硅基光子学国内外分析研究现状及发展趋势.doc

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专题报告 -1
硅基光电子学 ＜光子学）研究简况
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2007年 6 月 硅基光电子学研究简况 编者按：本文介绍了硅基光电子技术的研究现状、重点研究方向、技术难点以及国内外主要研究机构 的基本情况。希望能为我所学科布局的发展提供一些参考。
一、技术概述
硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。而光电子技术则正处在 高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容， 因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。近年 来，硅基光电子的研究在国内外不断取得引人注目的重要突破，世界各发达国家都把硅基 光电子作为长远发展目标。
硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。分别 介绍如下：
1. 硅基光子材料
<1）硅基纳 M 发光材料
目前的研究重点是如何有效地控制硅纳 M 晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高 密度的有序纳 M 结构。制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现 自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳 M 结构生长；扫描探针显微术的表面纳 M 加工；全 息光刻技术的纳 M 图形制备以及激光定域晶化的有序纳 M 阵列形成等。
<2）硅基光子晶体 光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的 光子带隙。根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶 体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可 出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研 究重点。在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过 照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。通过控制光强、偏 振方向和相位延迟，制成不同的结构。
2. 硅基光子器件
<1）硅基发光二极管
作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管 <Si-LED ）的实现是硅基光电子学研究 中的一个主攻方向。目前的研究重点有：如何采用适宜的有源区材料，实现其高效率和高 稳定度的发光；从器件实用化角度考虑，如何实现 Si-LED 在室温下的电致发光。研究人 员已尝试了三种硅基纳 M 材料用于高效率 Si-LED 的制作，即硅纳 M 量子点，高纯体单晶 硅和掺 Er3+ 的硅纳 M 晶粒。目前报道最好的结果是韩国科学家研究的由镶嵌在 SiNx 膜层
中的硅纳 M 量子点所制成的电致发光 LED ，室温下的外量子效率可高达 %。
<2）硅基激光器 目前，人们已初步提出了三种能产生光增益或受激辐射的增益介质材料，即具有高密 度和小尺寸的有序硅纳 M 晶粒，基于内子带跃迁的硅 /锗量子级联结构和具有受激喇曼散 射特性的绝缘硅 <SOI ， Silicon-On-Insulator ）光波导结构。 2005 年 2 月 17 日的《 Nature 》 杂志上报道了 Intel 公司利用喇曼效应研制出了世界上第一台连续光全硅激光器。
<3）硅基光探测器 硅基光探测器是