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--> --> -->硅材料是微电子学中使用最为广泛的材料之一, 也是光子集成、单片光电子集成中最具研究意义与研究前景的首选材料[2,3]. 硅基单片光电子互连系统具有传输速率快、抗干扰能力强、与现有的标准微电子工艺兼容等优点, 将成为解决目前高速集成电路信息互连速率与功耗问题的最佳途径. Soref和Bennett[4]提出了最早的硅基电光调制器件, 采用的PIN结构能够减小器件的损耗, 波导结构为单模脊形波导, 器件的掺杂浓度比较高, 器件的工作电流大, 但器件工作速度仅仅达到MHz量级. Snyman等[5]提出了一种与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的Si发光器件结构, 这种Si光源在CMOS集成电路的微光子系统和微光机电系统(MOEMS)中具有潜在的应用前景. 2017年, Xu等[6]使用成熟的标准CMOS工艺制作出硅基发光二极管(Si-LED), 此器件的产量、可靠性、价格与集成在同一芯片的其他Si设备相同, 并且在标准IC技术中可用于GHz频段的传感应用(器件结构见图1).
图 1 (a) Snyman和Bennett[4]提出的器件结构图; (b) Xu等[6]使用CMOS技术制作的Si-LED结构图Figure1. (a) The device structure diagram proposed by Snyman and Bennett[4]; (b) the Si-LED structure diagram produced by Xu et al[6], using CMOS technology
为了满足硅基光电集成的需要, 硅基光源必须与标准CMOS工艺兼容, 并且要有低的工作电压和高的发光效率, 器件性能也应足够稳定. 最近, 研究者都在努力提高硅基光发射的效率, 例如使用多孔纳米硅结构, 制作与硅衬底兼容的Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器[11]和稀土离子掺杂材料[12]的发光器件(见图2). 虽然各个方向的研究均取得了良好的成果, 但也存在着一些问题.
图 2 利用Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器制作的两种光电互连结构的集成芯片Figure2. Integrated chip of two photoelectric interconnection structures made by a Ⅲ - Ⅴ hybrid integrated laser.
对硅光发射的研究是从多孔硅开始的. 1990年, Canham[13]发现了多孔硅在室温下强烈的光致发光. 然而, 由于多孔硅发光不稳定、力学性能差以及与主流硅集成电路技术的不兼容性, 研究人员转向了氧化硅纳米晶[14]. 2000年, Pavesi等[15]对纳米硅的光学增益进行了报道, 这被视为硅激光器领域的一个重大突破. 自在硅衬底上成功生长了高质量锗[16]以来, 硅锗激光器已在近10年的时间里获得了丰硕的成果. 通过引入拉伸应变和高浓度掺杂, 可以控制锗的能带结构, 增强直接带隙的光发射. 2012年, 麻省理工学院的研究人员报道了室温下通过光电泵浦实现的硅锗激光器[17]. 此外, Ge量子点和应变补偿Ge/SiGe多量子阱的研究也取得了很大进展[18].
但体硅器件、Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器和稀土离子掺杂等硅基光源都仍存在着与硅片晶格失配、与标准CMOS工艺不兼容或成本过高的问题. 硅光源是利用硅PN结耗尽区雪崩倍增现象实现电致发光的光源. 这种光源结构简单, 制作过程与现有的集成电路技术兼容, 避免了更换生产线, 减少了生产光电集成电路的成本, 是做全硅光电集成电路最好的选择. 目前, 这种硅光源主要有三种结构: 单PN结硅光源、双极结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT)结构硅光源和MOS结构硅光源[19—21](三种结构硅光源如图3).
图 3 (a)单PN结硅光源; (b) BJT结构硅光源; (c) MOS结构硅光源[19–21]Figure3. (a) Single PN junction silicon source; (b) BJT structure silicon source; (c) MOS structure silicon source[19–21].
2012年至今, 我们团队对硅光源进行了深入的研究, 特别是对类MOS结构的研究. 我们研究了用于光密度调制的三端硅-PMOSFET LED, 基于轫致辐射的概念和基本原理, 对三端硅-PMOSFET LED用于光强度调制进行了详细的讨论[26].
硅发光器件的理论功率转换效率由(1)式给出[27]:
在N-MOSFET中, 通过改变负栅电压引起通道表面空穴积累载流子密度的调制来调节光强；而在P- MOSFET中, 栅极电压正向偏置使栅极下方P+源/漏区形成反转层, 从而在“P+源/漏”附近形成一个如图4所示的N++P+连接, 我们称之为场诱导结, 使电流聚集在重叠区域附近. 这种电流聚集实现了光强增强, 加上附加的最大电场相关的热孔注入, 使得三端硅-PMOSFET LED比双端器件具有更高的发光效率.
图 4 PMOSFET Si发光器件在三端门控模式下的电特性[26]Figure4. Simulated electric characteristics of the PMOSFET Si light emitting device in the three-terminal gated mode[26].
除了通过改变绝缘栅电位Vg来调节光强之外, Si-PMOSFET LED的一个关键特性是能够使用现有的CMOS技术制造出与微电子器件集成在一块芯片上的LED(见图5). 因为它的设计灵活性, 低生产成本, 以及与其他组件(如波导和光探测器)的整体集成, 这种MOS发光器件成为了光电集成电路最好的选择之一. 光学互连也可以克服许多传统电气解决方案无法解决的瓶颈. 随后, 我们研究了Si-PMOSFET LED在雪崩光发射模式下的电光调制过程[28].
图 5 三端硅-PMOSFET LED的3D结构图[26]Figure5. 3D structure of three-terminal silicon-PMOSFET LED[26]
在硅栅控制二极管LED中, 速度受金属氧化物半导体(MOS)电容器放电时间的限制, 而不是受自然载流子寿命的限制. MOS电容的高频特性由两个分量(即氧化电容Cox, 与硅耗尽区基板电容串联)决定. 然后给出单位面积上最小的MOS电容[28]:
现在MOS结构发光器件在前期高发光效率硅光源结构研究的基础上, 从MOS电容结构两侧积累电荷量大小入手、以缩短MOS电容的充放电时间为主要目标, 开展外加电场对硅光源电光调制速度提升研究. 提出与标准CMOS工艺兼容的MOS型场致硅基电光调制器件结构, 优化MOS电容结构两侧扩散区载流子浓度的分布, 降低在此区域的光损耗, 使MOS电容充放电过程逐渐向瞬态逼近, 载流子穿越耗尽区的时间在强电场的作用下近一步降低, 从而大大提高了调制效率、提升了调制速度, 有望从根本上解决硅基电光调制受硅材料自身特性限制的瓶颈, 为真正实现多端口可控硅电光调制, 高速响应、集成化发射光源提供有力支撑, 为未来集成光子集成器件发展带来新一轮技术变革.
