[发明专利]提高半导体硅发光效率的方法及产品及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米光子材料与器件技术领域，尤其是一种提高半导体硅发光效率的方法及产品及其制备方法。

背景技术

目前，我们正处于后信息时代，其特点是由电子信息阶段过渡到光子信息阶段，现在已经完成以光子为信息载体的转换过程，如已经实现全光的光纤通信和光通信。当今的发展进入芯片上的光电子集成与芯片级的全光化，这是实现光量子信息处理和光量子信息计算的关键，而作出硅芯片上的用于光互联的光源与传播节点是一项瓶颈性的工作。

众所周知，建立在硅基上的微电子信息产业高度发达，但是受尺寸与功耗的限制，摩尔定律已经到了适用范围的极限。科学家们试图在硅基上建立起全新的光量子信息处理系统，取代现在的微电子信息系统，实现信息时代革命性的跨越。这里，我们要解决几个关键性的问题，一是在什么材料上建立光量子信息处理系统，有些材料特别是半导体材料的光学性质很好（例如砷化镓半导体材料），但是硅材料有很好的基础且属于环保材料，所以最终选择在硅基上建立光量子信息处理系统。二是需要改进硅材料的光学性质，我们知道单晶硅的间接带隙结构致使硅材料的发光效率很低，而改进硅材料的光学性质的途径主要是采用能带工程，制备硅的低维纳米结构获取准直接带隙结构，如纳米硅、多孔硅、锗硅应变层和纳米氧化硅等材料。

令人振奋的是2000年L.Pavesi研究小组的工作实现了氧化硅中镶嵌纳米硅结构的光致发光的光学增益，这奠定了电泵浦和光泵浦全硅基相干光源的基础。但是，归纳起来，国内外近十年的研究工作仍存在问题：在上述材料的制备中存在诸多的不足，如多孔硅不易保存、发光不稳定，纳米硅和锗硅应变层的制备成本高（传统的分子束外延（MBE）方法和化学气相沉积（CVD）方法）、不易产业化等。

发明内容

本发明的目的是：提供一种提高半导体硅发光效率的方法及产品及其制备方法，它能使半导体硅的发光效率获得明显提高，可在1400nm到1600nm光通信波段实现了LED发光，并且制备工艺适合于产业化，以克服现有技术的不足。

本发明是这样实现的：提高半导体硅发光效率的方法，其特征在于：在半导体能带之间构建两组局域态子带，使两组局域态子带能级之间形成粒子数反转，使其构成四能级系统，从而提高半导体硅的发光效率。

硅镱量子级联和PIN混合发光管，包括单晶硅基层，在单晶硅基层上设有P型Si层或N型Si层，在P型Si层上设有硅镱量子级联薄膜，硅镱量子级联薄膜是由两层以上的镱膜，并在镱膜之间交替硅层组成；在硅镱量子级联薄膜的最顶部设有N型Si层，在顶部的N型Si层上设有透明电极ITO薄膜；P型Si层通过金属电极引出后与电源的正极连接，N型Si层通过电极ITO膜层引出后与电源的负极连接。

所述硅镱量子级联薄膜的厚度为10～100nm。

硅镱量子级联和PIN混合发光管的制备方法，对单晶硅片进行P型掺杂或N型掺杂，使其形成电阻率2～20欧·厘米的掺杂硅片，将掺杂硅片进行酸洗之后，采用脉冲激光刻蚀与脉冲激光淀积的全光子方法对掺杂硅片进行加工，在单晶硅基层上制备P型Si层；在单晶硅基层上的P型Si层上制备硅镱量子级联薄膜；硅镱量子级联薄膜的制备具体方法是：a）采用脉冲激光淀积的方法在单晶硅基层上的P型Si层上制备一层镱膜；b）采用脉冲激光刻蚀与脉冲激光淀积的全光子方法对单晶硅片进行加工，在镱膜上制备一层硅层；c）在硅层上采用脉冲激光淀积的方法制备一层镱膜，如此往复制备获得硅镱量子级联薄膜；在样品的上层进行N型掺杂，于硅镱量子级联薄膜的顶部制备获得N型Si层；并进行高温退火；在顶部的N型Si层上制备一层电极ITO膜层；在P型Si层及N型Si层上分别引出电极，将P型Si层通过金属电极连接在电源的正极上，将N型Si层通过ITO透明电极连接在电源的负极上。

采用脉冲激光刻蚀与脉冲激光淀积的全光子方法具体是,用1064nm、脉宽60～100纳秒、重复率800～1200次/秒的脉冲激光束作为脉冲激光刻蚀的激光，调节其功率密度至产生白色等离子体辉光，在氮气氛围中用调节好的脉冲激光束作用样品5～9秒；再用355nm、脉宽80～100纳秒、重复率1000～2000次/秒的脉冲激光束作为脉冲激光淀积的激光，在氮气氛围中作脉冲激光淀积。

所述的高温退火是，将在硅镱量子级联薄膜的顶部制备好N型Si层的产品放入高温退火炉，在氮气氛围中，保持1000℃高温退火300秒，自然冷却至室温后再次放入高温退火炉，在氧气氛围条件下，保持1000℃高温退火150秒。