掺铒氧化硅薄膜中硅酸铒的相变及其发光性能的研究

【作者】 高宇晗； 傅乾毓； 李东升； 杨德仁；

【机构】 浙江大学硅材料国家重点实验室；

【摘要】 实现硅基光互连现在亟待解决的问题是获得与当今集成电路制造工艺兼容的高效硅基光源。掺铒硅基材料由于其发光峰位于1.54μm光通信波段而备受瞩目。同时为了达到足够的光增益,足够高的铒浓度是必要的[1]。于是铒含量高达10²² cm^-3的硅酸铒材料便受到了广泛的关注[2,3]。本文通过电子束蒸发（EBE）制备了掺有不同铒含量的二氧化硅薄膜。表1列出了各个薄膜中的铒含量。由于Er₂O₃和SiO₂混合靶材中Er₂O₃和SiO₂的熔点相差较大,薄膜呈现出明显的分层结构。经过1100 oC以上的热处理,薄膜中铒浓度较高的薄层形成了硅酸铒结晶。各样品经不同温度热处理后的XRD图谱如图1所示。在较低的热处理温度下,硅酸铒以y-Er₂Si₂O₇相存在,在较高温度的热处理下,y-Er₂Si₂O₇转变为α-Er₂Si₂O₇。另外,薄膜中的铒含量也影响了硅酸铒的相转变,较低的铒含量会促进α-Er₂Si₂O₇在更低的热处理温度下形成。我们分别研究了含有y-Er₂Si₂O₇及含有α-Er₂Si₂O₇的薄膜的光学性能,如图2所示。y-Er₂Si₂O₇具有更强的PL强度,更长的发光寿命及更弱的温度淬灭效应。这主要是由两不同相的结构决定的。α-Er₂Si₂O₇的晶胞中具有4种Er3+填充位,配位多面体的形状存在强烈的变化,而y-Er₂Si₂O₇晶胞中含有2个等效的Er3+填充位,配位多面体形状变化弱。于是y相中Er-Er间距较大,浓度淬灭效应较弱,导致其发光寿命更长,PL强度也更强。另外,y-Er₂Si₂O₇中Er的配位数为6,小于α-Er₂Si₂O₇,并且y相中Er与O的平均距离小于α相,导致其变化性较小,Er与O之间的键能更强,因此y相随温度升高淬灭较小。更多还原