Effect of Light Window on MOS-like Silicon LED Electro-optic Properties

发光窗口对MOS结构硅LED电光性能的影响 Effect of Light Window on MOS-like Silicon LED Electro-optic Properties 1 first-author 吴克军(1986-), 男, 四川剑阁人, 博士, 博士后, 2017年于电子科技大学获得博士学位, 主要从事大规模集成电路、光电集成系统、硅基光源器件等方面的研究。E-mail:kjwu@uestc.edu.cn 吴克军 (1986-), 男, 四川剑阁人, 博士, 博士后, 2017年于电子科技大学获得博士学位, 主要从事大规模集成电路、光电集成系统、硅基光源器件等方面的研究。E-mail: kjwu@uestc.edu.cn kjwu@uestc.edu.cn 2 1 1 1 1 1 corresp XU Kai-kai, E-mail:kaikaix@uestc.edu.cn XU Kai-kai, E-mail:kaikaix@uestc.edu.cn 徐开凯(1984-), 男, 重庆人, 博士, 教授, 2014年于加州大学欧文分校获得博士学位, 主要从事半导体光电器件与集成技术的研究。E-mail:kaikaix@uestc.edu.cn 徐开凯 (1984-), 男, 重庆人, 博士, 教授, 2014年于加州大学欧文分校获得博士学位, 主要从事半导体光电器件与集成技术的研究。E-mail: kaikaix@uestc.edu.cn kaikaix@uestc.edu.cn 电子科技大学 电子科学与工程学院, 四川 成都 610054 电子科技大学 电子科学与工程学院, 四川 成都 610054 School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China 中国电科第二十四研究所 模拟集成电路重点实验室, 重庆 400060 中国电科第二十四研究所 模拟集成电路重点实验室, 重庆 400060 Key Laboratory of Analog Integrated Circuit, The 24 th Research Institute of CETC, Chongqing 400060, China Key Laboratory of Analog Integrated Circuit, The 24 th Research Institute of CETC, Chongqing 400060, China 通过0.18 μm标准CMOS工艺设计并制备了一种MOS结构的硅基发光器件。该光源器件在一个n阱中设计了两个相同的PMOS，分别利用p + 源/漏区与n阱形成的p + n结进行反偏雪崩击穿而发射可见光。测试结果显示，该光源器件在正偏状态下的开启电压为0.8 V，在6 V的反偏电压下发生雪崩击穿，能够发出黄色的可见光，发光频谱范围为420~780 nm。本文对比了0.5 μm和2 μm两个不同发光窗口宽度的测试结果，发现该光源器件在更小发光窗口具有更高的发光强度和更好的发光均匀度，该特征与发光器件的反向电流密度分布和光在金属电极间的反射有关。研究成果在片上硅基光电集成回路中具有一定的应用价值。 In this paper, a MOS-like silicon light-emitting device is designed and fabricated under 0.18 μm standard CMOS technology. The device consists of two identical PMOS in the same n-well, and uses the p + n junctions formed between p + source/drain region and n-well for avalanche breakdown to emit visible light. The measurement results indicate that the device has a turn-on voltage of 0.8 V at forward bias, and avalanche breakdown at reverse bias voltage of 6 V, which can emit yellow visible light with spectrum of 420-780 nm. By comparing the measurement results of two MOS-like silicon LEDs with different light window widths of 0.5 μm and 2 μm, it is found that the silicon LED with smaller light window has higher luminescent intensity and better uniformity, which is related to the distribution of reverse current density and the light reflection between metal electrodes. The research of this paper has attractive application in silicon-based optoelectronic integrated circuits on chip. 硅基发光器件 CMOS工艺 发光窗口 silicon light-emitting device CMOS process light window 引言 1 自集成电路被发明以来，基于硅材料的微电子工业遵循摩尔定律，不断向更小的晶体管尺寸和更高的集成度发展，如今已逐渐逼近其物理极限，由金属互联引起的信号延迟、串扰和功率耗散等问题也逐渐变得突出，甚至已经成为限制高速集成电路发展的瓶颈 [ 1 1 - 3 3 1-3 ] 。以光子作为信息载体，将光子器件与电子器件集成在同一硅衬底上制成的硅基光电集成芯片(OEIC)成为解决这一难题的最佳选择。 目前利用CMOS技术实现硅基光电集成系统的尝试主要集中在1 550 nm的红外波段。这主要有两部分原因：一是针对该波段的红外光波导易于设计和制造；二是缺少400~900 nm的合适光源 [ 4 4 ] 。对于1 550 nm红外光波段的硅基光电子芯片，通常需要将具有直接带隙的Ⅲ-Ⅴ化合物等半导体材料淀积在硅表面制作光源器件，然而由于这些材料与硅衬底之间存在晶格失配，使得光源和光探测器等器件与硅衬底的集成面临工艺方面的诸多困难 [ 5 5 ] 。基于雪崩击穿的硅光源可以发射400~900 nm的可见光，同时非常易于和氧化硅波导、硅光电二极管等组件集成在同一硅衬底上，从而在无需修改标准CMOS工艺的条件下实现全硅单片光电集成系统 [ 6 6 - 7 7 6-7 ] 。因此，自1955年pn结反向击穿发光的现象被首次发现以来 [ 8 8 ] ，基于标准CMOS工艺的雪崩硅光源研发便吸引了大量关注。Snyman等最早提出并利用标准CMOS工艺成功制作了雪崩硅LED，并测得其单位面积发光功率约为7.1 μW/cm 2 ，但其工作电压较高，并且寿命较短 [ 9 9 ] 。随后Dong等采用CMOS技术设计并制造了环形p + n结级联结构的硅LED并组成阵列 [ 10 10 ] ，尽管在一定程度上提高了光发射效率，但是依旧存在工作电压过高以及驱动电流过大的问题，难以与CMOS电路共电源使用。 本文利用PMOS结构中p + 源/漏区与n型阱形成的p + n结，设计并制备了一款与标准CMOS工艺完全兼容的雪崩硅发光器件，重点探究了发光窗口设计对于器件电学和光学性能的影响。 器件设计与制备 1 所设计的MOS结构硅发光器件基本结构如 图 1 图 1 所示，整个发光器件制作在p型衬底的n型阱中，内部包含两个并排对称放置且结构完全相同的PMOS单元，PMOS单元的栅长为3 μm，栅宽为25 μm。适当增大了源/漏有源区面积，在源/漏有源区上方覆盖金属并向上引出阳极，金属电极与侧墙之间留有发光窗口。在PMOS单元左右两边1 μm的位置均进行了n + 掺杂作为n型阱接触，上方覆盖金属并向下引出阴极。在靠近n型阱外侧1.5 μm的p型衬底上进行了p + 离子注入形成保护环，以避免与周围其他器件形成闩锁效应，同时避免p型衬底和n型阱之间形成的pn结优先击穿。另外，为了进一步提升硅LED的外量子效率，在版图设计时使用SAB(Salicide Block)覆盖了栅极两侧的发光窗口，用于阻止发光区域表面形成不透明的金属硅化物。 为了方便对比分析发光窗口对器件电光性能的影响，基于0.18 μm标准CMOS工艺, 设计和制备了两个窗口宽度分别为2 μm和0.5 μm的MOS结构硅发光器件，器件实际显微照片如 图 2(a) 图 2(a) 和 图 2(b) 图 2(b) 所示。两个硅发光器件均采用了 图 1 图 1 所示的器件结构，除发光窗口宽度不同之外，其他设计参数完全相同。 结果与讨论 1 电学特性 2 使用Agilent 16442A半导体特性分析系统分别对两个不同发光窗口宽度的光源器件进行了 I-V 特性测试，测试结果如 图 3 图 3 所示。两个不同发光窗口宽度的光源器件具有相似的 I-V 特性。由于是硅材料，因此器件的正向开启电压约为0.8 V，导通电流在器件开启后急剧上升并达到限流值(15 mA)。当反偏电压大于-5.8 V时，两款器件均保持截止状态。当反偏电压小于-5.8 V时，发光窗口宽度为0.5 μm的光源器件首先发生击穿；继续增大反偏电压达到-6 V时，发光窗口宽度为2 μm的光源器件也发生击穿，反向电流急剧增大。 发光特性 2 通过OLYMPUS DP72显微镜观察两个不同发光窗口宽度的光源器件在反向击穿条件下的发光情况，结果如 图 4 图 4 所示。可以看出，在相同5 mA驱动电流下，0.5 μm发光窗口宽度的硅LED明显比2 μm发光窗口宽度的硅LED发光强度更高，并且发光面更加均匀。 本文设计的光源器件通过Ocean Optical USB2000+微型光谱仪进行发射光谱测试，测试结果如 图 5 图 5 所示。 该器件可以发出的光谱范围为420~780 nm的连续可见光区域，其中在波长为580 nm和650 nm处出现峰值，该波长对应的是橙黄色的光，这与我们在 图 4 图 4 中直接用肉眼观察到的颜色一致。另外，该发射光谱与文献[ 11 11 ]中兼容CMOS工艺的硅光电二极管光谱响应曲线有较大重叠。 结果分析 2 通过比对两个不同发光窗口宽度的MOS结构发光器件的电学和光学测量结果，可以发现以下现象： (1) 两个器件的正向 I-V 特性几乎完全相同，正向开启电压均为0.8 V；反向击穿电压略有差别，0.5 μm发光窗口宽度的发光器件反向击穿电压相比2 μm宽度的发光器件低0.2 V左右； (2) 两个器件的发光区域均位于靠近多晶硅栅的两侧，并且形状为带有光斑的明亮线条； (3) 发光窗口较小的硅发光器件亮度更高，且均匀性更好。 两个硅发光器件的正向 I-V 特性基本相同，这主要是因为两款器件的基本结构类似，均使用了PMOS中p + 源/漏区与n型阱形成的p + n结作为击穿发光点。根据半导体物理中pn结的工作原理可知，影响pn结正向开启电压的主要因素是材料特性，同时由于这两款器件采用了相同的工艺，所以其正向导通特性基本完全相同。但是影响pn结反向击穿特性的因素较多，不仅与材料特性有关，而且与pn结的掺杂浓度、金属电极的位置和环境温度等均有着强烈的依赖关系。实际上，PMOS中p + 源/漏区与n型阱形成的二极管可以分为表面处的横向二极管和深处的纵向二极管两部分，由于在实际生产过程中，在对PMOS的源/漏区进行p + 离子注入时，位于硅表面处的杂质浓度要稍微高于硅体内的杂质浓度，所以横向二极管耗尽区宽度实际要小于纵向二极管，同时反向击穿电压也要更低。发光窗口的宽度越窄，意味着金属电极距离横向二极管的耗尽区越近，从而在较低的反向偏置电压下便会在横向二极管处首先发生击穿。因此相比2 μm发光窗口的MOS结构硅发光器件，窗口宽度为0.5 μm的发光器件反向击穿电压要略微偏小。 另外，由于在栅氧与硅接触的界面存在有大量的界面态，它们可以在很短的时间内与n阱交换电荷，因此在靠近多晶硅栅两侧的p + n结将会更加容易发生击穿。一旦发生击穿后，电流将会自动寻找并选择结面处电阻最小的通路(如缺陷)集中通过，所以就出现了我们看到的带有斑点的线条状发光图形。 对于现象(3)，我们认为主要是由于电流密度分布和金属反射共同作用的结果。首先，SiO 2 /Si界面态对于p + n结发光有实际的促进作用，并且由于发光窗口为0.5 μm的硅LED金属电极距离p + n结耗尽区更近，因此将其反向电流限制在靠近多晶硅栅的硅表面，提高了此处的电流密度，所以电子复合辐射发光的几率更大。其次，p + n结发射的可见光碰到光滑的金属电极表面会发生反射，而更小的发光窗口更容易将硅LED发出的微弱光汇聚并向上反射，因此与2 μm发光窗口宽度的硅LED相比，0.5 μm发光窗口宽度的硅LED亮度更高并且均匀性更好。 结论 1 本文采用0.18 μm标准CMOS工艺设计了两个类似的MOS结构硅发光器件，均采用PMOS中p + 源/漏区与n型阱形成的p + n结作为反向击穿发光点，并在栅极两侧的发光区域设计了发光窗口，不同之处在于发光窗口的宽度不同。测试结果表明，两个硅发光器件在反偏电压达到6 V时均进入雪崩击穿状态发出黄色可见光，但是更小发光窗口的硅LED器件表现出了更高的发光强度和更加均匀的发光面。主要原因在于小发光窗口的硅LED的金属电极距离p + n结耗尽区更近，从而将反向导通电流限制在硅的表面，减少了硅材料自身对于可见光的吸收，在一定程度上提高了器件的发光强度, 此外更窄的金属电极间距对p + n结发出的微弱光也起到了更好的汇聚作用。所设计的MOS结构硅发光器件因与CMOS工艺完全兼容，在未来全硅单片光电集成芯片(OEIC)领域具有一定的应用空间。 参考文献 CHEN H D, ZHANG Z, HUANG B J, et al .. 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