增強硅中摻鉺發光強度的途徑研究
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對于上述兩種激發過程來說，電子空穴復合更有效，因為碰撞激發的截面為6×10-17cm2，而理想情況下(低溫和低激發強度)e-h復合的截面可達5×10-15cm2。
處于激發態的Er離子可以通過輻射復合和非輻射復合兩種途徑而退激發。由于的第一激發態的輻射復合壽命相當長(1 ms)，非輻射退激發過程嚴重地削弱了發光強度。為了得到有效的發光，必須盡可能地消除或減弱非輻射復合的途徑。對Er-Si系統來說，存在兩類非輻射退激發過程：
(1)能量背轉移，如圖3(c)所示。Er退激發(過程1)所產生的能量背轉移給Si(過程2)，激發Si價帶電子躍遷到一個與Er有關的能級(過程3)；
(2)Auger退激發，如圖3(d)所示．由過程1和過程2所產生的能量轉移給Si中的導帶電子，使其激發到高能態(過程3)。在第一種退激發過程中，Er退激發的能量為0．81 eV，與Er有關的能級位于導帶底以下約0．15 eV處，價帶電子激發到該能級的能量處，與0．81 eV尚差0．15 eV，這一能量需要靠聲子來提供，因此能量背轉移過程是熱激活的，與溫度關系較大；而第二種退激發過程由于是將能量轉移給自由載流子，因此與樣品中的載流子濃度相關。
由于Er在Si中表現出較強的施主行為，Auger退激發過程在高摻Er的材料中更為重要，另外在PL中，如果入射光很強，導致樣品中載流子濃度增加很多，Auger退激發過程也會占主導地位。
2 影響摻鉺硅發光效率存在的問題
雖然在20年前人們就已經實現了摻鉺硅的電致發光，但直到目前仍制約著摻鉺硅的實用化，主要存在以下問題。
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1×1018cm-3。盡管當時考慮了雜質的影響，后來的研究表明，還是過高地估計了鉺在硅中的固溶度。離子注入實驗研究表明，超過一定濃度后，經退火后會形成無光學活性沉淀ErSi2。Serna等通過MBE生長的樣品經退火研究表明，超過一定濃度后鉺會聚集到表面附近。實際上，鉺在純凈的單晶硅中的平衡固溶度還沒
有定論，不過已有證據表明不會超過2×1016cm-3。要滿足實用要求，Er3+濃度至少要達到1×1018cm-3，因此Er3+的濃度成為限制摻鉺硅發光效率的一個主要因素。其次，摻鉺硅中具有光學活性的鉺所占比例低。
Michel等認為，鉺在硅中主要為+2價態，不具有光學活性，就鉺在硅中價態這一點來說仍有很大爭議。一般認為鉺在硅中主要為+3價態，只是缺乏有效的激發通道或存在高效的無輻射退激發。此外，鉺在硅中也像其他重金屬元素一樣會在禁帶中引入深能級，這在很大程度上減少了起激發Er3+作用的電子-空穴對的數量，從而大大降低了摻鉺硅的發光效率。摻鉺硅的發光效率主要受哪種機制影響目前仍然不清楚，也可能是上述幾種機制共同起作用。
最后，摻鉺硅發光存在嚴重的溫度碎滅。Kik等人證明摻鉺硅體系在溫度150 K下的發光強度比在12 K時下降了1 000倍，而室溫下幾乎探測不到發光，分析發現溫度碎滅主要由退激發過程中的俄歇過程和能量背傳遞過程引起的。因此溫度碎滅現象成為制約實用化的最主要因素。
3 提高摻硅發光效率的途徑
根據摻鉺硅激發、退激發和猝滅的原理，提高其發光效率的途徑有：
(1)提高Er3+離子摻雜濃度。摻鉺硅激發過程由載流子輔助時，其激發截面可達3×10-15cm2。而Er3+直接光子吸收激發截面只有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。目前，通過離子注入、IBIEC和雜質(O，F和C等)共注入可使Er摻雜濃度達1×1020cm-2量級。
(2)共摻氧或其他輕元素改善摻鉺硅材料發光性能。由于摻鉺硅發光材料存在的上述問題，利用該材料很難實現硅基光源，更無法應用于光電子集成領域，不過，Michel等通過將鉺摻人直拉硅Cz-Si(含氧量高)和區熔硅FZ-Si(含氧量低)中，發現摻鉺Cz-Si不僅發光效率提高，而且能更好地抑制溫度碎滅效應。后來眾多的鉺氧共摻實驗均得到了相似的結果，氧被認為能對餌的發光起重要作用，共摻氧也被認為是一種改善摻餌硅發光性能的有效手段，研究人員已經從各個方面討論了氧的作用：共摻氧或其他輕元素(C，N，F)可以大大提高餌在硅中的固溶度，且已接近3×10-11cm-3；共摻氧可增強餌的光學活性，且有利于在鉺中心處形成束縛激子；共摻氧可以引入起發光通道作用的施主能級。
(3)拓寬Si帶隙。Si帶隙拓寬后，反向熱激活的能量傳遞過程需更大的△E，降低了反向能量傳遞的幾率，即提高了發光效率。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缺陷：其一是這些非晶材料喪失了晶體Si優異的輸運特性，至今未得到強的室溫EL；其二是H鈍化的材料不能用于超過350～400℃溫度的場合，明顯與標準的Si工藝不相適應。因此，最近又提出將Er摻入納米晶Si中，則既可保留Si的優良傳輸特性，又可與Si工藝匹配。有實驗結果表明，3×1020Er／cm3摻入納米Si的PL比摻入SiO2的增強了2個數量級。
4 前景展望
綜上所述，人們對摻鉺硅基材料的發光已經做了廣泛的研究，并取得了較大的進展。目前人們已經得到了摻鉺硅基光纖放大器，而且成功制作出強烈室溫發光的異質結雙極性三極管。Michel等早在1996年就已經論證了利用摻鉺硅基發光材料實現硅基光電子集成的可行性，隨著對摻鉺硅基發光材料的深入研究，硅基光電子集成的實現不再遙遠。本文引用地址：http://www.104case.com/article/155896.htm
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