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标准CMOS工艺硅基LED器件设计及实验分析

作 者: 杨广华
导 师: 毛陆虹
学 校: 天津大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: 硅基发光二极管 雪崩击穿 正向偏置 隧道结 标准CMOS工艺
分类号: TN312.8
类 型: 博士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


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。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-21
  1.1 硅基发光器件的研究进展  9-17
    1.1.1 非标准CMOS工艺硅基LED  9-13
    1.1.2 硅基激光器  13-14
    1.1.3 标准CMOS工艺硅基LED  14-17
  1.2 硅探测器与硅光波导的研究  17-18
  1.3 硅基光互连的研究  18-19
  1.4 本论文的结构安排  19-21
第二章 硅基LED的发光原理  21-40
  2.1 半导体电致发光原理  22-28
    2.1.1 发光过程中的复合  23-25
    2.1.2 描述发光的相关参数  25-28
    2.1.3 电致发光  28
  2.2 硅LED器件反向偏置发光  28-37
    2.2.1 硅PN结反向偏置发光  30-33
    2.2.2 硅MOSFET发光  33-35
    2.2.3 硅反熔丝发光  35-37
  2.3 硅LED器件正向偏置发光  37-39
    2.3.1 硅PN结发光  37-38
    2.3.2 MIS结构隧穿发光  38-39
  2.4 总结  39-40
第三章 反偏硅发光器件设计及模拟  40-57
  3.1 标准CMOS工艺硅基发光  40-42
    3.1.1 标准CMOS工艺硅LED发光特点  40-41
    3.1.2 发光基本原理  41
    3.1.3 反偏硅LED器件设计方法  41-42
  3.2 材料参数计算  42-44
    3.2.1 基本计算公式  42-43
    3.2.2 材料掺杂浓度计算  43-44
  3.3 器件模拟软件  44-45
  3.4 标准CMOS工艺硅发光器件设计  45-56
    3.4.1 楔形器件设计  45-47
    3.4.2 叶型器件设计  47-48
    3.4.3 均匀电场叉指器件设计  48-49
    3.4.4 电场增强正八边形器件设计  49-51
    3.4.5 U型发光器件设计  51-52
    3.4.6 电流注入器件设计  52-55
    3.4.7 阵列型器件设计  55-56
  3.5 器件设计总结  56-57
第四章 反偏硅发光器件的测量及分析  57-88
  4.1 测试设备介绍  57-61
  4.2 测量方法  61-62
  4.3 测试结果及分析  62-86
    4.3.1 楔形器件  62-66
    4.3.2 叶型器件  66-68
    4.3.3 叉指器件  68-72
    4.3.4 正八边形器件  72-75
    4.3.5 U型器件  75-81
    4.3.6 电流注入器件  81-84
    4.3.7 阵列器件  84-86
  4.4 器件测试总结  86-88
第五章 正偏发光硅LED器件  88-105
  5.1 U型正偏硅LED器件  88-94
    5.1.1 器件设计  88-89
    5.1.2 器件栅极电压作用仿真  89-91
    5.1.3 测量结果及分析  91-94
  5.2 回型正偏发光器件  94-103
    5.2.1 器件设计  94-95
    5.2.2 测量结果及分析  95-103
  5.3 正偏发光器件设计总结  103-105
第六章 总结及展望  105-106
参考文献  106-115
发表论文和参加科研情况说明  115-117
致谢  117

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 半导体二极管 > 二极管:按结构和性能分 > 发光二极管
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