增強硅中摻鉺發光強度的途徑研究

摘要：硅在微電子學領域有著極其廣泛的應用，但它是一種間接能隙半導體，發光器件領域是它的缺項。利用在硅中摻入鉺發光中心，研制出一種新的發光二極管(Si：Er LED)，它的發光波長為1．54 μm，恰好滿足石英光纖通信的要求。對摻鉺硅的電學特性、材料性能、發光機理等進行了總結，發現制約摻鉺硅實用化的一些問題，在此基礎上得出提高其發光效率的途徑，并介紹了摻鉺硅器件的行為和未來展望。
關鍵詞：摻鉺硅；發光二極管；發光效率；石英光纖通信

在微電子應用中起主導作用的Si，在光子學領域的表現卻不盡人意。這是由于Si屬間接帶隙結構，使其不能有效發光，因而被認為是不適合在光電子領域中應用的。人們想了很多辦法以克服它的這個缺陷。其中Si中稀土摻雜的方法為人們所關注。稀土Er3+離子第一激發態到基態的躍遷發出的光波長為1．54／μm，正好對應于標準石英光纖的最小吸收窗口。因此摻鉺硅在光通信的應用方面具有極大的潛力。摻鉺硅在77 K溫度下的PL和EL首先在1983～1985年被Ennen等得到，從而引發了大規模的研究，旨在開發摻鉺硅系統的結構、電學和光學性能，并將其擴展到室溫工作。然而，直到1993年的研究表明，制作室溫下高效發光的摻鉺硅器件是不現實的。主要有以下幾個原因：
(1)Er在Si中的固溶度低(1 300℃時約1×1016cm-3)，阻止了高濃度Er的摻入；
(2)強的非輻射衰減機制，使摻鉺硅發光強度從77 K至室溫時衰減了3個數量級，室溫下的發光幾乎測不到；
(3)Er在Si中的輻射壽命為1 ms量級，因而不可能直接調制輸出頻率高于1 kHz的光。
1993年后，由于高濃度摻鉺硅的突破，獲得了較詳實的理論和實驗結果，因而摻鉺硅再一次引起了全世界的關注。雖然摻鉺硅中尚未獲得百分級效率的LEDs與激光，但室溫下己實現較強的EL，并己將它們集成為Si基光電子和微電子器件的光源。本文總結了摻鉺硅的材料性能、發光機理、以及摻餌硅LED器件的行為和未來展望。

1 摻鉺硅的發光機理
1．1 Si中Er的4f電子結構
Er原子的價電子組態為4f126s2。對于Si中的Er，理論計算表明，其+3價態比+2價態更穩定，即一個4f電子被提升到5d軌道上，形成4f116s25d1組態。由Hund定則決定4f11的基態光譜項是4I。自旋一軌道相互作用將4I項分裂成4個多重態(J=15／2，13／2，11／2，9／2)。從第一激發態4I13／2到基態4I15／2的能量間距為0．81 eV左右，但是它們之間的電偶極躍遷是禁戒的(電四極矩和磁偶極矩躍遷幾率更小)，當Er摻入基質時，周圍晶體場的作用將自旋-軌道多重態分裂成-系列Stark能級，這時選擇定則可能被破壞，發生輻射躍遷，產生一系列豐富的譜線，譜線的個數和強度同發光中心所處的晶體場密切相關。當晶體場具有Td對稱性時，基態4I15／2分裂成兩個雙重態Γ6，Γ7和3個四重態Γ8；第一激發態4I13／2分裂成一個Γ6，兩個Γ7和兩個Γ8。當晶體場不具有立方對稱性時，基態4I15／2和第一激發態4I13／2的Γ8分裂成兩個Kramer雙重態。上述過程如圖1所示。

圖1中(a)為電子一電子相互作用，基態項4I；(b)為自旋-軌道相互作用，產生J=15／2，13／2，11／2，9／2多重態；(c)中Td為晶體場中的Stark能級，對4I15／2的分裂，從上到下分別為Γ8，Γ7，Γ8，Γ8和Γ6；(d)為非立方對稱性晶體場中的分裂。