PDF《纳米技术与能带工程对 Si 基高效发光的促进》

4 %的Si Ge/ Si 应变量子阱和超晶格 ,从而有可能在与 Si 工艺兼容性很好的 Ge/ Si 材料系中实现能带结构的人工改性 ,期望由此探索到实现高效 率发光器件的理想途径. 因此 ,在90 年代初 ,与多孔 Si 发光研究并行同时掀起了一场对 Si Ge/ Si 量子阱发光 的研究热潮.

1995 年前 ,对Si 基发光的研究路线主要沿以下

4 个方面[2 ] : (1) 运用量子尺寸效应 , 在Ge/ Si 材料系中实现能带工程改性.包括量子阱结构以及 Ge/ Si 超晶格布里渊区折叠 效应 ,都可能使 Si 中的带间复合跃迁过程趋向于直接带结构的转变 ,从而提高发光效率. (2) 在Si 中掺入高浓度稀土离子 ,形成局域化的杂质发光中心 ,避开带间复合动量守恒 条件的制约.(3) 探索在 Si 基片上生长有直接带结构 Si 化物新材料 ,如β Ο FeSi2 .(4) 量 子级连式的热电子带内光跃迁. 经过大约

5 年的研究后 ,人们逐渐获得以下若干重要的共识 : (1) 多孔 Si 的发光中心 是处于 SiO2 层中的由缺陷产生的高密度局域态能级 ,Si 柱的量子尺寸效应只提供了对价 带中电子有效泵浦的手段.(2) 即使是构成量子阱或量子柱的间接带材料 ,由於其中一 个维度(或二个维度) 仍属宏观尺度 ,声子参予跃迁的动量守恒原则依旧存在 ,因此发光效 率不可能有大幅度提高 ,除非在三维限制的量子点中才有可能.(3) 稀土原子的发光起 源於未饱和内壳层能态的电子跃迁 ,而它的外壳层电子是饱和的 ,不可能与 Si 原子发生 共键 ,注入 Si 中的电子(或空穴) 不可能进入内壳层被直接利用 ,因此不可能实现高效率 的电注入发光.即使在光激发的情况下 ,稀土离子也只有与 O2 形成络合物后 ,才呈现为 有效的发光中心 ,而Si 中含有高浓度的 O2 则与微电子工艺不兼容.(4) Ge/ Si 的带偏移 只产生在价带处 ,导带间的 Ec =

0 ,因此在 Ge/ Si 材料系中 ,量子限制效应只对空穴有 效 ,它限制了量子阱中电子的局域化程度. Si 基电注入高效率发光 ,直至受激光发射至今还未能得到突破.然而由於它的实现 对当代微电子学的发展具有深远的重要意义 ,同时也包含有极其丰富的基础内涵 ,因此国 际科学、 工程界对此始终给予巨大的关注.自1991 年以来国际权威杂志 《Nature》 和《Science》 已先后登载过八篇代表性的研究论文[3~10 ] ,每一篇论文所报道的内容都有令人 振奋的进展.它预示着向最终目标的实现步步逼近 ,但是在前进的道路上 ,困难仍然很 大 ,需要有更大的勇气 ,更多的创新和更先进工艺技术的运用. 早期的一些研究思路 ,例如 Si Ge/ Si 量子阱、 量子线、 超晶格布里渊区折叠效应和稀

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3 物理学进展22 卷 土离子在 Si 中的掺入等已逐渐被放弃 ,而转移到新的 Si 基材料 (例如 Si/ SiO2 ,Si/ Si GeC , Si/α - Si :H 和FeSi2/ Si 等) 量子体系.纳米结构(或量子点) 的运用已成为重要的热点.同 时更加注意这种 Si 基发光器件的研制与微电子芯片制作工艺的兼容性.至于发光波长 的选择则无需拘束於光通信所使用的 1. 55μm 近红外波段.第二次探索 Si 基发光的热 潮正在展开. 本文将就近五年来国内外的研究进展分类综述介绍 ,并对其发展前景作出评估.

1 局域态 nc-Si 的发光研究 秦国刚等人[11 ]

1993 年首次提出的多孔 Si 发光的量子限制发光中心模型 (QCLC) 被图1金属电极施加负偏置时MIS 结能带图 图2样品 A (石英片上注入) ,样品 B (生长在 Si 衬底上的 SiO2 膜注 入) 的净模增益谱 普遍公认之后 ,有不少研究组遵循这一思路 ,努力探索一 种能与微电子工艺兼容的制备 nc- Si/ SiO2 结构的干法技 术 ,企望藉助 SiO2 中的有效发光中心实现 Si 基体系的高 效发光.在SiO2 膜中注入高剂量的 Si 离子为其典型的 一例.随后又采用半透明电极 (如ITO 或Au 薄膜等) 将SiO2/ p- Si 做成 MIS 结构.在低达