崔 猛， 謝 生， 毛陸虹， 郭維廉， 張世林， 武 雷， 謝 榮

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300072)

楔形瓣狀結(jié)構(gòu)對正向注入型Si-LED發(fā)光特性的影響

崔 猛， 謝 生*， 毛陸虹， 郭維廉， 張世林， 武 雷， 謝 榮

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300072)

基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的p+源/漏區(qū)和n阱，設(shè)計了兩種楔形瓣狀結(jié)構(gòu)的正向注入型硅基發(fā)光二極管(Si-LED)，采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工藝設(shè)計制備。測試結(jié)果表明，正向注入型p+/n-well二極管的發(fā)射波長位于近紅外波段，峰值波長在1 130 nm附近，且工作電壓小于2 V，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路兼容。其中，八瓣結(jié)構(gòu)的Si-LED (TS2)在200 mA時的發(fā)光功率可達1 200 nW，且未出現(xiàn)飽和，而注入電流為40 mA時的最大功率轉(zhuǎn)換效率達5.8×10-6，約為四瓣結(jié)構(gòu)器件(TS1)的2倍。所研制的Si-LED具有工作電壓低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，有望在光互連領(lǐng)域得到應(yīng)用。

硅基發(fā)光二極管； 正向注入； 楔形結(jié)構(gòu)； 標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝

1 引 言

隨著集成電路的特征尺寸降低到90 nm以下，傳統(tǒng)硅基芯片的信號延遲、串?dāng)_和功耗等問題變得越來越突出。因此，以成熟的硅基微電子平臺為基礎(chǔ)，將光子作為集成電路中信息傳輸?shù)妮d體，在同一芯片上集成電路和光路的光互連系統(tǒng)成為研究熱點[1-2]。然而，硅為間接帶隙半導(dǎo)體，其輻射復(fù)合發(fā)光效率極低[3]。因此，如何基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，研制低工作電壓、高轉(zhuǎn)換效率的硅基發(fā)光器件是解決硅基光互連的關(guān)鍵因素。

目前，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的硅基發(fā)光器件多采用反向擊穿發(fā)光機制。Snyman等[4]最早采用MOS器件的源/漏接觸區(qū)，設(shè)計了pn+結(jié)發(fā)光二極管(LED)，并利用注入少子在耗盡區(qū)內(nèi)的齊納擊穿發(fā)射光子。隨后又基于注入雪崩效應(yīng)，設(shè)計出高效的楔形Si-LED[5-6]，將電光轉(zhuǎn)換效率提高了一個數(shù)量級。楊廣華等[7]利用n阱和p型襯底構(gòu)建了條形叉指狀的Si-LED。董贊等[8]利用重?fù)诫s的源/漏區(qū)在n阱內(nèi)制備出鋸齒結(jié)構(gòu)的Si-LED陣列。然而，這些發(fā)光器件都需要反向偏置在5 V以上，難以與標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路的電源電壓兼容。此外，受反向注入電流的限制，基于反向擊穿機制Si-LED的發(fā)光功率僅為數(shù)納瓦，難以真正實用化。

為了解決上述問題，Lee Hsiu-Chih等[9-10]提出一種正向注入發(fā)光的Si-LED器件，將發(fā)光功率提高到100 nW以上，而工作電壓僅為1.2 V。本課題組在以前研究的基礎(chǔ)上，研制出多種正向注入的楔形Si-LED單元[11-12]和器件陣列，將發(fā)光功率提高到微瓦量級。為了研究楔形結(jié)構(gòu)對器件發(fā)光特性的影響，本文利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計了四瓣(TS1)和八瓣(TS2)兩種結(jié)構(gòu)的Si-LED器件。測試結(jié)果表明，楔形八瓣結(jié)構(gòu)(TS2)具有更高的發(fā)光功率和光電轉(zhuǎn)換效率。

2 實 驗

基于UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工藝圖層，我們利用MOSFET的p+源/漏區(qū)和n阱，構(gòu)建了如圖1(a)所示的p+/n-well發(fā)光二極管。當(dāng)正向注入載流子到達結(jié)區(qū)附近時，通過聲子輔助或雜質(zhì)能級輔助輻射復(fù)合發(fā)光。為了比較瓣狀結(jié)構(gòu)對發(fā)光性能的影響，我們設(shè)計了四瓣和八瓣兩種結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件，且兩種器件的阱區(qū)面積均為44 μm×44 μm。為了提高注入電流密度，增加電子-空穴復(fù)合幾率，我們基于Snyman等[6]提出的楔形結(jié)構(gòu)，設(shè)計了如圖1(b)所示的四瓣測試結(jié)構(gòu)TS1。其中，左右鏡像對稱的p+摻雜區(qū)與n阱形成p+n結(jié)發(fā)光二極管，而上下對稱的n+摻雜區(qū)作為n阱接觸，p+區(qū)和n+區(qū)的間距為4 μm，楔形尖端的夾角為90°。

為了增大發(fā)光區(qū)面積和楔形尖端電流密度，我們還設(shè)計了如圖1(c)所示的八瓣測試結(jié)構(gòu)TS2。相比于器件TS1，TS2的發(fā)光區(qū)面積近似增大了1.6倍。由于楔形尖端的電荷密度隨表面曲率的增大而增大，所以TS2中的45°楔形尖端比90°尖端具有更大的曲率變化，有利于提高發(fā)光功率和光電轉(zhuǎn)換效率。

圖1 (a) p+/n-well發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 傳統(tǒng)楔形Si-LED (TS1)的示意圖；(c) 八瓣楔形Si-LED (TS2)的示意圖

Fig.1 (a) Structure diagram of p+/n-well LED. (b) Schematic of Si-LED with conventional wedged configuration (TS1). (c) Schematic of Si-LED with eight-petal configuration (TS2).

在完成前道制備工藝后，利用金屬互連工藝中的Metal 1和Metal 2分別將p+區(qū)和n+區(qū)電連接在一起，形成發(fā)光器件的正、負(fù)電極。為了降低上層金屬對發(fā)射光子的吸收和反射，發(fā)光區(qū)域上方未布置任何金屬層。圖2給出了MITUTOYO FS-70顯微鏡拍攝的實際器件的顯微照片。

圖2 器件TS1 (a)和TS2 (b)的顯微照片

Fig.2 Micrograph of Si-LEDs with four-petal (a) and eight-petal configuration (b)

3 結(jié)果與討論

3.1 電學(xué)特性

Si-LED的電學(xué)特性采用Keithley 4200-SCS測試。由于器件TS1和TS2的二極管結(jié)構(gòu)相同，所以二者的電學(xué)特性也相同。圖3給出了p+/n-well二極管的典型I-V特性曲線，其中的插圖給出了對數(shù)坐標(biāo)表示的器件TS1和TS2的正向電流-電壓關(guān)系。由圖可見，正向?qū)妷杭s為0.9 V，反向擊穿電壓在8 V@1 mA附近。結(jié)果表明，器件TS2并未因大的表面曲率而過早擊穿。由于n-well摻雜濃度通常比p型襯底高一個數(shù)量級，所以反向擊穿電壓略低于n+/p-sub二極管[11]。

圖3 p+/n-well二極管的典型I-V特性曲線

3.2 光學(xué)特性

Si-LED的發(fā)射光譜利用Horiba LabRAM HR800微區(qū)PL譜測試系統(tǒng)測量，采用Thorlabs PM100D光功率計和S132C Ge探測器記錄器件在不同注入電流時的光功率。其中，Ge探測器的接收孔徑尺寸為Φ9.5 mm，接收波長設(shè)定為光譜響應(yīng)的峰值波長，即1 130 nm。

圖4所示為正向注入電流為40 mA時，兩種器件在室溫下的發(fā)射光譜。與反向擊穿發(fā)射可見光不同[4-8]，正向注入型Si-LED的發(fā)光波長位于近紅外波段，且發(fā)射譜較寬，峰值波長在1 130 nm附近。另外，1 030 nm附近存在一個小肩峰。這與已報道的正向注入型Si-LED的發(fā)光譜完全一致[9-12]。與1 130 nm發(fā)光峰相對應(yīng)的光子能量(E=1.1 eV)略小于Si的帶隙能，其發(fā)光機制可能與聲子參與的帶間躍遷[5,8]、硼離子在帶邊形成淺能級缺陷[13]或者Si/SiO2界面陷阱[9]引入的輻射復(fù)合有關(guān)。而1 030 nm附近的肩峰則可能是聲子參與的帶間躍遷引起的。

圖4 正向注入時器件的發(fā)射光譜

為了有效分析器件TS1和TS2中p+/n-well結(jié)的發(fā)光性能，應(yīng)將兩種結(jié)構(gòu)在相同正向注入電流密度下的發(fā)光強度和發(fā)光效率進行對比。定義正向注入電流密度為正向注入電流與p+區(qū)電極面積之比。由于器件TS1和TS2的p+區(qū)電極面積均為144 μm2，因此以注入電流和以注入電流密度為基準(zhǔn)是等價的。本文采用相同正向注入電流下TS1和TS2的發(fā)光強度和發(fā)光效率的對比進行分析。

器件TS1和TS2的發(fā)光功率與注入電流的關(guān)系曲線如圖5所示。當(dāng)注入電流較小時，兩種器件的發(fā)光功率均隨注入電流的增加而近似線性增長。當(dāng)注入電流超過100 mA后，光功率與注入電流的關(guān)系偏離線性。當(dāng)注入電流為200 mA時，器件TS1和TS2的發(fā)光功率分別為900 nW和1 200 nW，且未達到飽和。當(dāng)發(fā)光功率從100 nW增加到1 000 nW時，器件TS1的正偏電壓增量約為1.1 V，而TS2的僅為0.7 V。由此可見，器件TS2不僅工作電壓低，而且具有更高的轉(zhuǎn)換效率。

圖5 不同器件結(jié)構(gòu)的光功率特性

為了更準(zhǔn)確地描述器件的發(fā)光性能，本文采用功率轉(zhuǎn)換效率ηp表征器件的發(fā)光效率。其中，ηp定義為輸出光功率與輸入電功率之比。圖6所示為功率轉(zhuǎn)換效率ηp與注入電流的關(guān)系曲線。由圖可見，兩種器件的轉(zhuǎn)換效率具有相同的變化趨勢。器件TS1在100 mA以下的功率轉(zhuǎn)換效率約為3×10-6，隨著注入電流的進一步增大，轉(zhuǎn)換效率單調(diào)下降。器件TS2的效率轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在50 mA附近，最大轉(zhuǎn)換效率達5.8×10-6，高于目前報道的功率轉(zhuǎn)換效率[9,11-12]。超過轉(zhuǎn)折電流后的效率下降可能與結(jié)溫有關(guān)。大注入電流引入更多的熱耗散，從而使結(jié)溫升高，發(fā)光效率降低，這與溫度對發(fā)光效率的影響是一致的[13]。

參考B+注入型Si-LED的發(fā)光機理[14-15]，我們認(rèn)為紅外發(fā)光區(qū)在p+/n-well結(jié)區(qū)附近。由于器件TS2設(shè)計為八瓣結(jié)構(gòu)，其發(fā)光區(qū)域約為TS1器件的1.6倍，若假設(shè)單位長度的發(fā)光功率相同，則TS2的發(fā)光功率必定高于TS1。由于器件TS2采用45°楔形尖端，比TS1具有更大的曲率變化，表面電荷密度隨表面曲率的增大而增大，導(dǎo)致電場強度增強[12]，因而更有利于提高發(fā)光強度。結(jié)合圖6，可以看到在40～50 mA電流區(qū)域，器件TS1和TS2發(fā)光效率相差1.9倍左右，而200 mA電流時的發(fā)光效率比約為1.5，這說明兩種結(jié)構(gòu)發(fā)光性能的差異并不是由發(fā)光面積決定的。另外，文獻[9]采用大面積的環(huán)形正向注入，但其發(fā)光功率和轉(zhuǎn)換效率不及本文結(jié)果。因此，我們更傾向于是楔形尖端提高了轉(zhuǎn)換效率，具體原因仍在進一步研究中。

圖6 功率轉(zhuǎn)換效率曲線

Fig.6 Power transfer efficiencyvs. current for TS1 and TS2

為了比較本文設(shè)計器件的性能，我們總結(jié)了近年來基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備的正向注入型Si-LED的實驗結(jié)果，如表1所示。由表可見，本文研制的八瓣楔形Si-LED (TS2)在工作電壓、功率轉(zhuǎn)換效率ηp及外量子效率ηexe等方面均具有良好的性能。

表1 正向注入型Si-LED的性能比較

* Numbers approximated from plots and/or adjusted by given area.

4 結(jié) 論

基于UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工藝，成功制備出四瓣結(jié)構(gòu)和八瓣結(jié)構(gòu)的Si-LED。測試結(jié)果表明，兩種器件均可在2 V以下正常工作，其發(fā)射光譜位于近紅外波段，峰值波長在1 130 nm附近。在相同的測試條件下，八瓣結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管(TS2)具有更高的發(fā)光功率和功率轉(zhuǎn)換效率，最大轉(zhuǎn)換效率達5.8×10-6，明顯優(yōu)于四瓣結(jié)構(gòu)器件(TS1)及目前報道的實驗結(jié)果。由于本文設(shè)計的器件TS2可在1.8 V或更低的電壓下工作，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路的電源電壓兼容，且發(fā)光效率更高，所以有望在光互連領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

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Effect of Wedged Petaloid Configuration on Luminescence Characteristics of Si-LED Fabricated in Standard CMOS Process

CUI Meng, XIE Sheng*, MAO Lu-hong, GUO Wei-lian, ZHANG Shi-lin, WU Lei, XIE Rong

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Based on p+source/drain region and n-well of standard CMOS technology, two forward-injection-type Si-LEDs with different petaloid configuration were designed and fabricated by UMC 0.18 μm 1P6M CMOS process. The measurement results indicate that the emission spectra of both Si-LEDs locate at near-IR region with peak wavelength around 1 130 nm, and the devices can operate properly below 2 V. When the device TS2 with eight-petal configuration is forward-biased at 200 mA, its optical power increases to 1 200 nW without saturation, and the maximum power conversion efficiency reaches up to 5.8×10-6at the current of 40 mA, which is almost double that of the device TS1 with four-petal. Due to the features of low operating voltage and high conversion efficiency, the device TS2 is highly attractive for future optoelectronic applications.

Si-based light emitting diode； forward-injection； wedge configuration; standard CMOS technology

崔猛(1988-)，男，河北唐山人，碩士研究生，2012年于河北工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事硅基發(fā)光器件和集成電路方面的研究。

E-mail: cuimeng0211@126.com

謝生(1978-)，男，河北赤城人，副教授，2006年于廈門大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體器件與集成電路設(shè)計方面的研究。

E-mail： xie_sheng06@tju.edu.cn

*CorrespondingAuthor，E-mail:xie_sheng06@tju.edu.cn

1000-7032(2015)05-0552-05

2015-02-11；

2015-03-24

國家自然科學(xué)基金(61036002,61474081)資助項目

TN383

A

10.3788/fgxb20153605.0552