硅基发光材料与光互连的基础研究

硅基发光材料与光互连的基础研究

★项目简介：

建立在硅材料基础之上的微电子技术对人类社会的进步发挥了巨大的作用，对我国国民经济的发展，工业、科技和国防的现代化也起着至关重要的作用。在进入21世纪以后，我国正大力发展微电子工业，有望成为新兴的国际微电子工业基地，是国家发展的重大需求所在。随着信息产业的发展，信息数据将海量增加，对信息计算、传输等技术在今后的发展也提出了更高的要求和挑战。其主要的解决途径之一就是将现有成熟的微电子和光电子结合，实现硅基光电集成，这将成为信息产业发展的重要方向之一。近十年来，由于重大的工业意义，硅基光电集成关键材料和器件的研究引起了国际科学界（如美国MIT、哈佛大学）和工业界（如Intel，ST）的严重关注，仅Intel公司对硅基光电子的研发就投入数十亿美元巨资。一旦突破，不仅可以实现芯片光互连、光电集成以及将来的光计算，而且在光通讯、光显示等领域具有重大的潜在应用前景，对我国的信息产业的发展具有重大意义。本项目的主要目标是：探索硅基发光和光互连的新材料、新原理和新器件。采用能带工程、缺陷工程等途径，对硅基发光材料进行人工改性，发展新的硅基发光材料；提高硅基电致发光效率，实现硅基电泵激光。研究硅基微纳尺度下光的传输与控制,解决硅基芯片光互连和光电集成的关键问题。为我国硅基光电子产业的发展提供坚实的理论基础和技术、人才贮备，促进高速、大容量计算机技术的重大突破。本项目拟解决的关键科学问题是：（1）硅基高效率发光微结构体系的构建原理、可控制备和表征，以及硅基发光材料表面、界面结构的调控。（2）硅基发光材料的载流子注入、输运与复合过程，硅基电致发光的内、外量子效率增强和电泵激光的机制。

（3）微纳尺度下，硅基光波导中的光传输和控制，硅基光互连和单片集成中的光电融合。围绕科学问题，我们研究（1）硅基纳米材料的发光原理和技术，（2）硅基化合物半导体材料的发光原理及技术，（3）硅基材料杂质和缺陷的发光原理和技术，（4）硅基SiGe量子阱材料的发光原理和技术，（5）硅基光电子光互连和光电集成的关键原理和工艺。针对上述主要研究内容，为解决关键科学问题，我们设立五个课题，分别为：（1）硅基纳米材料的构建、调控及发光原型器件，（2）纳米化合物半导体/硅异质结构发光材料及原型器件，（3）基于缺陷工程的硅基发光材料及原型器件，（4）基于能带工程的硅基发光材料及光电子原型器件，（5）硅基微纳光波导传输与单片光电集成技术。前四个课题是通过不同的技术途径研究硅基发光来解决硅基光源问题，重点放在硅基纳米硅、硅基铒离子注入和硅基纳米硫化镉/硒化镉化合物异质结这三种材料体系中实现光放大和光增益。在此基础上，结合实际的器件或集成工艺，形成电致发光器件，并力争实现真正的硅基电致激光。而在实现硅基发光的基础上，最后一个课题则研究硅基光互连和光电集成。我们充分发挥人员交叉、学科交叉和单位交叉的优势，由国内硅基光电子研究的主要优势单位承担本课题。

项目由浙江大学牵头、中科院半导体所、北京大学、南京大学、南开大学和厦门大学参加，研究队伍包括了固体微结构国家实验室（筹）和集成光电子学、人工微结构与介观物理和硅材料三个国家重点实验室中研究硅基发光的几乎所有骨干力量，课题组成员包括2位中科院院士、3位国家杰出青年基金获得者和一批优秀的中青年学术骨干。在过去5年中，这一团队在本领域获得包括2项国家自然科学二等奖在内的一批科研成果，承担和完成了20多项相关的科研项目。本项目的完成不仅会提高我国硅基光电子材料的整体研究水平、跻身于国际研发的先进行列，还将培养一批优秀的中青年学术带头人，为我国新一代光电集成、计算机等的工业应用和发展提供理论基础和技术、人才储备。

★项目专家组：

姓名单位

杨德仁浙江大学

徐骏南京大学

江晓清浙江大学

俞育德中国科学院半导体研究所

秦国刚北京大学

蒋民华山东大学

褚君浩中国科学院上海技术物理研究所

王启明中国科学院半导体研究所

阙端麟浙江大学

★课题设置：

编号名称负责人主要承担单位2007CB613401 硅基纳米材料的构建、调控及发光原型器件徐骏南京大学

2007CB613402 纳米化合物半导体/硅异质结构发光材料及原型器件秦国刚北京大学

2007CB613403 基于缺陷工程的硅基发光材料及原型器件杨德仁浙江大学

2007CB613404 基于能带工程的硅基发光材料及光电子原型器件俞育德中国科学院半导体研究所2007CB613405 硅基微纳光波导传输与单片光电集成技术江晓清浙江大学

SOI光波导器件研究进展及应用

SOI光波导器件前沿研究 光电信息学院 赵正松 2011059050025摘要：SOI（Silicon-on-insulator绝缘衬底上的硅）是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料，SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点，近年来随着SOI晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视.介绍了弯曲波导、光耦合器、可 调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI基光波导器件的一些研究进 展。 引言：光纤通讯网络中，波分复用（WDM）是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径:通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。 在WDM网络中，网际间交叉互联（OXC）光信号上下载路（OADM）,以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 在WDM光网络中，网际OXC和节点OADM功能是最核心的技术，光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1].在基于各种材料的光波导器件中,硅基光波导器件格外引人注目。 硅基光波导材料有SOI絶缘体上的硅）、SiO2/Si和SiGe/Si等多种.硅基光波 导的优势在于:硅片尺寸大、质量高、价格低;硅基光波导材料具有较大的折射率差，便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路（PLC单片集成；电学性能好，易于控制, 具备光电混合集成的潜力;机械性能好,加工方便,可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构；硅的热导性和热稳定性好,可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单.最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容,适合低成本制作硅基光电子集成（OEIC芯片。 本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon （硅）晶体管之间，加入绝缘体物

常见发光材料

一．常见发光种类 光致发光 灯用材料 日光灯,节能灯,黑光灯,高压汞灯,低压汞灯，LED转换组合白光 长余辉材料 放射性永久发光,超长余辉,长余辉 紫外发光材料 长波3650发光,短波2537发光,真空紫外发光,量子点发光…… 红外线发光材料 上转换发光,红外释光,热释发光, 多光子材料 荧光染料\颜料 稀土荧光,有机荧光 电致发光 高场发光 直流粉末DCEL,交流粉末ACEL,薄膜发光,厚膜发光,有机发光 低场发光 发光二极管(LED),有机发光(OEL-OLED),硅基发光,半导体激光 阴极射线发光 彩色电视发光材料 黑白电视发光材料 像素管材料 低压荧光材料 超短余辉材料 放射线发光 α射线发光材料,β射线发光材料,γ射线发光材料,氚放射发光材料，闪烁晶体材料 X射线发光 X存储发光材料 X增感发光材料 CT扫描发光材料 摩擦发光 单晶发光,微晶发光 化学发光 有机化合物发光(荧光染料) 液体发光 有机稀土发光 生物发光 酶发光,有机发光, 反射发光(几何光学) 光学镀膜反射材料,玻璃微珠反射材料 二．常见发光材料成份 物质发光过程有激励、能量传输和发光三个过程。激励方式主要有电子束激发，光激发和电场激发。电子束激发有阴极射线（CRT）发光材料，真空荧光（VFD）材料，场发射（FED）显示材料；光激发有荧光灯用发光材料，等离子显示（PDP）发光材料，X射线激发光材料等；电场激发有电致发光（EL）材料，发光二极管（LED）材料。 1 .阴极射线（CRT）稀土发光材料

表1 阴极射线稀土发光材料 组份发光色余辉用途 Y2O2S:Eu3+ 红 M 彩电，终端显示 Y2O2S:Eu3+ 红 M 投影电视 Y3(Al,Ga)5O12:Tb3+ 绿 M 投影电视 Y2SiO5:Tb3+ 绿 M 投影电视 InBO3:Tb3+ 绿 M 终端显示 InBO3:Eu3+ 红 M 终端显示 Y2SiO5:Ce3+ 415nm S 束电子引示管 (Beam index tube) Y3Al3Ga2O12:Ce3+ 520nm S 束电子引示管 (Beam index tube) YAlO3:Ce3+ 370nm S 束电子引示管 (Beam index tube) Y3Al5O12:Ce3+ 535nm S 飞点扫描管 2 .真空荧光显示（VFD）稀土发光材料 VFD用稀土发光材料较少，效率也不高，如SnO2:Eu3+, Y2O2S:Eu3+，很少使用。 3. 场发射显示（FED）稀土发光材料 FED是有可能与PDP和LCD相竞争的平板显示，它的画面质量和分辨率优于CRT，响应速度（寻址时间）非常快，而功耗仅是LCD的1/3，其应用前景令人关注。FED稀土发光材料如表2所示。 表2 FED稀土发光材料 组成颜色发光效率 SrTiO3:Pr 红 0.4 Y2O3:Eu 红 0.7 Y2O2S:Eu 红 0.57 Y3(Al,Ga)5O12:Tb 绿 0.7 Y2SiO5:Tb 绿 1.1 SrGa2S4:Eu[1] 绿 4.0 ZnS:Cu,Al 绿 2.6 Y2SiO5:Ce 兰 0.4 SrGa2S4:Ce[1] 兰 1.5 ZnS:Ag,Cl 兰 0.75 4 .灯用稀土发光材料 使用稀土三基色荧光粉的节能灯流明效率高，显色性好，是欧美、日和我国大力推广的绿色照明。灯用稀土发光材料如表3所示。 表3 灯用稀土发光材料 组成颜色用途 Y2O3:Eu 红节能灯 Y(V,P)O4:Eu 红高压汞灯 MgAl11O19:Ce,Tb 绿节能灯 LaPO4:Ce,Tb 绿节能灯 GdMgB5O10:Ce,Tb 绿节能灯 BaMgAl10O17:Eu,Mn 兰绿节能灯

1平面光波导技术

光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点. 按材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化硅光波导、InG aAsP/InP光波导和聚合物（Polymer）光波导。 LiNbO3晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。铌酸锂镀钛光波导开发较早，其主要工艺过程是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。并沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm。调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。 硅基沉积二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材料，国外已比较成熟。其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，日本NEC公司开发）、等离子增强CVD法（美国Lucent公司开发）、反应离子蚀刻技术RIE多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。 基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。

硅基光电器件研究进展

半导体技术 Semiconductor Technology 1999年 第1期 No.1 1999 硅基光电器件研究进展 郭宝增 摘要　在信息处理和通信技术中，光电子器件起着越来越重要的作用。然而，因为硅是间接带隙半导体，试图把光电子器件集成在硅微电子集成电路上却遇到很大困难。为解决这一困难，人们发展了多种与硅微电子集成电路兼容的光电子器件制造技术。本文介绍最近几年这方面技术的发展情况。 关键词　多孔硅　光电子器件　硅集成电路 Research Development of Silicon-Based Optoelectronic Devices Guo Baozeng (Department of Electronic & Informational Hebei University,Baoding 071002) Abstract　Silicon-based optoelectronic devices are increasingly important in information and communication technologies.But attempts to integrate photonics with silicon-based microelectronics are hampered by the fact that silicon has an indirect band gap,which prevents efficient electron-photon energy conversion.In order to solve this problem,many technologies to make optoelectronic devices which can be compatible with conventional silicon technology have been developed.In this article,we review the deve-lopment of these thchnologies. Keywords　Porous silicon　Optoelectronic devices　Silicon integrated circuit 1　引　言 硅是微电子器件制造中应用得最广泛的半导体材料。硅集成电路的应用改变了当代世界的面貌，也改变了人们的生活方式。但是，一般硅集成电路只限于处理电信号，对光信号的处理显得无能为力。然而，光电器件的应用却是非常广泛的，光纤通信、光存储、激光打印机及显示设备都 要用到各种光电器件。从更广的意义上说，我们所处的世界实际上是一个光的世界。据心理学家分析，人们通过眼睛所接收的信息占总接收信息量的83%，即人们接收的信息83%是光信号。因此可以想象，在未来信息化社会里，对光电子器件的需求决不亚于对微电子器件的需求。目前采用的光电子器件，主要是Ⅲ-Ⅴ族材料，这些器件与广泛使用的硅技术不兼容，而且制造成本高，因

元器件简介

常用电子元器件介绍 在我们电子设计的过程中会用到很多的电子元器件，常用的一般有电阻、电容、电感、二极管、三极管、led、各类集成块、芯片等。 一．电容 常见电容器：纸介电容器、有机薄膜电容、云母电容、陶瓷电容、电解电容器、表贴电容器、空气介质可变电容等。 具体的分类如下： 1.从结构分：固定电容器、可变电容器和微调电容器。 2.从电解质分：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电 容器等。 3.从用途分：高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型 电容器。 应用：电源滤波，低频耦合，去耦，旁路等 二．电感 1. 分类：a．按电感形式分类：固定电感、可变电感。 b．按导磁体性质分类：空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。c．按工作性质分类：天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。 d．按绕线结构分类：单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。 2.主要参数：电感量，品质因数，额定电流 3.应用：滤波、振荡、延迟、陷波等，阻交流通直流,阻高频通低频(滤波) 滤波用的。 三．二极管 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。 常用二极管的特性：1.正向导电性 当正向电压达到某一数值（锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。 2、反向特性 3发光特性 常用二极管的应用：1、整流 2、开关3、限幅4、继流在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。5、检波在收音机中起检波作用。 四．LED LED也是二极管的一种，它是一种发光二极管, 这种半导体组件一般是作为指示

探析硅光学技术的原理、种类及优势

探析硅光学技术的原理、种类及优势 当互联网流量在用户和数据中心之间传递时，越来越多数据通信发生在数据中心，让现有数据中心交换互联变得更加困难，成本越来越高，由此技术创新变得十分重要与紧迫。 现在有一种半导体技术——硅光子，具有市场出货量与成本成反比的优势，相比传统的光子技术，硅光器件可以满足数据中心对更低成本、更高集成、更多嵌入式功能、更高互联密度、更低功耗和可靠性的依赖。 微电子技术按照“摩尔定律”飞速发展已有五十几年了，但随着器件的特征尺寸减小到十几个纳米以下，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进已面临挑战。器件的速度、功耗和散热已经成为制约微电子技术发展的瓶颈。另一方面，基于计算机与通信网络化的信息技术也希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。仅仅利用电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。因此，应用“硅基光电子技术”，将微电子和光电子在硅基平台上结合起来，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术，大规模集成带来的低廉价格，以及光子器件与系统所特有的极高带宽、超快传输速率、高抗干扰性等优势，已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。 什么是硅光技术? 硅光子是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,用激光束代替电子信号传输数据,她是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。 硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI 等)，利用现有CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。 硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成，使用

硅基光电子技术在大数据时代的机遇与挑战(周治平)

Silicon Photonics: Challenge and Opportunity in Big Data Era 周治平.北京大学 Zhiping Zhou Peking University, China zjzhou@https://www.wendangku.net/doc/944156298.html, CIOEC, Sept. 2, 2015 Shenzhen, China

Silicon Photonics Edited by Zhiping Zhou

Outline ?Interconnect and the emerging silicon photonics ?Current silicon photonics interconnect ?Difficulties and challenges ?Conclusions

Applications push the growth of data centers Source: Intel IDF14 Scalability: both quantity and continuous improvement of device performance

Today’s interconnects in data centers Rack to rack: optical (VCSEL-based) In-rack: imminent transformation to optical solution Source: M Paniccia, Presentation at Purdue University (2007).

硅基发光材料与光互连的基础研究

硅基发光材料与光互连的基础研究 ★项目简介： 建立在硅材料基础之上的微电子技术对人类社会的进步发挥了巨大的作用，对我国国民经济的发展，工业、科技和国防的现代化也起着至关重要的作用。在进入21世纪以后，我国正大力发展微电子工业，有望成为新兴的国际微电子工业基地，是国家发展的重大需求所在。随着信息产业的发展，信息数据将海量增加，对信息计算、传输等技术在今后的发展也提出了更高的要求和挑战。其主要的解决途径之一就是将现有成熟的微电子和光电子结合，实现硅基光电集成，这将成为信息产业发展的重要方向之一。近十年来，由于重大的工业意义，硅基光电集成关键材料和器件的研究引起了国际科学界（如美国MIT、哈佛大学）和工业界（如Intel，ST）的严重关注，仅Intel公司对硅基光电子的研发就投入数十亿美元巨资。一旦突破，不仅可以实现芯片光互连、光电集成以及将来的光计算，而且在光通讯、光显示等领域具有重大的潜在应用前景，对我国的信息产业的发展具有重大意义。本项目的主要目标是：探索硅基发光和光互连的新材料、新原理和新器件。采用能带工程、缺陷工程等途径，对硅基发光材料进行人工改性，发展新的硅基发光材料；提高硅基电致发光效率，实现硅基电泵激光。研究硅基微纳尺度下光的传输与控制,解决硅基芯片光互连和光电集成的关键问题。为我国硅基光电子产业的发展提供坚实的理论基础和技术、人才贮备，促进高速、大容量计算机技术的重大突破。本项目拟解决的关键科学问题是：（1）硅基高效率发光微结构体系的构建原理、可控制备和表征，以及硅基发光材料表面、界面结构的调控。（2）硅基发光材料的载流子注入、输运与复合过程，硅基电致发光的内、外量子效率增强和电泵激光的机制。 （3）微纳尺度下，硅基光波导中的光传输和控制，硅基光互连和单片集成中的光电融合。围绕科学问题，我们研究（1）硅基纳米材料的发光原理和技术，（2）硅基化合物半导体材料的发光原理及技术，（3）硅基材料杂质和缺陷的发光原理和技术，（4）硅基SiGe量子阱材料的发光原理和技术，（5）硅基光电子光互连和光电集成的关键原理和工艺。针对上述主要研究内容，为解决关键科学问题，我们设立五个课题，分别为：（1）硅基纳米材料的构建、调控及发光原型器件，（2）纳米化合物半导体/硅异质结构发光材料及原型器件，（3）基于缺陷工程的硅基发光材料及原型器件，（4）基于能带工程的硅基发光材料及光电子原型器件，（5）硅基微纳光波导传输与单片光电集成技术。前四个课题是通过不同的技术途径研究硅基发光来解决硅基光源问题，重点放在硅基纳米硅、硅基铒离子注入和硅基纳米硫化镉/硒化镉化合物异质结这三种材料体系中实现光放大和光增益。在此基础上，结合实际的器件或集成工艺，形成电致发光器件，并力争实现真正的硅基电致激光。而在实现硅基发光的基础上，最后一个课题则研究硅基光互连和光电集成。我们充分发挥人员交叉、学科交叉和单位交叉的优势，由国内硅基光电子研究的主要优势单位承担本课题。 项目由浙江大学牵头、中科院半导体所、北京大学、南京大学、南开大学和厦门大学参加，研究队伍包括了固体微结构国家实验室（筹）和集成光电子学、人工微结构与介观物理和硅材料三个国家重点实验室中研究硅基发光的几乎所有骨干力量，课题组成员包括2位中科院院士、3位国家杰出青年基金获得者和一批优秀的中青年学术骨干。在过去5年中，这一团队在本领域获得包括2项国家自然科学二等奖在内的一批科研成果，承担和完成了20多项相关的科研项目。本项目的完成不仅会提高我国硅基光电子材料的整体研究水平、跻身于国际研发的先进行列，还将培养一批优秀的中青年学术带头人，为我国新一代光电集成、计算机等的工业应用和发展提供理论基础和技术、人才储备。 ★项目专家组： 姓名单位 杨德仁浙江大学 徐骏南京大学 江晓清浙江大学 俞育德中国科学院半导体研究所 秦国刚北京大学

硅基发光材料简述

硅基发光材料简述 摘要：本文简要描述了三种硅基发光材料：掺铒硅、多孔硅、纳米晶硅的发光特性、优缺点和应用前景。从而对这些硅基发光材料有所了解并对其可能的研究方向进行初步的了解。 关键词掺铒硅多孔硅纳米硅晶光学特性 一、前言 硅材料在半导体工业中有着不可替代的作用，硅在地球上储量丰富，硅基器件制造成本低廉、环境友好且制造工艺非常成熟，是迄今最适合于集成工艺的材料。然而，由于体硅为间接带隙材料其发光效率低下，故而被认为不是良好的光电子材料，不适宜应用于光电子领域。然而相较于在光电子领域站优势地位的化合物半导体材料，硅基光电子材料又有着成本低廉、易于实现光电集成等优点，且随着对硅材料的进一步深入研究，人们又发现了硅基发光的一些新特性，因而近年来对于硅基发光材料的研究受到越来越多的关注。本文将回顾硅基发光的研究历史，并归纳几种硅基发光材料的性质和特点，以期能对硅基发光材料有着更好地理解并对硅基发光材料未来的研究方向有所了解。 二、实现硅基发光的几种方法 由于硅单晶并不是一种很好的光电子材料，因此虽然经过各种技术上的改进，体硅发光二极管发光效率已可达到1%，但体硅发光并不是硅基发光的主要研究方向。目前，对硅基发光的努力方向主要有如下几个方面： 1 通过杂质或利用缺陷处复合放光； 2 通过合金或分子调节发射波的波长； 3利用量子限制效应或能带工程，通过增加电子-空穴复合的几率来增加发光效率； 4采用硅基混合的方法将其他直接带隙材料与硅相结合； 下面本文将简要介绍几种硅基发光材料。 2.1 掺铒硅的发光 对于间接带隙半导体材料，可以通过引入杂质的方法使电子或空穴局域化，形成复合中心，提高复合率，达到发光效率增加的目的。目前，硅中稀土杂质（特别是铒）的掺杂被认为是这种手段中最具有应用前景的一种手段。 稀土元素铒4f壳层中的正三价态离子的分离态具有具有类似于原子跃迁(I l3/2→l5/2)的辐 射发光特性，可发射波长1.54μm的光，对应着石英光纤的最低损耗波长区域，因而掺铒硅 发光在硅基光通讯中有着重大的潜在应用前景。掺铒硅的发光独立于体硅发光，是典型的第

硅基光波导结构与器件 - 中国科学院半导体研究所机构知识

Ξ硅基光波导结构与器件 刘育梁　王启明 (中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京,100083) 摘要　简要评述硅基光波导的结构、工艺及其器件,包括低损耗的硅基光波导、电光波导器件、红外波导探测器、氧化硅光波回路等. 关键词　硅,光波导. 引言 硅是微电子学领域最重要的半导体材料,其工艺技术和集成电路技术得到了高度发展.将硅从微电子学领域拓展到光电子学领域,发展集电子学功能和光子学功能于一体的硅基光电子器件与回路已成为一个重要的发展趋势,吸引了越来越多的科学家和工程技术人员,并取得了一定的进展.其主要标志为:(1)SiGe Si 超晶格和多孔硅的高效光发射现象的发现和研究表明了硅基材料中确定存在着可用于实际器件制作的高效发光机制;(2)可见光范围的硅雪崩光电探测器早已投入实际应用.可望用于113Λm 光通信系统的SiGe Si 多量子阱光波导探测器也已在实验室研究成功,并开始了探测器阵列的研究;(3)硅基无源光波导器件的研究卓有成效,取得了许多实际成果.其中最重要的,一是80年代以来提出的各种结构的硅基光波导的传输损耗几乎都已降至1dB c m ,制作这些光波导大都采用常规的微电子加工工艺,这为进一步研制各种功能器件奠定了坚实的基础;二是硅上二氧化硅光波导器件与回路已逐渐推向市场. 硅基光波导器件的这种发展趋势明显地反映在重要的国际光电子期刊中,80年代中期很少看到这方面的研究论文,而到90年代初,硅基光波导器件的研究论文在这类期刊中所占比例越来越大,近期已发展到专集讨论的程度[1].目前从事硅基光波导与光电子器件研究的实验室很多,有3个实验室的工作最具连贯性,代表了现今硅基光波导器件的发展水平.它们是:N T T 光电子实验室(集中从事Si O 2平面光波导器件与回路的研究开发工作),A T &B T B ell 实验室(M u rray H ill )(主要从事Si O 2光波导与回路、Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究)和柏林工业大学(TUB )(从事SO I 光波导、Ge 扩散硅光波导、光开关和Ge x Si 1-x Si 波导探测器的研究工作).本文将专门就硅基光波导及器件的发展作一简要评述. 1　低损耗硅基光波导结构及工艺 1.1　外延型光波导 第15卷第1期 1996年2月 红外与毫米波学报J.Infrared M illi m .W aves V o l .15,N o.1Feb ruary,1996 Ξ

光波导的理论以及制备方法介绍

光波导的理论以及制备方法介绍 摘要 由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。 光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。重点介绍离子注入法。 光波导简介如图所示为光波导结构 图表1光波导结构 如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。其中白色曲折线表示光的传播路径形式。可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。 一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。 图表2光波导模型 如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。 光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点： （1）光密度大大增强 光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。 （2）光的衍射被限制 从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技

术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。 （3）微型元件集成化 微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低 （4）某些特性最优化 非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低 综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。 光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别： 图表3平面波导（planar） 图表4光纤（fiber）

2009硅基微纳光电子系统中光源的研究

https://www.wendangku.net/doc/944156298.html, 中国光学期刊网1引言硅材料在20世纪通过半导体集成电路垄断了数字电子工业，并改变了人们的生活方式以后，现在又成为光学及光电子学青睐的材料。成熟的大规模、低成本硅基半导体集成电路生产工艺是人们期望用硅材料来制备微纳光电子器件及系统的最主要原因之一。其目的就是要大幅度地降低目前基于III-V 族材料的微纳光电子器件及系统的成本。众所周知，硅在1.3~1.5m m 通信波段是非常好的低损耗传输介质。人们已经利用这种特性，开发出了微纳尺寸的光波导、分束器、耦合器、调制器以及 探测器等光通信用基础元器件[1,2]。锗硅探测器已达到40Gb/s 的指标[3]。如能实现硅基微纳放大器和激光器，与微电子集成类似的微光电子集成就不难实现了。然而，硅是一种间隙材料，单纯的体硅发光效率是非常低的。这也是目前硅基光电子学领域研究人员正 在集中攻关的重点之一。 为了能够将光源引入到单片硅基光电子系统中 去，人们采用了耦合、贴片及混合集成等方式[4,5]，但大部分的努力仍然是希望通过单片集成的方式将光源 硅基微纳光电子系统中光源的研究现状及发展趋势周治平王兴军冯俊波王冰 （北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，北京100871）Zhou Zhiping Wang Xingjun Feng Junbo Wang Bing （State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems Networks,Peking University,Beijing 100871,China ） 摘要综合了微电子学及微纳光学的优势，硅基微纳光电子学正在快速走向实用阶段。与微电子制造技术兼容 的微纳光子器件，包括调制器、探测器、分束器以及耦合器等均取得了重要的突破。但硅基微纳光源的研 究则仍处在探索阶段。外部光源在多大程度上能代替片上光源？片上光源的最佳选择是什么？介绍、分 析了目前硅基微纳光源的研究现状及进展，并对片上光源的研究趋势进行展望。 关键词微纳光电子学；集成光学；硅基光源 Abstract Si based micro -nano optoelectronics is rapidly moving toward commercial applications.Nano - photonic devices compatible with the microelectronics manufacturing technology,including modulators, detectors,splitter and coupler,etc.have made an important breakthrough.However,research on Si light source is still in the exploratory stage.Is the external light source enough for chip size optoelectronic systems?What will be the better choice as the on-chip light source?This article will introduce the current research progress and development of Si based micro-nano light source,and prospect further outlook on-chip light source development trends. Key words micro-nano optoelectronic;integrated optics;Si based light source 中图分类号TN253doi ：10.3788/LOP20094610.0028 Research Progress and Development Trends of Light Source for Silicon Based Micro-Nano Optoelectronic Systems

硅基光电子技术与应用学习心得

硅基光电子技术与应用学习心得 厦门大学韩响微电子技术按照“摩尔定律”飞速发展已有五十几年了，但随着器件的特征尺寸减小到十几个纳米以下，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进已面临挑战。器件的速度、功耗和散热已经成为制约微电子技术发展的瓶颈。另一方面，基于计算机与通信网络化的信息技术也希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。仅仅利用电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。因此，应用“硅基光电子技术”，将微电子和光电子在硅基平台上结合起来，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术，大规模集成带来的低廉价格，以及光子器件与系统所特有的极高带宽、超快传输速率、高抗干扰性等优势，已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。北京大学信息科学技术学院周治平教授依托区域光纤通信网和新型光通信系统国家重点实验室在前两次基础上继续举办“硅基光电子技术及应用”暑期学校。 为了解该领域最新发展动向和拓展国际视野，聆听各位大师教诲，刚踏入科研大门读研一的我们从南方之强——厦门大学坐了33个小时的火车来到中国最高学府——北京大学。从东南沿海的小小鹭岛一下子到北京这座国际化大都市第一个感觉就是北京没有传说中的那么热，被拥挤的人群挤出火车站之后也不知道东南西北，宽阔的马路上挤满了车，各种大厦映入眼帘。报到之后首先去感受令无数莘莘学子神往的北大，未名湖、博雅塔、华表。。。。。。虽然看上去十分古老，但每一个都见证了无数英杰的成长充满了灵气。 开始上课之后，周老师第一讲，周老师给人以和蔼可亲、平易近人的感觉，还有幽默。周老师平稳的语气流露着渊博的学识和深邃的思维。介绍了硅基光电子学的发展背景和历史，以简洁的语言给出了硅基光电子学基本概念，硅基光电集成的光源，光路耦合、对准、封装，光波导、光路变化、滤波，光调制，光探测等部分的基本原理和急需解决的问题。让我们对硅基光电子技术有个整体的把握，建立硅基光子学的框架。给我最大震撼的是微电子所令人钦佩的陈老师，首先陈老师铿锵有力的语言和饱满的热情就让人精神为之一振，原来陈老师才是有故事有经历的人：陈老师是40年代出生的人，吃过那个时代的许多苦干过最脏

硅基光波导1

光纤与硅基光波导及其器件对比光波导是导引光在其中传播的介质，而光纤则是最常见的光波导之一，广泛地应用于光纤通信、光纤激光器等领域，硅基光波导则是实现OEIC、PIC的基础。同为光波导，光纤与硅基光波导在结构上有很多相似之处，相比而言，光纤及其各种器件的制备技术已经十分成熟，故可以根据已有的光纤器件的结构去设想、设计、改进硅基光波导器件。 波导结构 光纤是圆柱形光波导，主要有纤芯（折射率n1）和包层（折射率n2）组成。根据n1是否为常数分为阶跃光纤和渐变光纤两种。其相对折射率差约为1%，故一般的光纤对光场的限制能力并不强，这使得光纤的弯曲半径很大，否则光场就会从包层泄露。 硅基光波导一般为脊形波导，其波导层（下图中的core）和限制层（下图中oxide）的折射率一般比较大。如下图中，波导层Si的折射率约为，而限制的折射率约为，折射率差达69%，故该波导对光场的约束能力很强，可以层SiO 2 把弯曲半径做的很小，易于集成。然而该波导很难像光纤那样做成渐变折射率结构，这使得光纤的一些器件用硅基光波导很难做成相似的结构。

光耦合器 光耦合器是传送和分配光信号的无源器件，通过波导中传输模式的耦合作用来实现耦合功能。 在光纤系统中，可以用光耦合器来实现分束器、波分复用器、隔离器、环形器和光开关等。 在硅基光波导中，光耦合器可以实现分束、合波、光开关及光开关阵列等。 上图左边为2X2的耦合器，右图为1X2的耦合器，通过调整两个波导参数或者耦合距离即可改变两输出端光功率的比。而由于耦合距离是和波长相关的，故该结构可将不同波长的光分离，从而实现波分复用功能。当然，也可以将不同波长的光进行合波。

硅基发光材料研究进展

硅基发光材料研究进展 摘要：硅基发光材料是实现光电子集成的关键材料。本文分析了传 统工艺制作的硅基发光材料存在发光效率低、发光性能不稳定等缺点，在此基础上，总结目前量子理论、超晶格理论和纳米技术在硅基发光材料研究进展以及多孔硅的实践应用，并对硅基发光材料的前景进行展望。 关键词硅基发光材料多孔硅量子限制效应 Abstract: Si-based light emitting material is the key material of optoelectronic integration. This paper analyzes the traditional craft of Si-based light emitting that exists the defects, such as the inefficiency and the unsteady property of light emitting, and sums up the current progresses of quantum theory, superlattice theory, nano-scale technology in the Si-based light emitting material and the applied of porous silicon. Also some prospects of Si-based light emitting material is mentioned in this parper Key words Si-based light emitting material porous silicon Quantum confinement effect

内科大2014网络信息检索试题

2014《网络资源与信息检索》试题 （满分70分） 一、根据课程所学内容完成以下填空（每空2分，共40分）：用外网检索不 要用镜像。 1、写出我校图书馆订购的两个英文参考数据库（ Ei和SCI ）。 2 在我馆的馆藏纸质图书文献中，题名包含“思想政治”的图书，共有结果 （ 104 ）条其中由刘玉瑛著编写的典藏于 （A区 502 室 22 排 1列 4层）。 3、在超星数字图书馆中，查找到书名有“考研”并且主题词含有“英语”的2008 年以后出版的图书有（ 56 ）种。 4、在中国知网CNKI期刊数据库中，检索刊名（包含曾用名）带有“自动化”的 期刊有（56 ）种，其中《机器人》杂志的曾用刊名为（国外自动化）。 5、《CNKI---中国期刊全文数据库》中模糊检索主题包含“世界读书日”并且同时包括“图书馆”的期刊论文，其中发表相关论文最多的年份是（2013），其中发表在《图书馆杂志》的期刊论文有（ 7）条。 6.对于选定的课题“浅谈数字技术在工业电气自动化中的应用与创新”，应该制定的检索关键词为（数字技术电气自动化）。 7、在维普中检索，同时在题名和关键词中包含“思想政治”并且发表于 2012-2014的核心期刊论文有相关记录共（ 2123 ）条。考虑到检索结果过多（过少）可以考虑通过（增加and的限制概念，用not限制不相关文献的输出）的途径来调整检索结果的。 8、维普二次检索中的在结果中去除，相当于逻辑运算中的（非）运算。 9、在EI中的专家检索时，atuostemming off 默认方式是（全字段检索）。 10请在CNKI期刊数据库中检索出年内蒙古科技大学发表的“国家自然科学基金” 支持的论文有（ 919 ）篇。 11在ELSEVIER数据库有三种分类浏览方式，分别是按字母、按学科和按（期刊名）浏览。

硅基光子学国内外分析研究现状及发展趋势

专题报告-1 硅基光电子学<光子学）研究简况 网络信息中心文献情报服务 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

硅基光子学国内外研究现状及发展趋势

专题报告-1 硅基光电子学（光子学）研究概况 网络信息中心文献情报服务 2007年6月

硅基光电子学研究概况 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）硅基纳米发光材料 目前的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。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米结构生长；扫描探针显微术的表面纳米加工；全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。 （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米材料用于高效率Si-LED的制作，即硅纳米量子点，高纯体单晶硅和掺Er3+的硅纳米晶粒。目前报道最好的结果是韩国科学家研究的由镶嵌在SiNx膜层中的硅纳米量子点所制成的电致发光LED，室温下的外量子效率可高达1.6%。 （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米晶粒，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