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电子科技大学徐开凯课题组在芯片级多晶硅光源取得新突破

2019-03-07 16:28
        

  随着摩尔定律走向末路,人们将视线转向了硅基光电集成回路(OEIC)。在 OEIC 中,设计者通常利用片上光互联代替传统的电互联,在降低互联线的寄生电阻的同时提高电路的抗干扰能力。目前,实现OEIC 的最大的限制因素就是缺乏高效率的硅基光源。传统的 Ⅲ-Ⅴ 族光源虽然有较高的量子效率,但是与现有的集成电路工艺不兼容。在保证光源制造工艺兼容现有集成电路工艺的同时提高硅基光源的量子效率,一直是该领域的研究重心。

  电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室的徐开凯、赵建明团队联合中国电子科技集团公司第二十四研究所(四川固体电路研究所)、中国电子科技集团公司第四十四研究所(重庆光电技术研究所)在标准的互补金属氧化物半导体工艺(既CMOS工艺)前提下共同实现了一种新颖、高效的多晶硅光源,利用载流子注入技术获得了相对提升的硅发光强度。该研究成果近期发表在Optical Materials:基于反偏PN结雪崩击穿发光和载流子注入技术,对不同反偏电压下器件的工作情况进行探索分析。对其光电特性进行了陈述,是推动发展硅基光集成电路的关键一招,为今后光互连的应用奠定了坚实的基础。

  这种多晶硅光源利用反向偏置 PN 结中的雪崩倍增现象实现发光,具有易集成、与硅IC工艺兼容的优点。在体硅表面生长二氧化硅,之后将多晶硅生长在二氧化硅表面,通过离子注入在多晶硅中形成了N+PN+PN+的掺杂分布,如图1所示。多晶硅光源是一款两端口光源,器件内部的尺寸呈现出轴对称的分布,因此该器件没有严格的阳极与阴极的划分。光源关键的发光结构是一N+PN+PN+掺杂结构的多晶硅层。通过对不同驱动电流下的不同波长的光强比进行分析,得到驱动电流对不同光的光强影响程度不同。该光源具有很强的电流依赖性,在一定电流范围内,光强与流过器件的电流成线性关系;在雪崩击穿电流的驱动下,这种光源呈现出较宽的光谱(400nm~900nm),覆盖可见光到近红外光区域,肉眼可见两条橙黄色的光带。光带位于反偏pn结的耗尽区中,主要位于p型一侧的区域。

  由于硅是一种具有间接带隙结构的半导体材料,采用该材料实现的光源并不理想。传统的硅光源均采用单晶硅实现发光。该工作打破常规,引入多晶硅全面替代单晶硅材料,同时利用载流子注入技术,提高参与雪崩倍增过程的载流子数目,实现了一种相对高效的硅基光源。这种利用多晶硅制成的光源在外量子效率和光电转换效率上有所突破,该器件为硅基光源效率的提高打下了坚实的基础,为硅基光源的应用和推广做出了贡献。这项研究成果被中国科学院简水生院士这样点评了电子薄膜与集成器件国家重点实验室学生孙宏亮的工作:

  为了进一步提高硅基雪崩击穿发光器件的发光效率,电子科技大学联合南非大学射频与光子研究小组以双结P+NP+单晶硅基器件和多结N+PN+PN+多晶硅器件为基础,更加深入的探索了硅基发光机制以及发光效率与电场控制、杂质散射和载流子平衡之间的关系,相关研究成果在国际光学工程学会(SPIE)举办的SMEOS 2018上与来自世界各国的科研人员交流分享,据此写作的论文并被大会论文集收录。研究成果表明:通过多余载流子注入,可提高激发载流子比例,促进载流子复合,实现发光效率提升;在复合区引入杂质散射中心可以增强散射效应;在器件中进行空间场强控制,以便在正确的设备区域和最佳条件下进行激发,延长的且更平坦的电场可以增加激发载流子密度。

  参与这项工作的学生主要有:孙宏亮、张兆彤,以及24所的袁浚博士、44所的周勇研究员。该研究得到了国家自然科学基金61674001,61704019的支持。



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