【摘 要】
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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(Op
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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(Optoelectrical Integarted Circuits,OEIC)发展遇到的最大问题。本文立足亚微米超大规模CMOS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UMC 0.18μm 1P6M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1130 nm附近;工作在2.1V@200 mA时发光功率可达1200 nW,且未达到饱和;1.2 V@40 mA时光电转换效率可达5.8×10-6,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结果表明,单晶Si-LED光探测器在-2.5 V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。
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