硅基低维发光材料的研究进展

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1、mfir截据资源系统I1>D*T>tC«翦穿ft!期刊MGITZBDPERIQaCftL白然杂志ZIRANZAZHI1999年第21第6Vol.21No.61999硅基低维发光材料的研究进展彭英才关键词硅基异质结发光多孔硅硅基纳米微粒光致发光特性DevelopmentoftheStudyonSi-basedLow-DimensionalLight-EmittingMaterialsPengYing-cai(Professor,CollegeofElectronicandInformationalEngineering,HebeiUniversity,Baoding071002)Ke

2、ywordsSi-basedheterojunction,light-emittingporoussilicon，Si-basedquantumdots,photoluminescence20世纪90年代，作为硅基光电子学的一个主导发展方向，硅基低维发光材料的研究取得了一系列重要进展.一方面，硅基超晶格、量子阱以及多孔硅的研究不断深化，具有潜在的发展优势.另一方面，由各种成膜技术形成的各种纳米晶硅薄膜、硅基纳米微粒以及由自组织生长方法制备的硅基量子点的研究崭露头角，亦呈现出良好的发展势90年代初期以来，硅基低维材料及其发光特性的研究引起了人们的浓厚兴趣，其中有两个方面最为引人注目.

3、一是由于硅分子束外延技术的进步，人们能够制备出具有高质量的SiGe/Si应变层异质结构，从而可以对其发光特性进行富有成效的研究.二是多孔硅的可见光发射特性，引发了人们重新对硅材料发光特性进行研究的热情关注.尤其是1996年，两位美国科学家采用多孔硅与硅工艺技术相结合的方法，成功地制备了硅光电子芯片雏型的事实，已使许多材料物理学家意识到，利用廉价的硅材料并借助于已相当成熟的硅VLSI技术，实现全硅光电子集成已不是可望而不可及的事情了.除了上述的硅基异质结与多孔硅外，近年又有一类新的硅基低维材料，如采用各种物理与化学成膜技术在各种衬底上制备的纳米硅膜（nc-Si:H）、镶嵌在各种介质中

4、的硅纳米微粒、采用局域分子束外延生长的硅基量子点阵列以及由自组织生长方法制备的Si、SiGe或Ge量子点的研究，又成为硅基低维发光材料研究中的一个不可分割的组成部二、硅基应变层异质结构1.SiGe/Si应变层量子阱〔1〕SiGe/Si应变层量子阱是具有一维量子限制作用的低维人工材料.就硏究材料的发光性质而言，利用分子束外延等工艺生长SiGe/Si应变层量子阱的主要目的，是依靠量子阱对二维激子的量子约束作用，增强激子的局域化程度，以提高带间的跃迁概率.人量研究成果表明，适当窄的阱宽能使二维激子的局域化程度增加，从而有利于无声子参与的带间复合发射峰的增强.但是如果量子阱宽度过窄，电子的

5、波函数有可能穿透到两边的势垒中，从而减弱了电子与空穴在阱中的复合权重，并使得带间复合发射峰减弱.因此，为了提高量子阱的发光效率，需要严格控制SiGe/Si应变层量子阱的各种生长参数，以使量子阱宽度、势垒高度与厚度迖到最佳优化组合.近10年来，人们在SiGe/Si应变层量子阱的结构制备与光致发光（PL）特性研究方面取得了大批丰硕成果.2.SiGe/Si应变层超晶格大家知道，Si是一种典型的间接带隙半导体材料，其发光强度要比直接带隙的GaAs化合物低三个数量级.但是理论研究指出，如果工艺上能生长出性能优异的SimGen/Si短周期超晶格，则可以通过布里渊区的折叠效应，实现Si的能带结构

6、由间接带隙向直接带隙的转变.迄今的硏究表明，如果交替生长m个S!原子和n个Ge原子层的SimGen合金，当m+n=10（如m=6，n=4或m=5，n=5）吋，则根据能带组成原理，会1吏携i布里渊区以k=0为中心折叠在一起，而使x带谷点被折叠到微布里渊区的r带顶点，从而形成直接带隙结构.从物理上讲，这种短周期超晶格材料的直接跃迁概率应该是很大的，即应有很强的发光效率.目前，人们正在努力探索，以使Si材料能够实现实际意义上的间一直转变过程.3.SiO2/Si超晶格〔3〕SiO2/Si超晶格是采用分子束外延或真空溅射工艺制备的多层薄膜结构.Raman谱和TEM测量分析证实，SiO2/Si

7、超晶格的Si层呈非晶状.在这种结构中，Si层充当量子阱，而SiO.2层充当势垒层，其发光则源于Si量子阱.实验发现，SiO?/Si超晶格在室温下的发制备准一维的硅聚合物链，并观测到了与之相关的光致发光.此外，多孔硅是一系列垂直于硅衬底平面的纳米晶粒，其横向尺寸远小于纵向尺寸，亦可称为量子线.多孔硅可以说在整个90年代，“多孔硅热”一直久演不衰，但由于它存在着结构性质差和光强衰减快等弱点，所以难以将其推向实用化.因此，如何进一步改进其结构性能，以实现高效率和高稳定度发光