Особенности электролюминесценции Er-содержащих центров с линейчатыми спектрами излучения в кремниевых эпитаксиальных структурах

• Автор: Кудрявцев, Константин Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 115 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

ГЛАВА 1. Возбуждение и релаксация ионов Ег3+ в структурах

8і:Ег/8і (обзор литературы)

1.1 Излучательные свойства ионов эрбия в кремнии и методы получения 10 структур 8і:Ег/8і
1.2 Температурное гашение люминесценции ионов Ег3+ в структурах 16 8і:Ег/8і при различных механизмах возбуждения

ГЛАВА 2. Электролюминесценция ионов Ег3+ в составе различных 28 излучающих центров

2.1 Аппаратура и методики измерения спектров и кинетики 28 люминесценции ионов Ег3+ в диодных структурах 8кЕг/
2.2 Формирование Ег-содержащих излучающих центров с линейчатой 31 структурой спектра люминесценции

2.3 Электролюминесцентные свойства центра Ег-1 при инжекционной 35 накачке

2.4 Ударное возбуждение излучающих центров с линейчатой структурой 39 спектра люминесценции
Выводы по главе 2
Г ЛАВА 3. Безызлучательная оже-релаксация ионов Ег3+ 51 в эпитаксиальных слоях 8кЕг при взаимодействии с равновесными носителями заряда
3.1 Аппаратура и методика адмиттанс-спектроскопии
3.2 Исследования кинетики фотолюминесценции ионов Ег3+
3.3 Исследования адмиттанс-спектров структур 8кЕг/81
3.4 Сопоставление данных кинетики с данными адмиттанс-спектроскопии 63 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. Температурное гашение ЭЛ ионов Ег3+ в эпитаксиальных
структурах Si:Er/Si с различными типами излучающих центров в диапазоне 7М00 К
4.1 Особенности исследования кинетики люминесценции ионов Ег3+ в 73 диодных структурах Si:Er/Si
4.2 Исследование “эрбиевого” фотоотклика в диодных СМЛЭ структурах 77 Si:Er/Si с ионами эрбия в составе 8Ю2-подобных преципитатов
4.3 “Back transfer” релаксация ионов Ег3+ в составе центров Er-Ol и Ег-1 86 с линейчатой структурой спектра люминесценции
4.4 Исследование подзоиного фотоотклика диодных структур Si:Er/Si
Выводы по главе 4
Заключение
Список публикаций автора по теме диссертации
Список цитируемой литературы

Введение
Актуальность темы
Внутрицентровая люминесценция ионов эрбия в кремнии является одним из интенсивно развиваемых подходов к созданию светоизлучающих структур для кремниевой фотоники. Преимущества данного подхода обусловлены температурной стабильностью и малой шириной линии излучения ионов редкоземельных элементов, в том числе, эрбия, внедренных в полупроводниковую матрицу. Преимущественный интерес к эрбию связан с тем, что линия основного перехода 4/13/2 —5/2 в спектре излучения иона Ег3+ (Л-1.5 мкм) попадает в полосу максимальной прозрачности кварцевых оптоволоконных линий связи.
Особенности технологии и оптические свойства светоизлучающих структур на основе 8пЕг исследовались во множестве работ, опубликованных за последние два десятилетия, большая часть которых посвящена исследованию структур, полученных имплантацией эрбия и некоторых сопутствующих элементов (О, С, Г и др.) в кремниевую подложку. Успехи последних лет, однако, связаны с развитием эпитаксиальных методов роста структур 8пЕг/81 и, прежде всего, метода сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ). СМЛЭ структуры БнЕт/Б! характеризуются высокой интенсивностью люминесценции эрбия и, что более важно, возможностью селективного формирования излучающих центров с заданными свойствами, в том числе, излучающих центров с атомноузкими линиями люминесценции.
Вместе с тем, имеется ряд нерешенных проблем, препятствующих созданию светодиодных, в том числе, лазерных структур на основе впЕт, эффективно излучающих при комнатной температуре. К числу таких проблем, прежде всего, следует отнести сильное температурное гашение эрбиевой люминесценции. Физические процессы, ответственные за температурное гашение люминесценции ионов эрбия, несмотря на пристальное внимание к ним научного сообщества, исследованы недостаточно. Сложность проблемы усугубляется разнообразием излучающих центров, формируемых в слоях 8пЕг при росте светоизлучающих структур. Слоям 8пЕг с различными типами излучающих центров иона Ег3+ присущи специфические особенности возбуждения и девозбуждения эрбия, исследование которых требует структур с преобладанием определенного типа центров.
Данная работа развивает представления об особенностях возбуждения, температурного гашения и безызлучательной релаксации Ег-содержащих излучающих центров с линейчатой структурой спектра люминесценции. Такие центры, в отличие от центров преципитатного

принадлежащих различным ОАЦ. В то же время, спектральные линии, соответствующие центру Ег-1, не наблюдаются в спектрах люминесценции структур, отожженных при 900 °С или 700 °С.
Отметим, что результаты проведенного исследования влияния температур роста и послеростового отжига диодных СМЛЭ структур 8пЕг/81 на спектры ЭЛ этих структур качественно соответствуют сформированным ранее представлениям о формировании излучающих центров в СМЛЭ слоях 8пЕг, полученным при исследовании спектров ФЛ однородно легированных слоев БпЕг [61]. Для нас представленные в данном параграфе результаты важны, во-первых, с точки зрения идентификации излучающих центров, во-вторых, для уточнения режимов роста, поскольку диодные структуры 8пЕг/81 выращивались в новой ростовой установке.
2.3 Электролюминесцентные свойства центра Ег-1 при инжекционной накачке
Среди излучающих центров, рассмотренных в предыдущем разделе, особый интерес представляют центры типа Ег-1. В то время как малые ширины спектральных линий характерны, по-видимому, для многих (если не всех) эрбиевых центров, получаемых в процессе СМЛЭ при низкой температуре роста, в случае центра Ег-1 можно за счет точного подбора условий роста и отжига селективно формировать в образце только один тип излучающих центров (см. рис. 2.2.3). Это исключительно удобно с исследовательской точки зрения, однако в первую очередь привлекает внимание как средство эффективного обужения спектра люминесценции, позволяющее за счет большей спектральной плотности излучения оптимизировать структуры 8пЕг/81 для получения оптического усиления.
На рис. 2.3.1 представлен детальный спектр ЭЛ образца, выращенного при 7ёГ=400 °С и отожженного при Ттп=&00 °С (соответствующий спектру “с” на рис 2.2.3),. Спектр снят с разрешением 1 см’1 и представляет собой серию узких спектральных линий (обозначенных I,), соответствующих излучающему центру Ег-1. В отличие от исследований ФЛ, проведенных при 7=4.2 К, при исследовании ЭЛ 81:Ег/81 диодов минимальная температура измерений ограничивалась вымораживанием примеси в подложке и составляла 7= 30 К (£7-2.6 мэВ). В этих условиях становятся заселенными Штарк-отщепленные подуровни первого возбужденного состояния 4/13/2 иона Ег3+, и, как результат излучательных переходов с этих возбужденных состояний в основное состояние 415/2, возникает ряд дополнительных линий (так называемая “горячая люминесценция” [7], обозначены /.,н). Эти линии также принадлежат центру Ег-1 и смещены относительно