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。     

石墨烯-硅基混合光子集成电路

近年来硅基光子学已经慢慢走向成熟,它被认为是未来取代电子集成电路,实现下一代更高性能的光子集成电路的关键技术.这得益于硅基光子器件与现代的互补金属氧化物半导体工艺相兼容,能够实现廉价的大规模集成.然而,由于受硅材料本身的光电特性所限,在硅基平台上实现高性能的有源器件仍然存在着巨大挑战.石墨烯-硅基混合光子集成电路的发展为解决这一问题提供了可行的方案.这得益于石墨烯作为一种兼具高载流子迁移率、高电光系数和宽带吸收等优点的二维光电材料,能够方便地与现有硅基器件相集成,并充分发挥自身的光电性能优势.本文结合我们课题组在该领域研究的一些最新成果,介绍了国际上在石墨烯-硅基混合光子集成电路上的一些重要研究进展,涵盖了光源、光波导、光调制器和光探测器四个重要组成部分.     

光电子技术及其进展

综述了光电子学的产生及其发展，提出了光电子技术的几个发展方向和研究热点。对各种新型激光器、硅基光电子技术、有机聚合物光电子材料、光互连、光计算技术、大容量光存储、生物医学中的光电子技术等内容进行了简要的介绍。     

超高亮度LED驱动电路在LCoS微显示器中的应用

超高亮度发光二极管(LED)具有功耗低、寿命长、发光效率高等优点,为了将其应用于硅基液晶(LCoS)微显示器光源,从LED优点出发,结合LED的恒流发光特性,设计出了超高亮度LED驱动电路,并通过实验进行分析和优化.实验结果表明,超高亮度LED具有很好的光源特性,能够成功应用于LCoS微显示器中.     

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     

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。     

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。     

载流子色散型硅基CMOS光子器件

为了实现硅基单片光电子集成器件的实用化,介绍了采用P-I-N、双极型场效应晶体管、金属氧化物半导体和PN结结构的载流子色散型硅基CMOS光子器件的发展状况和特点,并汇报了硅基CMOS光子器件的设计和制作方面的工作.利用商业的CMOS工艺线制作的器件获得了较好的结果,光调制器消光比约18 dB,1×2光开关消光比约21 dB,谐振环的消光比8～12 dB.采用CMOS技术研制硅基光子器件,将能使集成光子学的发展上一个新的台阶.     

载流子色散型硅基CMOS光子器件

为了实现硅基单片光电子集成器件的实用化,介绍了采用P-I-N、双极型场效应晶体管、金属氧化物半导体和PN结结构的载流子色散型硅基CMOS光子器件的发展状况和特点,并汇报了硅基CMOS光子器件的设计和制作方面的工作.利用商业的CMOS工艺线制作的器件获得了较好的结果,光调制器消光比约18 dB,1×2光开关消光比约21 dB,谐振环的消光比8～12 dB.采用CMOS技术研制硅基光子器件,将能使集成光子学的发展上一个新的台阶.     

Si基IV族异质结构发光器件的研究进展

Si基光互连具有高速度、高带宽、低功耗、可集成等特点, 有望解决集成电路的集成度在日益提高时电互连带来的问题. 在Si基光互连的关键器件中, 除了Si基光源尚未得到解决, 其他器件都已经实现, 因此Si基可集成高效光源具有十分重要的研究意义. 同为IV族元素的Ge 和GeSn因其与Si的可集成性及其独特的能带结构有望成为Si基光电集成回路中的光源. 虽然Ge是间接带隙材料, 但通过引入张应变、n型重掺杂, 或者引入Sn形成GeSn合金等能带工程手段来提高发光效率. 近年来, Si 基IV族发光材料和发光器件有许多重要进展, 本文就Si基Ge, GeSn材料发光研究中的几个关键技术节点——应变工程、掺杂技术、理论模型和器件研究——回顾了近几年国际和国内的研究进展, 并展望了Si基IV族激光器的发展趋势.     

非晶碳化硅材料与光学微腔的制备与发光

利用等离子体化学气相沉积技术在100℃的衬底温度下,制备了具有不同组分比的系列非晶碳化硅薄膜。结合傅里叶变换红外光谱与喇曼光谱对所制备的薄膜微结构进行了表征与分析,同时,对具有不同组分比的非晶碳化硅薄膜室温光致发光性质进行了系统的研究。结果表明在Ar⁺离子激光和Xe灯紫外光的激发下,不同组分的样品显示出不同的光致发光特性,并对样品的发光特性与其微结构的联系进行了讨论。在此基础上,用碳化硅薄膜设计和制备了全固体光学微腔,研究了微腔对碳化硅发光行为的调制作用。     

Manufacturing of Volumetric Glass–Based Composites with Single‐ and Double‐QD Doping

Quantum dot (QD)‐based light‐emitting materials are gaining increased attention because of their easily tunable optical properties desired for various applications in biology, optoelectronics, and photonics. However, few methods can be used to manufacture volumetric materials doped with more than one type of QD other than QD‐polymer hybrids, and they often require complicated preparation processes and are prone to luminescence quenching by QD aggregation and separation from the matrix. Here, simultaneous doping of a volumetric glass‐based nanocomposite with two types of QDs is demonstrated for the first time in a single‐step process using the nanoparticle direct doping method. Glass rods doped with CdTe, CdSe/ZnS, or co‐doped with both QDs, are obtained. Photoluminescence and lifetime experiments confirm temperature‐dependent double emission with maxima at 596 and 720 nm with mean lifetimes up to 16 ns, as well as radiative energy transfer from the short wavelength–emitting QDs to the long wavelength–emitting QDs. This approach may enable the simple and cost‐efficient manufacturing of bulk materials that produce multicolor luminescence with cascade excitation pumping. Applications that could benefit from this include broadband optical fiber amplifiers, backlight systems in LCD screens, high‐power LEDs, or down‐converting solar concentrators used to increase the efficiency of solar panels.     

条形叉指n阱和p衬底结的硅LED设计及分析

采用0.35μm双栅标准CMOS工艺最新设计和制备了叉指型SiLED发光器件。器件结构采用n阱和p衬底结,n阱为叉指结构,嵌入到p衬底中而结合成Sipn结LED。观察了SiLED发光显微图形及实际器件的版图,并在对器件进行了正、反向I-V特性测试、光功率及光谱特性的测量。SiLED的正向偏置时开启电压为0.9V,反向偏置时在15V左右可观察到发光。器件在室温下反向偏置时,10V,100mA电流下所得输出光功率为12.6nW,发光峰值在758nm处。     

Novel Light Source Integration Approaches for Silicon Photonics

Silicon does not emit light efficiently, therefore the integration of other light‐emitting materials is highly demanded for silicon photonic integrated circuits. A number of integration approaches have been extensively explored in the past decade. Here, the most recent progress in this field is reviewed, covering the integration approaches of III‐V‐to‐silicon bonding, transfer printing, epitaxial growth and the use of colloidal quantum dots. The basic approaches to create waveguide‐coupled on‐chip light sources for different application scenarios are discussed, both for silicon and silicon nitride based waveguides. A selection of recent representative device demonstrations is presented, including high speed DFB lasers, ultra‐dense comb lasers, short (850nm) and long (2.3μm) wavelength lasers, wide‐band LEDs, monolithic O‐band lasers and micro‐disk lasers operating in the visible. The challenges and opportunities of these approaches are discussed.     

Efficient silicon light emitting diodes made by dislocation engineering

Efficient silicon-based light emitting diodes have been fabricated using the dislocation engineering method. Crucially this technique uses entirely conventional ULSI processes. The devices were fabricated by conventional low-energy boron implantation into silicon substrates followed by high-temperature annealing, and strong silicon band edge luminescence was observed. Dislocation engineering is also shown to reduce the thermal quenching for other material systems. Dislocation engineered β-FeSi₂ and Er light emitting devices were fabricated and room temperature electroluminescence at 1.5 μm was observed in both cases.     

Nanosilicon photonics

Silicon photonics is no longer an emerging field of research and technology but a present reality with commercial products available on the market, where low‐dimensional silicon (nanosilicon or nano‐Si) can play a fundamental role. After a brief history of the field, the optical properties of silicon reduced to nanometric dimensions are introduced. The use of nano‐Si, in the form of Si nanocrystals, in the main building blocks of silicon photonics (waveguides, modulators, sources and detectors) is reviewed and discussed. Recent advances of nano‐Si devices such as waveguides, optical resonators (linear, rings, and disks) are treated. Emphasis is placed on the visible optical gain properties of nano‐Si and to the sensitization effect on Er ions to achieve infrared light amplification. The possibility of electrical injection in light‐emitting diodes is presented as well as the recent attempts to exploit nano‐Si for solar cells. In addition, nonlinear optical effects that will enable fast all‐optical switches are described.     

GaN基发光二极管衬底材料的研究进展

GaN基发光二极管(LED)作为第三代照明器件在近年来发展迅猛.衬底材料作为LED制造的基础,对器件制备与应用具有极其重要的影响.本文分析综述了衬底材料影响LED器件设计与制造的关键特性(晶格结构、热胀系数、热导率、光学透过率、导电性),对比了几种常见衬底材料(蓝宝石、碳化硅、单晶硅、氮化镓、氧化镓)在高质量外延层生长、高性能器件设计和衬底材料制备方面的研究进展,并对几种材料的发展前景做出了展望.     

双能谷效应对N型掺杂Si基Ge材料载流子晶格散射的影响

性能优越的Si基高效发光材料与器件的制备一直是Si基光电集成电路中最具挑战性的课题之一.Si基Ge材料不仅与成熟的硅工艺相兼容,而且具有准直接带特性,被认为是实现Si基激光器最有希望的材料.对Si基Ge材料N型掺杂的研究有利于提示出其直接带发光增强机理.本文研究了N型掺杂Si基Ge材料导带电子的晶格散射过程.N型掺杂Si基Ge材料具有独特的双能谷(Γ能谷与L能谷)结构,它将通过以下两方面的竞争关系提高直接带导带底电子的占有率:一方面,处于Γ能谷的导带电子通过谷间光学声子的散射方式散射到L能谷;另一方面,处于L能谷的导带电子通过谷内光学声子散射以及二次谷间光学声子散射或者直接通过谷间光学声子散射的方式跃迁到Γ能谷.当掺杂浓度界于10~(17)cm~(-3)到10~(19)cm~(-3)时,适当提高N型掺杂浓度有利于提高直接带Γ能谷导带底电子占有率,进而提高Si基Ge材料直接带发光效率.     

硅基光子集成研究进展

报道了国际上关于硅基光子集成的最新研究进展和本课题组在该领域的研究成果,包括对一些光收发模块、III-V族/硅基激光器等集成器件的结构改进和工艺的探索,展示了兼容互补金属氧化物半导体工艺的硅基光子集成在信息技术领域中的巨大前景.可以预见,硅基光子集成已成为硅光子学的主要研究内容,硅光子学及硅基光子集成的发展目标是趋向更高速率、更低功耗及更大集成密度.