提高Si基材料高效率发光途径的探索

近来人们对发展硅基光电子学作出了很大的努力。众所周知,如同晶体管是微电子学的核心器件一样,发光器件将是光电子学的关键部件。然而由于硅属间接带隙材料,发光效率比直接带隙的ＧａＡｓ等化合物材料低三个多量级,因此如何在硅基材料系实现高效率发光,已成为发展硅基光电子学的重要课题,它吸收着国际上众多科学、工程家们的巨大兴趣。能带工程的应用可能将提供一条有望的途径。本文总结评述了近几年来在ＳｉＧｅ量子阱能带工程,Ｅｒ３＋离子注入发光中心掺杂工程、直接带隙β—ＦｅＳｉ２材料工程以及热电子跃迁发光带内子能级工程中所取得的重要进展。本文同时对其未来的发展提出了若干设想与展望。     

硅基低维半导体材料

Ｓｉ／Ｇｅ超晶格外延生长技术的发展和纳米硅（ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ）多孔硅（ＰＳ）发光现象的发现，引起了们们对硅基低材料的关注，文章简要综述了近年来在Ｓｉ／Ｇｅ超晶格的电子态和光学性质以及ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ，ＰＳ的结构和发光机理等方面的研究进展。     

21世纪的光学和光电子讲座第二讲 硅基发光材料和器件研究

硅基发光材料和器件是实现光电子集成的关键。文章评述了目前取得较大进展的几种主要硅基发光材料和器件的研究,包括掺饵硅,多孔硅,纳米硅以及Ｓｉ／ＳｉＯ２等超晶格结构材料,展望了这些不同硅基发光材料作为发光器件和在光电集成中的发展前景。     

21世纪的光学和光电子学讲座 第二讲 硅基发光材料和器件研究

硅基发光材料和器件是实现光电子集成的关键．文章评述了目前取得较大进展的几种主要硅基发光材料和器件的研究,包括掺饵硅,多孔硅,纳米硅以及Ｓｉ／ＳｉＯ２ 等超晶格结构材料．展望了这些不同硅基发光材料作为发光器件和在光电集成中的发展前景     

Si Ge量子阱和超晶格的光发射

系统地介绍了近几年来国内外对ＳｉＧｅ量子阱及短周期超晶格光发射的研究现状。由于Ｓｉ，Ｇｅ材料及器件在微电子学领域内的无可比拟的优越性，所以，超过９０％的芯片技术是Ｓｉ基的，然而，由于Ｓｉ，Ｇｅ是间接带隙，载流子跃迁几率小，其光电应用受到很大的限制，为此，人们作出了不懈的努力，并取得了可喜的进展。     

硅的可见光发射—通向全硅光电子集成之途

由于Ｓｉ是一种禁带宽度只有１．１ｅＶ的间接带隙材料，其发光效率极低，因此长期以来Ｓｉ被认为是一种不可能用于制作可见光区光电器件的材料．但近一两年才出现的多孔硅光致发光现象，对人们的这种传统概念产生了巨大的冲击，一股多孔硅的研究热潮也正在兴起．本文将结合作者在多孔硅方面的工作，对多孔硅光致发光现象的研究背景、现状和潜在的应用作了较详细的介绍．     

硅—二氧化硅超晶格：探索硅基发光材料的一条新途径

理论上认为，由于Ｓｉ／ＳｉＯ２超晶格中硅层（阱层）的电子和空穴都受到极强的量子限制效应，硅层能带有可能从体硅的间接带隙转变为直接带隙，从而发光效率大大提高．实验上，在非晶Ｓｉ／ＳｉＯ２超晶格中观察到在可见光波段的室温光致发光和明显的量子限制效应现象．晶体Ｓｉ／ＳｉＯ２超晶格研究也取得了初步的结果．     

Si基异质结构与应用前景

综述了９０年代以来ＳｉＧｅ／Ｓｉ等Ｓｉ基异质结构材料的优异特性的诱人的应用前景，着重介绍了能带工程为Ｓｉ基异质结构带来的新特性、新功能。     

硅基光源的研究进展

随着人们对大容量、高速和低成本的信息传播的要求越来越迫切, 近年来硅基光电子学得以蓬勃发展, 但硅基光源一直没有得到真正的解决, 成为制约硅基光电子学发展的瓶颈. 硅的间接带隙本质给高效硅基光源的实现带来很大困难, 实用化的硅基激光是半导体科学家长期奋斗的目标. 本文分别介绍了硅基发光材料、硅基发光二极管和硅基激光的研究进展, 最后总结了目前各种硅基光源面临的问题和未来的发展方向.     

突破间接带局限创新Si基激光器

Si基高效发光与受激光发射是Si基光子学突破性发展的关键课题,它的实现对Si基微电子学的发展有深远的重大意义．由于受到天然Si材料间接带能带结构的限制,Si材料的发光效率极低,更谈不上可实现受激光发射,人工改性就成为当代研究、开拓的主要途径．新的Si基直接带体材料(如β-FeSi2等)的探索,Ge／Si量子阱、超晶格、量子点的能带工程介观改性,子带发光跃迁的探索,异类元素插入短周期超晶格中的化学键改性,以及SiO2高浓度nc-Si的生成和高激活度稀土离子的掺入发光等已开展了多途径的研究,不同程度上取得了重要的进展,一种MIS结构电子隧道注入高效发光器件已在SiO2：RE MOS结构中实现．运用激光器件物理的深入设计和新的器件技术的引入,可以预计本世纪初叶,对实现Si基激光器的奢望将会成为现实,无疑它对Si基光子学、Si基集成光电子学乃至信息高科技的发展将作出历史性的巨大贡献．     

Si基光发射材料的探索

由于Si基光发射材料具有与先进的Si微电子技术兼容和成本低廉的优势，一直是光电子集成（OEIC）工程应用的首选材料。但由于体材料Si是一种间接带隙半导体，不可能成为有效的光发射体。如何通过已有的物理学原理和可行的微加工技术把它改造成为有效的发光材料，甚至成为严格意义上的直接带隙材料，给实验研究工作者和材料设计理论工作者提出了挑战。除多孔Si之外，最近已有若干令人鼓舞的方案，包括Si纳米晶、Si/O超晶格和注硼位错工程等方法，实现了Si基材料的有效发光试验。本文在分析其中最令人关注的进展的基础上，认为要实现高效率、高响应速率的Si基发光材料，以适应超高速、大容量信息处理和传输的要求，较好的途径是直接设计出具有直接带隙的Si基材料。因为避免界面态参与发光过程，对于提高响应速度至关重要。但是如何设计直接带隙的半导体材料并没有现成的规则可依循。我们建议一个经验的对称性法则，并设计出一种新的硅晶超晶格。通过计算机模拟计算表明，其中Se/Si10/Se/Si10/Se超晶格具有相当理想的直接带隙特征，其带隙处于红外波段。预期这类新材料及有关器件会有优越的光发射和各种光学性能，其制作也可方便地与硅微电子工艺兼容。因此，它在信息光电子领域有强大的应用潜力。     

新型硅基蓝光材料—多孔β—SiC

硅基蓝光发射是集成化全色固态显示和光电子集成的基础材料，是发光材料研究的前沿课题。利用离子注入技术，将碳离子注入到硅中，直接形成硅基纳β－ＳｉＣ，多孔化后，由于量子限制效应，它将发射稳定的蓝光，并且可以直接制成发光图形，这是一种具有极好应用前景的硅基蓝光发射材料。     

GexSi1—x／Si和Ge／Si应变层超晶格

ＧｅｘＳｉ１－ｘ／Ｓｉ和Ｇｅ／Ｓｉ应变层超晶格是半导体超晶格中新发展起来的一种类型．本文简要地介绍了这类超晶格在生长和物理特性方面的一些基本问题，列举了它在器件应用方面的例子．给出了共度生长时超晶格的临界厚度值，超晶格中ＧｅｘＳｉ１－ｘ合金层能隙随成分的变化，以及界面处的能带失配值等．最后介绍了由Ｇｅ，Ｓｉ原子层有序排列而组成的新晶体．     

新型硅基IV族合金材料生长及光电器件研究进展(特邀)

硅基IV族锗锡和锗铅合金材料带隙随组分可调,并可转变成直接带隙半导体材料,是研制硅基红外探测和发光器件的理想材料。本文首先介绍锗锡和锗铅材料外延生长工作,然后对锗锡光电器件的研究进展进行回顾和讨论。其中,随着锗锡合金中锡组分增加,锗锡光电探测器往高响应度和长探测截止波长方向发展;锗锡激光器的研究则集中在降低激射阈值、提高激射温度和电泵浦方面。本文还对锗铅材料和光电器件的研究进展进行简要介绍和展望。随着硅基高效光源和探测器研究的不断深入,IV族合金材料在硅基红外光电集成领域将继续展现重要的应用价值。     

N型掺杂应变Ge发光性质

应变锗材料具有准直接带特性,而且与标准硅工艺兼容,成为实现硅基发光器件重要的候选材料之一.本文基于vandeWalle形变势理论,计算了应变情况下半导体Ge材料的能带结构以及载流子在导带中的分布;通过分析载流子直接带和间接带间的辐射复合以及俄歇复合、位错等引起的非辐射复合的竞争,计算了N型掺杂张应变Ge材料直接带跃迁的内量子效率和光增益等发光性质.结果表明,张应变可有效增强Ge材料直接带隙跃迁发光.在1.5%张应变条件下,N型掺杂Ge的最大内量子效率可以达到74.6%,光增益可以与III-V族材料相比拟.     

红外焦平面技术的重要进展—单片式SiGe红外焦平面阵列的物理基础和关键技

由ＳｉＧｅ合金与Ｓｉ构成的应变层异质结构、量子阱是８０年代中期发展起来的一种新型半导体材料。本文着重讨论了单片式ＳｉＧｅ红外焦平面阵列的物理基础、高质量ＳｉＧｅ材料的制备以及低温ＳｉＧｅ器件研制中的几个关键技术。     

红外焦平面技术的重要进展──单片式SiGe红外焦平面阵列的物理基础和关键技术

由ＳｉＧｅ合金与Ｓｉ构成的应变层异质结构、量子阱是８０年代中期发展起来的一种新型半导体材料。本文着重讨论了单片式ＳｉＧｅ红外焦平面阵列的物理基础、高质量ＳｉＧｅ材料的制备以及低温ＳｉＧｅ器件研制中的几个关键技术。     

利用共溅射方法实现硅基材料上的纳米Ge的可见光发射

如何实现硅基材料的发光,一直是很受重视的一个研究方向。以往是通过硅基外延生长直接带隙材料或锗硅超晶格的途径实现Si基材料发光。90年代初发倪的多孔硅发光[1],引起人们的广泛关注,对多孔硅的制备工艺、发光特性、机理和定性以及可能的应用等方面进行了广泛的研究。但至今尚没有阐明发光机理,而且多孔硅存在结构脆弱、对环境敏感、不易实现电注入等问题。     

一种新型光电材料—β—FeSi2的结构,光电特性及其制备

β－ＦｅＳｉ２是近年来发展起来的新型硅基光电材料，详细介绍了β－ＦｅＳｉ２的结构，电学、光学性质以及它的制备技术。对目前存在的问题以及未来的研究动向作了简要的讨论。     

半导体材料基因组计划:硅基发光材料

材料基因组计划旨在通过实验、计算和理论的有机整合协同创新, 实现新材料研发周期减半, 成本降低到现有的几分之一, 以期加速在清洁能源、国家安全、人类福利等方面的进步. 半导体材料的研究和发展奠定了半导体科学技术在当前人类社会发展中至关重要的地位, 半导体材料基因组计划的实施将促使半导体科学技术的研究和应用进入一个崭新的时代. 本文基于基因遗传算法理论设计硅基发光材料的研究工作探讨了半导体材料基因组计划的实施构想. 首先简单介绍了硅基发光的应用前景和开发硅基发光材料所面临的挑战. 随后介绍了基于模拟达尔文物种进化的基因遗传算法和高精度高性能的能带结构计算方法, 设定高效带边发光这一目标, 逆向设计拥有直接带隙发光的二维Si/Ge超晶格和一维Si/Ge核-多壳纳米线, 为实施半导体材料基因组计划提供了一个范例, 显示了材料基因组计划的强大力量和巨大价值. 最后对半导体材料基因组计划的实施提了几点建议.