發(fā)光窗口對MOS結(jié)構硅LED電光性能的影響

吳克軍，黃興發(fā)，李則鵬，易 波，趙建明，錢津超，徐開凱*

(1． 電子科技大學 電子科學與工程學院，四川 成都 610054；2． 中國電科第二十四研究所 模擬集成電路重點實驗室，重慶 400060)

1 引 言

自集成電路被發(fā)明以來，基于硅材料的微電子工業(yè)遵循摩爾定律，不斷向更小的晶體管尺寸和更高的集成度發(fā)展，如今已逐漸逼近其物理極限，由金屬互聯(lián)引起的信號延遲、串擾和功率耗散等問題也逐漸變得突出，甚至已經(jīng)成為限制高速集成電路發(fā)展的瓶頸[1-3]。以光子作為信息載體，將光子器件與電子器件集成在同一硅襯底上制成的硅基光電集成芯片(OEIC)成為解決這一難題的最佳選擇。

目前利用CMOS技術實現(xiàn)硅基光電集成系統(tǒng)的嘗試主要集中在1 550 nm的紅外波段。這主要有兩部分原因：一是針對該波段的紅外光波導易于設計和制造；二是缺少400～900 nm的合適光源[4]。對于1 550 nm紅外光波段的硅基光電子芯片，通常需要將具有直接帶隙的Ⅲ-Ⅴ化合物等半導體材料淀積在硅表面制作光源器件，然而由于這些材料與硅襯底之間存在晶格失配，使得光源和光探測器等器件與硅襯底的集成面臨工藝方面的諸多困難[5]。基于雪崩擊穿的硅光源可以發(fā)射400～900 nm的可見光，同時非常易于和氧化硅波導、硅光電二極管等組件集成在同一硅襯底上，從而在無需修改標準CMOS工藝的條件下實現(xiàn)全硅單片光電集成系統(tǒng)[6-7]。因此，自1955年pn結(jié)反向擊穿發(fā)光的現(xiàn)象被首次發(fā)現(xiàn)以來[8]，基于標準CMOS工藝的雪崩硅光源研發(fā)便吸引了大量關注。Snyman等最早提出并利用標準CMOS工藝成功制作了雪崩硅LED，并測得其單位面積發(fā)光功率約為7.1 μW/cm2，但其工作電壓較高，并且壽命較短[9]。隨后Dong等采用CMOS技術設計并制造了環(huán)形p+n結(jié)級聯(lián)結(jié)構的硅LED并組成陣列[10]，盡管在一定程度上提高了光發(fā)射效率，但是依舊存在工作電壓過高以及驅(qū)動電流過大的問題，難以與CMOS電路共電源使用。

本文利用PMOS結(jié)構中p+源/漏區(qū)與n型阱形成的p+n結(jié)，設計并制備了一款與標準CMOS工藝完全兼容的雪崩硅發(fā)光器件，重點探究了發(fā)光窗口設計對于器件電學和光學性能的影響。

2 器件設計與制備

所設計的MOS結(jié)構硅發(fā)光器件基本結(jié)構如圖1所示，整個發(fā)光器件制作在p型襯底的n型阱中，內(nèi)部包含兩個并排對稱放置且結(jié)構完全相同的PMOS單元，PMOS單元的柵長為3 μm，柵寬為25 μm。適當增大了源/漏有源區(qū)面積，在源/漏有源區(qū)上方覆蓋金屬并向上引出陽極，金屬電極與側(cè)墻之間留有發(fā)光窗口。在PMOS單元左右兩邊1 μm的位置均進行了n+摻雜作為n型阱接觸，上方覆蓋金屬并向下引出陰極。在靠近n型阱外側(cè)1.5 μm的p型襯底上進行了p+離子注入形成保護環(huán)，以避免與周圍其他器件形成閂鎖效應，同時避免p型襯底和n型阱之間形成的pn結(jié)優(yōu)先擊穿。另外，為了進一步提升硅LED的外量子效率，在版圖設計時使用SAB(Salicide Block)覆蓋了柵極兩側(cè)的發(fā)光窗口，用于阻止發(fā)光區(qū)域表面形成不透明的金屬硅化物。

為了方便對比分析發(fā)光窗口對器件電光性能的影響，基于0.18 μm標準CMOS工藝,設計和制

圖1 MOS結(jié)構硅LED結(jié)構示意圖。(a)俯視圖；(b)器件沿AB方向的剖面圖。

圖2 MOS結(jié)構硅發(fā)光器件實際顯微照片。(a)發(fā)光窗口寬度為2 μm；(b)發(fā)光窗口寬度為0.5 μm。

備了兩個窗口寬度分別為2 μm和0.5 μm的MOS結(jié)構硅發(fā)光器件，器件實際顯微照片如圖2(a)和圖2(b)所示。兩個硅發(fā)光器件均采用了圖1所示的器件結(jié)構，除發(fā)光窗口寬度不同之外，其他設計參數(shù)完全相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 電學特性

使用Agilent 16442A半導體特性分析系統(tǒng)分別對兩個不同發(fā)光窗口寬度的光源器件進行了I-V特性測試，測試結(jié)果如圖3所示。兩個不同發(fā)光窗口寬度的光源器件具有相似的I-V特性。由于是硅材料，因此器件的正向開啟電壓約為0.8 V，導通電流在器件開啟后急劇上升并達到限流值(15 mA)。當反偏電壓大于-5.8 V時，兩款器件均保持截止狀態(tài)。當反偏電壓小于-5.8 V時，發(fā)光窗口寬度為0.5 μm的光源器件首先發(fā)生擊穿；繼續(xù)增大反偏電壓達到-6 V時，發(fā)光窗口寬度為2 μm的光源器件也發(fā)生擊穿，反向電流急劇增大。

圖3 MOS結(jié)構硅發(fā)光器件I-V特性

3.2 發(fā)光特性

通過OLYMPUS DP72顯微鏡觀察兩個不同發(fā)光窗口寬度的光源器件在反向擊穿條件下的發(fā)光情況，結(jié)果如圖4所示。可以看出，在相同5 mA驅(qū)動電流下，0.5 μm發(fā)光窗口寬度的硅LED明顯比2 μm發(fā)光窗口寬度的硅LED發(fā)光強度更高，并且發(fā)光面更加均勻。

本文設計的光源器件通過Ocean Optical USB2000+微型光譜儀進行發(fā)射光譜測試，測試結(jié)果如圖5所示。

該器件可以發(fā)出的光譜范圍為420～780 nm的連續(xù)可見光區(qū)域，其中在波長為580 nm和650 nm處出現(xiàn)峰值，該波長對應的是橙黃色的光，這與我們在圖4中直接用肉眼觀察到的顏色一致。另外，該發(fā)射光譜與文獻[11]中兼容CMOS工藝的硅光電二極管光譜響應曲線有較大重疊。

圖4 不同發(fā)光窗口硅LED分別在明亮和黑暗環(huán)境中的發(fā)光照片。(a)～(b)2 μm發(fā)光窗口；(c)～(d)0.5 μm發(fā)光窗口。

圖5 MOS結(jié)構硅LED的發(fā)射光譜

3.3 結(jié)果分析

通過比對兩個不同發(fā)光窗口寬度的MOS結(jié)構發(fā)光器件的電學和光學測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

(1)兩個器件的正向I-V特性幾乎完全相同，正向開啟電壓均為0.8 V；反向擊穿電壓略有差別，0.5 μm發(fā)光窗口寬度的發(fā)光器件反向擊穿電壓相比2 μm寬度的發(fā)光器件低0.2 V左右；

(2)兩個器件的發(fā)光區(qū)域均位于靠近多晶硅柵的兩側(cè)，并且形狀為帶有光斑的明亮線條；

(3)發(fā)光窗口較小的硅發(fā)光器件亮度更高，且均勻性更好。

兩個硅發(fā)光器件的正向I-V特性基本相同，這主要是因為兩款器件的基本結(jié)構類似，均使用了PMOS中p+源/漏區(qū)與n型阱形成的p+n結(jié)作為擊穿發(fā)光點。根據(jù)半導體物理中pn結(jié)的工作原理可知，影響pn結(jié)正向開啟電壓的主要因素是材料特性，同時由于這兩款器件采用了相同的工藝，所以其正向?qū)ㄌ匦曰就耆嗤５怯绊憄n結(jié)反向擊穿特性的因素較多，不僅與材料特性有關，而且與pn結(jié)的摻雜濃度、金屬電極的位置和環(huán)境溫度等均有著強烈的依賴關系。實際上，PMOS中p+源/漏區(qū)與n型阱形成的二極管可以分為表面處的橫向二極管和深處的縱向二極管兩部分，由于在實際生產(chǎn)過程中，在對PMOS的源/漏區(qū)進行p+離子注入時，位于硅表面處的雜質(zhì)濃度要稍微高于硅體內(nèi)的雜質(zhì)濃度，所以橫向二極管耗盡區(qū)寬度實際要小于縱向二極管，同時反向擊穿電壓也要更低。發(fā)光窗口的寬度越窄，意味著金屬電極距離橫向二極管的耗盡區(qū)越近，從而在較低的反向偏置電壓下便會在橫向二極管處首先發(fā)生擊穿。因此相比2 μm發(fā)光窗口的MOS結(jié)構硅發(fā)光器件，窗口寬度為0.5 μm的發(fā)光器件反向擊穿電壓要略微偏小。

另外，由于在柵氧與硅接觸的界面存在有大量的界面態(tài)，它們可以在很短的時間內(nèi)與n阱交換電荷，因此在靠近多晶硅柵兩側(cè)的p+n結(jié)將會更加容易發(fā)生擊穿。一旦發(fā)生擊穿后，電流將會自動尋找并選擇結(jié)面處電阻最小的通路(如缺陷)集中通過，所以就出現(xiàn)了我們看到的帶有斑點的線條狀發(fā)光圖形。

對于現(xiàn)象(3)，我們認為主要是由于電流密度分布和金屬反射共同作用的結(jié)果。首先，SiO2/Si界面態(tài)對于p+n結(jié)發(fā)光有實際的促進作用，并且由于發(fā)光窗口為0.5 μm的硅LED金屬電極距離p+n結(jié)耗盡區(qū)更近，因此將其反向電流限制在靠近多晶硅柵的硅表面，提高了此處的電流密度，所以電子復合輻射發(fā)光的幾率更大。其次，p+n結(jié)發(fā)射的可見光碰到光滑的金屬電極表面會發(fā)生反射，而更小的發(fā)光窗口更容易將硅LED發(fā)出的微弱光匯聚并向上反射，因此與2 μm發(fā)光窗口寬度的硅LED相比，0.5 μm發(fā)光窗口寬度的硅LED亮度更高并且均勻性更好。

4 結(jié) 論

本文采用0.18 μm標準CMOS工藝設計了兩個類似的MOS結(jié)構硅發(fā)光器件，均采用PMOS中p+源/漏區(qū)與n型阱形成的p+n結(jié)作為反向擊穿發(fā)光點，并在柵極兩側(cè)的發(fā)光區(qū)域設計了發(fā)光窗口，不同之處在于發(fā)光窗口的寬度不同。測試結(jié)果表明，兩個硅發(fā)光器件在反偏電壓達到6 V時均進入雪崩擊穿狀態(tài)發(fā)出黃色可見光，但是更小發(fā)光窗口的硅LED器件表現(xiàn)出了更高的發(fā)光強度和更加均勻的發(fā)光面。主要原因在于小發(fā)光窗口的硅LED的金屬電極距離p+n結(jié)耗盡區(qū)更近，從而將反向?qū)娏飨拗圃诠璧谋砻妫瑴p少了硅材料自身對于可見光的吸收，在一定程度上提高了器件的發(fā)光強度,此外更窄的金屬電極間距對p+n結(jié)發(fā)出的微弱光也起到了更好的匯聚作用。所設計的MOS結(jié)構硅發(fā)光器件因與CMOS工藝完全兼容，在未來全硅單片光電集成芯片(OEIC)領域具有一定的應用空間。