中國航空報訊：近日，俄羅斯羅巴切夫斯基大學利用矽離子輻照矽樣品的表面層，然後再對其進行退火處理，在矽表面層中獲得高濃度的位錯；最終， 引入位錯的矽在外部激發下發射波長接近1.5微米的光。為了解決位錯相關光致發光矽器件的發光熱穩定性差的問題，研究人員再進行摻雜硼離子，最終發光熱穩定性得到了較大改善。該項研究為研製高性能的矽基光發射器提供了參考。
矽是電子工程學中最重要的材料之一。矽基光電子在現代信息和計算技術中扮演著關鍵角色，其應用領域包括：計算機、通信、航天、生物醫學和機器人等。俄羅斯羅巴切夫斯基大學物理與技術研究所實驗室主任阿列克謝·米哈伊洛夫（Alexey Mikhaylov）表示，傳統集成電路運行速度提升的主要障礙是電信號在金屬互連線路中的傳播速度受到限制。因此，為了克服這一限制，需要用光波導代替金屬互連線，使傳統電子學向光電子學過渡，而在光電子學中，有源元件是光發射器和接收器，而不是電晶體。
矽基器件作為光接收器表現出了優異的性能，但與三五族半導體器件（注）不同，由於矽具有間接帶隙，因此這類器件作為光發射器時的性能受限。嚴格意義上講，根據量子力學原理，矽基光發射器電子結構的這一特徵阻礙了外部激發下的光發射（發光）。羅巴切夫斯基大學首席研究員戴維·泰特爾鮑姆（David Tetelbaum）教授指出，在光電子學發展的新階段丟棄矽是非常不可取的，因為丟棄矽就相當於拋棄了一種用於大規模生產集成電路最完美的技術方案。如果利用三五族材料來製作半導體器件，這將大幅增加製造成本，而且會帶來環境汙染問題。
為了解決矽基光發射器的光發射受限問題， 科學家們正在嘗試通過使用納米晶體矽或在矽襯底上鍍其他發光材料膜的方法。然而，納米晶體矽的光發射率（發光效率）仍然不足以滿足實際應用；此外，納米晶體矽在可見輻射的「紅光」邊緣區域發光，而在許多技術應用中，特別是在光纖通信技術中，需要更長的波長（約1.5微米）的光。在矽襯底上鍍「外來」發光材料層與傳統矽技術的兼容性也很差。解決上述問題的有效方法是在矽中引入一種特殊的線性缺陷，即位錯。
研究人員通過實驗研究表明，通過利用能量為100千電子伏特量級的矽離子輻照矽表面層，然後在高溫下再對其進行退火，可以在矽表面層中獲得高濃度的位錯；最終，引入位錯的矽在外部激發下發射波長接近1.5微米的光。
阿列克謝·米哈伊洛夫表示，發光強度似乎取決於離子注入和退火條件。然而，位錯相關光致發光所面臨的主要問題是：在低溫下（特別是在25開爾文以下），發光強度與溫度呈正比； 但在較高溫度下，隨著溫度的升高發光強度迅速衰減。因此，探究一種提升位錯相關發光熱穩定性的方法是非常重要的。
為了解決上述問題，羅巴切夫斯基大學與俄羅斯科學院固態物理研究所和Alekseev州立技術大學聯合進行了研究，並在俄羅斯基礎研究基金會的支持下取得了重大進展。
先前的研究已得出結論：在矽樣品中實現位錯相關光致發光的一種方法是將矽離子注入到矽中（自注入），然後進行退火。當發現額外的硼離子摻雜後可以增強發光強度時，羅巴切夫斯基大學的研究團隊認為實現光致發光並不是注入技術的唯一好處。然而，僅增強發光強度這一特性仍然不能解決主要問題。而且，仍然不清楚硼離子摻雜如何影響發光熱穩定性（這是一個關鍵參數），以及在什麼條件下這種影響將最為明顯。
在這項研究中，科學家已通過實驗證實了矽摻雜硼離子後發光熱穩定性有所提高。而且， 該影響非單調地取決於硼摻雜濃度，在一定摻雜濃度範圍內，在發光強度與溫度的關係曲線上，在20開爾文區域的溫度範圍內出現了通常的低溫發光強度最大值，而在90開爾文至100開爾文溫度範圍內則出現了第二個明顯的發光強度最大值。泰特爾鮑姆教授表示：重要的是， 硼的「有益」作用是獨特的，因為用另一種離子代替硼離子則不會產生上述效果。利用矽離子輻照形成位錯相關光致發光的矽樣品，再進行硼離子摻雜和熱處理優化後，我們發現：使用先前實驗的最高劑量的硼離子，並在830℃進行額外熱處理，可以在室溫下實現矽器件可測量的發光水平。在未來的實驗中，我們將進一步優化離子注入和熱處理條件，將為光電子學中的矽應用提供廣闊的前景。
註：除了四價的矽之外，從化學元素周期表也可以看到， 還有三五族半導體元素（三族的元素包含：硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）、鉈（Tl），五族的元素包含：氮（N）、磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi））。
這些三五族元素也具有許多特點，具有快速的電子傳輸速度，可被運用在半導體電晶體的製造過程中，提升電晶體的效能。此外， 三五族材料因為具有良好的電光/光電轉換效率，因此被大量運用在LED行業，比較常用的一種就是砷化鎵。