PDF《多孔 硅 及硅 基发光材 料》

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2 中国科学基金1998年・学科 进展 ・ 多孔 硅 及硅 基发光材 料 鲍希茂 (南 京大 学物 理系 , 南京

2 1 仪珍3 ) 〔 摘要〕 硅是 微电子技术的材料基础 .

为 了发展光 电子 集成就 必须研究硅基 发光材 料.多孔硅 是硅基发光材 料的一 个重 大突破 , 并实现 了 多孔 硅发光 二极管 与集成 电路的 集成.同时,硅基 发光材料研究 的纵 深发展 , 出 现了 发光强 、 稳定性好的 硅基多孔 S I C 蓝光 发射材料和 发光 波长范 围宽 的纳米半导体镶嵌 iS 仇 发光材料 . 硅基 镶嵌 纳米发 光材料是 一个富有活 力,有应用 前 景的 研究领域 . [关键词 」 多 孔硅 , 纳米材料 , 硅基发光材料 , 微电子学,光电子集 成 所谓 硅基 发光 材料 , 就是以半导体硅 为基底的发 光材料.硅是最 重要 的一 种半导体 材料.在硅 材料 的基 础上 发展 了集成 电路和 超大 规模 集成 电路 , 构成了微 电子技 术.在集成电路中 , 信号是 由 电子传 输的 , 而硅中电子 的运 动速 度很 有限 , 严 重地 限制 信号 的传输 速度 和 处理 能力 . 如果 把 传播 最快 的光 也用 于表 示信 号,与电子共 同参 与信 息处 理,则将极 大 地提 高其信 息传 输速 度 和处 理能 力.这就是 集 光学 器件 和 电子器 件于 一体 的光 电子集 成.光电子集成 的困难 在于 始终 找不 到一 种适合 的 基础 材料 . 这 种材料 应 具有优 良光 学性 质和电学性 质,还应有一 套与 之对 应 的集成 技术 . 在 这些 要求 中 的绝大部 分,硅都 能满足,只是硅 基本 上不 能发 光,在硅 上建 立光 电子 集成缺 少 的是 发光 的信 号源 . 如 果能对 硅 进行 改性 或者 能以硅为基 础 制作 出发 光材 料,就能 以硅为基 础建 立光 电子 集成 . 所以问题 的关 键 在于 探索 一种 以硅为基 础 的发光 材料 ― 硅基发光 材料 .

19 叭〕 年英 国学 者cal山a l l l 〔'

〕报道 , 多孔硅在 室温下有强 可见 光发射,并认 为 发光 现象是由纳 米尺 寸 的硅丝 在 量子 限制 效应作用 下 而产 生的.从此,硅基发光材料研 究被推向了高 潮.1发光 多孔硅 的研 究早在19

5 6 年人 们就已发现硅 在HF中经 电化 学腐 蚀会 形成 多孔 硅,并对 其微 结构 和 电学 性质作 了大 量研 究,但光学 性 质研 究不多.19

8 4 年,Rckiergn等川发现多 孔硅有发光现象,但将发 光原 因归 为多 孔硅 的非晶态 结构而未 引起重视.80年代后 期,由于大 规模集成电路 高度 发展 , 其器 件已趋向物理 极限,发展光 电子集 成 的迫 切性 增大 ;

加 之纳米 材料 科 学研究 正步入 高潮 , 人 们对 其小 尺 寸效应 有极 大 兴趣 , 因而C田1 ll a m 的报 道立即受 到重视,形成了本文于

19 9

7 年8月12日收到 DOI: 10.

16262 /j . cnki .

1000 - 8217. 1998. 03.

003 第 3期 鲍希 茂:多孔硅及 硅荃发光材 料163多孔硅发 光材料 的研 究热潮 . 我 国北 京大 学、复旦大 学、南京大 学等 高 校也 随即 开展 研究,并得到 国家 自然科学基 金 的及时支 持.多孔 硅是 一种类 似珊瑚 的多孔 结构 , 孔径 一般 在 1任一

5 0 l n n , 残存的晶粒尺 寸 2一 s l n n , 由数百 至数千 个硅原 子组 成.这些 晶粒 本身是 有序 的,大体上保持 单 晶硅衬底 的 晶向 . 由于 晶粒很小 , 表 面积 与体积 之 比很大 , 每 克多孔硅 表 面积可 达数百平 方米 . 硅 比较活跃 , 为了获得稳 定的多 孔硅 , 其表 面需要钝 化.多孔硅 发光 波长一 般在近 红外 到绿光范 围,但难以获得稳定 的蓝光 , 这是 多孔 硅 的一个弱 点.多孔 硅不仅 发光 强度远 比单 晶硅强 , 且发 光波长 对应的能 量远大 于硅 的禁带 宽度 . 为 了解 释这种 发光性 质,人们提 出 了许 多发光 模型 . C a x 山a m 等利 用量子 势阱理论 作 了解释 , 认为晶粒 中的电子 被限制 在势 阱中 , 由于势 阱 的量 子 限制 作用,其能带 带隙将 展宽 , 电子 在这些 能带 间跃 迁时,放出的光子 能量 增大 . 量子 限制下 能带 的另 一个变 化是直接 带 隙成分提 高,使发光效 率增 强,但是实验情 况要 更复 杂.我们通过 许 多研 究工作 , 对 发光机理 作 了更 深刻 的揭示 氏4〕 . 由于多 孔硅 的性能不 稳定 , 制作 工艺 与现行 的硅平 面工艺 不完全 相容 , 使其在应用 方面 迟迟 打不开 局面 . 国 内外 从事 多孔硅 研究 的学者 在改善 多孔硅 的稳定 性和 开发多孔 硅器件 工 艺方 面做 了一系 列研究 , 取得 了显 著成绩 . 例如 , 在多 孔硅器 件研 制中 , 制作发 光 图形 是一 个 关键 问题 , 南 京大学从 多 孔硅量 子限制 发光 的基本原 理 出发 , 提出了一套 用 离子注人 材料 改性 的办法 , 制出了分 辨率 极高 的发光器 件陈 6〕 , 这 是多 孔硅 器 件制 备技 术上 的一个 重要 进展.1996年,美国罗切 斯特 大学 i H , h m a n 等v[]集多孔 硅 发光 管 和硅 平 面晶 体 管于 一体 , 制成了一个 光 电子 集成 发光 阵列 , 这是多孔 硅光 电子集 成的首 例,是一个 重大突 破,表明多孔 硅光电子集成 的道路是 行得 通的.多孔硅是作 为一 种硅 基发光 材料而 发展起来 的,但其意 义却广 泛得 多.首先,它是一 种新的纳米材料 , 它 的光学 性质和 电子结 构研究 直接 而明确地 证实 了量子 限制效 应―纳米 材料小尺寸效应之 一,大大 充实 了纳米 材料 的研究 内容 . 其次 , 多孔硅是 一 种新 的多孔 材料,在物 理、化学 、 生物 、 医疗等方 面具 有广泛 的用途 .