用于单片集成传感系统的多晶硅级联自发光器件研究

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。

金属-氧化物-半导体硅发光器件在集成电路中的应用前景

集成硅光电子学的目的之一就是为大众市场创造应用广泛、成本低廉的光子互连工具.随着摩尔定律逼近理论极限,集成芯片的金属互连越来越跟不上芯片体积微型化、频率高速化和功耗分配精益化的需求.本文基于硅基发光器件的发展历程,详细论证了金属-氧化物-半导体结构硅发光器件在未来集成电路中的合理应用,提出了全硅光电集成电路在理论和工艺上的可行性.这种电路突破了传统芯片电互连码之间串扰的瓶颈,改善之后的互连速度理论可达光速,有望成为新一代集成芯片的主流.

CP-PLL快速入锁集成电路方案设计

该文基于TSMC 0.18μm RF CMOS工艺实现了一个用于加快CP-PLL锁定时间的数模混合复合结构,该复合结构主要包括两个独立单元——动态环路带宽单元及预置位反馈环。其中,两个单元的控制电路均采用全数字电路实现,并通过DC综合与ICC自动布局布线得到版图信息。经过同一CP-PLL参数环境下的对比分析,比较了包括传统结构的3种方案的锁定时间。在工作电源1.8 V下,优化后的锁定时间为1.12μs,较传统结构锁定时间提升了76.7%;整体相噪在稳态保持-103.1 dBc/Hz@1 MHz,较传统结构仅上升了0.3%。证明该复合结构能够有效降低上电启动以及跳频时的锁定时间。

基于PN结级联光源的全硅光电生物传感器

基于硅基光源且与CMOS工艺兼容的全硅光电生物传感器,其光源低发光效率导致检测低灵敏度,尚不能大规模应用。对此,文中研究了多晶硅PN结级联光源及新型全硅光电生物传感器,包括PN结级联的多晶硅光源的发光机制、波导传输机理、波导生物检测技术。研制的多晶硅PN结级联光源发光效率高达4.3×10^-6,可与波导高效耦合。仿真表明,波导检测区域介质折射率在1.33-1.73之间变化时,介质折射率增加使得光能量更少回到波导内芯,波导内芯传输光强随介质折射率增加而下降,通过光强变化实现介质折射率传感。

标准CMOS工艺低压栅控硅发光器件设计与制备

本文采用0.18μm标准CMOS工艺设计并制备了一种MOS结构的低压栅控硅基发光器件.该光源器件内部采用n^(+)-p^(+)-p^(+)-n^(+)-p^(+)-p^(+)-n^(+)的叉指结构,在相邻两个p^(+)有源区之间覆盖多晶硅栅作为第三端控制电极,用于在源/漏区边缘形成场诱导结,降低p^(+)/n-well结的反向击穿电压,提高器件发光功率.测试结果表明,该光源器件可以发射420nm~780nm的黄色可见光,在3V的正向栅压下,p^(+)/n-well发光二极管的反向击穿电压下降到3V以下,光输出功率提高至2倍以上.本文设计的光源器件工作电压较低,并且与CMOS工艺完全兼容,可以与其他CMOS电路共用电源并且实现单片集成,在硅基光电子集成领域具有一定的应用价值.

一种高维持电压的LVTSCR

对于工作电压为5 V的集成电路,低压触发可控硅(LVTSCR)的触发电压已能满足ESD保护要求,但其较低的维持电压会导致严重的闩锁效应。为解决闩锁问题,对传统LVTSCR进行了改进,通过在N阱下方增加一个N型重掺杂埋层,使器件触发后的电流流通路径发生改变,降低了衬底内积累的空穴数量,从而抑制了LVTSCR的电导调制效应,增加了维持电压。Sentaurus TCAD仿真结果表明,在不增加额外面积的条件下,改进的LVTSCR将维持电压从2.44 V提高到5.57 V,能够避免5 V工作电压集成电路闩锁效应的发生。

发光窗口对MOS结构硅LED电光性能的影响

通过0.18μm标准CMOS工艺设计并制备了一种MOS结构的硅基发光器件。该光源器件在一个n阱中设计了两个相同的PMOS,分别利用p+源/漏区与n阱形成的p+n结进行反偏雪崩击穿而发射可见光。测试结果显示,该光源器件在正偏状态下的开启电压为0.8 V,在6 V的反偏电压下发生雪崩击穿,能够发出黄色的可见光,发光频谱范围为420~780 nm。本文对比了0.5μm和2μm两个不同发光窗口宽度的测试结果,发现该光源器件在更小发光窗口具有更高的发光强度和更好的发光均匀度,该特征与发光器件的反向电流密度分布和光在金属电极间的反射有关。研究成果在片上硅基光电集成回路中具有一定的应用价值。

基于黑硅微结构的全硅PIN光电探测器

本文报道了一种基于黑硅微结构的全硅PIN光电探测器。该器件结合了黑硅结构宽光谱高吸收的特性,以及PIN光电探测器高量子效率高响应速度的特点,通过在传统硅PIN光电探测器结构的基础上增加黑硅微结构层,在不影响响应速度的条件下,提高了探测器在近红外波段响应特性。并且针对纵向结构垂直入射PIN光电探测器时量子效率与响应速度相矛盾的问题,提出了解决方案。测试结果表明,该器件的量子效率可达80%,峰值波长为940 nm,光响应度达到0.55 A/W,暗电流降至700 pA,响应时间为200 ns。

一种基于SiGe BiCMOS工艺的单片集成光接收机前端放大电路

基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺,设计了一种25 Gbit/s的光接收机前端放大电路单片集成的放大电路。该电路实现了光接收机前端放大电路的单片集成,并采用带反馈系统的跨阻放大器、电感峰化、自动增益控制电路等设计有效提高了增益、带宽和系统稳定性。经仿真与测试,该设计增益达到69.9 dB,带宽为19.1 GHz,并在工业级芯片工作温度(-40℃~+85℃)下带宽误差不超过0.1%。该芯片工作时需要的供电电流为45 mA,功耗为81 mW,信号抖动RMS值为5.8 ps,具有良好的性能和稳定性。本设计提供了一种能够适用于100 Gbit/s(25 Gbit/s×4线)光互连系统的设计方案,具有广泛的应用前景。

Optoelectronic properties analysis of silicon light-emitting diode monolithically integrated in standard CMOS IC

Si p^+n junction diodes operating in the mode of avalanche breakdown are capable of emitting light in the visible range of 400-900 nm. In this study, to realize the switching speed in the GHz range, we present a transient model to shorten the carrier lifetime in the high electric field region by accumulating carriers in both p and n type regions. We also verify the optoelectronic characteristics by disclosing the related physical mechanisms behind the light emission phenomena. The emission of visible light by a monolithically integrated Si diode under the reverse bias is also discussed. The light is emitted as spatial sources by the defects located at the p-n junction of the reverse-biased diode. The influence of the defects on the electrical behavior is manifested as a current-dependent electroluminescence.

一种抑制单粒子瞬态响应的SiGe HBT工艺加固技术仿真

基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺,开展了无深槽NPN SiGe HBT工艺和器件仿真。模拟了带深P阱SiGe HBT的制备过程、常规电学特性和重离子单粒子效应。该器件与常规器件相比表现出更优的单粒子瞬态(SET)特性,在关态的SET响应峰值下降了80%,在最大特征频率工作点的SET响应峰值下降了27%,瞬态保持时间也大幅减小。使用深N阱和深P阱隔离同时抑制了集电区-衬底结的漂移载流子收集和衬底扩散载流子收集的过程,极大地提高了器件的SET性能。

基于标准CMOS技术的新型多晶硅发光器件的设计与实现

目前与互补金属氧化物半导体工艺兼容且具有高发光效率的硅基光源的制作技术尚不成熟,针对这一问题,研究了一种新型多晶硅发光器件。首先研究了该结构在反偏电压下可能存在的各种雪崩模式(带间跃迁、轫致辐射、空穴在轻和重质量带之间的带内跃迁、高场条件下的电离和间接带间重组),对不同雪崩模式下的发光机理进行了理论分析;然后研究了器件内部的空穴和电子在反偏电压下的漂移及扩散情况,指出载流子注入增加了参与雪崩倍增过程的载流子数量,进而使碰撞电离率提高;最后对器件的电场、光谱、电流与光强等数据进行分析,对量子效率和光电转换效率进行计算,验证了所研究结构通过载流子注入实现了碰撞电离率的提高,进而实现了发光效率的提高,其中量子效率为5.9×10^-5,光电转换效率为4.3×10^-6。

电子皮肤的研究进展

皮肤是人体最大的器官,能够感受温度、湿度、压力以及外界复杂的刺激.通过电子系统(电子皮肤)重塑人体皮肤的属性是一个研究热点,在人工智能、机器人和人机界面等方面具有广泛的应用.为了模仿人体皮肤的触感,研究者采用不同传导机制和结构设计研发出具有柔性、可拉伸、高灵敏度和高分辨率等要求的传感阵列.高密度柔性电路集成技术、无线技术和自供电技术使得电子皮肤具有便携和可移动等特点.自愈合技术使得电子皮肤对于意外的划伤产生自愈合效果以弥补器件的功能.本文综述了近期国内外用于模仿皮肤感知和生成仿生信号能力的材料、设备,以及改善电子皮肤性能所采用的先进技术.