【摘要】：硅基光電子是信息技術(shù)發(fā)展的重要方向之一,與大規(guī)模集成電路工藝相兼容的高效硅基光源已成為硅基光電子集成亟待解決的問題。由于體硅是間接帶隙半導體,其發(fā)光效率很低。因此,在過去的十多年間,研究者開發(fā)了多種技術(shù)希望解決這一關(guān)鍵問題。在眾多的解決方案中,摻鉺硅基材料由于鉺離子在1540 nm處的發(fā)光正好對應(yīng)于石英光纖的最低損耗窗口,從而得到了廣泛的關(guān)注。但是鉺離子的激發(fā)截面較小,且在大部分硅基材料中的摻雜濃度較低,因此如何實現(xiàn)鉺離子的高效發(fā)光是該方向研究中的關(guān)鍵問題,而將硅酸鉺材料與敏化劑結(jié)合起來是解決鉺離子高效發(fā)光的重要途徑。本文系統(tǒng)地研究了硅酸鉺的制備,晶型轉(zhuǎn)變,不同晶型的晶體結(jié)構(gòu)、發(fā)光性能,以及硅酸鉺的敏化發(fā)光過程,取得了如下主要創(chuàng)新結(jié)果:(1)成功制備了具有不同晶型的硅酸鉺薄膜,并在研究中發(fā)現(xiàn)了硅基薄膜中鉺硅成分比例、熱處理溫度、熱處理氣氛對硅酸鉺結(jié)晶及晶型轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律。實驗指出,高濃度鉺摻雜的氧化硅薄膜中硅酸鉺的結(jié)晶溫度約為1000℃。當薄膜中的鉺硅成分比接近1:1時,形成的硅酸鉺從低溫到高溫的晶型轉(zhuǎn)變過程為由y-ErSi2O7轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Er2Si2O7,再到β-Er2Si2O7。當薄膜中的鉺硅成分比接近2:1時,形成的硅酸鉺從低溫到高溫的晶型轉(zhuǎn)變過程則為由X1-Er2SiO5轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Er2Si2O7,再到β-Er2Si2O7。但是,薄膜成分偏離硅酸鉺的化學計量比或在氧氣氣氛下熱處理都會提高硅酸鉺的晶型轉(zhuǎn)變溫度并減小薄膜中硅酸鉺晶粒的尺寸。(2)研究指出了不同晶型的硅酸鉺具有不同的發(fā)光性能,并在硅酸鉺不同晶型的發(fā)光性能及其晶體結(jié)構(gòu)信息之間建立起了可對應(yīng)的聯(lián)系,包括譜線位置、發(fā)光效率、發(fā)光壽命及溫度淬滅效應(yīng)。其中發(fā)光效率最高、發(fā)光壽命最長的是y-Er2Si2O7,其次是α-Er2Si2O7與β-Er2 Si2O7,發(fā)光壽命最短的是X1-Er2SiO5。另外,v-Er2Si2O7的溫度淬滅效應(yīng)明顯低于α-Er2Si2O7。經(jīng)過計算,y-Er2Si2O7、α-Er2Si2O7、β-Er2Si2O7、X1-Er2SiO5中的鉺離子發(fā)光壽命-密度乘積比為3.1:1.5:1.3:1.2,該值的大小也代表了材料在1540 nm處的光放大能力。研究還指出,y-Er2Si2O7之所以擁有最高的發(fā)光效率、最長的發(fā)光壽命以及最低的溫度淬滅效應(yīng),是因為其較大的光學活性鉺離子數(shù)量、較大的鉺離子間距與較好的對稱性以及較強的Er-O鍵。(3)成功制備了非晶硅團簇與硅酸鉺共鑲嵌的氧化硅薄膜,并在研究中發(fā)現(xiàn)了納米硅的形成受限于硅酸鉺的結(jié)晶的規(guī)律。在熱處理溫度較低時,富硅硅酸鉺薄膜中會析出大量硅納米晶,但是當溫度升高至接近硅酸鉺的結(jié)晶溫度時,硅納米晶消失,硅酸鉺結(jié)晶,從而形成了非晶硅團簇鑲嵌的硅酸鉺薄膜。若將熱處理時間進一步延長,非晶硅團簇中仍然無法形成硅納米晶,這主要是由于非晶硅團簇中硅納米晶的形核受到了包覆其外的硅酸鉺晶體與非晶硅界面的嚴重影響,使其形核功大大增加。(4)研究發(fā)現(xiàn)富硅硅酸鉺薄膜中硅酸鉺的敏化發(fā)光主要來源于薄膜中的非晶硅團簇及發(fā)光中心的敏化作用。熱處理后,在非晶硅團簇鑲嵌的硅酸鉺薄膜中得到了硅酸鉺的敏化發(fā)光,主要敏化劑為薄膜中的非晶硅團簇及發(fā)光中心。為了提高硅酸鉺的敏化發(fā)光效果,實驗利用新的兩步熱處理的方法,同時優(yōu)化富硅硅酸鉺薄膜的微結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量、晶型組成以及敏化劑濃度等參數(shù),并在經(jīng)過1000℃30 min+1100℃30 min熱處理的樣品中得到了最佳的敏化發(fā)光強度。
【圖文】：

子、電子為載體的微納量級信息功能器件，并將它們在同一硅基底上大規(guī)模集逡逑成，形成一個完整的具有綜合功能的新型芯片單元［３］。Ｉｎｔｅｌ公司給出了硅基光逡逑電集成的三步發(fā)展戰(zhàn)略，如圖２．２所示，首先是單個光電器件的制備，其次是器逡逑件的雜化集成，最終是實現(xiàn)單片集成［４］。硅基光電集成系統(tǒng)，也就是集成光路，，逡逑主要的器件包括光源，光波導，光調(diào)制器，光放大器，光開關(guān)以及光探測器。逡逑目前，硅基上的光波導［５＿７］、光開關(guān)【８＿１（）］、調(diào)制器［＂＿１７］、放大器［１８—２１］和探測器［２２＿逡逑２７］等均已實現(xiàn)，但高效、單色性好、與大規(guī)模集成電路制造工藝相兼容的硅基逡逑光源仍未得到解決，這主要與硅材料的光學性質(zhì)有關(guān)。逡逑■丨，曑逡逑ｉｉＬ邋ＪＢＳｐＲＨ逡逑圖２．２邋Ｉｎｔｅｌ公司硅基光電集成路線圖Ｗ逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｉｎｔｅｌ＇ｓ邋ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ邋ｒｏａｄｍａｐｓ逡逑圖２．３展示了硅在室溫下的能帶圖［２８］，硅的導帶底與價帶頂處于波矢ｋ空間逡逑的不同位置

早在１９９３年，Ｗｉｓｏｎ等人ｆ４２］報道了硅納米晶在可見波段的發(fā)光，并認為其逡逑發(fā)光來源于量子限域效應(yīng)。２０００年，Ｐａｖｅｓｉ等人在鑲嵌有硅納米晶的二氧化逡逑硅薄膜中得到了凈增益，并解釋了該光增益的來源，如圖２．６所示，從而使基于逡逑納米硅的激光器成為了可能。這項報道掀起了人們對于納米硅發(fā)光的研究熱潮，逡逑自此之后，在多種納米硅結(jié)構(gòu)中的光增益被相繼報道［４４４６］。逡逑９逡逑
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TN47

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本文編號：2702730