CN102549777B - 利用变化电场雪崩LED的全硅750nm基于CMOS的光通信系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种光通信系统，其包括：基于硅的光发射器件，其通过雪崩载流子倍增来运行并在850nm的硅的阈值波长探测范围以下发射光；低损耗光波导，其在850nm的硅的阈值波长探测范围以运行；以及一个光探测器，其中，一个完整的全硅光通信系统被形成，其能够借助于光强度变化传输电信号，这种强度然后被传播通过所述波导并被所述光学探测器探测；并被转换回电信号。在系统的特殊操作模式中，波长调制可被获得。在其他的应用当中，转发操作和光放大可被获得。
Description
技术领域
本发明涉及硅光发射器件(SiLED)领域，以及涉及所述器件在当前的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术和未来的绝缘体上硅(SOI)技术中的应用。
背景技术
绝大多数的微电子器件由硅形成，过去的几十年中，大量的努力被用于改善这些器件的可靠性和可制造性。由此，硅基微电子器件已变成了可靠和廉价的部件。特别是，互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术已变成一个，为社会的整个电子产品中的将近90％的产品提供基本的制造技术的数十亿产业。而且，绝缘体上硅(SOI)技术被认为是将来合并光电技术和主流电子制造技术的基本技术。
可以认为，对于CMOS和SOI的应用，当前的技术发展水平集中在1100nm和1100nm以上光通信系统，这主要源于与长距离光纤通信系统的兼容性。这种方式有极大的限制，因为它需要将锗包含到系统中以便实现一个有效的探测器和或III-V族技术——其在材料和处理工艺中都要使用混合的方法。这些技术是特别复杂的并且也非常昂贵。
为了利用已有的硅基技术和基础设施，有很大的兴趣将有源光学元件集成进CMOS和SOI硅技术。然而，硅是间接带隙半导体材料，不同于直接带隙半导体材料，硅具有低的光发射效率。因此，硅被看成是一个差的场致发射辐射源。
尽管光子产生机制还没有完全为人们所知晓，一个来自硅的可见光源是雪崩击穿条件下的反向偏置p-n结。当p-n结被反向偏置至某一点，而使该结上的电场加速电子，从而使它们与晶格进行电离碰撞时，发生雪崩击穿。电离碰撞产生另外的电子，新产生的电子随同原来的电子，被加速，以致产生了额外的电离碰撞。当这个过程继续时，电子的数量在很短的时间段内急速地增加，产生了电流倍增效应。通过带内的载流子弛豫效应和带外的载流子复合效应，这些碰撞的小部分导致了光子发射。
基于这个原理，Snyman等人在IEEEPhotonicsTechnologyLetters，Vol.17，No.10，October2005，pp2041-2043的“ADependencyofQuantumEfficiencyofSiliconCMOSnppLEDsonCurrentDensity(SiCMOSnppLED的量子效率对电流密度的依赖性)”中，已报道通过利用带有楔形端的反向偏置p-n结(楔形端限制了纵向和侧向电磁场)，雪崩硅光发射器件(AvSiLED)中的来自硅的光发射效率能得到极大的增加。
一些形式的光波导最近已经通过CMOS技术和SOI技术被实现。这些包括了使用内反射机制或肋形波导机制，其中，光模式沿着肋的长度侧向传播。第一代光电集成电路已经通过CMOS技术被实现(其中使用了CMOS处理技术)，其包括SiCMOSLED元件、基于内反射的波导(其使用场氧化物和SIN)和指定的探测器元件(尤其是使用特殊设计的侧入射传感器)，所有这些都通过CMOS技术设计和处理，以及由Snyman等人加以设计。Lately，Rowe等人已经认识到了借助于肋设计以及主要利用场氧化处理技术的更为先进和更为有效的波导，如L.K.Rowe，M.Elsey，E，Post，N.Tarr，A.P.Knights在Proc.SPIE6477，64770L，(2007)的“ACMOScompatibleribwaveguidewithlocaloxidationofsiliconisolation(带有局部的硅绝缘氧化的与CMOS兼容的肋波导)”中所报道的。一些更先进的CMOS覆盖层中的波导传播的仿真在L.Snyman等人的Proc.SPIE7208，72080C，(2009)的“ApplicationofSiLED′s(450nm-750nm)inCMOSIntegratedCircuitrybasedMOEMS-SimulationandAnalysis(SiLED(450nm-750nm)在基于CMOS集成电路的MOEMS中的应用——仿真和分析)”一经公开就被加以报道了。
使用基于氮化硅的覆盖层以及基于氮氧化硅的覆盖层，以及通过特殊的光电模块将来自嵌于硅基底和CMOS井的SiLED的光耦合进入和耦合离开这些覆盖层，看起来特别可行，因为，最近已经证实，这些材料基本上是透明的，其对于650nm以上的辐射，每厘米的dB损耗很低。
相应地，现有技术要求，在650-850nm波段内，对基于硅的半导体器件和波导技术做进一步改进。
发明目的
本发明的目的是提供一种相对于已知器件进一步改进的光发射结构，并且该光发射结构与650-850nm的波长范围特别兼容。
提供新颖的和有创造性的光发射结构也是本发明的一个目的。
发明简述
根据本发明的第一方面，提供了一种光通信系统，其包括：基于硅的光发射器件，其通过雪崩载流子倍增来运行并在850nm的硅的阈值波长探测范围以下发射光；低损耗光波导，其在850nm的硅的阈值波长探测范围以运行；以及一个光探测器，其中，一个完整的全硅光通信系统被形成，其能够借助于光强度变化传输电信号，这种强度然后被传播通过所述波导并被所述光学探测器探测；并被转换回电信号。
硅光发射器件可以包括具有高掺杂的第一区域的第一主体，第一区域同第二区域相接，第二区域具有更低的掺杂，并接着同更高地掺杂的第三区域相接，从而发生从第一区域到第三区域的载流子转移。
硅光发射器件还可以包括第三电金属终端，该第三电金属终端电接触第二区域，使更低地掺杂的第二区域中的电场分布被改变，以便从第二区域提取额外的载流子或向第二区域注入额外的载流子，以及以便增强来自器件的光发射。
第一主体可以同第二主体相接，从而发生从第一主体到第二主体的光辐射的有效转移。
所述第二主体可以是光波导。
所述第二主体可以包括光纤。
第二主体可以包括系统外部的环境。
互补金属氧化物半导体(CMOS)技术可以被利用。
绝缘体上硅(SOI)技术可以被利用。
光通信系统，可以进一步包含了特殊的驱动探测器和信号处理的电路。
光发射器件可以包括具有高掺杂的第一区域的第一主体，第一区域同第二区域相接，第二区域具有更低的掺杂，并接着同更高地掺杂的一个区域相接，从而发生从第一区域到第三区域的载流子转移。
一个附加的第三电金属终端可以电接触第二区域，使更低地掺杂的第二区域中的电场分布被改变，以便从第二区域提取额外的载流子或向第二区域注入额外的载流子，以及以便增强来自器件的光发射。
一个附加的第三电金属终端可以电接触第二区域，使更低地掺杂的第二区域中的电场分布被改变，以便引起受激载流子与引入所述第二区域或一个构成第二区域边界的区域中的高密度的缺陷态的增强的再复合。
第一主体可以同第二主体相接，从而发生从第一主体到第二主体的光辐射的有效转移。
光发射器件可以包括具有高掺杂的第一区域的第一主体，第一区域同第二区域相接，第二区域具有更低的掺杂，并接着同更高地掺杂的一个区域相接，从而发生从第一区域到第三区域的载流子转移，以便从第二区域提取额外的载流子或向第二区域注入额外的载流子，以及以便增强来自器件的光发射，以便引起受激载流子同构成第二区域边界的或与第二区域相接的或含在第二区域内的第二材料相互作用，从而因高能载流子与第二材料的相互作用而发生次级光子发射过程。
第一主体可以同第二主体相接，从而发生从第一主体到第二主体的光辐射的有效转移。
所述光发射器件可以包括具有高掺杂的第一区域的第一主体，第一区域同第二区域相接，第二区域具有更低的掺杂，并接着同更高地掺杂的一个区域相接，从而发生从第一区域到第三区域和金属接触终端的载流子转移，以便从第二区域提取额外的载流子或向第二区域注入额外的载流子，以及以便增强来自器件的光发射。
第一主体可以嵌入第二主体，从而使沿着第一主体的边界的电场分布被改变，以及发生增强的受激载流子的倍增，从而增强来自器件的光发射。
第一主体可以嵌入第二主体，使具有非常低的掺杂水平的薄的第四区域被引入在第一和第二区域之间，以增强第一主体和第二主体之间的电场分布，以及增强来自器件的光发射。
以上描述的本发明实施方案形成当前被描述的所有基于SOI和CMOS的光通信系统的主要设计和发明基础。取自这些实施方案的关键特征是：尤其是在650-850nm的较长波长范围内，可以使用标准的CMOS材料和制造部件获得低损耗的波导。
上述的本发明的实施方案允许开发一个所谓的芯片上光通信系统，该系统使用：
(1)低于850nm波长(硅探测器阈值)SiLED发射器，
(2)使用标准CMOS材料和制造工艺的低损耗光波导，以及
(3)开发高效光耦合器结构，以便实现从SiLED结构到波导的有效耦合，反之亦然。
上述本发明的实施方案具有开启一个全新的电光应用领域的潜力，所述电光应用如光耦合、芯片上的子部分之间的电-光绝缘、大芯片上的光锁泵浦、除去芯片上的子部分之间的传播延时效应、通过芯片上的光学器具的各种数据转移系统、通过光纤技术的从芯片到环境的数据转移、各种基于光学的传感器系统以及各种微光机械传感器(MOEMS)器件——它们在使用光学器具的CMOS芯片上提供了全新的探测和监视范围，使它们更智能、更有效和更经济。
能被集成到集成电路中的基于硅雪崩的光发射器件当前有如下优点：
好的电-光耦合和通信可能性：对于10x10微米的探测器，在室温下的漏电流是皮安级的并且低频最低功率检测水平是皮瓦级。从SiCMOSLED发射的当前功率发射等级是10-100nW级的，这比CMOSpn探测器的探测限值高将近三到四级。因此，借助于这种SiLED技术，数十亿美元的经济规模的CMOS技术和它的小的微型部件制造能力提供了各种电光应用。
大于1Gb/秒的高的潜在带宽操作速度：AvCMOSLED结构中的小尺寸提供了高调制速度，因为器件的主要部件运行在操作的负偏置模式下，并且器件的小尺寸提供了低的内部寄生电容，导致很高的调制的速度。CMOS集成电路中的集成的SiLED光电部件的最终的速度由周围的驱动和信号处理电路决定。在这一点上，已经取得巨大的进步，可实现当前的GHz信号处理速度。
好的电绝缘：由于室温下的低的漏电流，SiCMOS技术提供了非常高的电路部件之间的电绝缘。
无干扰探测和数据处理：已知晓，光探测和处理技术提供对干扰和噪声的超强免疫力。在微电子和商业环境下，大趋势是使用光技术。
系统可靠性：在硅技术中，硅雪崩二极管运行在高可靠性水平下并且在这一点上有被证实的跟踪报告——尤其在电力和齐纳稳压器中的应用。
总之，描述了所有基于硅标准互补金属氧化物半导体(CMOS)的光通信系统，所述光通信系统使用变化电场分布雪崩硅光发射器件(SiMOD-EAVLED)、硅变化电场分布探测(SiMOD-E探测器)结构、氮氧化硅和650nm-750nm区域中的基于沟槽(SiOXI-TRENCH)的光波导。MOD-ESiLED的光发射水平比SiMOD-E探测器的低频探测水平高三个数量等级。基于氧化氮沟槽的波导提供了750nm处的低于0.1dB的低损耗。
附图说明
将通过参考以下附图以示例的方式更详细地描述本发明，其中：
图1示出了p+np+结雪崩CMOSSiLED的设计概念的示意性表示，图1(a)绘出了器件的结构，图1(b)图解了通过器件的电场的分布图，通过图1(c)在Si能带图中示出了器件的可能的光子能量跃迁。
图2在Si能带图中示意性地示出了，对于所述器件，可能的光子能级跃迁。
图3(a)是器件结构的示意性表示；图(b)到图(e)是作为通过器件的距离的函数的相应参数分布图。每个区域界面和结以点线示出。
图4是示出E-MODSiLED结构和光发射区域的示意图，图(b)是器件的各种操作模式下的通过器件的电场分布图。
图5是示出E-MODSiLED同相邻的光传导主体耦合的示意图，所述的相邻的光传导主体在本情况中被设计为具有更高和更低的折射率区域的光波导。
图6是示出E-MODSi探测器耦合的示意图，示出了(a)器件结构，(b)是器件的各种操作模式下的通过器件的电场分布。
图7是本发明的全光通信系统实施方案的示意图，所述实施方案使用了MODESiCMOSLED、基于CMOS的光波导、基于MODECMOS的光探测器。图7(a)示出了源探测器和偏置布置，其中使用较短波长(450-650nm)通信。图7(b)示出了源探测器和偏置布置，其中使用较长波长(650-850nm)通信。
图8示出了通用E-MODSiLED的实施方案的示意性代表，其用于增强硅和光波导界面电荷载流子的相互作用，以及增强从SiLED到侧放波导中的光耦合。
图9示出了：使用存在的绝缘沟槽技术的CMOS技术中的硅波导实施方案的示意性代表。图9给出了：在沉积合适的更低折射率材料衬里之后，用折射率更高的材料填充沟槽的技术。
图10示出了光辐射的有效光耦合的实现的示意图，所述耦合为从使用梯度折射率透光层的侧向倍增和次级激发SiLED进入放在CMOS芯片覆盖层中的光波导。
图11示出了有利于低缺陷区域中电子释放的SiLED器件形式的实现，并且使用了CMOSLOCOS氧化技术和通过LOCOS氧化层实现的第三接触终端。
图12示出了使用CMOSLOCOS氧化技术及通过LOCOS氧化层制造的第三接触终端的SiLED器件形式的实现，该器件支持低缺陷区域的电子弛豫，表面态出现于LOCOS-硅界面，以及从器件的第三区域注入带有相反电荷的载流子。
图13示出了使用绝缘体上硅技术实现通用MODESiLED。
图14是根据本发明的又一个实施方案的全光通信系统的示意图。
图15是根据本发明的又一个实施方案的全光通信系统的示意图。
具体实施方式
现在参考附图，详细给出本发明的实施方案。
图1图解了硅雪崩光发射二极管(SiAvLED)技术。图1(a)示出了p+nSiAvLED的结构，其中示出了耗尽区的尺寸、热电子的扩散及其与散射中心的可能的相互作用。图1(b)示出了通过器件的电场分布图。图1(c)示出了作为透过器件的距离的函数的扩散载流子所获得的能量。
图1图解了p+n雪崩硅LED技术的一些概念设计方面，其中涉及特定的器件区域、电场分布、硅能量带隙中的可能光子跃迁和稳态操作条件期间的动态载流子密度。器件的三个清楚的活跃区域能被识别，那就是产生热载流子的强电场激发区和较低电场漂移区。
下面提供了随后将要被描述的器件操作的更多的细节。当偏置器件时，一个p+n结上产生高的线性增加的电场，该线性增加的电场在p+n界面达到最大。在一些偏置电压下，在界面区域中的电场达到足够高的值，以致电荷倍增(雪崩)在界面周围的狭窄区域内发生了。高能量的(被激发的)电子被移向结的n侧并且高能量的(受激的)空穴被移向结的p+侧。
因为电场随着距离p+n界面的距离线性地衰减，被转移的电子很快到达电场没有高到足以支撑离子化和载流子倍增过程的区域，但是它们依然在线性降低的电场下从结处移出。这个区域被称作器件的耗尽区或漂移区。
图2给出了，在上述情景中可能被激发的一些主要的光子跃迁过程。图2是硅的能带图，示出了在被激发到较高能态之后，硅中的电子和空穴的再复合以及载流子的可能的弛豫。
早期对雪崩np硅结中的光发射过程的起因的研究表明了，主要的光产生过程与在高电场雪崩条件中的主硅原子离子化过程是相关的，所述的主硅原子离子化过程随后跟随着带内弛豫过程，和声子支持的间接的带到带的跃迁。
然而，通过使用受激载流子和低能载流子间的再复合特性和使用一些新颖的器件设计，一些高能带间光跃迁可在硅带结构中被激发。
在下文中，描述了一个完整的全硅光通信系统。
图3(a)是所述器件的结构的俯视示意图。系统的基本活动元件是主体300。主体300被分割成3个区域：第一个区域310、第二个区域320和第三个区域330。第一个区域310、第二个区域320和第三个区域330被彼此相邻地排列并且包含不同的掺杂水平。第一个区域310被形成为p+结构、第二个区域320被形成为n结构并且第三个区域330被形成为n+或p+结构。在第一个区域310和第二个区域320之间存在结J1，如图3(a)所示。在第二个区域320和第三个区域330之间存在结J2。顶面壁通过参考数字340被示意性地标出。电子空穴再复合区域350被形成在区域320中。
图3是俯视中的布局的示意图，其中电压偏置，所述偏置被应用于n+pp+器件中，以在器件的激发部分中实现改变的(平坦的)电场分布和在器件中创造高的np再复合产物。
图3(c)，图3(d)和图3(e)是穿过器件的距离的函数的相应参数分布图。每个区域界面/结被以点线显示。第一个区域310被高掺杂，被适当地接触至地或者接某一参考电压。第二个区域320更低地掺杂和尺寸较长，并且与更高地掺杂的第三区域330相接，二者的掺杂种类相同或相反。重要的金属供给和触点T2被置于第二区域内，T2直接接触第二区域的后半部。合适的金属供给T1及T3也接触第一部分310和第三部分330。
在第一区域310和第二区域320之间的第一个结J1被反向偏置，以致耗尽区扩展进第二区域320。这通过在金属供给T2上加合适的电压来实现，T2接触第二区域320。
一个穿过第二区域320的电场分布被建立起来，如图3(b)中所示。所述分布是金属终端T2和半导体主体1之间所施加的偏置以及第一区域和金属触点终端T2之间所建立的三角形电场布局组合的结果。金属终端T2和低掺杂区域也建立起低阻抗接触路径，从而给第二区域中的电场分布提供低阻值偏置(调制)选择。如在终端T2和半导体主体1之间获得的比较平坦的电场分布增强了次级载流子的离子化，增强了区域2(320)中每单位体积所获得的总的受激载流子密度。随后，根据图2中的A类(450-650nm)的光子跃迁过程的高能电子和空穴的再复合可在区域2的350区域中被增强。因为电子(470)的平均扩散长度长于区域2中电场的衰减长度——其超过终端2触点，如图2中的B类光子转移(650-850nm)将在器件区域2的360区域中被特别地激励。图3(c)和(d)示出了，当使用p+nn+配置时，穿过器件100的电子和空穴的离子化分布图以及所得的电子和空穴密度分布图(其中主体300沿着图3(a)中所示的XX’线方向)。图3(e)示出了随后的电子空穴再复合和电子弛豫分布370和380，每一个在器件中产生了特殊的光发生区域350和360，如箭头390所示意性地示出的。当使用p+np+配置时，空穴能从第三区域330注入第二区域320并且导致受激高能电子和低能入射空穴于区域380中再复合，从而导致了图2所示的C型的跃迁，以及导致了650-750nm的发射波长。由于高浓度的空穴和电子的相互作用，发射强度有几个数量级的增加。
相应地，依据图2中B型跃迁的较长波长(750-850nm)的电子驰豫型光发射可用p+nn+配置实现。
相应地，依据图2中B和C型跃迁的具有较长波长(650-850nm)的电子再复合型光发射可用p+np+配置实现。
通过改变触点T2上的偏置电压，可以通过雪崩倍增过程，使靠近结J1的区域置于光发射模式下。
图4的(a)是示出了作为器件100的E-MODSiLED的结构，光发射区域350和360；以及(b)对于器件100的各个操作模式，穿过器件的电场分布图440、450和460。图4(a)中，触点T1、T2和T3由各自的金属供给410、420和430提供。
高偏置电压将保证强的光发射，同时低偏置电压将导致较低的光发射。当电压低于光发射所必须的阈值电压时，此时能够实现光发射的完全关断。这在图4b中被示意性地示出，其中，参考数字440指示有效光发射模式，参考数字450指示光发射阈值和参考数字460指示光发射的关断。
改变第三终端T3上的偏置电压，将引起穿过这个结构的电势分布，依据从第二区域320进入第三区域330的部分电流密度分布，而发生细微改变，并能引起光发射水平的变化——当部分偏置电压通过该终端施加时。因此模拟或数字强度/幅度调制能被实现。
在其他情况下，载流子可从具有相反电荷载流子的第三区域330注入到第二区域320中，以致发射光波长的变化可被实现，因此完成了被发出的光辐射的波长调制。
因此，通过改变或调制区域2中的电场分布，器件中的幅度和波长的调制能够被实现。因此器件被命名为变化电场硅光发射器件(MOD-ESiLED)。
在另一个本发明的实施方案中，第二个区域320可被进一步分为多个更小的更低或更高地掺杂的区域，以便优化器件100的光发射过程或波长特性。
在本发明的其他实施方案中，可以将各区域所指定的掺杂水平做成相反的，以便将所激发的空穴的较高的能量用于特定目的。
在本发明的其他实施方案中，可以在主体1和主体2的界面处放置一个薄的次级光子发射材料层，使得高能量的载流子侵入所述层或与所述层相接，产生更高的总光子发射。
在区域350或区域360(或两者)附近的区域上光发射被产生并可有效地被耦合进相邻地放置的波导结构中或透光结构中。参照图5，这将在下面详示。
图5是示意图，示出了E-MODSiLED器件100同相邻的光传导主体500的耦合，在此情况中，主体500被设计为具有更高折射率区域520和更低折射率区域510的光波导。应当注意到所有的元件能使用传统的CMOS工艺技术被制造。例如，接触供给被提供在第一金属和接触层530上。
可以利用各种波导。光可以通过基于LOCOS和氮氧化硅或SiN的波导或透光聚合物结构主要被耦合进CMOS覆盖层中。或者，光可以被耦合进基于波导槽(所述波导槽基于氮氧化硅或氮化硅)的结构(OXI-TRENCH)中，这些结构可以主要被应用在0.35微米CMOS技术中。尤其是，氧化氮、氮化硅或现有技术中的透光聚合物，对于更高的芯材料而言是合适的，并提供了波长700nm到1100nm下的低于0.1dB的非常低的功率损失。
在波导的端部，光被有效地耦合进与SiMOD-ESiLED具有相似的结构的探测器器件200中，如图6所示意性地示出的。探测器器件200用作器件100所产生的、并且通过光传导主体500传送的光的探测器。
图6是器件结构的俯视图。系统的基本的活动元件是主体600。主体600被分割成3个区域，第一个区域610、第二个区域620和第三个区域630。第一个区域610、第二个区域620和第三个区域630被彼此相邻地布置并且包含不同的掺杂水平。第一个区域610被形成为p+结构、第二个区域620被形成为n结构并且第三个区域630被形成为n+或p+结构。在第一个区域610和第二个区域620之间存在结J1，如图6(a)所示。在第二个区域620和第三个区域630之间存在结J2。通过参考数字650示意性示出的入射光子，在区域620中形成电子空穴再复合区域640。
用于第二区域620的终端T2上的偏置电压被选为低于用于通过雪崩过程产生光的阈值电压。依靠速度和信噪比需求，可实施两个探测模式。在探测模式1中，结J2可被足够高地偏置，以致在光子入射期间发生次级离子化电荷倍增，以较低的信噪比来产生高的信号响应。
在探测模式2中，结2被偏置得更低，以致只有电子空穴对由于光子注入该区域而产生。这将导致较小的信号，但是具有较高的速度和较高的信噪比。通过穿过器件低参杂第二区域620的动态的载流子和电压降变化(在金属供给触点和区域620区域630结(J2)之间的区域中)，第三区域630上的接触供给T3上的信号将再次被产生。因为器件的探测特性也是由器件的电场分布决定的，所以它被命名为MOD-ECMOS探测器器件200。
通过设计波导结构500的尺寸、设计SiMOD-ELED100的尺寸和设计波导结构相对于第二区域的空间放置，辐射的耦合效率可被优化。在其他实施方案中，可以利用指定的光耦合结构来优化进入波导结构的耦合或将辐射垂直地传输出结构100或导进基于适当的波导的分光器。
图7是全光通信系统700示意图，系统使用了MODESiCMOSLED100、基于CMOS的光波导500和基于MODECMOS的光探测器200。系统允许对于不同操作模式在信号输入输出处分别进行偏置，也允许对不同的信号输入和输出终端在信号输入和输出处分别进行偏置。因为输入和输出结构是通用和相似的，器件能被设定作为光源或光接收器使用以及反之亦然，允许在同样的波导上进行信号和数据的双向通信和传输。
图7(a)是一个被优化用于以较短波长450-460nm的光辐射进行光通信的系统。
偏置信号分别通过终端730和740被提供，输入信号的调制通过终端710被提供并且输出信号通过终端720被探测。这些是优选的实施方案，目的是提供最低的运行电压和最高的效率。在其他实施方案中，偏置可由终端710和720提供，同时调制由终端730执行，并且信号探测由终端740来探测。
图7(b)是一个被优化用于较长的波长(750nm)的光通信的系统。该系统基于电子弛豫过程。此处，偏置通过终端770和780而被加载，同时调制和信号探测由750和760分别加以提供，以使运行电压最低以及使效率最高。探测器区域640可被偏置成电荷倍增模式，如图6b(450)的分布图所指示的。在其他的应用方案中，偏置可由终端750和760加载，同时调制和信号探测由终端770和780分别加载。
从区域350由SiMOD-ELED100产生的短波长(450-650nm)可被用于短程的芯片上通信目的，或者用于利用高能量的受激载流子的各种次级激发目的。因此如图7(a)或7(b)所示的完整的光通信配置被实现了。
特别是，被SiMOD-ELED100产生的较长的波长将被用于耦合进基于氮氧化硅的波导，因为在这样的材料中，每单位距离的功率损耗低。这可实现完整的光通信系统的设计和构造，所述系统主要利用区域360的发射区域。因此图7b中所示的完整的光通信配置可被实现。
探测器元件的侧向宽度也能被优化，以部分匹配入射辐射的吸收长度。对于较长波长的探测，离子化载流子倍增的利用也是更为有利的，因为它为探测元件提供非常短的侧向宽度。
由于MOD-ESiLED100的特定的光发射特性(该MOD-ESiLED尤其给出了nw到微瓦范围内的650-1000nm波段的发射)，它提供了与基于氮氧化硅或氮化硅CMOS的在700nm以上具有低功率损耗的波导的非常好的兼容性，也提供了硅p-n或p-i-n探测器在700-850nm处的好的探测特性，所述的系统特别适合产生CMOS芯片上的光通信系统。这可以找到各种应用，例如光数据传输系统、基于CMOS的微光机电结构(MOEMS)、基于CMOS的光内连接系统和基于CMOS的电光绝缘器和光耦合器。
波长调制可通过对所述器件的通用形式进行结构和操作条件的轻微调整来实现。对于波长调制运行，优选的是p+np+配置，其中图4a中的区域330被取代为LED源处的p+掺杂区域。通过在T3上的偏置，空穴从区域3注入进区域2，以致驰豫的高能电子和注入的低能空穴之间发生增强的相互作用，尤其激励了图2中C型的光子声子支持的跃迁。因此，触发这种运行模式将诱导从750nm到650nm左右的波长转换的变化。
通过对所述通用结构和概念的微小改变，作为不同的实施方案，系统可以被实施到绝缘体上硅技术中。因为系统中所述输入和输出器件的结构的相似性，通用结构可被用于系统的输入和探测侧，以致使使用CMOS芯片上的相同通道的双向通信成为可能——通过仅仅改变特定部分上的偏置电压以便确定运行模式。在输入端和输出端处，两个终端被用于偏置，同时第三个终端如前所述被用于调制和信号探测输出。
图8示出了本发明的进一步的实施方案，该实施方案的目的是增强从主体300结构到光传导主体500的光耦合。图8示出了通用E-MODSiLED实施方案的示意性表示，所述实施方案的目的是为了增强硅和光波导界面电荷载流子的相互作用，以及增强从SiLED进入被侧放的波导的光耦合。此处，使用了通用主体800结构，所述通用主体800结构包括从810到840的三或四个区域，但金属触点和供给被放置在金属层860上，以使得在第二区域820和第三区域830的表面上形成较高的电流密度，因此，在具有光纤芯的区域820和区域830表面最大化了光输出，因此而增强了光辐射390进入波导500的较高折射率芯520的耦合。
图9示出了可被用于本发明的波导的截面图。光主要通过LOCOS和基于氮氧化硅或氮化硅的波导或透光聚合物结构而被耦合进入CMOS的覆盖层。或者光被耦合进基于波导槽(所述波导槽基于氮氧化硅或氮化硅)的波导(OXI-TRENCH)结构，沟槽主要用于0.35微米以下的CMOS技术。在这种情况下，硅基底900中的一般绝缘沟槽920的薄的LOCOS衬里被做的更大，随后跟有合适的氮氧化硅或氮化硅的合适的沉积和生长，从而，在较低折射率包围材料930中形成较高芯折射率910。最后，合适的表面层也能被沉积用来在顶面包裹较高折射率的芯。
图10示出了从SiLED100中发射的光辐射耦合进横向放置的波导1000的耦合实施方案。在SiCMOSLED光发射区域1020上面，湿法蚀刻或干法蚀刻一个窗口，所述窗口具有微米级的尺寸。随后，通过用掩模合适地覆盖CMOS芯片平面视图中的其余部分，并且，接着在腔中沉积具有梯度折射率的各个层1010。如果梯度选择被正确做出，在所述的这个方案中，从Si-SiO2界面到表面——作为一个进行情况——从低到高，可在二维中产生光的折射，以致发射的光被聚焦进入任何单模的或多模的光纤的芯中，同时，具有非常高的耦合效率。
耗尽层1030、载流子激发区1040，连同第二区域1110、第二区域1120、电接触区域1130和氧化绝缘层1140，是SiLED100的一部分，类似于针对前述实施方案所描述的器件。
在进一步的实施方案中，使用相同的梯度折射率概念和覆盖层中光折射率梯度的定义，通过掩模沉积不同的覆盖层，从而在传统的COMS集成电路的覆盖层中直接形成一系列光梯度折射率波导——通过采取适当的后处理工艺。
在进一步的实施方案中，使用相同的梯度折射率概念和覆盖层中侧向的和垂直向的光折射率梯度定义，通过掩模来沉积不同的覆盖层，从而在绝缘层顶部上(通常是COMS集成电路的场氧化层)直接形成一系列光梯度折射率波导，以及较高折射率区域直接形成于场氧化层上，这样，传统的肋波导或单模或多模高折射率光纤/波导被形成，并且，导致来自SiCMOSLED的发射被有效地耦合进波导的较高折射率部分中。详细的过程和材料选择能被选择，目的是优化技术。如果有必要，光层可在金属层被沉积之前被预沉积，金属层通常要求低的热预算和在CMOS工艺过程末端制备。梯度折射率合成物也能通过传统的玻璃掺杂和玻璃流动技术获得。如果有必要的话，一些特定的光学模块可借助于不同的工艺被独立地制造，并在CMOS工艺之后，连同光纤光学模块的拾取和放置一起，被拾取和放置就位，此作为一个后处理工艺过程。所有的这些实施方案通常适合于用0.35微米以上的CMOS技术来实现。
特别地，在进一步的实施方案中，一排如图8所示的结构可被用于形成一排与芯片的一个侧表面相接的光电界面，其中波导端以行的形式与所述侧面相接。这个结构是特别切实可行的，因为获得了从SiLED到波导结构的非常好的耦合。因为离开芯片的侧表面的波导发射均被高度准直，可以实现到次级主体(如一排光纤或其他结构)的非常高的耦合。
在进一步的实施方案中，如图1所示的半导体局部氧化(LOCOS)可被用于将发光区域从半导体表面移开，以便优化LED和波导主体的芯之间的耦合。可选的i层可被置于主体区域2(1130)和区域1(1100)之间，目的是为了增强平坦的电场分布和增强载流子倍增和载流子密度。
在进一步的实施方案中，半导体局部氧化((LOCOS)1270可如图12中一样被使用，目的是增强同具有高能或驰豫电子的硅氧化物界面态的相互作用。
在进一步的实施方案中，半导体局部氧化((LOCOS)可如图12中一样被使用，也可用作一种载体，用于以连续的或被包含的形式引入次级光子发射材料1240，以便增强来自这些材料的光发射——当这些材料被上述器件和各实施方案产生的高能载流子侵入时。
图13以横截面视图示出了使用绝缘体上硅技术将光耦合进波导的实施方案。在此，主体1(1320)的各个区域被限定为相邻，目的是在硅活性层1360中创造功能性SiLED结构。硅活性层1360被制造在绝缘层1350上(绝缘层又被置于硅基底上)。p+nn+活性区域在硅绝缘基底上的三层硅上氧化物的硅层上被制造。电接触区域1350通过正常的等离子沉积和蚀刻技术实现。较高的芯折射率1340(相对于SiLED横向间隔)能通过特殊的蚀刻和次级沉积技术实现。波导次级光传导区域可通过等离子沉积、湿法氧化或次级聚合物沉积技术被制造，这样一个低折射率条带在绝缘体层上的硅平面内产生了，其接触主体1区域的有效光发射区域。在与硅层一样的平面内，通过相同的程序或使用光纤通信技术中用到的通用技术和技能，较高的折射率芯区域可被加工为相邻于主体1结构。电接触区域可以用正常的等离子沉积和蚀刻技术来制造。所述活性光发射器件可被放置为与同一硅层1360上的其他活性器件相继，条件是，在不同的电学部件之间提供充分的电绝缘。
在进一步的实施方案中，可以实施较长波长通信系统的指定形式，以便进一步提高效率。在具体的情况下，图14所示的LED100和探测器200的主体的第二区域2中，掺杂水平可低至2x1016cm-3。在这种情况下，耗尽层可基本延伸通过探测器侧的整个区域2(320)，以及可选择地，被偏置至电荷倍增模式，提高了较长波长处的探测器的探测效率。偏置可由终端1410和1420分别加载，调制和信号探测可以通过终端1430和1440分别加载。在一些情况下，调制和偏置都可以加载在相同的终端1430上，目的是提高效率，并且偏置和信号探测可在相同的终端1420上被获得。这个配置尤其有助于长波长下的有效的双向通信。
在其他实施方案中，可以通过使用基于2x1017cm-3或2x1016cm-3的LED源器件100，以及一个指定的基于低掺杂的接收器侧200的探测器，实现指定的单向光通信系统。在这种情况下，耗尽层可延伸通过在探测器侧的整个区域2(320)，并且所述器件被可选择地偏置至电荷倍增模式以增加器件在长波长下的探测效率。偏置可由终端1410和1420加载，同时调制和信号探测可通过终端1430和1440分别加载。
在本发明的其他一些实施方案中，可选择的中间部分1500可被引入通信系统，从而对传送自LED源100的信号发生转发操作。在这种情况下，区域2(320)金属终端被充分偏置，以致当在450到650nm的光子入射进区域2中时，碰撞电离和次级光辐射发生了。这些被创造的次级电子能被转移至器件的驰豫区域360，并创造根据图2中类型B和类型C的跃迁的750nm-850nm的较长波长的次级光辐射。这个次级光发射可以由波导1440或500引导和转移至所述接收器200。
在其他的一些实施方案中，上面所述的系统1500可被实现用于光放大目的，因此，在1500中320区域的350区域中，微弱的光信号入射到器件上，当光子入射进区域320中时，碰撞电离和次级光辐射被诱导，由于区域350中光子入射，区域2中的区域360中的较长波长的更高的光辐射发生了。
在其他的一些实施方案中，可在区域320中获得450nm和750nm两种信号的混合，使得由于区域320中的这两种光信号在混合，创造了1200nm的较长的次级波长成分。在进一步的其他实施方案中，以此方法(或正向偏置pn结)创造的1100到1200nm的信号可与450nm信号重新混合以产生1550nm的信号成分。合适的布拉格过滤可被加在波导部分，目的是达到所需的效果。
虽然此处只是描述了某些实施方案，但对于本领域普通技术人员而言，显而易见的是，其他的一些本发明的修改和变化也是可行的。这样的修改和/或变化将视作落在此处所描述和/或举例说明的本发明的精神和范围内。
Claims (12)
1.一种光通信系统，包括：基于硅的光发射器件，其通过雪崩载流子倍增来运行并在850nm的硅的阈值波长探测范围以下发射光；低损耗光波导，其在850nm的硅的阈值波长探测范围以下运行，所述光波导包括较高折射率芯和低折射率材料，所述较高折射率芯被包围在所述低折射率材料中；所述低折射率材料为形成在硅基底上的氧化层；
以及一个光探测器，
其中，一个完整的全硅光通信系统被形成，在该系统中，光在所述的基于硅的光发射器件和所述探测器之间的所述较高折射率芯中被传播，其能够借助于光强度变化传输电信号，这种强度然后被传播通过所述波导并被所述光探测器探测；并被转换回电信号。
2.依据权利要求1所述的光通信系统，其中，所述的基于硅的光发射器件包括具有高掺杂的第一区域的第一主体，第一区域同第二区域相接，第二区域具有更低的掺杂，并接着同更高地掺杂的第三区域相接，从而发生从第一区域到第三区域的载流子转移。
3.依据权利要求2所述的光通信系统，其中，所述的基于硅的光发射器件还包括第一电金属终端，该第一电金属终端电接触第二区域，使更低地掺杂的第二区域中的电场分布被改变，以便从第二区域提取额外的载流子或向第二区域注入额外的载流子，以及以便增强来自器件的光发射。
4.根据权利要求1所述的光通信系统，其中互补金属氧化物半导体(CMOS)技术被利用。
5.根据权利要求1所述的光通信系统，其中绝缘体上硅(SOI)技术被利用。
6.根据权利要求1所述的光通信系统，进一步包含了驱动探测器和信号处理的电路。
7.根据权利要求3所述的光通信系统，其中，一个附加的第二电金属终端电接触第二区域，使更低地掺杂的第二区域中的电场分布被改变，以便引起受激载流子与被引入所述第二区域或一个构成第二区域边界的区域中高密度缺陷态的复合。
8.依据权利要求1所述的光通信系统，其中，所述的基于硅的光发射器件包括具有高掺杂的第一区域的第一主体，第一区域同第二区域相接，第二区域具有更低的掺杂，并接着同更高地掺杂的一个第三区域相接，从而发生从第一区域到第三区域的载流子转移，以便引起受激载流子同构成第二区域边界的或与第二区域相接的或含在第二区域内的第二材料相互作用，从而因高能载流子与第二材料的相互作用而发生次级光子发射过程。
9.依据权利要求1所述的光通信系统，其中，所述的基于硅的光发射器件包括具有高掺杂的第一区域的第一主体，第一区域同第二区域相接，第二区域具有更低的掺杂，并接着同更高地掺杂的第三区域相接，从而形成p+nn+结构。
10.依据权利要求1所述的光通信系统，其中，所述的基于硅的光发射器件包括具有高掺杂的第一区域的第一主体，第一区域同第二区域相接，第二区域具有更低的掺杂，并接着同更高地掺杂的第三区域相接，从而形成p+np+结构。
11.依据权利要求1所述的光通信系统，包括：基于硅的光发射器件，其通过雪崩载流子倍增来运行并在阈值波长探测范围以下发射光，该光通信系统的输入端包括两个用于偏置的终端和一个用于调制的终端；该光通信系统的输出端包括两个用于偏置的终端以及一个用于信号探测输出的终端。
12.依据权利要求1所述的光通信系统，包括一个中间部分，从而对传送自所述光通信系统的发射光的信号发生转发操作。
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