Si基光电子学的研究与展望.docxVIP

第21卷第3期量子电子学报V01．2lNo．32004年6月CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICSJun．2004丈章编号t 1007-5461(2004)03-0273-13Si基光电子学的研究与展望彭英才·一，ZHAOXW即，傅广生s，王英龙s(1河北大学电子信息工程学院，河北保定071002；2中国科学院半导体研究所，半导体材料科学重点实验室，北京100083；3DepartmentofPhysics，TokyoUniversityofScience，1-3KagurazakaShinjuku—ku，162．8601，Tokyo，Japan；4中国科学院微电子研究中心，纳米材料与纳米器件实验室，北京100029；5河北大学物理科学与技术学院，河北保定0710021摘 要：Si基光电子学是为顺应二十一世纪以现代光通信和光电子计算机为主的信息科学技术发展需要，在全世界范围内迅速兴起的一个极为活跃的研究前沿．其最终目标之一是为了实现人们所期盼的全Si光电子集成电路．本文尝试性地评论了这一集si材料技术、纳米技术、微电子技术以及光电子技术为一体的新型交叉学科，近年来在直接带隙Si基低维材料的设计、晶粒有序Si基纳米材料的制备与稳定高效Si基发光器件的探索等方面所取得的若干重要研究进展，并预测了全si光电子集成技术的未来发展趋势．关■词：光电子学；直接带隙Si基低维材料；晶粒有序Si基纳米材料；稳定高效Si基发光器件；全Si 光电子集成中围分类号：TN20；0471．1文献标识码：A1引言以全sl光电子集成为目标的si基纳米薄膜发光材料的研究，经过许多材料物理学家的长期共同努 力，业已取得了令世人瞩目的长足进展【“．近年，随着实验与理论研究的不断深入，人们越来越强烈地意识到，实现这一目标的关键是能够制备出性能稳定可靠并适于集成的sl基光源阳1．而解决这一问题的前提条件，是需要制备出具有高效率发光的si基微结构材料．于是，一个极富挑战性的课题便摆在了科学家们的面前。这就是必须突破sl材料的间接带隙性质．基于上述考虑，人们提出了两种可供选择的技术方案．一种方案是利用能带剪裁工程，人工设计具有 直接带隙性质的sl基低维材料，借以避免载流子复合时必须借助声予参与的发光过程，使发光效率得以大幅度提高．另一种方案则是采用适宜的工艺技术，制备具有强量子限制效应的si基纳米材料．因为当材 料性质由体相转变为纳米结构后。晶体中平移对称性的丧失会导致带隙的宽化与量子能级的出现，从而使 得动量守恒定律要求的禁戒跃迁将放松约束．其结果是无声子参与的直接跃迁几率大大增加，因此有效地 改善了其发光特性．进一步的研究指出，二者各有所长与不足．第一种方案的优点是，实现具有严格意义上的直接或准 直接带隙的Si基低维材料，将能从根本上克服体si材料的间接带隙问题，这无疑是人们长期不懈所追求的目标，但在工艺技术上却具有一定的难度．第二种方案的长处是，目前已采用各种方法制备了多种不同结构类型的si基纳米发光材料．但如何实现这种材料中晶粒排列的有序性，并制备出具有更高密度基金项目：河北省自然科学基金(503125和500084)、中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室和中国科学院微电子研 究所资助项目．收稿日期：2003-08-29；修改日期：2003-10-20Email：ycpen92002Q163．com万方数据274量子电子学报21卷(1011。1012cm2)和更小尺寸(3am)的纳米晶si薄膜，由此使界面态参与的发光过程降低到最小程度，以提高其发光效率和响应速度，并进而实现蓝光发射等，仍需作更多的尝试性研究．可以认为，能否设计和制作出具有稳定和高效率的si基发光器件，并在此基础上实现全si光电子集 成，将直接有赖于上述问题的合理解决，这是我们从si基光电子学发展中所获得的一个基本认识．本文将首先简要介绍直接带隙Si基低维材料的设计方法，然后重点讨论晶粒有序si基纳米材料的制备工艺，接着初步探索各种稳定高效发光器件的制作技术，最后尝试性地预测了si基光电子学的未来发展前景．2直接带隙Si基低维材料的设计半导体材料的能带性质直接影响着其发光特性．为了提高si材料的发光效率，最有效的方法是实现 其带隙性质由间接带隙向直接带隙的转变，这自然会使人们想到在低维量子结构制备方面已获得成功应用 的“能带剪裁工程”．基于此，人们已探索出两条可供选择的设计路径，即降低晶体对称性以获得最小直 接带隙特性的Si基低维材料和寻求与si晶格特性相匹配的si基化合物材料．2．1基于降低晶体对称性的设计固体物理的研究指出，决定半导体材料最小带隙直接和间接特征的主要因素是晶体的对称性．一般而 言，晶体的对称性越低，越易获得直接或准直接带隙材料．早期的