[发明专利]一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合光互连系统。特别是涉及一种由单晶硅光电探测器(PD)和多晶硅发光二极管(LED)组成的基于标准CMOS工艺的混合光互连系统。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展,集成电路的特征尺寸正在变得越来越小,芯片的集成度也在摩尔定律的引导下变得越来越高,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，这是因为互连线尺寸的减小使互连线电阻增加，从而增加了延时和功耗。当线宽由1微米，变到35纳米,晶体管的本征延时从20ps减小到了2.5ps,但互连线延迟从1ps增加到了250ps,互连线的延时和功耗将大大超过晶体管本身的延时和功耗。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容易产生串扰。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)及光电探测器是实现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。以往Si-LED及探测器多为单晶硅，多晶硅的光电器件极少被研究探索,王阳元等人曾详细阐述了多晶硅的电学特性，张兴杰等人[张兴杰,张世林,韩磊,等.标准CMOS工艺新型多晶硅PIN-LED的设计与实现[J].光电子·激光,2013(1):6-10]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，这证明了基于标准工艺制备多晶硅PIN-LED是可行的。专利[谢荣,张兴杰.基于标准CMOS工艺的新型光互连结构:,CN203690325U[P].2014.]曾提出一种单晶硅LED及多晶硅PIN探测器组成的新型光互连结构。但是其LED与探测器之间仅隔有一层薄栅氧，隔离电效应和热效应的影响不好；其次其下层单晶硅LED只能作为发光器件多晶硅只能作为接收器件不能实现双向通信；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。本发明利用多晶硅层制备Si-LED,单晶硅作为探测器，在水平方向上并排放置，且利用上层金属反射效应形成光互连的混合集成系统。这样不仅可以很好地避免光互连中的电信号与硅衬底中电信号产生串扰，很好地保持各器件的互相独立性，同时相较单晶硅LED和单晶硅探测器光互连系统又减少了光传输路程和散射损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种实现在芯片上进行光通信的同时有效的减少光传输路程和电干扰的基于标准CMOS工艺的混合光互连系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于标准CMOS工艺的混合光互连系统，包括基底，所述基底的上表面上设置有二氧化硅体，所述二氧化硅体内位于上部设置有用于反射光的金属层，所述二氧化硅体内且在基底的上表面上由下至上依次设置有起隔离作用的栅氧层和用于发光的多晶硅LED，所述的基底内临近上表面且位于栅氧层和多晶硅LED的一侧设置有用于接收从所述金属层所反射的光的单晶硅PD。

所述的多晶硅LED包括有依次并排设置在所述栅氧层上的多晶硅LED阴极、多晶硅LED i区和多晶硅LED阳极，所述多晶硅LED阴极通过贯穿所述金属层的多晶硅LED阴极接触孔连接多晶硅LED阴极外接导线，所述多晶硅LED阳极通过贯穿所述金属层的多晶硅LED阳极接触孔连接多晶硅LED阳极外接导线。

所述的单晶硅PD包括有N阱和分别嵌入在所述N阱内的单晶硅PD阴极和单晶硅PD阳极，所述单晶硅PD阴极通过贯穿所述金属层的单晶硅PD阴极接触孔连接单晶硅PD阴极外接导线，所述单晶硅PD阳极通过贯穿所述金属层的单晶硅PD阳极接触孔连接单晶硅PD阳极外接导线。