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     

硅基发光材料研究进展

微电子技术是高技术中的关键技术，硅是微电子技术的基础材料，但是硅是一种非发光材料，为了发展光电集成技术，必须大力发展硅基发光材料，多孔硅是一种有希望的硅基发光材料，它表明纳米晶粒中的量子限制效应对光发射是极有效的，随之涌现出一系列量子限制硅基发光材料，为发展光电子集成提供了新的途径。     

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。     

基于发光机理提高掺铒硅基材料发光效率的几条途径

掺铒硅基发光材料可以用于制备光通信用光源、光纤放大器，更重要的是可能成为实现硅基光电子集成技术的重要途径，已成为研究的热点之一．文章讨论了掺铒硅及掺铒硅基材料的发光机理，指出了制约实用化方面存在的问题．从不同方面着重探讨了共掺氧对提高掺铒硅发光效率的作用．最后介绍了基于掺铒硅发光机理提高掺铒硅基材料发光效率的几种途径、目前存在的主要问题及研究进展．     

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.     

掺Eu3+硅基材料的发光性质

通过溶胶－凝胶技术制备了掺Eu^3 的硅基材料并测试了其三维荧光光谱、激光谱和发射光谱，结果显示，最佳激发波波长为350nm,最强荧光波长为620nm；在350nm光激发下的发射光谱显示Eu^3 的特征发射光谱，产生4条谱带，分别是577nm(^5D0-^7F0)，588nm(^5D0-^7F1),596nm(^5D0-^7F1)和610nm(^5D0-^7F2)。     

多孔硅结构与发光机理的非线性光学研究

最近的研究中,采用1.06μm超短脉冲光激发,在多孔硅表面观察到了有效的红外多光子激发的荧光发射.研究表明,这是一个增强的三阶非线性光学过程.本文利用其三阶非线性特性对具有强可见光发射的多孔硅结构进行了研究,结果显示晶体硅的各向异性特征在多孔硅中几乎被保留;此外,较强的激光激发导致的红外上转换荧光信号衰减过程被归结为与多孔硅表面氢的脱附有关.     

硅基光电集成器件研究进展

随着器件结构与制作工艺的不断创新与完善，硅基发光器件已经可以实现室温下的有效工作，外量子效率可达到0．1％；低功耗的硅基高速调制器件的调制速率达到1GHz以上；而硅基光探测器对1300nm与1550nm波长的探测响应度也已分别达到了0．16mA／W和0．08mA／W．文章对硅基光电器件的研究进展情况进行了概述，并着重对几种器件的结构及工作原理进行了分析．     

基于发光机理提高掺铒硅基材料发光效率的几条途径

掺铒硅基发光材料可以用于制备光通信用光源、光纤放大器,更重要的是可能成为实现硅基光电子集成技术的重要途径,已成为研究的热点之一.文章讨论了掺铒硅及掺铒硅基材料的发光机理,指出了制约实用化方面存在的问题.从不同方面着重探讨了共掺氧对提高掺铒硅发光效率的作用.最后介绍了基于掺铒硅发光机理提高掺铒硅基材料发光效率的几种途径、目前存在的主要问题及研究进展.     

掺铒硅基材料发光的新途径

关键词：     

多孔硅-导电聚酯材料复合发光器的光学特性研究

poly-4-dicyanomethylene-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b]dithiophene monolayer(PCDM)是一种导电,低导带聚酯材料。如果在多孔硅纳米结构中附上一层以自组方式生成的PCDM单分子层,就可以制成能够产生稳定电致发光的器件。发光器的结构是金／PCDM／多孔硅／硅／铝,发光器的电致发光,在白天可用肉眼观察到。有很宽的发光波长,几乎覆盖了整个可见光区域且峰值位于650nm,发光器的面积为1cm^2,启动正向电压在14－30V,电流约300mA。经长时间测试,发光器的稳定性很好,在空气中放置3个月,在输入功率不变的情况下,发光强度也不发生变化,当施以反向电压时,样品仍可以发光而且稳定性较高,在250h内I－V未发生明显变化,扫描电镜图像显示PCDM覆盖的表面要比多孔硅表面平整,而PCDM分子有可能进入到多孔硅纳米孔径当中去,起到了提高发光器稳定性和延长其寿命的作用。     

硅基光电集成用铒硅酸盐化合物光源材料和器件的研究进展

针对一种新型的硅基发光材料-铒镱/钇硅酸盐化合物开展了一系列基础研究。研究了铒硅酸盐,铒镱硅酸盐、铒钇硅酸盐高铒化合物材料的结构、光学和电学特性,通过优化铒镱/钇硅酸盐化合物材料的成分和结构,获得2个数量级的光致发光增强;制备出基于铒镱/钇硅酸盐薄膜材料的光波导放大器,观察到5 dB/cm以上的光放大;研制出金属-绝缘体-半导体结构电致发光器件,获得了铒镱/钇硅酸盐化合物的电致发光,并在理论上证明这种材料可以获得电泵浦激光的可能性。     

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.     

21世纪的光学和光电子学讲座：第三讲 信息网络与半导体光电子学

文章从光信息的传输、交换与处理、存储与读出、获取与显示等重要技术领域的发展，介绍了半导体信息光电子学的现状以及在未来信息网络发展中的关键地位。     

发光窗口对MOS结构硅LED电光性能的影响

通过0.18μm标准CMOS工艺设计并制备了一种MOS结构的硅基发光器件。该光源器件在一个n阱中设计了两个相同的PMOS,分别利用p⁺源/漏区与n阱形成的p⁺n结进行反偏雪崩击穿而发射可见光。测试结果显示,该光源器件在正偏状态下的开启电压为0.8 V,在6 V的反偏电压下发生雪崩击穿,能够发出黄色的可见光,发光频谱范围为420～780 nm。本文对比了0.5μm和2μm两个不同发光窗口宽度的测试结果,发现该光源器件在更小发光窗口具有更高的发光强度和更好的发光均匀度,该特征与发光器件的反向电流密度分布和光在金属电极间的反射有关。研究成果在片上硅基光电集成回路中具有一定的应用价值。