硅基纳米半导体发光材料

Si-based Nanosize Semiconductor Luminescence Materials

项目编号：59832100

北京大学　秦国刚^*、付济时、张伯蕊、乔永平、冉广照、陈源

　　21世纪是高度信息化的时代，微电子信息处理的速度迅速发展，但逐步趋向极限。要有所突破，实现光电集成是必由之路。在硅片上实现光电集成从工艺和材料上看是最理想的方案，但受到以下限制：硅具有间接带隙，只能发射极微弱的红外光，长期以来被认为不适合于光子学应用，特别是不能用作在光子学中起关键作用的光源。1990年多孔硅的室温强可见光发射被发现，使人们看到了硅被应用于光子学光源的可能性。我们组近十年的研究一直以此为目标，坚持硅基发光材料和器件的基础研究.

(1) 通过改变富硅量、退火条件等，控制氧化硅中硅纳米晶的尺寸及密度。文献认为出现硅纳米晶的临界温度是1000^oC，而我们通过试验确定出现纳米晶的临界退火温度为900^oC。右图是经900^oC退火富硅量约为30%富硅氧化硅的高分辨电镜象。可以清楚硅纳米晶。图左上角是它的电子衍射图。

(2) 首次观察到Au/（Ge/SiO2）超晶格/p-Si结构的电致发光。右图出四周期Ge/SiO2 超晶格的高分辨电镜图。其中亮线为SiO2，厚度为2.0nm，Ge层厚为2.4 nm。

(3) 在硅衬底上用磁控溅射技术生长了纳米SiO2/Si/SiO2双势垒(NDB)单势阱三明治结构,首次实现Au/NDB/p-Si 结构的可见电致发光。发现电致发光的峰位、强度随纳米硅层厚度(W)的改变作同步振荡，如右图所示。进一步试验和分析证明，振荡周期等于1/2载流子的de Broglie波长。用我们组提出的电致发光模型作了解释。

(4) 首次在用磁控溅射生长的SiO2：Si：Er薄膜的基础上实现了波长为1.54μm（光通讯窗口）的Er电致发光。光谱见下图(a)。

(5) 在热处理ITO/自然氧化硅/p-Si中首次获得低阈值电压的360nm的紫外电致发光，是已报道的最短波长的硅基电致发光。光谱见下图(b)。

　　我们在硅衬底上设计了十来种硅/氧化硅纳米结构，实现了从近紫外到近红外的各主要波段（包括1.54和1.62μm）的光致发光和正向或反向偏压下的低阈值电压电致发光，并提出了受到广泛支持的光致发光和电致发光模型，这为最终实现硅基光电集成打下一定的基础。具有重要的科学意义和巨大的应用前景。

1. G.G.Qin, Y.Q.Wang, Y.Q.Qiao, B.R.Zhang, Z.C.Ma, and W.H.Zong，Synchronized Swinging of Electroluminescence Intensity and PeakWavelength with Si layer Thickness in Au/ SiO2/ Nanometer Si/SiO2/p-SiStructures, Appl. Phys. Lett. 74, 2182 (1999).

2. G.G. Qin, C.L.Heng, G.F.Bai, K. Wu, C.Y.Li, Z.C. Ma, W.H. Zong and Li-Ping You, Electroluminescence from Au/(nanoscale Ge/SiO2)superlattice/ p-Si structure, Appl. Phys. Lett. 75, 3629 (1999)

3. G. G. Qin, G. Z. Ran, Y. Chen and J. S Fu, Room-temperature luminescence at 1.54 mm and other wavelengths from Er-doped Si-richSi oxide, an invited paper for Asia-Pacific Optical and Wireless communications conference, to be held in Nov. 2001 in Beijing.

工程与材料科学部、国际合作局 主办
数理科学部、化学科学部 协办