【摘要】：近年來,光互連技術(shù)以高速、高帶寬、低串擾和低功耗等優(yōu)勢備受關(guān)注,尤其是在甚短距離光傳輸領(lǐng)域中。CMOS集成電路及工藝平臺推動了硅基光電探測器、CMOS光接收電路乃至集成光系統(tǒng)的發(fā)展,高速高靈敏度的850nm光波長CMOS光電探測器結(jié)構(gòu)及模型成為實施甚短距離光互連的關(guān)鍵之一。因此,研究SOI CMOS兼容的高性能的光電探測器,及其相關(guān)工藝、制造,具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文以SOI CMOS工藝為載體,提出可用于850nm波長光電集成電路(OEIC)的高速高靈敏度低成本的SOI基諧振腔增強型(Resonant Cavity Enhanced Photodetector:RCE)光電探測器結(jié)構(gòu),對光電探測器的工藝實現(xiàn)、器件結(jié)構(gòu)、軟件仿真及版圖設(shè)計等方面展開研究工作。主要的研究工作及創(chuàng)新點如下:1、提出了一種新的SOI基CMOS諧振腔增強型光電探測器結(jié)構(gòu),以0.5μmCMOS工藝為工藝流程載體,給出優(yōu)化的SOI基光電探測器結(jié)構(gòu)參數(shù),力求解決硅基光電探測器量子效率低和工作帶寬窄的問題;2、研究SOI基光電探測器的光電轉(zhuǎn)換機理及載流子特性,建立精確的諧振腔增強型光電探測器模型,對器件所用到的Si片材料、諧振腔的DBR反射鏡以及整體結(jié)構(gòu)等作了研究和分析,實現(xiàn)模型與物理結(jié)構(gòu)尺寸之間的可縮放性映射。并基于MATLAB與TCAD軟件進行數(shù)值模型仿真與工藝仿真的結(jié)果進行對比;3、考察SOI基諧振腔增強型光電探測器物理尺寸多維變化對其性能的影響,將頂部有“網(wǎng)格狀有源區(qū)”結(jié)構(gòu)、“條柵狀有源區(qū)”結(jié)構(gòu)加入DBR反射鏡的分析和設(shè)計中,通過優(yōu)化設(shè)計出光纖通信用SOI基CMOS RCE光電探測器;4、設(shè)計了多種SOI基CMOS RCE光電探測器的版圖設(shè)計,包括三種面積尺寸30μm*30μm、40μm*40μm、50μm*50μm結(jié)構(gòu),兩種有源區(qū)結(jié)構(gòu):條柵型的P+結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格型的N+結(jié)構(gòu),以及4種有源區(qū)間距0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm結(jié)構(gòu),因此共有24個不同光電探測器結(jié)構(gòu)。通過全文的研究,以及TCAD仿真和MATLAB仿真對比分析,結(jié)果表明SOI基CMOS RCE光電探測器的正確性,相比于普通CMOS光電探測器,其量子效率提高了100%。另外與現(xiàn)有CMOS工藝兼容,也降低了生產(chǎn)難度及成本。本文的研究工作為今后進一步RCE光電探測器的研究及生產(chǎn)積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗,通過系統(tǒng)的分析RCE光電探測器的研發(fā)流程,為其研究及量產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。
[Abstract]:In recent years, optical interconnection technology has attracted much attention due to its advantages of high speed, high bandwidth, low crosstalk and low power consumption, especially in the field of very short distance optical transmission. Silicon based photodetectors are promoted by CMOS integrated circuits and process platforms. With the development of CMOS optical receiving circuit and even integrated optical system, the structure and model of 850nm optical wavelength CMOS photodetector with high speed and high sensitivity have become one of the key issues in the implementation of very short distance optical interconnection. Therefore, it is of great practical significance to study the high performance photodetectors compatible with SOI CMOS, and their related processes and fabrication. In this paper, a high speed, high sensitivity and low cost SOI based resonant cavity enhanced (Resonant Cavity Enhanced Photodetector:RCE (Resonant Cavity Enhanced Photodetector:RCE) photodetector structure, which can be used in 850nm wavelength photoelectric integrated circuit (OEIC), is proposed, and the process of the photodetector is realized. Research work on device structure, software simulation and layout design is carried out. The main research works and innovations are as follows: 1. A new SOI based CMOS cavity enhanced photodetector structure is proposed. The optimized structure parameters of the SOI based photodetector are given with 0.5 渭 mCMOS process as the process flow carrier. To solve the problems of low quantum efficiency and narrow working band of silicon based photodetectors; 2. The photoelectric conversion mechanism and carrier characteristics of SOI based photodetectors are studied, and an accurate resonant cavity enhanced photodetector model is established. The Si chip materials used in the devices are investigated. The DBR mirror and the whole structure of the resonator are studied and analyzed to realize the scalable mapping between the model and the physical structure size. The results of numerical model simulation and process simulation based on MATLAB and TCAD are compared. 3. The effect of the multi-dimensional change of physical dimension on the performance of SOI based resonant cavity enhanced photodetector is investigated. The "grid active zone" structure and the "strip gate active zone" structure are added to the analysis and design of the DBR mirror. By optimizing the design of SOI based CMOS RCE photodetector for optical fiber communication; 4. A variety of SOI based CMOS RCE photodetectors are designed, including three kinds of area sizes: 30 渭 m (30 渭 m), 40 渭 m (40 渭 m), 50 渭 m (50 渭 m), two kinds of active region structures: strip gate P structure, grid type N structure, and so on. And four kinds of active region spacing 0.8 渭 m ~ 0.9 渭 m ~ (-1) 渭 m structure, so there are 24 different structures of photodetector. The results show that the SOI based CMOS RCE photodetector is correct and its quantum efficiency is 100% higher than that of the ordinary CMOS photodetector. In addition, compatible with the existing CMOS process, it also reduces the production difficulty and cost. The research work in this paper has accumulated certain technical experience for the further research and production of RCE photodetectors in the future. Through the systematic analysis of the R & D flow of RCE photodetectors, it has laid a foundation for its research and mass production.
【學位授予單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN15

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本文編號：2370796