硅基光源的研究進(jìn)展_沈浩

1、物 理 學(xué) 報(bào)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(dǎo) 體科 學(xué) 技術(shù) 的 出 現(xiàn)和 發(fā) 展 為 人 類社 會(huì)的 生 產(chǎn) 和生 活 帶 來(lái)前 所 未有 的 變 革． 半 導(dǎo) 體科 學(xué) 技術(shù) 是信 息產(chǎn)  業(yè) 的核 心和 基 礎(chǔ)， 是 推動(dòng) 傳統(tǒng) 工 業(yè) 轉(zhuǎn)型 升 級(jí)的 物

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

3、微 電 子 技 術(shù) ． 半 導(dǎo) 體科學(xué) 技  術(shù) 已 經(jīng) 成 為 一 種 既 代 表 國(guó) 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(wú) 法 想 象如 果 它 在 將 來(lái)  停 止 繼 續(xù) 往前 發(fā)展 了 會(huì) 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(wèn) 題 ， 成 為 限 制 集 成 電 路 進(jìn) 一 步 發(fā)展 的主 要 阻 力 ． 最 新 的 １ ４ ｎｍ 工 藝 ， 金屬 導(dǎo) 線 的 最 小 間 距  只 有 ５２ ｎｍ， 線 寬 只 有幾 個(gè) 納 米 ， 已 經(jīng) 非 常 接近物 理極 限 ． 在 同 一 芯 片 上 集成 光 子 學(xué) 器 件 和 電 子 學(xué) 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(diǎn) ． 光 互 連的 實(shí) 現(xiàn) 還  將 為 進(jìn) 一 步 集 成 量子 器 件提供 必 要 條件 ． 目 前 硅基 光 電 探測(cè) 器 、 電 光調(diào) 制 器 、 波 分 復(fù) 用 器 、 光 波導(dǎo) 等 都 已 成 功 實(shí) 現(xiàn)， 但  由 于 硅的 間 接 帶 隙 特 點(diǎn) 導(dǎo)致真 正 能 夠 實(shí) 用 的 硅基 光 源 仍 懸 而 未 決

6、． 實(shí)現(xiàn) 硅 基發(fā) 光 器 件 成 為 實(shí) 現(xiàn) 硅基 光 電 集 成技術(shù) 最  具 挑戰(zhàn) 和最 重 要 的 目 標(biāo)． 本刊 組 織 的“ 硅 基 光 電 子 物理和器 件” 專 題 從理論 設(shè)計(jì) 高 效 發(fā) 光硅 鍺超 晶 格 ， 包 括量子 效應(yīng)  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(diǎn) 激 光 器 等 幾 個(gè) 方 面 對(duì) 各 種硅基 光 源 目 前 面 臨 的 問(wèn) 題和 未 來(lái) 的 發(fā) 展方 向 進(jìn) 行  系 統(tǒng) 的介 紹 和總 結(jié)， 推動(dòng) 國(guó) 內(nèi) 硅基 發(fā) 光 器 件 的 研 究進(jìn)展 ， 以 期 在 國(guó) 際 上 首 先實(shí) 現(xiàn) 可實(shí) 用 的硅 基發(fā) 光 器 件 ．  （客座 編 輯 ： 中 國(guó) 科學(xué) 院半 導(dǎo) 體研 究 所駱 軍 委

8、 ， 李 樹深 ）  硅基光源 的研究進(jìn)展＃  沈 浩 李 東 升ｔ 楊 德 仁  （浙 江 大 學(xué)材料科 學(xué) 與工程 學(xué) 院， 硅材料 國(guó)家 重 點(diǎn)實(shí) 驗(yàn)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(duì) 大 容量 、 高速和 低 成本 的 信 息 傳播 的 要 求越來(lái) 越迫切 ， 近 年來(lái)硅 基 光 電子

9、學(xué)得 以 蓬 勃發(fā) 展 ， 但  桂 基光 源一 直沒(méi) 有得 到 真正 的 解 決 ， 成為 制 約 硅基 光 電子 學(xué) 發(fā)展 的瓶頸． 硅 的 間 接 帶隙本 質(zhì) 給高 效硅基 光源  的 實(shí)現(xiàn) 帶來(lái) 很大 困難 ， 實(shí)用 化 的硅基激光是半 導(dǎo) 體科學(xué) 家長(zhǎng) 期奮 斗 的 目 標(biāo) ． 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(jìn)展 ， 最后 總 結(jié) 了 目 前 各種 硅基光

10、源面臨 的 問(wèn) 題和 未來(lái) 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(jí)縮 小 到 １４ ｎｍ， 很 快將達(dá) 到 １ ０  ｎｍ； 相  應(yīng)地 ， 電 路 內(nèi) 金屬 互連 的 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 程 度 越來(lái) 越 高，  在 ２０ 世紀(jì)， 硅 材 料對(duì)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(guò) 半 導(dǎo) 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(lái) ， 集成 電 路遵循管 特征 尺 寸 的 不 斷 減 小， 電 互連 面 臨 著 信 號(hào)延 遲  ＊ 國(guó)家 重點(diǎn) 基礎(chǔ)研究 發(fā)展 計(jì)劃 （批準(zhǔn) 號(hào) ： 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(guó) 物理學(xué)會(huì) Ｃ ｈｉ ｎ ｅｓ ｅＰｈｙ ｓｉ ｃａ ｌ Ｓ ｏｃ ｉｅ ｔｙ  ２０４ ２ ０ ８－１  物 理 學(xué) 報(bào) 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(yīng) 用 ， 進(jìn)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(dú) 特 的 ４ ｆ 能 級(jí) 系 統(tǒng) ，  后 通 過(guò)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(fù) 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(jí) 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(lái)解 釋 ， 但發(fā) 出 不 同 波長(zhǎng) 的光 滿 足 不 同 需 要 ， 所 以很 早就開 展  其 表 面效 應(yīng)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(shì) 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(shí) ， 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(shì) 壘不一輻 射躍遷 是 禁戒 的． 而 摻 進(jìn) 基體 中 時(shí) ， 受 晶 格 場(chǎng) 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(jí)發(fā)生 劈 裂 從而 ４ｆ 能 級(jí)之 間 可 以發(fā) 生 躍  不 同 基 質(zhì) 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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(zhǎng) 為 １ ． ５ ３ ｐｍ 的 近

18、紅 外 光 ，  相 對(duì) 容 易 且更 平衡 ； 但 是勢(shì) 壘 高度 降 低會(huì)造 成 對(duì)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(shì)人們 相 當(dāng) 廣泛 的 研 究 興 趣． 目 前對(duì) 摻鉺 的 富 硅氧 化  阱而 不 參 與 輻 射 復(fù) 合［ ５ ６】 ． 故 而在 制 備 器件 時(shí) 對(duì)?。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(jǐn) 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(dǎo)帶   ＡＥ  １ ． ５ ５ ｅＶ ＿ ４ Ｉ９ ／ ２ —＿ ０ ． ８ ０ ｐｍ Ｅｒ相 關(guān)能 級(jí)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(duì)丨?。墸? ０．８ １ｅＶ —  ４ Ｉ ｉ ３ ／２－ １．５ ３ ｐｍ ； ｜  價(jià)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(jí)  （ａ ）（ ｂ ）  圖 ２ （ ａ ） 自 由 Ｅｒ ３ ＋ 和摻入 固體 中 Ｅｒ ３＋ 能級(jí) 圖 ［ ５ ９】； （ ｂ ） Ｓ ｉ

24、 中 Ｅ ｒ３ ＋ 能 量傳遞過(guò)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