[发明专利]一种基于标准CMOS工艺的叠层差分光电探测器

说明书

技术领域

本发明适用于硅基光接收机设计，涉及一种基于标准CMOS工艺的光电探测器。

背景技术

光电探测器是光接收机的关键器件，广泛地应用于光通信领域中，根据不同的工作波长，也在诸如保密通信、环境污染监测以及非侵入性医学诊断等特殊领域中被大量使用。不同应用环境对光电探测器的要求也不同，如核心通信网和存储区域网要求探测器具有非常好的频率特性和性能，对成本并不敏感，这类应用中一般采用基于GaAs或InP-InGaAs技术的光电探测器，这类探测器性能非常好，但造价也非常昂贵。而互联网终端接入、芯片间互连以及移动设备内部数据交互等应用对成本极其敏感，性能则只需达标即可，CMOS技术有着低廉的成本和很高的集成度，基于标准CMOS工艺的光电探测器发展成熟后，一定能在这类应用中得到广泛的使用。

光电探测器从器件结构上分为雪崩二极管(APD)，PN结型光电探测器，PIN光电探测器(PIN-PD)和金属半导体金属光电探测器(MSM-PD)，标准CMOS工艺上研究较多的光电探测器为PN结型和MSM光电探测器。PN结型光电探测器结构简单，MSM PD灵敏度与带宽高，单位面积电容小。

在标准CMOS工艺上设计高速光电探测器有其固有的局限，是一项很有挑战性的工作，其原因在于：硅的光吸收长度长达26μm，这使得大部分的光功率是在距离器件表面较深的地方转换为光生载流子，而标准CMOS工艺中阱的深度只有几微米，意味着形成的PN结也即空间电荷区位于表面下几微米处，这导致大部分光生载流子产生于衬底的中性区，为速度很慢的扩散载流子。这种局限性最终体现在光接收机设计上是这样的矛盾：使用这部分扩散载流子可以获得很高的响应度，但频率特性极差，带宽极低；若将其屏蔽，可以获得足够的带宽，但响应度极低。

由于差分结构因其高稳定性和很强的共模噪声抑制能力，选取差分电路结构作为高速光电探测器的后续电路结构，是一种提升光接收机性能的有效手段。目前有关差分结构光接收机的报道中，或只有一个差分支路连接了光电探测器，造成输入信号不对称和输入负载不平衡；或需要两路输入光信号，使光通信系统变得复杂，同时增加了成本；又或者虽然使用一路光信号输入，但是两个差分的探测器各取一半的光功率，这样降低了光信号的利用率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种基于标准CMOS工艺的叠层差分双光电探测器。本发明提供的光电探测器，能够由一路输入光信号得到两路相互隔离的光电流信号；提高光注入效率；使基于标准CMOS工艺的光接收机在保证带宽和频率特性的情况下获得足够的响应度。本发明的技术方案如下：

一种基于标准CMOS工艺叠层差分双光电探测器，包括：呈垂直分布的MSM型光电探测器、双光电二极管型光电探测器以及位于两者之间的隔离层，其中，双光电二极管型光电探测器制作在硅衬底PSUB上，使用P+/N阱结作为工作二极管，N阱/Psub结作为屏蔽二极管，位于下方，其阴极P+与阳极N+相间分布，每两个阳极N+间的阴极P+数量为3～4个；MSM型光电探测器制作在低掺杂多晶硅层POLY1上，位于上方。

作为优选实施方式，所述的基于标准CMOS工艺叠层差分双光电探测器，其特征在于，其中的隔离层由两层SiO2夹一层高掺杂多晶硅层POLY2构成，高掺杂多晶硅层POLY2接地。

本发明的实质性特点是，MSM型光电探测器产生一路高速光电流信号，双光电二极管(DPD)型光电探测器能够产生另一路高速光电流信号；隔离层隔离了两个探测器的电流与电场，也即隔离了两路高速光电流信号；通过选取适当阱深、掺杂、电极间距及多晶硅厚度，可以使两路电流信号的大小与带宽均可比，使之成为一对差分输入；由于多晶硅层厚度与阱深可比拟，叠层差分双光电探测器的光功率利用率将是相同工艺下的双光电二极管(DPD)型光电探测器的两倍。与现有主流技术相比，本发明具有如下突出的优点：

1、所述叠层差分双光电探测器可由一路输入光信号的到两路相互隔离的光电流信号，简化了光通信系统结构，降低成本；

2、由所述叠层差分双光电探测器得到的两路光电流信号能够成为一组差分信号，解决了造成输入信号不对称和输入负载不平衡的问题，实现全差分光接收机；

3、所述叠层差分双光电探测器的两个子探测器垂直分布，增加了垂直方向的工作区域，使每个子探测器均能接收到全部的光功率，显著提高了光注入效率；

附图说明

图1本发明的标准CMOS工艺的叠层双光电探测器结构示意图。