宋鵬漢，張有潤(rùn)，甄少偉，周萬禮，汪 煜

（1.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610054；2.中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫214072）

1 引言

基于絕緣體上硅（SOI）的光電集成電路技術(shù)為新型硅基光電子器件的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝完全兼容的堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，SOI工藝技術(shù)不僅為超大規(guī)模集成電路VLSI提供了技術(shù)平臺(tái)，同時(shí)也是硅基光電集成的理想平臺(tái)，基于SOI的光電子技術(shù)在未來的光網(wǎng)絡(luò)和光信息系統(tǒng)中將發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用，因此為了滿足我國(guó)軍用光電芯片的需求，保證軍事、國(guó)防安全，有必要發(fā)展自主可控的SOI光電集成工藝技術(shù)。

在光電子學(xué)方面，SOI材料同樣具有優(yōu)異的表現(xiàn)。作為光電集成中光路的基本構(gòu)成單元，光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)對(duì)集成光子器件的性能有著至關(guān)重要的影響。將SOI材料用來制作光電探測(cè)器，主要有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在光通信波長(zhǎng)范圍內(nèi)，硅材料的吸收長(zhǎng)度通常為幾十微米，SiO2作為絕緣層可以隔離襯底深處產(chǎn)生的光生載流子，具有更高的可控性；與標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝兼容，使其可以使用先進(jìn)大規(guī)模集成電路的工藝技術(shù)進(jìn)行制造，還可實(shí)現(xiàn)片上光電器件的集成。這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了SOI光電探測(cè)器特性的深入研究，并引發(fā)了諸多基于SOI的光子集成器件的發(fā)展[1-3]。

2009年，波士頓大學(xué)報(bào)道了一種基于SOI諧振腔結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，850 nm波長(zhǎng)下量子效率為34%[4]。2013年，隆德大學(xué)基于65 nm CMOS工藝開發(fā)的體硅光電二極管在850 nm波長(zhǎng)的條件下響應(yīng)度達(dá)到0.16 A/W，帶寬為6 MHz[5]。2018年，北京工業(yè)大學(xué)利用2 μm低摻雜外延SOI材料開發(fā)指叉型光電探測(cè)器，850 nm波長(zhǎng)條件下響應(yīng)度為0.051 A/W，帶寬為205 MHz[6]。光電探測(cè)器是光通信系統(tǒng)的重要組成部分，因此兼顧響應(yīng)度和帶寬的光電探測(cè)器可以有效提高傳輸過程中的能量轉(zhuǎn)換效率以及數(shù)據(jù)傳輸速率。

2 光電探測(cè)器設(shè)計(jì)與仿真

2.1 器件結(jié)構(gòu)

本文旨在設(shè)計(jì)一種兼顧響應(yīng)度和帶寬的光電探測(cè)器，要求與標(biāo)準(zhǔn)0.18 μm CMOS工藝兼容，同時(shí)滿足在850 nm波長(zhǎng)的入射光條件下響應(yīng)度大于0.3 A/W、帶寬大于100 MHz的設(shè)計(jì)指標(biāo)條件。圖1主要是基于SOI的光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。為了符合現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)0.18 μm CMOS工藝，SOI基襯底采用P型摻雜，電阻率為10 Ω·cm，摻雜濃度為1.34×1015cm-3。通過外延工藝，可以控制SOI上的頂硅層厚度，后面會(huì)看到頂層硅厚度對(duì)光電流和響應(yīng)度有直接影響，也會(huì)影響帶寬的相關(guān)特性，這里選擇厚度為10 μm。DNW為設(shè)計(jì)的深N阱，PW為設(shè)計(jì)的P阱，N+和P+是歐姆接觸的重?fù)诫s，BOX為SOI材料自帶的絕緣氧化層，厚度為400 nm，起到隔離作用。

圖1 基于SOI的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

光電探測(cè)器器件中最基本的結(jié)構(gòu)就是PN結(jié)，工作狀態(tài)為反向偏置，反向偏置電壓越大，耗盡區(qū)面積越大。結(jié)構(gòu)中主要有2個(gè)PN結(jié)，即P-sub/DNW和DNW/PW。DNW是根據(jù)現(xiàn)有工藝條件定制的一個(gè)深N阱(約4 μm)，可以使空間電荷區(qū)深入表面硅層，并同時(shí)將其控制在合適的位置，縮短了BOX附近產(chǎn)生的緩慢擴(kuò)散載流子與空間電荷區(qū)之間的距離，從而降低了擴(kuò)散時(shí)間對(duì)帶寬特性的影響。除此之外，DNW/PW還引入了第2個(gè)空間電荷區(qū)。表面產(chǎn)生的光生載流子可以很快地被電場(chǎng)收集。作為性能對(duì)比的體硅器件示意圖如圖2所示，NW是N阱。

圖2 體硅光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 響應(yīng)度與光電流

響應(yīng)度是衡量一個(gè)光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換效率的重要指標(biāo)。光電流是指恒定光源照射下，光電探測(cè)器吸收光能量產(chǎn)生的恒定電流。測(cè)試原理圖如圖3所示。光源波長(zhǎng)850 nm，通過光纖和單模直徑50 μm光波探針把光引導(dǎo)到探針臺(tái)上的測(cè)試樣品。光電探測(cè)器與電阻串聯(lián)，通過半導(dǎo)體分析儀Keithley4200-SCS獲取光電流大小[7-8]。

圖3 測(cè)試原理圖

圖4 反映了隨著反向偏置的增加，體硅器件和SOI光電流的變化規(guī)律?？梢钥吹诫S著偏壓的增大，光電流緩慢增加，這主要是因?yàn)樵?50 nm波長(zhǎng)下，硅的吸收系數(shù)約為632 cm-1，光能量在材料中呈指數(shù)衰減，特定的吸收層厚度會(huì)有固定光能量轉(zhuǎn)化為光生載流子。隨著偏壓的增大，勢(shì)壘區(qū)展寬，中性區(qū)減小，中性區(qū)內(nèi)光生少子復(fù)合造成的電流損失也略微減少。光生少子復(fù)合損失主要和摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度和少子壽命有關(guān)，為了減小表面復(fù)合損失，阱工藝上設(shè)置濃度峰值在1×1018cm-3左右，減小復(fù)合效應(yīng)的影響。

圖4 光電流特性

圖5 為5 V偏壓時(shí)的電流密度分布圖，可以看到SOI硅層深處產(chǎn)生的光電流占據(jù)主要地位，表面區(qū)域吸收產(chǎn)生的光電流占比較小，配合設(shè)計(jì)中采用的深N阱結(jié)構(gòu)，使得勢(shì)壘區(qū)范圍更加深入硅層，可以獲得更大的光電流。

圖5 5 V偏壓器件內(nèi)部電流密度分布圖

光電流Iphoto大小與響應(yīng)度R以及光功率Pphoto的關(guān)系還可以通過下式說明[9]：

其中η為內(nèi)部量子效率（產(chǎn)生電子-空穴對(duì)在被吸收的光子中的比率），r為表面反射率，W為耗盡區(qū)寬度，L為光生少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。根據(jù)公式計(jì)算可得，在5 V反向偏置的條件下，基于SOI的光電探測(cè)器在850 nm波長(zhǎng)下的響應(yīng)率達(dá)到0.33 A/W。綜上可知，頂層硅厚度對(duì)光電流和響應(yīng)度的影響最為明顯，因此選取SOI頂層硅厚度為10 μm。

2.3 帶寬

通常情況下，沒有隔離措施的體硅器件的帶寬一般只有十幾兆赫。影響帶寬的主要因素有中性區(qū)擴(kuò)散時(shí)間和勢(shì)壘區(qū)漂移時(shí)間，理想情況下，光生載流子以飽和速度穿過勢(shì)壘區(qū)的時(shí)間tdrift=Ldrift/vsat，而中性區(qū)擴(kuò)散時(shí)間及器件深處緩慢擴(kuò)散過程所需的時(shí)間比漂移時(shí)間長(zhǎng)得多，載流子緩慢擴(kuò)散所需的時(shí)間可表示為：

其中d為載流子在耗盡區(qū)外的擴(kuò)散距離，Dc為載流子的擴(kuò)散系數(shù)，電子擴(kuò)散和空穴擴(kuò)散需要分別考慮。一般來說，空穴的擴(kuò)散系數(shù)小于電子的擴(kuò)散系數(shù)，所以空穴的擴(kuò)散時(shí)間較長(zhǎng)。測(cè)試電路原理圖如圖3所示，選用光脈沖頻率可調(diào)的光源，通過控制光脈沖的輸出占空比，控制輸出光脈沖時(shí)間，記錄光電流在不同頻率的衰減。

圖6 為深N阱不同摻雜濃度的頻率特性曲線。在5 V反向偏壓的條件下，當(dāng)摻雜濃度分別為1×1017cm-3、5×1017cm-3和1×1018cm-3時(shí)，-3dB帶寬分別為120MHz、90 MHz和80 MHz。深N阱摻雜濃度對(duì)器件頻率特性的影響主要表現(xiàn)在深N阱區(qū)域內(nèi)部電場(chǎng)分布。圖7（a）、（b）為深N阱濃度分別為1×1017cm-3、1×1018cm-3時(shí)的器件內(nèi)部電場(chǎng)分布圖。深N阱摻雜濃度升高導(dǎo)致N型區(qū)電場(chǎng)寬度減小，P型區(qū)電場(chǎng)寬度基本不變，光生載流子在深N阱中性區(qū)擴(kuò)散時(shí)間增加，導(dǎo)致帶寬降低。

圖6 深N阱不同摻雜濃度的頻率特性曲線

圖7 深N阱濃度電場(chǎng)分布圖

圖8 為設(shè)計(jì)的PD在不同的反向偏置條件下的帶寬特性仿真曲線。在5 V的反偏條件下，基于SOI的光電探測(cè)器在850 nm波長(zhǎng)下的帶寬為120 MHz，體硅器件的帶寬為15 MHz。

圖8 帶寬特性曲線

SOI器件自帶有氧化埋層BOX，可以有效防止襯底BOX區(qū)域以下的光生載流子被器件吸收。BOX附近產(chǎn)生的光生載流子遠(yuǎn)離勢(shì)壘區(qū)，主要通過擴(kuò)散的方式移動(dòng)到勢(shì)壘區(qū)或者電極。結(jié)合實(shí)際工藝水平，器件中采用了深N阱DNW（約4 μm）設(shè)計(jì)，減小了BOX附近光生載流子擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的距離，光生載流子在電場(chǎng)的作用下穿過勢(shì)壘區(qū)，最終被電極吸收。表1為文中提到的光電探測(cè)器與前人結(jié)果的對(duì)比，DPD為深N阱光電探測(cè)器。

表1 響應(yīng)度與帶寬結(jié)果對(duì)比

2.4 上升下降時(shí)間

當(dāng)光脈沖信號(hào)入射光電探測(cè)器，光電流信號(hào)響應(yīng)具有一個(gè)上升延遲和下降延遲，這部分延遲時(shí)間主要是光生載流子跨越中性區(qū)和勢(shì)壘區(qū)的時(shí)間。

圖9 顯示了器件在單次光脈沖下的上升和下降時(shí)間。沿著光脈沖的下降沿有明顯的電流拖尾，這是由于在深處產(chǎn)生的光生慢擴(kuò)散載流子需要更長(zhǎng)時(shí)間才能擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到電極上或發(fā)生復(fù)合。隨著電壓的升高，空間電荷區(qū)增大，非平衡載流子的抽取速度變快，上升和下降時(shí)間減少，下降時(shí)間減少得更加明顯，說明在高速光脈沖的場(chǎng)景下，內(nèi)部光生載流子沒有積累，器件具有優(yōu)良的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖9 上升下降時(shí)間

3 單片集成

綜上所述，光電探測(cè)器與現(xiàn)有CMOS工藝完全兼容。然而，光電探測(cè)器的單片集成問題也是設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。光電探測(cè)器將光能轉(zhuǎn)化為光電流，然而器件產(chǎn)生的光電流一般在微安級(jí)別，容易被噪聲影響，同時(shí)需要轉(zhuǎn)換并放大成具有一定幅值的電壓信號(hào)才能被其他電路識(shí)別和處理。因此，還需要后續(xù)光接收電路（如跨阻放大器TIA）才能對(duì)其中的光電流做進(jìn)一步處理。本次與PD集成的TIA采用了常見的并聯(lián)-并聯(lián)負(fù)反饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以圖10的電路結(jié)構(gòu)具體說明。

圖10 單片集成示意圖

PD非工作狀態(tài)時(shí)，R3和Rf組成的反饋回路中，電阻Rf一端接到M1柵極，并沒有電流流過，因此電路輸出端Vo和M1柵極的電壓值相等，為M3源極電位（一般為1 V左右）。當(dāng)PD接收光照產(chǎn)生光電流，由于光電流流過Rf會(huì)改變輸出端Vo的電壓，從而實(shí)現(xiàn)將光電流轉(zhuǎn)換為電壓的過程。

由上可知，光電流輸入端IIN并非標(biāo)準(zhǔn)零電位，因此單片集成應(yīng)該考慮這個(gè)問題對(duì)PD性能的影響。一般情況下有2種選擇：PD陰極接跨阻放大器IIN或者PD陽極接跨阻放大器IIN。如果采用陰極電流，則陰極本身的電位會(huì)受到M3源極電位的限制，使得陰極電位最大為1 V左右，與仿真設(shè)計(jì)相差較大。如果采用陽極電流，則可以采用電源電壓或者添加PAD單獨(dú)控制陰極電位，有利于保證PD帶寬特性，單個(gè)器件和整體電路的可測(cè)性與穩(wěn)定性都大幅提高。這里選擇第2種方案。

圖11 為跨阻放大器電路原理圖?？缱璺糯笃鬏敵龆薞o的幅頻特性曲線如圖12所示。低頻跨阻增益為104.7dB(171.8kΩ)，對(duì)應(yīng)的-3dB帶寬為198.8MHz。

圖11 跨阻放大器電路原理圖

圖12 跨阻放大器幅頻特性曲線

圖13 為單片集成版圖，總體尺寸為900μm×900μm。

圖13 單片集成版圖

4 結(jié)論

SOI基底能夠隔離基底深處產(chǎn)生的光生慢擴(kuò)散載流子，設(shè)計(jì)的雙光電探測(cè)器與深N阱的使用(約4 μm)減少了光生載流子擴(kuò)散時(shí)間，從而提高了器件的帶寬特性和光電轉(zhuǎn)換效率。最終，SOI基PD實(shí)現(xiàn)了0.33 A/W的高響應(yīng)度和120 MHz的高帶寬，實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度與高帶寬的兼顧，同時(shí)具有良好的器件穩(wěn)定性。該光電探測(cè)器可在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)，并與后續(xù)電路集成，其高性能表現(xiàn)能提供更好的數(shù)據(jù)傳輸速率。