本发明涉及针对紫外和可见光谱范围的基于一个或多个IV族材料的发光结构和系统。公开了材料结构、系统和设备。材料结构是能够在通过偏压、通过光束或通过电子束的激发之下发射UV/可见光的活性材料。输入单元是电压/电流的源或光的源或电子束的源。有源单元是包含所述材料的一层或多层的材料结构。系统可包括无源单元，例如环形谐振器、波导、耦合器、光栅或其它。附加的单元例如控制单元、读出单元或其它也可被并入。本发明的区别特征是，来自所述结构的UV或可见发射在不存在下列准粒子中的至少一个的情况下不能发生：表面等离子体激元、表面等离子体激元极化声子、块等离子体激元和/或块等离子体激元极化声子。这些准粒子帮助UV和可见光发射。
1.一种材料结构，其包括一个或多个单晶或退火多晶层，所述材料结构配置为发射紫外或可见光，所述一个或多个单晶或退火多晶层的每个包括：锗（Ge）层附着在硅（Si）层上，在它们之间形成对接；
一氧化硅（SiO）层附着在硅（Si）层上，在它们之间形成对接；
二氧化硅（SiO2）层附着在硅（Si）层上，在它们之间形成对接；
锗/硅氧化物0.5（Ge/SiO0.5），在它们之间形成对接；
硅/硅氧化物0.5（Si/SiO0.5），在它们之间形成对接；
锗（Ge）层附着在一氧化硅（SiO）层上，在它们之间形成对接；
硅（Si）层附着在一氧化硅（SiO）层上，在它们之间形成对接；
锗（Ge）层附着二氧化硅（SiO2）层上，在它们之间形成对接；
硅（Si）层附着在二氧化硅（SiO2）层上，在它们之间形成对接；
氧化锗（GeO）附着在锗（Ge）层上，在它们之间形成对接；或者二氧化锗（GeO2）附着在锗（Ge）层上，在它们之间形成对接；
与Si或Ge对接的氧化物SiOx的任何相，其中0≤x≤1；或与Si或Ge对接的氧化物GeOx的任何相，其中0≤x≤1；以及其中，发射紫外或可见光借助于以下准粒子中的一个或多个出现，表面等离子体激元、表面等离子体激元极化声子、块等离子体激元和/或块等离子体激元极化声子。
2.根据权利要求1所述的材料结构，还包括直接连接到所述一个或多个单晶或退火多晶层的阻挡层；以及直接附着在所述阻挡层上的金属层；
3.根据权利要求1所述的材料结构，其中，所述材料结构由一系统激发，所述系统包括：源单元，将电压或电流施加到所述材料结构；
检测器单元，配置为检测紫外或可见光；以及无源单元，被配置为捕获紫外或可见光;其中发射的紫外或可见光的波长取决于一个或多个单晶或退火的多晶层，相应的对接和相应的掺杂浓度。
4.根据权利要求1所述的材料结构，其中，所述材料结构由一系统激发，所述系统包括：光源单元，其将激发光施加到所述材料结构；
其中所述光源单元包括发光二极管（LED）、激光二极管或宽带光源。
5.根据权利要求1所述的材料结构，其中，所述材料结构由一系统激发，所述系统包括：源单元，施加电子束以激发所述材料结构；
检测器单元，配置为检测紫外或可见光；以及无源单元，配置为捕获所述紫外或可见光并利用它。
6.根据权利要求1所述的材料结构，其中，所述材料结构由电压输入，光输入或电子束激发；以及其中由谐振器或腔放大激发之后从所述材料结构发射的光。
7.根据权利要求6所述的材料结构，其中所述材料结构和提供所述电压输入，光输入或电子束的单元放置在真空环境中。
在真空环境中的单晶硅（Si）层；以及多个准粒子包括表面等离子体激元、表面等离子体激元极化声子、块等离子体激元或块等离子体激元极化声子；
其中，所述材料结构由电压输入，光输入或电子束激发。
针对紫外和可见光谱范围的基于一个或多个IV族材料的发光
结构和系统
技术领域
[0001] 本公开通常涉及由高度结晶的材料进行的光发射、以允许这样的光发射的特定方式制造和设计的结构和设备。发生在紫外UV和可见光谱范围内的光发射被链接到在材料中的块和表面等离子体激元极化声子及其界面、联系到在价带和导带中的电子和空穴的带内和带间过渡、联系到在表面等离子体激元极化声子和在带内和带间过渡中生成的粒子之间的耦合。光发射进一步联系到在Si和Ge与它们的氧化物的界面上的氧相关状态。然而，光发射在不存在至少一个下面的准粒子的情况下不可能发生：表面等离子体激元、表面等离子体激元极化声子、块等离子体激元和/或块等离子体激元极化声子。
背景技术
[0002] 光发射器是能够在电压或另一波长的光或电子束被施加到它们时发射光的材料、结构或设备。一种类型的光发射器是可见光的发射器，例如宽带灯源（从发射的光谱宽度方面来说）。另一类型的光发射器发射窄光谱光，例如发光二极管（LED）、有机LED（OLED）。另一类型的光源是激光器，其为相干、窄光谱光的发射器。又另一类型的发射器可发射在紫外或红外光谱范围内的光。
[0003] 光发射器具有宽范围的应用——用于照明、在TV屏幕、汽车、数据传输、计算机、雷达、装饰、军事、娱乐行业、夜视、传感器技术、交通控制中、在制造过程中的制造或控制中。
[0004] 所有到此刻为止存在的光发射器特征在于下列特征中的至少一个——高功率消耗、相对高的价格、特殊的制造技术的要求、相对昂贵的用于制造的材料的使用或与基于硅（Si）的技术的非兼容性。
[0005] 然而，基于IV族材料——硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）、碳（C，例如碳化硅SiC）、铒（Er）或它们的组合——的光源将为基于Si的工业和相关工业带来巨大的优点。
[0006] 本发明是基于Si或Ge或它们的组合或这些材料与它们的氧化物的组合或它们与锑（Sb）或任何掺杂的组合的高效光发射器。
附图说明
[0007] 下文是附图的简要描述，其中定义“材料结构”和“结构”是相等的。所有材料应被理解为是高度结晶的或单晶的。
[0008] 图1是示出仅仅由块单晶Si组成的材料结构的图。
[0009] 图2A是示出双层结构Ge/Si的图。
[0010] 图2B是示出双层结构SiO/Si的图。
[0011] 图2C是示出双层结构SiO2/Si的图。
[0012] 图3A是示出双层结构Ge/SiO0.5的图。
[0013] 图3B是示出双层结构Si/SiO0.5的图。
[0014] 图4A是示出双层结构Ge/SiO的图。
[0015] 图4B是示出双层结构Si/SiO的图。
[0016] 图5A是示出双层结构Ge/SiO2的图。
[0017] 图5B是示出双层结构Si/SiO2的图。
[0018] 图6A是示出双层结构GeO/Ge的图。
[0019] 图6B是示出双层结构GeO2/Ge的图。
[0020] 图7是由上面提到的材料的任何组合组成的多层结构的图。
[0021] 图8A是基于上面提到的材料中的一个或多个的设备的图。该图示出能够在通过电气装置（即偏压被施加）对结构的激发时进行在UV、紫色或可见光谱范围内的光发射的设备。
[0022] 图8B是基于上面提到的材料中的一个或多个的设备的图。该图示出能够在通过光学装置（即通过光被施加）对结构的激发时进行在UV、紫色或可见光谱范围内的光发射的设备。
[0023] 图8C是基于上面提到的材料中的一个或多个的设备的图。该图示出能够在通过施加电子束对结构的激发时进行在UV、紫色或可见光谱范围内的光发射的设备。
[0024] 光激发或通过偏压的激发可以以与在图8A或图8B中类似的方式施加到多层结构（图7）。
[0025] 图9是示出设备的图，其中上面提到的结构之一被放置在谐振器或腔中用于光放大。
具体实施方式
[0026] 现在将参考所附附图描述本发明，其中相似的参考数字始终用于指代相似的元件，以及其中所示结构和设备并不一定按比例绘制。
[0027] 在本发明中的光发射器基于单层或双层或多层材料结构。在可适用的场合，材料是单晶的。当被电气地、光学地或由电子束激发时，结构发射UV或可见光。可改变或调整形成（一个或多个）结构的材料的大小、形状和成分以形成不同的设备、性质或特征。
[0028] 图1是示出来自块单晶Si的结构的图。Si可以是本征的或掺杂的。结构能够在电或光激发之下或在由电子束激发之下进行UV/可见光发射。
[0029] 在图2A、图2B、图2C、图3A、图3B、图4A、图4B、图5A、图5B、图6A和图6B中所示的双层结构能够在电气激发（电致发光）或光激发（光致发光）之下或在由电子束激发（阴极射线致发光）之下进行UV和/或可见光发射。结构由如在附图中描绘的单晶Si（未掺杂或掺杂）、单晶Ge（未掺杂或掺杂）及其氧化物组合地组成。
[0030] 图7是示出由下列材料—— Si、Ge、SiO、SiO2、SiO0.5、SiOx的任何组合组成的多层结构，其中0≤x≤1。多层结构中的任何层可以是本征的或掺杂的。
[0031] 掺杂可以是p型或n型的，例如B（硼）、Sb（锑）、P（磷）或其它。掺杂对光发射是重要的，甚至在由光束或由电子束激发（一个或多个）结构的情况下。掺杂改变材料的介电常数，其进而改变等离子体激元和等离子体激元极化声子的光谱位置。
[0032] 图8A是示出单层或双层或多层结构的电气激发的图。电气激发借助于偏压的施加来完成。电极层沉积在结构的两侧上。偏压被施加到电极。阻挡层可沉积在电极层和发光层之间。在一个例子中，在电气激发之下的结构由以严格的次序排序的下面的层组成：Cs（铯）或Au（金）电极层/发射材料/ LaGdO3阻挡层/ LaB6电极层。在另一例子中，在电气激发之下的结构由以严格的次序排序的下面的层组成：Cs（铯）或Au（金）电极层/发射材料/ LaBaO3阻挡层/ LaB6电极层。金属Cs和Au由于在电气激发中必要的它们的低功函数而被选择。在另一例子中，其它材料可用作电极层和阻挡层。与常规p-n、p-i-n或到此刻为止已知的其它结不同，在图8A中的所呈现的结构也通过未掺杂材料且仅当表面或/和块等离子体激元或等离子体激元极化声子在（一个或多个）材料中存在（生成）时生成光。
[0033] 表面等离子体激元、表面等离子体激元极化声子、块等离子体激元和/或块等离子体激元极化声子的生成与激发偏压/束同时出现。
[0034] 图8B是示出由光学装置对结构的激发的草图。在一个例子中，与来自该结构的发射的波长比较，激发源是较小波长的光源（λ激发<λ发射）。在另一例子中，激发源是宽带光源。
[0035] 图8C是示出由电子束对结构的激发的草图。该结构能够在由电子束对材料（结构）的轰击之下进行UV和可见光的光发射。电极层/结构可沉积在对于这种类型的激发所需的结构的后表面或/和前表面上。在另一例子中，材料结构被放置在起电极作用的金属支撑物上。在又另一例子中，可远离材料结构放置电极。电极的目的是使（从阴极电极发射的）电子束朝着材料结构加速。
[0036] 图9示出设备，其中被称为“材料系统”的发射结构被放置在谐振器或腔中。谐振器/腔的目的是放大从结构发射的光。设备还包括一个或多个附加的单元，例如控制单元、电源单元和读出单元。附加的单元可以是激发源。
[0037] 在图8C和图9中的材料系统可被放置在真空环境中。
