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利用载流子注入的多晶硅光源:面向硅基光电集成回路(OEIC)

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liaojh-hgxcl 发表于 2018-12-4 09:34:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
电子科技大学的徐开凯、赵建明、孙宏亮团队与中国电科重庆声光电有限公司 24 所(以下简称中电 24 所),联合南非、巴西组成的研究小组实现了一种高效的多晶硅光源,向发展硅基光集成电路迈出了重要一步。
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随着摩尔定律走向末路,人们将视线转向了硅基光电集成回路(OEIC)。在 OEIC 中,设计者通常利用片上光互联代替传统的电互联,以提高电路的运行速度,同时降低互联线的寄生电阻。目前,OEIC 并不是完美无瑕的,最大的限制因素就是缺乏高效率的硅基光源。传统的 Ⅲ-Ⅴ 族光源虽然有较高的量子效率,但是与现有的集成电路工艺不兼容。在保证光源制造工艺兼容现有集成电路工艺的同时提高硅基光源的量子效率,一直是该领域的热点、难点。

近期,电子科技大学的徐开凯、赵建明、孙宏亮团队与中国电科重庆声光电有限公司 24 所(以下简称中电 24 所),联合南非、巴西组成的研究小组实现了一种高效的多晶硅光源,利用载流子注入技术获得了相对提升的硅发光强度。该研究成果发表在 Elsevier 旗下的Materials Science & Engineering: B(MSEB)上(论文地址),短短半年就成为 MSEB 下载量最高(Most Downloaded)的 25 篇论文之一,也是这 25 篇中最新入选的论文。
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这种多晶硅光源利用反向偏置 PN 结中的雪崩倍增现象实现发光,具有易集成、与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的优点。该光源具有很强的电流依赖性,在一定电流范围内,光强与流过器件的电流成线性关系;在电流的驱动下,这种多晶硅光源呈现出一个非常宽的光谱范围(400nm~900nm),覆盖可见光到红外光区域。

由于硅是一种具有间接带隙结构的半导体材料,采用该材料实现的光源并不理想。传统的硅光源均采用单晶硅实现发光。该工作打破常规,引入多晶硅全面替代单晶硅材料,同时利用载流子注入技术,提高参与雪崩倍增过程的载流子数目,实现了一种相对高效的硅基光源。一经发表就被 Elsevier 官方推特账号推送。
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多晶硅光源是组成片上光互联结构的最佳选择之一,在未来的 OEIC 中有极大的应用潜力。关于多晶硅发光的 MSEB 论文中提出的 2 个反偏 PN 结 2 个正偏 PN 结新型器件结构所具有的特殊优点,荷兰皇家艺术与科学学院院士、IEEE Fellow,ISSCC 2002 and 2009 Van Vessem Outstanding Paper Award  获得者、IEEE Solid-State Circuits Society 主席(2018-2019)、IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS主编(2007-2010)、高速 CMOS 集成电路设计领域的知名学者,荷兰特文特大学的 Bram Nauta 在其最新发表的 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 65, NO. 11, pp. 4883-4890, 2018 论文中迅速以文献 29 给予正面评价。

值得一提的是,这并不是徐开凯教授与“Most Downloaded”的初次相遇。徐开凯教授与中电 24 所多年来保持密切合作,深入研究硅基栅控光源。他们设计了一种 MOS-like 栅控光源,利用栅极在 PN 结耗尽区中引入外加电场,调控耗尽区中的载流子分布与电场分布,从而扩大发生雪崩击穿的区域,从点击穿扩大为面击穿,进而提高光源的量子效率。该研究成果 2016 年 1 月发表在国际光学工程学会(SPIE)旗下的 Journal of Nanophotonics 上(论文地址),2018 年 4 月入选下载量最高(Most Downloaded)的 10 篇论文之一,更是这 10 篇当中的 5 篇非 Open-Access论文之一。
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这种硅基栅控光源的结构类似于一个 P-MOS,但是使用方法完全不同。该器件衬底接高电平,源区与漏区短接并一起接地,给栅极施加高电平调控器件的光强。连接高电位的栅极会在源区和漏区中形成一种“场诱导结”,这种“场诱导结”与 PN 结的耗尽区非常相似并且内部的电场分布非常密集,发生雪崩击穿的概率极高。器件正常工作时,光子从“场诱导结”中释放,栅极电位的高低会影响器件发光的量子效率。该器件同样具有与 CMOS 工艺兼容的优势,是面向 OEIC 迈出的重要一步。
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与现有集成电路工艺兼容的高效硅基光电器件是 OEIC 中的明珠。OEIC 如何从实验室走向大规模生产,这支由我国、南非、巴西组成的研究小组正在做更深入的探索。














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