标准cmos工艺硅基发光器件的研究

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1、标准CMOS工艺硅基发光器件的研究ResearchofSi-basedLightEmittingDeviceFabricatedinStandardCMOSProcess学科专业：微电子学与固体电子学研究生：崔猛指导教师：张世林教授天津大学电子信息工程学院二零一五年十二月摘要作为极有可能取代传统微电子集成电路的下一代产品，硅基光互连系统越来越受到重视。然而硅属于间接带隙半导体，由其构成的硅基发光器件效率低下，这就成了全硅光电集成回路(OptoelectricalIntegartedCircuits,OEIC)发展遇到的最大问题。本文立足亚微米超大规模CM

2、OS集成电路技术，对硅基发光器件(Si-LED)做了深入的研究并制备出了发光效率较高的新型Si-LED，主要工作内容及创新点如下：1)由于硅p-n结反向击穿电压较高，难以与标准CMOS工艺其它器件兼容，因此选择低工作电压的正向偏置型Si-LED为主要研究对象。而正向偏置二极管中载流子的产生与复合机制、电流密度和器件结构对其发光的影响仍有待研究。2)采用UMC0.18μm1P6M标准CMOS工艺设计制备了新型楔形结构单晶Si-LED和Si-LED阵列，多晶硅PIN发光器件(PIN-LED)，以及由多晶硅PIN-LED发射、单晶Si-LED接收的简易光互连结

3、构。3)对上述制备的Si-LED进行了电学特性和光学特性的测试，对楔形Si-LED做了较为详细的光谱分析，以便从中了解其发光的物理机制，并对其发光功率和光电转换效率对电流变化的依赖做了详细分析。测试结果表明，文中楔形八瓣结构Si-LED器件发射近红外波段的光，主发光峰位于1130nm附近；工作在2.1V@200mA时发光功率可达1200nW，且未达到饱和；1.2V@40mA时光电转-6换效率可达5.8×10，明显优于已报道的实验结果。由于本文研制的Si-LED具有工作电压低、转换效率高等优点，所以该器件有望在光互连领域得到广泛应用。4)对光互连结构的测试

4、结果表明，单晶Si-LED光探测器在-2.5V电压下工作效率最高，且产生的光电流会随着多晶硅PIN-LED注入电流的增加明显变大，该结构能够实现光互连的基本功能。关键词：硅基发光二极管，标准CMOS工艺，正向偏置，楔形结构，光互连IABSTRACTAsamostpromisingnext-generationproductwhichmaytakeplaceoftraditionalmicroelectronicintegratedcircuit,Si-basedopticalinterconnectionsystemisgettingincreasing

5、attention.Becauseofindirectbandgap,siliconisinefficientasalightemittingdevice,andthisbecomesaseriousproblemforfull-siliconoptoelectricalintegartedcircuits.Inthispaper,basedondeepsub-micronVLSItechnology,wemakeadeepstudyinsilicon-basedlightemittingdevice(Si-LED),andanovelefficient

6、Si-LEDisfabricated.Thehighlightsofthisworkare1)Asthebreakdownvoltageofsiliconp-njunctionistoohightobecompatiblewithotherdevicesinrecentstandardCMOSprocess,itisinterestingtodevelopforward-biasedSi-LEDforlow-voltageoperation.However,theeffectsofchargecarrier,currentdensityandinterf

7、acestructureonlightemissioninforward-biaseddiodeneedtobeinvestigated.2)Thenovelwedge-shapedmonocrystallineSi-LEDandSi-LEDarray,thepolycrystallinesiliconPIN-LED,andasimpleopticalinterconnectionstructureconsistingofpolycrystallinesiliconPIN-LEDandmonocrystallineSi-LED,aredesignedan

8、dfabricatedbyUMC0.18μm1P6MCMOSprocess.3)