增强硅中掺铒发光强度的途径研究

2021-12-02 00:40分类：电子元器件阅读：

　　在微电子技术运用中起主导地位的Si，在光量子学行业的体现却不尽如人意。这也是因为Si属间接性带隙构造，使其无法合理发亮，因此被觉得是不宜在光电材料行业中运用的。大家想想许多方法以摆脱它的这些缺点。在其中Si中希土夹杂的办法为我们所关心。希土Er3 正离子第一高自旋到激发态的越迁传出的光的波长为1.54/μm，恰好相对应于规范石英石光纤线的最少消化吸收对话框。因而掺铒硅在光纤通信的使用领域有着很大的发展潜力。掺铒硅在77 K溫度下的PL和EL最先在1983～1985年被Ennen等获得，进而引起了大范围的科学研究，致力于开发设计掺铒硅系统软件的构造、电力学和电子光学特性，并将其扩大到室内温度工作中。殊不知，直至1993年的研究表明，制做室内温度下高效率发亮的掺铒硅元器件不是实际的。关键有下面一些缘故：

　　(1)Er在Si中的固质量摩尔浓度低(1 300℃时约1&TImes;1016cm-3)，阻拦了浓度较高的Er的掺加;

　　(2)强的非辐射源衰减系数体制，使掺铒硅亮度单位从77 K至常温时衰减系数了3个量级，室内温度下的发亮基本上测不上;

　　(3)Er在Si中的辐射源使用寿命为1 ms数量级，因此不太可能立即调配輸出頻率高过1 kHz的光。

　　1993年后，因为浓度较高的掺铒硅的提升，得到了较详尽的基础理论和试验結果，因此掺铒硅再一次造成了全球的关心。尽管掺铒硅中并未得到百分之级高效率的LEDs与激光器，但室内温度下己完成极强的EL，并己将他们集变成Si基光电材料和数字集成电路的灯源。文中归纳了掺铒硅的材质特性、发亮原理、及其掺饵硅LED元器件的情形和未来发展趋势。

　　1 掺铒硅的发亮原理

　　1.1 Si中Er的4f电子结构

　　Er分子的价电子组态为4f126s2。针对Si中的Er，基础理论测算说明，其 3价态比 2价态更平稳，即一个4f电子器件被提高到5d轨道上，产生4f116s25d1组态软件。由Hund定则决策4f11的激发态光谱仪项是4I。磁矩一路轨相互影响将4I项瓦解成4个多重态(J=15/2，13/2，11/2，9/2)。从第一高自旋4I13/2到激发态4I15/2的动能间隔为0.81 eV上下，可是他们相互之间的热电偶极越迁是禁戒的(电四极矩和磁偶极矩越迁概率更小)，当Er掺加栽培基质时，周边结晶场的功能将磁矩-路轨多重态瓦解成-系列产品Stark电子能级，这时候选择定则很有可能被毁坏，产生辐射跃迁，造成一系列丰富多彩的谱线，谱线的数目和抗压强度同发亮核心所在的结晶场息息相关。当结晶场具备Td对称时，激发态4I15/2分碎成2个双向态Γ6，Γ7和3个四重态Γ8;第一高自旋4I13/2分碎成一个Γ6，2个Γ7和2个Γ8。当结晶场不具备立方米对称时，激发态4I15/2和第一高自旋4I13/2的Γ8瓦解成2个Kramer双向态。以上流程如图所示1所显示。