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材料导报

2 0年 1月第 1卷第 1 05 9期

硅晶体缺陷发光及应用 袁志钟杨德仁 (浙江大学硅材料国家重点实验室，州 3 0 2 )杭 1 0 7 摘要信息技术的发展要求在集成电路内部用光子代替电子采传导信息，这就使得硅基光源成为技术发展的

方向和光电子集成的关键，当前急需解决的科学挑战之一。硅晶体缺陷发光是十分重要的硅基发光现象，是已引起广 泛的关注。在硅基位错发光原理的基础上，综述了硅晶体中缺陷的光致发光和电致发光的研究进展，以及硅晶体缺陷 在发光器件方面的应用。

关键词

硅光致发光

电致发光位错

氧沉淀

Re e r h a d Ap lc to f Lu n s e c r m f c si i c n s a c n p ia i n o mi e c n e f o De e t n S l o i YUAN h z o g YANG r n Z ih n De e (tt Ke a o ao yo ic nMaeil, h j n ies y Ha g h u 3 0 2 ) Sae yL b rtr f l o tr s Z ei gUnv ri, n z o 10 7 Si a a t Abs r c ta t Th d a c me to no main tc n lg e ur sp o o ea v n e n f fr to e h oo yrq ie h t n,tkig pae o lcr n,t o d c i a n lc fee to oc n u t

d t n iev r a g c l n e r tdcr ut.Th r fr iio a e ih— mitri o eo h r a ce tf h l aa isd e y lr es ae itg a e ic is e eo e sl n b s dl te te s n fte g e tsin icc a— c g i ln e tp ee ta d c u ilt p o lc r nc ne r to . Th u ie c n e o ee t n sl o so ra mp r e g s a r s n n r ca o o tee to isitg ain e lm n s e c fd fcsi ic n i fg e ti o— i t n e a d h ssi uae x e sv n ee t.Ba e n t e u d r tn ig o ilc t n r ltd lmie c n e,t e r— a c n

a t ltd e t n iei tr ss m s d o h n e sa dn fdso a i—ea e u n se c o h e s a c n p l a in sae—ft e—r fd fc—eae u ie c n e i ic n h sb e e iwe . e r h a d a pi t tt——h— to ee trltd lm n s e c n sl o a e n rve d c o o— a i

Ke r s y wo d

sl o p o ou n se c ee to u n s e c dso ain, x g n p e ii t n ic n, h t lmie c n e,lc r lmie c n e, ilc to o y e rcpt i i ao

0引言 在硅材料基础上发展起来的超大规模集成电路已经成为计

年来，了克服硅材料发光效率低的问题，为研究者采用了许多方

法，主要包括：1硅中掺杂稀有元素， ()如掺铒硅n]()基量 ;2硅 子束缚效应，如多孔硅口]纳米硅]硅基量子阱和超晶格结“、、

算机、通讯和控制等信息技术的关键。随着信息技术的发展以及信息量以几何速度的增长，人们对信息的传递速度、存储能力、 处理速度提出更高的要求。集成电路正按照摩尔定律继续朝着尺寸更小、成本更低的方向发展。但是随之带来的金属互连、层

构口] ( ) 、 3硅基晶体缺陷发光，主要指硅晶体位错发光，也包括硅中嵌入直接带隙化合物沉淀， F S g如 ei] l。由于硅晶体中位错等缺陷可能在硅的禁带中引入深能级， 使载流子的复合避开声子的作用，或者减少载流子的非辐射复 合，增加其辐射复合发光，以达到提高发光效率的目的，目前，基

间噪音、传输极限、功率耗散等问题，严重制约了以电子作为信 息载体的集成电路的发展。为了解决这些问题，冷却芯片、导超材料互连、型 3D结构芯片体系等方法被采用，新一但是目前要实 现这些技术还有很多困难，而且还会在原有体系中引入新的问题。个长远的解决办法就是在芯片内部采用光子传输，一如果能

于位错发光机制的硅基发光二极管的外量子效率已达到约 01, .受到了广泛的关注，但是到现在为止，其发光机理仍然存在争议。本文就该领域近年来的研究进展进行综述。

在

硅芯片中引入光电子技术，用光子代替电子作为信息载体，则可以大大提高信息传输的速度和容量，使信息技术的发展登上 新的台阶。

1硅晶体位错发光 硅晶体中位错的引入主要有 3种形式，是通过高温形变一过程，硅晶体中引入一定密度的滑移位错，在这种位错一般认为是干净的，即没有其它杂质在其中沉淀或缀蚀；二是通过高温热 处理具有一定氧浓度的直拉硅单晶，由于氧沉淀的生成，导致大

目前的发光器件主要采用 G A a s和 IP等Ⅲ一 V族直接带 n

隙化合物半导体材料，其发光效率远远高于硅等间接带隙半导 体材料。但是化合物半导体的制作加工工艺与超大规模集成电 路的标准工艺不兼容，以硅基发光材料和器件成为当前半导所体界急需解决的问题，也是前景最好、具挑战的任务之一。迄最 今为止，硅基光波导和硅基光探测器已经实现工业化生产。由于

量自间隙硅原子被发射到硅基体中，成高密度的位错环等缺形陷；三是通过离子注入硼、等杂质，硅晶体中形成量子尺寸磷在 的位错环。不同的方式引入位错，研究发现都能发光，只是强度不同，发光的光谱不同，而且还受到其它因素，如载流子浓度、金属杂质等影响。

硅是间接带隙材料，辐射复合发光需要声子的参与以满足动量守恒条件，效率很低，以硅基光源仍处于积极的探索阶段。多所

在早期的研究中，人们就发现具有一定位错密度的硅晶体

*基金项目：国家杰出青年科学基金 (目编号：0 2 0 0;项 6 2 5 1 )国家自然科学基金重点项目(目编号：0 3 1 )项 5 0 2 0袁志钟：,9 7生，男 17年博士研究生 E maly zj@z .d .n — i:zzu j e u c u 杨德仁：系人， 1 6联男， 9 4年生，教授，导 E malmsyn@zu e u c博 — i: ea g j.d .n