【摘要】：隨著摩爾定律走向失效,用于連接不同微電子器件的金屬導線,成為制約硅基微電子器件進一步提升信號傳輸速率的主要因素。金屬導線在金屬-金屬界面的本征阻抗和接觸電阻導致了信號傳輸?shù)难舆t,完全解決這個問題需要發(fā)展光電子器件,并在不同光電子器件之間實現(xiàn)光學連接。由于硅是間接帶隙半導體,發(fā)光效率很低,而實現(xiàn)全光學連接需要有高效的硅基光源,因此集成光學器件的發(fā)展緩慢。研究發(fā)現(xiàn)將鉺離子引入硅基材料中是實現(xiàn)硅基光源的重要途徑。由于鉺離子發(fā)射出光子的波長為1.54μm,處在石英光纖的最小吸收損耗窗口上,對光纖通訊有很重要的意義,這使得硅基摻鉺材料有了更多的應用場景。本文著重于對摻鉺氧化鋅薄膜的紅外熒光效率進行研究,圍繞注入硅離子對摻鉺氧化鋅薄膜物理和光學特性的影響、多層結(jié)構(gòu)對摻鉺氧化鋅薄膜熒光的影響以及硅納米團簇和鉺離子之間的能量傳遞機制等內(nèi)容進行了一系列實驗研究和分析,并取得了以下結(jié)果:1.通過磁控濺射技術(shù)生長了摻鉺氧化鋅薄膜,利用離子注入技術(shù)將不同劑量的硅離子摻雜到薄膜當中,并在氮氣環(huán)境中對注入樣品進行了不同溫度的退火處理。實驗發(fā)現(xiàn),經(jīng)過高溫退火的薄膜并沒有出現(xiàn)熒光淬滅的現(xiàn)象。在薄膜內(nèi)部出現(xiàn)了新的硅酸餌結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)使Er3+離子在高溫退火過程中保持了光學活性。另外,氧化鋅在高溫退火之后結(jié)晶性變差,晶向也發(fā)生了改變,對于Er3+離子的發(fā)光產(chǎn)生了影響。2.利用脈沖激光沉積技術(shù)生長了不同厚度的摻鉺氧化鋅薄膜,通過離子注入技術(shù)實現(xiàn)了不同劑量硅離子的摻雜,并在O2或N2環(huán)境中對樣品進行退火處理。實驗發(fā)現(xiàn)當退火溫度達到1100℃之后,Er3+離子熒光信號有較大的增強,同時薄膜內(nèi)也觀察到了硅納米團簇,分析表明硅納米團簇和Er3+離子之間的能量傳遞是熒光增強的主要原因。實驗發(fā)現(xiàn)近紅外波段的兩個典型熒光峰分別來自Si(1.16μm)和Er(1.54μm),其中襯底Si擴散并在SiO2/Si界面處形成的區(qū)域位錯,界面處的應力場作用于區(qū)域位錯中的Si,使電子和空穴突破禁帶的限制,在泵浦光的激發(fā)下發(fā)出1.16μm的光子。由于襯底Si的擴散對于Er3+離子的發(fā)光是抑制作用,所以1.16μm和1.54μm熒光信號是一種競爭性關(guān)系。不同的退火溫度對應的Er3+離子熒光信號有較大差異,主要是受高溫退火導致的Er3+離子光學失活和Si納米團簇能量傳遞效率的影響。3.通過磁控濺射方法生長了厚度約為97nm的摻鉺氧化鋅薄膜,并通過PECVD方法在摻鉺氧化鋅薄膜上層生長了一層SiO2薄膜,實現(xiàn)了一種三明治夾層結(jié)構(gòu)。實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高溫退火后,附加的二氧化硅層在不影響鉺熒光的同時對氧化鋅層起到了保護作用。另外,存在一個閾值溫度,只有當退火溫度超過閾值溫度時,薄膜中的熒光增強機制才開始建立。通過透射電鏡實驗發(fā)現(xiàn)薄膜的熒光增強主要來自于薄膜內(nèi)3-5nm的納米硅團簇。由于摻鉺氧化鋅薄膜的厚度太薄,Er3+離子的數(shù)量不足,1.54μm的熒光無法得到進一步的提升。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN256;O484.41

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本文編號：2589738