[发明专利]基于标准CMOS工艺的多晶硅LED/单晶硅PD纵向光互连系统

说明书

一种基于标准CMOS工艺的多晶硅LED/单晶硅PD纵向光互连系统，在衬底上端面的中部嵌入有N阱，在N阱上端面的中部嵌入有中部浅沟道隔离层，在N阱的上端面嵌入有一圈光电探测器阴极连线端，在衬底和N阱相邻处的上端面嵌入有一圈外侧浅沟道隔离层，在衬底的上端面且位于外侧浅沟道隔离层的外侧嵌入有一圈光电探测器阳极连线端；光电探测器的上端设置有SiO₂，PIN‑LED结构嵌入在SiO₂内且通过栅氧层设置在中部浅沟道隔离层的上端面上，SiO₂内对应PIN‑LED和光电探测器的各电极分别形成有若干个用于连接外部电源的连线孔，SiO₂内对应PIN‑LED结构还嵌入有用于反光的光反射金属板，光反射金属板。本发明减少了光传输路程和散射损耗。

技术领域

本发明涉及一种光互连系统。特别是涉及一种基于标准CMOS工艺的多晶硅LED/单晶硅PD纵向光互连系统。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，微电子产品正在向着小而精的方向发展。进入21世纪，微电子的发展遇到了物理极限的瓶颈。进一步通过“摩尔定律”等比例缩小不仅会急剧增加制造成本，而且会导致不期望的物理效应。另一个更为迫切的瓶颈在于微电子芯片内电互连的延时和功耗。随着集成度的提高，单个晶体管的延时越来越小，然而互连线的延时却越来越大，并且互连线尺寸的减小使互连线电阻增加，从而增加了功耗。人们注意到光作为信号载体的光电子技术不仅传输速度快，频率高，传播信息容量大，而且在三维空间传播，光束交叉时信号之间也不会产生串扰。如果将微电子技术与光电子技术相结合，用标准CMOS工艺在硅基衬底上制备全硅光电集成电路(OEIC)，则可在维持集成电路工艺成本基本不变的前提下，使电路处理信息的速度有很大的提高。

高效的硅基发光器件(Si-LED)及光探测器是实现OEIC的基础和核心。为此近些年研究人员对Si-LED及相应的探测器进行了大量的研究，设计了各种类型的Si-LED及探测器。虽然在OEIC的研究中不断有新的理论被提出，单个器件的某些性能也有相当的提高，然而用标准CMOS工艺制作OEIC的技术依然还不成熟，还有待于进一步的研究。目前，与标准CMOS 工艺兼容性最好的器件为硅PN结发光器件，它发光的波长在Si基探测器可探测范围内，具有较快的响应速度，可以满足硅光电集成的要求，因此在Si OEIC中有很好的应用前景。PN 结在正向注入与反向击穿情况都可以发出光，但正向发光相对反向发光工作电压低、发光效率高，因此应用前景更广阔。然而单晶硅材料对于波长低于85Onm的光具有较强的吸收系数，因此在可见光光互连系统中单晶Si发光功率和外量子转换效率都很低。张兴杰等人[1]基于标准CMOS工艺成功制备了多晶硅PIN-LED，且成功测试了其电学及光学特性与单晶Si-LED 非常相似，这证明了基于标准工艺制备多晶硅PIN-LED是可行的。这为我们提供了一种思路，用多晶硅制作LED进行发光，单晶Si进行接收，这样能够有效的减小单晶Si对LED发射光能的吸收，增加光互连系统的响应度。专利[2]曾提出一种单晶硅LED及多晶硅PIN光电探测器组成的新型光互连结构。但是其多晶硅探测器与单晶Si之间仅隔有一层薄栅氧，隔离电效应和热效应的影响不好；其次其用单晶Si制备LED并没有避免单晶Si对可见光的吸收；第三Si基LED正向偏置载流子注入发射红外光，反向偏置击穿虽发出可见光，但发光波长也在700nm左右，由于多晶硅层较薄，其对Si基LED发出的长波长光探测性能较弱，而单晶硅深结探测长波长光相对较好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现芯片上光通信的同时有效的减少光传输路程，减少电干扰，增加光互连系统响应度的基于标准CMOS工艺的多晶硅LED/单晶硅 PD纵向光互连系统。