PDF《多孔 硅 及硅 基发光材 料》

1 6

5 料,这是 一个 广 阔的充满 活力 的研究领 域.4其他几种硅基发光材料

4 .

1 硅 基超 晶格发光材料 超 晶格 材料周期 层厚 可 以是 纳米 尺寸 , 在这个方 向上可产生 一维 量子 限制效应 , 因而也 应具有 发光性 质.《尧

5 1超 晶格发 光材 料是最 引人 注 目的 一种 . iS 和eG本身都是非 直 接带 隙半导体 , 属非 发光材 料.但是 , 如果 iS 和eG组成 合金 , 晶体结 构有了变化 , 晶体中的对 称性也发生 变化 , 发光 效率 可能大 幅度增 加,从而具 有 了发光性质 ;

另 一方 面,从理 论上 可预 言,由于布里 渊区的折 叠 效应 , 短周 期的SIeG超晶格,将变为直 接带隙材料,可以发光.但是 , S I e G 材料 的发 光 效率 很低,往往要在低温 下方可观 测到.SIeG材料在高频 器件和光电子 探测器件 方 面的应用 前景更 好一些 . 现在 的一个趋势 是根 据量子 限制理 论来设 计硅 基超 晶格发 光材料 . 以硅 为衬底 , 制 作一 层宽带 隙材 料,作为限制 势垒 , 再做 一层带 隙较窄 的半 导体材料 , 作为发光 体,这样一 层层 交替生长 几十层或 几百层 , 在量 子 限制 作用 下可获 得光 发射 , 其 波长 可 由半 导体 材料 的种类 和厚 度调整 . 南京大 学制作 的非 晶硅 / 纳米硅 超 晶格 就 是一 种 能发 射红 一黄 光 的硅 基超 晶格 发光 材料 〔 '

0 ] . 此外 , 还可 以用is仇或isS从作限制介质 , 以硅为发光 体制 成超晶格发 光材料.4.2掺饵发 光材料 很久 以前 人们就 发现 , 在iS中饵 ( r E ) 是一种发光中心 . 掺rE的iS可以发射波长为1,54脚的红外光 , 这正 是硅玻 璃光 纤的低损 耗窗口,所以 很受 重视 . 可惜 , E: 在iS中的 固 溶度较 低 (低于

1 x

10 1 c m 一3),所以发 光效 率也很 低,一直未 能实 际应用 . 近年 来发现 , 如果iS中有氧存 在,Er的固溶度 可 以提 高,于是 人们开 始用-rEO共注 人法 来 提高 r E 在iS中的固溶度 . 更有人 直接将 r E 注人 到iS 仇 中去 , 以提 高rE的固溶 度.从目前 结果看 , 确有 一 定效 果,但问题并 不简单 . 不过 用Er 与某 些 杂质 或缺 陷构成 组 合体 以提高固溶度 和 发光 效率,有望 获得重要 突破 , 人们正 在理 论和技 术上展 开更 广泛 的研 究.4.3硅基异 质外 延发光材 料 当外 延技术 , 特别是 分子束 外延 技术 出现之后 , 人们 利用外 延技 术在 硅基上 外延生 长一 层一种 新 的可 以发光的半 导体 材料―异质外延 发光材料,例如,在硅上外延生长Ga As o 这在

70 年代曾形 成一个 研究 高潮 , 当时 的 目的是 为 了获得 廉价 、 高质 量的 C a As , 主要 用于 高频 器件 . 为 了这 个 目标 , 外延 衬 底并 非 一定 要选iS , 还可选择蓝 宝石等.但如 选择iS为衬底 , 就可获得 硅基 发光材料 . 可惜 由于 i S 和Ga As 之 间晶格 失配 , 外 延层 的质量难 以 满足 器 件要求 , 后来 G司铂 单 晶的质量不 断提高 , 价格 下降 , 使异 质外 延Ga As 失掉 了竞争 力,作为一种 硅基发 光材料 , iS 上外 延Ga As 的方 案也被 搁置 .

9 0 年 代蓝 光半导体 材料 G翻N 取得了重 大 进展 , 制备出G瓦 N 晶体和外 延层,并成 功 地生 产 出蓝光 二极 管.同时 , Ga N 还 是高 温、高压和 大功率器件 的 良好 材料 , 但Ga N 晶体制备 困难 , 关键 问题是选 择一种 合适 的衬底 , 能外延 生长廉价高质的 G权N . 为 了获得高 质量 外延层,衬底热膨 胀 系数 和晶格 常数 可与外延 材料相 互匹 配的 S I C 、 M沙和ZnO是较 好的GaN外延衬底 , 蓝宝 石、GaAs 、 刀N 也可作为衬底 材料 , 但是 , i S 却是目前首选 的一种 G瓦N 外 延衬