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标准CMOS工艺硅基LED器件设计及实验分析

杨广华  
【摘要】:为提高硅芯片的信号传输速度,解决传输延时、信号串扰等问题,当前研究的热点之一在于实现芯片内信号的光传输。要实现光信号在芯片内传输,必须要解决硅芯片内发光器件的研制工作。本文利用0.35um标准CMOS工艺,根据不同的半导体原理设计了多种硅LED器件,并对器件进行了制备、测试和结果分析。论文的主要创新点如下: 1.利用0.35um标准CMOS双栅工艺,根据电场限制效应设计并制备了反向偏置下雪崩发光的N~+-Psub结的楔形和叶型器件,并对器件的光学特性和电学特性进行了测试和分析。器件面积分别为34.2×42um~2和94.2×114um~2。器件的开启电压为0.7V,发生雪崩击穿是开启电压为8.8V左右。我们发现应用电场限制效应时不仅与器件的材料设计相关,而与器件的电极分布更为密切。在50mA下器件发光功率为10.2nW左右。 2.利用0.35um标准CMOS双栅工艺,根据叉指电极均匀电场的原理设计并制备了反向偏置下雪崩发光的N阱-Psub结叉指形硅LED。器件面积为60×52.8um~2。电场强度均匀有助于使发光面积均匀。器件开启电压为0.8V,反向击穿电压达15V。器件发光功率为7nW左右。 3.利用0.35um标准CMOS EEPROM工艺,根据载流子注入增强发光的工作原理,设计并制备反向偏置下雪崩发光的N~+-Psub三端注入型硅LED器件。器件面积为64×80.8um~2,器件开启电压为0.7V,反向雪崩击穿电压为9V。 4.利用0.35um标准CMOS双栅工艺设计并制备出了栅控的侧面发光U型硅LED。器件采用N+-Psub结,主要根据反向偏置雪崩发光工作。器件面积为40.8 um~2。在50mA下器件发光功率为12nW左右,发光峰值为760nm左右。 5.利用0.35um标准CMOS双栅工艺设计并制备了正向偏置发光的U型及回型器件。在测试中发现所制备的硅LED可以正向发光,也可以反向雪崩击穿发光。在这两种情况下发光时发光光谱不同,其中正向发光功率远大于反向发光功率。在正向发光器件中设计了栅极来调制器件的发光。我们发现这种栅极结构的硅LED发光包括了PN结的正向发光和隧道结(MIS)发光两部分。在电流为100mA下器件发光峰值为1100nm左右。


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