Люминесцентные свойства гетероструктур Si/SiGe, легированных примесью эрбия

• Автор: Красильникова, Людмила Владимировна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 145 с. : ил.

ГЛАВА 1.

ГЛАВА 2.

ГЛАВА 3.

ГЛАВА 4.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ, ОПТИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Si:Er, SiGe и SiGe:Er (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Люминесценция ионов Ег3+ в кремниевых матрицах

Оптические свойства гетероструктур Si/SiGe

Люминесценция ионов Ег3+ в структурах с гетерослоями SiGe 40 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР Si/Si i.xGex:Er/Si 43 Метод сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в атмосфере германа
Условия роста и параметры гетероструктур Si/Sii-xGex:Er/Si 47 Структурный и элементный анализ гетероструктур Si/Sii-xGex:Er/Si
Выводы к Главе 2
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОСТРУКТУР Si/Sii-xGex:Er/Si, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СУБЛИМАЦИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ В АТМОСФЕРЕ ГЕРМАНА
Методика эксперимента
Люминесцентные свойства структур Si/Sii_xGex:Er/Si, выращенных в различных условиях
Оптически активные центры иона Ег3+ в гетероструктурах Si/Sii.xGex:Er/Si
Квантовая эффективность люминесценции гетероструктур Si/Sii.xGex:Er/Si в условиях оптического возбуждения
Температурная зависимость фотолюминесценции
Выводы к Г лаве 3
ВОЛНОВОДНЫЕ СТРУКТУРЫ Si/Sii-XGex:Er/Si
Теоретический анализ планарных и гребенчатых волноводов на основе гетероструктур Si/Si 1 ,xGex:Ег/Si
Исследование волноводных свойств структур Si/Sii-xGex’.Er/Si

ГЛАВА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК
СОКРАЩЕНИЙ
методом низкокогерентной интерферометрии
Выводы к Главе 4
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ СТРУКТУР Si/Sii.xGex:Er/Si В УСЛОВИЯХ СИЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Кинетическая модель фотолюминесценции и условие инверсной населенности энергетических уровней иона Ег3+ в гетероструктурах Si/Sii.jfGexÆr/Si
Методика эксперимента
Кинетика фотолюминесценции гетероструктур Si/Si 1 _xGex:Er/Si в условиях сильного оптического возбуждения
Инверсная населенность энергетических уровней иона Ег3+ в гетероструктурах Si/Si].xGex:Er/Si
Оценка оптического усиления в структурах Si/Si i_xGex:Er/Si
Выводы к Главе 5

Актуальность темы
Создание эффективного источника излучения на кремнии является одной из приоритетных задач оптоэлектроники. Интенсивные исследования, проводимые в последнее время в этой области, открывают новые возможности и решения в создании светоизлучающих структур на кремнии. Особый интерес здесь представляют структуры кремния, легированного редкоземельной примесью эрбия. Излучательный переход 41ш->4115/2 иона Ег3+ на длине волны 1.54 мкм совпадает с окном прозрачности кварцевого волокна, что позволяет говорить о перспективах использования структур на основе БкЕг в системах волоконно-оптической связи. К настоящему времени на основе кремния, легированного эрбием, разработан целый ряд приборных структур, работающих в диапазоне температур от 4.2 до 300 К [1]. Кроме того, как показывают результаты теоретического анализа [А1], коэффициент усиления в структурах 8пЕг с выделенным типом оптически активных центров может достигать значительной величины, порядка 30 см'1, что позволяет говорить о перспективах создания лазера.
Одним из необходимых условий для создания лазерных структур на основе БЕЕт является эффективная локализация излучения в активном слое. Возможным вариантом реализации этого условия может быть использование гетеросгруюур Я!/5и.хОех:Ег/5|' с активным волноведущим каналом Бц.хОех, легированным эрбием. Показатель преломления слоев Бц.хОех зависит от содержания германия (X) и составляет пяп-хсех > 3.53 при X > 10% [2], обеспечивая, таким образом, необходимый для формирования эффективного волновода скачок показателя преломления.
К моменту проведения исследований, результаты которых приведены в данной диссертации, было известно лишь незначительное число работ, посвященных изучению люминесцентных СВОЙСТВ легированных эрбием структур С гетерослоями Бц.хОех. В частности, авторы работы [3] показали, что интенсивность эрбиевой фотолюминесценции многослойных, периодических структур БЕЗм-хОех/.. значительно возрастает в случае легирования ионами Ег3+ слоев Зц-хОех. В литературе обсуждалось влияние упругих напряжений, возникающих в структурах БпЕг/Зц.хОех и 8м.хОех:Ег/81 на интенсивность фотолюминесценции ионов эрбия [4, 5] и увеличение эффективности
электролюминесценции в содержащих слой 81].хОех светоизлучающих диодных и транзисторных структурах с активным слоем БнЕт [6, 7]. Содержание германия во всех исследовавшихся слоях Бц.хОех не превышало 16.5%. Отсутствовали систематические исследования люминесцентных свойств легированных эрбием слоев 8ц.хОех, в том числе

Таблица 2.1. Скорость роста, толщина и содержание Ge в слоях Sii.xGex, выращенных при давлении германа Ронд = 4Т0-4 Topp и температуре роста слоев ТСг = 500°С.
Vor, нм/мин dsiGe, нм Х,%
5 1100 25.6±0
5 550 27±1
5 2300 27.1±0
1 70 26.6±1
Зависимость содержания редкоземельной примеси эрбия в слое Бц.хСех'.Ет от условий роста
При сублимации из поликристаллического источника вкЕг, имеющего температуру Т$ = 1330°С, примесь эрбия имеет достаточно высокую скорость испарения, -2.7-10'8 см/с [130]. Такая скорость испарения эрбия превышает скорость испарения самого материала источника, кремния, скорость испарения которого при температуре 1330°С составляет ~1-10'8 см/с.
Для анализа процессов встраивания атомов Ег в слои твердого раствора Зц.хвех, методом вторичной ионной масс-спектрометрии были исследованы концентрационные профили распределения атомов примесей и основных элементов в гетероструктурах 81/81]. хСех:Ег. В качестве примера, на рис. 2.4 показаны ВИМС - профили распределения атомов ве, Ег и О в структуре, содержащей слой Бй-хОех^г, выращенный при давлении германа 2-10'5Торр. Как видно из рисунка, на границе с буферным слоем кремния в структуре наблюдается резкий рост концентрации Ег и ве. Увеличение концентрации Ое на два порядка величины происходит на толщине ~35 нм. По данным ВИМС, содержание Ое в слое твердого раствора составляет -7%, что хорошо согласуется с результатами рентгеновских измерений, полученных для данного образца. Концентрация примеси эрбия в слое составляет (3^4)-1018 см'3. Распределение примеси германия по толщине в гетероэпитаксиальном слое 81].хОех:Ег достаточно однородное и весь слой твердого раствора оказывается равномерно легирован атомами Ег.