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纳米硅发光材料

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纳米硅发光材料的发展历史与展望

1995年希腊科学家A.G.Nassiopuoulos等人用高分辨率的紫外线照相技术,各向异性的反应离子刻蚀和高温氧化的后处理工艺,首次在硅平面上刻划了尺寸小于20nm的硅柱和硅线的表面结构,观察到了类似于多孔硅的光激发光现象。如果氢氟酸腐蚀剥去了表面的氧化层以后,光激发光现象也随之消失。所有这些 ,再次雄辩地验证了量子限制效应和表面复合中心的光激发光机理模型。同年,德国科学家T.W.H.Wang等用扫描沟道显微镜,把在硅平面上刻划的硅线宽度减少到5nm,这样就有可能把现代先进的光刻技术应用于全硅型光电子集成技术.
当前,纳米硅基材料的光激发光 ,尤其是电致发光的效率和发光强度还比较低,全硅型的光电集成工艺技术尚未成熟,但是,自从1990年发现多孔硅发光现象引起的世界性轰动效应以来,纳米硅基发光材料一直是材料科学研究中备受关注的热门领域。对这类材料和器件的研究都已取得了重大进展。
至今,研究热潮仍然方兴未艾。我们相信,对纳米硅基材料发光机理的研究将从现在共识的定性了解发展到建立起能够进行定量或半定量模拟计算的严密的机理模型 ,并应用现代先进的硅平面工艺技术 ,建立起成熟的全硅型光电集成工艺技术。在不久的将来,这种跨世纪的发光材料和集成器件,将应用到各个领域 ,进入千家万户。

(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1000oC，而我们通过试验确定出现纳米晶的临界退火温度为900oC。
(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2.4nm。
(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。进一步试验和分析证明，振荡周期等于1/2载流子的deBroglie波长。
(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。
(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。

纳米硅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。