矽基发光的一直是学界长期以来的目标，由于矽半导体在市场上所占有的比例显示，当矽基发光的效率足以商业化而扩充矽晶片应用领域时，制作新的相关光电元件，其中包括光侦测器（Photodetector）、发光二极体（Light Emitting Diode；LED）与现有的矽/矽锗制程技术整合，应用于深具潜力的矽基光电元件（Silicon-Based OEICs），其在光电产业上将带来庞大的利益。但是由于矽属于间接能隙，其发光机率是1.79×10-15 cm3/s，比起直接能隙的GaAs 7.21×10-10 cm3/s，几乎差了五个级数，所以为了让矽发光，有许多方法被提出，包括矽锗异质结构、多孔矽、铒掺杂、超晶格、奈米晶体及金氧半接面发光等，但是到目前为止还是无法到达可以应用的发光效率。

虽然如此，矽锗光电元件具有与矽积体化电路整合的优点，加上量子异质接面结构的长晶技术进步，因此近年来矽锗异质接面的光电元件被广为研究。其中Ge量子点光电元件利用Ge/Si（含其它IV族材料如SiGeC、SiC等）异质介面、晶格不匹配的特性，由于矽锗晶格常数差4.2％导致锗在矽（100）表面会由一层一层的结构转变成量子点的奈米结构（Stranski-Kranow）。无错误排差（free dislocation）之自我形成量子点在也会在其他物质异质磊晶过程中出现，如InGaAs/GaAs 等...。量子点结构会改变物质原本的光电特性，量子点结构在未来可能被广泛运用于光电元件上，所以对量子点演变的研究是有其必要性。本文中将介绍在量子点与超晶格上发光元件的研究成果，分析其​​发光的机制，进一步提出矽基发光的可能发展。

发光元件原理与结构

在电致发光的系统中，主要是藉由电子电洞的注入在主动区产生发光复合，考虑长晶的限制，选择n+的矽晶圆（Si wafer）在其上成长p-type层状结构，其载子分布与电流注入的情况如(图一)所示，当电流注入时空乏区pn＝ni2exp(qV/kT)，考虑载子复合率，也就是说当pn product（pn＞＞ni2）时，发光效率会大幅度的增加，其中特别注意空乏区外侧电子电洞扩散的区域也是属于pn＞＞ni2的区域，当分布于主动区的量子结构局限一定量的载子，如电洞，当电子越过空乏区到达空乏区外侧的量子结构时，也可以借由pn＞＞ni2，而增加其发光效率；在概念上，就如同双异质结构的雷射二极体一样，如果能把电子电洞赶到同一位置，便可以增加其发光效率。

《图一 发光二极管操作示意图》

量子点发光实验

在了解二极体的发光机制后即可设计一系列的实验，第一个系列采用自组装的多层锗量子点结构，利用超高真空化学气相沉积成长一系列周期数不同的锗量子点结构，并探讨周期数对于锗量子点电激发光特性之影响，特别是在发光频谱的变化。元件的结构如(图二)所示，在n+矽基版上成长Si buffer后成长多层量子点结构，再以一Si buffer隔离，然后成长高掺杂的矽导电层。

《图二 发光组件结构》

根据(图三)在室温下的实验结果，发现随着周期数增加，其发光效率也跟着增加；此外由于空乏区包含部分P型低掺杂区域，所以室温时由n+侧注入的电子易穿越空乏区而扩散至P型低掺杂区域，由于是低掺杂所以此处的Si电洞浓度非常少，大部分的电洞位于锗量子点内，此时电子与电洞复合的路径除了在Si就是锗量子点内，由于局限于锗量子点内的电洞浓度较高所以，位于锗量子点内的电洞捕捉到电子的机率大于在Si区域的电洞，所以在低注入的情况下只有在量子点的区域放光，随着注入电流的增加电子扩散的部分将到达高掺杂的接触层此处由于电洞的数量够多所以造成Si波段放光。

《图三 室温下5层、10层、30层量子点频谱在变温的情况下，频谱变化的情况》

如(图四)所示，对5层以及10层的量子点结构来看，量子点发光的能量都非常的固定，显示三维局限的系统对温度并不敏感，而30层的部分，则有蓝位移的现象，并且其整体发光的强度较低温的情况更好，而最低温的情况下，5层10层以及30层的发光频谱取出比较，发现其低温下的发光特性几乎是一致的，初步推测此时作用的量子点型态一定有某种程度的相似性。为了进一步分析，将其发光能量的位置随温度的变化制作成(图五)，其中5层量子点有轻微的红位移，10层的量子点在低于200K的温度下略有红位移的现象，大于200K则略有蓝位移的情况，对于30层结构则明显有蓝位移的现象；参考文献的结果，5层与10层的实验结果非常一致，而30层的部分则首次发现量子点发光频谱蓝位移的现象，根据文献的纪录，红位移的部分是由于在较高的温度下晶格能隙便小的缘故。

《图四 5层、10层、30层量子点变温频谱与最低温下发光频谱的比较》

《图五 不同层数下随温度变化发光能量的变化》

进一步对发光强度做分析，随温度变化的发光强度如(图六)所示，其中5层与10层的量子点结构，明显在室温下有强度减低的效果，考虑材料发光的机制，在温度上升的情况下，由于原先低温下进行放光复合的载子有更多的动能可以看到不放光复合的途径，所以藉由计算强度随温度增加减低的趋势可以得到起动能量，在实验中，5层与10层的量子点结构，其计算所得起动能量加上能隙放光的能量，刚好接近矽晶体的能隙大小，考虑矽－锗为TypeII的异质能带结构，所以计算所得的起动能量几乎等于量子点内部的基态能阶的深度，参考起动能量的定义，也就是说明，当量子点内部原先是借由放光的途径复合时，若此电洞得到温度增加的动能而离开量子点，其在Si的部分看到的几乎是无法放光的复合途径。这一节说明了即使能提供较深的位能局限来储存载子，也必须提供放光的复合途径才能得到更好的放光效率。

《图六 不同层数下随温度变化发光强度的变化与启动能量的计算》

在先前对量子点成长机制探讨的文献中提到，由于量子点的成长虽然是成长于矽表面，但是由于矽晶格的结构看起来如同在层状结构中插入一突起物，会使的周围的矽晶格承受到应力场，在应力场范围内接续成长量子点，会使的应力场累积进而饱和，此一现象使得量子点大小趋于一致，但应变能量的累积将使的所成长的锗量子点与周围的矽晶格做合金的混合，使系统的能量降低。

如(图七)不同层数下量子点的型态，其起始层的量子点型态几乎都一致，并没有因为经过长晶时间的长短而有不同，随着层数的累积由于应力场的叠加产生如文献中大小渐趋一致的效果，但是在30层的量子点中发现最后由于应力能量的累积，导致层状结构的扭曲，其中伴随着为了释放系统能量所产生由于应变辅助的矽锗混和，此一结果将使的此处的量子点能隙变大，因为锗量子点内部矽的含量增加之故。目前此一现象文献中只有理论的推测，但已经由本系列的实验得到实证。

《图七 不同层数下量子点的型态》

Si/SiGe超晶格结构发光实验

在第二个系列中，我们采用短周期的Si/SiGe超晶格结构，其元件设计如同量子点发光二极体，只是将多层的量子点发光区改换成超晶格结构，同样的为了使电子可以注入，其发光区也是采用P型低掺杂。从室温的发光频谱可以发现，由于整体的厚度变小了，所以都有矽放光的情形，但是随着层数的增加，Si/SiGe超晶格结构发光的比例逐渐增加，如(图八)所示，在低温的情况下由于费米分布的缘故，载子分布接近费米能阶所以使超晶格有更多的电洞，所以当层数中提供足够的电洞足以消化由n侧扩散过来的电子时，便不会产生矽放光的情况。

《图八 室温下5层、10层、20层、40层超晶格发光频谱》

《图九 低温下5层、10层、20层、40层超晶格发光频谱》

由于室温下矽发光的强度站总发光强度的一定的比例，藉由频谱的分离将来自超晶格结构放光的比例计算出来，如(图十)所示，可以明显看到超晶格随着注入电流的增加放光的效率变差，最后形成饱和的趋势，而且层数越少的部分情况更严重。

《图十 室温下注入电流与发光强度之关系》

接着比较(图十一)中室温下与低温下注入电流与发光强度之关系，其中低温下的注入电流明显要比室温下的有效率，也由于低温的效应而没有产生因材料缺陷所导致的放光效率饱和，也间接证实材料缺陷会大幅抢夺载子而影响了发光的效率。

《图十一 室温下与低温下5层、10层、20层、40层超晶格注入电流与发光强度之关系的比较》

量子点与超晶格发光效率比较

《图十二 超晶格与量子点放光强度的比较》

为了比较一维局限与三维局限的差异性，特别取出其中各十层的结构所放光的效率做比较，如(图十二)所示，量子点放光强度较差，但是没有饱和的趋势，超晶格结构虽然放光较强，可是在大于150mA的电流注入便已经饱和了，尝试将量子点的发光强度除以量子点单位面积的覆盖比例，以换算布满量子点的情况下的放光效率，结果发现超晶格放光效率比结构来的好。

考虑两者的差异性，造成此一现象的主因应是由于晶格缺陷所造成的不放光的复合途径在高注入下大幅的限制超晶格结构放光的效率，而量子点的部分则由于三维局限的缘故，使的电洞被隔离开来，所以即使某一颗量子点有晶格缺陷并不会影响到其他的量子点放光。虽然锗量子点提供三维的局限效应并且其有效的缺陷密度较小，但由于覆盖比例较矽/矽锗超晶格小，造成发光区域小于矽/矽锗超晶格，因此锗量子点的发光强度将小于矽/矽锗超晶格。不过若能增加锗量子点成长密度，将可加强其发光强度。

结语

根据上面所讨论，在了解矽基材料的发光机制后，下一步的进展就是要如何将矽基材料制作成三维载子局限，虽然自组装的锗量子点可以形成三维载子局限，但是由于成长参数的限制，对于锗量子点型态的掌控度并不好，其覆盖率也因此无法达到要求的程度，应用先进的微影制程，进一步做选择性磊晶，是可行的选项，藉由长晶面积的局限，可以在某个维度达到最高的量子点密度，并可由面积的设计，调整量子点的大小与排列方式，大幅增加量子点操控的弹性及与一般制程整合的可行性，藉由奈米科技的研发，又将对元件的控制发展到新的境界。（作者彭钰华为台大电机工程学系博士后研究员，管杰雄、李嗣涔为台大电机工程学系教授；陈邦旭、蔡铭进任职于工研院电子所）

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