基于光子晶体异构微腔的硅基电致发光器件基础研究

Si-based light-emitting device is the key technology of the Si-based optoelectronic integration, and how to realize high-efficiency Si-based luminescence has always been the research hotspot in the science and engineering field. This project attempts to design and fabricate the Si-based electroluminescent devices based on photonic crystal heterostructre microcavity on SOI substrate. We wants to improve the luminous efficiency of the Er-doped Si material by the new heterostructure microcavity based on the photonic crystal mode-gap effect, build p-Er:Si-n electroluminescent structure, and develope Si-based light-emitting chip sample with high Q-value, low mode volume, 1550nm single-mode resonant wavelength, and high luminous enhancement factor. The research includes modeling and characteristic analysis of the novel photonic crystal heterostructure microcavity, preparation of high quality SOI-based Er-doped Si material, design and optimization of electrically-injected structure, manufacture and optimization of high-accuracy photonic crystal heterostructure microcavity and electroluminescent device, performance and physical mechanism analysis of electroluminescence, and so on. The breakthrough in this technology will promote the rapid development of Si-based optoelectronic integration, and take advantage of its huge potential in optical interconnects and optical communications. The advance has great significance in the development of China's information industry.

硅基发光器件是硅基光电子集成技术中的关键，如何实现高效的硅基发光一直是科学与工程学界的研究热点。本项目尝试在SOI衬底上设计、制作基于光子晶体异构微腔的硅基电致发光器件。利用基于光子晶体模式隙（mode-gap）效应的新型异构微腔提高掺铒硅材料的发光效率，构建p-Er:Si-n式电致发光结构，研制出具备高Q值、小模式体积、1550nm单模谐振波长及高发光增强因子的硅基发光芯片样品。主要研究内容包括新型光子晶体异构微腔结构的建模及特性分析，高质量SOI基掺铒硅材料制备及性能优化、电注入结构设计及优化，高精度光子晶体异构微腔及电致发光器件制作工艺设计与优化，器件电致发光特性测试及物理机制分析等。该技术的突破必将促进硅基光电子集成的高速发展，并在光互连、光通信等领域发挥其巨大应用潜力，对我国信息产业的发展具有重大意义。

硅基高效光源是实现硅基光电单片集成的关键，是整个硅基光子领域发展的瓶颈所在。本项目深入开展了SOI基光子晶体基本理论研究工作，对SOI基平板光子晶体能带特性、波导色散关系及微腔谐振特性进行了详尽的分析。完成了具有高Q值、小模式体积和1550nm附近单模谐振波长的新型SOI基光子晶体异构微腔的建模分析工作，优化设计出单模谐振波长为1549.8nm 、Q值为1.2×10^4、模式体积为0.11(λ/n)^3的空气桥型对称平板光子晶体波导邻近空气孔半径渐变型异构微腔及单模谐振波长为1548.3nm 、Q值为4.6×10^5、模式体积为0.73(λ/n)^3的空气孔位移渐变型异构微腔结构，阐明了基于光子晶体波导mode-gap效应及微腔Purcell效应的异构微腔增强硅基发光机理。对SOI基掺铒硅发光材料关键制备工艺及电子束曝光、ICP刻蚀及湿法腐蚀等SOI基平板光子晶体微腔关键制作工艺进行了系统的研究和优化，在顶层硅共掺铒和氧的SOI基片上制作出基于空气桥型对称平板光子晶体波导邻近空气孔半径渐变型异构微腔的硅基光致发光器件样品，其单模发光峰波长为1541.7nm，低泵浦功率下的Q值为6284，实现了室温下对无光子晶体结构掺铒硅材料73倍的发光增强；制作出基于空气桥型对称平板光子晶体波导邻近空气孔位移渐变型异构微腔的硅基光致发光器件样品，其单模发光峰波长为1510.6nm，Q值为13330，实现了室温下对无光子晶体结构掺铒硅材料11倍的发光增强；详细分析了器件光致发光特性随光泵浦条件及光子晶体结构参数的变化关系，阐明了其中物理机制。完成了基于光子晶体异构微腔的硅基电致发光器件的结构优化设计工作，对包含多步普通光刻、离子注入、电子束曝光和ICP刻蚀等多项工艺在内的、与CMOS兼容的、基于光子晶体异构微腔的硅基电致发光器件制作工艺流程进行了整合和优化，在顶层硅共掺铒和氧的SOI基片上制作出基于氧化物下包层型非对称平板光子晶体波导邻近空气孔半径渐变型异构微腔的硅基电致发光器件样品，其单模发光峰为1534.5nm，实现了室温下对无光子晶体结构掺铒硅材料110倍的发光增强，详细分析了器件电致发光特性随电注入条件及光子晶体结构参数的变化关系，阐明了其中物理机制。基于光子晶体异构微腔的硅基发光结构实现了掺铒硅材料室温下显著的单模发光增强，在硅基高效光源方面有着不可小觑的研究和应用前景。