电子科技大学实现全硅电光调制:MOS微纳结构之单片集成硅器件

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)。硅发光器件的调制技术是硅基光互连领域的研究热点、难点。

电子科技大学的徐开凯教授采用栅控二极管开展电光调制的理论研究,推导得出器件的本征最高调制能达到接近GHz。载流子可控有望进一步降低光子在器件内部的损耗,提高器件发射效率,而且调制速度在现有的研究基础上也有望进一步提升。发射波段与硅光探测器有最佳的光谱匹配,是各种遥控器、光电耦合器、光电检测系统的关键器件。研究成果以论文形式发表在IEEE Sensors Journal [16(16), 6184-6191, (2016)],入选ESI Hot Papers,并在2017-2018年度持续入选了ESI Highly-Cited Papers。

在该ESI热点论文的研究基础上,徐开凯发现硅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所引发,据此另辟蹊径,采用独特的技术路径解决器件电光调制难点。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,实现了全硅单片集成之高速电光调制,见Physica Status Solidi (a), [216(7), 1800868, (2019)] (doi: 10.1002/pssa.201800868)。MOS型场致硅基电光调制之小信号模型、单片集成之硅芯片级器件,以及独具特色的发光波谱更是被PSS期刊以Back Cover形式选为技术进展之亮点。

该芯片采用标准硅IC工艺之集成技术,具有体积小、功耗低、稳定性高、成本低等特点,是当今半导体光电器件与集成技术中最有前景的主流技术之一。这种方案从根本上解决了全硅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。相关文章在线发表在Phys. Status Solidi A vol. (DOI : 10.1002/pssa.201970029)上。

徐开凯建立的电子科技大学全硅半导体光电器件与集成技术研究小组的依托单位是电子薄膜与集成器件国家重点实验室,该国家重点实验室致力于新型电子薄膜材料与集成电子器件的研究和开发,2012年、2017年连续两次被国家科技部评估为优秀实验室。电子科技大学电子科学与工程学院(国家示范性微电子学院)负责建设的“电子科学与技术”学科为国家一级重点学科,在2012年全国学科评估中,“电子科学与技术”名列全国第一,在2017年全国学科评估中,“电子科学与技术”获得A+(全国第一)。

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