摻鉺SiOx及硅酸鉺薄膜的敏化發(fā)光研究.pdf

1、隨微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，集成電路中晶體管集成度的不斷提高，傳統(tǒng)金屬互連導致功耗增加、器件發(fā)熱，傳輸延遲、信號層間串擾等一系列問題已經(jīng)成為制微電子工業(yè)發(fā)展的瓶頸。用光子取代傳統(tǒng)的電子作為信息載體的光互連被認為是一種有效的解決途徑，而發(fā)展與當前集成電路制造工藝相兼容的高效硅基光源則是實現(xiàn)這一途徑的關(guān)鍵。由于鉺離子的紅外發(fā)光正好對應光纖通訊的最小損耗窗口，且基于鉺發(fā)光器件的制備工藝與標準CMOS工藝相兼容，使得摻鉺硅基材料成為硅基光源的理想候

2、選材料，引起了廣泛的研究。
　　本論文利用電子束蒸發(fā)法制備了不同鉺摻雜濃度的富硅氧化硅薄膜(SROEr)，然后通過合適的熱處理條件引入了穩(wěn)定的發(fā)光中心，實現(xiàn)高效敏化鉺離子發(fā)光，同時研究了鉺離子發(fā)光的溫度特性。進而，通過對比不同的熱處理方式，優(yōu)化了高濃度摻鉺條件下薄膜的發(fā)光，并且得到了硅酸鉺析出所需的條件。最后，研究了不同晶體結(jié)構(gòu)硅酸鉺的光學性能以及實現(xiàn)了硅酸鉺的敏化發(fā)光。取得如下主要成果:
　　(1)通過電子束蒸發(fā)法制備了低

3、富硅量且含有大量發(fā)光中心的SROEr薄膜，隨著熱處理溫度從500℃到900℃，發(fā)光中心不斷演變，且均可以觀察到鉺離子的敏化發(fā)光，并在900℃熱處理樣品獲得了最強的鉺離子的發(fā)光。
　　(2)通過比較鉺離子的激發(fā)速率與摻雜濃度，半定量地證實了低溫(＜1100℃)熱處理的摻鉺富硅氧化硅薄膜中，具有原子尺度的發(fā)光中心相對于納米硅對于鉺離子具有更高效的敏化作用。對900℃熱處理樣品進行了變溫PL研究，證實了鉺離子發(fā)光具有良好的溫度穩(wěn)定性，并

4、且發(fā)光中心敏化鉺離子是一個聲子輔助的能量傳遞過程。
　　(3)在1021 cm-3量級的鉺摻雜濃度下，提高快速熱處理溫度可以提高光學活性鉺離子的濃度。快速熱處理相對于常規(guī)熱處理可以在薄膜中保留更多的發(fā)光中心，有助于高濃度摻鉺富硅氧化硅薄膜中鉺離子的發(fā)光。而常規(guī)熱處理2小時則導致?lián)姐s濃度為2.0×1021 cm-3的薄膜中析出晶態(tài)的硅酸鉺(Er2Si2O7)，并且納米硅析出在其中起到誘導作用。
　　(4)通過電子束蒸發(fā)法制備了

5、層狀硅酸鉺Er2Si2O7，在1100℃和1150℃熱處理溫度下分別為y相和α相。通過分析兩種晶相硅酸鉺的光學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)y-Er2Si2O7光學性質(zhì)要優(yōu)于α-Er2Si2O7。
　　(5)相比于不含有Si薄層的硅酸鉺樣品，薄膜制備過程中引入Si薄層顯著增強了硅酸鉺中Er3+的發(fā)光，這表明Si薄層的引入對硅酸鉺的發(fā)光起到了明顯的敏化作用。但薄膜中鉺濃度降低抑制了硅酸鉺結(jié)晶層的形成，且導致了薄膜中形成α-Er2Si2O7，不利于硅酸鉺