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单片硅基光电探测集成电路的设计与实现

单片硅基光电探测集成电路的设计与实现

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作者：吴浩然电子科技大学

学位级别：硕士

光电集成电路（OEIC）是一种能将半导体光电子与微电子器件集成在同一芯片上的电子电路。单片硅基OEIC则进一步的将光电子与微电子器件集成在同一块硅基衬底上。由于OEIC能极大的消除传统电路中负面的寄生效应，减少不同混合电路的组装... 详细信息

光电集成电路（OEIC）是一种能将半导体光电子与微电子器件集成在同一芯片上的电子电路。单片硅基OEIC则进一步的将光电子与微电子器件集成在同一块硅基衬底上。由于OEIC能极大的消除传统电路中负面的寄生效应，减少不同混合电路的组装环节，并且优化传统集成电路的可靠性和速度，因此其在光纤通信，光盘存储系统、医疗光学系统、军事激光制导和光电检测等领域得到了广泛的应用。而单片硅基OEIC依靠其低成本，成熟的制作工艺和较少的寄生参量也越来越受到市场的青睐。本文旨在设计一种OEIC，其设计主要分成两个方面：光电探测器和OEIC电路，前者是本文整个OEIC设计的核心，其作用是将入射的光信号转化为低噪声，较大幅值的电流信号，后者是对前者产生的电流信号进行处理并放大，最终产生稳定的电压信号供后级数字电路处理。基于双极工艺，本文设计了一种双层抗反射层结构及三种PIN型硅基光电探测器。其中，抗反射层的抗反射效果在近红外波段能达到90%左右。三种光电探测器各有优势，其工作波长基本都位于800nm至900nm波段，在偏置电压为0.7V，外延浓度为1×1014cm-3以及外延厚度为8um的情况下，光电探测器的响应度峰值为0.45A/W至0.58A/W，-3db带宽为30M-2GHz，反向暗电流为1×10-10A/um，反向击穿电压为35V。其基本具备了高响应度、高带宽和低暗电流的优点。此外，文中还具体阐述了OEIC制作的工艺流程。本文还提出了一种由前置跨阻放大器和后置电压放大器构成的OEIC电路设计方案。其中前级跨阻放大器跨阻增益达85dB，很好的将前级电流信号转化成了电压信号，后级电路则具有高带宽的特点，进一步的将电压信号进行处理放大。整体电路可承受的输入脉冲光生电流范围为0.02～3μA，相应的后级输出电压变化量范围为0.0115～2.8V;整个OEIC电路增益为118dB，中频带宽范围达98MHz。

关键词：光电集成电路 PIN光电探测器前置跨阻放大器后置电压放大器

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