ЛАЗАРУК С.К., ЛЕШОК А.А., ЖАГИРО П.В.
ЛАВИННЫЕ СВЕТОДИОДЫ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО
КРЕМНИЯ ДЛЯ ВНУТРИЧИПОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ
МЕЖСОЕДИНЕНИЙ
Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники, ул. П. Бровки 6,
Минск, 220027, Беларусь, тел.: +172398869, fax: +172310914, e-mail: serg@nano.bsuir.edu.by
Стремительно растущий объем информации требует развития современных
информационных систем, обеспечивающих как её оперативную обработку, так и
надежное последующее сохранение. В то время как заметный прогресс был
достигнут в области разработки высокоскоростных микроэлектронных элементов и
компонент, система их межсоединений сдерживает дальнейшее развитие. Основным
узким местом современных информационных технологий является сеть
электронных межсоединений на основе металлических проводников, что
ограничивает область рабочих частот и, следовательно, скорость обработки
информации в целом. Особенно остро стоит эта проблема для наиболее
продвинутых кремниевых технологий. Так современные разработки обеспечивают
работу микроэлектронных компонент в гигагерцевом диапазоне с временной
задержкой порядка долей наносекунд, а система металлических межсоединений из-
за емкостных задержек способна работать лишь в мегагерцевом диапазоне.
Увеличение размеров кристаллов, рабочей частоты и размещение на одном
кристалле различных функциональных элементов требуют использования
альтернативной системы межсоединений, а именно системы оптических
межсоединений, обладающих очевидными преимуществами по помехоустойчивости
и скорости передачи информации. Основными компонентами системы оптических
межсоединений являются светоизлучающее устройство, волновод, фотоприемник.
Что касается кремниевых технологий, то изготовление на их основе волноводов и
фотоприемников известно и достаточно изучено. Наибольшие трудности связаны с
изготовлением
эффективных
кремниевых
светоизлучающих
устройств.
Обнаружение эффекта люминесценции видимого диапазона в пленках пористого

кремния позволило разработать на основе этого материала достаточно эффективные
светоизлучающие диоды [1,2] и тем самым создать предпосылки для разработки
кремниевых интегральных оптоэлектронных компонент, обеспечивающих систему
оптических межсоединений на кремниевой подложке [3]. В настоящей работе мы
представим наши последние результаты в этой области.
Основные технологические операции изготовления лавинных светодиодов на
основе пористого кремния описаны в работе [1], здесь мы лишь приведем
последовательность операций. Кремниевые подложки n-типа с удельным
сопротивлением 0,01 Ом/см использовались в качестве исходного материала.
Пористый кремний формировали в 1 % растворе плавиковой кислоты. Толщина
пленки 0,5 мкм. Алюминиевая пленка толщиной 1,0 мкм осаждалась магнетронным
распылением. Далее при помощи операций фотолитографии и локального пористого
анодирования алюминия формировали рисунок алюминиевых электродов. Схема
поперечного сечения разработанной конструкции представлена на рис. 1.
Разработанное устройство включает два Шотки контакта между алюминиевыми
электродами и пленкой пористого кремния. Один из контактов при смещении,
преышающем величину лавинного пробоя работает как светодиод (СД), второй при
смещении
менее
величины
лавинного
пробоя
функционирует
как
фотодетектор (ФД). Между этими контактами расположен слой оксида аллюминия,
выполняющего функции световода. Свет, излучаемый первым контактом,
распространяется по оксиду алюминия за счет того, что его коэффициент
преломления 1,65 превышает аналогичную величину пленки пористого кремния,
таким образом, обеспечивается волноводный эффект. При этом второй контакт,
выполняющий функции ФД, регистрирует световой сигнал, преобразуя его в
электрический. Конечно, данная конструкция не обеспечивает полной
гальванической развязки, так как изоляция обратносмещенных переходов не
является совершенной, тем не менее, учитывая, что в данном случае ток
фотодетектора противоположен току гальванической связи, можно говорить, что
регистрируемый на выходе сигнал является откликом фотодетектора на световой
сигнал светодиода. Поэтому данное устройство может рассматриваться как
прототип системы внутричиповых оптических межсоединений. Как показали

измерения, данное устройство функционирует при токах СД до 100 мА, при
превышении этой величины начинает сказываться влияние тока гальванической
связи, подавляя сигнал светового отклика. Диапазон рабочих токов СД может быть
расширен за счет дополнительного отрицательного смещения ФД, обеспечивающего
снижение тока гальванической связи. Отношение значений тока ФД к току СД
может рассматриваться как минимальное значение квантовой эффективности СД. В
данном случае эта величина достигла 0,2 %. При этом измерение эффективности СД
при помощи внешнего ФД дало лишь 0,01 %. Это несоответствие может быть
объяснено тем, что большая часть света распространяется в горизонтальном
направлении в слое анодного оксида алюминия, как показано стрелкой на рис .
Рис. Схематическое изображение разработанной структуры
Особое внимание должно быть уделено быстродействию разработанного
устройства.
В
данном
случае
быстродействие
системы
определяется
быстродействием СД. Минимизируя площадь СД и его последовательное
сопротивление, было получено время нарастания светового импульса 1,5 нс. Мы
надеемся, что это значение не является предельным и дальнейшие исследования
позволят достичь работы в субнаносекундном диапазоне. Тем более что время
лавинного отклика оценивается как величина порядка 10 пс.
Таким образом, было показано, что разработанная система СД-ФД способна
работать в наносекундном диапазоне, обеспечивая преобразование электрического
сигнала в световой и обратно в электрический с эффективностью преобразования
0,2 %, что является перспективным для разработки на её основе системы
внутричиповых оптических межсоединений.

1. S. Lazarouk, P. Jaguiro, S. Katsouba, G. Masini, S.L Monica, G. Maiello, A. Ferrari,
Stable electroluminescence from reverse biased n-type porous silicon-aluminum
Schottky junction device Applied Physics Letters 68, 2108-2110 (1996)
2. B. Gelloz, T. Nakagawa and N. Koshida, Enhancing the external quantum efficiency
of porous silicon LEDs beyond 1% by a post-anodization electrochemical oxidation
Materials Research Society Symposium Proceedings 536, 15-20, (1999).
3. S. Lazarouk, P. Jaguiro, V. Borisenko, Integrated Optoelectronic Unit Based on
Porous Silicon Physica of Status Solidi (a) 165 , 87-90 (1998).