利用載流子注入的多晶硅光源：面向硅基光電集成迴路

知識 11-24

電子科技大學的徐開凱、趙建明、孫宏亮團隊與中國電科重慶聲光電有限公司 24 所（以下簡稱中電 24 所），聯合南非、巴西組成的研究小組實現了一種高效的多晶硅光源，向發展硅基光集成電路邁出了重要一步。

圖片來源：Pixabay

來源電子科技大學

編輯戚譯引

隨著摩爾定律走向末路，人們將視線轉向了硅基光電集成迴路（OEIC）。在 OEIC 中，設計者通常利用片上光互聯代替傳統的電互聯，以提高電路的運行速度，同時降低互聯線的寄生電阻。目前，OEIC 並不是完美無瑕的，最大的限制因素就是缺乏高效率的硅基光源。傳統的 Ⅲ-Ⅴ 族光源雖然有較高的量子效率，但是與現有的集成電路工藝不兼容。在保證光源製造工藝兼容現有集成電路工藝的同時提高硅基光源的量子效率，一直是該領域的熱點、難點。

近期，電子科技大學的徐開凱、趙建明、孫宏亮團隊與中國電科重慶聲光電有限公司 24 所（以下簡稱中電 24 所），聯合南非、巴西組成的研究小組實現了一種高效的多晶硅光源，利用載流子注入技術獲得了相對提升的硅發光強度。該研究成果發表在 Elsevier 旗下的Materials Science & Engineering: B（MSEB）上（論文地址），短短半年就成為 MSEB下載量最高（Most Downloaded）的 25 篇論文之一，也是這 25 篇中最新入選的論文。

MSEB: Poly-Silicon Light Source I

這種多晶硅光源利用反向偏置 PN 結中的雪崩倍增現象實現發光，具有易集成、與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容的優點。該光源具有很強的電流依賴性，在一定電流範圍內，光強與流過器件的電流成線性關係；在電流的驅動下，這種多晶硅光源呈現出一個非常寬的光譜範圍（400nm~900nm），覆蓋可見光到紅外光區域。

由於硅是一種具有間接帶隙結構的半導體材料，採用該材料實現的光源並不理想。傳統的硅光源均採用單晶硅實現發光。該工作打破常規，引入多晶硅全面替代單晶硅材料，同時利用載流子注入技術，提高參與雪崩倍增過程的載流子數目，實現了一種相對高效的硅基光源。一經發表就被 Elsevier 官方推特賬號推送。

MSEB: Poly-Silicon Light Source II

多晶硅光源是組成片上光互聯結構的最佳選擇之一，在未來的 OEIC 中有極大的應用潛力。關於多晶硅發光的 MSEB 論文中提出的 2 個反偏 PN 結 2 個正偏 PN 結新型器件結構所具有的特殊優點，荷蘭皇家藝術與科學學院院士、IEEE Fellow，ISSCC 2002 and 2009 Van Vessem Outstanding Paper Award 獲得者、IEEE Solid-State Circuits Society 主席（2018-2019）、IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS主編（2007-2010）、高速 CMOS 集成電路設計領域的知名學者，荷蘭特文特大學的 Bram Nauta 在其最新發表的 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 65, NO. 11, pp. 4883-4890, 2018 論文中迅速以文獻 29 給予正面評價。

值得一提的是，這並不是徐開凱教授與「Most Downloaded」的初次相遇。徐開凱教授與中電 24 所多年來保持密切合作，深入研究硅基柵控光源。他們設計了一種MOS-like 柵控光源，利用柵極在 PN 結耗盡區中引入外加電場，調控耗盡區中的載流子分布與電場分布，從而擴大發生雪崩擊穿的區域，從點擊穿擴大為面擊穿，進而提高光源的量子效率。該研究成果 2016 年 1 月發表在國際光學工程學會（SPIE）旗下的Journal of Nanophotonics上（論文地址），2018 年 4 月入選下載量最高（Most Downloaded）的 10 篇論文之一，更是這 10 篇當中的 5 篇非 Open-Access論文之一。

JNP: MOS-Silicon Light Source I

這種硅基柵控光源的結構類似於一個 P-MOS，但是使用方法完全不同。該器件襯底接高電平，源區與漏區短接並一起接地，給柵極施加高電平調控器件的光強。連接高電位的柵極會在源區和漏區中形成一種「場誘導結」，這種「場誘導結」與 PN 結的耗盡區非常相似並且內部的電場分布非常密集，發生雪崩擊穿的概率極高。器件正常工作時，光子從「場誘導結」中釋放，柵極電位的高低會影響器件發光的量子效率。該器件同樣具有與 CMOS 工藝兼容的優勢，是面向 OEIC 邁出的重要一步。

JNP: MOS-Silicon Light Source II

與現有集成電路工藝兼容的高效硅基光電器件是 OEIC 中的明珠。OEIC 如何從實驗室走向大規模生產，這支由我國、南非、巴西組成的研究小組正在做更深入的探索。

論文信息

【標題】Light emission from a poly-silicon device with carrier injection engineering

【作者】Kaikai Xu, Lei Huang, Zhengyuan Zhang, Jianming Zhao, Zhengping Zhang, Lukas W.Snyman, Jacobus W.Swart

【期刊】Materials Science and Engineering: B

【時間】May 2018

【DOI】10.1016/j.mseb.2018.07.002

【摘要】Development work was conducted on N+PN+PN+Poly silicon light-emitting devices which are compatible with silicon-based integrated circuit technology. We discuss the emission characteristics of visible light by a monolithically integrated Poly-Si diode under reverse bias. With the structure of modified PN junctions, the carriers injection occurs through silicon slabs of only a few nanometer thick. The dominant role of non-radiative recombination at the N+and P+contacts is diminished by confining the injected carriers around the PN junction』s interface in which avalanche takes place. The current-dependent optical radiation presents a broad spectrum in the 400- to 900-nm range. Although the emission efficiency is low due to silicon』s indirect bandgap, it is advantageous to utilize these devices in all-silicon optoelectronic integrated circuits (OIC』s).

【鏈接】https://doi.org/10.1016/j.mseb.2018.07.002

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論文作者及工作單位：

徐開凱、趙建明、孫宏亮、於奇

電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都

張正元、黃磊、張正平

中國電科重慶聲光電有限公司24所，重慶

Lukas W. Snyman

University of South Africa, Pretoria, South Africa

Jacobus W. Swart

State University of Campinas – UNICAMP, Campinas, Brazil

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