基于標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝的光電集成接收的制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于光纖通信系統(tǒng)及光互連領(lǐng)域，為實現(xiàn)單片集成所具有的體積小、成本低、可靠性好、功能豐富等優(yōu)點。本實用新型提出一種與標(biāo)準(zhǔn)SiGe?BiCMOS工藝兼容的光電探測器，以及集成該探測器的高速、高靈敏度單片集成光接收機。為了達(dá)到上述技術(shù)要求，本實用新型采用的技術(shù)方案是，基于標(biāo)準(zhǔn)SiGe?BiCMOS工藝的光電集成接收機，包括：兩個結(jié)構(gòu)完全對稱的光電探測器、一個全差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器、一組順序級聯(lián)的全差分限幅放大器、一個輸出緩沖級，其作用是將限幅放大器輸出的差分電壓信號轉(zhuǎn)換成單端輸出的電壓信號，并提供驅(qū)動能力。本實用新型主要應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計制造。
【專利說明】基于標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝的光電集成接收機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光纖通信系統(tǒng)及光互連領(lǐng)域，涉及一種與鍺硅雙極-互補金屬氧化物半導(dǎo)體(SiGe BiCMOS)工藝兼容的光電探測器，以及單片集成該探測器的高速光接收機，具體講，涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝的光電集成接收機。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)信息的需求量持續(xù)增加。由于光纖通信具有高速、大容量等優(yōu)點，故在干線網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。然而，對于用戶終端而言，受光電集成芯片的成本限制，光纖到戶的“最后一公里”難以持續(xù)推進。因此，研制低成本、高性能的光電集成芯片成為集成光電子領(lǐng)域的研究熱點。
[0003]作為光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，光接收機前端的參數(shù)指標(biāo)決定著通信系統(tǒng)的整體性能。目前，現(xiàn)行實用的光接收機普遍采用II1-V族化合物半導(dǎo)體探測器和硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路的混合集成，因而存在寄生效應(yīng)大、成本高、可靠性差等問題。為了克服混合集成的上述限制，科研人員提出采用技術(shù)成熟的硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)光接收機的單片集成化，并實施了多種集成方案。例如，毛陸虹等人對標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的探測器結(jié)構(gòu)和單片集成光接收機進行了系統(tǒng)研究，提出了與CMOS工藝兼容的硅光電探測器(ZL200310101069.5，ZL200720098995.5)，帶前均衡電路的CMOS光電集成接收機(ZL200510015149.8)，以及帶寬和靈敏度均倍增的標(biāo)準(zhǔn)CMOS差分光電集成接收機(ZL200710060333.3)等結(jié)構(gòu)。然而，受硅材料自身的間接帶隙特性和工藝結(jié)構(gòu)的限制，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備的光電探測器難以同時兼顧速度和響應(yīng)度兩方面的性能。常規(guī)結(jié)構(gòu)探測器的帶寬僅為數(shù)十MHz，嚴(yán)重限制了單片集成光接收機的整體性能。另外，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)的硅基探測器無法檢測1310nm和1550nm兩個重要的通信波段。因此，到目前為止，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)的光電集成接收機尚未進入實用階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，克服硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備光電探測器的限制，同時實現(xiàn)單片集成所具有的體積小、成本低、可靠性好、功能豐富等優(yōu)點。本實用新型提出一種與標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝兼容的光電探測器，以及集成該探測器的高速、高靈敏度單片集成光接收機。為了達(dá)到上述技術(shù)要求，本實用新型采用的技術(shù)方案是，基于標(biāo)準(zhǔn)SiGeBiCMOS工藝的光電集成接收機，包括:
[0005]兩個結(jié)構(gòu)完全對稱的光電探測器，其中一個探測器是將光纖輸入的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，另一個探測器用于維持差分電路的輸入負(fù)載平衡，增加接收機帶寬；
[0006]一個全差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器，其作用是把光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并進行初步放大；
[0007]—組順序級聯(lián)的全差分限幅放大器，其作用是將跨阻放大器輸出的電壓信號放大到數(shù)字處理單元所需的電壓水平；[0008]一個輸出緩沖級，其作用是將限幅放大器輸出的差分電壓信號轉(zhuǎn)換成單端輸出的電壓信號，并提供驅(qū)動能力。
[0009]高跨導(dǎo)的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(SiGe HBT)作為跨阻放大器的共射級輸入。
[0010]限幅放大器為四級，后兩級為帶折疊有源電感負(fù)載結(jié)構(gòu)，第四級限幅放大器輸入差分對管采用高跨導(dǎo)的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管替代傳統(tǒng)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(SiMOSFET),以提高限幅放大器的增益。
[0011]輸出緩沖級采用鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管作為輸入差分對，采用電流鏡負(fù)載實現(xiàn)雙端輸入向單端輸出的轉(zhuǎn)換，并在負(fù)載管兩端并聯(lián)由柵極、漏極相連的MOS管形成的二極管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)阻抗匹配。
[0012]探測器結(jié)構(gòu)為:在P型輕摻雜硅襯底上順序外延重?fù)诫s的η型硅埋層和輕摻雜的η型硅層；然后光刻、刻蝕深溝槽和淺溝槽，并用高密度等離子體技術(shù)分別填充絕緣介質(zhì)和氧化硅，形成深溝槽和淺溝槽隔離區(qū)域，淺溝槽隔離區(qū)域位于輕摻雜η型硅層，深溝槽隔離區(qū)域穿越輕摻雜的η型外延層和重?fù)诫s的η型埋層，直至P型襯底；在其他區(qū)域被掩模保護的情況下，利用砷離子對輕摻雜η型硅層進行重?fù)诫s注入，形成探測器的η型接觸區(qū)；在其他區(qū)域被多晶硅保護的情況下，在輕摻雜的η型硅層上選擇外延生長P型摻雜的SiGe層；通過光刻、刻蝕技術(shù)形成環(huán)繞P型摻雜的鍺硅層的多晶硅圖形，對多晶硅進行B+注入摻雜和退火激活，形成光電探測器的P型重?fù)诫s區(qū)和P型多晶硅外接觸區(qū)；淀積氧化硅和氮化硅介質(zhì)層，該介質(zhì)層同時兼作探測器的抗反射膜，增加入射光在探測器表面的入射效率；光亥IJ、刻蝕探測器的電極窗口，淀積Ni/Ti/Au金屬復(fù)合膜，制備出探測器的陽極電極和陰極電極。
[0013]與現(xiàn)有硅基標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光電集成接收機相比，本實用新型具有如下優(yōu)點:
[0014]1、利用標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝的結(jié)構(gòu)特點，可實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)的光電探測器。此外，由于鍺硅對850nm波長光的吸收系數(shù)更高，因而可實現(xiàn)高速、高響應(yīng)度的光電探測器；
[0015]2、由于鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管具有比傳統(tǒng)硅基金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)更高的有效跨導(dǎo)，因而基于SiGe BiCMOS工藝更容易設(shè)計出增益帶寬積高、噪聲系數(shù)低的放大電路；
[0016]3、本實用新型設(shè)計的光電探測器和放大電路均與標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝兼容，可在同一芯片上實現(xiàn)高性能的光接收機前端與信號處理后端的單片集成，從而降低成本，增強功能。綜上所訴，本實用新型提出光接收機具有良好的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1給出本實用新型所設(shè)計光接收機的電路結(jié)構(gòu)原理圖。
[0018]圖2給出了本實用新型所設(shè)計的光電探測器的剖面示意圖。
[0019]圖3給出了本實用新型所設(shè)計的光接收機前端的電路原理圖，其中:
[0020](a)差分共射跨阻放大器電路圖
[0021](b)差分共射共柵跨阻放大器電路圖
[0022](C)限幅放大器電路圖
[0023](d)輸出緩沖級電路圖【具體實施方式】
[0024]1、本實用新型提出的光電探測器可充分利用SiGe BiCMOS工藝的結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建出PN結(jié)、PIN、MSM及光電晶體管等多種探測器結(jié)構(gòu)，亦可利用鍺硅外延層提高探測器的響應(yīng)度。
[0025]2、本實用新型提出的基于標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝的光接收機前端電路包括:
[0026]兩個結(jié)構(gòu)完全對稱的光電探測器，其中一個探測器是將光纖輸入的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，另一個探測器用于維持差分電路的輸入負(fù)載平衡，增加接收機帶寬；
[0027]—個全差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器，其作用是把光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并進行初步放大；
[0028]一組順序級聯(lián)的全差分限幅放大器，其作用是將跨阻放大器輸出的電壓信號放大到數(shù)字處理單元所需電壓水平；
[0029]一個輸出緩沖級，其作用是將限幅放大器輸出的差分電壓信號轉(zhuǎn)換成單端輸出的電壓信號，并提供驅(qū)動能力。
[0030]3、兩個結(jié)構(gòu)完全對稱的光電探測器中的第一探測器PDl用于探測光纖輸出的光信號，第二探測器PD2為補償探測器，為全差分跨阻放大器提供對稱的輸入電容，保持跨阻前置放大器的輸入負(fù)載平衡。
[0031]4、采用高跨導(dǎo)的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(SiGe HBT)作為跨阻放大器的共射級輸入。由于鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管具有比金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)更大的有效跨導(dǎo)，因而可將輸入極點向高頻方向推移，從而有效降低探測器寄生電容對電路帶寬的惡化。
[0032]5、考慮系統(tǒng)功耗和放大器多級級聯(lián)引起的寬帶變窄，本實用新型優(yōu)選四級限幅放大器。為了增加帶寬，同時不影響系統(tǒng)整體的噪聲性能，后兩級限幅放大器采用折疊有源電感技術(shù)。另外，第四級限幅放大器輸入差分對管采用高跨導(dǎo)的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管替代傳統(tǒng)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(Si MOSFET),以提高限幅放大器的增益。
[0033]6、為提高光接收機的帶寬和實現(xiàn)輸出阻抗匹配，輸出緩沖級采用鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管作為輸入差分對，采用PMOS電流鏡負(fù)載實現(xiàn)雙端輸入向單端輸出的轉(zhuǎn)換，并在PMOS管旁并聯(lián)低阻抗的NMOS管，以調(diào)整輸出電阻，增大驅(qū)動能力。
[0034]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步地詳述。
[0035]本實用新型提供了一種基于標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝實現(xiàn)的光電探測器及其高速光電集成接收機。該接收機是在全差分光電集成接收機的架構(gòu)基礎(chǔ)上，利用SiGe BiCMOS工藝的結(jié)構(gòu)特點及其提供的鍺硅外延層，實現(xiàn)了縱向結(jié)構(gòu)的PIN光電探測器；利用鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管高速、高驅(qū)動能力和CMOS電路低功耗、高集成度的優(yōu)點，設(shè)計出高速、低噪聲的放大電路。本實用新型所設(shè)計光接收機的電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。該接收機包括兩個結(jié)構(gòu)完全對稱的光電探測器、一個全差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器、一組順序級聯(lián)的全差分限幅放大器和一個輸出緩沖級。
[0036]作為優(yōu)選實例，本實用新型中的光電探測器由異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的P+基區(qū)、η—集電區(qū)和η+埋層實現(xiàn)，器件的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，I為P型襯底；2為重?fù)诫s的η型埋層；3為輕摻雜的η型外延層；4為選擇外延的P型摻雜層；5為重?fù)诫s的η型接觸區(qū)；6為絕緣介質(zhì)填充的深溝槽；7為氧化物填充的淺溝槽；8為光電探測器的P型重?fù)诫s區(qū)；9為光電探測器的P型多晶硅接觸區(qū)；10為光電探測器的陽極電極；11為光電探測器的陰極電極；12為介質(zhì)隔離層。由于本實用新型提出的光電探測器結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝兼容，所以可在制備鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的過程中同時實現(xiàn)光電探測器。
[0037]圖2中:層7位于層6之上，層9位于層7之上，層11位于層5之上。其中，層11和層5電學(xué)導(dǎo)通。層7和層6、層7和層9的疊放位置是固定的、必須的。
[0038]下面結(jié)合實施例和附圖2對光電探測器的具體實現(xiàn)工藝進行描述:在優(yōu)選實施例中，首先在P型輕摻雜硅襯底I上順序外延重?fù)诫s的η型硅埋層2和輕摻雜的η型硅層3 ；然后光刻、刻蝕深溝槽和淺溝槽，并用高密度等離子體技術(shù)分別填充絕緣介質(zhì)和氧化硅，形成深溝槽6和淺溝槽7所示的隔離區(qū)域；在其他區(qū)域被掩模保護的情況下，利用砷離子對圖2所示的輕摻雜η型硅層3進行重?fù)诫s注入，形成探測器的η型接觸區(qū)5 ;在其他區(qū)域被多晶硅保護的情況下，在輕摻雜的η型硅層3上選擇外延生長P型摻雜的SiGe層4 ;通過光刻、刻蝕技術(shù)形成環(huán)繞P型摻雜的鍺硅層4的多晶硅圖形，對多晶硅進行B+注入摻雜和退火激活，形成光電探測器的P型重?fù)诫s區(qū)8和P型多晶硅外接觸區(qū)9 ;淀積氧化硅和氮化硅介質(zhì)層12，該介質(zhì)層同時兼作探測器的抗反射膜，增加入射光在探測器表面的入射效率；光刻、刻蝕探測器的電極窗口，淀積Ni/Ti/Au金屬復(fù)合膜，制備出探測器的陽極電極10和陰極電極11。
[0039]圖3(a)給出了差分跨阻放大器的一個優(yōu)選實施例。該結(jié)構(gòu)為差分共射跨阻放大器，由鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Q1和Q2、NMOS晶體管Mp PMOS晶體管M1至M4組成。其中，雙極晶體管Q1和Q2作為差分輸入對管；NM0S晶體管M0為偏置管，提供偏置電流；PM0S晶體管M1和M2為工作在深線性區(qū)的MOS管電阻，該電阻跨接在輸入管Q1和Q2的基極和集電極之間，作為反饋電阻；PM0S管M3和M4為恒流源負(fù)載。差分共射跨阻放大器的左右支路完全對稱，即輸入差分對管Q1和Q2的尺寸和版圖形狀、反饋電阻M1和M2的尺寸和版圖形狀以及負(fù)載管M3和M4的尺寸和版圖形狀都是完全相同的，且他們在版圖排布上也是完全對稱的。
[0040]本實用新型差分跨阻放大器的另一優(yōu)選實施例如圖3(b)所示。該實施例為差分共射共柵結(jié)構(gòu)，由雙極晶體管Q11和Q12、NMOS晶體管Mltl至M16及PMOS晶體管M17和M18組成。其中，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Q11和Q12作為共射共柵結(jié)構(gòu)的共射管鳥為偏置管，提供偏置電流；NM0S晶體管Mn、M12為MOS管電阻；NM0S晶體管M13和M14為共射共柵結(jié)構(gòu)的共柵管，與異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Q11和Q12組成共射共柵結(jié)構(gòu)；NM0S晶體管M15和M16為二極管連接負(fù)載；PM0S晶體管M17和M18為工作于線性區(qū)的MOS管電阻。共射共柵結(jié)構(gòu)跨阻放大器的左右支路完全對稱，即共射對管Q11和Q12的尺寸和版圖形狀、共柵對管M13和M14的尺寸和版圖形狀、負(fù)載管M15和M16的尺寸和版圖形狀以及線性MOS電阻管M17和M18的尺寸和版圖形狀都完全相同，且他們在版圖排布上完全對稱。
[0041]本實用新型所述的差分限幅放大器采用四級全差分結(jié)構(gòu)。其中，前兩級結(jié)構(gòu)完全相同，后兩級結(jié)構(gòu)相似。前兩級限幅放大器由NMOS管M2tl至M29組成，其中M20和M25為偏置管，提供偏置電流；NM0S管M21' M22及M26、M27分別為差分輸入對管；NM0S管M23、M24及M28、M29為負(fù)載管。這些相互配對的NMOS管的尺寸和形狀完全相同，在版圖結(jié)構(gòu)上也是完全對稱的。為拓展頻帶的同時保持系統(tǒng)整體的噪聲性能，后兩級放大器采用折疊有源電感技術(shù)。第三級限幅放大器由MOS管M30至M36組成。其中，M3tl為偏置管；M31和M32為差分輸入對管；M33和M34為差分輸入的負(fù)載管；PM0S管M35和M36為有源折疊電感。為提高限幅放大器的增益，第四級限幅放大器由雙極晶體管Q41和Q42、NMOS管M4tl至M42及PMOS管M43和M44組成。其中，雙極晶體管Q41和Q42為差分輸入對管;M40為偏置管,提供偏置電流;M33和M34為差分輸入的負(fù)載管；PMOS管M43和M44為有源折疊電感。同上，所述第三和第四級限幅放大器中相互配對的NMOS管、PMOS管及雙極晶體管的尺寸和形狀完全相同，在版圖排布上也是完全對稱的。
[0042]差分轉(zhuǎn)單端的輸出緩沖級由NMOS偏置管M5tl、差分輸入對管Q51和Q52、NM0S負(fù)載管M51和M52以及PMOS晶體管M53和M54所組成。差分輸入對管Q51和Q52的尺寸和形狀、NMOS負(fù)載管M51和M52的尺寸和形狀以及PMOS晶體管M53和M54的尺寸和形狀完全相同，在版圖排布上完全對稱。NMOS偏置管M5tl的作用是提供偏置電流；PM0S負(fù)載管M53的柵極和M54柵極短接在一起，并與雙極晶體管Q51的集電極相連，形成一個雙端轉(zhuǎn)單端結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)單端輸出；NMOS負(fù)載管M51和M52的漏極和柵極以及PMOS負(fù)載管M53和M54的源級均與VDD相連。
[0043]在ΙΒΜ0.18 μ m SiGe BiCMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝條件下，圖1所示的差分光電集成接收機的_3dB帶寬優(yōu)于2.7GHz，跨阻增益大于75(1ΒΩ。
【權(quán)利要求】
1.一種基于標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝的光電集成接收機，其特征是，包括: 兩個結(jié)構(gòu)完全對稱的光電探測器，其中一個探測器是將光纖輸入的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，另一個探測器用于維持差分電路的輸入負(fù)載平衡，增加接收機帶寬； 一個全差分結(jié)構(gòu)的跨阻放大器，其作用是把光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并進行初步放大； 一組順序級聯(lián)的全差分限幅放大器，其作用是將跨阻放大器輸出的電壓信號放大到數(shù)字處理單元所需的電壓水平； 一個輸出緩沖級，其作用是將限幅放大器輸出的差分電壓信號轉(zhuǎn)換成單端輸出的電壓信號，并提供驅(qū)動能力。
2.如權(quán)利要求1所述的基于標(biāo)準(zhǔn)SiGeBiCMOS工藝的光電集成接收機，其特征是，高跨導(dǎo)的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(SiGe HBT)作為跨阻放大器的共射級輸入。
3.如權(quán)利要求1所述的基于標(biāo)準(zhǔn)SiGeBiCMOS工藝的光電集成接收機，其特征是，限幅放大器為四級，后兩級為帶折疊有源電感負(fù)載結(jié)構(gòu)，第四級限幅放大器輸入差分對管采用高跨導(dǎo)的鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管替代傳統(tǒng)金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(Si M0SFET)，以提高限幅放大器的增益。
4.如權(quán)利要求1所述的基于標(biāo)準(zhǔn)SiGeBiCMOS工藝的光電集成接收機，其特征是，輸出緩沖級采用鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管作為輸入差分對，采用電流鏡負(fù)載實現(xiàn)雙端輸入向單端輸出的轉(zhuǎn)換，并在負(fù)載管兩端并聯(lián)由柵極、漏極相連的MOS管形成的二極管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)阻抗匹配。
【文檔編號】H04B10/60GK203691420SQ201320867887
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】謝生, 毛陸虹, 郭增笑, 付友, 康玉琢 申請人:天津大學(xué)