專利名稱：一種采用cmos工藝制作的差分硅光電探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到硅基單片光電子集成技術(shù)，具體涉及到采用標(biāo)準CMOS集成電路工藝制作的差分硅光電探測器。
背景技術(shù)：
在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的現(xiàn)代社會中，大量的信息和數(shù)據(jù)交換需要一個
高速、寬帶的通信系統(tǒng)。理論計算表明增加載波頻率可以增加頻帶寬度從而擴大通信系統(tǒng)容量。當(dāng)電信號在導(dǎo)體上傳輸時，導(dǎo)體的阻抗以及寄生電容會隨著頻率增加而增加使得電信號迅速衰減。即使采用高頻損
耗較小的同軸電纜，在100MHz頻率下其損耗也已達到了 5dB/Km。因此電纜只適合于短距離和低頻下使用，而無法滿足高速長距離通信需要。相反光具有極高的頻率(幾百THz)，因此可以提供寬帶高速的傳輸系統(tǒng)。通常傳輸光信號的媒質(zhì)都有一個對特定波長呈透明的窗口，光在透明窗口中傳輸?shù)膿p耗極小。這些窗口位于可見光和近紅外區(qū)域，相應(yīng)的頻率為150THz 800THz，是電信號傳輸頻率的106倍！以高頻光波為載體的光纖通信具有頻帶寬、損耗低、體積小、免電磁干擾、高可靠性等優(yōu)點，使它成為現(xiàn)有的各種通信手段中最有發(fā)展前途的通信方式之一，成為人類邁入信息社會的基石。
在長距離超高速骨干網(wǎng)通信方面，雖然光通信取得了前所未有的成功。但是其光收發(fā)模塊使用的均是價格昂貴的III-V族材料，例如GaAs和InP-InGaAs。這些III-V族材料光電子器件雖然價格昂貴，但是其光電特性非常好，可以輕易地達到40Gbit/s的調(diào)制和探測速率。對于通信骨干網(wǎng)，人們追求的是性能卓越的寬帶通信系統(tǒng)，并且由于有多個用戶分攤費用，價格通常不是制約因素。然而在短距離通信中，例如局域網(wǎng)中由于沒有用戶分攤費用，價格就成了制約因素。價格不菲的III-V族材料光電子器件限制了其在局域網(wǎng)中的廣泛使用，人們只能望"光"興嘆。同時隨著信息技術(shù)的不斷進步，對于光信息存儲、光數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用，需要有低成本的光電子接收模塊。由此有必要研制價格低廉的光接收模
塊以彌補這些ni-v族材料光電子器件的不足，使光通信進入到千家萬戶，
以延伸干線網(wǎng)超高速的"最后一公里"，實現(xiàn)光纖入戶。
Si基探測器接收機剛好彌補了這一缺點，利用普通的硅基集成電路
生產(chǎn)技術(shù)，在對這些工藝幾乎不作改動或者是僅僅作微小調(diào)整的基礎(chǔ)上，
將Si基探測器和接收機單片集成在一起成為一個完整的光接收模塊。由于集成電路工藝的成熟，特別是CMOS技術(shù)的推廣使用使得通過集成電路工藝制造的光電子器件具有可批量生產(chǎn)價格低廉的優(yōu)點。同時鑒于CM0S
工藝向深亞微米發(fā)展及其成熟度與獲得生產(chǎn)線支持的容易度，已有可能
用先進的CMOS工藝來實現(xiàn)Gb/s速率的電路。CMOS具有集成度高、體積小、低工作電壓、低功耗、低成本、高可靠性等優(yōu)點為Si基單片集成接收機的研制注入了無限活力。本發(fā)明采用標(biāo)準CMOS集成電路工藝制作的差分硅光電探測器，能夠在標(biāo)準CMOS集成電路工藝線上流片完成，實現(xiàn)光電探測器和接收機電路的同時制備，從而在同一片硅襯底上單片集成探測器和接收機電路，能廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)內(nèi)光通信，具有實際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用標(biāo)準CMOS工藝制作SML (Spatially-Modulated-Light，空間光調(diào)制)差分硅光電探測器，其具有制作工藝成熟、成本低、適于集成、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。該探測器可與CMOS接收機電路實現(xiàn)單片集成。由該探測器構(gòu)成的1X12陣列可應(yīng)用于VSR (VeryShort Reach甚短距離傳輸)系統(tǒng)，以實現(xiàn)12路并行光信號的傳輸。
本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)為由六個n+擴散及六個n井與p襯底形成的六個交錯排列的探測器，n+擴散是為了減小接觸電阻，輕摻雜的n井作為吸收層，輕摻雜是為了增大耗盡層寬度同時使寄生電容減小。六個叉指探測區(qū)域中的三個被金屬層覆蓋以阻擋入射光，這三個叉指用金屬連在一起作為"第二探測器"，剩下的三個也用金屬連在一起作為"第一探測器"。當(dāng)入射光照射到探測器表面時，"第二探測器"的表面由于被金屬層覆蓋而使光不能透射，入射光只在"第一探測器"區(qū)域被吸收產(chǎn)生光生載流子，即載流子的分布被"第二探測器"表面覆蓋金屬"調(diào)制"了。設(shè)在tO時刻一束持續(xù)時間很短的脈沖光入射到探測器表面，這時"第一探測器"區(qū)域產(chǎn)生了許多光生載流子，而"第二探測器"區(qū)域并無載流子分布。這些光生載流子可以分為兩部分， 一部分為在耗盡區(qū)內(nèi)，另一部分在耗盡區(qū)外。耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的載流子耗盡區(qū)電場作用下快速漂移到"第一探測器"電極，而耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分向"第一探測器"區(qū)域擴散，另一部分則向"第二探測器"區(qū)域擴散。經(jīng)過一小段時間后，
"第二探測器"區(qū)域也會有擴散進來的載流子，同時"第一探測器"區(qū)域的載流子由于擴散和漂移使載流子數(shù)目減少。隨著擴散的繼續(xù)，"第一探測器"區(qū)域的載流子逐漸減少，"第二探測器"區(qū)域載流子逐漸增加。兩個區(qū)域的載流子或者由于復(fù)合而消失或者由于擴散到耗盡區(qū)邊界而在耗盡區(qū)電場作用下向外電極漂移，從而分別被兩個探測器探測到。
具體的，本發(fā)明提出一種采用CMOS集成電路工藝制作的差分硅光
電探測器，其包括一個襯底16;
第一、二、三、四、五、六個阱10，所述阱等間距地制作在所述襯
底上；
第一、二、三、四、五、六個擴散區(qū)11，所述六個擴散區(qū)分別制作在所述六個阱的正中央；
第七個擴散區(qū)15，所述第七個擴散區(qū)制作在所述六個擴散區(qū)和所述六個阱外面；
在所述第一個、第三個和第五個擴散區(qū)上制作接觸孔14，通過第一層金屬12將這三個擴散區(qū)連在一起；
在所述第二個、第四個和第六個擴散區(qū)上覆蓋第一層金屬，使這些擴散區(qū)不透光；
在所述第二個、第四個和第六個擴散區(qū)上制作接觸孔，通過第二層金屬13將這三個擴散區(qū)連在一起。進一步，所述襯底為p型硅襯底。進一步，所述六個阱為n型阱。進一步，所述六個擴散區(qū)為n+擴散區(qū)。進一步，所述第七個擴散區(qū)為P +擴散區(qū)。
進一步，所述P +擴散區(qū)作為探測器陽極將整個探測器包圍，以保證良好的襯底接觸。
進一步，將透光的第一個、第三個及第五個n+擴散區(qū)與p型襯底形成的pn結(jié)探測器連在一起形成第一探測器；將不透光的第二個、第四個及第六個n+擴散區(qū)與p型襯底形成的pn結(jié)探測器連在一起形成第二探測器。
進一步，第一探測器和第二探測器交錯排列，有效的光電流信號為第一探測器電流信號減去第二探測器電流信號。
進一步，所述探測器在CMOS集成電路工藝線上流片完成，實現(xiàn)光電探測器和接收機電路的同時制備，從而在同一片硅襯底上單片集成探測器和接收機電路。
由以上分析可以得到，"第一探測器"收集到的載流子既含有漂移成分又含有擴散成分，"第二探測器"收集到的載流子只含有擴散成分。如果將"第一探測器"產(chǎn)生的光電流減去"第二探測器"產(chǎn)生的光電流，那么就能消除擴散成分所帶來的不利影響，消除因擴散成分產(chǎn)生的響應(yīng)電流的"拖尾"現(xiàn)象從而提高速度。本發(fā)明正是基于該現(xiàn)象，將"第一探測器"電流信號減去"第二探測器"電流信號作為差分探測器的有效光電流信號，從而提高探測器頻率響應(yīng)，使其滿足高速光通信的需求。


圖l為本發(fā)明頂視圖；圖2為本發(fā)明橫向剖面圖；圖3為本發(fā)明光生載流子濃度示意圖；圖4為本發(fā)明光電流瞬態(tài)響應(yīng)曲線。
具體實施例方式
由于本發(fā)明使用標(biāo)準CMOS工藝，因此可以通過版圖的形式交由芯片代工廠(Foundry)生產(chǎn)，其版圖頂視圖如圖1所示。其特征在于，包括一個p型硅襯底16;
第一、二、三、四、五、六個n型阱10等間距交錯制作在p型硅襯底16上；
第一、二、三、四、五、六個n+擴散區(qū)11制作在六個n型阱10的正中央；
一個P+擴散區(qū)15，該P+擴散區(qū)15制作在n+擴散區(qū)11和n型阱IO外面；
在第一個、第三個和第五個n +擴散區(qū)11上制作接觸孔14，通過第一層金屬12將這三個n+擴散區(qū)ll連在一起；
在第二個、第四個和第六個n+擴散區(qū)11上覆蓋第一層金屬12，使這些擴散區(qū)不透光；
在第二個、第四個和第六個n+擴散區(qū)11上制作接觸孔14，通過第二層金屬13將這三個n+擴散區(qū)11連在一起。
P +擴散區(qū)15作為探測器陽極將整個探測器包圍，以保證良好的襯底接觸。
n型阱10及n+擴散區(qū)11和襯底16的PN結(jié)構(gòu)成光電二極管。將透光的第一個、第三個及第五個n+擴散區(qū)與p型襯底形成的pn結(jié)探測器連在一起形成"第一探測器"；將不透光的第二個、第四個及第六個n+擴散區(qū)與p型襯底形成的pn結(jié)探測器連在一起形成"第二探測器"。
"第一探測器"的響應(yīng)速度較快，而"第二探測器"響應(yīng)速度較慢。"第一探測器"和"第二探測器"交錯排列，有效的光電流信號為"第一探測器"電流信號減去"第二探測器"電流信號。
圖2為本發(fā)明橫向剖面圖，由n型阱20及n+擴散區(qū)21和襯底24構(gòu)成的探測器交錯排列，P+擴散區(qū)22將整個探測器包圍，第二層金屬23將"第二探測器"覆蓋使其不透光。當(dāng)入射光照射到探測器表面時，
"第二探測器"的表面由于被金屬層覆蓋而使光不能透射，入射光只在
"第一探測器"區(qū)域被吸收產(chǎn)生光生載流子。
圖3為本發(fā)明光生載流子濃度示意圖。設(shè)在t=t0時刻一束持續(xù)時間很短的脈沖光入射到探測器表面，這時"第一探測器"區(qū)域產(chǎn)生了許多光生載流子，而"第二探測器"區(qū)域并無載流子分布，即載流子的分布被"第二探測器"表面覆蓋金屬"調(diào)制"了。這些光生載流子可以分為兩部分， 一部分為在耗盡區(qū)內(nèi)，另一部分在耗盡區(qū)外。耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的載流子耗盡區(qū)電場作用下快速漂移到"第一探測器"電極，而耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分向"第一探測器"區(qū)域擴散，另一部分則向"第二探測器"區(qū)域擴散。經(jīng)過一小段時間后在t=tl時刻，"第二探測器"區(qū)域也會有擴散進來的載流子，同時"第一探測器"區(qū)域的載流子由于擴散和漂移使載流子數(shù)目減少。隨著擴散的繼續(xù)，"第一探測器"區(qū)域的載流子逐漸減少，"第二探測器"區(qū)域載流子逐漸增加。在t=t3時刻兩個區(qū)域的載流子數(shù)目接近相同，由于"第一探測器"和"第二探測器"
兩個區(qū)域的載流子分布相同故這時候載流子己經(jīng)不再受調(diào)制了，定義At-t3-10為載流子調(diào)制時間。此后兩個區(qū)域的載流子或者由于復(fù)合而消失或
者由于擴散到耗盡區(qū)邊界而在耗盡區(qū)電場作用下向外電極漂移，從而分
別被兩個探測器探測到。因此在t44時刻兩個區(qū)域的載流子數(shù)目都較小。
通過以上對載流子分布的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)"第一探測器"收集到的載流子既含有漂移成分又含有擴散成分，"第二探測器"收集到的載流子只含有擴散成分。如果我們將"第一探測器"產(chǎn)生的光電流減去"第二探測器"產(chǎn)生的光電流，那么就能消除擴散成分所帶來的不利影響，消除因擴散成分產(chǎn)生的響應(yīng)電流的"拖尾"現(xiàn)象從而提高速度。這
樣相減的前提是由于探測器的pn區(qū)很厚(12pm)，載流子的調(diào)制時間遠遠小于載流子從產(chǎn)生到消失時間，也即只有入射光照射后很短一段時間內(nèi)載流子分布才是被調(diào)制的，在載流子消失以前這些載流子早已經(jīng)在"第一探測器"和"第二探測器"兩個區(qū)域濃度梯度分布均勻了。從t3時刻到載流子消失這段長時間里，兩個區(qū)域的載流子運動過程是類似的，都需要通過漫長的擴散才能到達外電極產(chǎn)生光電流。因此我們將兩個探測器電流相減得到的有效探測電流消除了在t3時刻以后漫長的載流子擴散時間對探測器速度造成的影響。
圖4為本發(fā)明光電流瞬態(tài)響應(yīng)曲線圖，入射光為2GHz的正弦波。由圖可知在2GHz的正弦入射光下，"第一探測器"和"第二探測器"兩個探測器的光電流信號失真都很嚴重，無法正確響應(yīng)入射光場變化。但是它們相減之后的有效光電流信號卻能快速響應(yīng)入射光，失真很小。進一步驗證了差分探測器響應(yīng)速度快的優(yōu)點。
實現(xiàn)將兩探測器光電流信號相減的功能是通過跨阻放大器及差分放
大器來完成的。由于本發(fā)明采用CMOS標(biāo)準集成電路工藝制作而成，因 此在制作探測器的同時極為容易實現(xiàn)后續(xù)的跨阻放大器及差分放大器， 從而提取有效的光電流信號，滿足高速光通信需要。
這種差分硅光電探測器完全用CMOS工藝制作而成，不需更改 CMOS工藝中的任何工序和材料，可以在生產(chǎn)廠商(Foundry)的工藝 流水線上與CMOS集成電路一同制造，同時實現(xiàn)微電子器件和光電子器 件，真正實現(xiàn)了光電子與微電子的集成。硅基光電探測器與接收電路的 單片集成不僅具有光電轉(zhuǎn)換和放大功能，而且由于硅集成電路己經(jīng)成 熟，可以方便地引入電子的邏輯處理、存儲和智能控制功能。且由于光 電集成電路消除了封裝、引線和連線等寄生參量的影響，可以實現(xiàn)極高 的速率，同時還具有體積小、成品率高和可靠性好等優(yōu)點。
至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技 術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種其它的改 變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實施例，而應(yīng) 由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1. 一種采用CMOS集成電路工藝制作的差分硅光電探測器，其特征在于，包括一個襯底(16)；第一、二、三、四、五、六個阱(10)，所述阱等間距地制作在所述襯底上；第一、二、三、四、五、六個擴散區(qū)(11)，所述六個擴散區(qū)分別制作在所述六個阱的正中央；第七個擴散區(qū)(15)，所述第七個擴散區(qū)制作在所述六個擴散區(qū)和所述六個阱外面；在所述第一個、第三個和第五個擴散區(qū)上制作接觸孔(14)，通過第一層金屬(12)將這三個擴散區(qū)連在一起；在所述第二個、第四個和第六個擴散區(qū)上覆蓋第一層金屬，使這些擴散區(qū)不透光；在所述第二個、第四個和第六個擴散區(qū)上制作接觸孔，通過第二層金屬(13)將這三個擴散區(qū)連在一起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述襯底為p型 硅襯底。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述六個阱 為n型阱。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述六個擴 散區(qū)為n+擴散區(qū)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，其特征在于，所述第七個 擴散區(qū)為P+擴散區(qū)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的探測器，其特征在于，所述P+擴散區(qū)作 為探測器陽極將整個探測器包圍，以保證良好的襯底接觸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的探測器，其特征在于，將透光的第一個、 第三個及第五個n+擴散區(qū)與p型襯底形成的pn結(jié)探測器連在一起形成 第一探測器；將不透光的第二個、第四個及第六個n+擴散區(qū)與p型襯底形成的pn結(jié)探測器連在一起形成第二探測器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的探測器，其特征在于，第一探測器和第 二探測器交錯排列，有效的光電流信號為第一探測器電流信號減去第二 探測器電流信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述探測器在CMOS 集成電路工藝線上流片完成，實現(xiàn)光電探測器和接收機電路的同時制 備，從而在同一片硅襯底上單片集成探測器和接收機電路。
全文摘要
本發(fā)明提出一種采用CMOS集成電路工藝制作的差分硅光電探測器，包括一個襯底(16)；第一、二、三、四、五、六個阱(10)，所述阱等間距地制作在所述襯底上；第一、二、三、四、五、六個擴散區(qū)(11)，所述六個擴散區(qū)分別制作在所述六個阱的正中央；第七個擴散區(qū)(15)，所述第七個擴散區(qū)制作在所述六個擴散區(qū)和所述六個阱外面；在所述第一個、第三個和第五個擴散區(qū)上制作接觸孔(14)，通過第一層金屬(12)將這三個擴散區(qū)連在一起；在所述第二個、第四個和第六個擴散區(qū)上覆蓋第一層金屬，使這些擴散區(qū)不透光；在所述第二個、第四個和第六個擴散區(qū)上制作接觸孔，通過第二層金屬(13)將這三個擴散區(qū)連在一起。
文檔編號H01L27/144GK101465358SQ20071017989
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者旭 張, 陳弘達, 黃北舉 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所