Si基Ge外延薄膜材料发光性能研究进展

理论和实验研究表明,在一定的应变和掺杂浓度下,Si基外延Ge薄膜能实现1.55μm光通信波段的直接带隙发光。讨论了Si基外延Ge材料的生长技术及其能带结构,结合本小组近年来在该领域所取得的成果,介绍了国内外各研究机构对Ge薄膜发光材料和器件的研究进展,展望了未来的发展趋势。     

硅基IV族光电器件研究进展(二)——光电探测器

基于Ge、GeSn等IV族材料的硅基探测器与Si CMOS工艺兼容性好,成本低廉,并且易于与硅基波导器件集成,因而具有非常重要的应用价值。介绍了中国科学院半导体研究所在相关硅基IV族合金材料外延制备及相关器件方面的研究,重点介绍在硅基Ge面入射探测器、波导型探测器、吸收电荷倍增分离型(SACM)结构雪崩光电探测器以及GeSn光电探测器方面的一些研究进展。     

Si基芯片光互连研究进展

综述了近年来Si基光互连,尤其是和微电子工艺兼容程度较高的芯片间和芯片内的光互连的进展。Luxtera公司已经率先实现了除光源外的所有光子器件的单片集成,IBM也提出并开始实施微电子学领域的片内光互连的技术方案,但Si基光互连大部分还停留在各构建单元器件性能提高的阶段,例如Si基发光、Si波导、Si波导耦合器、Si基调制器及光开关、Si基探测器以及用于光波导器件阵列的WDM技术。此外,还对Si基光源、光纤耦合、偏振敏感性以及光子器件的热稳定性提出了看法。总之,随着各种构建单元器件的综合性能、CMOS工艺兼容度、制备成品率的提高以及光电融合单片集成工艺的突破,光互连最终会成为现实,并引发微电子技术和IC行业的下一场革命。     

Si基纳米结构的电子性质

各种Si基纳米发光材料在Si基光电子器件及其全Si光电子集成技术中具有潜在的应用前景,从理论和实验上对其电子结构进行研究,有助于我们深化对其发光机制的认识与理解。本文主要从量子限制效应发光这一角度,着重介绍了Si纳米晶粒、Ge/Si量子点,SiO2/Si超晶格和超小尺寸Si纳米团簇等不同Si基纳米结构的电子性质以及它们与发光特性之间的关系。还讨论了介质镶嵌和表面钝化对其电子结构的影响。     

硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线及其若干半导体器件

综述了硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线与异质结制备技术的研究进展.针对基于Ⅲ-Ⅴ族纳米线的半导体器件,重点介绍了硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线场效应晶体管的研究现状,详细介绍了硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线场效应晶体管和隧穿场效应晶体管的制备流程、工艺技术和器件的电学性能,并对影响器件电学性能的因素进行了分析.概括介绍了硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线激光器和硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线太阳电池的研究成果,基于硅衬底的Ⅲ-Ⅴ族纳米线太阳电池为低成本、高效能的太阳电池领域开辟了新途径.研究结果表明,采用硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线制备的场效应晶体管、激光器及太阳电池等半导体器件相对于Si,Ge等传统半导体材料制备的器件有着巨大的优势,在未来集成电路技术中具有越来越大的影响力.     

Si基光电子学的研究与展望

Si基光电子学是为顺应二十一世纪以现代光通信和光电子计算机为主的信息科学技术发展需要，在全世界范围内迅速兴起的一个极为活跃的研究前沿。其最终目标之一是为了实现人们所期盼的全Si光电子集成电路．本文尝试性地评论了这一集Si材料技术、纳米技术、微电子技术以及光电子技术为一体的新型交叉学科，近年来在直接带隙Si基低维材料的设计、晶粒有序Si基纳米材料的制备与稳定高效Si基发光器件的探索等方面所取得的若干重要研究进展，并预测了全Si光电子集成技术的未来发展趋势。     

Si衬底上Ge外延薄膜与器件研究进展

随着Si基器件发展遇到瓶颈,具有更优异性能且与Si基CMOS工艺良好兼容的Ge基器件展现出了应用于集成电子与光电子领域的广阔前景.然而,Si基Ge器件性能会受制于Si与Ge之间较大的晶格失配所产生的高密度位错.因此,控制Si衬底上Ge外延薄膜的位错密度成为高性能Ge器件制备的研究重点.文章着重介绍了插入层、低温成核层和选区外延生长技术3种Si衬底上Ge外延薄膜位错控制技术的基本原理及研究进展,讨论了Si基Ge器件的最新研究进展,并展望了Si基Ge薄膜生长和器件制备的发展前景.     

锗近红外光电探测器制备工艺研究进展

Ge材料由于在近红外波段具有较大的吸收系数、高的载流子迁移率、以及与Si工艺相兼容等优势而被视为制备近红外光电探测器最理想的材料之一。针对Ge光电探测器制备过程中面临的挑战,文中综述了近年来笔者所在的课题组在Ge探测器材料、器件及工艺方面的研究进展。首先介绍了Si基Ge材料的制备工艺,利用低温缓冲层生长技术、Ge/Si键合技术、Ge浓缩技术等分别制备得到高晶体质量的Si基Ge材料。研究了Ge材料n型掺杂工艺,利用离子注入结合两步退火处理（低温预退火和激光退火）以及利用固态磷旋涂工艺等分别实现Ge材料n型高掺浅结制备。最后探究了金属/Ge接触势垒高度的调制方法,结合金属中间层和透明导电电极ITO制备得到性能良好的Ge肖特基光电探测器。     

应用于光互连的金属限制介质辅助键合III-V/硅基混合集成激光器

硅基键合III-V 材料激光器,作为互补氧化物半导体(CMOS)兼容硅基光互连系统中的一个关键元件,近年来引起了人们的高度重视并得到了广泛的研究。金属限制结构可以增强器件对光场的限制,提高界面反射率和工艺容差,从而实现小体积低能耗硅片上集成光源。对金属限制介质辅助键合III-V/硅基混合集成激光器进行了研究,介绍了该激光器的基本原理和实验方案,并对制作的不同结构激光器的特性进行了分析,该研究工作的开展将有助于实现III-V/硅基混合集成激光器在低能耗高带宽的硅基光互连中的应用。     

三元合金锗硅碳的器件应用研究

碳的加入改进了锗硅材料的性能 ,同时也为半导体器件的研制开发创造了条件 ,增加了硅基器件设计的灵活性。本文介绍了 Si Ge C材料在硅基器件方面的应用 ,包括光探测器、MOS场效应晶体管、HBT等。     

Si激光器的研究现状

概述了Si激光器的研究现状。介绍了Si激光器可能的激射机构，它们是多孔硅发光、Si中杂质发光、Si—Ge量子阱发光等。介绍了Si激光器近期的研究情况以及实用化所面临的技术问题。     

Si基发光的研究进展

回顾了Si基发光的研究历程,归纳分析了新近几种实现Si发光的方法和其优缺点,其中包括多孔Si发光、GeSi/Si量子阱发光、Sip-n结位错发光、CMOSSi基发光、PERL结构Si基发光等方法。重点介绍了PERL结构Si基发光,分析了结构设计中的几个关键性因素。该结构利用了光电转换可逆性原理,基于普通的单光子和双光子辅助次禁带弱光发射过程,通过把位于有关的次禁带波长的吸收最小化,同时减少二极管内寄生无辐射复合的作用范围。期望通过该综述提高国内研究者对PERLSi基发光的重视,开拓以PERL为新思路、新方法的Si基光互连方向研究的新进展。     

SiGe PMOSFET性能模拟

由于受热力学基本定律的限制 ,Si集成电路技术的发展已经日益接近极限 ,而 Si Ge材料的引入使得占据小于 1GHz频段的 Si产品可以进一步覆盖 2～ 30 GHz的 RF和无线通信市场。根据前人的材料研究工作 ,在普通 Si器件性能模拟的基础上 ,进一步研究长沟应变 Si Ge器件的模拟 ,引入了插值所得的近似因子以修正 silvaco中隐含的 Si Ge能带模型和迁移率参数。然后依据修正后的模型对 Si Ge PMOS进行更为精确的二维模拟     

面发光激光器和光功能器件的集成化

1.前言 在大容量并行光通信、光运算、光互连等未来的光电子学领域中,以高密度集成二维阵列形状是可能的,并且能实现低耗电的面发光激光器,它已引起人们的关注。面发光激光器由于和谐振器垂直,所以很容易和其他功能器件集成。本文在概述集成技术动向的同时,举一例介绍波长可变面发光激光器的集成技术。     

介质辅助键合Ⅲ-Ⅴ/硅基混合集成金属限制激光器

硅基键合Ⅲ-Ⅴ材料激光器,作为互补氧化物半导体(CMOS)兼容硅基光互连系统中的一个关键元件,近年来引起了人们的高度重视并得到了广泛的研究。金属限制结构可以增强器件对光场的限制,提高界面反射率和工艺容差,从而实现小体积低能耗硅片上集成光源。对金属限制介质辅助键合Ⅲ-Ⅴ/硅基混合集成激光器进行了研究,介绍了该激光器的基本原理和实验方案,并对制作的不同结构激光器的特性进行了分析,该研究工作的开展将有助于实现Ⅲ-Ⅴ/硅基混合集成激光器在低能耗高带宽的硅基光互连中的应用。     

Si基Ge/SiGeⅠ型量子阱结构的理论设计和实验研究

基于能带工程理论,设计了Si基Ge/SiGeⅠ型量子阱结构。采用超高真空化学气相淀积系统,制备出高质量的Si基Ge/SiGe多量子阱系列材料。当样品中Ge量子阱宽从15nm减少到12nm和11nm时,室温下荧光(PL)光谱观测到量子限制效应引起的直接带跃迁发光峰位的蓝移,峰位的实验值与理论值符合得很好;当Ge量子阱宽逐渐减小到9nm和7nm时,测试得到样品的PL谱峰位却与理论预期出现了较大的差值。进一步的实验表明,这主要是由于量子阱厚度小到一定程度时,量子阱的直接带发光受到抑制,其发光主要源于Ge虚拟衬底。     

半导体超晶格物理与器件（20）

在半导体超晶格物理与器件的研究中,锗硅超晶格、异质结、量子阱材料与器件的研究占据着十分重要的地位.这是因为,以Si_(1-x)Ge_x/Si和Ge/Si为主的硅基低维材料具有许多显著不同于体单晶硅,而且相异于Ⅲ-V族超晶格的优异性质,如可生长大直径尺寸单晶,机械强度高、导热性能好、制备工艺成熟、价格低廉,SiGe合金中Ge的组分可调,可与现代微电子技术相兼容,布里渊区的折叠效应可使Si由间接带隙变为直接带隙等,因此在微米波段,毫米波段,超高速ECL电路,红外焦平面阵列等高速电子器件及其集成光电子器件中有着潜在的应用.     

Ⅲ - Ⅴ/Si混合集成激光器研究进展

硅基光互连技术是解决目前电互连制约瓶颈的有效手段,而实用化集成光源的制备对硅基芯片功耗的降低和尺寸的减小有着十分重要的意义。硅基集成激光器在过去的十多年间取得了一系列重要突破,其中III-V/Si混合集成激光器是近期最可能获得实际应用的方案之一。文章简要分析了硅基集成激光器的研究现状,重点介绍了III-V/Si混合集成激光器的研究进展,包括III-V/Si键合激光器和III-V/Si倒装焊激光器的发展和各自存在的问题,并预测了硅基集成激光器的发展方向。     

Be基蓝绿激光器载流子约束的LCAO理论研究

本征的强离子性，使ZnSe基半导体蓝绿激光器易于形成堆垛层错等退化缺陷，严重地影响了器件的寿命。人们便开始将注意力投向离子性较低的Be基化合物，希望用Be基Ⅱ-Ⅵ族材料取代ZnSe基材料，抑制蓝绿激光器的退化。要研制半导体激光器，电学限制层对发光活性层中载流子的约束能力（即能带的offset值）是最重要的基本参数之一。由于对Be基化合物的了解十分有限，本文从基本的原子参数出发，用原子轨道线性组合（LCAO）理论计算了所有Ⅱ-Ⅵ族化合物价带顶的相对位置，结合带隙的实验值，给出了Ⅱ-Ⅵ族化合物导带底的相对位置。简要分析了二元化合物用于BeTe中载流于约束的可能性。根据虚晶近似，用插值方法计算了与GaAs匹配的Be基四元合金相对与BeTe价带、导带的offset。对各四元合金的特征进行了分析对比，讨论了Be基四元合金用作我流子约束层的可能性。为制作Be基半导体蓝绿激光器提供了能带剪裁的理论依据。     

应变Si/(001)Si_(1-x)Ge_x能带结构模型

应变Si材料的能带结构是研究设计高速/高性能器件和电路的理论基础。采用结合形变势理论的K.P微扰法建立了(001)面弛豫Si1-xGex衬底上生长的张应变Si的能带结构模型。结果表明:[001]、[001]方向能谷构成了张应变Si导带带边,其能量值随Ge组分的增加而变小;导带劈裂能与Ge组分成线性关系;价带三个带边能级都随Ge组分的增加而增加,而且Ge组分越高价带带边劈裂能值越大;禁带宽度随着Ge组分的增加而变小。该模型可获得量化的数据,对器件研究设计可提供有价值的参考。