PDF《纳米技术与能带工程对 Si 基高效发光的促进》

第22 卷第4期物理学进展Vol.

22 ,No.

4 2002 年12 月PROGRESS IN PHYSICS Dec. ,2002 文章编号 :1000Ο

0542 (2002) 04Ο 0359Ο

12 收稿日期 : 2002Ο 09Ο

06 基金项目 : 国家自然科学基金重大项目(No. 69896260) 纳米技术与能带工程对 Si 基高效发光的促进 王启明 (中国科学院半导体研究所 ,集成光电子国家重点联合实验室 ,北京 100083) 摘要: 自1991 年Canham L. T 发现多孔 Si 的强发光特性之后 ,Si 基发光的系列性探索 已走过了

10 年的路程.人们从中认清了一些重要的科学问题 ,发展和掌握了许多新的技术 , 也取得了许多有价值的重要进展.可以说过去的

10 年是处於四方探索的百花齐放阶段.现 在无论从应用目标的需求和开拓研究的思路与途径 ,都更加明确、 集中 ,一个有实用价值的 Si 基发光器件的研究高潮即将来临.本文着重评述介绍了四个方面的研究进展 ,即局域态nc- Si 的发光 ,基於能带工程的 Si 基发光 ,纳米结构 Si 化物的发光和 Ge/ Si 量子点的发光研究 ,指 出了各自存在的问题 ,提出了若干新的研究思路. 本文还把 Si 基发光的研究与微电子发展需求紧密结合 ,由此提出了下一阶段开展 Si 基 发光研究应予遵循的几项原则. 关键词 : Si 基发光 ;

能带工程 ;

纳米结构 ;

光电子集成 中图分类号 : O47 文献标识码 : A

0 引言众所周知 ,Si 作为微电子的基质材料 ,已达到相当成熟的规模产业化水平 ,用来制作 微电子芯片的完美 Si 单晶直径已达

12 ,而微细加工的线条则细达 0.

01 微米 ,一个微 电子芯片上可集成数以亿计的元器件.对此人们喻之 Si 为微电子产业的食粮.由於微 电子技术是当今信息化时代的关键支柱 ,它渗透应用到国民经济和军事技术的各个领域 , 无怪乎人们骄傲地称谓当今的时代是 Si 的时代.在信息化时代中 ,社会对信息量的传送 与获知的需求将呈爆炸性增长 ,就目前发展水平而言 ,大约每经半年就翻一番 ,已经试验 过的通信系统容量已高达 10.

9 Tb/ s ,如若是单信道实时传输 ,则每一个信息码的时间宽 度仅为 0.

1 ps.面对如此高速的信息流 ,与之匹配的电子计算机的实时处理速率也应达 到相应的水平.然而 ,众所周知 ,以电子作为信息载体的微电子芯片互连功能却受到了 瓶颈 效应的限制 ,其响应速度难以超越 ns ,可见二者相差有

4 个量级.因此在未来 Si 基超快微电子系统芯片中 ,用光子载体替代电子载体实现高速互连 ,将是突破 瓶颈 限制 的重要的可行途径.不幸的是 Si 属间接带隙材料 ,发光效率比 IIIΟ V 族化合物半导体低

5 个量级 ,而且带间复合寿命长达μ s 量级.因此 ,长期以来 ,对Si 基的高效发光一直不抱奢望.

1991 年Canham L. T[1 ] 首次报导在阳极氧化的多孔 Si ( PSi) 中获得量子效率高达

10 %的可见光发射 ,引起了世界的轰动 ,像一声春雷唤起了一股多孔 Si 发光的研究热潮. 尽管一开始人们就认为多孔 Si 发光的实用性距微电子芯片光互连的应用相距甚远 ,但它 却带给人们一个重要启示 ,即通过能带工程和掺杂工程的综合设计是可能实现满足微电 子芯片高速光互连需求的 Si 基高效率发光器件的.

90 年代初另一项重要的进展则是由於原子层外延生长技术的成功发展 ,使得能够在 Si 衬底上生长晶格失配度高达