增强硅中掺铒发光强度的途径研究

　　在微电子应用中起主导作用的Si，在光子学领域的表现却不尽人意。这是由于Si属间接带隙结构，使其不能有效发光，因而被认为是不适合在光电子领域中应用的。人们想了很多办法以克服它的这个缺陷。其中Si中稀土掺杂的方法为人们所关注。稀土Er3+离子第一激发态到基态的跃迁发出的光波长为1.54/μm，正好对应于标准石英光纤的最小吸收窗口。因此掺铒硅在光通信的应用方面具有极大的潜力。掺铒硅在77 K温度下的PL和EL首先在1983～1985年被Ennen等得到，从而引发了大规模的研究，旨在开发掺铒硅系统的结构、电学和光学性能，并将其扩展到室温工作。然而，直到1993年的研究表明，制作室温下高效发光的掺铒硅器件是不现实的。主要有以下几个原因：

　　(1)Er在Si中的固溶度低(1 300℃时约1×1016cm-3)，阻止了高浓度Er的掺入;

　　(2)强的非辐射衰减机制，使掺铒硅发光强度从77 K至室温时衰减了3个数量级，室温下的发光几乎测不到;

　　(3)Er在Si中的辐射寿命为1 ms量级，因而不可能直接调制输出频率高于1 kHz的光。

　　1993年后，由于高浓度掺铒硅的突破，获得了较详实的理论和实验结果，因而掺铒硅再一次引起了全世界的关注。虽然掺铒硅中尚未获得百分级效率的LEDs与激光，但室温下己实现较强的EL，并己将它们集成为Si基光电子和微电子器件的光源。本文总结了掺铒硅的材料性能、发光机理、以及掺饵硅LED器件的行为和未来展望。

　　1 掺铒硅的发光机理

　　1.1 Si中Er的4f电子结构

　　Er原子的价电子组态为4f126s2。对于Si中的Er，理论计算表明，其+3价态比+2价态更稳定，即一个4f电子被提升到5d轨道上，形成4f116s25d1组态。由Hund定则决定4f11的基态光谱项是4I。自旋一轨道相互作用将4I项分裂成4个多重态(J=15/2，13/2，11/2，9/2)。从第一激发态4I13/2到基态4I15/2的能量间距为0.81 eV左右，但是它们之间的电偶极跃迁是禁戒的(电四极矩和磁偶极矩跃迁几率更小)，当Er掺入基质时，周围晶体场的作用将自旋-轨道多重态分裂成-系列Stark能级，这时选择定则可能被破坏，发生辐射跃迁，产生一系列丰富的谱线，谱线的个数和强度同发光中心所处的晶体场密切相关。当晶体场具有Td对称性时，基态4I15/2分裂成两个双重态Γ6，Γ7和3个四重态Γ8;第一激发态4I13/2分裂成一个Γ6，两个Γ7和两个Γ8。当晶体场不具有立方对称性时，基态4I15/2和第一激发态4I13/2的Γ8分裂成两个Kramer双重态。上述过程如图1所示。

　　图1中(a)为电子一电子相互作用，基态项4I;(b)为自旋-轨道相互作用，产生J=15/2，13/2，11/2，9/2多重态;(c)中Td为晶体场中的Stark能级，对4I15/2的分裂，从上到下分别为Γ8，Γ7，Γ8，Γ8和Γ6;(d)为非立方对称性晶体场中的分裂。