矽-多形碳化矽同軸納米線雷射器研究

《矽-多形碳化矽同軸納米線雷射器研究》是依託南京大學，由王軍轉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：矽-多形碳化矽同軸納米線雷射器研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王軍轉
• 依託單位：南京大學

項目摘要

對於全矽基光電子集成或矽晶片的光互連發展而言，實現高性能的矽基光源是最重要的期待。本項目主要研究同軸矽納米線結構的電注入光激射特徵及雷射器基礎。實驗上，通過時序控制的等離子增強化學氣相澱積方法在（N型）矽納米線外層獲得（本徵型）納米矽晶/多形碳化矽耦合發光介質，外殼層為P型摻雜非晶矽，構成同軸矽納米線微腔振盪模式雷射器基本結構。通過對其微結構、外場作用下載流子注入輸運過程對發光特性的影響作用研究，理解和掌握該系統電注入高效發光和光增益物理機制，以及納米線微腔的雷射模式；特別通過發展新的製備方法和最佳化工藝條件，力求在納米晶矽/多形碳化矽耦合發光介質性能上取得突破。將物理、材料和器件結構集成研究，實現高效電注入發光和光增益，為發展高性能全矽光源提供新的途徑。

結題摘要

為了實現矽基光電集成，矽基光源的獲得一直是一個世界性難題，本項目是研究矽/多態碳化矽同軸納米線雷射和器件研究，圍繞著這個主題我們開展了以下工作：（1）最佳化碳化矽的發光條件；（2）同軸矽/碳化矽納米線形貌和光學性質研究；（3）探索新材料納米線光學性質研究。在該基金支持下發表SCI論文17篇，培養研究生5名，本科生5名。主要的成果如下： 首先採用PECVD的方法對薄膜碳化矽材料做了最佳化，可以通過改變生長參數控制發光中心尺寸的大小從而改變發光光譜，製備出了平面結構的LED發光器件，電致發光表現良好。進而通過VLS（Vapor-Liquid-Solid）技術和PECVD的方法，利用3D 納米線陣列構架，用於顯著提高矽基納米薄膜的發光效率達一個數量級，並深入研究了其中納米線成分、分布以及近場增強對發光效率的影響，我們發現這種結構下發光的內量子效率和外量子效率都會有明顯提高！納米線對入射光的trapping同樣在太陽能電池黑矽技術上有很好的套用，所以基於這一方面的考慮，我們通過對徑向結納米線薄膜電池內部光場的系統數值模擬分析，首次揭示了在此 Quasi-1D 微腔結構中，由於腔體模式耦合而導致的獨特光收集分布效應以及各個關鍵參數的影響。實驗和理論上這種3D結構在促進泵浦光的激發效率和發射光的抽取等方面有很大的優點。但是這種結構在電致發光過程中存在種種問題。 與此同時我們研究了基於金屬‐納米線腔結構光電探測器的光偏振增強回響特性，偏振回響提高 50%，並運用有限時域差分方法（FDTD）分析了器件結構的光學共振特性。所構造的探測器中納米線呈一定取向排列，光回響隨入射光偏振態方向變化，當偏振方向與納米線軸向平行（垂直）時，回響電流最大（最小）。FDTD 分析的光吸收結果顯示腔中的增強光吸收源自橫電激勵（TE）在金屬界面發射形成的 Fabry‐Perot 振盪和橫磁激勵（TM）激發的表面等離子振盪。我們分析了不同波長、直徑尺寸結構中的場分布和 Poynting 能流分布，證實了探測器偏振回響性能與金屬‐納米線腔光學共振的關係。 二維過渡金屬材料以獨特而豐富的物理以及廣泛的套用最近幾年來成為 研究的熱點之一，這些材料和矽基集成是一種可能.