直接带隙硅基超晶格Ⅵ_((A))/Si_m/Ⅵ_((B))/Si_m/Ⅵ_((A))的设计

Si基光发射材料由于它具有与先进的Si微电子技术兼容和成本低廉的优势,是光电子集成(OEIC)工程应用的首选材料.但由于体材料Si属于间接带隙半导体,不可能成为有效的光发射体.如何设计具有直接带隙硅基材料,备受实验研究工作者和材料设计理论工作者的关注.本文介绍一种新的硅基超晶格Ⅵ(A)/Sim/Ⅵ(B)/Sim/Ⅵ(A)的能带结构计算.在密度泛函理论框架内,采用混合基从头算赝势法模拟计算表明,其中Se/Si6/O/Si6/Se及Se/Si6/S/Si6/Se超晶格具有相当理想的直接带隙特征,其带隙处于红外波段.预期这类新材料及有关器件会有优越的光发射和各种光学性能,其制作也可较方便地与硅微电子工艺兼容.预计该材料在信息光电子领域将有强大的应用潜力.

Si基光发射材料的探索

由于Si基光发射材料具有与先进的Si微电子技术兼容和成本低廉的优势 ,一直是光电子集成 (OEIC)工程应用的首选材料。但由于体材料Si是一种间接带隙半导体 ,不可能成为有效的光发射体。如何通过已有的物理学原理和可行的微加工技术把它改造成为有效的发光材料 ,甚至成为严格意义上的直接带隙材料 ,给实验研究工作者和材料设计理论工作者提出了挑战。除多孔Si之外 ,最近已有若干令人鼓舞的方案 ,包括Si纳米晶、Si/O超晶格和注硼位错工程等方法 ,实现了Si基材料的有效发光试验。本文在分析其中最令人关注的进展的基础上 ,认为要实现高效率、高响应速率的Si基发光材料 ,以适应超高速、大容量信息处理和传输的要求 ,较好的途径是直接设计出具有直接带隙的Si基材料。因为避免界面态参与发光过程 ,对于提高响应速度至关重要。但是如何设计直接带隙的半导体材料并没有现成的规则可依循。我们建议一个经验的对称性法则 ,并设计出一种新的硅基超晶格。通过计算机模拟计算表明 ,其中Se/Si10 /Se/Si10 /Se超晶格具有相当理想的直接带隙特征 ,其带隙处于红外波段。预期这类新材料及有关器件会有优越的光发射和各种光学性能 ,其制作也可方便地与硅微电子工艺兼容。因此 。

Si基光电子学的研究与展望

Si基光电子学是为顺应二十一世纪以现代光通信和光电子计算机为主的信息科学技术发展需要,在全世界范围内迅速兴起的一个极为活跃的研究前沿。其最终目标之一是为了实现人们所期盼的全Si光电子集成电路。本文尝试性地评论了这一集Si材料技术、纳米技术、微电子技术以及光电子技术为一体的新型交叉学科,近年来在直接带隙Si基低维材料的设计、晶粒有序Si基纳米材料的制备与稳定高效Si基发光器件的探索等方面所取得的若干重要研究进展,并预测了全Si光电子集成技术的未来发展趋势。