[發(fā)明專利]基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的多晶硅LED/單晶硅PD縱向光互連系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710989423.4
• 申請日: 2017-10-21
• 公開（公告）號: CN107895749B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛陸虹;叢佳;謝生;郭維廉
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H01L31/12
• 分類號: H01L31/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 杜文茹

一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的多晶硅LED/單晶硅PD縱向光互連系統(tǒng)，在襯底上端面的中部嵌入有N阱，在N阱上端面的中部嵌入有中部淺溝道隔離層，在N阱的上端面嵌入有一圈光電探測器陰極連線端，在襯底和N阱相鄰處的上端面嵌入有一圈外側(cè)淺溝道隔離層，在襯底的上端面且位于外側(cè)淺溝道隔離層的外側(cè)嵌入有一圈光電探測器陽極連線端；光電探測器的上端設(shè)置有SiO₂，PIN?LED結(jié)構(gòu)嵌入在SiO₂內(nèi)且通過柵氧層設(shè)置在中部淺溝道隔離層的上端面上，SiO₂內(nèi)對應(yīng)PIN?LED和光電探測器的各電極分別形成有若干個(gè)用于連接外部電源的連線孔，SiO₂內(nèi)對應(yīng)PIN?LED結(jié)構(gòu)還嵌入有用于反光的光反射金屬板，光反射金屬板。本發(fā)明減少了光傳輸路程和散射損耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光互連系統(tǒng)。特別是涉及一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的多晶硅LED/單晶硅PD縱向光互連系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微電子產(chǎn)品正在向著小而精的方向發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，微電子的發(fā)展遇到了物理極限的瓶頸。進(jìn)一步通過“摩爾定律”等比例縮小不僅會急劇增加制造成本，而且會導(dǎo)致不期望的物理效應(yīng)。另一個(gè)更為迫切的瓶頸在于微電子芯片內(nèi)電互連的延時(shí)和功耗。隨著集成度的提高，單個(gè)晶體管的延時(shí)越來越小，然而互連線的延時(shí)卻越來越大，并且互連線尺寸的減小使互連線電阻增加，從而增加了功耗。人們注意到光作為信號載體的光電子技術(shù)不僅傳輸速度快，頻率高，傳播信息容量大，而且在三維空間傳播，光束交叉時(shí)信號之間也不會產(chǎn)生串?dāng)_。如果將微電子技術(shù)與光電子技術(shù)相結(jié)合，用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在硅基襯底上制備全硅光電集成電路(OEIC)，則可在維持集成電路工藝成本基本不變的前提下，使電路處理信息的速度有很大的提高。

高效的硅基發(fā)光器件(Si-LED)及光探測器是實(shí)現(xiàn)OEIC的基礎(chǔ)和核心。為此近些年研究人員對Si-LED及相應(yīng)的探測器進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)了各種類型的Si-LED及探測器。雖然在OEIC的研究中不斷有新的理論被提出，單個(gè)器件的某些性能也有相當(dāng)?shù)奶岣撸欢脴?biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作OEIC的技術(shù)依然還不成熟，還有待于進(jìn)一步的研究。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)出光，但正向發(fā)光相對反向發(fā)光工作電壓低、發(fā)光效率高，因此應(yīng)用前景更廣闊。然而單晶硅材料對于波長低于85Onm的光具有較強(qiáng)的吸收系數(shù)，因此在可見光光互連系統(tǒng)中單晶Si發(fā)光功率和外量子轉(zhuǎn)換效率都很低。張興杰等人[1]基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝成功制備了多晶硅PIN-LED，且成功測試了其電學(xué)及光學(xué)特性與單晶Si-LED 非常相似，這證明了基于標(biāo)準(zhǔn)工藝制備多晶硅PIN-LED是可行的。這為我們提供了一種思路，用多晶硅制作LED進(jìn)行發(fā)光，單晶Si進(jìn)行接收，這樣能夠有效的減小單晶Si對LED發(fā)射光能的吸收，增加光互連系統(tǒng)的響應(yīng)度。專利[2]曾提出一種單晶硅LED及多晶硅PIN光電探測器組成的新型光互連結(jié)構(gòu)。但是其多晶硅探測器與單晶Si之間僅隔有一層薄柵氧，隔離電效應(yīng)和熱效應(yīng)的影響不好；其次其用單晶Si制備LED并沒有避免單晶Si對可見光的吸收；第三Si基LED正向偏置載流子注入發(fā)射紅外光，反向偏置擊穿雖發(fā)出可見光，但發(fā)光波長也在700nm左右，由于多晶硅層較薄，其對Si基LED發(fā)出的長波長光探測性能較弱，而單晶硅深結(jié)探測長波長光相對較好。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)芯片上光通信的同時(shí)有效的減少光傳輸路程，減少電干擾，增加光互連系統(tǒng)響應(yīng)度的基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的多晶硅LED/單晶硅 PD縱向光互連系統(tǒng)。