硅基发光材料简述
摘要：本文简要描述了三种硅基发光材料：掺铒硅、多孔硅、纳米晶硅的发光特性、优缺点和应用前景。

从而对这些硅基发光材料有所了解并对其可能的研究方向进行初步的了解。

关键词掺铒硅多孔硅纳米硅晶光学特性
一、前言
硅材料在半导体工业中有着不可替代的作用，硅在地球上储量丰富，硅基器件制造成本低廉、环境友好且制造工艺非常成熟，是迄今最适合于集成工艺的材料。

然而，由于体硅为间接带隙材料其发光效率低下，故而被认为不是良好的光电子材料，不适宜应用于光电子领域。

然而相较于在光电子领域站优势地位的化合物半导体材料，硅基光电子材料又有着成本低廉、易于实现光电集成等优点，且随着对硅材料的进一步深入研究，人们又发现了硅基发光的一些新特性，因而近年来对于硅基发光材料的研究受到越来越多的关注。

本文将回顾硅基发光的研究历史，并归纳几种硅基发光材料的性质和特点，以期能对硅基发光材料有着更好地理解并对硅基发光材料未来的研究方向有所了解。

二、实现硅基发光的几种方法
由于硅单晶并不是一种很好的光电子材料，因此虽然经过各种技术上的改进，体硅发光二极管发光效率已可达到1%，但体硅发光并不是硅基发光的主要研究方向。

目前，对硅基发光的努力方向主要有如下几个方面：
1 通过杂质或利用缺陷处复合放光；
2 通过合金或分子调节发射波的波长；
3利用量子限制效应或能带工程，通过增加电子-空穴复合的几率来增加发光效率；
4采用硅基混合的方法将其他直接带隙材料与硅相结合；
下面本文将简要介绍几种硅基发光材料。

2.1 掺铒硅的发光
对于间接带隙半导体材料，可以通过引入杂质的方法使电子或空穴局域化，形成复合中心，提高复合率，达到发光效率增加的目的。

目前，硅中稀土杂质（特别是铒）的掺杂被认为是这种手段中最具有应用前景的一种手段。

稀土元素铒4f壳层中的正三价态离子的分离态具有具有类似于原子跃迁(I l3/2→l5/2)的辐
射发光特性，可发射波长1.54μm的光，对应着石英光纤的最低损耗波长区域，因而掺铒硅
发光在硅基光通讯中有着重大的潜在应用前景。

掺铒硅的发光独立于体硅发光，是典型的第
一激发态能级和不同的基态能级间的跃迁过程，在铒氧共掺体系中，发光峰随组分浓度不同也会有所移动。

目前，在低温情况下，掺铒硅发光管的量子效率亦可达到4%，并且可以和mosfet集成在同一硅片上。

然而，受铒在硅中的低固溶度、强非辐射退激发过程和辐射寿命长等因素的影响，在室温下掺铒硅的发光效率并不理想，这也是目前掺铒硅发光的瓶颈所在。

如今对掺铒硅的发光的研究主要集中在铒-二氧化硅-纳米晶硅体系上，纳米晶硅可以增加铒离子的光激发截面，在低泵浦功率下实现粒子数反转，并可抑制掺铒硅的温度猝灭现象，提高掺铒硅的发光效率。

可以预见的是铒-二氧化硅-纳米晶硅体系在硅基光电子应用中将极具竞争力。

2.2 多孔硅的发光
多孔硅是一种纳米结构材料，是通过阳极氧化法等方法氧化单晶硅片而形成的以纳米硅原子簇为骨架的海绵状结构的材料。

自从1990年Canham报道了多孔硅室温下存在着明显的光致发光现象以来，人们对多孔硅进行了大量的研究。

目前，多孔硅多通过阳极氧化法进行制备，现已可控制多孔硅腐蚀孔的尺寸大小与腐蚀孔排列的有序性。

此外，还发现多孔硅发光特性与多孔硅的孔度（腐蚀掉的硅的质量分数）相关，一般地，只有孔度在70%以上的多孔硅才会发光，且随着孔度增高，发光峰会出现蓝移。

此外，通过电化学方法制备的多孔硅在空气中会随着放置时间的增长而出现发光强度和效率下降的现象，虽然可以通过一定的方法使得多孔硅的发光得到恢复，但其发光的不稳定性依然影响着多孔硅的实际应用。

多孔硅的发光机理可以用量子限制-发光中心模型进行解释。

该模型认为光激发存在于多孔硅的纳米硅晶中，而光发射过程则主要发生在多孔硅中氧化硅的复合中心上，纳米硅中激发的载流子通过隧穿过程进入氧化硅的复合中心复合并发光，所以光发射主要发生在纳米晶硅-氧化硅界面附近的复合中心上。

虽然对多孔硅发光的研究已经持续了近20年，然而多孔硅的电致发光效率依然不高，大约在1%左右，且发光寿命很短，此外，多孔硅还存在着制备的电化学工艺与现有的CMOS工艺不兼容的问题。

这些问题都极大的限制了多孔硅电致发光器件的实用化。

目前，对多孔硅的研究主要集中在多孔硅与无机半导体或有机体系的复合上。

通过与这些物质的复合，可以钝化多孔硅的较活泼的界面并且复合的物质还会对多孔硅发光器增强作用。

2.3 纳米硅晶发光
和多孔硅发光相类似，纳米硅晶也是一种硅基发光材料。

纳米硅晶不同于非晶硅和单晶硅，是由1~15nm尺寸的超微粒组成, 其晶粒所占体积百分比约为50%, 而另50%则为大量晶粒之间的界面原子，正是这些大量界面原子的存在决定了纳米硅晶存在许多独特性质。

纳米硅晶的光致发光谱由两部分组成：由非晶硅发光所形成的弱带和较强的纳米硅晶的特征发光峰，一般认为该峰的产生与纳米硅晶的界面原子有关。

此外，研究还发现纳米硅晶嵌入氧化硅结构的光学测量结果随着制备条件的不同也会有所差异。

目前对纳米硅晶的发光机理尚存在一定的争议，尚未有定论。

2000年时，L.Pavesi等报道了在纳米硅晶嵌入氧化硅结构出现光增益的现象，表明该结构有希望制成硅基激光器。

这表明纳米晶硅很有潜力应用在硅基激光器的制备上。

三、结论
本文简要描述了三种硅基发光材料：掺铒硅、多孔硅、纳米晶硅的发光特性、优缺点和应用前景。

如果硅基光电子材料能够应用在实际应用，将会很容易的实现光电集成，对光电子的发展和应用起到巨大的推动作用。

因此对硅基光电子材料的研究有着重大的意义，希望能够在将来有所突破并应用到实际中。

参考文献
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