[发明专利]用于光电单片集成的硅基光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基光电单片集成电路，尤其是涉及一种与BCD标准工艺完全兼容的用于光电单片集成的硅基光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器的作用是将输入的光信号有效地转变为电信号。近年来，硅基光电探测器有较快的发展，并广泛应用于光存储系统、光电测量、光数据传输与光互连、光计算以及图像存储与处理等领域。例如，硅基光电探测器可应用于CD-ROM、数字化视频光盘(DVD)等的光学读取头及850nm光纤通信和650nm塑料光纤通信等。

以850nm光接收芯片为例，光接收芯片主要由两部分组成：光电探测器和相应的处理电路。光电探测器接收光信号转换成微弱的光电流，光电探测器输出的微弱电流信号通过前置放大等处理电路转换成电压信号输出。光接收芯片的制备可以采用混合集成或单片集成的方法来实现。混合集成是在芯片封装过程中通过键合技术把光电探测器与相应的处理电路进行连接。从成本和寄生参数的减小、结构稳定性以及集成密度等方面考虑，混合集成都不及真正的单片集成。更重要的是随着器件复杂度和数量的增加，靠混合集成技术将难以实现。单片集成则是在同一衬底上集成光电探测器与处理电路，并实现两者之间的连接。单片集成可以提高芯片的整体性能，消除寄生参量的影响，减小芯片的体积，同时可以大大降低器件成本和封装成本。

目前，各类硅基光电探测器和OEIC几乎涉及了Bipolar、CMOS、BiCMOS、BCD(BipolarCMOS DMOS)、SOI(Silicon-On-Insulator)等工艺，以Bipolar和BiCMOS为主。2005年奥地利维也纳技术大学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)报道了采用0.6μmBiCMOS工艺制作了速率达5Gb/s的光接收机。2002年德克萨斯大学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)报道的高速Si单片集成光接收机采用130nm CMOS工艺，以SOI为衬底，工作波长850nm，探测器的量子效率为10％，接收机工作在1、2、3和5Gb/s时的灵敏度分别为-19.0、-16.6、-15.4和-10.9dBm。虽然Bipolar、BiCMOS以及SOI工艺更适合制备高性能的光电探测器，但CMOS、BCD工艺相比Bipolar工艺具有低功耗、高集成度、设计简单等优点；CMOS、BCD工艺比BiCMOS和SOI工艺则有较低的成本。

硅基光电探测器可以采用标准工艺与各种功能的硅IC电路集成，实现单片集成的光电集成电路(OEIC)。硅基光电探测器有多种结构，包括肖特基(SB)二极管、金属-半导体-金属(MSM)光电二极管、PN与PIN光电二极管、雪崩光电二极管(APD)等。从目前硅基光电探测器和OEIC涉及的工艺及硅基光电探测器的结构来看，仍然存在以下一些亟待解决的问题。

利用低成本的CMOS工艺易于实现PN结构的光电探测器，但这种结构的探测器的频率特性受到了限制，已有报道，这种简单结构的CMOS OEIC的3dB带宽都要小于15MHz。而肖特基(SB)二极管和金属-半导体-金属(MSM)光电探测器虽然是平面工艺，制作也很简单，但是需要金属与硅之间的肖特基接触，CMOS工艺只支持欧姆接触。大多数商业的CMOS工艺不在衬底背面做电极，因此纵向结构的PIN光电探测器在商业的CMOS工艺下不太可行。雪崩光电二极管(APD)需要严格的工艺要求以得到雪崩增益，并且工作电压高，不易实现。