硅基发光材料和器件研究的进展

发光器件和集成电路都是信息技术的基础。如果能将它们集成在一个芯片上,信息传输速度,储存和处理能力将得到大大提高,它将使信息技术发展到一个全新的阶段,但是,现在的集成电路是采用硅材料,而发光器件则用ｉｌｌ－Ｖ族化合物半导体。Ｉｌｌ－Ｖ族化合物半导体集成电路,虽然经过多年的研制,但至今还不成熟。因此,研究硅基发光材料和器件成为发展光电子集成的关键。本文评述了目前取得较大进展的几种主要硅基发光材料和器件的研究,包括掺铒硅、多孔硅、纳米硅以及 Ｓｉ／ＳｉＯ_２等超晶格结构材料,并展望了这些不同硅基发光材料和发光器件在光电集成中的发展前景。     

前言

<正>一代材料催生一代器件,引领一代产业。以硅、锗和砷化镓等半导体材料为代表的光电器件在过去几十年里对社会发展产生了深远影响,广泛地应用于集成电路、光电子与微电子等领域,形成了规模庞大的半导体产业集群。然而,这些光电器件的部分关键性能仍受限于材料的本征禁带宽度,更大的禁带宽度成了材料迭代的诉求。因此,发展宽禁带半导体材料成为突破硅、锗和传统Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件瓶颈的关键,并与硅集成电路进行异质集成,拓展更为广泛的应用空间。硅、锗和传统的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的高速发展得益于高质量单晶同质衬底材料,极低的缺陷密度保证了半导体器件的优异性能。     

硅基发光材料研究进展

硅是一种非发光材料,发展光电子集成技术必须大力发展硅基发光材料,在此基础上,研究了各类与硅平面技术兼容的发光器件和集成电路。文章综述各类硅基发光材料、发光机制的研究成果与发展动态。     

红外光电探测的垂直光路结构

近红外光电探测具有许多应用,如光纤通信、安全以及热成像等．虽然Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的光学性能比硅基材料的优越,但是硅基材料由于暗电流小及能够与硅集成电路工艺兼容,有希望制作出价格低廉的小型、高度集成的光学系统。     

硅基纳米材料发光特性的研究进展

近年,硅基低维材料物理与工艺的研究预示,硅基光电子学将是今后半导体光电子学的一个主要发展方向,而硅基低维发光材料又将成为半导体光电子集成技术的主要基础材料。随着硅基超晶格,量子阱和多孔硅研究的不断深化以及纳米科学技术的日益发展,硅基发光材料正向纳米方向开拓。     

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.     

用硅酸铕薄膜制作电发光器件

电发光器件对平面显示器和光电子集成电路都有用,为制作这种器件,对Ⅲ－Ⅴ族元素半导体材料和有机材料进行了广泛研究。然而,用这些材料制作的器件往往缺乏长期稳定性或缺少大面积的均匀发射。由于这些因素的限制以及用硅制作大规模集成电路的制造工艺的广泛应用,用硅制作电发光器件应是有益的。日本科技公司和筑波大学的研究人员已用溅射工艺在硅衬底上淀积了２μｍ厚的硅酸铕（ＥｕＳｉＯ）层,然后使此膜层在１０００°Ｃ的真空中退火１５分钟。所做成的器件在很大面积上呈现均匀光强的白光电发光发射,室温下的外量子效率约０．１％…     

Si基IV族光电器件的研究进展(一)—激光器

Si基光互连具有高速度、高带宽、低功耗、可集成等特点,是解决Si基集成电路发展瓶颈的一个重要途径。在Si基光互连的关键器件中,除了Si基高效光源以外,其他的器件都已经实现。同为IV族元素的Ge具有独特的准直接带隙的能带结构,有望通过能带工程等手段实现高效发光。近年来,Si基IV族发光材料和发光器件有了许多重要进展。回顾了Si基IV族发光材料和发光器件的最新成果,如Si衬底上张应变的Ge、Ge发光二极管及激光器、GeSn发光器件,并对结果进行了讨论。最后展望了Si基IV族激光器的发展趋势。     

3D集成晶圆键合装备现状及研究进展

硅基异构集成和三维集成可满足电子系统小型化高密度集成、多功能高性能集成、小体积低成本集成的需求,有望成为下一代集成电路的使能技术,是集成电路领域当前和今后新的研究热点.硅基三维集成微系统可集成化合物半导体、CMOS、MEMS等芯片,充分发挥不同材料、器件和结构的优势,可实现传统组件电路的芯片化、不同节点逻辑集成电路芯片...     

微电子学和有关分立器件与材料的发展研究

本文对功能半导体材料硅、砷化镓、磷化铟材料、硅基和Ⅲ－Ⅴ族基的超晶格量子阱及其新型功能材料（超导、金刚石、多孔硅等）进行介绍分析，提出发展建议和措施。     

Ⅲ—Ⅴ族氮化物的研究进展

论述了Ⅲ－Ⅴ族氮化物半导体晶体生长、电导控制与发光器的最新进展，介绍氮化物半导体的研究现状，并讨论实现更高性能氮化物基器件需要解决的问题。     

硅发光研究与进展

微电子技术的瓶颈和信息技术发展的需求加速了光电子学在硅基材料上实现光信息处理、光电子集成的研究,利用硅基材料制造出高质量的发光器件对光电子学以至整个信息技术均具有重要意义.由于受间接带隙能带结构的限制,天然硅材料具有很低的发光效率,不利于硅光源的实现.通过采用人工改性的方法提高硅的发光效率,多孔硅、硅纳米晶体、掺Er3+硅纳米晶和硅的受激拉曼散射均是目前可实现硅发光甚至硅激光的可行途径.回顾硅发光研究的历史进程,归纳总结了近年来可实现硅发光几种方法的原理、特点以及当前的研究进展.相信随着硅发光效率的提高及器件制备工艺的发展,硅发光研究不久将出现重大突破性成果,并有可能引起新的信息技术革命.     

深能级及其在发光研究中的应用

本文介绍了三种测量深能级的基本方法－深能级瞬态能谱（ＤＬＴＳ）、光致发光（ＰＬ）、光电容（ＰＣ）及用它们研究不同发光材料和器件的结果，其中包括发光二极管的效率和退化过程、ＧａＮ材料中蓝色发光深中心、ＺｎＳ场致发光薄膜的初始载流子源以及用ＭＯＣＶＤ法生长Ⅲ－Ⅴ族单晶薄膜的缺陷分析，它是将半导体深能级的基础知识运用于发光机理和光电特性研究，在不同的领域中所取得的进展。     

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。     

硅基量子点的制备及其发光特性

硅基光电子学无疑是今后光电子学发展的方向，这就要求硅基材料能够满足发光器件的要求，从而达到光电集成的目的。因为硅体具有非直接带隙的特点，共发光效率低，所以利用硅基低维量子结构，尤其是量子点结构提高硅基材料的发光性能一直是国内外本领域的一个研究特点。本文对近年来硅基量子点的制备及发光特性研究所取得的进展和结果进行了总结和评述，并对今后的发展提出了看法。     

硅基薄膜发光材料

硅是微电子技术的基础材料，硅集成技术已高度发展，但硅却是非发光材料。为了发展硅基光电子技术，人们对硅基发光材料作了多方面的探索，其中有“缺陷工程”－在硅中引入作为辐射复合中心的杂技或缺陷，使之发光。“能带结构工程”－利用量子限制效应，利用具有不同能带结构的材料组合，获得硅基发光材料。“异质外延材料”－以硅为基底外延生长具有发光性能的材料。     

全硅集成光学—理论与工艺

全硅集成光学──理论与工艺赵策洲（博士生）（西安电子科技大学微电子研究所，西安７１００７１）编者按：集成光学随着信息科学的发展而出现，也是光电器件本身发展的必然结果。目前，光集成和光电子集成的研究工作主要集中在ＬｉＮｂＯ３和Ⅲ－Ⅴ（或Ⅱ－Ⅳ）族化合物...     

半导体技术的新领域——掺稀土元素半导体材料

扼要介绍了掺稀土元素半导体材料的发展历程，用稀土元素作掺杂剂的意义与问题，掺稀土元素的硅和掺稀土元素的Ⅲ－Ⅴ族化合物的研究现状及发展前景。     

发光二极管(LED)及其应用

化合物半导体较之 Si 具有许多良好的物理特性。Ⅲ—Ⅴ族半导体已在 LED 和激光二极管方面得到实际应用。做为未来集成电路元件材料,对于 GaAs 正在进行着积极的研究。最先是在 GaAs 中得到了红色发光。1968年首先在美国实现了 GaAsP 元化合物 LED 的实际应用。     

砷化镓微波器件发展动态

在半导体器件的发展中,最初所用的材料主要是元素半导体锗。在1960年后,元素半导体硅的材料和器件工艺迅速发展起来,很快在半导体器件研制中占主要地位。目前也还在继续发展。但是,十多年来,化合物半导体的发展是很值得重视的。特别是Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体材料中的砷化镓已在器件研制中取得了一定成果。砷化镓由于电子迁移率高、禁带宽等优点适于制造高频、大功率和高温器件。在一些器件中采用砷化镓材料后,获得了比同类锗、硅器件更高的性能。而且由于砷化镓特殊的能带结构,又发展了