楔形瓣狀結構對正向注入型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 電子信息工程學院， 天津 300072)

楔形瓣狀結構對正向注入型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 電子信息工程學院， 天津 300072)

基于標準CMOS工藝的p+源/漏區(qū)和n阱，設計了兩種楔形瓣狀結構的正向注入型硅基發(fā)光二極管(Si-LED)，采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工藝設計制備。測試結果表明，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，與標準CMOS電路兼容。其中，八瓣結構的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時的最大功率轉換效率達5.8×10-6，約為四瓣結構器件(TS1)的2倍。所研制的Si-LED具有工作電壓低、轉換效率高等優(yōu)點，有望在光互連領域得到應用。

硅基發(fā)光二極管； 正向注入； 楔形結構； 標準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、串擾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，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，硅為間接帶隙半導體，其輻射復合發(fā)光效率極低[3]。因此，如何基于標準CMOS工藝，研制低工作電壓、高轉換效率的硅基發(fā)光器件是解決硅基光互連的關鍵因素。

目前，基于標準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)，設計了pn+結發(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，設計出高效的楔形Si-LED[5-6]，將電光轉換效率提高了一個數(shù)量級。楊廣華等[7]利用n阱和p型襯底構建了條形叉指狀的Si-LED。董贊等[8]利用重摻雜的源/漏區(qū)在n阱內(nèi)制備出鋸齒結構的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，難以與標準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。為了研究楔形結構對器件發(fā)光特性的影響，本文利用標準CMOS工藝設計了四瓣(TS1)和八瓣(TS2)兩種結構的Si-LED器件。測試結果表明，楔形八瓣結構(TS2)具有更高的發(fā)光功率和光電轉換效率。

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，構建了如圖1(a)所示的p+/n-well發(fā)光二極管。當正向注入載流子到達結區(qū)附近時，通過聲子輔助或雜質(zhì)能級輔助輻射復合發(fā)光。為了比較瓣狀結構對發(fā)光性能的影響，我們設計了四瓣和八瓣兩種結構的發(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-空穴復合幾率，我們基于Snyman等[6]提出的楔形結構，設計了如圖1(b)所示的四瓣測試結構TS1。其中，左右鏡像對稱的p+摻雜區(qū)與n阱形成p+n結發(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，我們還設計了如圖1(c)所示的八瓣測試結構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)光功率和光電轉換效率。

圖1 (a) p+/n-well發(fā)光二極管的結構示意圖；(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 結果與討論

3.1 電學特性

Si-LED的電學特性采用Keithley 4200-SCS測試。由于器件TS1和TS2的二極管結構相同，所以二者的電學特性也相同。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)坐標表示的器件TS1和TS2的正向電流-電壓關系。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，接收波長設定為光譜響應的峰值波長，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]引入的輻射復合有關。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結的發(fā)光性能，應將兩種結構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系曲線如圖5所示。當注入電流較小時，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。當注入電流超過100 mA后，光功率與注入電流的關系偏離線性。當注入電流為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，而且具有更高的轉換效率。

圖5 不同器件結構的光功率特性

為了更準確地描述器件的發(fā)光性能，本文采用功率轉換效率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所示為功率轉換效率ηp與注入電流的關系曲線。由圖可見，兩種器件的轉換效率具有相同的變化趨勢。器件TS1在100 mA以下的功率轉換效率約為3×10-6，隨著注入電流的進一步增大，轉換效率單調(diào)下降。器件TS2的效率轉折點出現(xiàn)在50 mA附近，最大轉換效率達5.8×10-6，高于目前報道的功率轉換效率[9,11-12]。超過轉折電流后的效率下降可能與結溫有關。大注入電流引入更多的熱耗散，從而使結溫升高，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]，我們認為紅外發(fā)光區(qū)在p+/n-well結區(qū)附近。由于器件TS2設計為八瓣結構，其發(fā)光區(qū)域約為TS1器件的1.6倍，若假設單位長度的發(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，導致電場強度增強[12]，因而更有利于提高發(fā)光強度。結合圖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，這說明兩種結構發(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)光功率和轉換效率不及本文結果。因此，我們更傾向于是楔形尖端提高了轉換效率，具體原因仍在進一步研究中。

圖6 功率轉換效率曲線

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

為了比較本文設計器件的性能，我們總結了近年來基于標準CMOS工藝制備的正向注入型Si-LED的實驗結果，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 論

基于UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工藝，成功制備出四瓣結構和八瓣結構的Si-LED。測試結果表明，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，八瓣結構的發(fā)光二極管(TS2)具有更高的發(fā)光功率和功率轉換效率，最大轉換效率達5.8×10-6，明顯優(yōu)于四瓣結構器件(TS1)及目前報道的實驗結果。由于本文設計的器件TS2可在1.8 V或更低的電壓下工作，與標準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域獲得廣泛應用。

[1] Rumley S, Nikolova D, Hendry R,etal. Silicon photonics for exascale systems [J].J.LightwaveTechnol., 2015, 33(3):547-562.

[2] Vlasov Y A. Silicon CMOS-integrated nano-photonics for computer and data communications beyond 100 G [J].IEEECommun.Mag., 2012, 50(2):s67-s72.

[3] Chen J D, Zhang T. Fabrication and photoluminescence mechanism of iron-passivated porous silicon [J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學報), 2014, 35(2):184-189 (in Chinese).

[4] Snyman L W, Plessis M, Seevinck E,etal. An efficient low voltage, high frequency silicon CMOS light emitting device and electro-optical interface [J].IEEEElectron.Dev.Lett., 1999, 20(12):614-617.

[5] Snyman L W, Plessis M, Bellotti E. Photonic transitions (1.4-2.8 eV) in silicon p+np+injection-avalanche CMOS LEDs as function of depletion layer profiling and defect engineering [J].IEEEJ.Quant.Electron., 2010, 46(6):906-919.

[6] Snyman L W, Plessis M, Aharoni H. Injection-avalanche-based n+pn silicon complementary metal-oxide-semiconductor light-emitting device (450-750 nm) with 2-order-of-magnitude increase in light emission intensity [J].Jpn.J.Appl.Phys., 2007, 46(4B):2474-2480.

[7] Yang G H, Mao L H, Huang C H,etal. Design and analysis of a forked n-well and p-sub junction Si LED based on standard CMOS technology [J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學報), 2010, 31(1):369-372 (in Chinese).

[8] Dong Z, Wang W, Huang B J,etal. Low threshold voltage light-emitting diode in silicon-based standard CMOS technology [J].Chin.Opt.Lett., 2011, 9(8):082301-1-5.

[9] Lee H C, Lee S C, Lin Y P,etal. Interface-trap-assisted emission in Si complementary metal-oxide-semiconductor light-emitting devices [J].Jpn.J.Appl.Phys., 2005, 44(6A):3867-3871.

[10] Lee H C, Liu C K. Si-based current-density-enhanced light emission and low-operating-voltage light-emitting/receiving designs [J].Solid-StateElectron., 2005, 49(7):1172-1178.

[11] Han L, Zhang S L, Guo W L,etal. Design and fabrication of three-terminal carrier-injection-type Si-LED with standard CMOS technology [J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學報), 2012, 33(4):444-448 (in Chinese).

[12] Xie R, Mao L H, Guo W L,etal. High optical power density forward-biased silicon LEDs in standard CMOS process [J].IEEEPhoton.Technol.Lett., 2015, 27(2):121-124.

[13] Ng W L, Lourenco M A,Gwilliam R M,etal. An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode [J].Nature, 2001, 410(6825):192-194.

[14] Sun J M, Dekorsy T, Skorupa W,etal. Below-band-gap electroluminescence related to doping spikes in boron-implanted silicon pn diodes [J].Phys.Rev. B, 2004, 70(15):1-11.

[15] Sun J M, Helm M, Skorupa W,etal. Highly efficient silicon light emitting diodes produced by doping engineering [J].Front.Optoelectron., 2012, 5(1):7-12.

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)大學獲得學士學位，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年于廈門大學獲得博士學位，主要從事半導體器件與集成電路設計方面的研究。

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

國家自然科學基金(61036002,61474081)資助項目

TN383

A

10.3788/fgxb20153605.0552