一种超高带宽锗硅光电探测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高速大容量光纤通信系统中的硅基集成光电子器件，具体涉及高速锗硅光电探测器。
【背景技术】
[0002]随着全球信息数据量的爆炸式增长，对高速光纤通信系统提出了越来越高的要求。各种先进调制格式、多维复用方式的应用极大的提高了光纤通信系统的传输速率和传输容量。在光纤通信系统速率越来越高的情况下，如果继续使用传统的分离元器件，功耗、成本等因素决定了这是很不现实的。因此，发展集成光电子器件是必然趋势。在各种集成平台中，硅基器件以其低成本、小尺寸、与CMOS工艺兼容等诸多优势，吸引了来自科技界以及工业界的极大关注。近年来，各种硅基有源、无源器件都有了突飞猛进的发展。锗硅光电探测器，作为将光信号转换为电信号的核心器件，是硅基集成器件的一个重要分支。锗硅倏逝波耦合垂直PIN结构光电探测器是目前在硅中实现光探测的主流结构。现有的锗硅光电探测器的外形结构如图1所示。
[0003]但是，目前这种探测器的工作带宽一般很难超过30GHz，这主要是受限于器件的各种寄生参数，如PIN结的串联电阻和器件的寄生电容。虽然之前有报道过在电极制作过程中，通过设计片上螺旋电感来提高器件带宽的方案，但这种设计需要极其复杂的电极设计以及繁琐的工艺步骤。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的问题是提供一种超高带宽锗硅光电探测器，以克服现有的锗硅光电探测器受限于各种寄生参数工作带宽比较低的问题。
[0005]为解决以上技术问题，本发明提出了一种超高带宽锗硅光电探测器，包括几个物理上分离的地极和一个信号极，所述地极之间通过一段或几段导线连接，所述一段或几段导线形成的总电感量为50pH至900pH。一段或几段导线的总的几何尺寸，例如导线长度、直径，根据其所形成的上述总电感量确定。
[0006]为不改变现有的工艺条件，本发明中采用的导线几何尺寸规格为满足WireBonding封装工艺的要求。
[0007]优选的，所述地极数量为两个，且所述两个物理上分离的地极通过一根导线连接。
[0008]同样优选的，所述地极数量为两个以上，所述两个以上的地极之间通过导线连接。
[0009]所述导线可选用金丝、银丝、铜丝等。优选的，这里所述导线为金丝。
[0010]本发明的技术原理是，通过Wire Bonding技术在现有的锗娃光电探测器电极上引入一定长度的金丝导线，利用引入金丝导线所形成的总的电感量抵消器件在高频处充放电过程，提高器件的带宽。在本发明中，电极相比于现有的锗硅光电探测器的电极形态没有太大的区别，只需将现有的锗硅光电探测器电极中的两个地极(G)分成若干部分，然后焊接金丝导线。
[0011]由于Wire Bonding技术是集成器件封装过程中的标准技术，因此本发明并没有增加工艺复杂度。此外，本发明对锗硅光电探测器的暗电流、响应度等参数没有影响。因此，我们这一发明是在不增加工艺复杂度、不影响器件其它性能参数的条件下，实现了一种超高带宽锗硅光电探测器。
【附图说明】
[0012]图1为现有的锗硅光电探测器的结构示意图。
[0013]图2为本发明超高带宽锗硅光电探测器的一种【具体实施方式】的结构示意图。
[0014]图3为本发明超高带宽锗硅光电探测器金丝导线焊接方式的另一种【具体实施方式】的结构示意图。
[0015]图4为本发明超高带宽锗硅光电探测器电极结构及金丝导线焊接方式的第三【具体实施方式】的结构示意图。
[0016]图5为本发明超高带宽锗硅光电探测器电极结构及金丝导线焊接方式的第四【具体实施方式】的结构示意图。
[0017]图6为本发明图2所示一种具体实施结构与现有的图1所示结构锗硅光电探测器工作带宽实验测试对比结果图。
[0018]图1至图5中编号说明如下:
[0019]I—地极一(G)
[0020]2—信号极一(S)
[0021]3—地极二(G)
[0022]4—地极三(G)
[0023]5—金丝导线一
[0024]6—金丝导线二
[0025]7—金丝导线三
[0026]8—地极四(G)
[0027]9—地极五(G)
[0028]10—金丝导线四
[0029]11—金丝导线五
[0030]12—金丝导线六
[0031]具体实施方法
[0032]如图2所示为本发明超高带宽锗硅光电探测器一种【具体实施方式】的结构示意图。下面结合相关器件结构图详细说明本发明的工作原理、实施条件和步骤。
[0033]本发明利用Wire Bonding技术在锗硅光电探测器电极中物理上相互隔离的若干地极之间引入一段或几段导线，利用引入导线所形成的总的电感量抵消器件在高频处的充放电过程，从而提高器件带宽。
[0034]导线可选用金丝、银丝、铜丝等，满足Wire Bonding封装工艺的要求都可以。本【具体实施方式】以金丝为例做进一步描述。
[0035]锗硅光电探测器的电极一般分为地极(G)和信号极(S)两部分，地极用于加载负压，信号极用于加载正压。现有的锗硅光电探测器的电极结构是两个地极和一个信号极一起构成GSG形状，并且两个地极是直接连接的，如图1所示。这时电极的电感量可以忽略，电极总的电阻、电容特性是影响器件带宽等性能的主要因素。
[0036]而本发明中将现有的锗硅光电探测器两个连接的地极分成三部分，如图2中编号1、3、4所示。然后，在编号为4的地极与编号为3的地极之间焊接一根金丝导线，如图2中编号5，再在编号为3的地极与编号为I的地极之间焊接另外一根金丝导线，如图2中编号6，这样三部分地极就全部连通。两根金丝导线的总长度可以通过调节编号1、3相对于编号4的位置来改变。金丝导线的焊接方式也不局限于图2所给出的形式，就图2中的结构来说，也可以在编号为4的地极与编号为1、编号为3的地极之间分别焊接金丝导线，如图3所示，图3与图2是等效的。
[0037]一般来讲，在保证地极连通以及不影响电极共面波导基本结构的情况下，只要金丝导线总长度能够满足要求，电极结构也不局限于图2中的形式，图4和图5给出了两种可能的等效结构。如图4所示，可以将现有的锗硅光电探测器连通的地极分成不直接连接的两部分，然后在这两部分地极之间焊接一段预期长度的金丝导线。
[0038]作为图2所示的地极、金丝导线连通的另一种等效变形结构，如图5所示，将地极分成不直接连接的四部分，然后在这四部分之间相邻两个之间焊接金丝导线，引入的三段金丝导线使得器件总的电感量在50pH至900pH之间。总之，本发明中地极可以分成多部分，在保证地极连通和保证金丝导线总长度能够满足预期要求的情况下金丝导线焊接也有多种组合方式。
[0039]本发明图2所示的一种具体实施结构与现有的图1所示结构锗硅光电探测器工作带宽实验测试对比结果如图6所示。图6中虚线所示为现有的锗硅光电探测器工作带宽曲线，可见这种探测器的3dB带宽不足20GHz。实线所示为本发明图2所示的一种具体结构的工作带宽曲线，其3dB带宽相比于现有的锗硅光电探测器有显著提高，可以达到60GHz以上。经过检测，上述其它等效结构的锗硅光电探测器的3dB带宽也都可以达到60GHz以上。
[0040]本发明基于锗娃光电探测器封装工艺中的标准技术--Wire Bonding，在电极中引入特定长度的金丝导线，利用金丝导线本身的电感实现了超高带宽锗硅光电探测器。本发明相比于现有的锗硅光电探测器带宽有显著提高，且并没有增加工艺复杂度，也没有影响其他性能参数。本发明可以作为独立器件用于长距离光纤通信系统或短距离光互连系统中，也可以基于CMOS工艺进行片上大规模集成，大幅度降低成本、尺寸、功耗。
[0041]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种超高带宽锗硅光电探测器，其特征在于，包括几个物理上分离的地极和一个信号极，所述地极之间通过一段或几段导线连接，所述一段或几段导线形成的总电感量为50pH 至 900pH。2.根据权利要求1所述的超高带宽锗硅光电探测器，其特征在于，所述导线的几何尺寸规格为满足Wire Bonding封装工艺的要求。3.根据权利要求2所述的超高带宽锗硅光电探测器，其特征在于，所述地极数量为两个，所述两个地极通过一根导线连接。4.根据权利要求2所述的超高带宽锗硅光电探测器，其特征在于，所述地极数量为两个以上，所述多个地极之间通过导线两两连接。5.根据权利要求1至4之一所述的超高带宽锗硅光电探测器，其特征在于，所述导线为金丝。
【专利摘要】本发明涉及高速大容量光纤通信系统中的硅基集成光电子器件——超高速锗硅光电探测器，包括几个物理上分离的地极和一个信号极，所述地极之间通过一段或几段导线连接，所述一段或几段导线形成的总电感量为50pH至900pH。本发明通过Wire Bonding技术，在现有的锗硅光电探测器电极中引入具有特定电感量的导线，使得器件在高频处带宽曲线有一定抬升。本发明在没有增加工艺复杂度、不影响器件其它性能参数的情况下，实现了一种超高带宽锗硅光电探测器。
【IPC分类】H01L31/02
【公开号】CN104952940
【申请号】CN201510311785
【发明人】余宇, 陈冠宇, 张新亮
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月9日