标准CMOS工艺U型Si LED器件发光分析.doc

标准CMOS工艺U型Si LED器件发光分析2009年5月26日 14:07 半导体技术杨广华1,2，毛陆虹2，王伟1，黄春红1，郭维廉21 天津工业大学信息与通信工程学院，天津；2 天津大学电子信息工程学院，天津）摘要：描述了用于制备Si LED发光器件的Si材料的一些特性和Si发光器件的发光原理，分析了影响Si发光器件发光性能的主要因素。介绍了采用新加坡Charter公司的0.35m标准CMOS工艺最新设计和制备的U型Si LED发光器件，设计和制备此型器件主要目的是尽可能大的提高侧面发光效率。在对器件进行了电学和光学特性的测量后，得到了Si LED发光及实际版图的显微图形以及器件的正反向I-V特性和发光光谱。器件在室温下反向偏置，50mA电流下所得辐射亮度值为14.43nW，发光峰值在772nm处。关键词：硅发光二极管；CMOS标准工艺；侧面发光；辐射亮度；发光峰值Emitting Analysis of U Type Si LED Based onStandard CMOS TechnologyYang Guanghua 1,2, Mao Luhong 2，Wang Wei 1，Huang Chunhong 1，Guo Weilian21.Information & Communication Inst.，Tianjin Polytechnic University, Tianjin300161,China；2.Electronic & Information School, Tianjin University , Tianjin 300072,China Abstract：The characteristics and emitting principle of Si materials and devices for fabricating Si LED were described ，the factors which affect Si LED emitting were analyzed AU type Si LED was designed and manufactured with Charter 0.35m standard CMOS technology in Singapore to improve the efficiency of Si LED side emitting . After the LED was tested ，the micrographs of Si LED emitting and layout were obtained，and the IV characteristic and spectra of Si LED were presented . At room temperature, the Si LED is reverse biased. Its radiant intensity is 14.43 n W at 50mA and the emitting peak value is located at 772 nm.Key words：Si LED；standard CMOS technology；side emitting；radiant intensity；emitting peak value 0引言Si材料及其器件成本低，又有发展成熟的ULSI制备技术，因而Si基光电集成电路(OEIC)成为当今研究的热点。Si片上能进行光发射和光接收的OEIC，即Si上光互连可以使时钟信号以光速在芯片上传输，解决了时钟与数据线间的电磁干扰，并可提高传输速度解决时钟歪斜等问题。全Si光互连将会在大规模系统芯片中有用武之地。Si上光互连的研究主要有Si基光发射器件、光调制器以及驱动电路；Si基光电集成接收器件；Si基光波导。由于Si材料为间接带隙，制备成发光器件较为困难，因而成为瓶颈。本文介绍了使用标准Si CMOS工艺所制备的Si基发光器件的发光机理和限制Si LED发光的一些问题，之后提出了最新设计和制备的准备应用于OEIC的U型Si LED器件，展示了器件的电学和光学特性，并对器件的测试结果进行了相应的分析。1 Si发光器件的发光机理1.1 制备发光器件的si材料局限性早在1955年人们就已发现Si PN结在反向雪崩击穿状态下可以发出可见光4，但在制备各种激光器的半导体材料中，Si材料是不在考虑之中的。原因是晶体Si是一种间接带隙的半导体材料，其带间辐射复合效率较低，其能带如图 所示。图1 Si 能带图 Fig 1 Si energy drawingSi中的辐射复合可能性很低，这意味着电子空穴对的辐射寿命长，量级为毫秒级。Si中的电子空穴对实际上等待辐射复合的发生，电子和空穴均在周围旋转，如果遇到陷阱中心或缺陷，就会发生非辐射复合，通常为纳秒级。材料的发光能力通常根据内量子效率inp来评定，在Si 中电子级内量子效率是10-6 。1.2 Si 发光器件的雪崩发光机理Si LED的雪崩击穿发光主要利用PN反向偏置时发生雪崩击穿。所考虑的几种可能发光机制为：（1）带间的间接跃迁：即导带与价带间包含声子的跃迁；（2）导带内的韧制辐射：即制动辐射，是导带中高能量的电子受到电离受主负电荷产生的电场作用作减速运动时将多余的能量变为光子能量的一种辐射；（3）带间的直接跃迁：在近于热平衡或平衡态时导带中的电子都位于导带底附近，而Si导带底在 图中位于点，故通常发生间接跃迁有声子发生。但由雪崩产生的高能量热电子能量位于导带中很高能量处，其能量与点的导带极小值（约比点价带顶处的能量高约3.4eV）相近的电子便不受动量守恒间接跃迁的限制，故对导带中高能量的电子而言直接跃迁仍有很大的概率。N.Akil等人6精确测量了Si发光器件发生雪崩击穿时的光谱分布，根据 结雪崩击穿能量范围中几种发光机制形成的发光强度与测量的数据进行比较，从其吻合程度判断出发光机制的性质。这里综合了带间的间接跃迁、导带内轫致辐射和带间直接