專利名稱：硅基發(fā)光與探測共用器件及其構(gòu)成的光互連系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
木發(fā)明涉及正向擊穿模式的硅基發(fā)光器件，并可利用同一發(fā)光器件作為探測器件，器件采 用ptN+有源區(qū)的U型插指結(jié)構(gòu)，增進(jìn)器件側(cè)向發(fā)光，以多晶硅作波導(dǎo)傳輸介質(zhì)將基于該器 件的發(fā)光與探測器件進(jìn)行耦合，形成光互連系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)器件采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作， 這種新型的發(fā)光與探測共用器件及其構(gòu)成的光互連結(jié)構(gòu)在下一代集成電路中作為芯片之間或 芯片內(nèi)部的光電接口具有非常廣闊的應(yīng)用前景；
背景技術(shù)：
全硅基光電子集成回路(all-Si OEIC)是利用成熟的硅微電子將電路與光路集成在同一芯 片上，進(jìn)行電輸入、光傳輸、電輸出的系統(tǒng)。它的提出是為了解決傳統(tǒng)電互連系統(tǒng)中出現(xiàn)的 內(nèi)部時鐘與信號串?dāng)_、帶寬限制和能耗等問題，并利用成熟、廉價的標(biāo)準(zhǔn)硅工藝進(jìn)行單片集 成。然而硅是間接帶隙材料，載流子的帶間復(fù)合躍遷要借助于聲子參與，多為非輻射復(fù)合,而 且體硅材料對于波長低于850nm的光具有較強(qiáng)的吸收系數(shù)，因此發(fā)光功率和外量子轉(zhuǎn)換效率 (External Quantum Efficiency , EQE)都很低(為直接帶GaAs、 InP的十萬分之一)，因而它 不具有光子學(xué)的優(yōu)異特性。因此all-Si OEIC實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于如何制作出高效的發(fā)光器件進(jìn)行 信號的傳輸，以及如何提高系統(tǒng)的光-電、電-光轉(zhuǎn)化效率并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間各部分較好的耦合與
匹配。硅基發(fā)光途徑眾多(多孔硅發(fā)光、摻餌發(fā)光、(SimGen)p或Si/Si02超晶格結(jié)構(gòu)等),但大多
制作工藝復(fù)雜，不能與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，因此無法發(fā)揮其與集成電路單片集成的優(yōu)勢。 目前，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容性最好的器件為硅PN結(jié)發(fā)光器件，它發(fā)光的波長在Si基探測 器可探測范圍內(nèi)，具有較快的響應(yīng)速度，可以滿足硅光電集成的要求，因此在Si OEIC中有 很好的應(yīng)用前景。PN結(jié)在正向注入與反向擊穿情況都可以發(fā)出可見光，但正向發(fā)光相對反喜 向發(fā)光工作電壓低、發(fā)光效率高，因此應(yīng)用前景更廣闊。同時根據(jù)光電轉(zhuǎn)化的可逆性原理， 同一發(fā)光器件也可作為探測器件使用，而硅基探測器方面的應(yīng)用也比較成熟，這樣可利用硅 基實(shí)現(xiàn)發(fā)光與探測，并能利用同一探測器件探測自身所發(fā)出的光，這一思想為光電互連的設(shè) 計(jì)提供了新的思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的硅基器件，它既可以作為發(fā)光器件，又 可作為探測共用器件使用?；谶@種發(fā)光與探測共用的器件設(shè)計(jì)出新型的發(fā)光、波導(dǎo)與探測
單片集成的光互連系統(tǒng)。
所設(shè)計(jì)硅基發(fā)光與探測共用器件，其特征在于
① 該器件在PN結(jié)正向注入模式實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光，在PN結(jié)反向耗盡的模式實(shí)現(xiàn)光電探測。 所設(shè)計(jì)器件采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)；
② 器件結(jié)構(gòu)采用了 N+有源區(qū)與P+有源區(qū)的U型的P+-N+-N+-N+-P+-N+-N+-N+- +-#-#-#- +^+-#->^+- +插指結(jié)構(gòu)，嵌入P型襯底，構(gòu)成PN結(jié)，器件所有N+有源區(qū)通過 金屬相連，所有P+有源區(qū)通過金屬相連，同時在器件N+-N+之間柵氧上加多晶硅柵，此柵可 以懸空或加第三端可實(shí)現(xiàn)對發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制；
③ 從發(fā)光角度看，該器件采用單側(cè)重?fù)诫sPN結(jié)構(gòu)成光發(fā)射器件；從光探測器的角度看，
P+與N+為PN結(jié)的重?fù)诫s的兩個區(qū)域，二者間低摻雜的襯底可以認(rèn)為是本征得I層，構(gòu)成了 橫向PIN型硅基光探測器結(jié)構(gòu)，因此該器件可以用于光檢測。
④ 采用淺PN結(jié)將發(fā)光限制在表面，以減少體硅對光的吸收，提高器件工作速度。 采用上述硅基發(fā)光與探測共用器件，構(gòu)建發(fā)光、光傳輸、探測光電互連系統(tǒng)，采用多晶硅
柵作為波導(dǎo)，柵下氧化層和多晶硅上氧化物作為波導(dǎo)包層進(jìn)行光傳輸，多晶硅光波導(dǎo)與硅基
發(fā)光與探測共用器件中的多晶硅柵連接，相當(dāng)于多晶硅波導(dǎo)深入到插指結(jié)構(gòu)中的發(fā)光區(qū)域(對
于發(fā)光功能而言)和探測區(qū)域(對于探測功能而言)，且采用U型插指結(jié)構(gòu)，側(cè)向出光較強(qiáng),
因此耦合較好。


為進(jìn)一步說明本專利的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明于后，其中 圖l器件結(jié)構(gòu)圖(上方為器件頂視圖，下方為與之對應(yīng)的剖面圖)； 圖2多晶硅光波導(dǎo)剖面結(jié)構(gòu)圖； 圖3發(fā)光、波導(dǎo)、探測耦合結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用MPW提供的0.35um CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。
硅基發(fā)光與探測共用器件俯視和剖面圖參見圖1，器件結(jié)構(gòu)采用了 U型的 P+_N+-N+-N+-P+-N+-N+-N+- +-^^+->^- +^+-#-#- +插指結(jié)構(gòu)，N+有源區(qū)②(摻雜濃度約為 5xl019/cm3)嵌入P型襯底①(摻雜濃度約為lxlO"/cm、構(gòu)成PN結(jié)，結(jié)深約為0.3um， P+區(qū) ③(摻雜濃度約lxl019/cm3)作為P襯底①接觸，器件所有N+有源區(qū)通過金屬⑥與陰極相連， 所有P+有源區(qū)通過金屬⑥與陽極相連。采用U型插指結(jié)構(gòu)的目的是實(shí)現(xiàn)可從正面和側(cè)面都可 發(fā)光或接收光，以便與硅基光波導(dǎo)進(jìn)行耦合，同時在器件N^N+之間柵氧④上加多晶硅柵⑤， 此柵可以懸空或加第三端可實(shí)現(xiàn)對發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制。從發(fā)光角度看，該器件采用單側(cè)重?fù)诫s
P 結(jié)提高正向注入效率；從光探測器的角度看，P+與N"為PN結(jié)的重?fù)诫s的兩個區(qū)域，二 者間低摻雜的襯底可以認(rèn)為是本征得I層，構(gòu)成了橫向PIN型硅基光探測器結(jié)構(gòu)，因此該器 件可以用于光檢測。
為了與硅基發(fā)光與探測共用器件進(jìn)行耦合，本發(fā)明采用了標(biāo)準(zhǔn)工藝中多晶硅作為光波導(dǎo)，
其結(jié)構(gòu)參見圖2，本發(fā)明采用典型CMOS工藝中多晶硅柵⑤作為光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝中多晶硅下方為柵氧化層，上方一般覆蓋物一般為PSG/TEOS，因此采用柵氧④和多晶 硅上PSG/TEOS⑥作為包層進(jìn)行光傳輸，且底部采用N+有源區(qū)②、P+有源區(qū)③作為波導(dǎo)底部 邊緣兩側(cè)的界限。典型CMOS工藝中各層次結(jié)構(gòu)折射率分別為 "s, =3.5，",,.02 =L45,"S,W =1.8,"尸—_s, =3.45,"reG/r￡OS = 1.45 ,采用多晶硅作為波導(dǎo)，可滿足全反
射定律。
光發(fā)射、接收與波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)參見圖3所示，硅基發(fā)光器件①發(fā)出的光經(jīng)多晶硅光波導(dǎo)② 傳輸至硅基探測器件③，發(fā)光器件①探測器件③器件結(jié)構(gòu)同是利用圖1結(jié)構(gòu)，多晶硅光波導(dǎo) 利用圖2結(jié)構(gòu)，由于采用U型插指結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件①和探測器件③，與光波導(dǎo)②耦合部位側(cè) 側(cè)向出光或吸收較強(qiáng)。且多晶硅光波導(dǎo)與硅基發(fā)光器件①與硅基探測器件③中的多晶硅柵連 接，相當(dāng)于多晶硅波導(dǎo)深入到插指結(jié)構(gòu)中的發(fā)光區(qū)域(對于發(fā)光功能而言)或探測區(qū)域(對 于探測功能而言)，更好的實(shí)現(xiàn)光耦合。整個結(jié)構(gòu)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完成。
權(quán)利要求
1.一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的硅基發(fā)光與探測共用器件及其構(gòu)成的集成光互連系統(tǒng)，其特征在于，同一硅基器件，采用硅PN結(jié)結(jié)構(gòu)，在PN結(jié)正向注入模式實(shí)現(xiàn)硅基發(fā)光，在PN結(jié)反向耗盡模式實(shí)現(xiàn)光探測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述器件，其特征在于，所設(shè)計(jì)器件可完全采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述器件，其特征在于，包括① 器件采用N+有源區(qū)與P+有源區(qū)構(gòu)成的U型的P+-N+-N+-N+-P+-N+-N+-N+-P+ ^+^+-^+^+^+_^4+插指結(jié)構(gòu)，嵌入P型襯底，構(gòu)成PN結(jié)，器件所有N+有源區(qū)通過金屬與陰極相連，所有P+有源區(qū)通過金屬與陽極相連；② 在器件N+-N+之間柵氧化層上加多晶硅柵，此柵可以懸空或加第三端可實(shí)現(xiàn)對發(fā)光強(qiáng)度的 調(diào)制；③ 從發(fā)光角度看，該器件采用單側(cè)重?fù)诫sPN結(jié)構(gòu)成光發(fā)射器件，從光探測器的角度看，P+ 與N+為PN結(jié)的重?fù)诫s的兩個區(qū)域，二者間低摻雜的襯底可以認(rèn)為是本征得I層，構(gòu)成了橫 向PIN型硅基光探測器結(jié)構(gòu)，因此該器件可以用于光檢測。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述器件，其特征在于采用淺PN結(jié)將發(fā)光限制在表面，以減少體硅對光 的吸收，提高器件工作速度。
5. 基于權(quán)利要求1所述硅基發(fā)光與探測共用器件，構(gòu)建發(fā)光、光傳輸、探測光電互連系統(tǒng)， 其特征在于，包括① 采用多晶硅作為波導(dǎo)芯層，柵氧化層和多晶硅上氧化物作為下包層和上包層進(jìn)行光傳輸。② 多晶硅光波導(dǎo)與硅基發(fā)光器件和探測器件中的多晶硅柵連接，相當(dāng)于多晶硅波導(dǎo)深入到插 指結(jié)構(gòu)中的發(fā)光區(qū)域(對于發(fā)光功能而言)和探測區(qū)域(對于探測功能而言)，且采用U型 插指結(jié)構(gòu)，側(cè)向出光較強(qiáng)，使整個系統(tǒng)光耦合更好。
全文摘要
本發(fā)明公開一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的硅基發(fā)光與探測共用器件及其構(gòu)成的單片集成光互連系統(tǒng)，其特征在于，包括利用同一硅基器件，在PN結(jié)正向注入模式時可實(shí)現(xiàn)光發(fā)射，在PN結(jié)反向耗盡的模式可實(shí)現(xiàn)光探測；該器件結(jié)構(gòu)采用N⁺有源區(qū)與P⁺有源區(qū)U型插指結(jié)構(gòu)，嵌入P型襯底，構(gòu)成PN結(jié)，同時在器件N⁺-N⁺之間的柵氧化層上加多晶硅柵；采用U型插指結(jié)構(gòu)可在器件的側(cè)面和正面同時得到較強(qiáng)的發(fā)光(針對發(fā)光器件)與光吸收(針對探測器件)，便于與硅基光波導(dǎo)進(jìn)行耦合；基于該器件構(gòu)建發(fā)光、光傳輸、探測光互連系統(tǒng)，采用多晶硅柵作為波導(dǎo)材料，柵氧化層和多晶硅上氧化物作為包層進(jìn)行光傳輸；多晶硅光波導(dǎo)與硅基發(fā)光與探測共用器件中的多晶硅柵連接，相當(dāng)于多晶硅波導(dǎo)深入到插指結(jié)構(gòu)中的發(fā)光區(qū)域(對于發(fā)光功能而言)或探測區(qū)域(對于探測功能而言)，更好地實(shí)現(xiàn)光耦合。這種新型硅基發(fā)光與探測共用器件及其構(gòu)成的光互連系統(tǒng)可采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，在下一代集成電路中作為光電接口具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L33/00GK101179104SQ20071015099
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者代曉光, 李曉云, 楊廣華, 牛萍娟, 偉 王, 王彩鳳, 郭維廉 申請人:天津工業(yè)大學(xué)