楔形瓣狀結構對正向注入型Si-LED發光特性的影響

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/漏區和n阱，設計了兩種楔形瓣狀結構的正向注入型硅基發光二極管(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時的發光功率可達1 200 nW，且未出現飽和，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、轉換效率高等優點，有望在光互連領域得到應用。

硅基發光二極管； 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的載體，在同一芯片上集成電路和光路的光互連系統成為研究熱點[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工藝的硅基發光器件多采用反向擊穿發光機制。Snyman等[4]最早采用MOS器件的源/漏接觸區，設計了pn+結發光二極管(LED)，并利用注入少子在耗盡區內的齊納擊穿發射光子。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/漏區在n阱內制備出鋸齒結構的Si-LED陣列。然而，這些發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的發光功率僅為數納瓦，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光的Si-LED器件，將發光功率提高到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，將發光功率提高到微瓦量級。為了研究楔形結構對器件發光特性的影響，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/漏區和n阱，構建了如圖1(a)所示的p+/n-well發光二極管。當正向注入載流子到達結區附近時，通過聲子輔助或雜質能級輔助輻射復合發光。為了比較瓣狀結構對發光性能的影響，我們設計了四瓣和八瓣兩種結構的發光器件，且兩種器件的阱區面積均為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+摻雜區與n阱形成p+n結發光二極管，而上下對稱的n+摻雜區作為n阱接觸，p+區和n+區的間距為4 μm，楔形尖端的夾角為90°。

為了增大發光區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的發光區面積近似增大了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，有利于提高發光功率和光電轉換效率。

圖1 (a) p+/n-well發光二極管的結構示意圖；(b) 傳統楔形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+區和n+區電連接在一起，形成發光器件的正、負電極。為了降低上層金屬對發射光子的吸收和反射，發光區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，正向導通電壓約為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的發射光譜利用Horiba LabRAM HR800微區PL譜測試系統測量，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射光譜。與反向擊穿發射可見光不同[4-8]，正向注入型Si-LED的發光波長位于近紅外波段，且發射譜較寬，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的發光譜完全一致[9-12]。與1 130 nm發光峰相對應的光子能量(E=1.1 eV)略小于Si的帶隙能，其發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射光譜

為了有效分析器件TS1和TS2中p+/n-well結的發光性能，應將兩種結構在相同正向注入電流密度下的發光強度和發光效率進行對比。定義正向注入電流密度為正向注入電流與p+區電極面積之比。由于器件TS1和TS2的p+區電極面積均為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的發光強度和發光效率的對比進行分析。

器件TS1和TS2的發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的發光功率分別為900 nW和1 200 nW，且未達到飽和。當發光功率從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光性能，本文采用功率轉換效率ηp表征器件的發光效率。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，轉換效率單調下降。器件TS2的效率轉折點出現在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，發光效率降低，這與溫度對發光效率的影響是一致的[13]。

參考B+注入型Si-LED的發光機理[14-15]，我們認為紅外發光區在p+/n-well結區附近。由于器件TS2設計為八瓣結構，其發光區域約為TS1器件的1.6倍，若假設單位長度的發光功率相同，則TS2的發光功率必定高于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光強度。結合圖6，可以看到在40～50 mA電流區域，器件TS1和TS2發光效率相差1.9倍左右，而200 mA電流時的發光效率比約為1.5，這說明兩種結構發光性能的差異并不是由發光面積決定的。另外，文獻[9]采用大面積的環形正向注入，但其發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，八瓣結構的發光二極管(TS2)具有更高的發光功率和功率轉換效率，最大轉換效率達5.8×10-6，明顯優于四瓣結構器件(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，且發光效率更高，所以有望在光互連領域獲得廣泛應用。

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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年于河北工業大學獲得學士學位，主要從事硅基發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