[发明专利]一种硅基发光材料及发光器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光材料及发光器件，特别涉及一种用于有源发光层的硅基发光材料及使用该发光材料的器件。

背景技术

以硅为代表的第一代半导体材料，对生活的影响如此巨大，计算机、电视机、收音机、汽车等等，都无法脱离小小的硅片。随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度、储存能力、处理功能提出更高要求，但Si集成电路受到Si中电子运动速度的限制，其器件尺寸已逐步趋向极限。如果能在硅芯片中引入光电子技术，用光波代替电子作为信息载体，则可大大地提高信息传输速度和处理能力，使电子计算机、通信和显示等信息技术发展到一个全新的阶段。所以要有所突破，实现光电集成是必由之路。

20世纪90年代以来，人们采用了很多不同方法来突破纯硅材料本身带隙结构对硅发光的限制，近年来对硅发光性能的研究主要包括：体硅发光、纳米硅晶体、掺Er硅纳米簇、量子级联的子带间复合发光、Si/Ge量子结构等。

体Si发光是通过在Si中通过位错控制技术，引进三维的应力场，调节Si的能带结构，获得Si的发光(Nature 414，470(2001))。该方法应用于激光器的主要问题是无法避免阻碍粒子数反转的两个主要问题：俄歇复合和自由载流子吸收。

纳米硅是指是直径小于5nm的晶体硅颗粒，多孔硅实际上也是一种纳米硅材料。由于纳米硅存在的量子尺寸效应，使其具有新奇的量子现象，它独特的光学和电学特性引起人们极大兴趣。然而由于纳米Si尺寸的一致性控制困难，实现Si基激光器有一定的难度。

掺铒硅的发光是在硅中掺入高浓度的稀土离子铒(Er3+)时，低温下在波长1.54μm处可观察到一个非常尖锐的光致发光光谱。这一波长正好对应于光纤通信的石英玻璃光吸收最小值。但是，Er在Si中的固溶度较低，小于1E18cm^-3，发光效率很低，室温发光强度很弱。

硅发光研究中的量子级联结构就是把数组量子阱串联在一起，其发光是一种基于子带间电子跃迁的过程，量子级联结构Si/Ge系统的工作波长与所用材料的带隙无直接关系，仅由耦合量子阱子带间距决定，但有一个基本限制：连续量子级联的周期数目受限于位错不匹配结构的临界厚度，发射波长处于远红外波段，且只能在低温下工作，满足不了微电子芯片光互连的需求。

在半导体技术领域，随着能带技术、纳米技术、微细加工技术的发展，人们对微观世界的认识逐渐深入，在纳米尺度，材料的很多特性将发生变化，对于硅量子点、硅/锗原子尺度的超晶格体系等低维材料，由于能带折叠效应，有可能产生赝直接带隙，导致辐射复合效率大大提高，以制备效率较高的硅体系发光材料，但目前由于种种物理上的限制和材料工艺上的困难，均未得到根本性的突破。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅基发光材料，该发光材料能够实现准直接带隙结构的发光；

本发明的另一目的是提供一种上述硅基发光材料的制备方法；

本发明的又一目的是提供一种硅基发光器件。

本发明的又一目的是提供一种上述硅基发光器件的制备方法。

一方面，本发明公开了一种硅基发光材料，包括至少两层调制层，且每两层调制层之间都设有一间接带隙层。

上述硅基发光材料中，所述间接带隙层的材料优选Si_1-zGe_z，其中0≤z≤0.4。

上述硅基发光材料中，所述间接带隙层的厚度优选1nm-10nm。

上述硅基发光材料中，所述调制层的材料优选Si_1-xGe_x或Si_1-yC_y，其中，0.2≤x≤1，0.2≤x-z≤1，1％≤y≤10％，0≤z≤0.4。

上述硅基发光材料中，所述调制层的厚度优选1nm-20nm。

进一步地，当所述调制层的材料为Si_1-xGe_x或Si_1-yC_y时，所述调制层的厚度可更优选为1nm-20nm。所述调制层为Si_1-yC_y时，对应间接带隙材料为Si。

上述硅基发光材料中，所述调制层的层数优选2-21层。

另一方面，本发明公开了一种制备上述硅基发光材料的方法，包括按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层。

上述制备方法中，制备所述调制层和间接带隙层的方法优选分子束外延生长法(MBE)或化学气相沉积法(CVD)。