Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Особенности люминеценции ионов эрбия (Ег3) в твердотельных матрицах (обзор литературы) 12
1.1 Энергетический спектр и люминесцентные свойства ионов Ег3 в твердотельных диэлектрических матрицах 12
1.2 Характеристики фото- и электролюминесценции ионов Ег3+ в полупроводниках: энергетический спектр, среднее время жизни, механизм возбуждения 18
1.2.1 Кристаллический кремний и другие полупроводниковые кристаллы, легированные эрбием 18
1.2.2 Тонкие слои и волноводные структуры на основе твёрдых растворов Sii.xGex:Er 24
1.2.3 Аморфный кремний, легированный эрбием 27
1.2.4 Кремниевые нанокристаллы в диоксиде кремния, легированном эрбием 29
1.3 Структура оптически активных эрбиевых центров в кремнии и диоксиде кремния 38
1.4 Особенности оптических свойств легированных эрбием кремниевых структур при высоких уровнях возбуждения 44
1.5 Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования 48
ГЛАВА II. Образцы и методы исследования 50
2.1 Слои твердых растворов Sii.xGex:Er 50
2.2 Структуры кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния, легированной эрбием (nc-Si/SK)2:Er) 52
2.3 Методика измерения спектров и кинетик фотолюминесценции (ФЛ) 55
2.4 Схема эксперимента по исследованию оптического усиления 57
ГЛАВА III. Фотолюминесценция ионов эрбия в слоях твердых растворов кремний-германия 59
3.1 Зависимость характеристик ФЛ от состава и условий формирования образцов 59
3.2 Температурная зависимость ФЛ 63
3.3 Зависимость характеристик ФЛ образцов Si/Sii.xGex:Er/Si от интенсивности оптического возбуждения 66
3.4 Динамика населённости состояний ионов Ег3* в Sii.xGex:Er структурах 68
ГЛАВА IV. Изучение фотолюминесценцентных свойств структур nc-Si/Si02:Er 72
4.1 Характеристики ФЛ нелегированных структур nc-Si/Si02 72
4.1.1 Спектры и кинетики ФЛ при Т=300 К 72
4.1.2 Температурная зависимость ФЛ 74
4.2 Фотолюминесцентные свойства структур nc-Si/Si02:Er 77
4.2.1 Зависимость характеристик ФЛ ионов от размеров нанокристаллов 11
4.2.2 Расчет энергии штарковского расщепления уровней ионов имплантированных в nc-Si/Si02 83
4.2.3 Температурная зависимость ФЛ 89
4.2.4 Зависимость интенсивности ФЛ образцов nc-Si/Si02:Er от концентрации эрбия 91
4.3 Теоретический и экспериментальный анализ люминесцентных характеристик структур nc-Si/Si02:Er при интенсивном оптическом возбуждении 92
4.3.1 Зависимость характеристик ФЛ ионов Е^ от интенсивности накачки 92
4.3.2 Феноменологическая модель возбуждения/девозбуждения экситонов и ионов Ег в структурах с кремниевыми нанокристаллами 95
4.3.3 Определение относительной концентрации возбужденных ионов Е^ и оптического усиления в структурах nc-Si/Si02:Er 101
Заключение и основные выводы 110
Литература 113
- Кристаллический кремний и другие полупроводниковые кристаллы, легированные эрбием
- Структуры кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния, легированной эрбием (nc-Si/SK)2:Er)
- Зависимость характеристик ФЛ образцов Si/Sii.xGex:Er/Si от интенсивности оптического возбуждения
- Расчет энергии штарковского расщепления уровней ионов имплантированных в nc-Si/Si02
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из актуальных задач современной полупроводниковой оптоэлектроники является исследование новых материалов, обладающих высокой эффективностью эмиссии света при оптическом или электрическом возбуждении и основанных на кремнии -базовом элементе микроэлектроники. Цель таких исследований - создание светоизлучающего прибора, совместимого со стандартной кремниевой технологией для внедрения в существующие интегральные схемы. Излучательная эффективность объёмного кристаллического кремния чрезвычайно мала вследствие непрямозонности данного материала. Резкого увеличения интенсивности люминесценции удаётся добиться при переходе к нанокристаллическому кремнию [1]. Однако, ряд проблем, таких, например, как наличие флуктуации размеров кремниевых нанокристаллов, существенно затрудняет задачу получения оптического усиления и лазерного эффекта в подобных структурах. В этой связи весьма перспективным представляется альтернативный способ увеличения излучательной способности кремния, а именно, использование его в качестве матрицы для сенсибилизации люминесценции различных примесей. Среди последних особое внимание привлекают ионы редкоземельных элементов, и, в частности, ионы эрбия (Ег3*). Будучи переведёнными в возбуждённое состояние, они способны излучать свет с длиной волны около 1.5 мкм, что соответствует минимуму потерь оптоволоконных линий связи [2,3]. Создание оптического усилителя или лазера на основе легированной эрбием кремниевой матрицы позволило бы интегрировать на единой подложке элементы опто- и микроэлектроники. Для этих целей необходимо как глубокое понимание механизмов возбуждения и девозбуждения ионов Ег3+ при их взаимодействии с твердотельной матрицей, так и изучение условий, необходимых для получения оптического усиления.
Целью данной работы являлось исследование фотолюминесцентных (ФЛ) свойств легированных эрбием структур на основе кремния для получения информации о процессах возбуждения и релаксации электронных состояний ионов Ег3* в неоднородной твердотельной матрице, а также для изучения условий достижения инверсной населённости уровней энергии ионов Ег3"1" при интенсивной оптической накачке. Объектами изучения являлись структуры кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния, легированные эрбием (nc-Si/Si02:Er), а также слои твердых растворов кремний-германия с примесью эрбия (Sii.xGex:Er). Перспективность nc-Si/Si02:Er-CTpyKTyp объясняется высоким квантовым выходом и хорошей температурной стабильностью ФЛ. Образцы Sii-xGex:Er характеризуются, в свою очередь, высокой степенью локализации света в активном кремний-германиевом слое за счёт своей волноводной структуры, а также возможностью возбуждения люминесценции электрическим током.
В работе были поставлены следующие задачи;
Изучить влияние структурных свойств образцов nc-Si/Si02:Er и Si/Sii.xGex:Er/Si, а также интенсивности оптической накачки и температуры на среднее время жизни и интенсивность ФЛ ионов Ег3+.
Провести экспериментальное и теоретическое исследование зависимости спектра и среднего времени жизни эрбиевой ФЛ от размеров кремниевых нанокристаллов в структурах nc-Si/Si02:Er.
В рамках феноменологической модели проанализировать процессы релаксации энергии электронного возбуждения в связанной системе на основе ионов и кремниевых нанокристаллов в структурах nc-Si/Si02:Er и сравнить выводы модели с результатами эксперимента.
Экспериментально исследовать возможность достижения инверсной населённости уровней ионов Ег3* в структурах nc-Si/Si02:Er и Si/Sii.xGex:Er/Si.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации:
Проведено всестороннее исследование зависимости времени жизни и интенсивности ФЛ ионов эрбия в образцах nc-Si/SiChrEr и Si/Sii.xGex:Er/Si от структурных параметров, интенсивности оптической накачки и температуры.
Обнаружено и объяснено влияние размеров кремниевых нанокристаллов на ширину спектра и время жизни ФЛ ионов эрбия в структурах nc-Si/SiC>2:Er.
Показано, что феноменологическая модель передачи и релаксации энергии в системе взаимодействующих ионов эрбия и экситонов в кремниевых нанокристаллах хорошо описывает экспериментальные данные по измерению ФЛ структур nc-Si/Si02:Er.
Впервые на основании экспериментальных данных и теоретического анализа продемонстрирована возможность достижения инверсной населённости уровней ионов Ег3+ в структурах nc-Si/Si02:Er и Si/Sii.xGex:Er/Si.
Научная и практическая значимость работы
Полученные в работе новые результаты являются важными как для понимания фундаментальных электронных и оптических свойств легированных эрбием кремниевых структур, так и в прикладном плане - как следующий шаг на пути создания компактных диодов, оптических усилителей и лазеров, совместимых с кремниевой технологией и системами телекоммуникации.
На защиту выносятся следующие положения;
Новая информация о кинетике ФЛ оптически активных центров эрбия в твердых растворах Sii.xGex:Er (х >0.08).
Новые экспериментальные и теоретические данные о влиянии размеров кремниевых нанокристаллов, интенсивности оптической накачки и температуры на ширину спектра и среднее время жизни ФЛ ионов Ег3"1" в структурах nc-Si/Si02:Er.
3) Полученный на основании экспериментальных данных вывод о возможности достижения инверсной населенности уровней энергии ионов Ег3+ в структурах nc-Si/Si02:Er и Si/Sii-xGex:Er/Si при интенсивной оптической накачке.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 27 работах, из которых 10 -статьи в научных журналах и сборниках (см. список публикаций) и 17 - тезисы докладов в материалах конференций. Апробация проходила на следующих конференциях: Совещание "Нанофотоника-2004", Нижний Новгород, Россия, 2004; X Международная конференция "Физика диэлектриков" ("Диэлектрики-2004"), Санкт-Петербург, Россия, 2004; IV Международная конференция "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" Санкт-Петербург, Россия, 2004; V международный российско-украинский семинар "Нанофотоника и наноэлектроника", Санкт-Петербург, Россия, 2004; 2nd International Conference on Materials science and Condensed Matter Physics, Chisinau, Moldova, 2004; Научная конференция "Ломоносовские чтения. Секция физики" МГУ, Москва, Россия, 2004; International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'04); Rome, Italy, 2004; VI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектроники, Санкт-Петербург, Россия, 2004; Симпозиум "Нанофизика и Наноэлектроника", Нижний Новгород, Россия, 2005; Научная конференция " Ломоносовские чтения. Секция физики", МГУ, Москва, 2005; International Conference "Nanomeeting-2005", Minsk, Belarus, 2005; The European Materials Conference "E-MRS-2005 Spring Meeting", Strasbourg, France, 2005; 3-rd International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT 2005) and 9-th International Conference on Advanced Materials (ICAM 2005), Singapore, 2005; 13-th International symposium "Nanostructures: physics and technology", St. Petersburg, Russia, 2005; 21st International Conference on Amorphous and Noncrystalline Semiconductors, Lisbon,
Portugal, 2005; VII Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники - 2005", Москва, Россия, 2005; X Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, Россия, 2006.
Основные результаты опубликованы в следующих статьях:
V.Yu. Timoshenko, M.G. Lisachenko, О.А. Shalygina, B.V. Kamenev, D.M. Zhigunov, S.A. Teterukov, P.K. Kashkarov, J. Heitmann, M. Zacharias, Comparative Study of Photoluminescence of Undoped and Erbium-Doped Size-Controlled Nanocrystalline Si/Si02 Multilayered Structures II J. Appl. Phys., 2004, v. 96, n. 4, pp. 2254-2260.
В.Ю. Тимошенко, О.А. Шалыгина, М.Г. Лисаченко, Д.М. Жигунов, С.А. Тетеруков, П.К. Кашкаров, D. Kovalev, М. Zacharias, К. Imakita, М. Fujii, Люминесценция ионов эрбия в слоях кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния при сильном оптическом возбуждении // ФТТ, 2005, т. 47, вып. 1, с. 116-119.
С.А. Тетеруков, М.Г. Лисаченко, О.А. Шалыгина, Д.М. Жигунов, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров, Влияние неоднородностей диэлектрической проницаемости твердотельной матрицы на ширину спектра люминесценции ионов эрбия //ФТТ, 2005, т. 47, вып. 1,с. 102-104.
О.А. Шалыгина, Д.М. Жигунов, М.Г. Лисаченко, С.А. Тетеруков, Д.А. Сапун, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров, Структуры кремниевых нанокристаллов с примесью эрбия и их возможные применения в светоизлучающих оптоэлектронных устройствах // Вестник МГУ, Серия 3, Физика. Астрономия, 2005, № 1, с. 27-34.
М.В. Степихова, Д.М. Жигунов, В.Г. Шенгуров, В.Ю. Тимошенко, Л.В. Красильникова, В.Ю. Чалков, СП. Светлов, О.А. Шалыгина, П.К. Кашкаров, З.Ф. Красильник, Инверсная населенность уровней энергии ионов эрбия при передаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах на основе кремния/германия // Письма в ЖЭТФ, 2005, т. 81, вып. 10, с. 614-617.
P.K. Kashkarov, О.А. Shalygina, D.M. Zhigunov, D.A. Sapun, S.A. Teterakov, V.Y. Timoshenko, J. Heitmann, M. Schmidt, M. Zacharias, K. Imakita, M. Fujii, Sh. Hayashi, Light emission from erbium-doped nanocrystalline silicon/silicon dioxide layers under strong optical excitation II Proceedings SPIE, 2005, v. 5850, pp. 20-24.
S.A. Teterukov, M.G. Lisachenko, D.M. Zhigunov, O.A. Shalygina, P.K. Kashkarov, V.Yu. Timoshenko, Effect of dielectric function inhomogeneities on spectral width of Er ion luminescence in structures of Si nanocrystals II Phys. Status Solidi (b), 2005, v. 242, issue 15, pp. 3177-3181.
M. Stepikhova, L. Krasil'nikova, Z. Krasil'nik, V. Shengurov, V. Chalkov, S. Svetlov, D. Zhigunov, V. Timoshenko, O. Shalygina, P. Kashkarov, Si/SiGe:Er/Si Structures for Laser Realization: Theoretical Analysis and Luminescent Studies", Journal of Crystal Growth, 2006, v. 288, issue 1, pp. 65-69.
M.V. Stepikhova, L.V. Krasil'nikova, Z.F. Krasil'nik, V.G. Shengurov, V.Yu. Chalkov, D.M. Zhigunov, O.A. Shalygina, V.Yu. Timoshenko, Observation of the population inversion of erbium ion states in Si/Sii-^Ge^Er/Si structures under optical excitation II Optical Materials, 2006, v. 28, pp. 893-896.
Д.М. Жигунов, O.A. Шалыгина, С.А. Тетеруков, В.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров, М. Zacharias, Особенности фотолюминесценции ионов эрбия в структурах с кремниевыми нанокристаллами // ФТП, 2006, т. 40 (в печати).
Кристаллический кремний и другие полупроводниковые кристаллы, легированные эрбием
Кристаллические полупроводники являются эффективными сенсибилизаторами люминесценции ионов РЗЭ, и, в частности, Ег3+ [3,4,7]. При имплантации такой ион ведет себя как точечный дефект, создавая дефектный уровень в запрещенной зоне полупроводника. Оптически или электрически генерируемые носители заряда могут таким образом быть захвачены на центры, связанные с эрбием с последующим образованием связанного состояния - экситона. Поскольку волновая функция (ВФ) экситонов в полупроводнике может пространственно перекрываться с ВФ электронов в ионах ", экситон может рекомбинировать безызлучательно и отдавать свою энергию иону посредством механизма диполь-дипольного взаимодействия [19,20].
Впервые возможность ФЛ ионов Ег3 В монокристаллическом кремнии (c-Si) была продемонстрирована в работе [21]. Заметим, что собственное межзонное свечение кремния маловероятно из-за непрямой запрещенной зоны данного материала. Наблюдаемая в образцах c-Si:Er ФЛ в районе длины волны 1.54 мкм характеризовалась крайне малой эффективностью и регистрировалась лишь при низких температурах. Дальнейшие исследования [10,22] показали, что выход люминесценции при низких температурах может быть значительно (на 2-3 порядка) увеличен путем имплантации в кремний примесных элементов С, N, О, F с последующим высокотемпературным отжигом. Равновесная растворимость ионов Ег3+ в кристаллическом кремнии крайне мала (10м-1016 см-3) [23]. Однако, как было установлено [24,25], внедрение большого количества кислорода ( 1020 см"3) при высоких концентрациях Ег3+ ( 1019 см"3) препятствует образованию кластеров металлического эрбия (тем самым увеличивая предел растворимости эрбия) и существенно уменьшает температурное гашение ФЛ. Этот эффект наблюдается после высокотемпературного прогрева, который приводит к замещению кремния на кислород в первой координационной сфере иона Ег34". В результате этого происходит формирование эрбий-кислородных комплексов, структура которых сильно зависит от условий приготовления. Более подробно вопрос об оптически активных конфигурациях иона Ег3 в кремниевых матрицах будет рассмотрен в разделе 1.3.
В зависимости от содержания ионов Ег3+ в кристаллическом кремнии возможно наблюдение либо серии очень узких линий люминесценции (FWHM 0.5 нм), либо достаточно широкой полосы (FWHM 10 нм) с несколькими максимумами [23]. Спектры с узкими линиями соответствуют четко определенным конфигурациям изолированных комплексов или небольших кластеров в кристаллической матрице. Семейство линий есть результат штарковского расщепления энергетических уровней иона Ег3+ в поле его ближайшего окружения. Образцы с высоким содержанием эрбия дают широкие полосы излучения.
Максимум на 1.54 мкм является характерным для люминесценции ионов Ег3+. На этом же рисунке показан спектр того же образца, но после отжига при температуре 1000 С. Как легко видеть, дефектная полоса исчезает, а люминесценция эрбия пятикратно возрастает. Увеличивается также и люминесценция кремния. Измерения кинетики люминесценции на 1.54 мкм показывают почти экспоненциальный спад со временем жизни около 0.8 мс.
Эрбий в кремнии может быть возбужден как прямым поглощением света, так и посредством передачи энергии от носителей заряда. Чтобы понять, какой из механизмов играет решающую роль, были произведены измерения интенсивности ФЛ в зависимости от длины волны возбуждающего излучения. Результаты эксперимента представлены на рис. 1.6. Видно, что сигнал ФЛ на 1535 нм медленно спадает при увеличении длины волны возбуждения. На этом же рисунке приведены для сравнения аналогичные данные для образца БЮггЕг. Максимум ФЛ на рисунке соответствует переходу 4/із/2- 4 ш2 в ионе Ег. После возбуждения на уровень 4/п/2 ион безызлучательно переходит в состояние 4/,з/2, после чего возвращается в основное состояние с испусканием фотона.
Из того факта, что такой пик не наблюдается для кристаллического кремния, можно сделать вывод, что основной вклад в возбуждение люминесценции эрбия дают процессы именно с участием фотогенерируемых носителей заряда. Это означает, что время жизни неравновесных носителей является ключевым фактором, определяющим эффективность возбуждения ионов эрбия. Понимание этого факта является существенным также при анализе данных, показанных на рис. 1.5. Действительно, как было отмечено, после отжига увеличивается интенсивность межзонной рекомбинации вследствие подавления каналов безызлучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Вследствие этого происходит увеличение времени их жизни. Таким образом, возрастание люминесценции ионов Ег3+ можно объяснить увеличением эффективности их возбуждения благодаря увеличившемуся времени жизни неравновесных носителей заряда.
Для изучения поведения спектров в зависимости от концентрации Л г в работе [14] были исследованы образцы с различным содержанием эрбия в диапазоне Зі016 -710,9см 3, что достигалось изменением дозы имплантации от 1012 до 1015 см"2. Интенсивность межзонной люминесценции оставалась одной и той же для всех образцов, что свидетельствовало о неизменности времени жизни неравновесных носителей заряда.
Структуры кремниевых нанокристаллов в матрице диоксида кремния, легированной эрбием (nc-Si/SK)2:Er)
Этот эффект может быть объяснен на основе предположения, что комплекс Ег-0 образует дефектный уровень в запрещенной зоне кремния (рис. 1.8, б), что подтверждается экспериментами. На этот уровень может быть захвачен электрон, который затем образует связанное состояние с дыркой (процесс Т). Если электрон-дырочная пара рекомбинирует, то энергия может быть передана, иону Ег3+, который в результате этого переходит в возбужденное состояние (процесс Е). Затем ион может релаксировать, испустив фотон. Эта модель допускает существование двух механизмов температурного гашения люминесценции, схематично показанных на рис. 1.8 (б): 1) связанные электрон и дырка могут диссоциировать (процесс D) прежде, чем энергия будет передана эрбию; 2) уже возбужденный ион Ег3"1" может безызлучательно перейти в основное состояние, отдав энергию обратно и забросив при этом электрон из валентной зоны на дефектный уровень (процесс В). Оба приведенных выше процесса требуют поглощения одного или нескольких фононов и, тем самым, становятся более вероятными при повышении температуры. Чтобы исследовать оба механизма, были проведены совместные измерения зависимости интенсивности и времени жизни ФЛ от температуры [2]. Процесс диссоциации связанного с эрбием экситона приведет к снижению интенсивности, но не окажет влияния на время жизни эрбиевой ФЛ, в то время как процесс обратной передачи энергии снизит как интенсивность, так и время жизни. Эксперименты показали, что второй механизм играет решающую роль в гашении люминесценции, о чем говорит снижение времени жизни ФЛ. Действительно, поскольку время жизни иона Ег3 в возбуждённом состоянии достигает единиц миллисекунд, то вероятность обратного процесса передачи энергии кремнию достаточно велика. Этим объясняется резкая температурная зависимость интенсивности и времени релаксации эрбиевой ФЛ. Было найдено, что при комнатной температуре вероятность процесса обратной передачи энергии может достигать 50% [2].
Стоит отметить, что эрбиевая линия ФЛ на характерной длине волны 1.54 мкм обнаруживается не только в кремнии, но также в полупроводниках группы AIMBV [7]. Это подтверждает высказанное ранее утверждение о том, что в однородной полупроводниковой матрице не происходит существенного изменения электронного спектра иона Ег3 . В то же время, как следует из приведённых выше экспериментальных данных, вероятность возбуждения ионов Ег3+ целиком определяется свойствами полупроводниковой матрицы.
Кремний-германиевые структуры, легированные эрбием, по-видимому, принципиально не отличаются по механизму возбуждения люминесценции ионов Ег3"1" от структур c-Si:Er. В то же время, как показали исследования, при гелиевых температурах образцы с легированным эрбием активным SiGe слоем характеризуются более интенсивной ФЛ, чем образцы c-Si:Er [26-28]. Авторы работы [26] связывают это с более эффективным захватом в SiGe слое носителей заряда, которые образуют при этом электрон-дырочные пары и могут отдавать свою энергию ионам Ег3 . Существует и другое возможное объяснение этого эффекта. Как известно, внедрение германия в кремний приводит к увеличению постоянной решётки [29]. В результате в слое SiGe, выращиваемом на подложке кремния появляются упругие напряжения за счёт рассогласований постоянных решёток подложки и активного слоя. С одной стороны, это не позволяет выращивать однородные слои SiGe большой толщины, т.к. при её увеличении релаксация напряжений приведёт к появлению большого количества дислокаций. Кроме того, как утверждается в [27], именно наличие упругих напряжений приводит к повышению интенсивности ФЛ ионов Ег3+ в структурах SiGe:Er/Si и Si:Er/SiGe по сравнению с ненапряжёнными структурами Si:Er/Si. Авторы последней работы связывают этот эффект с изменением симметрии локального окружения ионов Ег3+ под действием напряжений, что приводит к увеличению вероятности излучательных переходов между расщеплёнными 4/із# и А1\ыг уровнями.
Однако, при температурах свыше 150 К за счет большего температурного гашения эрбиевой ФЛ в SiGe слоях по сравнению с c-Si:Er указанное выше преимущество становится незаметным. Тот факт, что в образцах с активным слоем SiGe:Er температурная,
как и в случае c-Si:Er, наличию различных типов эрбиевых центров. Так, например, в работе [32] наблюдаемые наиболее интенсивные линии в спектре эрбиевой ФЛ приписываются изолированным центрам Ег-01 [33]. Вопрос о природе этих центров будет подробно рассмотрен в разделе 1.3.
Как было отмечено во введении, Sii.xGex:Er-CTpyKrypbi представляют практический интерес благодаря возможности создания на их основе оптических волноводов. Действительно, внедрение германия в кремний приводит к повышению показателя преломления (по сравнению с объёмным кремнием) [34], что позволяет выращивать многослойные структуры Si/Sii.xGex:Er/Si, в которых свет локализован в активном SiGe слое, помещённом между буферными Si слоями. Узкие спектральные линии ФЛ ионов Ег3+ в матрице Sii.xGex могут обеспечивать высокие значения коэффициента оптического усиления [35]. На рис. 1.10 представлены результаты расчёта полного коэффициента усиления gr в Si/Si i.xGex:Er/Si структурах. При расчётах предполагалось, что коэффициент усиления g в активных слоях Sii-xGex:Er, так же как и для Si:Er, составляет 30 см 1.
Зависимость характеристик ФЛ образцов Si/Sii.xGex:Er/Si от интенсивности оптического возбуждения
Характерные спектры ФЛ образцов nc-Si/SiC»2, приготовленных двумя различными методами, представлены на рисЛ.И. Как видно из рисунка, максимум ФЛ сдвигается в высокоэнергетичную область спектра при уменьшении размеров нанокристаллов, что объясняется увеличением ширины запрещённой зоны nc-Si вследствие квантового размерного эффекта [45,57,59].
Важно отметить зависимость параметров кинетик ФЛ от метода получения нанокристаллов. На рис. 1.12 показаны характерные кинетики образцов nc-Si/SiCb, приготовленных двумя различными способами, а также для сравнения представлены кинетики ФЛ пористого кремния (por-Si). Было замечено, что кинетики ФЛ структур nc-Si/SiC»2, полученных методом имплантации ионов Si в SiC«2, так же как и кинетики ФЛ por-Si (рис. 1.12, а), хорошо описываются так называемой растянутой экспонентой [60]: где г - среднее время жизни ФЛ, р - параметр неэкспоненциальности. Характерные значения параметров т и /3 для пс-Бі/БіОг-структур в этом случае составляли Ю-ї-150 мкс и 0.7-Ю.8, соответственно. Подобный характер спада люминесценции некоторые исследователи связывают с наличием неупорядоченности в твердотельной системе, вызванной, например, распределением содержащихся в образце нанокристаллов по размерам и форме, или вариациями их пространственного расположения [62-64]. В результате этой неупорядоченности появляется разброс по энергиям и вероятностям рекомбинации электрон-дырочных пар, что, вероятно, приводит к кинетике люминесценции вида (1.1). В свою очередь, в других работах высказывается предположение, что основной причиной искажения моноэкспоненциалыюго спада люминесценции является наличие переноса энергии между соседними нанокристаллами [49,65]. Такой обмен энергией может осуществляться за счёт миграции экситонов от нанокристаллов меньшего размера к более крупным вследствие меньшей ширины запрещённой зоны в последних. Таким образом, время жизни экситона начинает зависеть от числа актов переноса, в результате чего кинетика спада ФЛ "растягивается". Это предположение причины подтверждается исследованиями временных характеристик ФЛ ансамблей nc-Si, разделённых достаточно толстыми ( 5 нм) пространственными барьерами БіОг [53]. При этом можно полагать, что нанокристаллы являются хорошо изолированными, в результате чего между ними не происходит обмена энергией, и среднее время жизни является постоянной величиной. Действительно, наблюдаемые в таких системах кинетики ФЛ оказываются моноэкспоненциальными с характерными временами от 0.2 до 0.8 мс (рис. 1.12, б). Заметим, однако, что недавние теоретические исследования [66] предсказывают форму кинетики ФЛ типа (1.1) даже для одиночных изолированных нанокристаллов в случае преобладания темпа повторного захвата носителей ловушками над темпом их рекомбинации. Для подтверждения последнего утверждения, очевидно, требуются соответствующие экспериментальные исследования.
Рассмотрим теперь, как свойства матрицы nc-Si/Si02 влияют на люминесценцию ионов Ег3 при их внедрении. Интенсивным исследованиям свойств nc-Si/SiCh .Er-crpyKTyp предшествовало наблюдение ФЛ около 1.54 мкм в образцах легированного эрбием пористого кремния при комнатной температуре [67,68]. На основании полученных в работе [69] данных было сделано предположение, что электрон-дырочные пары, локализованные в наногранулах кремния, рекомбинация которых является причиной видимой люминесценции пористого кремния, способны также отдавать свою энергию и эффективно возбуждать ионы Ег3+ при их внедрении в рог-Si. Следующим шагом было создание на основе рог-Si обогащенного кремнием оксида кремния (SRSO) путём его частичного термического окисления при Т=900 С [69]. При этом образуется матрица SiO, содержащая области кристаллического кремния. После внедрения эрбия полученные образцы SRSOrEr характеризовались наблюдаемой при комнатной температуре фото- и электролюминесценцией в области около 1.54 мкм. В качестве механизма возбуждения авторами последней работы было предложено ударное взаимодействие "горячих" Другой подход для получения легированных эрбием плёнок SiC , содержащих кремниевые нанокристаллы был применён в группе под руководством М. Fujii [70]. Полученные образцы характеризовались спектрами ФЛ с двумя пиками около 0.81 и 1.54 мкм (рис. 1.13, а), которые были соотнесены с излучательной рекомбинацией электрон-дырочных пар в nc-Si и внутрицентровыми 4/ переходами в ионах ЕЛ соответственно. Была отмечена сенсибилизирующая роль nc-Si в возбуждении люминесценции ионов Ег3+: контрольные образцы легированного эрбием аморфного SiC«2, не содержащие nc-Si, характеризовались более чем в 50 раз слабой интенсивностью ФЛ на 1.54 мкм. Исследование зависимости ФЛ образцов nc-Si/SiC«2:Er от концентрации эрбия обнаружило сильные корреляции между интенсивностями этих пиков: с ростом концентрации ионов Ег3"1" интенсивность пика на 0.81 мкм уменьшалась, в то время как пик на 1.54 мкм возрастал (рис. 1.13, б). Эти результаты наряду с исследованиями спектра возбуждения и зависимости ФЛ от интенсивности накачки привели к выводу, что
Расчет энергии штарковского расщепления уровней ионов имплантированных в nc-Si/Si02
Объединяет обе изложенные выше точки зрения работа М. Fujii и соавт. [84], в которой на основании анализа кинетик ФЛ ионов Ег3+, имплантированных в содержащий nc-Si оксид SiC 2, было обнаружено два процесса передачи энергии - быстрый и медленный. Как показывается в работе, первый из них приводит к переносу энергии только на первое возбуждённое состояние ионов Ег3 независимо от размеров nc-Si. По-видимому, такой перенос энергии обусловлен оже-процессом, аналогично возбуждению эрбия в c-Si через локализацию экситонов на уровнях в запрещённой зоне, связанных с центрами эрбия, и последующую передачу энергии ионам Ег3+. Второй процесс, в свою очередь, присущ только системам, содержащим нанокристаллы, характеризуется зависимостью от размеров nc-Si и подразумевает резонансный перенос энергии от экситонов к верхним возбуждённым состояниям эрбия. Это приводит к испусканию фононов, необходимых для выполнения закона сохранения квазиимпульса при аннигиляции экситонов, что проявляется в появлении периодических особенностей на спектрах ФЛ. Вполне вероятно, что передача энергии в данном случае происходит по механизму Фёрстера.
В заключение данного раздела подчеркнём преимущества структур nc-Si/SiC 2 как сенсибилизаторов ФЛ ионов Ег34" на длине волны 1.5 мкм. Во-первых, для возбуждения эрбиевой ФЛ в nc-Si/Si02:Er может быть использован свет с энергией фотонов в широком спектральном интервале Ee Eg, где Eg определяет порог межзонного поглощения nc-Si. Действительно, поскольку ФЛ nc-Si находится в районе 1.2-5-1.5 эВ (см. рис. 1.11), она перекрывается по энергии с переходами А1\ыг Ah\a и I\sn.-+ hn в эрбии. В результате эффективного процесса переноса энергии от экситонов, локализованных в nc-Si, ион Ег3"1" переходит сначала во второе или третье возбуждённое состояние, затем безызлучательно релаксирует до первого возбуждённого уровня и, наконец, совершает излучательный переход 13/2- 15/2 с испусканием фотона. Таким образом, эффективностью возбуждения Ег3 в пс-Бі/БіСЬ-матрице можно управлять, меняя свойства nc-Si, например, ширину запрещенной зоны и/или плотность электронных состояний. Во-вторых, при таком механизме возбуждения эффективное сечение возбуждения Ег3+ на порядки больше, чем при резонансном возбуждении ионов в прозрачных матрицах вследствие большого сечения поглощения света нанокристаллами [8,88]. Это связано с тем, что в поглощение вовлечены электронные состояния nc-Si, концентрация которых может быть достаточно велика. Кроме того, в специально подготовленных nc-Si/Si02:Er-CTpyKTypax возможна также реализация электролюминесцентного режима [89,90]. Слабая температурная зависимость ФЛ сближает данный материал с a-Si(H,0):Er [39]. Все это открывает потенциальные возможности по использованию слоев nc-Si/SiC 2:Er в излучающих устройствах и оптических усилителях, интегрированных с кремниевой технологией.
Вопрос о местоположении оптически активных ионов Ег3 в различных твердотельных матрицах, несмотря на довольно долгую историю исследования, до сих пор остаётся предметом дискуссий. Основной проблемой при решении данного вопроса является то, что согласно существующим оценкам доля оптически активного эрбия в кремниевых матрицах составляет не более 10% [2,14,33]. Это особенно важно учитывать при интерпретации теоретических расчётов, а также экспериментальных результатов, полученных с помощью неоптических методов структурного анализа, таких как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), резерфордовское рассеяние (RS) или метод анализа тонкой структуры рентгеновских спектров поглощения (EXAFS).
В одной из первых работ по изучению тонкой структуры спектров ФЛ эрбия в кремнии упоминается более 100 различных линий излучения, которые были отнесены как к сложным конфигурациям, включая эрбий-кислородные комплексы, дефектные центры с участием эрбия, так и к изолированным ионам Ег3 , обладающих различной симметрией в зависимости от своего местоположения [33]. Результаты этих исследований для кремния FZ- и CZ-типа (сверхчистого, приготовленного по методу зонной плавки, и выращенного по методу Чохральского, соответственно), имплантированного ионами Ег3 с энергиями 320 кэВ и 2 МэВ при температуре 350 С приведены в таблице 1.1. Путём анализа спектров ФЛ исследуемых образцов, полученных на Фурье-спектрометре высокого разрешения, были выделены эрбиевые центры двух типов, дающие наибольший вклад в люминесценцию: с кубической (С) и аксиальной (Оїд) симметрией. Остальные наблюдаемые линии отнесены к центрам эрбия с более низкой симметрией. Расчеты, выполненные в рамках теории групп, свидетельствуют о пятикратном расщеплении основного состояния иона Ег3+ при кубической симметрии окружения и восьмикратном расщеплении при любой более низкой симметрии [33]. Ряд последующих работ подтвердил наличие в кремнии центров эрбия Ег-01 и Ег-02, а также С-типа [23,91,92]. Более того, авторы работы [92] обнаружили новую серию линий (6502, 6443, 6393, 6342, 6337 и 6268 см" ) в кремнии, легированном эрбием в процессе СМЛЭ, и соотнесли её с центром Ег в состоянии с точечной симметрией Дад. Интенсивные пики ФЛ, соответствующие изолированному эрбиевому центру Ег-01, были также обнаружены при исследовании излучательных свойств слоев твердых растворов кремний-германия, легированных эрбием [32].
Тонкая структура спектра легированного эрбием кремния, а также соответствующая схема расщепления энергетических уровней 4Iisa и А1\т для иона Ег3"1", находящегося в окружении с кубической симметрией показаны впервые в работе [93].
