以Bipolar、和BiCMOS为主；而先进成熟、相对成本低的CMOS工艺能成为硅光电探测器和硅OEIC研究的一个热点。

硅光电探测器可有多种结构，包括肖特基(SB)二极管、金属-半导体-金属(MSM)光电二极管、PN与PIN光电二极管等。虽然SB和MSM光电探测器是平面工艺，制作也很简单，但是需要金属与硅之间的肖特基接触，而CMOS工艺只支持欧姆接触；并且大多数商业的CMOS工艺不在衬底背面做电极，因此纵向结构的PIN光电探测器在商业的CMOS工艺下不太可行。贝尔实验室T.k.Woodward等完全采用商业的0.35μm CMOS集成电路工艺做出了1Gbit/s速率的光接收机芯片，响应波长为850nm，但探测器的响应度只有0.01～0.04A/W。L.D.Garrett等采用高阻片(6×10¹²cm^-3)研制的横向硅PIN结构探测器，在无抗反射膜、5V偏压的情况下，850nm光波长的量子效率达67％(约0.45A/W)。H.Zimmermann等采用高阻外延片(2×10¹³cm^-3)与背电极工艺，设计了多种纵向结构的硅探测器，638nm光波长的响应度达到0.4A/W以上。虽然L.D.Garrett与H.Zimmermann等的方法可以得到高性能的硅探测器，但是需对商业的CMOS集成电路工艺做适当的修改，与商业的CMOS集成电路工艺不完全兼容，一般都不能为IC代工厂所接受。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的硅光电探测器的短波响应差，多光电探测器应用时需加隔离措施，制备工艺与CMOS集成电路不完全兼容等缺点，提供一种与商业CMOS工业完全兼容的CMOS硅双光电探测器及其制备方法。

本发明设有P型硅衬底、N阱(N-Well)、P阱(P-Well)、P型重掺杂硅(P⁺)、N型重掺杂硅(N⁺)、金属铝(AL)、场氧层、SiO₂绝缘介质层(按制备顺序从下至上共3层)和Si₃N₄表面钝化层，其中P型硅衬底、N阱、P阱、P型重掺杂硅和N型重掺杂硅设于同一硅片材料上，场氧层为对硅片进行氧化在硅片表面生成的氧化硅，金属铝为通过溅射工艺沉积在硅片表面，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。

本发明的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N阱和P阱；第三层是N型重掺杂硅、P型重掺杂硅、场氧层、金属铝；第四层到第六层为三层的SiO₂绝缘介质层；第七层是Si₃N₄表面钝化层。所有的纵向尺寸由具体的CMOS工艺决定。本发明的横向结构以N阱为中心对称分布，N阱中心的上表面是P型重掺杂硅，其横向尺寸根据需要的有效光敏面积确定；距离N阱边缘不小于0.4μm的N阱上表面为N型重掺杂硅，宽度不小于0.8μm；N阱内的P型重掺杂硅和N型重掺杂硅由场氧层隔开，宽度不小于1μm；在N阱外围是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1.1μm；N阱内的N型重掺杂硅和P阱内的P型重掺杂硅由场氧层隔开，宽度不小于1.2μm；P阱内其他部分为场氧层。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阱内P型重掺杂硅上的金属铝分布在其周边靠近场氧层。

本发明设有两个PN结构的光电探测器P⁺/N-well和N-well/P-sub，分别称为PD1和PD2，金属铝与N型重掺杂(N⁺)形成欧姆接触，作为探测器的阴极，光电探测器PD1和PD2设有公共阴极，N阱(N-Well)内的P型重掺杂(P⁺)与其接触的金属铝形成欧姆接触，作为光电探测器PD1的阳极；P阱(P-Well)内的P⁺与其接触的金属铝形成欧姆接触，作为光电探测器PD2的阳极；设有3层SiO₂表面绝缘介质层(按制备顺序从下至上共3层)和Si₃N₄表面钝化层。

本发明所说的CMOS硅双光电探测器制备方法，其具体步骤为：

1、首先采用高阻的<100>P型的硅片作为衬底材料；

2、在P型衬底上光刻N-Well区，并采用离子注入工艺实现N-Well；

3、光刻P-Well区，并采用离子注入工艺实现P-Well；

4、光刻有源区(N⁺和P⁺)，采用氧化工艺实现场氧区；

5、光刻N⁺区，通过离子注入实现N⁺；

6、光刻P⁺区，通过离子注入实现P⁺；

7、沉积第一层SiO₂绝缘介质层；

8、光刻接触孔(金属铝与有源区的接触部分)；

9、沉积金属铝，并光刻实现需要的电极与连线；

10、沉积第二和三层SiO₂绝缘介质层(用以第二、第三层金属布线)；

11、沉积Si₃N₄表面钝化层。

与已有的硅光电探测器比较，本发明具有以下突出优点：

1、本发明有很宽的光谱响应范围，克服一般硅光电探测器短波响应差的缺点；

2、当采用多探测器(探测器阵列)时，本发明本身就可以有很好的隔离作用，不需另外的隔离措施；

3、制备工艺与商业的CMOS集成电路的工艺完全兼容，不需要对工艺做任何修改；

4、采用商业的CMOS集成电路工艺，易与各种硅集成电路实现单片集成。

附图说明

图1为CMOS硅双光电探测器结构图。

图2为CMOS双PN光电探测器使用实例。在图2中，VDD表示外接直流电源，Out表示输出，PD1表示光电探测器1，PD2表示光电探测器2。

图3为CMOS双PN光电探测器物理模型。在图3中，ARC表示抗反射膜、P⁺表示表示P型重掺杂硅、N-well表示N阱、P-Sub表示P型硅衬底、W1与W2分别是P⁺/N-well和N-well/P-sub之间的耗尽层厚度。Xw表示硅片厚度、Xp表示P⁺的厚度，Xn表示N⁺的厚度、W2n和W2p分别是W2在N阱与P-sub侧的宽度。

图4(a)、(b)、(c)、(d)为CMOS硅探测器光谱响应曲线。在图4(a)和(b)中，横坐标为波长Wavelength(μm)，纵坐标为响应度Responsivity(A/W)；在图4(c)和(d)中，横坐标为反向偏压Reverse Bias(V)，纵坐标为响应度Responsivity(A/W)。在图4中，Vr——反向偏压；R——反射系数；With ARC——有抗反射膜；Without ARC——无抗反射膜；PD1——光电探测器1；PD2——光电探测器2。

图5为跨阻抗放大器原理图。在图5中，A——电压放大器增益，Rfb——负反馈电阻，Iph——光电探测器等效电流源，CPD——光电探测器等效电容，Integrated photodiode——完整的光电二极管。

图6为跨阻抗放大器实施例的电路组成框图。在图6中，+表示信号输入为正、-表示负反馈。

图7为跨阻抗放大器具体电路组成原理图。在图7中，MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN1b、MN2b、MN3b——各NMOS的名称；MP1、MP2、MP3——各PMOS的名称；Rfb——反馈电阻、Cfb——反馈电容；R1——频率补偿电阻、C1——频率补偿电容；PD——硅双光电探测器；VDD——接外部直流电源；GND——接地；VB——接外部偏置电压；Vout：电压输出。

图8为跨阻抗放大器的直流特性曲线。在图8中，横坐标为Current X(lin)(Amps)——电流(线性)(安培)，u——10^-6；纵坐标为Voltages(lin)——电压(线性)。

图9为跨阻抗放大器的频率特性曲线。在图9中，横坐标为Frequency(log)(HERTZ)——频率(对数)(赫兹)，K——10³，X——10⁶，g——10⁹；纵坐标为Volts dB(lin)——电压分贝(线性)。

图10为跨阻抗放大器的瞬态特性曲线(30MHz)。在图10中，横坐标为Time(lin)(TIME)——时间(线性)(定时)，u——10^-6，n——10^-9；纵坐标为Currents(lin)——电流(线性)；Voltages(lin)——电压(线性)。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，在图1中，P-Substrate表示P型硅衬底，N-Well表示N阱，P-Well表示P阱，P⁺表示P型重掺杂，N⁺表示N型重掺杂，AL表示金属铝，SiO₂表示表面绝缘介质层(按制备顺序从下至上共3层)，Si₃N₄表示表面钝化层。

图1所示的CMOS硅双光电探测器包含两个PN结构的光电探测器：P⁺/N-well和N-well/P-sub，分别称为PD1和PD2，其中AL与N⁺形成欧姆接触，作为探测器的阴极，在该结构中PD1和PD2的阴极是公共的。N阱内的P⁺与其接触的AL形成欧姆接触，作为PD1的阳极；P阱内的P⁺与其接触的AL形成欧姆接触，作为PD2的阳极。

PD1和PD2这两个探测器对光谱响应有着不同的作用，可以有多种使用方法，图2给出了其中两种。如果用于高速率情况，比如650～850nm的光通信中用的光接受机，就只能使用PD1作为光信号采集用探测器，PD2可作为屏蔽二极管，使用方法如图2(a)；而当用于一些比较低速率情况时，如光盘系统的读取头、光电检测系统等低速率要求的场合就可以同时采用PD1和PD2，使用方法如图2(b)。图中OUT端为探测器输出端，一般与放大器连接。这里的双探测器一方面是指有PD1和PD2这两个PN结构的光电探测器，同时也指他们同时使用的情况，如图2(b)。当采用图2(b)的使用方法时，其中PD1与PD2的阳极需要连接在一起。考虑到探测器与处理电路的连接问题，这里可选择采用第一层金属连接。

上述两个探测器对光谱响应有着不同的作用。光电探测器的光电流由两部分组成，一是耗尽区内光生载流子的漂移电流；二是非耗尽区内光生载流子的扩散电流。N阱的掺杂浓度比较高，因此P⁺(1)/N-well之间的耗尽区很窄且在硅表面附近；而N-well/P-sub之间的耗尽区位于距表面相对较深的位置，所以在衬底深处的光生载流子扩散到PD2的耗尽区就被吸收了，PD1只有N阱内少量短途扩散的载流子。在近红外光波段内，硅的吸收系数较小，大部分光生载流子产生于距入射面较深处；而在短波长可见光至紫外光范围内，硅的光吸收系数大，大部分的光生载流子将产生于硅的表面附近。所以器件PD1的长波长响应度很低，而可以有比较高的短波响应；器件PD2的短波长响应度较低，而可以有比较高的长波长响应。从响应的速率方面考虑，非耗尽区的光生载流子的扩散的影响是一个很重要的因素之一。N-well/P-sub实现的PD2探测器由于衬底非耗尽区的光生载流子的长距离扩散，在脉冲激励时会存在“拖尾”现象。PD1的光电流主要是表面耗尽区内光生载流子的漂移电流，因此器件PD1响应速率要比器件PD2快很多，但T.k.Woodward等研究表明这种由N-well/P-sub实现的光电探测器也可以实现155Mb/S的接收速率。因此，如果是在高速率应用，比如650~850nm的光通信中用的光接受机，就只能使用PD1作为光信号采集用探测器，PD2可作为屏蔽二极管，使用方法如图2(a)；而一些比较低速率的应用，如光盘系统的读取头等就可以采用同时采用PD1和PD2，使用方法如图2(b)。

本发明的器件物理模型与数值计算如下：

以下将详细从器件物理模型和理论上计算该结构的CMOS硅光电探测器的光谱响应。图3给出了图2所示的CMOS双PN硅光电探测器的简化一维物理模型。

在图3中，从上往下各层分别是CMOS电路中的介质与钝化层(在这里作为探测器的抗反射膜ARC)、P⁺(厚度X_p)、N阱(厚度X_n)、P衬底(硅片厚度为X_w)。W₁与W₂分别是P⁺/N-well和N-well/P-sub之间的耗尽层厚度。在这里因为P⁺的掺杂浓度远大于N阱的掺杂浓度，所以可以认为W₁基本都在N阱一侧；W_2n和W_2p分别是W₂在N阱与P-sub侧的宽度。W₁与W₂满足以下关系：

$W=\sqrt{\frac{{2\mathrm{\&epsiv;}}_s}{q}\left(\frac{N_A+N_D}{N_A{N}_D}\right)(V_{\mathrm{bi}}-\frac{2\mathrm{KT}}{q}-V)}---\left(1\right)$

其中ε_s为硅的介电常数，内建电势 $V_{\mathrm{bi}}=\frac{\mathrm{KT}}{q}\mathrm{In}\left(\frac{N_A{N}_D}{{n_i}^2}\right)---\left(2\right)$

对应W₁和W₂式中N_A分别为P⁺和P-sub的掺杂浓度，N_D为N阱的掺杂浓度；V为外加偏置电压。而 $W_{2n}=\frac{N_A}{N_A+N_D}{W}_2,W_{2P}=\frac{N_D}{N_A+N_D}{W}_2---\left(3\right)$

设入射光光功率为P_in、波长为λ、能量为hυ、器件表面反射系数为R、探测器的光敏面积为A，则器件表面单位面积的入射光子通量为：φ₀＝P_in(1-R)/Ahυ，那么器件内距离表面x处的光生载流子产生率G(x)可表示为：G(x)＝φ₀αexp(-αx)               (4)

其中α为吸收系数，是波长λ(或能量hυ)的函数。

根据式(1)～(3)以及CMOS工艺条件可以判断，在一般使用反向偏压下N阱都是未完全耗尽的，因此仅讨论这种情况下PD1和PD2的响应度。PD1光电探测器的总的电流密度为：J₁＝J_P++J_w1+J_N-w1；PD2光电探测器的总的电流密度为：J₂＝J_N-w2+J_w2+J_sub。按图2(b)方法使用时，总的电流密度J₀＝J₁+J₂。基于上述的假设与近似，下面给出小注入、短路及稳态下各区的电流密度(正方向取由N到P)：

(1)P⁺区

P⁺区光生少子(电子)主要以扩散运动主，其稳态的连续方程与边界条件为：

$\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&Delta;n}\left(x\right)}{{\&PartialD;x}^2}-\frac{\mathrm{\&Delta;n}\left(x\right)}{{L_n}^2}=\frac{G\left(x\right)}{D_n}---\left(5\right)$

$x=0D_n\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;n}\left(x\right)}{\&PartialD;x}=S\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;n}\left(x\right)---\left(6\right)$

x＝x_pΔn(x)＝n(x)-n_p0＝-n_p0                                   (7)

其中Δn(x)为P⁺区的x处的非平衡电子浓度，D_n、L_n分别是P⁺区电子的扩散系数和扩散长度，S为表面复合速度，n_p0是P⁺区中电子的平衡浓度。由式(4)~(7)可得P⁺区的光电流密度：

$J_{p+}=-D_{n}q\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;n}\left(x\right)}{\&PartialD;x}{|}_{x=x_p}=\frac{\mathrm{q\&alpha;}{\mathrm{\&phi;}}_0{L_n}^2}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{L_n}^2-1}\{\frac{(\mathrm{\&alpha;}{D}_n+S)-[\frac{D_n}{L_n}\mathrm{sh}\left(\frac{x_p}{L_n}\right)+S\&CenterDot;\mathrm{ch}\left(\frac{x_p}{L_n}\right)]\exp (-\mathrm{\&alpha;}{x}_p)}{D_n\mathrm{ch}\left(\frac{x_p}{L_n}\right)+S{\&CenterDot;L}_n\mathrm{sh}\left(\frac{x_p}{L_n}\right)}-\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\exp (-\mathrm{\&alpha;}{x}_p)\}$

$+q{D}_n{n}_{p0}\frac{\mathrm{sh}\left(\frac{x_p}{L_n}\right)+S\&CenterDot;\mathrm{ch}\left(\frac{x_p}{L_n}\right)}{D_n\mathrm{ch}\left(\frac{x_p}{L_n}\right)+S\&CenterDot;L_n\mathrm{sh}\left(\frac{x_p}{L_n}\right)}---\left(8\right)$

(2)P⁺/N-well耗尽区

耗尽区的光电流主要由光生载流子的漂移产生，所以该区的光电流密度：

$J_{w1}=q{\&Integral;}_{x_p}^{x_p+w_1}G\left(x\right)\mathrm{dx}=q{\mathrm{\&phi;}}_0\exp (-\mathrm{\&alpha;}{x}_p)[1-\exp (-\mathrm{\&alpha;}{w}_1)]---\left(9\right)$

(3)N阱未耗尽区

N阱未耗尽区光生少子(空穴)主要以扩散运动主，其稳态的连续方程与边界条件为：

$\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&Delta;p}\left(x\right)}{\&PartialD;x^2}-\frac{\mathrm{\&Delta;p}\left(x\right)}{{L_p}^2}=-\frac{G\left(x\right)}{D_p}---\left(10\right)$

x＝x_p+w₁Δp(x)＝p(x)-p_n0＝-p_n0                                  (11)

x＝x_n-w_2nΔp(x)＝p(x)-p_n0＝-p_n0                                 (12)

Δp(x)为N阱未耗尽x处的非平衡电子浓度，D_p、L_p分别是该区空穴的扩散系数和扩散长度，p_n0是该区中空穴的平衡浓度。由式(4)以及式(10)～(12)可得：

Δp(x)＝k_pexp(-αx)+c₁exp(x/L_p)+c₄exp(-x/L_p)

其中 $k_p=-\frac{\mathrm{\&alpha;}{\mathrm{\&phi;}}_0{L_p}^2}{D_p({\mathrm{\&alpha;}}^2{L_p}^2-1)}---\left(13\right)$

$c_1=\frac{\{p_{n0}+k_p\exp [-\mathrm{\&alpha;}(x_p+w_1)\left]\right\}\exp \left(\frac{x_p+w_1}{L_p}\right)\exp (-\frac{x_n-w_{2n}}{L_p})-k_p\exp [-\mathrm{\&alpha;}(x_n-w_{2n})]-p_{n0}}{\exp \left(\frac{x_n-w_{2n}}{L_p}\right)-\exp \left[\frac{2(x_p+w_1)}{L_p}\right]\exp (-\frac{x_n-w_{2n}}{L_p})}---\left(14\right)$

$c_2=\frac{\{p_{n0}+k_p\exp [-\mathrm{\&alpha;}(x_p+w_1)\left]\right\}\exp (-\frac{x_p+w_1}{L_p})\exp \left(\frac{x_n-w_{2n}}{L_p}\right)-k_p\exp [-\mathrm{\&alpha;}(x_n-w_{2n})]-p_{n0}}{\exp (-\frac{x_n-w_{2n}}{L_p})-\exp [-\frac{2(x_p+w_1)}{L_p}]\exp \left(\frac{x_n-w_{2n}}{L_p}\right)}---\left(15\right)$

在该区域产生的光生少子(空穴)有一部分向P⁺/N-well耗尽区扩散，影响PD1的光电流；而另外一部分则向N-well/P-sub耗尽区扩散，影响PD2的光电流。因此需将这两者分开进行讨论。这里我们假设该区域产生的光生少子向两边耗尽层扩散的概率相同，所以可以得到影响PD1的光电流密度：

$J_{N-w1}=D_{p}q\frac{\&PartialD;[\mathrm{\&Delta;p}\left(x\right)/2]}{\&PartialD;x}{|}_{x=x_p+w_1}$

$=\frac{1}{2}{D}_{p}q\{-k_p\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\exp [-\mathrm{\&alpha;}(x_p+w_1)]+\frac{c_1}{L_p}\exp \left(\frac{x_p+w_1}{L_p}\right)-\frac{c_2}{L_p}\exp (-\frac{x_p+w_1}{L_p})\}---\left(16\right)$

影响PD2的光电流密度：

$J_{N-w2}=-D_{p}q\frac{\&PartialD;[\mathrm{\&Delta;p}\left(x\right)/2]}{\&PartialD;x}{|}_{x=x_n-w_{2n}}$

$=-\frac{1}{2}{D}_{p}q\{-k_p\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\exp [-\mathrm{\&alpha;}(x_n-w_{2n})]+\frac{c_1}{L_p}\exp \left(\frac{x_n-w_{2n}}{L_p}\right)-\frac{c_2}{L_p}\exp (-\frac{x_n-w_{2n}}{L_p})\}---\left(17\right)$

(4)N-well/P-sub耗尽区

该耗尽区的光生电流密度：

$J_{w2}=q{\&Integral;}_{x_n-w_{2n}}^{x_n+w_{2p}}G\left(x\right)\mathrm{dx}=q{\mathrm{\&phi;}}_0\exp (-\mathrm{\&alpha;}{x}_n)[\exp \left(\mathrm{\&alpha;}{w}_{2n}\right)-\exp (-\mathrm{\&alpha;}{w}_{2p})]---\left(18\right)$

(5)P衬底区

P衬底区光生少子(电子)以扩散运动主，其稳态的连续方程形式与式(5)相同，边界条件为：

x＝x_n+w_2pΔn(x)＝n(x)-n_ps0＝-n_ps0                          (19)

x＝x_w    Δn(x)＝n(x)-n_ps0＝0                                (20)

同样，可以得到P衬底区光电流密度：

$J_{\mathrm{sub}}=D_{\mathrm{ns}}q\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Delta;n}\left(x\right)}{\&PartialD;x}{|}_{x=x_n+w_{2p}}$

$=\frac{\mathrm{q\&alpha;}{L}_{\mathrm{ns}}{\mathrm{\&phi;}}_0}{{\mathrm{\&alpha;}}^2{L_{\mathrm{ns}}}^2-1}\{\mathrm{\&alpha;}{L}_{\mathrm{ns}}+\exp [-\mathrm{\&alpha;}(x_w-x_n-w_{2p})]\mathrm{csch}\left(\frac{x_w-x_n-w_{2p}}{L_{\mathrm{ns}}}\right)-\mathrm{cth}\left(\frac{x_w-x_n-w_{2p}}{L_{\mathrm{ns}}}\right)\}$

$\&bull;\exp [-\mathrm{\&alpha;}(x_n+w_{2p})]+\frac{q{D}_{\mathrm{ns}}{n}_{\mathrm{ps}0}}{L_{\mathrm{ns}}}\mathrm{cth}\left(\frac{x_w-x_n-w_{2p}}{L_{\mathrm{ns}}}\right)---\left(21\right)$

其中D_ns、L_ns分别是P衬底电子的扩散系数和扩散长度，n_ps0是P衬底中电子的平衡浓度。各探测器的绝对光谱响应由以下公式确定：

Res_i＝J_i·A/P_in (i＝0、1、2)                                            (22)

从上面的表达式可以看出，反射系数R对电流密度的影响很大，所以光电探测器一般都会通过抗反射膜来减小表面发射来提高量子效率与响应度。在标准CMOS工艺中一般有以下4种材料可以覆盖在硅衬底表面：铝、多晶硅、SiO₂、Si₃N₄，其中SiO₂、Si₃N₄可以用来做抗反射膜使用。但是在标准CMOS工艺中其厚度不能随便改变，因此这种抗反射膜的效果并不是最好的。尽管如此，在硅探测器的光谱范围内SiO₂、Si₃N₄对光的吸收可以忽略，考虑SiO₂、Si₃N₄后的反射系数小于无此介质和钝化层的反射系数(约30％)。这种情况下的反射系数参考双层光学薄膜的计算方法。

图4是采用CSMC 6S05DPTM CMOS工艺条件下探测器的光谱响应曲线。图4(a)给出了无抗反射膜(R＝0.3)时PD1、PD2以及双PD(PD1+PD2)的光谱响应。-2.5V反向偏压下，PD1的响应峰值在光波长415nm左右，响应度达到0.217A/W；PD2的响应峰值在光波长810nm左右，响应度为0.18A/W。按图2(b)使用的双PD，波长从400～900nm都有较高的响应度，解决了一般硅光电探测器短波响应差的缺点。这主要是由于PD1的P⁺很薄，P⁺/N-well耗尽区很接近器件表面，可以很好地克服“死层”问题。图4(b)是-2.5V反向偏压下双PD在不同抗反射膜条件下的光谱响应曲线。有介质、钝化层以后，总体的响应度都比没有反射膜时要高；其中的震荡现象是由于反射系数受光波长的影响而导致。图4(c)是双PD探测器在不考虑抗反射膜条件下，各种光波长随反向偏压变化的光谱响应曲线。由于P⁺/N-well耗尽区受偏置电压的影响不大，所以在短波长探测器的响应度随反向偏压的变化很小；N-well/P-sub耗尽区随反向偏压的增大而增加较大，所以反向偏压的增大时650nm以上波长的响应度会有比较明显的提高。图4(d)是不考虑抗反射膜、850nm光波长条件下，探测器随反向偏压变化的光谱响应曲线。PD1的响应度几乎不受反向偏压的影响，约0.03A/W左右；PD2以及双PD的响应度随反向偏压增大而增加，其原因同上面一样是由两个耗尽层受反向偏压的影响不同而造成的。从图4(d)中可以得到-5V反向偏压下，850nm光波长PD1的响应度约为0.03A/W；PD2的响应度约为0.21A/W。

以下给出其响应速度分析，光电探测器的响应速度主要受两个因素的影响：载流子的扩散时间和在耗尽区内的漂移时间；结电容和负载电阻加上串联电阻构成的时间常数。在不接外电路的情况下，探测器的响应速度主要受前者的限制，由此造成对探测器的频率限制称为是光电探测器的固有频率。而后者对应地可以成为光电探测器的电器频率，可以通过选择合适的负载电路来改变它对OEIC的-3dB带宽的影响。不考虑负载，在2.5V反向偏压下，双PD的固有频率见表1：

         表1双PD的固有频率

波长(nm)	固有频率(MHz)	用途
			780650	约20约140	CD、VCDDVD

以下给出其放大处理电路，放大处理电路的任务是将光电探测器输出的微弱的电流信号转化为电压信号并放大输出，这种放大电路是一个跨阻抗放大器(transimpedanceamplifier：TIA)，图5为跨阻抗放大器的原理图，它由电压放大器A和负反馈电阻Rfb构成。左边虚线框中为光电探测器的等效电路，由一个等效电流源Iph和一个等效电容C_PD组成，因此图5也可以表示为光电探测器芯片(OEIC)的原理图。

这里的TIA是结合前面设计的双PD为CD光盘信号提取所用，所以其必须根据光盘信号的特点以及双PD的特性来设计。从前面的分析，780nm波长，2.5V反向偏压下双PD的响应度约为0.2A/W，100×50μm²有效光敏面的结电容约为2.2pF。这里TIA采用结构如图6：

因为双PD的结电容比较大，为了得到比较理想的带宽，需要在保证稳定性的前提下尽量提高放大器A的增益；同时高开环增益A可以得到高的闭还增益。因此这里考虑采用多级(3级，这由具体的单级放大器决定)来提高。输出级用来获得小的输出阻抗。反馈电阻使整个电路构成负反馈结构，由它把普通的电压放大器变成跨阻抗放大器。具体的电路结构如图7：第一级放大器：MN1、MP1、MN1b；第二级放大器：MN2、MP2、MN2b；第三级放大器：MN3、MP3、MN3b；输出级：MN5、MN4、R1、C1；反馈元件：Rfb、Cfb。其中MN1与MP1、MN2与MP2、MN3与MP3分别构成推挽结构的CMOS单端输入放大器；MN1b、MN2b、MN3b分别用来限制每一级的增益，保证电路的稳定性；MN5、MN4构成源极跟随器作为输出级，R1、C1为实现频率补偿，改善电路的频率特性；Rfb和Cfb分别为反馈电阻反馈电容，Cfb也是用来改善电路的频率特性。另外PD为前面设计的硅双光电探测器。VDD接外部5V直流电源，GND接地，VB接外部2.5V直流电源，Vout为电压输出。

在CSMC 6S05DPTM工艺下，图7中各器件的大小或几何尺寸参见表2。

当并联外接10KΩ和10pF的负载时，TIA的主要仿真结果如下：TIA的增益为173KΩ，频率带宽为50MHz。

                                   表2

器件名称	光敏面积(μm2)	电阻(KΩ)	电容(pF)	L(μm)	W(μm)	MOS类型
							PDRfbR1CfbC1MN1MP1MN1bMN2MP2MN2bMN3MP3MN3bMNMN5	100*50	1755	130.3	0.50.550.50.50.550.50.50.550.50.80.5	510.5148.2151011005	nvNnvPnvNnvNnvPnvNnvNnvPnvNdepNnvN

Claims (5)

1、CMOS硅双光电探测器，其特征在于设有P型硅衬底、N阱、P阱、P型重掺杂硅、N型重掺杂硅、金属铝、场氧层、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层，其中P型硅衬底、N阱、P阱、P型重掺杂硅和N型重掺杂硅设于同一硅片材料上，场氧层为对硅片进行氧化在硅片表面生成的氧化硅，金属铝为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。

2、如权利要求1所述的CMOS硅双光电探测器，其特征在于所说的P型硅衬底、N阱、P阱、P型重掺杂硅、N型重掺杂硅、金属铝、场氧层、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层的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N阱和P阱；第三层是N型重掺杂硅、P型重掺杂硅、场氧层、金属铝；第四层到第六层为三层的SiO₂绝缘介质层；第七层是Si₃N₄表面钝化层。

3、如权利要求1所述的CMOS硅双光电探测器，其特征在于所说的P型硅衬底、N阱、P阱、P型重掺杂硅、N型重掺杂硅、金属铝、场氧层、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层的横向结构以N阱为中心对称分布，N阱中心的上表面是P型重掺杂硅，距离N阱边缘不小于0.4μm的N阱上表面为N型重掺杂硅，宽度不小于0.8μm；N阱内的P型重掺杂硅和N型重掺杂硅由场氧层隔开，宽度不小于1μm；在N阱外围是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1.1μm；N阱内的N型重掺杂硅和P阱内的P型重掺杂硅由场氧层隔开，宽度不小于1.2μm；P阱内其他部分为场氧层；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阱内P型重掺杂硅上的金属铝分布在其周边靠近场氧层。

4、如权利要求1所述的CMOS硅双光电探测器，其特征在于所说的P型硅衬底、N阱、P阱、P型重掺杂硅、N型重掺杂硅、金属铝、场氧层、SiO₂绝缘介质层和Si₃N₄表面钝化层组成两个PN结构的光电探测器P⁺/N-well和N-well/P-sub，分别称为PD1和PD2，金属铝与N型重掺杂形成欧姆接触，作为探测器的阴极，光电探测器PD1和PD2设有公共阴极，N阱内的P型重掺杂与其接触的金属铝形成欧姆接触，作为光电探测器PD1的阳极；P阱内的P⁺与其接触的金属铝形成欧姆接触，作为光电探测器PD2的阳极；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。

5、如权利要求1所述的CMOS硅双光电探测器制备方法，其特征在于其具体步骤为：

1)首先采用高阻的<100>P型的硅片作为衬底材料；

2)在P型衬底上光刻N-Well区，并采用离子注入工艺实现N-Well；

3)光刻P-Well区，并采用离子注入工艺实现P-Well；

4)光刻有源区N⁺和P⁺，采用氧化工艺实现场氧区；

5)光刻N⁺区，通过离子注入实现N⁺；

6)光刻P⁺区，通过离子注入实现P⁺；

7)沉积第一层SiO₂绝缘介质层；

8)光刻接触孔；

9)沉积金属铝，并光刻实现需要的电极与连线；

10)沉积第二和三层SiO₂绝缘介质层；

11)沉积Si₃N₄表面钝化层。

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