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将硅基光电子技术引入到传统的集成电路中,可以发挥其天然的并行传输和互不干扰特性,有望解决电互连芯片内部串扰、延迟和能耗等问题,大大提高信息处理的能力和精确度,同时能够充分利用现有成熟的集成电路工艺,实现大规模制作,因此具有广阔的应用前景。而高效的硅基发光器件(Si-LEDs)及光探测器是实现硅基光电子集成回路(Optoelectronic Integrated Circuits,OEICs)的基础和核心,但其发光强度和转换效率尚不够理想。本研究立足硅亚微米超大规模集成技术,研究并制作了OEICs的关键部件,主要包括Si-LEDs、硅基探测器件及其相关的光互连系统,同时对正向注入Si-LEDs的光谱特性及发光机理等问题进行了深入研究,主要工作内容及创新点如下:(1)首先整理和分析了半导体发光的物理基础,主要包括了半导体材料发光的物理机制、发光机理、载流子复合理论、光电转化可逆性原理以及评价发光好坏的关键指标。详细介绍了硅基发光器件的国内外研究进展和现状,重点介绍了与标准CMOS工艺兼容的Si-LEDs的研究进展,并阐明了其工作原理及优势。(2)然后详细研究了多种基于标准CMOS技术制作的高功率密度正向注入Si-LEDs。从所采用工艺的角度、器件结构设计上的考虑、电学及光学特性测试实验的设计思路以及最后的测试结果分析,展示了如何成功制作项目所需的高发光功率密度硅基片上光源。并深入分析了上述正向注入Si-LEDs的发光光谱特性及提出新的发光机理。(3)最后针对标准CMOS工艺下的多晶硅PIN-LEDs的设计制作做了可行性研究,并对这些器件进行了详细的电学特性、光学特性的测试和分析。并且详细研究了单晶硅LED与多晶硅PIN探测器构成的光互连系统。探索了在标准CMOS工艺中将硅基光源、光波导和硅基探测器等单片集成的技术。总之,硅基光电子集成回路的研究是一项艰巨而富有挑战性的工作,它的实现有望解决传统电互连的“瓶颈”,并将对于全光系统芯片的研制产生重要意义。