基于环境友好半导体材料β-FeSi2、Mg2Si的光电子器件设计与研究

At present, scarce and toxic elements such as Ga, As, In, P, Se, Pb, Te, have been used widely to fabricate compound semiconducting optical devices such as LED and semiconducting laser, and solar cells, which are unbeneficial to the development of harmonious society with resources recycling and symbiosis environment. However,Ecologically friendly semiconducting materials β-FeSi2 and Mg2Si consist of Si, Mg, Fe elements which are abundant, toxic and ecologically friendly. In addition, these semiconducting silicides are compatible with the current Si technology, and have important applications on optoelectronic, electronic and power devices.. The project are focused on the design and investigation of the light emitting diode and light sensor based on the ecologically friendly semiconducting materialβ-FeSi2 and Mg2Si, which have been prepared successfully. The main contents are as follows: 1) improvement of the fabricating technology for preparing β-FeSi2 and Mg2Si films,2)chip design of the light emitting diode and light sensor,and 3)performance measurement and mechanism analysis of devices.. The deliverables of the project: publishing 3-5 papers, applying for 1-3 technology patents and training 5-8 master student and 1-3 PhD candidates.

目前，考虑到元素的性能，一些资源缺乏且有毒元素，如Ga、As、In、P、Se、Pb、Te等，仍被大量用来制备LED、半导体激光器、太阳能电池等半导体器件，这不利于创造一个资源循环、环境共生型的和谐社会。而环境友好半导体材料β-FeSi2、Mg2Si是由地球含量丰富、无毒的、对环境友好的Si、Mg、Fe元素构成，并且和传统的Si工艺相兼容，在光电子器件、电子器件、能量器件领域具有重要的应用前景。. 本项目在前期成功制备环境友好半导体材料β-FeSi2、Mg2Si薄膜的研究基础上，开展基于β-FeSi2、Mg2Si材料的发光二极管和光传感器的设计与研究，主要内容包括：1）进一步完善β-FeSi2、Mg2Si薄膜的制备工艺；2）发光二极管和光传感器芯片设计与制备；3）器件的性能测试与机理分析。. 预期成果：发表论文3-6篇，申请专利1-3项，培养博士生1-3人，硕士生5-8人

Mg2Si和β-FeSi2材料为新型环境友好半导体材料，开展基于Mg2Si和β-FeSi2材料的器件研究，因此具有重要的环境效益和社会效益。该项目完成了Mg2Si和β-FeSi2薄膜材料的制备工艺及其性质的实验研究，完成了基于Mg2Si或β-FeSi2薄膜材料的LED、光传感器、太阳能电池等器件研究以及太阳能杀虫灯控制器的设计，具有极大的实用价值。主要的研究成果如下：.1)进一步完善制备Mg2Si、β-FeSi2薄膜的工艺，制备出性能稳定的半导体薄膜，为光电子器件应用奠定坚实基础；.2)开展了不同衬底上Mg2Si薄膜的光致发光研究以及Mg2Si/n-Si、p-Si/Mg2Si/n-Si异质结的电学性质研究，发现高纯红外玻璃上的发光峰最强，单色性最好。Mg2Si/n-Si和p-Si/Mg2Si/n-Si异质结具有良好的单向导电性，其正向导通电流为0.6mA。.3)开展了Mg2Si薄膜光传感器芯片的设计与研究，该光传感器对红外波段800-2000nm的光吸收率均大于70%，尤其对800-1300nm的红外光的吸收率高达80%以上。.4)开展了Mg2Si薄膜发光二极管芯片的设计与研究，得到发光二极管发出的光能够从LED的上下表面同时射出，双面出光，有利于提高LED的出光效率。.5)在硅衬底上制备β-FeSi2/Si异质结构和Si/β-FeSi2/Si双异质结构,对其光学和电学性质进行了系统地研究。结果表明：β-FeSi2薄膜厚度与异质结的光吸收率有密切关系；β-FeSi2/Si的导电类型为P型，Si/β-FeSi2/Si的导电类型为N型。.6)基本完成利用β-FeSi2、Mg2Si薄膜制备发光二极管（LED）光电子器件的实验室制备工艺研究，封装工艺研究，基本解决了实验室制备LED光电子器件的工艺问题；.7)研究了基于β-FeSi2薄膜的β-FeSi2/Si和Si/β-FeSi2/Si结构的太阳能电池。推导出了β-FeSi2薄膜吸收层厚度与太阳光波长之间的计算公式，确定了β-FeSi2最佳厚度是200nm到250nm，与实验结果一致。.8)设计研究了一种太阳能杀虫灯绿色防控系统，并进行了加工与测试。.9)设计与研究了红外传感器自动停车锁系统。