PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片、制备方法

摘要

本公开提供了一种硅基PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片，包括：硅基PIN探测器、横向NPN三极管、第一电阻和第二电阻；其中，横向NPN三极管、第一电阻和第二电阻构成跨阻放大器，与硅基PIN探测器连接；硅基PIN探测器用于探测激光信号，产生电流信号；跨阻放大器用于放大和输出电流信号。该光电单片集成芯片实现了将激光探测器与跨阻放大器的集成，可有效提高激光接收模块的抗干扰能力，增强信号稳定性。此外，本公开还提供了该芯片的制备方法，该方法过程简单，易于实现。

说明书

技术领域

本公开涉及光电单片集成技术领域，尤其涉及一种硅基PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片、制备方法。

背景技术

红外激光引信技术是一种利用发射脉冲激光信号来探测目标、以及通过鉴别反射脉冲激光信号来达到探测目的的技术，红外激光引信系统主要包括激光发射模块和激光接收模块。两个模块封装在同一金属管壳中，距离很近，在发射模块工作时，半导体激光器驱动电路产生的脉冲大电流会对激光接收模块造成强烈的电磁干扰。此外，由于激光引信系统工作在外界环境中，当探测器接收到的光电流信号很小时，为了防止激光接收模块中探测器探测的远距离微小光电流信号不被电磁噪声所淹没，需要提高探测器上输出端信号的信噪比。由于激光发射模块中的电磁干扰无法避免，所以必须提高探测器上输出端信号的大小。

光电单片集成芯片是指采用兼容的半导体工艺技术将半导体光器件(如激光器、探测器、光波导、调制器等)和电子器件(双极性晶体管、各种场效应晶体管等)制作在相同衬底上，形成具有光和电两种信号处理功能的集成芯片。相比于传统的混合电路，光电单片集成电路有着噪声低、体积小、性能高、稳定性强等优点，满足了现代信息技术向高速化、微型化、多功能发展的要求，成为国内外光电单片集成技术研究的主流方向。将光电单片集成芯片的制备技术与红外激光引信技术结合，具有较高的研究前景。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种硅基PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片及其制备方法。

本公开提供了一种硅基PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片，包括：硅基PIN探测器、横向NPN三极管、第一电阻和第二电阻；其中，所述横向NPN三极管、第一电阻和第二电阻构成跨阻放大器，与所述硅基PIN探测器连接；所述硅基PIN探测器用于探测激光信号，产生电流信号；述跨阻放大器用于放大和输出所述电流信号。

可选的，包括：所述光电单片集成芯片由下至上依次包括N+硅层、本征层、金属电极层，按照横向分布分为光照区和非光照区；其中，所述硅基PIN探测器设于所述光照区，所述横向NPN三极管、第一电阻和第二电阻设于所述非光照区。

可选的，所述光照区的本征层中设有第一P+层，所述光照区的第一P+层、本征层、N+硅层构成所述硅基PIN探测器。

可选的，所述非光照区的本征层中分别设有第一隔离区和第二隔离区，所述横向NPN三极管设于所述第一隔离区中，所述第一电阻、第二电阻设于所述第二隔离区中。

可选的，所述金属电极层上设有多个电极，分别与所述硅基PIN探测器的P+层、N+硅层以及所述横向NPN三极管的各极、所述第一电阻和第二电阻连接，所述多个电极按照预设电路连接，形成将所述硅基PIN探测器的输出信号进行放大的电路。

可选的，所述光照区和所述非光照区之间的本征层中设有通孔，所述金属电极层上与所述硅基PIN探测器的N+硅层连接的电极经过所述通孔连接至所述N+硅层。

可选的，所述第一隔离区中设有第二P+层，所述第二隔离区中设有第三P+层，与所述金属电极层上设置与所述第二P+层和所述第三P+层对应的电极连接。

可选的，所述多个电极之间通过SiO2隔离。

可选的，还包括：隔直电容，用于隔离所述电流信号中包括的直流电信号。

本公开另一方面提供了一种制备方法，应用于制备第一方面所述的光电单片集成芯片，包括：在N+型硅衬底上外延生长本征层；在所述本征层上的两处分别注入硼离子，形成第一隔离区和第二隔离区；分别在所述第一隔离区和所述第二隔离区注入磷离子，在所述第一隔离区形成横向NPN三极管的集电极、发射极，在所述第二隔离区形成第一电阻和第二电阻；在所述第一隔离区、第二隔离区以及所述本征区除所述第一隔离区、第二隔离区之外的区域分别注入硼离子，分别形成第二P+层、所第三P+层和第一P+层；在所述本征层表面沉积SiO2作为湿法腐蚀本征层的掩蔽层，光刻出刻蚀窗口，刻蚀出金属接触孔，形成多个金属电极；重新沉积SiO2作为钝化减反膜，套刻形成所述多个金属电极互连；其中，所述第一P+层、本征层、N+型硅衬底构成的硅基PIN探测器，所述多个金属电极的互联使所述NPN三极管与第一电阻和第二电阻构成跨阻放大器，并且与所述硅基PIN探测器连接，形成了使基PIN探测器的输出进行放大的电路。

在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本公开提供的一种PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片，在于利用PIN探测器的非光照区的面积集成跨阻放大器，所用的三极管为横向NPN三极管，该集成方法具有很强的实用价值，适合在大范围远距离探测目标时使用，可以提高激光接收模块的抗干扰能力，增强其稳定性。该光电单片集成芯片也实现了工艺上PIN探测器和跨阻放大器的兼容，将PIN探测器的最后一道关键工艺即离子注入形成P+层和高温退火放到了最后做，这样可以保证PIN探测器的工艺参数不发生改变，从而保证了PIN探测器的性能没有发生改变。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于PCB的放大电路的示意图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片的示意图；

图3示意性示出了本公开实施例提供的一种PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片电路原理图；

图4示意性示出了本公开实施例提供的一个测试实验中PIN探测器产生的脉冲光电流信号示意图；

图5示意性示出了本公开实施例提供的一个测试实验中PIN探测器产生的脉冲光电流信号被放大后的信号示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于PCB的放大电路的示意图。

在现有技术中，会在激光接收模块中的PCB板上设置放大电路进行信号放大。如图1所示，整个放大电路由跨阻放大器和电压放大器组成，其中跨阻放大器具有一定的跨阻增益，将PIN探测器的脉冲光电流信号转化为脉冲电压信号，然后输入到下一级电压放大器，电压放大器将输入的脉冲电压信号进一步放大到可以被后续的相关电路所处理。每一级放大电路的输出端都会加一个隔直电容，来滤除探测器的暗电流噪声以及其他直流分量。

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片的示意图。

如图2所示，一种PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片，包括：硅基PIN探测器、横向NPN三极管、第一电阻和第二电阻；其中，所述横向NPN三极管、第一电阻和第二电阻构成跨阻放大器，与所述硅基PIN探测器连接；所述硅基PIN探测器用于探测激光信号，产生电流信号；所述跨阻放大器用于放大和输出所述电流信号。

具体的，如图2所示，所述光电单片集成芯片由下至上依次包括N+硅层、本征层、金属电极层，按照横向分布分为光照区和非光照区。所述的光照区是接收脉冲激光信号的区域，作用是将脉冲激光信号转化为脉冲电流信号；所述的非光照区是制作跨阻放大器的区域，作用是将脉冲光电流信号进行放大，输出放大之后的脉冲电压信号。其中，所述硅基PIN探测器设于所述光照区，所述横向NPN三极管、第一电阻和第二电阻设于所述非光照区。所述光照区的本征层中设有第一P+层，所述光照区的第一P+层、本征层、N+硅层构成所述硅基PIN探测器。所述非光照区的本征层中分别设有第一隔离区和第二隔离区，所述横向NPN三极管设于所述第一隔离区中，所述第一电阻、第二电阻设于所述第二隔离区中。所述第一隔离区中设有第二P+层，所述第二隔离区中设有第三P+层，与所述金属电极层上设置与所述第二P+层和所述第三P+层对应的电极连接，形成欧姆接触。第一隔离区中设有横向NPN三极管的发射极、集电极和基极，基极为第一隔离区中的第二P+层。

所述金属电极层上设有多个电极，分别与所述硅基PIN探测器的P+层、N+硅层以及所述横向NPN三极管的各极、所述第一电阻和第二电阻连接，所述多个电极按照预设电路连接，形成将所述硅基PIN探测器的输出信号进行放大的电路。从图2中可以看出，在本公开中电极材料为Al，各电极之间通过SiO2隔离。

特别的，所述光照区和所述非光照区之间的本征层中设有通孔，所述金属电极层上与所述硅基PIN探测器的N+硅层连接的电极经过所述通孔连接至所述N+硅层。

图3示意性示出了本公开实施例提供的一种PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成芯片电路原理图。

如图3所示，该电路原理图示意性示出了本公开提供的光电单片集成芯片中的PIN探测器和横向NPN三极管、第一电阻、第二电阻构成的跨阻放大器的连接方式，该电路的直流偏置可以为5V，在5V的直流偏置下保证横向NPN三极管工作在放大区，当没有脉冲激光信号时，PIN探测器不工作，当激光脉冲信号照到PIN探测器上时，PIN探测器会产生脉冲光电流信号，将PIN探测器产生的脉冲光电流信号作为小信号通过跨阻放大器进行放大。最后输出端为放大之后的脉冲电压信号，其中跨阻RF和负载电阻RL的理论值为1000Ω，所以跨阻放大器对PIN探测器的脉冲光电流信号的理论放大倍数为1000倍。

光电单片集成芯片的结构设计是利用PIN探测器的非光照区的面积，通过离子注入形成两个P阱，然后分别制作所需要的横向NPN三极管和电阻，最后通过金属套刻的工艺实现PIN探测器和跨阻放大器的互连，结构的设计与电路的设计保持一致。

本公开提供的光电单片集成芯片还可以包括隔直电容，用于隔离所述电流信号中包括的直流电信号。直流电信号指的是电流信号中包括的噪声信号。

下面对本公开提供的光电单片集成芯片进行的测试实验进行描述。

该测试实验的测试结果包括PIN探测器和光电单片集成芯片在脉冲激光信号下的响应，测试所用的信号源为红外脉冲激光信号，波长为860nm、脉冲宽度为100ns、工作频率为10kHz、信号源和目标的距离设置为5m，测试原理是：激光发射模块发射的脉冲激光信号通过目标反射，反射回来的脉冲激光信号照到PIN探测器的光照区，然后产生脉冲光电流信号，结果如图4所示。经过跨阻放大器放大之后的脉冲电压信号即光电单片集成芯片的测设结果如图5所示，PIN探测器和光电单片集成芯片是在相同条件下测试的。为了排除外界噪声对测试结果的影响，整个测试过程在黑暗环境下进行。

图4示意性示出了本公开实施例提供的一个测试实验中PIN探测器产生的脉冲光电流信号示意图。

图5示意性示出了本公开实施例提供的一个测试实验中PIN探测器产生的脉冲光电流信号被放大后的信号示意图。

图4示意性示出了PIN探测器探测到的脉冲光电流信号，可以看到脉冲光电流信号大小为1.85uA左右，脉冲宽度为110ns。在相同的测试条件下对光电单片集成芯片的脉冲响应进行了测试，如图5所示，可以看到脉冲电压信号的脉冲宽度基本没有发生变化，大小为1.85mV左右，相比于图3PIN探测器的光电流信号1.85uA放大了1000倍，即跨阻放大器的跨阻增益为1000，跨阻增益和跨阻阻值的理论值1000Ω一致。

本公开提供的光电单片集成芯片使PIN探测器和跨阻放大器的兼容，在没有改变PIN探测器结构的基础上，可利用PIN探测器多余的面积来集成跨阻放大器，与目前基于PCB板的混合放大电路相比，通过集成减少了各种寄生效应，同时减少了激光接收模块的面积。

本公开另一方面提供了一种制备方法，应用于制备上述的光电单片集成芯片，包括如下步骤。

S220，在N+型硅衬底上外延生长本征层。

在本公开实施例中，N+型硅衬底为砷离子(As

S230，在所述本征层上的两处分别注入硼离子，形成第一隔离区和第二隔离区。

在本公开实施例中，S230具体包括S231～S233。

S231，PECVD法沉积SiO2，光刻并在本征层上湿法腐蚀出对准标记。

S232，重新沉积SiO2作为离子注入掩蔽层，光刻出离子注入窗口，在本征层注入硼(B+)离子，形成横向NPN三极管的第一隔离区和第二隔离区，结深在900nm左右。

S233，高温退火，退火温度850℃，时间20min。

S240，分别在所述第一隔离区和所述第二隔离区注入磷离子，在所述第一隔离区形成横向NPN三极管的集电极、发射极，在所述第二隔离区形成第一电阻和第二电阻。

在本公开实施例中，该步骤具体包括S241～S242。

S241，重新沉积SiO2作为离子注入掩蔽层，光刻出离子注入窗口，在本征层的所述第一隔离区和所述第二隔离区注入磷(P+)离子，分别形成横向NPN三极管的集电极、发射极和电阻，结深在350nm左右。

S242，高温退火，退火温度800℃，时间20min。

S250，在所述第一隔离区、第二隔离区以及所述本征区除所述第一隔离区、第二隔离区之外的区域分别注入硼离子，分别形成第二P+层、所第三P+层和第一P+层。

在本公开实施例中，该步骤具体包括S251～S252。

S251，重新沉积SiO

S252，高温退火，退火温度500℃，时间10min。

S260，在所述本征层表面沉积SiO2作为湿法腐蚀本征层的掩蔽层，光刻出刻蚀窗口，刻蚀出金属接触孔，形成多个金属电极。

S270，重新沉积SiO2作为钝化减反膜，套刻形成所述多个金属电极互连。

其中，所述第一P+层、本征层、N+型硅衬底构成的硅基PIN探测器，所述多个金属电极的互联使所述NPN三极管与第一电阻和第二电阻构成跨阻放大器，并且与所述硅基PIN探测器连接，形成了使基PIN探测器的输出进行放大的电路。

本公开在保证PIN探测器的结构和性能完全没有改变的情况下，利用PIN探测器的非光照区域面积制作出了跨阻放大器，实现了PIN探测器和跨阻放大器两者结构和工艺的兼容，并最终流片成功，其中跨阻放大器的跨阻增益可通过调整阻值进行调整，跨阻放大器所用的晶体管为横向NPN三极管。该光电单片集成芯片应用在激光引信系统的激光接收模块，通过对PIN探测器探测到的脉冲光电流信号进行放大，可以提高PIN探测器输出端信号的信噪比，增强激光接收模块的抗噪声能力。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。