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硅基微纳光电子系统中光源的研究现状及发展趋势

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激光与光电子学进展 2009年第10期46卷 28-35页

作者：周治平王兴军冯俊波王冰北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室北京100871

综合微电子学及微纳光学的优势,硅基微纳光电子学正在快速走向实用阶段。与微电子制造技术兼容的微纳光子器件,包括调制器、探测器、分束器以及耦合器等均取得了重要的突破。但硅基微纳光源的研究则仍处在探索阶段。外部光源在多大程度... 详细信息

综合微电子学及微纳光学的优势,硅基微纳光电子学正在快速走向实用阶段。与微电子制造技术兼容的微纳光子器件,包括调制器、探测器、分束器以及耦合器等均取得了重要的突破。但硅基微纳光源的研究则仍处在探索阶段。外部光源在多大程度上能代替片上光源?片上光源的最佳选择是什么?介绍、分析了目前硅基微纳光源的研究现状及进展,并对片上光源的研究趋势进行展望。

关键词：微纳光电子学集成光学硅基光源

全硅集成光学——理论与工艺(Ⅻ)(续十一)第十一讲全硅集成光学中的光源(二)

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半导体光电 1997年第1期18卷 66-72页

作者：赵策洲西安电子科技大学西安710071

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硅发光研究与进展

中国激光 2009年第2期36卷 269-275页

作者：张荣君陈一鸣郑玉祥陈良尧复旦大学信息科学与工程学院先进光子学材料与器件国家重点实验室上海200433

微电子技术的瓶颈和信息技术发展的需求加速了光电子学在硅基材料上实现光信息处理、光电子集成的研究,利用硅基材料制造出高质量的发光器件对光电子学以至整个信息技术均具有重要意义。由于受间接带隙能带结构的限制,天然硅材料具有很... 详细信息

微电子技术的瓶颈和信息技术发展的需求加速了光电子学在硅基材料上实现光信息处理、光电子集成的研究,利用硅基材料制造出高质量的发光器件对光电子学以至整个信息技术均具有重要意义。由于受间接带隙能带结构的限制,天然硅材料具有很低的发光效率,不利于硅光源的实现。通过采用人工改件的方法提高硅的发光效率,多孔硅、硅纳米晶体、掺Er3+硅纳米晶和硅的受激拉曼散射均是目前可实现硅发光甚至硅激光的町行途径。回顾硅发光研究的历史进程,归纳总结了近年来可实现硅发光几种方法的原理、特点以及当前的研究进展。相信随着硅发光效率的提高及器件制备工艺的发展,硅发光研究不久将出现重大突破性成果,并有可能引起新的信息技术革命。

关键词：光电子学硅发光光子器件硅基光源硅纳米晶体

用于单片集成传感系统的多晶硅级联自发光器件研究

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光子学报 2024年第5期53卷 180-188页

作者：唐宇罗谦刘斯扬 SNYMAN Lukas W 徐开凯电子科技大学电子薄膜与集成器件全国重点实验室成都611731 东南大学国家ASIC工程中心无锡214000 南非大学电子工程系南非比勒陀利亚0001

针对全硅光电生物传感器的硅基单片集成应用需求,提出了基于多晶硅级联自发光器件的单片集成传感器,对其中作为关键部分的多晶硅光源进行了试制,采用标准0.35μm的CMOS工艺对该光源进行了流片验证,并设计了适配的全硅波导检测结构。结... 详细信息

针对全硅光电生物传感器的硅基单片集成应用需求,提出了基于多晶硅级联自发光器件的单片集成传感器,对其中作为关键部分的多晶硅光源进行了试制,采用标准0.35μm的CMOS工艺对该光源进行了流片验证,并设计了适配的全硅波导检测结构。结果表明,多晶硅光源发光特征峰为635 nm、700 nm和785 nm,该特征峰作为波导入射光源时,设计的全硅波导检测结构能够实现检测目的。

关键词：单片集成硅基光源氮化硅波导生物传感器折射率传感

基于溶胶-凝胶法制备硅基稀土Tb离子发光器件的研究

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基于溶胶-凝胶法制备硅基稀土Tb离子发光器件的研究

作者：郭冯宁波大学

学位级别：硕士

硅材料加工的工艺水平不断提高,硅基微纳米器件因此得到快速发展。传统微纳米器件大多依靠电互连进行信号传输,随着器件集成度不断提高,内在功耗大幅增加,内部线路之间的干扰也越发严重。将功耗低、抗干扰强的光互连技术引入到硅基微纳... 详细信息

硅材料加工的工艺水平不断提高,硅基微纳米器件因此得到快速发展。传统微纳米器件大多依靠电互连进行信号传输,随着器件集成度不断提高,内在功耗大幅增加,内部线路之间的干扰也越发严重。将功耗低、抗干扰强的光互连技术引入到硅基微纳米器件中已迫在眉睫,因此高效的硅基光源显然已成为硅基微纳米器件实现光互连的一个重要技术突破口。由于体硅材料是一种间接半导体材料,极难发光,所以本文引入稀土Tb离子作为发光中心。稀土Tb离子是一种稳定的绿色光发光中心,有望在将来应用于海洋硅基微纳光学传感器中。但稀土Tb离子的f-f跃迁属于磁偶极跃迁,整体发光能力较弱,使用常规光源进行激发通常只会产生微弱的绿光。为了有效提高稀土Tb离子的荧光发射效率,本文引入Sn O量子点和稀土Ce离子作为稀土Tb离子的敏化剂,通过有效的共振能量传递来提高稀土Tb离子的荧光发射强度。本文主要的内容和结果如下:利用基于旋涂技术的溶胶-凝胶法制备4%的Tb离子、不同尺寸的Sn O量子点以及不同掺杂量的Ce离子共同掺杂的硅基Si O薄膜样本。通过光致发光谱和激发谱分析敏化剂的敏化机理、评估敏化效果。通过X射线衍射谱对Sn O量子点的制备以及Ce离子氧化进行评估分析。通过荧光衰减曲线计算敏化剂对Tb离子的敏化效率。研究结果显示在1000℃退火氛围下制备的硅基Si O薄膜样本中的Sn O量子点和Ce离子均对Tb离子起到了有效的敏化作用。平均尺寸为3.7nm的Sn O量子点和4%的Tb离子共掺硅基Si O薄膜时,Tb离子在545nm处的荧光强度提高了6倍,此时Sn O量子点到Tb离子的能量转移效率为40.74%。掺杂量为2%的Ce离子和4%的Tb离子共掺硅基Si O薄膜时,Tb离子在545nm处的荧光强度有较小增强,此时Ce离子到Tb离子的能量转移效率为35.87%。最后本文发现平均尺寸为3.7nm的Sn O量子点和掺杂量为2%的Ce离子共同敏化4%的Tb离子时,Tb离子在545nm处的荧光强度提高了9倍,这表明在Si O薄膜样本中适当尺寸大小的Sn O量子点和适当比例的Ce离子共同敏化稀土Tb离子的效果要优于Sn O量子点或Ce离子单独敏化稀土Tb离子的效果。

关键词：硅基光源 SiO2薄膜稀土离子量子点光致发光

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硅基Tb2O3薄膜发光性能的改善研究

硅基Tb2O3薄膜发光性能的改善研究

作者：刘素云北京交通大学

学位级别：硕士

近年来稀土发光材料由于具有很多的优点而成为硅基光源的研究热点,为了兼容目前CMOS工艺,硅基光源需要满足以下条件:和硅衬底晶格匹配度要高、工作电压要尽可能的低以及发光效率要高。稀土TbO与硅的晶格失配仅为1.3%,使得TbO和硅衬底之... 详细信息

近年来稀土发光材料由于具有很多的优点而成为硅基光源的研究热点,为了兼容目前CMOS工艺,硅基光源需要满足以下条件:和硅衬底晶格匹配度要高、工作电压要尽可能的低以及发光效率要高。稀土TbO与硅的晶格失配仅为1.3%,使得TbO和硅衬底之间的位错缺陷较少。TbO作为一种P型半导体材料,以TbO为基础的电致发光器件具有较低的工作电压,且Tb是一种高效稀土发光离子,可以与其他稀土离子(Ce、Eu、Sm等)进行能量传递,尤其与Er的能量传递作用能够实现1.54μm通讯波段发光,因此TbO非常适合制作硅基光源。前人对硅基TbO电致发光器件进行了大量的研究,并取得了一些进展,但该器件发光仍然存在发光衰减快的问题,为了解决这一问题,本文在TbO薄膜结晶性能及浓度猝灭方面对硅基TbO电致发光器件进行了更进一步的研究与探索。常规管式炉退火与快速退火相比,其升降温速度较慢,原子有足够的活化能迁徙到晶核周围,有利于薄膜结晶,因此对沉积的TbO薄膜进行了常规管式炉退火,之后镀电极制备了TbO电致发光器件,通过对器件进行表征,获得了Tb的本征绿色发光,且由常规管式炉退火的TbO薄膜镀电极得到的电致发光器件与快速退火的TbO薄膜镀电极制得的电致发光器件相比,其发光强度增强了1.4倍左右。为了减少器件的工作电压、改善器件的电子空穴注入比,选用同时具备阻挡电子和注入空穴功能的无机P型半导体材料NiO。通过磁控溅射法制备了NiO/TbO电致发光器件,获得了Tb的绿色电致发光,且开启电压降低了2V。浓度猝灭的主要原因是发光层TbO薄膜中Tb发生了自身浓度猝灭,因此引入Ce,增大离子间距,通过Ce→Tb的无辐射共振能量传递方式实现Tb发光。制备了硅基Tb/Ce结构薄膜,获得了Tb的光致发光,且在15天后几乎都没有衰减,荧光寿命长,为今后硅基TbO:Ce薄膜电致发光器件的研究打下了坚实的基础。

关键词：硅基光源 Tb2O3 Ce3+→Tb3+ 能量传递

一种与CMOS工艺兼容的硅基生物传感器研究

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一种与CMOS工艺兼容的硅基生物传感器研究

作者：艾康电子科技大学

学位级别：硕士

科技改变生活。普通传感器因为非智能化等原因将不能适应万物互连的智能时代。智能时代对传感器提出了更高的要求,因此智能传感器走入人们的视野。智能时代需要更加便携、高效的智能传感器,智能时代对智能传感器内部集成电路提出更高的... 详细信息

科技改变生活。普通传感器因为非智能化等原因将不能适应万物互连的智能时代。智能时代对传感器提出了更高的要求,因此智能传感器走入人们的视野。智能时代需要更加便携、高效的智能传感器,智能时代对智能传感器内部集成电路提出更高的要求。因为光互连技术能让智能传感器微型化、精准化、高效化,所以光互连技术将成为集成电路领域的研究重点。单片集成是智能传感器微型化和高效化的另一条件。目前的集成工艺多采用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)集成工艺,单片集成需要各零部器件能与标准CMOS工艺兼容。片上全硅光电生物传感器由硅基光源、硅光波导、光电探测器和后端处理电路组成,各个部件都能与标准CMOS工艺兼容。硅是间接带隙半导体,硅的这种结构特性使得高效硅基发光器件和高传输效率硅光波导在设计和制作工艺上存在难点。装备有普通硅基发光器件和一般硅光波导的传感器的灵敏度不高。因此制造高效的硅基发光器件和高效的波导是片上微型全硅光电生物传感器领域的重点和难点。本文主要针对片上微型全硅光电生物传感器技术,从发光器件的结构、发光机理、波导的传输效率以及传感器的检测机理出发,对一种多晶硅级联结构的光源和一种结合二氧化硅与氮化硅(SiN)的优点的光波导结构以及倏逝波原理展开研究。该硅基光源是采用NPNPN结构的多晶硅PN结级联发光器件,通过加反偏电压使器件反向雪崩击穿发光。该硅基光源采用载流子注入技术来提高发光效率,发光效率高达4.3×10,能与波导耦合。该硅基光源的光谱是连续光谱,波长范围是400-900 nm。波导结构利用二氧化硅与SiN的优点,使其能够满足光传输对低损耗的要求,解决可见光波段光电传输与CMOS工艺集成技术受带宽限制的瓶颈。波导传感器拥有薄的传感层,这个特性有助于分子的快速响应和高灵敏度检测。通过对直型波导的仿真得出,模型长、宽、高分别是40μm、6μm、6μm的波导在最佳光源入射角度(32.8°)的情况下,波导传输效果最好,传输效率平均高达95%。平均灵敏度为:折射率每增加0.1,相对光波强度改变5%。由波导仿真结果得出波导内芯的光波能量随着检测区域分析物的折射率的增加而下降,曲线呈现出单调性。通过光波能量的变化来实现介质折射率的传感,说明全硅光电生物传感器中倏逝波检测机理的可行性,也为高效全硅光电生物传感器的实现打下坚实的基础。

关键词：硅基光源全硅光电生物传感器硅光波导单片集成倏逝波

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片上硅LED集成技术及其波导耦合

片上硅LED集成技术及其波导耦合

作者：张鸿桥电子科技大学

学位级别：硕士

随着微电子技术进入到了21世纪的发展时期,集成电路的发展向着小而精的方向不断前进,致使器件的特征尺寸几乎缩小到极限,处于“后摩尔定律”时代的集成电路性能提升受到严重制约,硅基光电子技术可突破这一瓶颈从而被寄予了厚望。不同于... 详细信息

随着微电子技术进入到了21世纪的发展时期,集成电路的发展向着小而精的方向不断前进,致使器件的特征尺寸几乎缩小到极限,处于“后摩尔定律”时代的集成电路性能提升受到严重制约,硅基光电子技术可突破这一瓶颈从而被寄予了厚望。不同于一般集成电路,搭载有硅发光二极管(Light-emitting Diode,LED)的光电子集成电路不仅在片上可完成电信号的传导,还可以光的方式完成信息的传递,大幅缓解了高集成度环境下的电信号串扰等问题。要充分发挥光信号直观,快速的特点,势必要大力发展新型的光电子器件。硅雪崩发光二极管(Silicon Avalanche-mode LED,Si-AMLED)表现出与传统IC制造工艺兼容性好,成本低等诸多优点,可作为片上硅LED集成技术中的基本发光单元。但如何突破硅间接带隙的限制从而提高硅光源的发光效率,一直是设计硅LED的热点和难点。除了需要高效可靠的硅光源之外,光波在片上系统传输过程的损耗也需重点关注。为了更好适应全硅(All-Silicon)光电子集成的工艺要求,实现可单片集成的片上光互连系统,波导的材料需要根据CMOS工艺就地取材并进行合理设计,同时也要保障光波信号在整个系统中的低损耗传输。本文主要针对片上硅LED集成技术,从硅基发光器件的发光原理、性能指标以及设计结构的角度出发,对一种利用硅PN结发生雪崩倍增效应的光源展开研究,并基于现有的CMOS工艺,提出了一款三端控制的类MOS结构硅雪崩LED器件。该器件中的反偏PN结由P型有源区和N阱构成,发光窗口靠近栅端两侧。分析了器件内部的载流子和电场分布情况,结果表明正电压的栅端调制有利于发光区域由内部向表面集中。建立的小信号模型表明器件的调制频率可达到GHz的水平。完成流片后的硅雪崩LED经测试表明,开启电压在-6 V左右,波长范围覆盖400 nm至1100 nm,在引入第三端的电极控制后可使得开启电压降低至-1.8 V,同时提高了整体器件的发光强度,功率转换效率高达5.98×10。考虑到与CMOS工艺兼容的氮化硅在600 nm以上的可见光频段具有较好的光学透明度,提出了基于氮化硅的硅光波导耦合设计,数据表明波导内光能量损失较低,并对于横向和纵向波导耦合方式进行了初步探索,分析了光波损耗成因并简要提出了改善的方案。

关键词：片上光互连硅基光源雪崩倍增硅LED集成波导耦合

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纳米带异质结电致发光器件的研究

纳米带异质结电致发光器件的研究

作者：黄诗源浙江大学

学位级别：硕士

微纳硅基电致发光器件,是微纳集成光电子器件中,备受瞩目的理想型基本元件之一。硅的间接带隙特性限制了其本征辐射复合的实现,而高的折射率和可见光波段的不透明特性,又使得硅基异质结可见光电致发光器件的发光效率深受制约。本论文围... 详细信息

微纳硅基电致发光器件,是微纳集成光电子器件中,备受瞩目的理想型基本元件之一。硅的间接带隙特性限制了其本征辐射复合的实现,而高的折射率和可见光波段的不透明特性,又使得硅基异质结可见光电致发光器件的发光效率深受制约。本论文围绕硫化镉纳米带/硅p-n异质结可见光发光二极管的性能提升,展开了一系列的研究工作,着重从器件结构的优化改进入手,提出了一种基于梳齿硅衬底的异质结器件。通过在硅衬底上刻蚀周期性梳齿结构,制备的梳齿硅/硫化镉纳米带p-n异质结发光二极管,具有更低的电致发光阈值电流,以及更高的辐射光强,器件的电流转换效率得到提升。对比实验和仿真模拟的结果表明梳齿结构架空硫化镉纳米带,克服了高折射率硅衬底对辐射光强烈的封闭、吸收和损耗作用,使辐射光能够在硫化镉纳米带中形成稳定的谐振和增强。并且梳齿结构的引入,使得异质结内的电子和空穴电流更为均衡。与此同时,通过在梳齿硅/硫化镉纳米带的异质结构中引入三氧化钼空穴传输层,实现了对异质结中载流子注入情况的调控。在引入传输层后,器件电致发光阈值电流得到降低,能够工作在更低的激励条件下。通过多方位的结构优化提升,器件性能得到极大的提升,这对于促进微纳光电子器件走向实用化具有极大的推动作用。

关键词：电致发光硅基光源异质结纳米带发光效率