增强硅中掺铒发光强度的途径研究

摘要：硅在微电子学领域有着极其广泛的应用，但它是一种间接能隙半导体，发光器件领域是它的缺项。利用在硅中掺入铒发光中心，研制出一种新的发光二极管(Si：Er LED)，它的发光波长为1．54 μm，恰好满足石英光纤通信的要求。对掺铒硅的电学特性、材料性能、发光机理等进行了总结，发现制约掺铒硅实用化的一些问题，在此基础上得出提高其发光效率的途径，并介绍了掺铒硅器件的行为和未来展望。
关键词：掺铒硅；发光二极管；发光效率；石英光纤通信

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。
1．2 掺铒硅的发光机理
一般认为，掺铒硅的发光来源于Er离子的4f能级间的跃迁，如图2所示。在解释具体的发光机理时，必须说明Er离子在硅中的激发和退激发过程，并以此来解释实验现象。对机理的了解有助于从实验上来提高掺铒硅的发光效率，克服其温度猝灭和提高发光的调制频率。

发光的激发和退激发过程：先讨论激发过程。一般来说，Er离子被激发可以有光子激发和电子激发两种可能性。光子激发是入射光子直接将Er的4f基态能级上的电子激发到较高的能级上去，但是，由于Er3+的光吸收截面非常小，只有1×10-20cm2，所以对有效的光致发光和电致发光(EL)来说，光子激发不是主要的。电子激发又称载流子中介激发。它可以有两种方式，如图3所示。图3(a)是激子复合激发，在掺铒硅的PL和P-N结正向偏压作用下的EL都属于这一种机理。其过程为：由光照或由P-N结电注入在Si中产生电子空穴对，然后通过受陷于一个与Er相关的位于禁带中的能级而成为束缚激子，激子复合后产生能量(图中过程1)，该能量从半导体转移到Er的4f壳层(过程2)，使4f电子从4I15／2基态激发到第一激发态4I13／2(过程3)。另一种电子激发过程称为载流子碰撞激发，如图3