硅基发光材料研究进展

硅基发光材料研究进展

摘要：硅基发光材料是实现光电子集成的关键材料。本文分析了传

统工艺制作的硅基发光材料存在发光效率低、发光性能不稳定等缺点，在此基础上，总结目前量子理论、超晶格理论和纳米技术在硅基发光材料研究进展以及多孔硅的实践应用，并对硅基发光材料的前景进行展望。

关键词硅基发光材料多孔硅量子限制效应

Abstract: Si-based light emitting material is the key material of optoelectronic integration. This paper analyzes the traditional craft of Si-based light emitting that exists the defects, such as the inefficiency and the unsteady property of light emitting, and sums up the current progresses of quantum theory, superlattice theory, nano-scale technology in the Si-based light emitting material and the applied of porous silicon. Also some prospects of Si-based light emitting material is mentioned in this parper

Key words Si-based light emitting material porous silicon

Quantum confinement effect

目录：

1 引言 (3)

2 早期Si基发光材料的研究 (3)

2.1 缺陷工程 (3)

2.2 杂质发光 (3)

2.3 能带工程 (4)

2.4 异质外延 (4)

3 发光多孔硅 (4)

3.1 多孔硅的制作 (4)

3.2 多孔硅发光微观结构与发光机理 (5)

3.3 多孔硅光致发光光谱 (7)

3.4 多孔硅应用研究的展望 (7)

4 硅基发光材料研究进入多孔硅的后续发展阶段 (8)

4.1 硅基多孔SiC蓝光发射材料 (8)

4.2离子注入硅基SiO2 发光薄膜 (9)

4.3 硅基低维发光材料 (10)

5 结束语 (11)

引用文献 (12)

1.引言

硅不仅电学性质良好，许多光电性质也比较优越。但是 ,因为硅是间接带隙材料 , 发光效率很低 (在近红外区其效率为)106- ,硅的导带

底不在布里渊区的中心]

1[,而是在 (110) 方 向轴上 0 . 85 (a π

2) 处 ,所以一共有 6 个等价的导带极小 ,当电子从价带被激发至导带 ,通过与 晶格的相互作用 ,放出声子 ,弛豫至导带 ,由于价带顶在布里渊区的中心 ,波矢为零的电子不能直接由导带底跃迁至价带顶发出光子 ,它只能通过同时发射或者吸收一个声子 ,间接跃迁 至价带顶 ,这种间接跃迁的几率比直接跃迁的几率小得多 ,导致其发光效率非常低。

基于上面硅的所具有的缺点，人们曾经想过用可发光的直接带隙材料（如砷化钾）来替代。但是由于无法发展出一套可以与硅抗衡的平面工艺和集成技术，在微电子集成和光电子集成方面始终未能取代硅。于是人们把光电子集成基础材料的希望又转向了硅。本文主要介绍了早期Si 基发光材料、发光多孔硅以及在发光多孔硅带动下硅基发光材料的新发展。

2．早期Si 基发光材料的研究

长期以来，人们在硅基发光材料研究上作了坚韧不拔的努力。 几乎在硅集成技术和硅平面工艺发展的每一个阶段 ,人们都曾运用各种工艺技术来探索硅基发光材料]3][2

[。下面仅列 举几个主要研究方面 。

2．1 缺陷工程 缺陷工程的基本思想是在硅单晶中引入光活性缺陷中心 ,它可以由辐照损伤引入 ,也可 以由杂质引起某种结构缺陷。 通过这些缺陷中心实现无声子跃迁而发光. 等电子陷阱是一个 典型例子。 它是在硅中掺

入与硅同族 ( ⅣA 族) 的杂质 , 如 C , G e , Sn 或 Pb , 可 形 成 等 电 子 陷 阱 ,它们是辐射复合中心. 在掺 C 的硅中可观 测到无声子跃迁, 但发光效率很低。有趣的是 ,在非直接带隙的 GaP 中掺入等电子陷阱杂质氮 ,却实现了高效率无声子复合 ,制出了高效发光二极管。

2.2 杂质发光

硅中掺入某些杂质，可在禁带内引入辐射复合中心。 一个典型例子是,硅中掺稀土元素铒形成发光中心。 发光波长为154μm ,这正是光纤的低损耗窗,所以倍受重视。 只可惜铒在硅中的固溶度

很低,仅为5 ×1018cm-2 ,难以获得强光发射。近年来人们用铒与氧共注入提高了铒的固溶度。

2.3 能带工程

用一种或多种Ⅳ族元素与硅形成合金,改变其能带结构,使竖直跃迁成为可能,还可以控制发光波长。

2.4 异质外延

利用外延技术,在硅衬底上外延生长直接带隙材料,例如在硅上生长GaAs。虽然进行了大量研究,但始终未能获得理想结果。

在90 年代之前,人们研制硅基发光材料,基本上是运用硅材料和器件工艺技术,如掺杂、辐照、外延生长和合金技术等,虽长期努力,却进展不大,只能在低温下获得较弱的发光。 1990年有了一个突破性进展,即是发光多孔硅的发现。

3 发光多孔硅

1990年]4[

Canham报导:在HF荣溶液中,以单晶为阳极进行电化学腐

蚀,表面形成多孔结构,即多孔硅。在室温下可以和较强的可见光。他还指出多孔硅是一种量子线,它的发光可用二维量子限制效应解释,这是纳米材料的小尺寸效应之一。光电子集成诱人的应用前景,纳米材料量子尺寸效应的理论兴趣,推动着多孔硅研究迅速发展。

3.1 多孔硅的制作

3.1.1电化学腐蚀法

电化学腐蚀法是以单晶硅为材料,以HF 酸为主电解溶液,将难于与HF 酸溶液反应的导体碳棒或金属铂为阴极,单晶硅为阳极,对溶液进行电解,则单晶硅在阳极失去电子被氧化。硅在阳极氧化过程中,由于在外电场的作用下,正、负离子沿着电场方向集结。所以,在此过程中,单晶体硅片的腐蚀过程是均匀的,它先在硅表面腐蚀一些孔,而对于孔顶和孔的垂直方

向腐蚀比较快,而对孔壁的横向腐蚀比较慢,从而形成了各种类珊瑚状或

海绵状的多孔硅。]5[

3.1.2 光化学腐蚀法

光化学腐蚀法是把单晶硅片浸泡HF 酸溶液中,再利用适当频率的光波照射在单晶硅片上,产生非平衡载流子,为单晶硅片提供必需的电子和

空穴,加速单晶硅和HF 酸的反应速度。该制作方法如果使用频率太小的入射光,光子能量小于硅的禁带宽度而无法提供必需的电子- 空穴对,如

果使用频率太大,则单晶硅因为大面积吸收而影响电子- 空穴对的产生率。单晶硅片通过适当的光波照射,在HF 酸溶液中溶解,和金属在酸、碱溶液中腐蚀过程相似,在硅表面的一些杂质小区域内,产生空穴的区域为