硅基光电器件研究进展

半导体技术

Semiconductor

Technology

1999年 第1期 No.1

1999

硅基光电器件研究进展

郭宝增

摘要　在信息处理和通信技术中，光电子器件起着越来越重要的作用。然而，因为硅是间接带隙半导体，试图把光电子器件集成在硅微电子集成电路上却遇到很大困难。为解决这一困难，人们发展了多种与硅微电子集成电路兼容的光电子器件制造技术。本文介绍最近几年这方面技术的发展情况。

关键词　多孔硅　光电子器件　硅集成电路

Research Development of Silicon-Based

Optoelectronic Devices

Guo Baozeng

(Department of Electronic & Informational Hebei University,Baoding 071002)

Abstract　Silicon-based optoelectronic devices are increasingly important in information and communication technologies.But attempts to integrate photonics with silicon-based microelectronics are hampered by the fact that silicon has an indirect band gap,which prevents efficient electron-photon energy conversion.In order to solve this problem,many technologies to make optoelectronic devices which can be compatible with conventional silicon technology have been developed.In this article,we review the deve-lopment of these thchnologies.

Keywords　Porous silicon　Optoelectronic devices　Silicon integrated circuit

1　引　言

硅是微电子器件制造中应用得最广泛的半导体材料。硅集成电路的应用改变了当代世界的面貌，也改变了人们的生活方式。但是，一般硅集成电路只限于处理电信号，对光信号的处理显得无能为力。然而，光电器件的应用却是非常广泛的，光纤通信、光存储、激光打印机及显示设备都 要用到各种光电器件。从更广的意义上说，我们所处的世界实际上是一个光的世界。据心理学家分析，人们通过眼睛所接收的信息占总接收信息量的83%，即人们接收的信息83%是光信号。因此可以想象，在未来信息化社会里，对光电子器件的需求决不亚于对微电子器件的需求。目前采用的光电子器件，主要是Ⅲ-Ⅴ族材料，这些器件与广泛使用的硅技术不兼容，而且制造成本高，因

而限制了它的应用领域。如果能够发展与现有硅技术兼容的光电子集成电路技术，将会产生新一代的硅芯片，将使硅技术的应用从微电子学领域扩展到光电子学领域，那么光电子器件应用的领域将会极大扩展。其广泛应用带来的影响也许不亚于硅微电子集成电路［1］。

由于上述原因，发展与现有硅技术兼容的光电子器件，就成为人们不断探索的课题。近年来，硅基光电器件的研究已经取得很大进展，人们已经研制了多种硅基光电子器件，例如与硅技术兼容的多孔硅集成电路已经问世，这些器件的发展，使我们看到了硅光电集成电路发展的美好前景。

2　硅的发光特性及硅基光电器件

硅之所以在制造光电器件方面受到限制，因为它是间接带隙半导体，在室温下发光效率很低［2］。硅的能带结构如图1所示。

图1　硅能带结构

因为导带底和价带顶分别位于波矢量的不同位置，为了满足动量守恒，电子和空穴在能带间跃迁时，要吸收或发射一个声子，故跃迁矩阵元比较小。但这不是对辐射效率的基本限制，它导致的直接结果是长的辐射寿命。由计算可知，室温下适当掺杂浓度下硅的辐射寿命在毫秒范围，由于辐射衰减过程相当慢，注入的载流子不可避免地由其它非辐射过程复合，因此，净复合寿命比辐射复合寿命短几个数量级。如果其它的复合过程(如深能级电子态，表面态等)不存在，硅将发射波长为1μm的光。虽然实验上可以通过表面处理等技术，减小表面复合，增加少数载流子的寿命，提高辐射效率，但不可能完全去掉非辐射复合过程。

为了能在硅材料上制造光电器件，必须改变硅材料的能带结构，使之适合于制造光电器件，为此人们已经探索了多种方法，其中有些方法已经取得相当大的成功。主

要有下面几种方法：

(1)发展与Ⅲ-Ⅴ族材料兼容的技术。在硅材料上制备Ⅲ-Ⅴ材料，如硅上生长砷化镓技术，虽然这种办法人们已经研究了多年，但用它制造实用的硅基集成电路困难很大。

(2)改变硅材料本身的特性。多孔硅技术就是最有代表性的一种，用阳极化方法，把单晶硅转化为孔隙率很高的多孔硅，材料中的纳米微孔构成量子线，量子线对电子空穴的束缚作用使硅的能带结构发生变化，禁带宽度增加，使多孔硅能够发射从紫外到近红外的光［2～4］。

(3)在硅中增加一些其它材料。例如在常规pn结中增加一层β相二硅化铁埋层，因为此材料是直接带隙半导体，从而提供了一条载流子直接复合的通路，使器件能够发光［5］。在常规二极管中增加掺铒的薄层，利用铒壳层间电子间的跃迁，使器件发光［6］等。

(4)采用能带结构工程，即利用分子束外延等技术，交替生长两种以上的半导体薄层，层的厚度与电子的量子力学波长相当，构成束缚载流子势垒，从而形成一系列能量子带，电子的跃迁可以在子带间进行，这种结构称为超晶格结构。在硅衬底上制造超晶格结构可以用来制造光电器件，且能够与硅技术兼容［7，8］。

下面分别介绍几种近年来研究得较多、并已取得重要进展、在制造硅基光电集成电路方面，具有较大应用潜力的技术。

3　多孔硅光电器件和集成电路

1990年Canham L T首次报导多孔硅(PS)在室温下具有强烈的光致可见光发射现象后，多孔硅的研究立即引起了人们的极大兴趣。多孔硅本身是一种硅材料，很容易与现有的硅技术兼容，是未来硅基光电集成电路的候选材料之一。

3.1　多孔硅的制造与特性

制造发光多孔硅与早期用于制造隔离介质的多孔硅的方法基本相同。把单晶硅置于氢氟酸水溶液中，加一定的偏置电压，在阳极一侧硅的表面上就可以形成多孔硅。 多孔硅烘干和储藏是制造发光多孔硅的关键技术。在研制发光多孔硅之前的很长一段时间内，都是采用在室温和大气压下烘干的。但是，在烘干期间形成的液气界面，会产生很大的表面张力，如果材料的结构强度不是很高，这些力会导致多孔硅出现裂纹、皱缩、甚至完全破碎。当多孔硅用于制造器件的隔离介质时，上述的方法是可以采用的，因为在这种应用中，多孔硅层较薄，孔的密度较小。当多孔硅用于发光材料时，要使多孔硅具有较高的发光效率，要求孔隙率大、层比较厚、表面完整性好，上述的烘干办法就不能采用。实践中已经发展了一些烘干技术，能够满足制备发光多孔硅的需要。

由于多孔硅的表面结构非常复杂，导致它的发光特性随着储存时间而变化，变化时间可持续数个月，或更长。因为储存环境中的气体成分的变化，所以多孔硅中的自然氧化层的结构也随着变化，因此多孔硅的发光性能不仅取决于制造完成后的烘干过程，而且还取决于它的储存方式。有些容器包含有机发生色团，这些物质逐渐渗入到高孔隙率多孔硅中，导致发光效率增强。但是，存储过程的污染通常是由于非辐射过程的引入，降低多孔硅的发光效率。因此，人们采用不同的氧化处理技术，克服这种储藏效应，提高多孔硅发光的稳定性。

3.2　多孔硅光电器件

多孔硅表现出很强的光致发光能力和电致发光能力，多孔硅发光的光谱范围很宽，波长从紫外到近红外的范围，而且通过改变孔的密度可以调节峰值波长。

1991年，首次出现关于多孔硅发光二极管(LED)的报导。这种器件发射较强的桔红色光(波长700nm左右)，在黑暗中肉眼可见，发光实验持续45分钟。早期的多孔硅LED 存在的主要问题是外部量子效率只有10-5%，比光致发光的效率低五个数量级，而且偏置电压在20伏以上。

随着工艺方面的改进，使器件的外部量子效率迅速提高。最近的文献报导器件外部量子效率差不多都是在0.2%左右，最高的已接近1%，接近实用器件所要求的水平。图2所示的是Nenad Lalic等人最近报导的器件的结构，这种器件，外部量子效率为

0.2%，发光阈值电压在4伏左右［9］。

图2　Nenad Lalic等人制造的PS LED结构图

利用多孔硅的光生伏特效应可以制造光电池、光探测器等器件。有关多孔硅光探测器的研究也有许多报导。J.P.Zheng等人制造了金属/多孔硅/p-Si结构的二极管，这种器件对可见光和近红外光很敏感，波长在630～900nm时量子效率接近1。最近，B.nal 等人报导了基于n型紫外线多孔硅(UV-PS)，其结构为Au/n型UV-PS/p型Si/Al的器件。这种器件的特点在于使用n型材料形成多孔硅。对这种器件，在暗室中进行光照实验，滤除光源中的红外光，光谱分布主要在可见光范围。改变光照强度，测得光生电压(开路的情况)随光照功率变化的曲线。实验表明，光生电压随光强的变化，与半导体理论公式正好符合。实验还测得短路电流、输出功率和功率效率随光照强度变化的曲线。结果表明在12mW/cm2条件下功率效率为0.35%。他们的实验进一步表明，多孔硅作为未来制造光探测器、光电池的材料具有相当大的潜力［10］。

研究多孔硅发光器件的最终目标是要把多孔硅光电器件集成在现有的硅微电子集成电路上，要实现这一目标除了需要解决多孔硅发光器件本身的效率问题，稳定性问题外，还要解决多孔硅器件与现有硅集成电路工艺兼容问题［16］。

常规集成电路的制造要经历多次化学腐蚀、高温处理等工艺。要把多孔硅器件制造在硅微电子集成电路上，必须使多孔硅层在经历上述工艺后，不受到损坏。因为多孔硅化学性质活泼、机械性能差、容易破碎，所以解决上述问题就成为发展多孔硅器

件与常规集成电路兼容要解决的关键问题。K.D.Hirschman等人对多孔硅层进行适当处理，成功地解决了这一问题。他们的方法是，使多孔硅在一定的温度下在稀释的氧气环境中退火，形成所谓富硅的氧化硅(SRSO)层，因此可极大地提高多孔硅的化学稳定性和热稳定性。同时，采用此技术制造的LED的发光效率、阈值电压和频率响应也都明显改善。SRSO层经历严格的微电子工艺如热处理(约1000℃)和化学腐蚀等，仍表现出良好的特性［2］。

这种器件的制造工艺如下：在10Ω.cm的p型衬底的表面上由掺杂技术形成一层p +层，采用阳极化技术，p+区形成中孔层(孔隙率约40%，孔直径较大)，此层的下面是纳米微孔(孔隙率70%～80%，孔直径小)，厚度0.5～1.0μm延伸到衬底。在温度为800～900℃的条件下，在稀释的氧气环境(在氮气中，氧的浓度为10%)中退火。微孔层转化为SRSO，中孔层为过渡层，在其上面，采用低压化学汽相淀积(温度为610℃)的办法淀积0.3μm的多晶硅。然后进行n+掺杂，在900～1000℃的温度下退火，形成阴极。分别在多晶硅和衬底上淀积铝形成欧姆接触。

这种多层结构使电子和空穴注入到半绝缘的SRSO层中，n+多晶硅提供低的接触电阻和最小的光吸收。多晶硅与过渡层之间的态密度很小(＜1012cm-2)，使得载流子从阴极到SRSO的输运效率较高。这种器件在室温下的工作情况如下：发光峰值能量在1.7～2.0eV的范围，发光的阈值电压为2V，电流密度10mA／cm2，最大发光强度1mW/cm2，最高的外部功率效率0.1%。而且能够连续稳定工作几个星期。

上述LED的微电子集成电路如图3所示，驱动晶体管以共发射极组态连接，由加在基极上的小信号控制LED的电流，从而调制发光强度。图3(a)为顶视图(由原文中显微照片画出)，图3(b)为截面图，图3(c)为等效电路。这种器件的工艺，与标准的双极工艺相比，增加了五步光刻工艺和几步其它工艺。对这种集成电路的电学特性和发光特性的测量表明，晶体管和LED的性能，与分立情况基本相同。例如电流增益β≈100，这是标准工艺的典型值。当电流密度约为100A.cm-2时(相当于总耗散功率约1kW.cm-2)，连续工作几分钟，器件没有损坏，说明器件的散热特性比较好。在连续工作和脉冲工作两种情况下，发光特性相同，说明发光不是由热发射过程产生的。

由图3所示的结构作为基本单元，构成的复杂阵列集成电路也已经制造出来。

图3　集成电路单元结构和等效电路

4　硅/二硅化铁发光二极管

在前几年人们就对用β相二硅化铁作为制造发光器件的材料，发展与硅兼容工艺很感兴趣。但当时对这种材料的研究还不够深入，不同文献中报导的关于此材料的基本特性如禁带宽度、导电类型都不一致。关于其光致发光机理也有争论，一些人认为是由二硅化铁周围硅缺陷产生的。最近的工作证实，β相二硅化铁β-FeSi2(β-FeSi2是由在(100)硅上进行离子注入，然后退火而产生的)是直接带隙材料，这种材料在光激发下能发射1.5μm的光。

能够用来制造实用的半导体电致发光器件(如高亮度LED，激光器)的材料应该是直接带隙半导体，以便能提供高效快速的辐射复合，还应能够制造成异质结，以便进行载流子的注入和光的引出。β-FeSi2基本上能满足上述的要求。尤其是采用离子注入制备β-FeSi2的工艺完全与广泛使用的硅技术兼容，因此β-FeSi2是制造实用的硅基集成电路的重要的候选材料之一。

最近这方面的研究已经取得重要进展，D.Leong等人制造了硅/二硅化铁发光二极管。他们采用的方法是把直接带隙材料二硅化铁加到常规pn结二极管耗尽区一侧，从而提供一个载流子直接辐射复合的通路，器件结构如图4所示［5］。

图4　硅/二硅化铁LED结构图

在上述器件的制造中为了使用原有工艺技术，采用分子束外延技术制造pn结。在n 型(100)硅衬底上，生长一层锑掺杂n型层(掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.4μm)，再生长一层硼掺杂的p型层(掺杂浓度为1×1017cm-3，厚度为1.0μm)。采用离子注入技术形成β-FeSi2埋层。最终可以全部采用离子注入技术制造pn结和β-FeSi2埋层，而不使用分子束外延技术。

在80K下测量器件的电致发光特性，发现偏置电压在0.8V左右时开始观察到电致发光(EL)，发光强度随偏置电压增加而增加，不同温度下EL强度随偏置电压变化的曲线如图5所示。80K下峰值波长为1.54μm。器件经历多次从80K到室温的温度循环后，在连续波模式下工作数小时，EL特性、强度和工作条件都没有明显变化或衰变。目前这种器件的发光效率还比较低，大约为0.1%。这种器件并不是十分重要的器件，但是它是制造1.54μm硅基激光器的第一步。

图5　不同温度下发光强度随偏置电压变化曲线

5　硅基超晶格结构发光器件［7，8］

近年来，人们已经探索了多种发光的硅基超晶格结构如Si/SiGe、Si/SiC、Si/Ge和Si/ SiO2超晶格等，用这些材料制造发光器件技术都与现有的硅集成电路技术兼容，是未来制造硅光电集成电路的潜在材料。

下面介绍最近Z.H.Lu等人首次报导的硅基SiO2/Si超晶格发光的研究结果。在硅(100)衬底上，采用分子束外延技术，交替生长六个周期的Si和SiO2外延层，SiO2薄层的厚度为1nm，实验中，制备Si薄层厚度不同的超晶格样品，其厚度在1～10nm之间。由于量子束缚作用使二维夹层硅中的能带受到调制，实验证明导带最小值(CBM)和价带最大值(VBM)都要发生变化，变化量可分别表示为：

ΔE CBM(eV)=0.7/d2Si (1)

ΔE VBM(eV)=-0.5/d2Si (2)

其中d Si为Si薄层厚度。

实验测量了这些超晶格在室温下的光致发光特性，激发光源采用80mW，457.9nm 氩离子激光束。结果表明，对Si薄层厚度小于3nm的样品，能够观察到峰值波长在可见光范围，PL峰值与Si薄层厚度的关系如图6所示。而对Si薄层厚度大于3nm的样品，则不能探测到任何PL信号。这种现象可能是由于随着Si薄层厚度的增加，量子束缚效应急剧减小的原因，这可以从式(1)，(2)看出来。

图 6　Si/SiO2超晶格的PL峰值与

Si薄层厚度关系曲线

上述Si/SiO2超晶格PL发光现象的研究结果，距离制造实际硅基发光器件还有很大距离，但是，它清楚地表明，由量子束缚效应，可以使硅转变为发光材料，而且发光的色彩可以通过硅层的厚度来调节，因此，说明超晶格结构用于硅基发光器件的制造具有巨大的潜在的应用前景。

6　结束语

最近几年，硅基光电子器件研究非常活跃，这主要是由信息处理技术对这种器件的需求而驱动的，例如迅速发展光纤通信技术迫切需要硅基集成电路，甚大规模集成电路的高互连密度带来的技术上的困难和带宽限制，也可以通过发展硅基集成电路来解决。如上文所述，这方面的技术已经有不少突破，但是目前发展的几种技术还都不够成熟，多孔硅技术的发展十分引人注目，而且与常规集成电路兼容的光电集成电路已经问世，但是这种电路的效率、功耗和高速光互连应用中的调制速度问题，还有待于进一步解决，还应该能够集成其它的光电子器件，这些都是使器件实用化需要解决的问题。而且因为多孔硅发光的理论还不够成熟，因此这种器件发展还缺乏明确的理论指导。在硅pn结中增加β-FeSi2埋层或掺饵，可以发射1.54μm的光，这种波长的光对光纤通信非常有用，目前这种器件的发光效率还很低。硅基超晶格结构目前还处于发光特性的探讨阶段，要发展实用化的器件还要做很多工作。我们认为就目前的发展趋势看，以后还会不断有新的突破，但究竟哪一种技术能够捷足先登，在实用化的进程中迈出更大的步伐，还有待于看未来研究的发展。

郭宝增　男，副教授，1982年毕业于河北大学微电子专业，1990～1991年在英国利大学进修，主要从事半导体器件模型等领域的研究工作。发表论文近30篇。器件研究与制造

作者单位：郭宝增　(河北大学电子与信息工程系，保定 071002)

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收稿日期：1998－01－23

硅基光电器件研究进展

作者：郭宝增， Guo Baozeng

作者单位：河北大学电子与信息工程系,保定,071002

刊名：

半导体技术

英文刊名：SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY

年，卷(期)：1999(1)

参考文献(10条)

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4.Forster M;Mantz U;Raminnger S Electroluminescence,and photocurrent studies of Si/SiGe p-i-n heterostructures[外文期刊] 1996(05)

5.Zheng B;Micher J;Ren F Y G Room-temperature sharp line electroluminesence at λ=1.54μm form an erbium-doped,silicon light-emitting diode 1994(21)

6.Leong D;Harry M;Reson K J A silicon/iron-disilicide light emitting diode operating at a wavelength of 1.5μm[外文期刊] 1997(6634)

7.Zheng D W;Huang Y P;He Z J Microstructure,heat treatment and oxidation study of porous silicon formed on moderately doped p-type silicon 1997(01)

8.Cullis A G;Canham L T;Calcott P D J The structural and luminescence properties of porous silicon[外文期刊] 1997(03)

9.Hamilfon B查看详情 1995

10.David A B;Miller Silicon sees the light[外文期刊] 1995

本文链接：https://www.360docs.net/doc/2116760090.html,/Periodical_bdtjs199901005.aspx