专利名称：：一种硅基发光材料及发光器件的利记博彩app
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。随着信息技术的曰益发展，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(Nature414，470(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，多孔珪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1.54pm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lE18cnf3，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珪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SihGe"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^—,G^或Si卜yCy，其中，0.2《x",0.2<x-z<l，l%<y《10%,(Kz<0.4。上述硅基发光材料中，所述调制层的厚度优选lnm-20nm。进一步地，当所述调制层的材料为S^G^或Si卜yCy时，所述调制层的厚度可更优选为lnm-20nm。所述调制层为Si卜yCy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)。上述制备方法中，当所述调制层为Si卜yCy或^—,Ge,时，采用分子束外延生长法的生长温度优选500°C-80(TC,采用化学气相沉积法的生长温度优选700°C-IOO(TC。上述制备方法中，所述调制层的生长速率为0.04nm/s-0.4nm/s。上述制备方法中，所述中间带隙层的生长速率为0.04nm/s-0.4nm/s。又一方面，本发明还提供了一种硅基发光器件，包括基底和在基底上顺序设置的緩沖层、有源发光层和盖帽层，其中，所述有源发光层使用上述的硅基发光材料制作。上述硅基发光器件中，所述基底优选硅基底、硅SOI(SiliconOnInsulator)基底或已经外延生长有其它结构的硅基材料，所述緩冲层材料优选Si。又一方面，本发明公开了一种制备上述硅基发光器件的方法，包括以下步骤(1)首先，在基底上制备一层緩冲层；(2)然后，在所述緩沖层上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，所述基底优选硅基底、硅SOI(SiliconOnInsulator)基底或已经外延生长有其它结构的硅基材料，所述緩冲层材料优选Si。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)。上述制备方法中，当所述调制层为SinCy或^—,G时，采用分子束外延生长法的生长温度优选50(TC-80(TC,采用化学气相沉积法的生长温度优选700°C-IOOO"C。上述制备方法中，所述调制层的生长速率为0.04nm/s-0.4nm/s。上述制备方法中，所述中间带隙层的生长速率为0.04nm/s-0.4nm/s。本发明在硅基发光材料的制备中，利用多周期的在间接带隙材料两侧的调制材料层形成的在三维空间的不均匀应力使得间接带隙材料在三维空间存在不均匀的应力而使得其晶格在三维的周期性得到破坏，从而能带的K空间只有r点，间接带隙材料的导带和价带在相同的K空间的r点，使得具有间接带隙材料的带隙转化成准直接带隙，在周边材料的量子限制下突破动量守恒的制约，实现硅基材料的高效发光。根据目前的分析和理解，调制层的生长主要为岛状生长，为了在间接带隙层两侧形成不均匀应力，进而实现调制，就必须通过调整生长温度和调制层厚度和应力等条件来控制成岛速率和成岛模式。本发明所提供的方法适用于在所有类型的分子束外延(MBE)设备和化学气相淀积(CVD)设备上进行多量子结构硅基发光材料的生长。在^f吏用不同的外延设备时，由于不同设备之间的差异，应调节各反应束源、气源的流量/束流大小、基底温度、载气种类和相对流量/束流比例等条件，优化外延结构的晶体质量，例如可以根据透射电镜分析SiGe调制层的生长质量，调整生长温度来控制调制层中应力大小，同时控制Si、Ge束流比来调整SiGe组分等。本发明的硅基发光材料可以实现准直接带隙发光，其生长方法采用现有CVD或MBE材料生长技术，可以实现规模化生产；本发明的硅基发光材料可以应用在硅光电集成电路产业，实现硅集成电路性能的飞跃，同时，由于实现了硅基材料的准直接带隙发光，利用硅外延工艺的规模化优势，可以将硅发光材料应用于发光二极管等光电子产业。图1为实施例1中发光器件的结构示意图；图2为实施例1中发光器件的80K光荧光谱线；图3为实施例4的硅基发光器件的80K光荧光谱线；图4为实施例6的硅基发光器件的80K光焚光谱线；图5为实施例7的硅基发光器件的80K光荧光谱线；图6为实施例9的硅基发光器件的80K光荧光语线；图7为实施例10的硅基发光器件的80K光荧光谱线。附图标记l-盖帽层2-第二调制层3-间接带隙层4-第一调制层5-硅緩冲层6-基底7-有源发光层具体实施方式下面将结合具体实施例进一步阐述本发明的硅基发光材料的结构和制备方法以及使用该硅基发光材料作为发光层的器件，在器件的制备中，除发光层以外的结构可以采用已公开的硅基外延结构，但这些实施例仅限于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本发明的保护范围以所附的权利要求书为准。实施例l本实施例要制备的硅基发光器件结构如图l所示，包括基底6、位于基底6上的硅緩冲层5、有源发光层7和盖帽层1，其中，有源发光层使用本发明的硅基发光材料，包括第一调制层4和第二调制层2，两层调制层之间有一层Si作为间接带隙层3，其中，第一调制层4使用Si。.9C。.,，第二调制层2使用Si。,95C。.。5，每层调制层的厚度为20nm，所述Si间接带隙层厚度为1Onm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅S0I基底6，利用CVD外延生长法，在90(TC生长温度下，首先生长3QGnm硅緩冲层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚20nm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制调制层的生长速率为O.08nm/s,Si间接带隙层的生长速率为O.10nm/s。实施例2本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括S层Ge调制层，每两层Ge调制层之间都有一层Si作为间接带隙层，所述Ge调制层的厚度为l.lnm,所述Si间接带隙层厚度为2.2nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用MBE夕卜延生长法，在80(TC生长温度下，首先生长200nm硅緩冲层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚10nm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制Ge调制层的生长速率为O.04nm/s，Si间接带隙层的生长速率为O.06nm/s。图2为本实施例的硅基发光材料发出的的8OK光荧光谱线，从图上可以看出，有源区的荧光能量峰值(1.21eV)大于硅材料的间接带隙禁带宽度(1.15eV)。实施例3本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括ll层Sio.8Ge。,2调制层，每两层SiuGeu调制层之间都有一层Si作为间接带隙层，所述31。^6。.2调制层的厚度为2011111，所述Si层厚度为10nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用绝缘体上有硅(SiliconOnInsulator,简称SOI)基底，利用CVD外延生长法，在900。C生长温度下，首先生长300nm硅緩冲层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚200nm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制SiuGeu调制层的生长速率为O.08nm/s,Si层的生长速率为O.lmn/s。实施例4本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括21层31。.^6。.7调制层，每两层Si。,3Ge。.7调制层之间都有一层Si。.7Ge。,3作为间接带隙层，所述31。.306。.7调制层的厚度为811111,所述Si。.7Ge。.3间接带隙层厚度为5nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用MBE夕卜延生长法，在50(TC生长温度下，首先生长500nm石圭緩冲层，然后^l妄照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚2Onm的Si硅盖帽层，上述生长过程中，控制3"^。.7调制层的生长速率为0.08nra/s,Si。.7Ge。.3间接带隙层层的生长速率为0.1Onm/s。图3为本实施例的硅基发光材料发出的的8OK光荧光谱线，从图上可以看出，有源区的荧光能量峰值(l.056eV)大于硅锗材料的间接带隙禁带宽度(1.006eV)。实施例5本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括21层3"506。.5调制层，每两层Si。.5Ge。.5调制层之间都有一层Si。.8Ge。.2作为间接带隙层，所述31。.506。.5调制层的厚度为8服，所述Si。.sGe。.2间接带隙层层厚度为5nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用CVD夕卜延生长法，在700。C生长温度下，首先生长500nm硅緩沖层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚10nm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制SiuGeu调制层的生长速率为O.06nm/s,SiuGe。.2间接带隙层的生长速率为0.10nm/s。实施例6本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括16层调制层，每两层调制层之间都有一层Si。.8Ge。.2作为间接带隙层，其中，奇数层的调制层使用Si。,6Ge。.4,偶数层的调制层使用Si。.sGeo.5,每层调制层的厚度为10nm，所述Si。.sGe。.2间接带隙层厚度为2nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用CVD外延生长法，在80(TC生长温度下，首先生长500nm硅緩冲层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚20nm的Si盖帽层，上述生长过程中，控制调制层的生长速率为O.06nm/s，Si。.sGe。.2间接带隙层的生长速率为O.10nm/s。图4为本实施例的硅基发光材料发出的的8OK光荧光谱线，从图上可以看出，有源区的荧光能量峰值(l.154eV)大于硅锗材料的间接带隙禁带宽度(1.054eV)。实施例7本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括8层调制层，每两层调制层之间都有一层Si作为间接带隙层，其中，调制层使用SiuGeu，每层调制层的厚度为3nm,所述Si间接带隙层厚度为lnm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用CVD外延生长法，在70(TC生长温度下，首先生长500nm硅緩沖层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚3Onm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制调制层的生长速率为O.06nm/s,Si间接带隙层的生长速率为O.10nm/s。图5为本实施例的硅基发光材料发出的的8OK光萸光谱线，从图上可以看出，有源区的荧光能量峰值(1.51eV)大于硅材料的间接带隙禁带宽度(1.15eV)。实施例8本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括ll层Ge调制层，每两层Ge调制层之间都有一层Si作为间接带隙层，所述Ge调制层的厚度为2nm,所述Si间接带隙层厚度为3nm。制备上述珪基发光器件的方法如下采用硅SOI基底，利用CVD外延生长法，在1000。C生长温度下，首先生长300nm硅緩冲层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚20nm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制Ge调制层的生长速率为O.05nm/s,Si间接带隙层的生长速率为O.06nm/s。实施例9本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括21层调制层，每两层调制层之间都有一层Si作为间接带隙层，其中，调制层使用Si。."C。.。3，每层调制层的厚度为2nm，所述Si间接带隙层厚度为3nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用MBE外延生长法，在60(TC生长温度下，首先生长500nm硅緩冲层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚3Onm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制调制层的生长速率为O.06nm/s，Si间接带隙层的生长速率为O.10nm/s。图6为本实施例的硅基发光材料发出的的8OK光焚光镨线，从图上可以看出，有源区的荧光能量峰值(1.19eV)大于硅材料的间接带隙禁带宽度(1.15eV)。实施例IO本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括8层调制层，每两层调制层之间都有一层Si作为间接带隙层，其中，调制层使用SiuC。，每层调制层的厚度为4nm,所述Si间接带隙层厚度为4nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用CVD外延生长法，在^(TC生长温度下，首先生长500nm硅緩冲层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚3Onm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制调制层的生长速率为O.06nm/s，Si间接带隙层的生长速率为O.10nm/s。图7为本实施例的硅基发光材料发出的的8OK光荧光谱线，从图上可以看出，有源区的荧光能量峰值(1.17eV)大于硅材料的间接带隙禁带宽度(L15eV)。实施例ll本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括18层调制层，每两层调制层之间都有一层Si作为间接带隙层，其中，调制层使用31。.98(:。.。2,每层调制层的厚度为12nm,所述Si间接带隙层厚度为6nra。制备上述硅基发光器件的方法如下釆用硅(001)基底，利用CVD外延生长法，在70(TC生长温度下，首先生长500nm硅緩沖层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚3Onm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制调制层的生长速率为O.2nm/s,Si间接带隙层的生长速率为O.2nm/s。实施例12本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括8层调制层，每两层调制层之间都有一层Si。.6Ge。,4作为间接带隙层，其中，调制层使用Si。,4Ge。.6，每层调制层的厚度为15nm,所述Si间接带隙层厚度为7nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用CVD外延生长法，在70(TC生长温度下，首先生长500nm硅緩冲层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚3Onm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制调制层的生长速率为O.3nm/s,Si间接带隙层的生长速率为O.3nm/s。实施例13本实施例要制备的硅基发光器件结构与实施例l相同，其中，所述硅基发光材料共包括20层调制层，每两层调制层之间都有一层Si作为间接带隙层，其中，调制层使用Si。,MC。.。2，每层调制层的厚度为17nm,所述Si间接带隙层厚度为8nm。制备上述硅基发光器件的方法如下采用硅(001)基底，利用CVD外延生长法，在700。C生长温度下，首先生长500nm硅緩沖层，然后按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层，最后再生长一层厚30nm的硅盖帽层，上述生长过程中，控制调制层的生长速率为O.4nm/s,Si间接带隙层的生长速率为O.4nm/s。表l实施例1-13的主要参数<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>上述各个实施例中使用的都是普通Si基底或硅SOI基底，盖帽层也是普通的Si盖帽层，但是，本领域技术人员应当理解，本发明的基底和盖帽层还可以是具有各种复杂结构的器件，以实现各种功能和应用。上面结合具体的实施例对本发明进行了描述，然而，需要说明的是，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述实施例作出许多改变和修改，这些改变和修改都落在本发明的权利要求限定的范围内。权利要求1.一种硅基发光材料，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。2.根据权利要求1所述的硅基发光材料，其特征在于，所述间接带隙层的材料为Sh-zGez，其中(Kz《0.4。3.根据权利要求1所述的硅基发光材料，其特征在于，所述间接带隙层的厚度为lnm-10nm。4.根据权利要求1所述的硅基发光材料，其特征在于，所述调制层的材料为S^Ge,或Si卜yC"其中，0.2<x《l，0.2《x-z<l,l%《y<10%,(Kz《0.4。5.根据权利要求1所述的硅基发光材料，其特征在于，所述调制层的厚度为lnm-20nm。6.根据权利要求4或5所述的硅基发光材料，其特征在于，当所述调制层的材料为S/^G^或Si卜yCy时，所述调制层的厚度为lnm-20nm。7.根据权利要求4或5所述的硅基发光材料，其特征在于，所述调制层为Si卜yCy，所述间接带隙材料为Si。8.根据权利要求1所述的硅基发光材料，其特征在于，所述调制层的层数为2-21层。9.一种制备权利要求l-8所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。10.根据权利要求9所述的硅基发光材料制备方法，其特征在于，制法。11.根据权利要求IO所述的硅基发光材料制备方法，其特征在于，所述分子束外延生长法的生长温度为500°C-80(TC，所述化学气相沉积法的生长温度为70(rc-iooo°c。12.根据权利要求9所述的硅基发光材料制备方法，其特征在于，所述调制层的生长速率为0.04nm/s-0.4nm/s。13.根据权利要求9所述的硅基发光材料制备方法，其特征在于，所述中间带隙层的生长速率为0.04nm/s-0.4nm/s。14.一种硅基发光器件，包括基底和在基底上顺序设置的緩冲层、有源发光层和盖帽层，其中，所述有源发光层使用权利要求1-8所述的硅基发光材料制作。15.根据权利要求14所述的硅基发光器件，其特征在于，所述基底为硅基底或》圭SOI基底。16.—种制备权利要求14和15所述硅基发光器件的方法，包括以下步骤(1)首先，在基底上制备一层緩沖层；(2)然后，在所述緩冲层上按照由下至上的次序逐层生长各调制层和间接带隙层；17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述基底为硅基底或硅SOI基底，所述緩冲层材料为Si。18.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，制备所述调制层和间接带隙层的方法为分子束外延生长法或化学气相沉积法。19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于，所述分子束外延生长法的生长温度为500°C-80(TC，所述化学气相沉积法的生长温度为700。C-100(TC。20.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述调制层的生长速率为0.04nm/s-0.4nm/s。21.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述间接带隙层的生长速率为0.04nm/s-0.4nm/s。全文摘要本发明提供了一种硅基发光材料及硅基发光器件，该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；利用本发明的硅基发光材料可以实现硅基材料的准直接带隙发光，其材料生长方法采用现有CVD或MBE材料生长技术，可以实现规模化生产；本发明的发光材料可以应用在硅光电集成电路产业，实现硅集成电路性能的飞跃，同时，由于实现了硅基材料的准直接带隙发光，利用硅外延工艺的规模化优势，可以将硅发光材料应用于发光二极管等光电子产业。文档编号H01L33/00GK101399300SQ20071012239公开日2009年4月1日申请日期2007年9月25日优先权日2007年9月25日发明者周均铭,贾海强,弘陈申请人:中国科学院物理研究所