一种新型紧凑型高速光电二极管芯片

一种新型紧凑型高速光电二极管芯片

刘宏亮

芯思杰技术（深圳）股份有限公司   广东  深圳   518055

摘要：半导体光电子器件正呈现高速率、集成化的趋势，本文提出一种新型紧凑型高速光电二极管芯片，传输速率可达到10G/s，相对传统芯片结构，尺寸缩小近1/3，不仅可减小占用器件封装的空间尺寸，利于光器件的封装集成化和便利性，而且使得同一尺寸的外延片，产出更多数量的芯片，从而大大提高芯片的良率和大幅度降低芯片的成本。

关键词：光电二极管芯片；光器件；集成化

一、引言

在万物互联的当今时代，人们对语音、视频、线上会议等需求越来越大，光通信技术广泛应用于人们的日常生活和工作当中，近年来，半导体光电子材料受到了极大的关注，在这些材料中，由III-V簇化合物半导体材料制作的光电二极管芯片，凭借其优良的光电特性，常用于制作高速率、高频率等光电子器件，广泛应用于光通信、光传感器等领域。

随着科学技术的发展，半导体器件趋于集成化和小型化，作为光电子器件中的核心芯片之一的光电二极管芯片也趋于高速化、集成化和小型化。光电二极管芯片尺寸的大小将会影响光器件的封装集成化和便利性，同时在芯片流片制作过程中，会影响芯片的良率和成本。本文提出一种新型紧凑型高速光电二极管芯片，较传统结构的芯片结构，同一尺寸的外延片将产出更多数量的芯片，不仅可以大大提高芯片的良率，而且还可以大幅度降低芯片的成本。

二、光电二极管芯片的设计

2.1 光电二级管芯片的设计

如图1所示，传统的光电二极管芯片的电极采用左右结构设计，右侧为芯片正电极，左侧为芯片负电极，这样导致芯片长度较长。正电极焊盘和负电极焊盘位于芯片的相对两侧，不利于后续焊线工艺，又增加了金线长度，也不利于现有小型化、集成化封装的应用。

图1传统光电二极管芯片的电极示意图

本文提出的新型紧凑型高速光电二极管芯片，通过调整正负电极的布局达到缩小尺寸的目的，如图2所示。电极部分有正电极环、负电极环、正电极和负电极构成，负电极环上设置有开口，负电极与负电极环的一端连接；正电极环设于负电极环内，正电极通过开口与正电极环连接；正电极和负电极位于负电极环的同一侧。

图2新型紧凑型光电二极管芯片的电极示意图

正电极环与负电极环同心设置，其中正电极环的环宽度小于等于10um，外径小于70um；负电极环的环宽度小于等于10um；正电极环的外径与负电极环的内径的距离大于5um且小于20um。芯片的内部结构设置为台面结构，包含衬底层、缓冲层、吸收层、顶层、接触层。其中，衬底层为Fe掺杂的半绝缘InP衬底，厚度大于2um；缓冲层为掺杂浓度大于1×1018cm-3的InP缓冲层，厚度大于2um且小于5um；吸收层为掺杂浓度低于5×1014cm-3的InGaAs吸收层，厚度大于0.5um且小于3um，吸收层的浓度越低越好，浓度太高，耗尽层难以处于耗尽状态，芯片电容变大，无法满足高速带宽需求，但是浓度太低，现有工艺水平达不到。顶层为InP顶层，厚度大于0.5um且小于2um；接触层为InGaAs接触层，厚度大于0.1um且小于0.5um。按此结构设计的芯片截面图如图3所示。

图3光电二极管芯片截面示意图

2.2光电二级管芯片的3dB带宽分析

（1）芯片的3dB带宽测试，测试条件为：反向电压为2V，输入光功率为500μw，入射光波长为1550nm，测试得带宽典型值为10GHz，满足高速光通信的应用需求，如图4所示。

图4 光电二极管芯片3dB带宽测试图

（2）带宽与输入光功率相关性分析，测试条件为：反向电压为2V，入射光波长为1550nm，如图5所示。

图5带宽与输入光功率的关系

（3）带宽与反向电压相关性分析，测试条件为：输入光功率为500μw，入射光波长为1550nm，如图6所示。

图6 带宽与反向电压的关系

三、结束语

本文提出的一种新型紧凑型高速光电二极管，通过将正电极和负电极设置为同侧，达到将芯片尺寸结构缩小近1/3，从而减小占用器件封装的空间尺寸。通过外延结构的优化和台面的结构设计，让芯片的光电转换速率达到10G/s，从而满足芯片的带宽要求。

参考文献

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