PDF《纳米技术与能带工程对 Si 基高效发光的促进》

2 V 的正偏置下 ,实现 了电注入的 QCLC 发光.二个 EI 发光峰波长与 PL 谱对 应 ,分别为

620 和720 nm ,但在发光强度上未能有根本性 突破.其发光动力学过程如图

1 所示. 电子、 空穴对 SiO2 中局域态能级的注入分别来自电 极层金属和 p- Si 衬底接触区 ,隧道穿越是主要输运机制. 为了增强电子、 空穴的隧穿机率 ,要求 SiO2 层很薄 ,一般 小於

10 nm (如5nm 左右) .但在如此超薄的 SiO2 层中 发光中心的总数是有限的 ,而有人认为多孔 Si 体系中的这类有效发光中心只有在较厚的 SiO2 层中才存在.若SiO2 层厚 <

3 nm ,此类发光中心的浓度已经很低了.即使中间夹 上一层 nc- Si 量子阱结构 ,其贡献仍然有限.因此在 设计 SiO2 层的厚度时应有一个折衷的优化考虑 ,如果 采用 M/ SiO2/ nc- Si/ SiO2/ nc- Si/ SiO2 …… / p- Si 的多量 子阱结构 ,也许有望得到较显著的提高. 一个崭新的重要进展是

2000 年L. Pavesi 发表在 《Nature》 上的工作[8 ] .采用 Si 离子注入(80 KeV ;

1 *

1017 Si/ cm2 ) 於纯石英衬底或热氧化 SiO2 厚层 (至少 有200 nm) ,然后经

1100 ℃ 高温退火

1 小时 ,使注入 的高剂量 Si 在SiO2 体内凝聚 ,在表面下约

110 nm 处 形成直径~3 nm 的厚度约为

100 nm 的nc- Si 层 ,其浓 度可达

2 *

1019 / cm3 .用390 nm 波长 ,平均功率密度 ~1 kW/ cm2 的紫外激光泵浦 ,测量了 PL 谱首次在长 度分别为

200 ,650 和2000μm 的nc- Si/ SiO2 样品中观

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3 4 期 王启明 :纳米技术与能带工程对 Si 基高效发光的促进 图3实现粒子反转布居的纳米晶能带结构图 察到很高的光增益 ,其谱分布如图

2 所示.二类样品的峰值净模增益达 70~90/ cm ,饱和值可达 100/ cm ,与7层的 InAs 量子点的净模增益相当 ,主要贡献来自于 nc-Si 的面密度高达

1014 / cm2 ,比一般量 子点结构的面密度大三个量级.发光过 程与多孔 Si 相同 ,如图

3 所示.它是一类 三能级跃迁机制.光泵激发不存在对注 入载流子的长程输运.如何在这类 nc- Si/ SiO2 体系中实现电泵浦发光和光放大则是一个有待突破的关键问题.由於 SiO2 材料 是不导电的绝缘体 ,如何将二端电极注入的载流子转移到 nc- Si 中只能藉助隧穿过程来实 现 ,然而隧穿效应的实现却只对 <

10 nm 厚的势垒有效.而凝聚在 SiO2 中的 nc- Si 呈无 序的随机分布.一旦出现间距 >

10 nm 的nc- Si 对 ,则整个隧穿过程便不再有效.因此如 若没有新的思路 ,则对这类 nc- Si/ SiO2 体系不可能实现电注入发光和光放大.利用反向 偏置的击穿效应可以解决这个问题 ,但工作电压和热功耗都太大 ,对实现受激光发射比较 困难.

2001 年Wai Lek Ng 发表在 《Nature》 杂志上的一篇论文[7 ] 报导了另一种研究思路的 工作进展.他们采用高剂量(1 *

1015 / cm2 ) 的30 KeV 的B离子注入到 2~4Ω・ cm 的n- Si 衬底上 ,再经

1000 ℃

20 分钟退火 ,高剂量 B 的注入既形成了突变 p-n 结 ,同时在结区又 引入了大量的位错环 ,位错环的直径大约为 80~100 nm ,彼此间距为

20 nm ,在p-n 结下 方约

100 nm 处形成一个位错环面阵 ,其结构如图

4 所示.由於位错环边缘处有高达

25 ~50 Gpa 的应力场 ,因而使边缘带隙增大了 325~750 meV .通过 p-n 结正向注入环内的 载流子在侧向将受到位错环势垒的二维量子限制 ,而呈现纳米状的空间分布.在室温下 正向电注入观察到很强的发光 ,峰值波长为 1. 16μm ,FWHM 约80 nm ,如图