对称性、带隙特性和材料设计

【作者】 黄美纯； 张建立； 李惠萍； 朱梓忠；

【机构】 厦门大学物理系；

【摘要】 材料设计的任务多种多样,其中有一类设计涉及硅基单片光电子集成(OEIC)及光子集成(PIC)的严峻挑战,这就是硅基光发射材料的设计。由于体硅材料的能带结构有间接带隙特性,其光发射涉及电子、空穴和声子三体相互作用过程,发光效率太差,被认为是不适宜做光发射材料的。本文在详细分析半导体直接间接带隙特性及其来源的基础上,指出决定直接带隙的因素主要有:晶体对称性、芯态效应和部分离子性(或电负性差)效应等三项。对于对称性不同的材料,降低对称性是获得直接带隙特性的有效途径。对于对称性相同的材料,在选择原子组合时,增大芯态和减少电负性差,可导致间接带隙向直接带隙的转变。三个因素是相互关联的,但作为计算设计和材料生长的指导原则,可操作性最好的是降低对称性原理。利用这个原理,我们已经设计出一种新的硅基材料,它可自然地与硅实现晶格匹配,与硅微电子工艺相兼容并具有直接带隙特性。降低对称性原理还可以推广到非硅基间接带隙半导体体系,如C和AlAs等,用于进行能带改性获得直接带隙。预期这些新材料将大大推动半导体(OEIC)和(PIC)技术的变革。更多还原