[发明专利]一种光电耦合器及其制备方法

说明书

一种光电耦合器及其制备方法，属于光电子器件技术领域。光电耦合器包括光发射单元和光接收单元以及后级处理电路；所述光接收单元是以微纳米孔结构的PIN结为基本单元，所述微纳米孔结构的孔道自n型层始贯穿本征层并延伸至p型层表面，微纳米孔结构周期性排列形成光电检测阵列；所述光接收单元设置在CMOS集成电路的上方实现单片集成。本发明显著降低光接收单元的响应时间，将光电耦合器整体的响应速度从ns量级提高到ps量级。微纳米孔阵列有利于将吸收光谱拓展至更高的波长，提高了光吸收效率。此外，本发明提供的制造工艺与集成电路制造工艺兼容，相比现有光敏芯片，减小体积的同时显著改善器件性能，提高了成品率和器件可靠性，也降低了生产成本。

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种基于单片集成的高响应度和灵敏度的光电耦合器及其制备方法。

背景技术

随着光电产业的不断发展以及光电耦合技术的广泛应用，光电耦合器(简称光耦器件)的研究、设计及开发愈发重要。光电耦合器作为一种常用的单向隔离器件，越来越多的出现在高速、高可靠性的工作环境下，由于光电耦 合器的外围电路的工作速度越来越高，送就意味着需要光电耦 合器件的响应时间越来越短。否则，当光电耦 合器的响应时间远小于外围电路的工作频率时，其响应速度就会成为限制光电耦 合系统发展的＂瓶颈＂。因此，响应速度已然成为制约光电耦合器发展的突出问题。

光电耦合器是将发光器件、光电探测器、电路进行封装形成的器件。发光器件通常被称作输入端，光电探测器以及信号处理电路通常被称作输出端。目前输出端采用的是光敏芯片，光敏芯片中主要有两部分：光接收单元(即光电二极管构建的光电探测器)和CMOS集成电路。当电信号作用到发光器件上后，发光器件将电信号转化为光信号，光信号在器件内部传输并照射至光电探测器上，探测器会产生光电流从而完成光信号到电信号的转化，该电信号经电路放大、处理后最终输出。整个过程经历了“电-光-电”的转化，光电耦合器的传输速度主要受限于输出端的响应速度。世界上应用成熟的光电耦合器最快能做到传输速度为50MBd，延迟时间典型值为2ns，即安华高公司生产的HCPL-7723型光电耦合器。目前CMOS集成电路部分的响应速度已经可以做到ps量级，但是光接收单元的响应速度只能做到ns量级。因此，如何降低光接收单元的响应时间成为了本领域亟待解决的技术问题。

现阶段已报道采用新兴的二维材料基光电二极管、非硅材料与硅的倒装键合、异质外延、集成边缘照明光电二极管的波导等方法来降低响应时间，但是这些方法在成品率、IC工艺兼容性、小型化、性能以及封装方面都存在问题，具体请参考2008年Doany,F.E.等人发表的文章《300-Gb/s 24-channel bidirectional Si carrier transceiveroptochipfor board-level interconnects》，该文章对于上述技术存在的问题进行了详细描述)。而这些问题的存在就使得高速光电耦合器的制造成本过高，难以实现大规模的推广和应用。