增強(qiáng)硅中摻鉺發(fā)光強(qiáng)度的途徑研究
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對(duì)于上述兩種激發(fā)過(guò)程來(lái)說(shuō)，電子空穴復(fù)合更有效，因?yàn)榕鲎布ぐl(fā)的截面為6×10-17cm2，而理想情況下(低溫和低激發(fā)強(qiáng)度)e-h復(fù)合的截面可達(dá)5×10-15cm2。
處于激發(fā)態(tài)的Er離子可以通過(guò)輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合兩種途徑而退激發(fā)。由于的第一激發(fā)態(tài)的輻射復(fù)合壽命相當(dāng)長(zhǎng)(1 ms)，非輻射退激發(fā)過(guò)程嚴(yán)重地削弱了發(fā)光強(qiáng)度。為了得到有效的發(fā)光，必須盡可能地消除或減弱非輻射復(fù)合的途徑。對(duì)Er-Si系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，存在兩類非輻射退激發(fā)過(guò)程：
(1)能量背轉(zhuǎn)移，如圖3(c)所示。Er退激發(fā)(過(guò)程1)所產(chǎn)生的能量背轉(zhuǎn)移給Si(過(guò)程2)，激發(fā)Si價(jià)帶電子躍遷到一個(gè)與Er有關(guān)的能級(jí)(過(guò)程3)；
(2)Auger退激發(fā)，如圖3(d)所示．由過(guò)程1和過(guò)程2所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移給Si中的導(dǎo)帶電子，使其激發(fā)到高能態(tài)(過(guò)程3)。在第一種退激發(fā)過(guò)程中，Er退激發(fā)的能量為0．81 eV，與Er有關(guān)的能級(jí)位于導(dǎo)帶底以下約0．15 eV處，價(jià)帶電子激發(fā)到該能級(jí)的能量處，與0．81 eV尚差0．15 eV，這一能量需要靠聲子來(lái)提供，因此能量背轉(zhuǎn)移過(guò)程是熱激活的，與溫度關(guān)系較大；而第二種退激發(fā)過(guò)程由于是將能量轉(zhuǎn)移給自由載流子，因此與樣品中的載流子濃度相關(guān)。
由于Er在Si中表現(xiàn)出較強(qiáng)的施主行為，Auger退激發(fā)過(guò)程在高摻Er的材料中更為重要，另外在PL中，如果入射光很強(qiáng)，導(dǎo)致樣品中載流子濃度增加很多，Auger退激發(fā)過(guò)程也會(huì)占主導(dǎo)地位。
2 影響摻鉺硅發(fā)光效率存在的問(wèn)題
雖然在20年前人們就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了摻鉺硅的電致發(fā)光，但直到目前仍制約著摻鉺硅的實(shí)用化，主要存在以下問(wèn)題。
首先，鉺在單晶硅中的固溶度很低，Er3+的濃度小。Michel等很早就提出鉺在硅中的固溶度不超過(guò)1×1018cm-3。盡管當(dāng)時(shí)考慮了雜質(zhì)的影響，后來(lái)的研究表明，還是過(guò)高地估計(jì)了鉺在硅中的固溶度。離子注入實(shí)驗(yàn)研究表明，超過(guò)一定濃度后，經(jīng)退火后會(huì)形成無(wú)光學(xué)活性沉淀ErSi2。Serna等通過(guò)MBE生長(zhǎng)的樣品經(jīng)退火研究表明，超過(guò)一定濃度后鉺會(huì)聚集到表面附近。實(shí)際上，鉺在純凈的單晶硅中的平衡固溶度還沒(méi)
有定論，不過(guò)已有證據(jù)表明不會(huì)超過(guò)2×1016cm-3。要滿足實(shí)用要求，Er3+濃度至少要達(dá)到1×1018cm-3，因此Er3+的濃度成為限制摻鉺硅發(fā)光效率的一個(gè)主要因素。其次，摻鉺硅中具有光學(xué)活性的鉺所占比例低。
Michel等認(rèn)為，鉺在硅中主要為+2價(jià)態(tài)，不具有光學(xué)活性，就鉺在硅中價(jià)態(tài)這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)仍有很大爭(zhēng)議。一般認(rèn)為鉺在硅中主要為+3價(jià)態(tài)，只是缺乏有效的激發(fā)通道或存在高效的無(wú)輻射退激發(fā)。此外，鉺在硅中也像其他重金屬元素一樣會(huì)在禁帶中引入深能級(jí)，這在很大程度上減少了起激發(fā)Er3+作用的電子-空穴對(duì)的數(shù)量，從而大大降低了摻鉺硅的發(fā)光效率。摻鉺硅的發(fā)光效率主要受哪種機(jī)制影響目前仍然不清楚，也可能是上述幾種機(jī)制共同起作用。
最后，摻鉺硅發(fā)光存在嚴(yán)重的溫度碎滅。Kik等人證明摻鉺硅體系在溫度150 K下的發(fā)光強(qiáng)度比在12 K時(shí)下降了1 000倍，而室溫下幾乎探測(cè)不到發(fā)光，分析發(fā)現(xiàn)溫度碎滅主要由退激發(fā)過(guò)程中的俄歇過(guò)程和能量背傳遞過(guò)程引起的。因此溫度碎滅現(xiàn)象成為制約實(shí)用化的最主要因素。
3 提高摻硅發(fā)光效率的途徑
根據(jù)摻鉺硅激發(fā)、退激發(fā)和猝滅的原理，提高其發(fā)光效率的途徑有：
(1)提高Er3+離子摻雜濃度。摻鉺硅激發(fā)過(guò)程由載流子輔助時(shí)，其激發(fā)截面可達(dá)3×10-15cm2。而Er3+直接光子吸收激發(fā)截面只有8×10-21cm2。因此，提高Er3+離子摻雜濃度、并有效激活Er3+離子成為研究熱點(diǎn)。目前，通過(guò)離子注入、IBIEC和雜質(zhì)(O，F(xiàn)和C等)共注入可使Er摻雜濃度達(dá)1×1020cm-2量級(jí)。
(2)共摻氧或其他輕元素改善摻鉺硅材料發(fā)光性能。由于摻鉺硅發(fā)光材料存在的上述問(wèn)題，利用該材料很難實(shí)現(xiàn)硅基光源，更無(wú)法應(yīng)用于光電子集成領(lǐng)域，不過(guò)，Michel等通過(guò)將鉺摻人直拉硅Cz-Si(含氧量高)和區(qū)熔硅FZ-Si(含氧量低)中，發(fā)現(xiàn)摻鉺Cz-Si不僅發(fā)光效率提高，而且能更好地抑制溫度碎滅效應(yīng)。后來(lái)眾多的鉺氧共摻實(shí)驗(yàn)均得到了相似的結(jié)果，氧被認(rèn)為能對(duì)餌的發(fā)光起重要作用，共摻氧也被認(rèn)為是一種改善摻餌硅發(fā)光性能的有效手段，研究人員已經(jīng)從各個(gè)方面討論了氧的作用：共摻氧或其他輕元素(C，N，F(xiàn))可以大大提高餌在硅中的固溶度，且已接近3×10-11cm-3；共摻氧可增強(qiáng)餌的光學(xué)活性，且有利于在鉺中心處形成束縛激子；共摻氧可以引入起發(fā)光通道作用的施主能級(jí)。
(3)拓寬Si帶隙。Si帶隙拓寬后，反向熱激活的能量傳遞過(guò)程需更大的△E，降低了反向能量傳遞的幾率，即提高了發(fā)光效率。拓寬Si帶隙的方法有多種。如將Er摻入氫化非晶硅以及多孔硅等中。但這種非晶材料有兩個(gè)缺陷：其一是這些非晶材料喪失了晶體Si優(yōu)異的輸運(yùn)特性，至今未得到強(qiáng)的室溫EL；其二是H鈍化的材料不能用于超過(guò)350～400℃溫度的場(chǎng)合，明顯與標(biāo)準(zhǔn)的Si工藝不相適應(yīng)。因此，最近又提出將Er摻入納米晶Si中，則既可保留Si的優(yōu)良傳輸特性，又可與Si工藝匹配。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3×1020Er／cm3摻入納米Si的PL比摻入SiO2的增強(qiáng)了2個(gè)數(shù)量級(jí)。
4 前景展望
綜上所述，人們對(duì)摻鉺硅基材料的發(fā)光已經(jīng)做了廣泛的研究，并取得了較大的進(jìn)展。目前人們已經(jīng)得到了摻鉺硅基光纖放大器，而且成功制作出強(qiáng)烈室溫發(fā)光的異質(zhì)結(jié)雙極性三極管。Michel等早在1996年就已經(jīng)論證了利用摻鉺硅基發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)硅基光電子集成的可行性，隨著對(duì)摻鉺硅基發(fā)光材料的深入研究，硅基光電子集成的實(shí)現(xiàn)不再遙遠(yuǎn)。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/155896.htm
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