本文转载自电子科技大学
电子薄膜与集成器件国家重点实验室（电子科技大学）以唯一单位发表在传感器领域期刊IEEE Sensors Journal, vol.16, iss. 16, pp. 6184-6191 (2016)的论文Integrated Silicon Directly Modulated Light Source Using p-Well in Standard CMOS Technology入选科睿唯安ESI Hot Papers (TOP 0.1%)，学科类别是“Engineering, Electrical & Electronic; Instruments & Instrumentation; Physics, Applied”，并在2017-2018年度持续入选了ESI Highly-Cited Papers (TOP 1%)。该工作得到了国家自然科学基金、四川省应用基础研究、电子薄膜与集成器件国家重点实验室基金、教育部留学回国人员启动基金的资助。项目负责人一直致力于硅基MOS发光器件的研究，针对硅材料与器件，分别深入研究了电光调制新模型、提高器件发光效率新方法，并开展Si-LED器件单片集成技术研究、解决了器件加工工艺与硅IC兼容的问题。让我们一起了解来自电子科技大学的工作。自2016年8月15日发表以来，作为1篇工科电子信息领域的文章，截止2019年15日，共计被SCI他引（不含合作者）60次。
电光调制器在光、网络中起着关键作用。就像晶体管作为电信号的开关一样，电光调制器可用作光信号的开关。光路中电光调制器的作用，在一定程度上等价于晶体管在集成电路中的作用。硅基电光调制器与晶体管制作在硅衬底上，可以实现光电集成电路（OEIC）。
硅基单片光电互连系统主要模块包括驱动电路（Driver）、光发射器件、光波导/调制器（Wave guide/Modulator）、光电探测器件、接收电路。经过多年发展，目前这些模块都相继被发明，不存在太多技术问题。然而，电光调制器依然存在较多问题，如传输速度低，消光比不理想、插入损耗高等。缺乏可集成的硅基电光调制器是影响硅单片光电子互连系统性能的主要障碍之一。高速可靠硅电光调制器的成功研制会对硅基光电互连系统性能的提升有巨大的推动作用，这正是包括徐开凯教授在内的一批研究者们正在努力探索的问题。
随着电子信息产业按照摩尔定律不断发展，电子产品的尺寸越来越小，元件的集成度愈来愈高，CMOS技术的诞生正式这一发展进程当中的重要一环。CMOS工艺目前已成为当前大规模集成电路的主流工艺技术，绝大部分集成电路都是用CMOS工艺制造的。如果能够设计出一种能与当前CMOS工艺兼容的电光调制器，那对于全硅光电的集成就具有重大意义。1955年，美国通用电气公司的Newman提出了p-n结在反偏击穿状态下可以发光之后，全世界的各科研机构和科技公司对硅发光便展开各种深入的研究。既然p-n结可以发光，而MOS管在集成电路中大面积使用，那么就可以尝试利用MOS结构中的p-n结进行发光，这样便可以较好的与当前的CMOS工艺相兼容。多年来的研究表明，利用MOS器件中的栅极电压可以影响MOS管中衬底与源（漏）区p-n结耗尽区中的电场分布的耗尽区的宽度，栅极电压还能影响流过源（漏）区的电流。一般来说，p-n结光源收到流过p-n结的电流的影响，通过控制电流以调控发光的强度，从而达到电光调制的目的，这样，一种能与CMOS工艺兼容的电光调制器便应运而生。
硅在半导体工业中有着不可替代的作用，硅在地球上储量丰富，硅半导体技术最为成熟，是迄今最适合于集成工艺的材料。那么硅作为半导体器件是如何发光的呢？原子、分子和某些半导体材料，能分别吸收和放出一定波长的光或电磁波。根据固体能带论，半导体中电子的能量状态分为价带和导带，当电子从一个能带跃迁到另一个能带的时候就会发出或者释放一定频率的光。当发光二极管工作时，在正偏下，通常半导体的空导带被通过结向其中注入的电子所占据，这些电子与价带上的空穴复合，放射出光子，这就产生了光。
硅材料的能带图与硅中可能发生的复合过程
硅材料用于发光，有多重实现方式，比如多孔硅、硅量子点激光器等。最被大众熟知的就是硅p-n结发光了。硅p-n结不管在正向偏置还是反向偏置的状态下都是可以发光的。然而硅作为间接带隙半导体，电子空穴之间的复合需要声子的参与，发光效率很低，一般不适合作为发光材料，因此如何解决硅发光弱，是硅发光领域的一大难题。但是硅材料在集成电路中大面积使用，基于硅材料制造的器件可以很容易的集成在集成电路之中，并且与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，避免了生产设备的更换。
硅发光器件的调制技术是硅基光互连领域的研究热点、难点。本项目在前期高发光效率硅光源结构研究基础上，拟从MOS电容结构两侧积累电荷量大小入手、以缩短MOS电容的充放电时间为主要目标，开展外加电场对硅基电光调制器件调制速度提升的研究。提出与标准CMOS工艺兼容的MOS型场致硅基电光调制器件结构，优化类MOS电容结构两侧扩散区载流子浓度的分布，降低在此区域的光损耗，使MOS电容充放电过程逐渐向瞬态逼近，载流子穿越耗尽区的时间在强电场的作用下近一步降低，从而大大提高调制效率、提升调制速度，有望从根本上解决硅基电光调制受硅材料自身特性限制的瓶颈，为真正实现多端口可控硅电光调制，高速响应、集成化发射光源提供有力支撑，为未来集成光子集成器件发展带来新一轮技术变革。
类MOS结构中相关电容、电阻的分布；电信号从栅端口输入，光信号从器件表面输出。
在硅MOS型电光调制器中，流过击穿区域的反向电流与光强呈现出线性的关系。为光互连在集成电路中的应用奠定了基础，使片上光链路成为了可能。为了更好的让光互连在集成电路中得到推广，必须提高电光调制器的调制速度。硅MOS型电光调制器中电致发光主要是由于热电子与空穴的复合。通过建立器件的解析模型，提取出器件内部(尤其是硅MOS型电光调制器栅极与体硅结合部分)存在的各类电容参数，进行量化分析；通过对微分方程的求解和边界条件的确定，开展对MOS电容结构与PN 结区互相作用机制的理论研究，获得器件的电容分析表征模型。在电光调制器设计中，利用器件的电容分析表征模型，重点研究外加电压变化对器件内部载流子分布的影响，基于PN结反向偏压下的光辐射现象建立载流子分布与发光强度的关系，提出具有类MOS 结构的新型电光调制器。借助半导体工艺模拟以及器件模拟工具（TCAD软件）进行相关的器件设计；通过调控硅MOS型电光调制器栅极电压，对击穿区域的电场进行调制，进而影响器件流过击穿区与的电流，依靠电流与光强的线性关系，实现对光强调控，并进一步利用载流子色散效应使载流子寿命降低至ps量级，实现高速电光调制。
硅基MOS型电光调制器
实际测试表明，在一定的电压范围中，栅极电压与器件的光强呈现出良好的线性关系，这种线性关系是电光调制的基础，并且该中电光调制器的电容在栅压大于5V后几乎不发生变化，电容稳定在0.8pF左右。计算结果表明，该器件的电光调制速度可以达到GHz数量级。这种硅MOS型电光调制器不仅具有极高的调制速度，还与现有的集成电路工艺兼容，利用成熟的CMOS技术实现低成本的硅光电集成器件，解决了硅基单片集成中如何实现高效可靠的MOS型电光调制器的难题。
围绕该热点论文开展的系列研究更是得到了瑞典皇家科学院院士、IEEE Life FELLOW、IEEE/OSA/SPIE/APS FELLOW等国际同行的关注与认可。
矩阵化的硅基微型光电显示器
此外，项目负责人在新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室（重庆大学）基金的支持下，开展了交叉学科研究，成果发表在IEEE/OSA旗下的显示领域期刊【J. Display Tech., 2016, 12: 115-121】。将这种硅光源单片集成在硅衬底上，实现了矩阵化；美国罗切斯特大学William Raymond Donaldson这样评述：There have already been several reports on an array of fast devices across a certain materials gradient in silicon materials[6], [7].（文献7为负责人的JDT论文）；实现的硅基微显示技术更得到了韩国科学院(KAST)院士，OSA、APS FELLOW，国立首尔大学的Dai-Sik Kim教授在其综述论文中将其作为唯一1篇微显示论文给予点评：The recent development in terahertz (THz) technology enables a wide range of applications in microdisplay [19]; …, which is based on its excellent sensitivity and selectivity（文献19为7为负责人的JDT论文）。
精彩回顾
1. 威斯康星大学-麦迪逊分校和斯坦福大学研发新型光电探测器
两江科技评论编辑部
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