[發明專利]用于光電單片集成的硅基光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 200910112909.5
• 申請日: 2009-12-03
• 公開（公告）號: CN101719504A
• 公開（公告）日: 2010-06-02
• 發明（設計）人: 顏黃蘋;程翔;卞劍濤;陳朝;蘆晶
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01L27/144
• 分類號: H01L27/144;H01L31/08;H01L21/822;H01L31/18
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種硅基光電單片集成電路，尤其是涉及一種與BCD標準工藝完全兼容的用于光電單片集成的硅基光電探測器及其制備方法。

背景技術

光電探測器的作用是將輸入的光信號有效地轉變為電信號。近年來，硅基光電探測器有較快的發展，并廣泛應用于光存儲系統、光電測量、光數據傳輸與光互連、光計算以及圖像存儲與處理等領域。例如，硅基光電探測器可應用于CD-ROM、數字化視頻光盤(DVD)等的光學讀取頭及850nm光纖通信和650nm塑料光纖通信等。

以850nm光接收芯片為例，光接收芯片主要由兩部分組成：光電探測器和相應的處理電路。光電探測器接收光信號轉換成微弱的光電流，光電探測器輸出的微弱電流信號通過前置放大等處理電路轉換成電壓信號輸出。光接收芯片的制備可以采用混合集成或單片集成的方法來實現。混合集成是在芯片封裝過程中通過鍵合技術把光電探測器與相應的處理電路進行連接。從成本和寄生參數的減小、結構穩定性以及集成密度等方面考慮，混合集成都不及真正的單片集成。更重要的是隨著器件復雜度和數量的增加，靠混合集成技術將難以實現。單片集成則是在同一襯底上集成光電探測器與處理電路，并實現兩者之間的連接。單片集成可以提高芯片的整體性能，消除寄生參量的影響，減小芯片的體積，同時可以大大降低器件成本和封裝成本。

目前，各類硅基光電探測器和OEIC幾乎涉及了Bipolar、CMOS、BiCMOS、BCD(BipolarCMOS?DMOS)、SOI(Silicon-On-Insulator)等工藝，以Bipolar和BiCMOS為主。2005年奧地利維也納技術大學R.Swoboda等([1]R.Swoboda，J.Knorr，et?al.A?5-Gb/s?OEIC?With?Voltage-up-Converter[J]，IEEE?Journal?of?solid-state?circuits，2005，40(7)：1521-1526)報道了采用0.6μmBiCMOS工藝制作了速率達5Gb/s的光接收機。2002年德克薩斯大學S.M.Csutak等([2]S?MCsutak，J?D?Schaub，W?E?Wu，et?al.High-speed?monolithically?integrated?silicon?optical?receiverfabricated?in?130nm?CMOS?technology[J].IEEE?Photonics?Technology?Letters，2002，14(4)：516-518)報道的高速Si單片集成光接收機采用130nm?CMOS工藝，以SOI為襯底，工作波長850nm，探測器的量子效率為10％，接收機工作在1、2、3和5Gb/s時的靈敏度分別為-19.0、-16.6、-15.4和-10.9dBm。雖然Bipolar、BiCMOS以及SOI工藝更適合制備高性能的光電探測器，但CMOS、BCD工藝相比Bipolar工藝具有低功耗、高集成度、設計簡單等優點；CMOS、BCD工藝比BiCMOS和SOI工藝則有較低的成本。

硅基光電探測器可以采用標準工藝與各種功能的硅IC電路集成，實現單片集成的光電集成電路(OEIC)。硅基光電探測器有多種結構，包括肖特基(SB)二極管、金屬-半導體-金屬(MSM)光電二極管、PN與PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)等。從目前硅基光電探測器和OEIC涉及的工藝及硅基光電探測器的結構來看，仍然存在以下一些亟待解決的問題。

利用低成本的CMOS工藝易于實現PN結構的光電探測器，但這種結構的探測器的頻率特性受到了限制，已有報道，這種簡單結構的CMOS?OEIC的3dB帶寬都要小于15MHz。而肖特基(SB)二極管和金屬-半導體-金屬(MSM)光電探測器雖然是平面工藝，制作也很簡單，但是需要金屬與硅之間的肖特基接觸，CMOS工藝只支持歐姆接觸。大多數商業的CMOS工藝不在襯底背面做電極，因此縱向結構的PIN光電探測器在商業的CMOS工藝下不太可行。雪崩光電二極管(APD)需要嚴格的工藝要求以得到雪崩增益，并且工作電壓高，不易實現。