專利名稱：用于百兆級850nm光通訊的光接收組件和制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光接收組件(Receiver Optical Sub-assembly,ROSA)，尤其是涉 及一種應(yīng)用于光纖接入網(wǎng)中850nm波長通訊的10M/100Mbps光收發(fā)器中，用于百兆級850nm 光通訊的光接收組件和制備方法。
背景技術(shù)：
接入網(wǎng)是連接光纖主干網(wǎng)與用戶或用戶駐地網(wǎng)的橋梁，是本地交換機(jī)到用戶終 端的實(shí)施系統(tǒng)。目前實(shí)現(xiàn)寬帶接入網(wǎng)的技術(shù)主要有非對稱數(shù)字用戶線路(Asymmetrical DigitalSubscriber Line,ADSL)、光纖同軸混合網(wǎng)(Hybrid Fiber Coax，HFC)、無線接入技 術(shù)、高速以太網(wǎng)技術(shù)和光纖接入技術(shù)等。其中光纖接入網(wǎng)結(jié)合成熟的園區(qū)局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可 以提供10M/100Mbps交換或共享到用戶端。光收發(fā)器，特別是起到光接收作用的ROSA作為 接入網(wǎng)系統(tǒng)的核心部件，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)([l]余長亮，毛陸虹，肖新東. 一種新穎全差 分光電集成接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS實(shí)現(xiàn).光電子*激光，2009，20(4) :432-435)。目前，商用的 ROSA中主要采用PD與前置放大器(Tran-ImpedanceAmplifier，TIA)混合集成封裝在一個 管殼內(nèi)的設(shè)計(jì)。 由于光纖主干網(wǎng)中長波長1310nm、1550nm的激光器和探測器件成本高，在光纖入 戶的"最后一公里"中，接入網(wǎng)的價格太貴已成為通信業(yè)發(fā)展的瓶頸。近年來，850nm波長的 垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)快速發(fā)展成熟 ([2]RashidSafaisini， John R. Joseph, Uniform high bandwidth, high CW power VCSEL arrays, OSA/CLEO/IQEC， 2009)，降低了光纖到戶中光源的成本，大大促進(jìn)了光接入網(wǎng)中 850nm光通訊的發(fā)展，這對如何解決降低850nm光接收組件ROSA的成本問題提出了挑戰(zhàn)。 考慮硅材料具備極其強(qiáng)大的集成電路功能，ROSA中前置放大電路就是在標(biāo)準(zhǔn)的硅生產(chǎn)工藝 下完成的，結(jié)合硅材料在850nm波段還擁有較高的響應(yīng)。Natalie Wong等人([3]Natalie Wong. Design ofMonolithic CMOS Photoreceivers with Low Substrate Crosstalk for Multi-Cha皿el Application[D]. Toronto :Master thesis of Toronoto University, 2003)報(bào)道了一種CMOS工藝兼容下的探測器結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有的硅光電探測器的短波響應(yīng)差，制備工藝與CMOS集 成電路不完全兼容等缺點(diǎn)，提供一種與商業(yè)CMOS工藝兼容的，可替代現(xiàn)有的10M/100MbpS 的850nm光收發(fā)器中混合集成的，可滿足傳輸要求的用于百兆級850nm光通訊的光接收組 件和制備方法。 本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件設(shè)有850nm光電單片集成接收 芯片、管座、管帽、管腳和光接收組件適配器，管帽設(shè)在管座上，850nm光電單片集成接收芯 片設(shè)在管座上，管腳設(shè)于管座底部，850nm光電單片集成接收芯片與管腳通過導(dǎo)線連接，光 接收組件適配器設(shè)于管帽頂部。
所述850nm光電單片集成接收芯片設(shè)有前置放大電路和光電探測器，前置放大電 路和光電探測器均采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備在同一個硅襯底上。 所述前置放大電路設(shè)有2個互阻式放大電路(TIA) 、3級差分放大器 (Differential Amplier， DA)、輸出緩沖電路(Output Buffer, OB)和直流負(fù)反饋電路；光 電探測器的2個輸出端分別連接一個互阻式放大電路，2個互阻式放大電路的輸出端分別 作為差分放大器的2個輸入端；直流互反饋電路由4個反饋電阻組成，4個反饋電阻兩兩串 聯(lián)分別連接差分放大器的輸入端和輸出端；差分放大器的2個輸出端分別作為輸出緩沖電 路的輸入端；所述850nm光電單片集成接收芯片由光電探測器接收的光信號為其輸入端， 輸出緩沖電路的2個輸出端即為所述850nm光電單片集成接收芯片的輸出端。
所述光電探測器的縱向結(jié)構(gòu)自下而上依次是第一層是低摻雜的P型硅襯底；第 二層是P阱；第三層是N型重?fù)诫s硅層、場氧層和金屬鋁層；第四層到第六層為三層的Si02 絕緣介質(zhì)層；第七層是Si^4表面鈍化層；所述光電探測器的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)有10個長方形的P 阱區(qū)，所述10個長方形的P阱區(qū)中的單指的P阱寬度為3 m，長度為70 m，兩個P阱的間 隔寬度為4 m ;在間隔P阱區(qū)上采用屏蔽金屬鋁層覆蓋并與未被金屬屏蔽P阱交叉，其中 屏蔽金屬區(qū)的寬度為7 m，長度為71. 6 m，兩金屬區(qū)間距為14 y m。 上述光電探測器是由N+/P_Well/P-Sub結(jié)構(gòu)兩組探測器組成， 一個稱為參考探測 器(被屏蔽金屬覆蓋)， 一個稱為實(shí)際探測器(未被屏蔽金屬覆蓋)。金屬鋁層與N型重?fù)?雜(N+)形成歐姆接觸，參考探測器的金屬鋁層連線與跟隨的放大電路的其中一個互阻式放 大電路相連接；實(shí)際探測器的金屬鋁層連線與跟隨的放大電路的其中另一個互阻式放大電 路相連接。這樣，當(dāng)光電探測器工作時，將輸入的光信號轉(zhuǎn)換成一對差分電流信號，由跟隨 的電路進(jìn)行放大處理。 所述管腳可設(shè)4個管腳，其中一個接電源，一個接地，另外兩個作為信號輸出端。 互阻式放大電路采用調(diào)節(jié)式共源共柵(Regulated Cascade, RGC)結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定
的直流偏置及非常小的輸入阻抗，電源電壓為5V。差分放大器采用了有源電感作負(fù)載的差
分放大器結(jié)構(gòu)，利用并聯(lián)峰化技術(shù)來拓寬帶寬。輸出緩沖電路用來實(shí)現(xiàn)輸出的阻抗匹配。直
流負(fù)反饋電路中的4個電阻組成了直流負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來穩(wěn)定直流作點(diǎn)和交流增益。 本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件的制備方法如下 1)采用0. 5iim的標(biāo)準(zhǔn)CM0S工藝將850nm光電單片集成接收芯片貼片于管座上； 2)采用鍵合機(jī)將850nm光電單片集成接收芯片的焊盤與管腳用4條金絲線鍵合連
接； 3)用蓋帽機(jī)蓋上管帽，完成后與光接收組件適配器通過激光焊接按同軸封裝而成 用于百兆級850nm光通訊的光接收組件。 本發(fā)明中光接收組件封裝省去了混合集成中的電容和器件混合集成的焊線。由于 單片集成將光接收組件的封裝簡單化，降低封裝成本，同時還減少電容電感等參數(shù)的影響， 提高了器件性能。 與現(xiàn)有的10M/100Mbps的850nm光收發(fā)器中混合集成的光接收組件相比，本發(fā) 明的光接收組件中的集成芯片大大簡化了封裝過程；由于單片集成中芯片采用的是標(biāo)準(zhǔn) CMOS工藝，芯片的制備也比原來的獨(dú)立器件制備簡單；在設(shè)計(jì)過程中針對光電探測器建立 了 Spice新模型，很好指導(dǎo)了整個光電集成芯片的設(shè)計(jì)及制備。其中的芯片實(shí)現(xiàn)了 850nm光電探測器(Photo-Detector, PD)和前置放大電路的單片光電集成，進(jìn)行TO(Transistor Outline)封裝后，與光接收組件適配器通過激光焊接按同軸封裝制備成光接收組件。
本發(fā)明提出了將硅探測器和前置放大電路在0. 5ii m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下一同制備， 實(shí)現(xiàn)接收芯片的單片光電集成，并進(jìn)行光接收組件封裝，降低了 10M/100Mbps收發(fā)器成本。 其中的集成芯片，采用CMOS工藝可比雙極型(Bipolar) 、BiCMOS等工藝具備更低的成本，與 NatalieWongW等人的研究相比，CMOS工藝兼容下的探測器結(jié)構(gòu)有所不同。相比于原來傳 統(tǒng)的混合集成，單片光電集成的光接收組件主要有以下優(yōu)點(diǎn)減少了系統(tǒng)元件，簡化了組裝 過程，提高了系統(tǒng)工作可靠性并大大降低了成本；器件間的互連線減少到最少，電容、電感 等寄生參量減少，提高了器件性能；單片集成體積小、重量輕、功能齊全。


圖l是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的縱向剖面結(jié)構(gòu) 圖。 圖2是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的俯視圖。
圖3是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的CMOS硅光電 探測器的縱向剖面結(jié)構(gòu)圖。 圖4是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的CMOS硅光電 探測器的俯視圖。 圖5是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的850nm光電單 片集成接收芯片的電路組成框圖。 圖6是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的CMOS硅光電 探測器的等效電路模型圖。 圖7是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的前置放大電路 中的互阻式放大電路的組成原理圖。 圖8是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的前置放大電路 中的差分放大器的組成原理圖。 圖9是本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的前置放大電路 中的輸出緩沖電路的組成原理圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1和2，將850nm光電單片集成接收芯片1貼片于管座2上，采用鍵合機(jī)將 芯片的焊盤與管腳3用4條金絲線4鍵合連接，用蓋帽機(jī)蓋上管帽5，完成后與光接收組件 適配器6通過激光焊接按同軸封裝而成用于百兆級850nm光通訊的光接收組件。
本發(fā)明中的850nm光電單片集成接收芯片采用0. 5 y m的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，通過版 圖交付代工廠進(jìn)行制備。其中的硅光電探測器的具體制備方法結(jié)合圖3和4闡述如下
首先，采用P型的硅片作為襯底7 ;在P型襯底采用離子注入工藝實(shí)現(xiàn)10個P阱 區(qū)8，厚度約2. 5 ii m ;光刻N(yùn)+區(qū)，通過離子注入實(shí)現(xiàn)10個P阱區(qū)8內(nèi)的10個N+區(qū)9，厚度 約為0. 12 ii m ;沉積第一層Si02絕緣介質(zhì)層，厚度約1. 3 ii m ;在第1、3、5、7、9個擴(kuò)散區(qū)(從 左往右數(shù)，奇數(shù))上光刻接觸孔10，大小約為0. 5 ii m*0. 5 ii m，通過第一層金屬鋁層11實(shí)現(xiàn)這5個擴(kuò)散區(qū)的連接，并與放大IC電路的輸入端12連接；在第2、4、6、8、 10個擴(kuò)散區(qū)(從 左往右數(shù)，偶數(shù))上光刻沉積第一層金屬鋁層ll，厚度約為O. 15ym，使得金屬鋁層覆蓋住 這些擴(kuò)散區(qū)不透光；沉積第二層Si02絕緣介質(zhì)層，厚度約1 P m，并在第2、4、6、8、 10個擴(kuò)散 區(qū)上光刻接觸孔13，大小約為0. 5 ii m*0. 5 ii m，通過第二層金屬鋁層14實(shí)現(xiàn)這5個擴(kuò)散區(qū) 的連接，并與放大IC電路的輸入端15連接；最后沉積第三層Si02絕緣介質(zhì)層和Si3N4表面 鈍化層，厚度為0.3iim。在探測器制備的同時，形成四方環(huán)狀P+擴(kuò)散區(qū)16，寬約12iim，作 為保護(hù)環(huán)包圍整個探測器，與芯片的GND端17連接。 當(dāng)硅光探測器工作時，其中未被金屬屏蔽的N+接前置放大電路中的一個互阻式放 大器的輸入端12，被金屬屏蔽的N+接前置放大電路中的另一個互阻式放大器的輸入端15。 根據(jù)硅光電探測器的結(jié)構(gòu)可知，屏蔽的N+/P-Well/P-Sub與未屏蔽的N+/P-Well/P-Sub的 形狀，尺寸和面積都完全相同，當(dāng)探測器正常工作時不但產(chǎn)生了一對全差分光生電流信號 流入到放大電路中，而且使得電路的兩個輸入端具有相同的負(fù)載，也就是說這種探測器具 有全差分特性。N+/P-Well/P-Sub結(jié)構(gòu)的實(shí)際探測器PD2工作時，可分為3個光生電流的產(chǎn) 生區(qū)域P-Sub區(qū)、P-Well/P-Sub區(qū)和PW結(jié)耗盡層區(qū)域。而被金屬覆蓋的參考探測器PD1 工作時，參考探測器PD1的光電流僅由收集襯底部分?jǐn)U散的光生載流子中的一部分形成。 這樣，從實(shí)際探測器PD2中減掉襯底中擴(kuò)散少子形成的光電流即參考探測器PD1的光電流 可以提高整個探測器的速度。 標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝僅提供電子器件的模型，EDA設(shè)計(jì)軟件一般都不具有光電探測器 的模型結(jié)構(gòu)，因此在0EIC設(shè)計(jì)中探測器需要通過建立其等效電路模型來實(shí)現(xiàn)。對于現(xiàn)有的 光電探測器模型或是不能反映器件的內(nèi)部特征，或是無法準(zhǔn)確模擬器件的噪聲特性，且都 忽略了探測器端電壓的影響，存在很大的近似性，特別不適合PN結(jié)構(gòu)的光電探測器。本發(fā) 明在設(shè)計(jì)過程中建立一個完整的新探測器模型，包含光電流、暗電流、暗電阻和結(jié)電容模型 構(gòu)成，克服現(xiàn)有模型的缺點(diǎn)。 本發(fā)明的PD采用一個四端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖6所示)來等效，以Vin+和Vin—兩端的 電壓差，即電壓源V。，來等效入射光的光功率；標(biāo)記12和15分別是探測器連接跟隨放大IC 電路的兩個輸出端。從PD 3個區(qū)域的載流子運(yùn)動方程出發(fā)，采用拉普拉斯(L即lace)變換 法，可以分析獲得各區(qū)的光生電流密度。利用CMOS工藝參數(shù)，對探測器各區(qū)的響應(yīng)度進(jìn)行 數(shù)值計(jì)算，為探測器的光電流模型Fp提供數(shù)值基礎(chǔ)。通過采用CANDENCE SPECTRE仿真器 建立的探測器Spice模型。 本發(fā)明的放大電路為一個全差分跨阻放大器，全差分寬帶放大器(DA)和全差分 輸出緩沖級(0B)都采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。其中全差分跨阻放大器包含2個互阻式放大 器，這2個互阻式放大器都具有相同的結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，采用了調(diào)節(jié)式共源共柵結(jié)構(gòu)，由 電阻Rl、RS，Rb和晶體管Ml、Mb構(gòu)成，具有帶寬大、增益高的特點(diǎn)。它的兩個輸出端的直流 電壓約為電源電壓的一半，保證了后續(xù)全差分寬帶放大器的直流輸入電壓與直流輸出電壓 相等。全差分寬帶放大器是采用了有源電感作負(fù)載的差分放大器(如圖8所示)，由三個低 增益，高帶寬的全差分放大器級聯(lián)而成。每一級的全差分放大器均采用并聯(lián)峰化技術(shù)提高 了全差分寬帶放大器的整體帶寬。通過這三個全差分放大器的級聯(lián)使得全差分放大器具有 了足夠的增益和帶寬，將全差分跨阻前置放大器輸出的差分電壓信號放大到數(shù)字處理單元 所需要的電壓水平，保證了信號的無損傳輸。全差分輸出緩沖級具體電路如圖9所示，提供足夠大的驅(qū)動能力和實(shí)現(xiàn)與后續(xù)電路的阻抗匹配，用以保證信號的無損傳輸。由于PD1和 PD2的直流輸入電流不一樣以及器件不匹配等因素產(chǎn)生的DC失調(diào)電壓經(jīng)過放大后，會導(dǎo)致 后級放大單元直流工作點(diǎn)大幅度的偏移，為了穩(wěn)定直流作點(diǎn)和交流增益，采用負(fù)反饋的原 理，將輸出信號的直流反饋到輸入端來實(shí)現(xiàn)直流失調(diào)補(bǔ)償，電路中4個電阻R(如圖5所示) 組成了直流負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合探測器的Spice等效電路模型，可以通過仿真獲得OEIC芯片 的帶寬、增益、功耗等參數(shù)。 將OEIC裸片經(jīng)過貼片、鍵合、封帽的TO封裝后，進(jìn)行對光與光接收組件適配器通 過激光焊接按同軸封裝形成用于百兆級850nm光通訊的光接收組件，免去了傳統(tǒng)混合封裝 的貼片電容、器件間的鍵合等封裝步驟。 圖1和2分別給出本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的縱 向剖面結(jié)構(gòu)圖和俯視圖。 圖5給出本發(fā)明所述用于百兆級850nm光通訊的光接收組件實(shí)施例的850nm光電 單片集成接收芯片的電路組成框圖。本發(fā)明的集成芯片包含光電探測器PD和前置放大電 路兩大部分，這兩部分都是在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下在同一個硅襯底上同步制備獲得的，區(qū)別于 傳統(tǒng)的由兩個分立的芯片混合連接。其中前置放大電路具體包含兩個互阻放大器、三級差 分放大器、輸出緩沖電路和直流負(fù)反饋電路(由4個電阻組成)。PD的兩個輸出端分別連 接一個互阻式放大器，2個互阻式放大器的輸出端Toutl、 Tout2分別作為差分放大器的兩 個輸入端。4個反饋電阻，兩兩串聯(lián)分別連接差分放大器的輸入與輸出端；差分放大器的兩 個輸出端Dout+、 Dout-分別作為輸出緩沖電路的輸入端。整個芯片由PD接收的光信號為 其輸入端，輸出緩沖電路的兩個輸出端Vout+、 Vout-即為整個芯片的輸出端。本發(fā)明的光 電集成芯片關(guān)鍵的技術(shù)在于如何制備出與標(biāo)準(zhǔn)工藝CMOS兼容的PD。
權(quán)利要求
用于百兆級850nm光通訊的光接收組件，其特征在于設(shè)有850nm光電單片集成接收芯片、管座、管帽、管腳和光接收組件適配器，管帽設(shè)在管座上，850nm光電單片集成接收芯片設(shè)在管座上，管腳設(shè)于管座底部，850nm光電單片集成接收芯片與管腳通過導(dǎo)線連接，光接收組件適配器設(shè)于管帽頂部；所述850nm光電單片集成接收芯片設(shè)有前置放大電路和光電探測器，前置放大電路和光電探測器均采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備在同一個硅襯底上；所述前置放大電路設(shè)有2個互阻式放大電路、3級差分放大器、輸出緩沖電路和直流負(fù)反饋電路；光電探測器的2個輸出端分別連接一個互阻式放大電路，2個互阻式放大電路的輸出端分別作為差分放大器的2個輸入端；直流互反饋電路由4個反饋電阻組成，4個反饋電阻兩兩串聯(lián)分別連接差分放大器的輸入端和輸出端；差分放大器的2個輸出端分別作為輸出緩沖電路的輸入端；所述850nm光電單片集成接收芯片由光電探測器接收的光信號為其輸入端，輸出緩沖電路的2個輸出端即為所述850nm光電單片集成接收芯片的輸出端；所述光電探測器的縱向結(jié)構(gòu)自下而上依次是第一層是低摻雜的P型硅襯底；第二層是P阱；第三層是N型重?fù)诫s硅層、場氧層和金屬鋁層；第四層到第六層為三層的SiO2絕緣介質(zhì)層；第七層是Si3N4表面鈍化層；所述光電探測器的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)有10個長方形的P阱區(qū)，所述10個長方形的P阱區(qū)中的單指的P阱寬度為3μm，長度為70μm，兩個P阱的間隔寬度為4μm；在間隔P阱區(qū)上采用屏蔽金屬鋁層覆蓋并與未被金屬屏蔽P阱交叉，其中屏蔽金屬區(qū)的寬度為7μm，長度為71.6μm，兩金屬區(qū)間距為14μm。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于百兆級850nm光通訊的光接收組件，其特征在于所述管腳設(shè)4個管腳，其中一個接電源， 一個接地，另外兩個作為信號輸出端。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于百兆級850nm光通訊的光接收組件的制備方法，其特征在于包括以下步驟1) 采用0. 5 ii m的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝將850nm光電單片集成接收芯片貼片于管座上；2) 采用鍵合機(jī)將850nm光電單片集成接收芯片的焊盤與管腳用4條金絲線鍵合連接；3) 用蓋帽機(jī)蓋上管帽，完成后與光接收組件適配器通過激光焊接按同軸封裝而成用于百兆級850nm光通訊的光接收組件。
全文摘要
用于百兆級850nm光通訊的光接收組件和制備方法，提供一種與商業(yè)CMOS工藝兼容，可替代現(xiàn)有850nm光收發(fā)器中混合集成，可滿足傳輸要求的用于百兆級850nm光通訊的光接收組件和制備方法。光接收組件設(shè)850nm光電單片集成接收芯片、管座、管帽、管腳和適配器。芯片設(shè)前置放大電路和光電探測器，前者設(shè)2個互阻式放大電路、3級差分放大器、輸出緩沖電路和直流負(fù)反饋電路。光電探測器的縱向自下而上是低摻雜的P型硅襯底；P阱；N型重?fù)诫s硅層、場氧層和鋁層；三層SiO2絕緣介質(zhì)層；Si3N4表面鈍化層。采用CMOS工藝將芯片貼片于管座上；將芯片的焊盤與管腳用金絲線鍵合連接；蓋上管帽，與適配器按同軸封裝。
文檔編號G02B6/42GK101718897SQ200910112910
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月3日
發(fā)明者李繼芳, 程翔, 陳朝, 顏黃蘋 申請人:廈門大學(xué)