Лавинные светодиоды на основе наноструктурированного кремния для оптических межсоединений

В работе проведен анализ параметров кремниевых лавинных светодиодов и их использования для электронно-оптических систем передачи сигналов. Показаны преимущества данных приборов, среди которых следует выделить высокое быстродействие и совместимость с кремниевой технологией. Изготовлены экспериментальные образцы лавинных светодиодов на основе наноструктурированного кремния и исследованы их структурные и оптические характеристики. Представлены результаты управления спектром электролюминесценции лавинных светодиодов за счет выбора технологических режимов формирования наноструктурированного кремния. Установлено, что температура подложки в процессе осаждения поверхностной нанокомпозитной пленки алюминий + кремний влияет на размеры формирующихся кремниевых наночастиц, определяющих спектральные характеристики лавинных светодиодов. Это позволяет смещать максимум спектра их излучения в более коротковолновую область видимого диапазона за счет формирования кремниевых наночастиц меньших размеров. Разработана система оптических межсоединений, состоящая из лавинных светодиодов на основе наноструктурированного кремния и микроканальной кремниевой пластины, используемой для передачи светового сигнала. Проведено исследование различных режимов функционирования разработанной оптоэлектронной системы и достигнуто увеличение эффективности оптопары на основе лавинных светодиодов до 0,2 % за счет импульсного режима функционирования. Показано, что эффективность оптопары увеличивается при увеличении тока светодиода, и именно импульсный режим его работы характеризуется максимальным значением тока, что обусловлено более эффективным отводом джоулевого тепла в промежутках между импульсами, обеспечивающим стабильную работу всей системы. Полученные результаты открывают новые возможности для развития оптических межсоединений между кремниевыми чипами и кремниевой оптоэлектроники в целом.

1. Newman R. Visible light from a silicon p-n junction. Physical Review. 1955;100(2):700-703. https://doi.org/10.1103/PhysRev.100.700.

2. Chynoweth A., McKay K. Photon emission from avalanche breakdown in silicon. Physical Review. 1956;102(2):369-376. https://doi.org/10.1103/PhysRev.102.369.

3. Richter A., Steiner P., Kozlowski F., Lang W. Current-induced light emission from a porous silicon device. IEEE Electron Device Letters. 1991;12(12):691-692. https://doi.org/10.1109/55.116957.

4. Lazarouk S., Jaguiro P., Katsouba S., Masini G., La Monica S., Maiello G., Ferrari A. Stable electroluminescence from reverse biased n-type porous silicon-aluminum Schottky junction device. Applied Physics Letters. 1996; 68(15): 2108-2110. https://doi.org/10.1063/1.115892.

5. Lazarouk S., Baturevich A. [Perspectives of avalanche light emitting diodes based on porous silicon for optical interconnects]. Izvestija Belorusskoj inzhenernoj akademii = Belarus Engineering Academy Letters. 1999;7(01&02):147-149. (In Russ.)

6. Lazarouk S., Jaguiro P., Leshok A., Borisenko V. Avalanche porous silicon light emitting diodes for optical intra-chip interconnects. Microelectronics, Microsystems and Nanotechnology. World Scientific. 2001;MMN2000:41-44. https://doi.org/10.1142/9789812810861_0009.

7. Lazarouk S., Leshok A., Labunov V., Borisenko V. Efficiency of avalanche light-emitting diodes based on porous silicon. Semiconductors. 2005;39(1):136-138. https://doi.org/10.1134/1.1852663.

8. Kuznetsov V., Andrienko I., Haneman D. High efficiency blue-green electroluminescence and scanning tunneling microscopy studies of porous silicon. Applied Physics Letters. 1998;72(25):3323-3325. https://doi.org/10.1063/1.121592.

9. Gelloz B., Nakagawa T., Koshida N. Enhancement of the quantum efficiency and stability of electroluminescence from porous silicon by anodic passivation. Applied Physics Letters. 1998;73(14):2021-2023. https://doi.org/10.1063/1.122355.

10. Karsenty A., Sa'ar A., Ben-Yosef N., Shappir J. Enhanced electroluminescence in silicon-on-insulator metal -oxide - semiconductor transistors with thin silicon layer. Applied Physics Letters. 2003;82(26):4830-4832. https://doi.org/10.1063/1.1587877.

11. Chatterjee A., Bhuva B., Schrimpf R. High-speed light modulation in avalanche breakdown mode for Si diodes. IEEE Electron Device Letters. 2004;25(9):628-630. https://doi.org/10.1109/LED.2004.834247.

12. Snyman L.W., Aharoni H., Du Plessis M. A dependency of quantum efficiency of silicon CMOS n/sup+/pp/sup+/LEDs on current density. IEEE Photonics Technology Letters. 2005;17(10):2041-2043. https://doi.org/10.1109/LPT.2005.856448.

13. Snyman L.W., Du Plessis M., Aharoni H. Injection-avalanche-based n+ pn silicon complementary metal-oxide-semiconductor light-emitting device (450-750 nm) with 2-order-of-magnitude increase in light emission intensity. Japanese journal of Applied physics. 2007;46(4B):2474-2480. https://doi.org/10.1143/JJAP.46.2474.

14. Du Plessis M., Venter P.J., Bellotti E. Spectral characteristics of hot electron electroluminescence in silicon avalanching junctions. IEEE Journal of Quantum Electronics. 2013;49(7):570-577. https://doi.org/10.1109/JQE.2013.2260724.

15. Kulakci M., Turan R. Improvement of light emission from Tb-doped Si-based MOS-LED using excess Si in the oxide layer. Journal of Luminescence. 2013;137:37-42. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.11.005.

16. Ogudo K.A., Snyman L.W., Polleux J.-L., Viana C., Tegegne Z., Schmieder D. Towards 10-40 GHz on-chip micro-optical links with all integrated Si Av LED optical sources, Si N based waveguides and Si-Ge detector technology. Proc. SPIE 8991, Optical Interconnects XIV. 2014;8991:899108(1-16). https://doi.org/10.1117/12.2038079.

17. Xu K. Electro-optical modulation processes in Si-PMOSFET LEDs operating in the avalanche light emission mode. IEEE Transactions on Electron Devices. 2014;61(6):2085-2092. https://doi.org/10.1109/TED.2014.2318277.

18. Xu K. Silicon MOS optoelectronic micro-nano structure based on reverse-biased PN junction. Physica Status Solidi (a). 2019;216(7):1800868(1-9). https://doi.org/10.1002/pssa.201800868.

19. Dutta S., Steeneken P.G., Agarwal V., Schmitz J., Annema A.-J., Hueting R.J. The avalanche-mode superjunction LED. IEEE Transactions on Electron Devices. 2017;64(4):1612-1618. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2669645.

20. Okhai T.A., Snyman L.W., Polleux J.-L. Wavelength dispersion characteristics of integrated silicon avalanche LEDs: potential applications in futuristic on-chip micro-and nano-biosensors. Proc. SPIE 10036, Fourth Conference on Sensors, MEMS, and Electro-Optic Systems. 2017;10036:1003604(1-22). https://doi.org/10.1117/12.2264200.

21. Agarwal V., Dutta S., Annema A., Hueting R., Schmitz J., Lee M., Charbon E., Nauta B. Optocoupling in CMOS. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).2018(IEMD18):739-742. https://doi.org/10.1109/IEDM.2018.8614523.

22. Xu K., Chen Y., Okhai T.A., Snyman L.W. Micro optical sensors based on avalanching silicon light-emitting devices monolithically integrated on chips. Optical Materials Express. 2019;9(10):3985-3997. https://doi.org/10.1364/OME.9.003985.

23. Krakers M., Kneevic T., Nanver L. Reverse breakdown and light-emission patterns studied in Si PureB SPADs. 42nd International Convention on Information and Communication Technology, Electronics and Microelectronics (MIPRO). 2019;MIPRO2019:30-35. https://doi.org/10.23919/MIPRO.2019.8757007.

24. Lazarouk S., Leshok A., Kozlova T., Dolbik A., Le Dinh V., Ilkov V., Labunov V. 3D Silicon Photonic Structures Based on Avalanche LED with Interconnections through Optical Interposer. International Journal of Nanoscience. 2019;18(3&4):1940091(1-5). https://doi.org/10.1142/S0219581X1940091X.

25. Lazarouk S., Sasinovich D., Katsuba P., Labunov V., Leshok A., Borisenko V. Electroluminescence from nanostructured silicon embedded in anodic alumina. Semiconductors. 2007;41(9):1109-1112. https://doi.org/10.1134/S1063782607090163.