專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝的疊層差分光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于硅基光接收機(jī)設(shè)計(jì)，涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光電探測(cè)器。
背景技術(shù)：
光電探測(cè)器是光接收機(jī)的關(guān)鍵器件，廣泛地應(yīng)用于光通信領(lǐng)域中，根據(jù)不同的工作波長(zhǎng)，也在諸如保密通信、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)以及非侵入性醫(yī)學(xué)診斷等特殊領(lǐng)域中被大量使用。不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)光電探測(cè)器的要求也不同，如核心通信網(wǎng)和存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)要求探測(cè)器具有非常好的頻率特性和性能，對(duì)成本并不敏感，這類(lèi)應(yīng)用中一般采用基于GaAs或 InP-InGaAs技術(shù)的光電探測(cè)器，這類(lèi)探測(cè)器性能非常好，但造價(jià)也非常昂貴。而互聯(lián)網(wǎng)終端接入、芯片間互連以及移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)交互等應(yīng)用對(duì)成本極其敏感，性能則只需達(dá)標(biāo)即可，CMOS技術(shù)有著低廉的成本和很高的集成度，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光電探測(cè)器發(fā)展成熟后，一定能在這類(lèi)應(yīng)用中得到廣泛的使用。光電探測(cè)器從器件結(jié)構(gòu)上分為雪崩二極管(APD)，PN結(jié)型光電探測(cè)器，PIN光電探測(cè)器(PIN-PD)和金屬半導(dǎo)體金屬光電探測(cè)器(MSM-PD)，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上研究較多的光電探測(cè)器為PN結(jié)型和MSM光電探測(cè)器。PN結(jié)型光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，MSM PD靈敏度與帶寬高，單位面積電容小。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上設(shè)計(jì)高速光電探測(cè)器有其固有的局限，是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的工作，其原因在于硅的光吸收長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)26 μ m，這使得大部分的光功率是在距離器件表面較深的地方轉(zhuǎn)換為光生載流子，而標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中阱的深度只有幾微米，意味著形成的PN 結(jié)也即空間電荷區(qū)位于表面下幾微米處，這導(dǎo)致大部分光生載流子產(chǎn)生于襯底的中性區(qū)， 為速度很慢的擴(kuò)散載流子。這種局限性最終體現(xiàn)在光接收機(jī)設(shè)計(jì)上是這樣的矛盾使用這部分?jǐn)U散載流子可以獲得很高的響應(yīng)度，但頻率特性極差，帶寬極低；若將其屏蔽，可以獲得足夠的帶寬，但響應(yīng)度極低。由于差分結(jié)構(gòu)因其高穩(wěn)定性和很強(qiáng)的共模噪聲抑制能力，選取差分電路結(jié)構(gòu)作為高速光電探測(cè)器的后續(xù)電路結(jié)構(gòu)，是一種提升光接收機(jī)性能的有效手段。目前有關(guān)差分結(jié)構(gòu)光接收機(jī)的報(bào)道中，或只有一個(gè)差分支路連接了光電探測(cè)器，造成輸入信號(hào)不對(duì)稱(chēng)和輸入負(fù)載不平衡；或需要兩路輸入光信號(hào)，使光通信系統(tǒng)變得復(fù)雜，同時(shí)增加了成本；又或者雖然使用一路光信號(hào)輸入，但是兩個(gè)差分的探測(cè)器各取一半的光功率，這樣降低了光信號(hào)的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的疊層差分雙光電探測(cè)器。本發(fā)明提供的光電探測(cè)器，能夠由一路輸入光信號(hào)得到兩路相互隔離的光電流信號(hào)；提高光注入效率；使基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光接收機(jī)在保證帶寬和頻率特性的情況下獲得足夠的響應(yīng)度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝疊層差分雙光電探測(cè)器，包括呈垂直分布的MSM型光電探測(cè)器、雙光電二極管型光電探測(cè)器以及位于兩者之間的隔離層，其中，雙光電二極管型光電探測(cè)器制作在硅襯底PSUB上，使用P+/N阱結(jié)作為工作二極管，N阱/Psub結(jié)作為屏蔽二極管，位于下方，其陰極P+與陽(yáng)極N+相間分布，每?jī)蓚€(gè)陽(yáng)極N+間的陰極P+數(shù)量為3 4 個(gè)；MSM型光電探測(cè)器制作在低摻雜多晶硅層POLYl上，位于上方。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝疊層差分雙光電探測(cè)器，其特征在于，其中的隔離層由兩層Si02夾一層高摻雜多晶硅層P0LY2構(gòu)成，高摻雜多晶硅層P0LY2 接地。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是，MSM型光電探測(cè)器產(chǎn)生一路高速光電流信號(hào)，雙光電二極管(DPD)型光電探測(cè)器能夠產(chǎn)生另一路高速光電流信號(hào)；隔離層隔離了兩個(gè)探測(cè)器的電流與電場(chǎng)，也即隔離了兩路高速光電流信號(hào)；通過(guò)選取適當(dāng)阱深、摻雜、電極間距及多晶硅厚度，可以使兩路電流信號(hào)的大小與帶寬均可比，使之成為一對(duì)差分輸入；由于多晶硅層厚度與阱深可比擬，疊層差分雙光電探測(cè)器的光功率利用率將是相同工藝下的雙光電二極管 (DPD)型光電探測(cè)器的兩倍。與現(xiàn)有主流技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)I、所述疊層差分雙光電探測(cè)器可由一路輸入光信號(hào)的到兩路相互隔離的光電流信號(hào)，簡(jiǎn)化了光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本；2、由所述疊層差分雙光電探測(cè)器得到的兩路光電流信號(hào)能夠成為一組差分信號(hào)， 解決了造成輸入信號(hào)不對(duì)稱(chēng)和輸入負(fù)載不平衡的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)全差分光接收機(jī)；3、所述疊層差分雙光電探測(cè)器的兩個(gè)子探測(cè)器垂直分布，增加了垂直方向的工作區(qū)域，使每個(gè)子探測(cè)器均能接收到全部的光功率，顯著提高了光注入效率；


圖I本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的疊層雙光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)為常規(guī)雙光電二極管(DPD)型光電探測(cè)器電極分布形狀示意圖；(b)為本發(fā)明采用的雙光電二極管(DPD)型光電探測(cè)器電極分布形狀示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝疊層差分光電探測(cè)器包括一個(gè)MSM型光電探測(cè)器、 一個(gè)雙光電二極管(DPD)型光電探測(cè)器、一個(gè)隔離層。器件具體結(jié)構(gòu)如圖I所示，在多晶硅 POLYl上制備MSM-PD，在P型襯底上制備雙光電二極管，二者被兩層Si02夾一層高摻雜的多晶硅(P0LY2)隔離。雙光電二極管中使用P+/Nwell(N阱)結(jié)作為工作二極管，Nwell/ Psub結(jié)作為屏蔽二極管，隔離襯底形成的慢光生載流子。Si02層隔離兩個(gè)光電探測(cè)器的光生電流，高摻雜多晶硅層(P0LY2)接地，使兩個(gè)光電探測(cè)器的耗盡區(qū)不因受對(duì)方電位的影響而發(fā)生改變。選擇合適工藝參數(shù)，本發(fā)明中所述基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝疊層差分光電探測(cè)器能夠輸出一對(duì)帶寬與響應(yīng)度能夠滿(mǎn)足現(xiàn)階段光通信的需求差分光電流信號(hào)，詳見(jiàn)下文描述MSM型光電探測(cè)器的響應(yīng)度很大程度上取決于多晶硅層厚度，厚度越大，響應(yīng)度越高。偏置電壓對(duì)響應(yīng)度也有一定的影響，當(dāng)偏置電壓小于Vfb時(shí)，電流隨偏壓增加的很快，當(dāng)偏置電壓超過(guò)Vfb時(shí)，電流基本維持不變，Vfb為平帶電壓，其定義為VFB = qNL2/2 ε ^ ^，其中N為摻雜濃度,L為電極間距，ε為娃的介電常數(shù)，q為電子電量。目前標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的工作電壓大于所需的平帶電壓Vfb，多晶硅層厚度從幾百納米至I微米不等，選擇較厚的多晶硅厚度，即可獲得足夠的響應(yīng)度。MSM型光電探測(cè)器的帶寬與電極間距、偏置電壓、多晶硅厚度以及多晶硅摻雜濃度相關(guān)。偏置電壓越高、電極間距越小，則極間電場(chǎng)越高，光生載流子速度越快，探測(cè)器帶寬越高；由于所有的電極均位于多晶硅表面，所以越深入多晶硅內(nèi)部，電場(chǎng)越低，故多晶硅厚度越大，探測(cè)器帶寬越??；多晶硅摻雜濃度越低，越容易形成耗盡區(qū)，探測(cè)器帶寬也越大。由于大多標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中多晶硅層厚度不超過(guò)I微米，在這樣厚度的多晶硅層上制備的MSM型光電探測(cè)器，根據(jù)不同的摻雜濃度(IO15CnT3至IO18CnT3)，其帶寬為2 5Gb/s不等。阱深極大地影響雙光電二極管的響應(yīng)度，阱越深，響應(yīng)度越大。阱深、阱摻雜同時(shí)影響雙光電二極管的帶寬，帶寬隨阱深的增加而減小、隨阱摻雜濃度的增加而減小。不同的電極分布形狀在不同程度上影響著雙光電二極管的響應(yīng)度與帶寬。研究結(jié)果表明阱深不超過(guò)2微米、阱摻雜約為IO17CnT3至1018cm_4，輔以適當(dāng)?shù)碾姌O形狀，雙光電二極管的帶寬即可達(dá)至Ij I 4Gb/s。圖2(a)所示為雙光電二極管常用的梳狀電極分布形狀，其陽(yáng)極(N+)位于N阱周?chē)⒉逯笭铌帢O(P+)包圍起來(lái)，N阱中產(chǎn)生的光生載流子需要擴(kuò)散至阱的邊緣才能被陽(yáng)極(N+)收集，擴(kuò)散距離較長(zhǎng)，會(huì)影響雙光電二極管的頻率特性，降低其帶寬。本發(fā)明優(yōu)化了雙光電二極管(DPD)型光電探測(cè)器的電極分布形狀，如圖2(b)所示，陰極(P+)與陽(yáng)極(N+)相間分布，每?jī)蓚€(gè)陽(yáng)極(N+)間的陰極數(shù)量為3 4個(gè)。此優(yōu)化基于如下考慮若陽(yáng)極(N+)分布稀疏，則相隔較遠(yuǎn)，N阱中產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散距離較長(zhǎng)，降低了探測(cè)器帶寬；若陽(yáng)極(N+)分布密集，相應(yīng)的陰極數(shù)量將減少，由陰極與N阱形成的耗盡區(qū)也將減少， 進(jìn)而降低了光生載流子中漂移載流子的比率，最終探測(cè)器響應(yīng)度與帶寬將減少。每?jī)蓚€(gè)陽(yáng)極(N+)間的陰極數(shù)量為3 4個(gè)，可同時(shí)獲得較高的響應(yīng)度與帶寬。為了隔離本發(fā)明所述MSM型光電探測(cè)器和所述雙光電二極管(DPD)型光電探測(cè)器產(chǎn)生的光電流信號(hào)，需使用絕緣層將兩者隔離。然而僅采用一層絕緣層隔離，對(duì)于N型摻雜的多晶硅和N阱，隔離層另一邊的正電位將引起多子堆積，使得所述兩個(gè)探測(cè)器相互影響， 最終兩者的性能均會(huì)降低。如圖I所示，本發(fā)明的隔離層使用了兩層二氧化硅，并在兩層二氧化硅之間再增加一層接地的高摻雜多晶硅(摻雜濃度約102°cm_3)，所述隔離層能夠起到同時(shí)隔離電流和電場(chǎng)的作用，不會(huì)因形成多子堆積而影響探測(cè)器性能。所述疊層差分光電探測(cè)器工作時(shí)，入射光由探測(cè)器上方處入射，入射光經(jīng)過(guò)所述 MSM型光電探測(cè)器時(shí)，由所述MSM型光電探測(cè)器產(chǎn)生一路光電流信號(hào)；同一束入射光穿過(guò)所述隔離層后入射所述優(yōu)化過(guò)電極形狀的雙光電二極管(DPD)型光電探測(cè)器，由所述優(yōu)化過(guò)電極形狀的雙光電二極管(DPD)型光電探測(cè)器產(chǎn)生另一路光電流信號(hào)。由于所述隔離層的存在，所述疊層差分光電探測(cè)器產(chǎn)生的兩路光電流信號(hào)相互獨(dú)立，可作為一對(duì)差分輸入信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝疊層差分雙光電探測(cè)器，包括呈垂直分布的MSM型光電探測(cè)器、雙光電二極管型光電探測(cè)器以及位于兩者之間的隔離層，其中，雙光電二極管型光電探測(cè)器制作在硅襯底PSUB上，使用P+/N阱結(jié)作為工作二極管，N阱/Psub結(jié)作為屏蔽二極管，位于下方，其陰極P+與陽(yáng)極N+相間分布，每?jī)蓚€(gè)陽(yáng)極N+間的陰極P+數(shù)量為3 4個(gè)； MSM型光電探測(cè)器制作在低摻雜多晶硅層POLYl上，位于上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝疊層差分雙光電探測(cè)器，其特征在于，其中的隔離層由兩層Si02夾一層高摻雜多晶硅層P0LY2構(gòu)成，高摻雜多晶硅層P0LY2接地。
全文摘要
本發(fā)明屬于硅基光接收機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝疊層差分雙光電探測(cè)器，包括呈垂直分布的MSM型光電探測(cè)器、雙光電二極管型光電探測(cè)器以及位于兩者之間的隔離層，其中，雙光電二極管型光電探測(cè)器制作在硅襯底PSUB上，使用P+/N阱結(jié)作為工作二極管，N阱/Psub結(jié)作為屏蔽二極管，位于下方，其陰極P+與陽(yáng)極N+相間分布，每?jī)蓚€(gè)陽(yáng)極N+間的陰極P+數(shù)量為3～4個(gè)；MSM型光電探測(cè)器制作在低摻雜多晶硅層POLY1上，位于上方。本發(fā)明提供的光電探測(cè)器，能夠由一路輸入光信號(hào)得到兩路相互隔離的光電流信號(hào)；提高光注入效率；使基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光接收機(jī)在保證帶寬和頻率特性的情況下獲得足夠的響應(yīng)度。
文檔編號(hào)H01L27/144GK102593132SQ201210045150
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者康玉琢, 張世林, 毛陸虹, 肖新東, 謝生 申請(qǐng)人:天津大學(xué)