[实用新型]基于标准SiGe BiCMOS工艺的光电集成接收机

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤通信系统及光互连领域，涉及一种与锗硅双极-互补金属氧化物半导体（SiGe BiCMOS）工艺兼容的光电探测器，以及单片集成该探测器的高速光接收机，具体讲，涉及一种基于标准SiGe BiCMOS工艺的光电集成接收机。

背景技术

随着通信和多媒体技术的不断发展，人们对数据信息的需求量持续增加。由于光纤通信具有高速、大容量等优点，故在干线网络中得到广泛应用。然而，对于用户终端而言，受光电集成芯片的成本限制，光纤到户的“最后一公里”难以持续推进。因此，研制低成本、高性能的光电集成芯片成为集成光电子领域的研究热点。

作为光纤通信系统的重要组成部分，光接收机前端的参数指标决定着通信系统的整体性能。目前，现行实用的光接收机普遍采用III-V族化合物半导体探测器和硅基标准CMOS电路的混合集成，因而存在寄生效应大、成本高、可靠性差等问题。为了克服混合集成的上述限制，科研人员提出采用技术成熟的硅基标准CMOS工艺实现光接收机的单片集成化，并实施了多种集成方案。例如，毛陆虹等人对标准CMOS工艺的探测器结构和单片集成光接收机进行了系统研究，提出了与CMOS工艺兼容的硅光电探测器（ZL200310101069.5，ZL200720098995.5），带前均衡电路的CMOS光电集成接收机（ZL200510015149.8），以及带宽和灵敏度均倍增的标准CMOS差分光电集成接收机（ZL200710060333.3）等结构。然而，受硅材料自身的间接带隙特性和工艺结构的限制，标准CMOS工艺制备的光电探测器难以同时兼顾速度和响应度两方面的性能。常规结构探测器的带宽仅为数十MHz，严重限制了单片集成光接收机的整体性能。另外，基于标准CMOS工艺实现的硅基探测器无法检测1310nm和1550nm两个重要的通信波段。因此，到目前为止，基于标准CMOS工艺实现的光电集成接收机尚未进入实用阶段。

发明内容

本实用新型旨在解决现有技术的不足，克服硅基标准CMOS工艺制备光电探测器的限制，同时实现单片集成所具有的体积小、成本低、可靠性好、功能丰富等优点。本实用新型提出一种与标准SiGe BiCMOS工艺兼容的光电探测器，以及集成该探测器的高速、高灵敏度单片集成光接收机。为了达到上述技术要求，本实用新型采用的技术方案是，基于标准SiGeBiCMOS工艺的光电集成接收机，包括：

两个结构完全对称的光电探测器，其中一个探测器是将光纤输入的光信号转换成电流信号，另一个探测器用于维持差分电路的输入负载平衡，增加接收机带宽；

一个全差分结构的跨阻放大器，其作用是把光电探测器输出的电流信号转化为电压信号，并进行初步放大；

一组顺序级联的全差分限幅放大器，其作用是将跨阻放大器输出的电压信号放大到数字处理单元所需的电压水平；

一个输出缓冲级，其作用是将限幅放大器输出的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，并提供驱动能力。

高跨导的锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）作为跨阻放大器的共射级输入。

限幅放大器为四级，后两级为带折叠有源电感负载结构，第四级限幅放大器输入差分对管采用高跨导的锗硅异质结双极晶体管替代传统金属氧化物场效应晶体管（Si MOSFET），以提高限幅放大器的增益。

输出缓冲级采用锗硅异质结双极晶体管作为输入差分对，采用电流镜负载实现双端输入向单端输出的转换，并在负载管两端并联由栅极、漏极相连的MOS管形成的二极管结构实现阻抗匹配。

探测器结构为：在p型轻掺杂硅衬底上顺序外延重掺杂的n型硅埋层和轻掺杂的n型硅层；然后光刻、刻蚀深沟槽和浅沟槽，并用高密度等离子体技术分别填充绝缘介质和氧化硅，形成深沟槽和浅沟槽隔离区域，浅沟槽隔离区域位于轻掺杂n型硅层，深沟槽隔离区域穿越轻掺杂的n型外延层和重掺杂的n型埋层，直至p型衬底；在其他区域被掩模保护的情况下，利用砷离子对轻掺杂n型硅层进行重掺杂注入，形成探测器的n型接触区；在其他区域被多晶硅保护的情况下，在轻掺杂的n型硅层上选择外延生长p型掺杂的SiGe层；通过光刻、刻蚀技术形成环绕p型掺杂的锗硅层的多晶硅图形，对多晶硅进行B+注入掺杂和退火激活，形成光电探测器的p型重掺杂区和p型多晶硅外接触区；淀积氧化硅和氮化硅介质层，该介质层同时兼作探测器的抗反射膜，增加入射光在探测器表面的入射效率；光刻、刻蚀探测器的电极窗口，淀积Ni/Ti/Au金属复合膜，制备出探测器的阳极电极和阴极电极。

与现有硅基标准CMOS工艺的光电集成接收机相比，本实用新型具有如下优点：