SOI基CMOS RCE光电探测器结构与特性研究

摘要

近年来，光互连技术以高速、高带宽、低串扰和低功耗等优势备受关注，尤其是在甚短距离光传输领域中。CMOS集成电路及工艺平台推动了硅基光电探测器、CMOS光接收电路乃至集成光系统的发展，高速高灵敏度的850nm光波长 CMOS光电探测器结构及模型成为实施甚短距离光互连的关键之一。因此，研究SOI CMOS兼容的高性能的光电探测器，及其相关工艺、制造，具有非常重要的现实意义。
　　本文以 SOI CMOS工艺为载体，提出可用于850nm波长光电集成电路（OEIC）的高速高灵敏度低成本的SOI基谐振腔增强型（Resonant Cavity Enhanced Photodetector：RCE）光电探测器结构，对光电探测器的工艺实现、器件结构、软件仿真及版图设计等方面展开研究工作。主要的研究工作及创新点如下：
　　1、提出了一种新的SOI基CMOS谐振腔增强型光电探测器结构，以0.5μmCMOS工艺为工艺流程载体，给出优化的 SOI基光电探测器结构参数，力求解决硅基光电探测器量子效率低和工作带宽窄的问题；
　　2、研究SOI基光电探测器的光电转换机理及载流子特性，建立精确的谐振腔增强型光电探测器模型，对器件所用到的Si片材料、谐振腔的DBR反射镜以及整体结构等作了研究和分析，实现模型与物理结构尺寸之间的可缩放性映射。并基于MATLAB与TCAD软件进行数值模型仿真与工艺仿真的结果进行对比；
　　3、考察SOI基谐振腔增强型光电探测器物理尺寸多维变化对其性能的影响，将顶部有“网格状有源区”结构、“条栅状有源区”结构加入 DBR反射镜的分析和设计中，通过优化设计出光纤通信用SOI基CMOS RCE光电探测器；
　　4、设计了多种 SOI基 CMOS RCE光电探测器的版图设计，包括三种面积尺寸30μm*30μm、40μm*40μm、50μm*50μm结构，两种有源区结构：条栅型的P+结构、网格型的N+结构，以及4种有源区间距0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm结构，因此共有24个不同光电探测器结构。
　　通过全文的研究，以及TCAD仿真和MATLAB仿真对比分析，结果表明SOI基CMOS RCE光电探测器的正确性，相比于普通CMOS光电探测器，其量子效率提高了100％。另外与现有CMOS工艺兼容，也降低了生产难度及成本。本文的研究工作为今后进一步RCE光电探测器的研究及生产积累了一定的技术经验，通过系统的分析 RCE光电探测器的研发流程，为其研究及量产打下了基础。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 CMOS光电探测器的发展历程

1.3 RCE光电探测器的现状及发展方向

1.4 论文主要的研究内容及研究意义

第二章 CMOS RCE光电探测器基本原理及SOI基新结构的构建

2.1光电探测器的工作原理

2.2常见CMOS光电探测器类型及工作原理

2.3 RCE光电探测器的基本结构及工作原理

2.4 SOI基CMOS RCE光电探测器新结构的提出

2.5小结

第三章 SOI基CMOS RCE光电探测器工艺分析与数值模型仿真

3.1 SOI基CMOS RCE光电探测器的工艺流程

3.2 器件结构和工艺参数的确定

3.3 SOI基CMOS RCE光电探测器的数值模型仿真

3.4 优化的SOI基CMOS RCE光电探测器结构

3.5 小结

第四章 SOI基CMOS RCE光电探测器的TCAD仿真

4.1半导体器件模拟软件TCAD简介

4.2 SOI基RCE光电探测器的TCAD仿真结果

4.3器件TCAD仿真与数值模型仿真结果对比分析

4.4 条栅型和网格型RCE光电探测器的对比分析

4.5 小结

第五章 SOI基CMOS RCE光电探测器的版图设计

5.1 版图设计工具简介

5.2器件的版图设计

5.3小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录