CN204946901U - 一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器，包括第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器包括第一器件区，第一光电探测器的第一器件区由NPN晶体管的集电区形成，M个第一光电探测器的第二器件区制作在第一光电探测器的第一器件区内，M为小于10的自然数，所述第一光电探测器的第二器件区由NPN晶体管的基区形成，第二光电探测器结构与第一光电探测器结构相同；第二光电探测器表面覆盖有铝膜。本实用新型具有在获得更高量子效率方面具有明显优势的有益效果，并且具有响应速度快的有益效果。

Description

一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光电探测传感器，特别是能够与硅双极工艺兼容的光电探测传感器。

背景技术

光电探测传感器的基本功能是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流。其性能的好坏直接关系到接收处理电路的精度。因此，只有选择和设计合适的光电探测器，才不会削弱接收处理电路的性能。

设计时，主要考虑的是光电探测器的噪声，量子效率，响应度等几项技术指标。

在很多应用领域，例如光耦合器输出部分，往往需要将光电探测器和信号处理集成在同一块单芯片上，也即是实现光电探测器与信号处理电路的工艺兼容，而这又是一项技术十分复杂、难度相当大。

具体的，硅材料本身却不是很适合用来制作光电器件：首先硅不是一种直接带隙材料，因而不可能制成高效的激光器、LED(发光二极管)等发光器件，这是由其本身的晶体结构决定的；另外硅不具备线性电光效应等特性，不能用外加电场的方式改变材料的折射率，因此也不适合用来制作光开关、光调制器等信号处理器件。正是由于硅材料的这些先天缺陷，人们在制作光电集成器件时，把更多的目光投向了III-V族化合物、铌酸锂以及有机聚合物等光电性能更为优越的材料。硅作为光电集成器件制作材料来说，虽然有一些先天不足，但是在设计中如果能视具体性能要求并结合实际工艺条件合理选用材料、工艺并设计出高性价比的结构便可以满足不同应用需求。

例如在光耦合器设计领域，往往需要将硅光电探测器与信号处理电路进行兼容，而目前国内外实现硅光探测器与信号处理电路兼容普遍采用的技术手段是：(1)将硅光探测器与MOS工艺兼容。在CMOS工艺中同时制作出pin-PD，基本不改变标准CMOS工艺，是研制高速光接收机最简单有效的方法。(2)SOIMOS工艺。用SOI材料替代Si体材料制做CMOS电路，它的优点主要有：减小器件隔离区面积；减少工艺步骤；抑制衬底电流；避免闩锁效应；具有低的寄生电容，从而可以降低功耗，实现更高速的电路。(3)SiGe/SiHBT工艺。SiGe技术在将Si基器件的速度提高到新水平的同时，由于它与Si工艺兼容，而保持有价格低、可靠性好和易于多功能集成等优点；且与CMOS工艺比较，它有更低的噪声和更好的功率效率。

以上列举的现有技术均是将硅光探测器与MOS集成电路工艺进行兼容，但是现有技术中还缺少将硅光探测器和另一种集成电路工艺，也是工艺最为成熟的硅双极电路工艺进行兼容的技术方案。而在光耦合器设计领域，大量成熟的信号处理电路均是由硅双极工艺制造而成的，因此我们需要结合实际工艺条件合理选用材料、工艺并设计出高性价比的结构，来实现硅光电探测器与硅双极集成电路工艺的兼容。总之在这个特殊的应用领域，现有技术还是一个空白。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种能够与硅双极集成电路工艺兼容，并且量子效率高，暗电流小的光电探测传感器。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术手段：

一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器，其特征在于，包括第一光电探测器和第二光电探测器；

所述第一光电探测器包括第一器件区，所述第一光电探测器的第一器件区由NPN晶体管的集电区形成，第一光电探测器的第一器件区的水平方向截面为正方形；

M个第一光电探测器的第二器件区制作在第一光电探测器的第一器件区内，M为小于10的自然数，所述第一光电探测器的第二器件区由NPN晶体管的基区形成，所述NPN晶体管由硅双极工艺制作而成；

所述第一光电探测器的第一器件区上设有电极孔，第一光电探测器的第二器件区上设有电极孔；

所有设置在第一光电探测器第二器件区上的电极孔通过铝膜连接线相互连接，连接电节点记为第一光电探测器的第二端子；

设置在第一光电探测器的第一器件区上的电极孔通过铝膜连接线引出，记为第一光电探测器的第一端子；

所述第二光电探测器包括第一器件区，所述第二光电探测器的第一器件区由NPN晶体管的集电区形成，第二光电探测器的第一器件区的水平方向截面为正方形；

M个第二光电探测器的第二器件区制作在第二光电探测器的第一器件区内，M为小于10的自然数，所述第二光电探测器的第二器件区由NPN晶体管的基区形成，所述NPN晶体管由硅双极工艺制作而成；

所述第二光电探测器的第一器件区上设有电极孔，第二光电探测器的第二器件区上设有电极孔；

所有设置在第二光电探测器第二器件区上的电极孔通过铝膜连接线相互连接，连接电节点记为第二光电探测器的第二端子；

设置在第二光电探测器的第一器件区上的电极孔通过铝膜连接线引出，记为第二光电探测器的第一端子；

所述第二光电探测器表面覆盖有铝膜；

所述第一光电探测器和第二光电探测器对称设置在单芯片中；

所述第一光电探测器的第一端子与第二光电探测器的第一端子电连接。

进一步的，所述第一光电探测器的第二器件区水平方向截面为圆形；所述第二光电探测器的第二器件区水平方向截面为圆形。

相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

(1)由于本实用新型采用双极工艺的PN结作为实现光电探测的基础结构，使得设计的光电探测器的PN结面积较大(双极NPN晶体管的集电结面积相对MOS工艺形成PN结的结面积要大)，PN结结深大(相对于MOS工艺)，耗尽区较厚，有利于提高量子效率。这一基础结构使得本实用新型在获得更高量子效率方面具有明显优势的有益效果。

进一步的，本实用新型选择双极工艺实现电路将会更适用于功率型光耦合器光电探测器与信号处理电路的集成化，功率型光耦合器输出部分往往需要较大的驱动能力，因此信号处理电路相比选择MOS工艺具有可以实现较大的驱动能力的有益效果。

(2)本实用新型减小探测器PN结二极管耗尽区电容所采用的技术手段是在将M个第二器件区制作在第一光电探测器的第一器件区内(两个光电探测器均采用此结构)，因此探测器面积得到了减小，也即是一个探测传感器内实际上包括多个面积较小的探测器，探测器面积减小，但是又不会减小PN结结深，从而不影响量子效率，因此具有响应速度快的有益效果。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中第一光电探测器的纵向结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

光电探测器设计时，主要考虑的是其噪声，量子效率，响应度等几项技术指标。

为了将本实用新型具体设计做详细介绍。我们首先将本实用新型的整体结构做一个阐述，然后结合光电探测传感器的性能参数设计来解释本实用新型传感器一些具体结构。

一、本实用新型整体结构。

如图1所示，一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器，包括第一光电探测器1和第二光电探测器2；第一光电探测器1和第二光电探测器2的结构相同，并且都采用硅双极集成电路工艺制作而成；第一光电探测器1和第二光电探测器2均具有两个信号端子。

第二光电探测器2表面覆盖有铝膜；

所述第一光电探测器1和第二光电探测器2对称设置在单芯片中，当然这是通过集成电路版图设计时将两个光电探测器绘制在对称位置上，在后续的集成电路制造过程中，两个光电探测器自然被对称的集成在同一单芯片集成电路上管芯上。

二、本实用新型光电探测传感器的性能参数设计。

为了将性能参数的设计阐述清楚，我们首先介绍普通光电检测传感器的工作原理，这也是本实用新型的基本工作原理和工作过程。

光电探测器的主要特性参数包括：

1)量子效率和响应度

量子效率的定义为吸收一个入射光子能够产生的电子-空穴对个数，是半导体光探测器最重要的指标，可以表示为：

其中α(λ)是对应波长入的吸收系数，W是耗尽层厚度。可见，随着材料的吸收系数增大或者耗尽层增厚，探测器的量子效率就越高。

本实用新型中光电探测器的第一器件区由NPN晶体管的集电区形成，光电探测器的第二器件区由NPN晶体管的基区形成，NPN晶体管由硅双极工艺制作而成；也即是说光电探测器的PN结是由制作模拟放大处理电路的双极NPN晶体管工艺流程形成的，二者兼容。而普遍的双极工艺NPN管基本结构尺寸是；最小特征尺寸为6μm，外延层厚度12μm，电阻率约2.5Ω.cm，基区结深2.2.-2.6μm，也即是说双极工艺制造的用于光电探测器的PN结结深为2.2.-2.6μm。

常见的MOS工艺形成的用于光电探测器的PN结结深为0.3μm，当然这是由MOS工艺的本身特点决定的，与MOS工艺信号处理电路集成的光电探测器较适用于光纤通信领域。

因此，由于本实用新型采用双极工艺的PN结作为实现光电探测的基础结构，使得设计的光电探测器的PN结面积较大(双极NPN晶体管的集电结面积相对MOS工艺形成PN结的结面积要大)，PN结结深大(相对于MOS工艺)，耗尽区较厚，有利于提高量子效率。这一基础结构使得本实用新型在获得更高量子效率方面具有明显优势。

进一步的，本实用新型选择双极工艺实现电路将会更适用于功率型光耦合器光电探测器与信号处理电路的集成化，功率型光耦合器输出部分往往需要较大的驱动能力，因此信号处理电路相比选择MOS工艺具有可以实现较大的驱动能力的有益效果。

总之，针对功率型光耦合器输出部分电路集成化需要(同时集成光电探测单元和信号处理驱动单元)，利用双极工艺本身特点，本实用新型结合实际工艺情况选用了结深较大的集电极作为光电探测器基本结构，这有利于提高探测器的量子效率。在现有技术普遍使用MOS工艺实现光探测器的情况下，本实用新型做出的以上选择是本实用新型的第一个创新点，也是整个创造性工作的起点。这对于探测器的最终结构提出非常重要，因为以上选择既使得功率型光耦合器输出部分电路集成化需要(同时集成光电探测单元和信号处理驱动单元)成为可能，又使得量子效率的提高具有基础结构上的优势，不会由于制造过程中工艺控制的缺陷，使得量子效率过低。

也即是说采用双极NPN晶体管工艺流程形成本实用新型光电探测器的基本结构在提高量子效率方面具有先天优势。

而在实际的探测器中，光不可能直接由材料表面达到吸收区，而是要经过一定的厚度的中掺杂接触区，在这个区域内会造成一部分光子损耗，同时在探测器表面的反射作用也会使部分入射光反射损失。基于这些因素，可将(1)式改写为：

η＝(1-R_f)·e^-α(λ)·d·(1-e^-α(λ)·W)(2)

其中d为前端接触层厚度，Rf为探测器表面的反射率，入射到吸收区的光子产生的光生载流子在耗尽区内建电场的作用下，向探测器的两极漂移运动，并在输出端形成光电流。

基于此分析，本实用新型在第一光电探测器的第二器件区12表面淀积增透膜；(增透膜由二氧化硅和氮化硅构成)；或者可以采取腐蚀掉器件表面的SIO2层和钝化层的方式减少光发射能量的丢失，这些都是提高量子效率的进一步优化措施。

此外，本实用新型的第一光电探测器的第二器件区12和第二光电探测器的第二器件区22均可以采用圆形结构，这有利于提高光照效应，这也有利于量子效率和响应度的提高。但是圆形结构由于面积大，也会导致器件表面漏电流增加。

2)响应速度

光电探测器的响应速度是由探测信号的上升时间或下降时间来衡量的，通常取两者之间较大的值。通常要求光电探测器能够对高速光脉冲信号快速响应，从而提高信噪比，提高系统的整体性能。在半导体光电探测器中，影响响应速度的因素主要有三点：

a.耗尽区内载流子的渡越时间。b.耗尽区外载流子扩散时间。c.探测器PN结二极管耗尽区电容。耗尽层的电容是影响速度的主要因素，这就意味着大面积的探测器不能用于探测频率较高的光信号。减小探测器的面积可以有效减少结电容和暗电流。

本实用新型所采用的具体技术手段是在将M个第二器件区制作在第一光电探测器的第一器件区内(两个光电探测器均采用此结构)，因此探测器面积得到了减小，也即是一个探测传感器内实际上包括多个面积较小的探测器，探测器面积减小，但是又不会减小PN结结深，从而不影响量子效率。同时探测器器件面积的减小也可以降低由于采用圆形结构以提高光照效应所导致的器件表面漏电流增加缺陷。

3)漏电流和噪声

对理想的光电探测器，在无光照的时候应该没有光电流，然而实际上仍然存在有较小的电流。它主要是由耗尽层中载流子的产生-复合电流和耗尽层边界的少子扩散电流，以及表面漏电流构成。由于硅的禁带宽度较大，只要在加工过程中尽量避免产生晶格缺陷，保证硅的高纯度，由载流子产生-复合引起的漏电流是很小的(＜2×10-11A/mm2)。除了前述的通过器件结构设计的减小器件面积表来降低漏电流产生可能性，面漏电流可以通过钝化表面来减小，可以减小到2×10-11A/mm2之下。也即是可以从半导体工艺方面着手改善性能。

本实用新型中还采用了增加外延层厚度和电阻率等工艺手段提高响应度。

三、本实用新型光电探测传感器的具体结构设计以及使用方法。

如图2所示，第一光电探测器1包括第一器件区11，第一光电探测器的第一器件区11由NPN晶体管的集电区形成，第一光电探测器的第一器件区11的水平方向截面为正方形(为了提高光照效应，也可以选择圆形，但同时由于圆形面积较大，也带来器件表面漏电流增加的风险，具体实施时候根据工艺本身成熟度和工艺控制难度选择第一器件区11的水平方向截面形状；

M个第一光电探测器的第二器件区12制作在第一光电探测器的第一器件区11上，M为小于10的自然数，第一光电探测器的第二器件区12由NPN晶体管的基区形成，NPN晶体管由硅双极工艺制作而成；

第一光电探测器的第一器件区11上设有多个电极孔，第一光电探测器的每个第二器件区12上设有电极孔；

设置在第一光电探测器的第一器件区11上的电极孔通过铝膜连接线引出，记为第一光电探测器的第一端子13；

所有设置在第一光电探测器第二器件区上的电极孔通过铝膜连接线相互连接(该铝膜连接线图2中未示出)，连接电节点记为第一光电探测器的第二端子；

第一光电探测器的第一端子13与第二光电探测器的第一端子23电连接；

第二光电探测器2采用与第一光电探测器1相同的结构，第二光电探测器2的表面覆盖有铝膜，当然，用于连接电极孔的铝膜和用于覆盖器件表面的铝膜之间使用二氧化硅材料层隔离开；

第一光电探测器1和第二光电探测器2对称设置在单芯片中。

本实用新型的使用方法是：将本实用新型光电探测传感器与具有差动输入级信号处理电路集成在一起，第一光电探测器1的第二端子，第二光电探测器2的第二端子分别于差动输入级电路的两个输入端相电连接；由于第一光电探测器1，第二光电探测器2为完全相同的两个光电探测器(第一光电探测器1接收光信号，第二光电探测器2由于器件表面覆盖了铝膜因此对光屏蔽)，输入偏置电路为它们提供稳定的公共基准电压，这样同一个干扰源几乎相同程度的影响到差动信号的每一端，出现在差动两边的同样干扰就可以被忽略掉起到了抑制外部电磁干扰的作用。此外差动信号很大程度上与偏置电位的精确值无关，即使偏置电位有微小变化也不会影响到测量信号的数值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器，其特征在于，包括第一光电探测器(1)和第二光电探测器(2)；

所述第一光电探测器(1)包括第一器件区(11)，所述第一光电探测器的第一器件区(11)由NPN晶体管的集电区形成，第一光电探测器的第一器件区(11)的水平方向截面为正方形；

M个第一光电探测器的第二器件区(12)制作在第一光电探测器的第一器件区(11)内，M为小于10的自然数，所述第一光电探测器的第二器件区(12)由NPN晶体管的基区形成，所述NPN晶体管由硅双极工艺制作而成；

所述第一光电探测器的第一器件区(11)上设有电极孔，第一光电探测器的第二器件区(12)上设有电极孔；

所有设置在第一光电探测器第二器件区上的电极孔通过铝膜连接线相互连接，连接电节点记为第一光电探测器的第二端子；

设置在第一光电探测器的第一器件区上的电极孔通过铝膜连接线引出，记为第一光电探测器的第一端子(13)；

所述第二光电探测器(2)包括第一器件区(21)，所述第二光电探测器的第一器件区(21)由NPN晶体管的集电区形成，第二光电探测器的第一器件区(21)的水平方向截面为正方形；

M个第二光电探测器的第二器件区(22)制作在第二光电探测器的第一器件区(21)内，M为小于10的自然数，所述第二光电探测器的第二器件区(22)由NPN晶体管的基区形成，所述NPN晶体管由硅双极工艺制作而成；

所述第二光电探测器的第一器件区(21)上设有电极孔，第二光电探测器的第二器件区(22)上设有电极孔；

所有设置在第二光电探测器第二器件区上的电极孔通过铝膜连接线相互连接，连接电节点记为第二光电探测器的第二端子；

设置在第二光电探测器的第一器件区上的电极孔通过铝膜连接线引出，记为第二光电探测器的第一端子(23)；

所述第二光电探测器(2)表面覆盖有铝膜；

所述第一光电探测器(1)和第二光电探测器(2)对称设置在单芯片中；

所述第一光电探测器的第一端子(13)与第二光电探测器的第一端子(23)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种与硅双极工艺兼容的光电探测传感器，其特征在于，所述第一光电探测器的第二器件区(12)水平方向截面为圆形；所述第二光电探测器的第二器件区(22)水平方向截面为圆形。