硅-多形碳化硅同轴纳米线激光器研究

Si light emitter particularly, laser has became the last missing part to implement an all-Si-based integration of optoelectronics and photonic interconnection. This project will explore a novel co-axial multilayer cavity, constructed on top of ultra-thin Si nanowires, to achieve effective electrical injection/luminescence and eventually lasing from the 1D cavity. Starting from p-doped Si nanowires grown via Vapor-Liquid-Solid mode on top of TCO coated glass substrate, conformal coating of sequentially intrinsic polymorphous silicon carbon (pm-SiC:H) and n-doped amorphous Si (a-Si:H) layer multiple layers will be achieved in a well-controlled PECVD deposition. The nanocrystalline Si particles embedded in the pm-SiC:H layer serves as a photon-energy-tunable optical/electrical light pumping medium. This approach allows the cavity dimensions to be precisely controlled, and coupling the pm-SiC:H emission with the optical modes in the 1D micro-cavity to achieve eventually lasing. We will carry out a systematic investigation of the influence of cavity dimensions, multilayer profile and carrier injection mechanism on the light emission properties of the nanowire cavity. We will develop also a new fabrication procedure and optimization strategy to combine the nc-Si light emission with the optical resonant mode in a 1D micro-cavity,aiming for a new approach to achieve high-efficiency electroluminescence injection and high light amplification for all-Si-based light source and lasing.

对于全硅基光电子集成或硅芯片的光互连发展而言，实现高性能的硅基光源是最重要的期待。本项目主要研究同轴硅纳米线结构的电注入光激射特征及激光器基础。实验上，通过时序控制的等离子增强化学气相淀积方法在（N型）硅纳米线外层获得（本征型）纳米硅晶/多形碳化硅耦合发光介质，外壳层为P型掺杂非晶硅，构成同轴硅纳米线微腔振荡模式激光器基本结构。通过对其微结构、外场作用下载流子注入输运过程对发光特性的影响作用研究，理解和掌握该系统电注入高效发光和光增益物理机制，以及纳米线微腔的激光模式；特别通过发展新的制备方法和优化工艺条件，力求在纳米晶硅/多形碳化硅耦合发光介质性能上取得突破。将物理、材料和器件结构集成研究，实现高效电注入发光和光增益，为发展高性能全硅光源提供新的途径。

为了实现硅基光电集成，硅基光源的获得一直是一个世界性难题，本项目是研究硅/多态碳化硅同轴纳米线激光和器件研究，围绕着这个主题我们开展了以下工作：1）优化碳化硅的发光条件；2）同轴硅/碳化硅纳米线形貌和光学性质研究；3）探索新材料纳米线光学性质研究。在该基金支持下发表SCI论文17篇，培养研究生5名，本科生5名。主要的成果如下：.首先采用PECVD的方法对薄膜碳化硅材料做了优化，可以通过改变生长参数控制发光中心尺寸的大小从而改变发光光谱，制备出了平面结构的LED发光器件，电致发光表现良好。进而通过VLS（Vapor-Liquid-Solid）技术和PECVD的方法，利用3D 纳米线阵列构架，用于显著提高硅基纳米薄膜的发光效率达一个数量级，并深入研究了其中纳米线成分、分布以及近场增强对发光效率的影响，我们发现这种结构下发光的内量子效率和外量子效率都会有明显提高！纳米线对入射光的trapping同样在太阳能电池黑硅技术上有很好的应用，所以基于这一方面的考虑，我们通过对径向结纳米线薄膜电池内部光场的系统数值模拟分析，首次揭示了在此 Quasi-1D 微腔结构中，由于腔体模式耦合而导致的独特光收集分布效应以及各个关键参数的影响。实验和理论上这种3D结构在促进泵浦光的激发效率和发射光的抽取等方面有很大的优点。但是这种结构在电致发光过程中存在种种问题。. 与此同时我们研究了基于金属‐纳米线腔结构光电探测器的光偏振增强响应特性，偏振响应提高 50%，并运用有限时域差分方法（FDTD）分析了器件结构的光学共振特性。所构造的探测器中纳米线呈一定取向排列，光响应随入射光偏振态方向变化，当偏振方向与纳米线轴向平行（垂直）时，响应电流最大（最小）。FDTD 分析的光吸收结果显示腔中的增强光吸收源自横电激励（TE）在金属界面发射形成的 Fabry‐Perot 振荡和横磁激励（TM）激发的表面等离子振荡。我们分析了不同波长、直径尺寸结构中的场分布和 Poynting 能流分布，证实了探测器偏振响应性能与金属‐纳米线腔光学共振的关系。. 二维过渡金属材料以独特而丰富的物理以及广泛的应用最近几年来成为 研究的热点之一，这些材料和硅基集成是一种可能.