短波長光通訊之矽標準製程光檢測器

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姓名

劉玉章(Yu-chang Liu) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

短波長光通訊之矽標準製程光檢測器
(Photodetectors Fabricated by Standard Silicon Process Technology)

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摘要(中)

本論文利用0.18 um CMOS及0.35 um BiCMOS標準製程實現光檢測器。在BiCMOS光檢測器部分，使用SiGe 高崩潰HBT製程中Base及Collector所形成之二極體，並利用Local Collector區域吸收光。在11.06V的逆偏壓下，響應度為0.26 A/W，頻寬為1.65 GHz，操作資料速率為1.25 Gb/s。在CMOS光檢測器部分，使用n型、p型井製程及離子佈值製作光檢測器元件。元件操作在雪崩崩潰區域時，由於漂移載子的劇烈增加減少了慢速擴散載子的影響，因此光檢測器的頻寬得以大幅增加。結果可得到文獻最高記錄頻寬為1.6 GHz及最高操作資料速率為3.5 Gb/s。此論文中還提出使用Body Contact對前述CMOS光檢測器改善。當外加偏壓至Body Contact時，在光檢測器的下方會形成一電流路徑而有效消除慢速擴散載子，得以增加光檢測器頻寬及速度。當Body 偏壓為10 V時，可得到頻寬為2.8 GHz，並且操作資料速率可至 5 Gb/s。除此之外，論文中亦分析出漂移載子的比例，結果顯示：一、當操作在雪崩崩潰區域時，漂移載子的比例將遠大於擴散載子的比例，因此光檢測器的頻寬得以提升；二、加入Body偏壓時，光檢測器下方的電流後可以掃除慢速擴散載子，且元件並不需要操作在雪崩崩潰區域即可得到高比例的漂移載子，證明本論文所提出的改善方法相當有效。

摘要(英)

This work demonstrates photodiodes (PDs) fabricated by standard silicon process technologies. Two kinds of PDs are proposed. One is in CMOS technology and the other is in BiCMOS technology.
We show a good responsivity, record high bandwidth (1.6 GHz) and record high data rate (3.5 Gb/s) from the CMOS PD which is operated in avalanche region and the breakthrough results are published in IEEE Photonics Technology Letters.
Moreover, we remove the slow diffusion carriers which are generated from substrate in CMOS PD by using body contact design with supplied voltage to create a current path under the device. And those slow carriers are swept into the current flow to ground (p-contact). It results in better pulse response and removes the long tail compared to PD with floating body voltage (VB) in pulse measurement. Finally, the PD with VB = 10 V shows another record high bandwidth of 2.8 GHz and record high eye diagram of 5 Gb/s.
Besides, the BiCMOS PD is proposed from modifying the SiGe HBT layout without emitter region. It shows a responsivity of 0.26 A/W at VR of 11.06 V and the 1.25 Gb/s eye diagram is also obtained.

關鍵字(中)

★ 高速
★ 標準製程
★ 光檢測器
★ 雪崩二極體
★ 雪崩區
★ 光二極體
★ 高響應度
★ 矽
★ 高頻寬

關鍵字(英)

★ high speed
★ high responsivity
★ high bandwidth
★ avalanche
★ avalanche photodiode
★ standard process
★ photodiode
★ CMOS
★ silicon
★ photodetector

論文目次

目錄 i
圖目錄 iii
表目錄 ix
第一章導論 1
1.1 研究動機 1
1.2 論文架構 2
第二章標準製程製作之光檢測器簡介 4
2.1 光纖通訊簡介 4
2.2 光連接與電連接差異 5
2.3 矽光檢測器介紹 8
2.4 標準製程之光檢測器 13
第三章 BiCMOS製程之光檢測 15
3.1 研究近況 15
3.2 設計與模擬 16
3.3 量測結果 22
3.4 模型萃取 28
3.5 結論 34
第四章 CMOS製程之光檢測器 36
4.1 研究近況 36
4.2 設計方式 39
4.3 量測結果 41
4.4 模型萃取 47
4.5 結論 52
第五章 CMOS製程光檢測器之特性改善 54
5.1 特性改善模擬 54
5.2 結構改善設計 60
5.3 量測結果 61
5.4 結論 69
第六章總結 71
參考文獻 73
附錄
A BiCMOS 光電積體整合電路 78
B CMOS光電積體整合電路 91

參考文獻

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指導教授

辛裕明(Yue-ming Hsin)

審核日期

2007-7-11

推文