金屬-氧化物-半導(dǎo)體硅發(fā)光器件在集成電路中的應(yīng)用前景*

張寧 徐開(kāi)凱? 陳彥旭 朱坤峰 趙建明 于奇

1)(電子科技大學(xué),電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610054)

2)(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司,模擬集成電路國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400060)

1 引 言

隨著硅基微電子技術(shù)的成熟,人們步入了由電子革命主導(dǎo)的信息時(shí)代.硅工業(yè)的發(fā)展遵循著著名的摩爾定律,該定律指出集成電路芯片中晶體管的數(shù)量每18個(gè)月翻一番.然而在過(guò)去的十年里,摩爾定律有了衰落的跡象[1].隨著芯片集成度極限的逐漸逼近,傳統(tǒng)的金屬互連因?yàn)槠洳牧瞎逃刑匦砸鸬幕ミB延遲也越來(lái)越不可忽視,人們急需要一種新的結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題.從大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展來(lái)看,基于光子元器件和光子集成技術(shù)的光通信經(jīng)歷了從國(guó)家級(jí)骨干網(wǎng)、光纖到戶、設(shè)備間和板級(jí)光纖互連直至模塊級(jí)光互連的長(zhǎng)期演進(jìn)之路.隨著超高速、超寬帶、低功耗等通信發(fā)展要求的不斷提升,光電融合一體化信息網(wǎng)絡(luò)成為重大的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),核心技術(shù)的發(fā)展開(kāi)始聚焦于芯片級(jí)的光電集成,這也為集成電路片上互連指明了新的途徑.

硅材料是微電子學(xué)中使用最為廣泛的材料之一,也是光子集成、單片光電子集成中最具研究意義與研究前景的首選材料[2,3].硅基單片光電子互連系統(tǒng)具有傳輸速率快、抗干擾能力強(qiáng)、與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)微電子工藝兼容等優(yōu)點(diǎn),將成為解決目前高速集成電路信息互連速率與功耗問(wèn)題的最佳途徑.Soref和Bennett[4]提出了最早的硅基電光調(diào)制器件,采用的PIN結(jié)構(gòu)能夠減小器件的損耗,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為單模脊形波導(dǎo),器件的摻雜濃度比較高,器件的工作電流大,但器件工作速度僅僅達(dá)到MHz量級(jí).Snyman等[5]提出了一種與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容的Si發(fā)光器件結(jié)構(gòu),這種Si光源在CMOS集成電路的微光子系統(tǒng)和微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)中具有潛在的應(yīng)用前景.2017年,Xu等[6]使用成熟的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作出硅基發(fā)光二極管(Si-LED),此器件的產(chǎn)量、可靠性、價(jià)格與集成在同一芯片的其他Si設(shè)備相同,并且在標(biāo)準(zhǔn)IC技術(shù)中可用于GHz頻段的傳感應(yīng)用(器件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1).

圖1 (a)Snyman和Bennett[4]提出的器件結(jié)構(gòu)圖;(b)Xu等[6]使用CMOS技術(shù)制作的Si-LED結(jié)構(gòu)圖Fig.1.(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.

2 硅基光電集成

硅基光電集成最早是由Soref和Bennett[4]在1985年提出的,并建議使用硅作為光學(xué)器件的材料.在過(guò)去的30年里,研究者已經(jīng)在硅基光波導(dǎo)、光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器和探測(cè)器[7-10]等方面取得了一系列振奮人心的突破.但是由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體,光子發(fā)射中有聲子參與,發(fā)光效率較低,硅光源的相關(guān)研究仍存在很多問(wèn)題需要解決.

為了滿足硅基光電集成的需要,硅基光源必須與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容,并且要有低的工作電壓和高的發(fā)光效率,器件性能也應(yīng)足夠穩(wěn)定.最近,研究者都在努力提高硅基光發(fā)射的效率,例如使用多孔納米硅結(jié)構(gòu),制作與硅襯底兼容的Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器[11]和稀土離子摻雜材料[12]的發(fā)光器件(見(jiàn)圖2).雖然各個(gè)方向的研究均取得了良好的成果,但也存在著一些問(wèn)題.

對(duì)硅光發(fā)射的研究是從多孔硅開(kāi)始的.1990年,Canham[13]發(fā)現(xiàn)了多孔硅在室溫下強(qiáng)烈的光致發(fā)光.然而,由于多孔硅發(fā)光不穩(wěn)定、力學(xué)性能差以及與主流硅集成電路技術(shù)的不兼容性,研究人員轉(zhuǎn)向了氧化硅納米晶[14].2000年,Pavesi等[15]對(duì)納米硅的光學(xué)增益進(jìn)行了報(bào)道,這被視為硅激光器領(lǐng)域的一個(gè)重大突破.自在硅襯底上成功生長(zhǎng)了高質(zhì)量鍺[16]以來(lái),硅鍺激光器已在近10年的時(shí)間里獲得了豐碩的成果.通過(guò)引入拉伸應(yīng)變和高濃度摻雜,可以控制鍺的能帶結(jié)構(gòu),增強(qiáng)直接帶隙的光發(fā)射.2012年,麻省理工學(xué)院的研究人員報(bào)道了室溫下通過(guò)光電泵浦實(shí)現(xiàn)的硅鍺激光器[17].此外,Ge量子點(diǎn)和應(yīng)變補(bǔ)償Ge/SiGe多量子阱的研究也取得了很大進(jìn)展[18].

但體硅器件、Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器和稀土離子摻雜等硅基光源都仍存在著與硅片晶格失配、與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容或成本過(guò)高的問(wèn)題.硅光源是利用硅PN結(jié)耗盡區(qū)雪崩倍增現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光的光源.這種光源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作過(guò)程與現(xiàn)有的集成電路技術(shù)兼容,避免了更換生產(chǎn)線,減少了生產(chǎn)光電集成電路的成本,是做全硅光電集成電路最好的選擇.目前,這種硅光源主要有三種結(jié)構(gòu):單PN結(jié)硅光源、雙極結(jié)型晶體管(bipolar junction transistor,BJT)結(jié)構(gòu)硅光源和MOS結(jié)構(gòu)硅光源[19-21](三種結(jié)構(gòu)硅光源如圖3).

3 MOS硅發(fā)光器件與電光調(diào)制

圖2 利用Ⅲ-Ⅴ族混合集成激光器制作的兩種光電互連結(jié)構(gòu)的集成芯片F(xiàn)ig.2.Integrated chip of two photoelectric interconnection structures made by a Ⅲ-Ⅴ hybrid integrated laser.

圖3 (a)單PN結(jié)硅光源;(b)BJT結(jié)構(gòu)硅光源;(c)MOS結(jié)構(gòu)硅光源[19—21]Fig.3.(a)Single PN junction silicon source;(b)BJT structure silicon source;(c)MOS structure silicon source[19—21].

迄今為止,只有當(dāng)反向偏置PN結(jié)耗盡區(qū)近似為微等離子區(qū)時(shí),才能通過(guò)自由載流子等離子體色散效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)硅中的高速光電調(diào)制[22].硅中的熱載流子發(fā)光主要依賴于間接復(fù)合過(guò)程,其中載流子的能量和動(dòng)量都轉(zhuǎn)移到發(fā)射光子上,形成寬帶反向偏置PN結(jié)發(fā)射光譜[23].單PN結(jié)硅光源是利用PN結(jié)發(fā)光制作的光源,后來(lái)研究人員對(duì)這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的器件做了很多優(yōu)化改進(jìn).例如Snyman等[24]從硅光源發(fā)光機(jī)理出發(fā),采用不同的思路來(lái)提高其量子效率和單位面積發(fā)光強(qiáng)度,他們提出的P+NN+結(jié)構(gòu)源具有非常寬的光譜范圍,波長(zhǎng)在600 nm到800 nm之間.但PN結(jié)硅光源的問(wèn)題在于發(fā)光強(qiáng)度偏弱,電極對(duì)光源的控制不穩(wěn)定.2011年,Wang等[25]提出了一個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)0.35 μm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)三端硅基發(fā)光裝置.標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)中器件第三端(柵極)對(duì)輸出光強(qiáng)有明顯影響,所以在相同條件下MOS結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)更強(qiáng)且光源控制更加精準(zhǔn).

2012年至今,我們團(tuán)隊(duì)對(duì)硅光源進(jìn)行了深入的研究,特別是對(duì)類MOS結(jié)構(gòu)的研究.我們研究了用于光密度調(diào)制的三端硅-PMOSFET LED,基于軔致輻射的概念和基本原理,對(duì)三端硅-PMOSFET LED用于光強(qiáng)度調(diào)制進(jìn)行了詳細(xì)的討論[26].

硅發(fā)光器件的理論功率轉(zhuǎn)換效率由(1)式給出[27]:

其中VSERIES是器件的歐姆串聯(lián)電阻上的電壓降,VBD是p-n結(jié)的擊穿電壓,而VBD=VTHR的截止是發(fā)光的閾值.理論上計(jì)算出的最佳功率轉(zhuǎn)換效率在 10—7量級(jí).

在N-MOSFET中,通過(guò)改變負(fù)柵電壓引起通道表面空穴積累載流子密度的調(diào)制來(lái)調(diào)節(jié)光強(qiáng)；而在P-MOSFET中,柵極電壓正向偏置使柵極下方P+源/漏區(qū)形成反轉(zhuǎn)層,從而在“P+源/漏”附近形成一個(gè)如圖4所示的N++P+連接,我們稱之為場(chǎng)誘導(dǎo)結(jié),使電流聚集在重疊區(qū)域附近.這種電流聚集實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)增強(qiáng),加上附加的最大電場(chǎng)相關(guān)的熱孔注入,使得三端硅-PMOSFET LED比雙端器件具有更高的發(fā)光效率.

圖4 PMOSFET Si發(fā)光器件在三端門(mén)控模式下的電特性[26]Fig.4.Simulated electric characteristics of the PMOSFET Si light emitting device in the three-terminal gated mode[26].

除了通過(guò)改變絕緣柵電位Vg來(lái)調(diào)節(jié)光強(qiáng)之外,Si-PMOSFET LED的一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠使用現(xiàn)有的CMOS技術(shù)制造出與微電子器件集成在一塊芯片上的LED(見(jiàn)圖5).因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)靈活性,低生產(chǎn)成本,以及與其他組件(如波導(dǎo)和光探測(cè)器)的整體集成,這種MOS發(fā)光器件成為了光電集成電路最好的選擇之一.光學(xué)互連也可以克服許多傳統(tǒng)電氣解決方案無(wú)法解決的瓶頸.隨后,我們研究了Si-PMOSFET LED在雪崩光發(fā)射模式下的電光調(diào)制過(guò)程[28].

在硅柵控制二極管LED中,速度受金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器放電時(shí)間的限制,而不是受自然載流子壽命的限制.MOS電容的高頻特性由兩個(gè)分量(即氧化電容Cox,與硅耗盡區(qū)基板電容串聯(lián))決定.然后給出單位面積上最小的MOS電容[28]:

求得Cmin大約為10—8F/cm2.另一方面,熱載流子壽命由(2)式給出[29]:

其中L為量子阱寬度,T為載體的有效溫度,m*為載體的有效質(zhì)量,E強(qiáng)烈依賴于局部電場(chǎng).在源漏與柵極的重疊區(qū)有最大的電場(chǎng),發(fā)光恰好發(fā)生在此處,熱載流子的影響不可忽視.如果將動(dòng)態(tài)串聯(lián)電阻考慮在內(nèi),會(huì)發(fā)現(xiàn)硅柵控二極管LED在理論上具有幾百GHz的固有頻率特性.單位功率增益頻率為

gm為源漏到襯底結(jié)的本征跨導(dǎo),lov為源漏與柵極重合區(qū)域長(zhǎng)度.器件溝道寬度W為175.5 μm,fT約為20 GHz,所以最大調(diào)制頻率如下:

式中Rgate約為 0.35 Ω,CMOS最大為Cox×L×W,最小為Cmin×L×W,所以理論上fmax范圍在50—90 GHz.又因?yàn)?-dB截止頻率略小于最大調(diào)制頻率,所以可以認(rèn)為此器件有幾十GHz的工作頻率.

圖5 三端硅-PMOSFET LED的3D結(jié)構(gòu)圖[26]Fig.5.3D structure of three-terminal silicon-PMOSFET LED[26].

現(xiàn)在MOS結(jié)構(gòu)發(fā)光器件在前期高發(fā)光效率硅光源結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,從MOS電容結(jié)構(gòu)兩側(cè)積累電荷量大小入手、以縮短MOS電容的充放電時(shí)間為主要目標(biāo),開(kāi)展外加電場(chǎng)對(duì)硅光源電光調(diào)制速度提升研究.提出與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的MOS型場(chǎng)致硅基電光調(diào)制器件結(jié)構(gòu),優(yōu)化MOS電容結(jié)構(gòu)兩側(cè)擴(kuò)散區(qū)載流子濃度的分布,降低在此區(qū)域的光損耗,使MOS電容充放電過(guò)程逐漸向瞬態(tài)逼近,載流子穿越耗盡區(qū)的時(shí)間在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下近一步降低,從而大大提高了調(diào)制效率、提升了調(diào)制速度,有望從根本上解決硅基電光調(diào)制受硅材料自身特性限制的瓶頸,為真正實(shí)現(xiàn)多端口可控硅電光調(diào)制,高速響應(yīng)、集成化發(fā)射光源提供有力支撐,為未來(lái)集成光子集成器件發(fā)展帶來(lái)新一輪技術(shù)變革.

4 結(jié)論與展望

從集成電路的發(fā)展歷程來(lái)看,現(xiàn)代信息處理中傳統(tǒng)的金屬互連已經(jīng)無(wú)法滿足處理器之間龐大數(shù)據(jù)吞吐量的需要.近年來(lái)為了提高帶寬進(jìn)一步降低功耗,硅光子學(xué)得到了深入的研究.盡管基于硅的光調(diào)制檢測(cè)技術(shù)和利用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的低成本硅光電子集成器件取得了快速的進(jìn)展,但如何在大規(guī)模硅上實(shí)現(xiàn)高效可靠的硅光電子發(fā)射器件的整體集成仍然是一個(gè)科學(xué)難題[5],而MOS硅發(fā)光器件的提出使得全硅集成電路成為了可能.MOS結(jié)構(gòu)硅發(fā)光器件在集成電路方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景,在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái),全硅光電集成電路將成為新一代電子革命的核心.