硅基光源的研究進展_沈浩

1、物 理 學 報Ａｃ ｔａ Ｐｈｙｓ ．Ｓ ｉｎ ． Ｖ ｏ ｌ ． ６４ ，Ｎ ｏ ．２ ０ （２ ０１ ５ ）２０ ４２ ０８  專 題 ： 硅 基光電 子物理和 器件  編者 按半 導 體科 學 技術(shù) 的 出 現(xiàn)和 發(fā) 展 為 人 類社 會的 生 產(chǎn) 和生 活 帶 來前 所 未有 的 變 革． 半 導 體科 學 技術(shù) 是信 息產(chǎn)  業(yè) 的核 心和 基 礎(chǔ)， 是 推動 傳統(tǒng) 工 業(yè) 轉(zhuǎn)型 升 級的 物

2、質(zhì) 支撐 ， 是 支撐 經(jīng) 濟 社 會 發(fā)展和保 障 國 家 安全 的 戰(zhàn) 略性 、 基礎(chǔ)性 和 先  導性 基 石 ． 特 別是 作 為 半 導 體技 術(shù) 之 一 的微 電 子 技 米 ， 不 但 自 身 是 一個龐 大 的 產(chǎn) 業(yè)， 它 還作 為 核 心 部 件 在 不 斷 推 動 其  他 科技 應 用 的 迅速 發(fā)展 ， 從 國 防科 技 、 現(xiàn)代 工 業(yè) 到 日 常 生 活 ， 各個領(lǐng) 域 無 不 滲 透著 半 導 體

3、微 電 子 技 術(shù) ． 半 導 體科學 技  術(shù) 已 經(jīng) 成 為 一 種 既 代 表 國 家現(xiàn) 代化 工業(yè) 水平 又 與 人 民 生 活 息 息 相 關(guān) 的 基礎(chǔ)性 高 新 技術(shù) ， 我們 無 法 想 象如 果 它 在 將 來  停 止 繼 續(xù) 往前 發(fā)展 了 會 怎 么 樣 ？ 隨 著 晶 體管 的 不斷 縮 小， 芯 片 集 成度的 不 斷 提 高 ， 晶體 管 間 的 電 互連 面 臨 包 括散熱 、  串 擾 、 延

4、遲在 內(nèi) 的 一 系 列 問 題 ， 成 為 限 制 集 成 電 路 進 一 步 發(fā)展 的主 要 阻 力 ． 最 新 的 １ ４ ｎｍ 工 藝 ， 金屬 導 線 的 最 小 間 距  只 有 ５２ ｎｍ， 線 寬 只 有幾 個 納 米 ， 已 經(jīng) 非 常 接近物 理極 限 ． 在 同 一 芯 片 上 集成 光 子 學 器 件 和 電 子 學 器 件 用 光 互連代 替  電 互連 的 光 電 集 成 技術(shù) 有 望 解 決 這

5、一 難 題， 硅基光 互 連 具 有 高 速度 、 高 帶 寬 、 低功 耗 、 可 集 成等 特 點 ． 光 互 連的 實 現(xiàn) 還  將 為 進 一 步 集 成 量子 器 件提供 必 要 條件 ． 目 前 硅基 光 電 探測 器 、 電 光調(diào) 制 器 、 波 分 復 用 器 、 光 波導 等 都 已 成 功 實 現(xiàn)， 但  由 于 硅的 間 接 帶 隙 特 點 導致真 正 能 夠 實 用 的 硅基 光 源 仍 懸 而 未 決

6、． 實現(xiàn) 硅 基發(fā) 光 器 件 成 為 實 現(xiàn) 硅基 光 電 集 成技術(shù) 最  具 挑戰(zhàn) 和最 重 要 的 目 標． 本刊 組 織 的“ 硅 基 光 電 子 物理和器 件” 專 題 從理論 設(shè)計 高 效 發(fā) 光硅 鍺超 晶 格 ， 包 括量子 效應  低維 硅 ， 硅 基稀土摻 雜 ， 硅 中 缺 陷 發(fā) 光 和硅 基鍺 材 料在 內(nèi) 的各 種 硅 基發(fā) 光 材料制 備 、 高 遷 移 率鍺 溝 道 器 件 、 硅基 ＩＶ 族

7、 異 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 光 器 件和 硅 基 Ｉ ＩＩ－Ｖ 族 量 子 點 激 光 器 等 幾 個 方 面 對 各 種硅基 光 源 目 前 面 臨 的 問 題和 未 來 的 發(fā) 展方 向 進 行  系 統(tǒng) 的介 紹 和總 結(jié)， 推動 國 內(nèi) 硅基 發(fā) 光 器 件 的 研 究進展 ， 以 期 在 國 際 上 首 先實 現(xiàn) 可實 用 的硅 基發(fā) 光 器 件 ．  （客座 編 輯 ： 中 國 科學 院半 導 體研 究 所駱 軍 委

8、 ， 李 樹深 ）  硅基光源 的研究進展＃  沈 浩 李 東 升ｔ 楊 德 仁  （浙 江 大 學材料科 學 與工程 學 院， 硅材料 國家 重 點實 驗室， 杭 州 ３ １０ ０２７ ）  （ ２０ １ ５ 年 ７ 月 ７ 日 收到 ； ２ ０ １ ５ 年 ８ 月 １４ 日 收到 修改稿 ）  隨 著 人們對 大 容量 、 高速和 低 成本 的 信 息 傳播 的 要 求越來 越迫切 ， 近 年來硅 基 光 電子

9、學得 以 蓬 勃發(fā) 展 ， 但  桂 基光 源一 直沒 有得 到 真正 的 解 決 ， 成為 制 約 硅基 光 電子 學 發(fā)展 的瓶頸． 硅 的 間 接 帶隙本 質(zhì) 給高 效硅基 光源  的 實現(xiàn) 帶來 很大 困難 ， 實用 化 的硅基激光是半 導 體科學 家長 期奮 斗 的 目 標 ． 本 文 分別介紹 了 硅 基發(fā) 光材料 、 硅  基發(fā)光 二極管和 硅基激光 的 研 究進展 ， 最后 總 結(jié) 了 目 前 各種 硅基光

10、源面臨 的 問 題和 未來 的 發(fā)展方 向 ．  關(guān)鍵詞？． 硅基 發(fā)光材 料 ， 硅基發(fā)光 二 極管 ， 硅基激光 ， 光 電集成  ＰＡＣＳ ： ４ ２ ． ８ ２ ．－ｍ， ４ ２ ． ７０ ． － ａ ， ８ ５． ６０ ． Ｊ ｂ， ４２ ． ５ ５ ． ＰｘＤ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． ７４９ ８ ／ ａｐｓ． ６４ ． ２０ ４２ ０８  “ 摩 爾 定 律” 飛 速發(fā)展 ， 特 征 尺寸 不 斷 縮

11、小， 已 經(jīng)從  １ 弓 ｜ｆ最初 的微米級縮 小 到 １４ ｎｍ， 很 快將達 到 １ ０  ｎｍ； 相  應地 ， 電 路 內(nèi) 金屬 互連 的 結(jié) 構(gòu) 復 雜 程 度 越來 越 高，  在 ２０ 世紀， 硅 材 料對人 類 的生 產(chǎn) 及 生 活都 產(chǎn)互連技術(shù) 正朝著高速率和 高密 度集 成 發(fā)展 ， 以滿 足  生 了 巨 大 的 影 響 ， 通 過 半 導 體 集成 電 路構(gòu) 成 了 現(xiàn)目 前 大容量

12、和 高 速率 傳 輸 的 需 要． 然 而， 隨著 晶 體  代信 息產(chǎn) 業(yè)發(fā)展 的 基石 ． ４０ 多 年來 ， 集成 電 路遵循管 特征 尺 寸 的 不 斷 減 小， 電 互連 面 臨 著 信 號延 遲  ＊ 國家 重點 基礎(chǔ)研究 發(fā)展 計劃 （批準 號 ： ２ ０ １ ３Ｃ Ｂ６３ ２ １０２ ） 資助 的課題 ．  ｔ通 信 作者 ． Ｅ￣ｍａ ｉ ｌ ： ｍ ｓｅ ｌ ｄｓ ？ｚｊ ｕ． ｅｄ ｕ ． ｃｎ

13、 ？ ２０ １５ 中國 物理學會 Ｃ ｈｉ ｎ ｅｓ ｅＰｈｙ ｓｉ ｃａ ｌ Ｓ ｏｃ ｉｅ ｔｙ  ２０４ ２ ０ ８－１  物 理 學 報 Ａｃ ｔ ａＰｈ ｙｓ ．Ｓ ｉ ｎ ．Ｖｏ ｌ ．  ６ ４ ， Ｎｏ ． ２ ０  （ ２ ０ １ ５ ） ２０４ ２ ０ ８  米 晶通 常 尺寸 分 布都 比較 寬 ， 不 利于 其發(fā)光 的 研 究  和 應 用 ， 進而 又發(fā) 展 了 

14、一些 尺寸 可控 的 硅納 米 晶 制’  備 方 法， 如 可 以 先 制 備 Ｓｉ Ｏ ｚ ／ Ｓ ｉ Ｃｂ 超 晶格 結(jié) 構(gòu) ， 然眾 所 周 知 ， 稀 土材 料具 有獨 特 的 ４ ｆ 能 級 系 統(tǒng) ，  后 通 過高 溫退 火使 很 薄 的 富 硅 層 Ｓ ｉ Ｏｚ 發(fā)生 相 分離 ，內(nèi) 部 躍遷 輻 射 復 合 發(fā) 光 受 基 體 和 溫度 等 外 因 影 響  這 樣 獲得 的硅 納 米 晶 尺 寸

15、受 ３ 丨 〇 １ 厚 度 限制１ ５ ４ Ｌ 硅較 小 ， 通 常 呈 尖 銳 的 特 征 峰 ； 且 能 級 結(jié)構(gòu) 豐 富 可 以  納 米 晶 的發(fā)光 同樣 可 以 用 量 子 限制 模 型 來解 釋 ， 但發(fā) 出 不 同 波長 的光 滿 足 不 同 需 要 ， 所 以很 早就開 展  其 表 面效 應不 能忽 視． 上述 的 薄膜 基質(zhì) 的 作 用 都是了 硅 基 稀 土 元 素 的 發(fā) 光 研 究［ ５ ７， ５

16、 ８】 ． 其 中 ， 稀 土 元  類似 的 ， 起到 勢 壘 層 的作 用 ， 可 以 限 制 載 流子 在 納素 中 的 Ｅ ｒ 是 自 由 的 Ｅ ｒ ３＋ 時 ， 根 據(jù)偶 極 選 擇 定則 其  米 硅 表面 的作 用 ， 但是 電 子 和 空 穴 的 注入勢 壘不一輻 射躍遷 是 禁戒 的． 而 摻 進 基體 中 時 ， 受 晶 格 場 作  致 ． 圖 １ 分 別 給 出 了 氧 化 硅 、 氮 化 硅

17、和 碳 化硅 三 種用 Ｅ ｒ ３ ＋ 能 級發(fā)生 劈 裂 從而 ４ｆ 能 級之 間 可 以發(fā) 生 躍  不 同 基 質(zhì) 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 簡 圖 ＠， ５ ６１． 從 圖 中 可 以看 出遷 ， 如 圖 ２ ⑷ 所示 關(guān)． 可 以 看 出 Ｅｒ ３＋ 的 第一 激 發(fā)  氮 化 硅 和 碳 化 硅較 氧 化 硅 基 質(zhì) 電 子和 空穴 的 注 入態(tài)躍 遷至 基 態(tài)輻 射 出 波 長 為 １ ． ５ ３ ｐｍ 的 近

18、紅 外 光 ，  相 對 容 易 且更 平衡 ； 但 是勢 壘 高度 降 低會造 成 對載正好位于 石 英 光纖 的 最低 損 耗 窗 口 內(nèi) ， 因 而 引 起 了  流 子 限制 作用 的 減 弱 ， 從而 使部 分 載流子逃 逸 出 勢人們 相 當 廣泛 的 研 究 興 趣． 目 前對 摻鉺 的 富 硅氧 化  阱而 不 參 與 輻 射 復 合［ ５ ６】 ． 故 而在 制 備 器件 時 對?。壒?／氮 化硅 薄膜

19、和 鉺 的 硅 酸 鹽 化 合物這 兩 種體 系 研  膜基 質(zhì) 的 選 擇 需要謹 慎 ．宄較 多 ．  １ ｅＶ＾  ｓｎｎ ￥七－ ＞  ５＂３ｎ ＿ ｍ －￣ ￣  Ｕ ＣＢ ． Ｃ Ｂ．ｖ １  ＴＨＴ＾： － 上口＋ ｌ ｅＶ＇  ｐＸ＾   ａ ｒ＾ｉＴ Ｖ Ｂ—Ｕ． ｌ° － ８ ｅＶ  （ａ ） （ ｂ）（ ｃ ）

20、 圖 １硅 納 米 晶 嵌 入 氧 化 硅 、 氮 化 硅 ＿ 、 碳 化 硅 ｌ ５ ５ｌ 基 質(zhì) 中 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖（ ａ ）Ｓ ｉ０ ２ ／ Ｓｉ ＮＣ／ Ｓ ｉ０２ ；  （ ｂ ）Ｓ ｉ ３ Ｎ４ ／ Ｓ ｉＮＣ ／ Ｓ ｉ ３Ｎ ４ ； （ｃ ）Ｓ ｉＣ ／ Ｓ ｉＮＣ ／Ｓ ｉ Ｃ  Ｆ ｉｇ．１ ．Ｂａ ｎ ｄｄ ｉ ａｇ ｒａ ｍ ｏｆ  Ｓ ｉ〇 ２ ， Ｓ

21、ｉ３ Ｎ ４ｌ ５ ６ｌ，Ｓ ｉＣＩ５ ５ｌ ｗ ｉ ｔ ｈ ｂ ｕｒ ｉ ｅ ｄＳ ｉＮ Ｃ ：  （ ａ ）Ｓ ｉ０ ２ ／Ｓ ｉ ＮＣ／ Ｓ ｉ ０ ２ ； （ ｂ ） Ｓ ｉ ３ Ｎ ４ ／Ｓ ｉ  Ｎ Ｃ ／ Ｓ ｉ ３ Ｎ４ ； （ ｃ ） Ｓ ｉＣ ／ Ｓ ｉＮ Ｃ ／ Ｓ ｉＣ ．  ■ Ｈ ｎ ／ ２ ＇ Ｅ■  ２ ． ３ ０ ｅＶ —  ４Ｓ３ ／ ２ 

22、— 一 ＝ — ０ ． ５ ４ ｙｍ電 千   ＝俘獲發(fā)射  １ ． ８ ８ ｅＶ— ４ Ｆ ９ ／ ２  — ０ ． ６ ６導帶   ＡＥ  １ ． ５ ５ ｅＶ ＿ ４ Ｉ９ ／ ２ —＿ ０ ． ８ ０ ｐｍ Ｅｒ相 關(guān)能 級激發(fā)概率 一 一 ％ ３ ／ ２  １ ． ２ ７ ｅＶ—  ４ ｉ ｈ ／ ２  — ０ ． ９ ８ ｐｍ？ ？ —Ｈ  電子空穴

23、 對丨！＾  ０．８ １ｅＶ —  ４ Ｉ ｉ ３ ／２－ １．５ ３ ｐｍ ； ｜  價帶 ！ ￣；—  一４ Ｉｌ ５ ／ ２  ＝—＿丨威空 穴 發(fā)射  自 由 Ｅ ｒ ３ ＋固 體中 Ｅｒ ３ ＋Ｓ ｉ基體Ｅ ｒ的 ４ 賺級  （ａ ）（ ｂ ）  圖 ２ （ ａ ） 自 由 Ｅｒ ３ ＋ 和摻入 固體 中 Ｅｒ ３＋ 能級 圖 ［ ５ ９】； （ ｂ ） Ｓ ｉ

24、 中 Ｅ ｒ３ ＋ 能 量傳遞過程［ ６Ｇ】  Ｆ ｉｇ．２． （ａ ） Ｓ ｃｈ ｅ ｍａｔ ｉ ｃｅｎ ｅ ｒｇｙｌｅｖ ｅ ｌ ｄ ｉ ａ ｇ ｒａ ｍ ｏ ｆＥ ｒ ３＋ｆｏｒ ａ ｆ ｒ ｅｅ  ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄｆｏｒ ａ ｎｉ ｏｎ ｉ ｎａ ｓｏ ｌ ｉｄ［ ５９】 ； （ ｂ ）ｓｃ ｈ ｅ ｍａｔ ｉ ｃ  ｄ ｉａｇ ｒａｍ ｏｆ ｅｎ ｅ ｒｇ ｙ ｔ