Фотолюминесценция, спектры возбуждения и кинетика излучательной релаксации в эпитаксиальных кремниевых структурах, легированных эрбием

• Автор: Яблонский, Артем Николаевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 160 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 Излучающие структуры ни основе кремнии, легированного эрбием

1.1 Структуры на основе кремния, излучающие в ближнем ИК диапазоне

1.2 Излучающие структуры ii.

1.3 Механизм возбуждения ионов Ег в кремнии.

1.4 Методы получения кремниевых структур, легированных эрбием

Глава 2 Методика поучении и экспериментального исследования светоизлучающих

кремниевых структур, легированных эрбием

2.1 Сублимационная молекулярнолучевая эпитаксия структур ii и iI

2.2 Спектроскогшя фотолюминесце щии структур i i в б лиж ем И диа азоне 3

2.3 Методика измерения квантовой эффективности ФЛ излучающих структур
ii в ближнем ИК диапазоне.
2.4 Методика исследования кинетики и спектров возбуждения ФЛ структур
ii в условиях импульсного оптического возбуждения.
Глава 3 Эффективность и температурное гашение эрбиевой ФЛ в СМЛЭ
структурах ii.
3.1 Низкотемпературная ФЛ ионов эрбия в СМЛЭ структурах ii
3.2 Квантовая эффективность ФЛ эрбия в СМЛЭ структурах ii
3.3 Температурное гашение эрбиевой ФЛ в СМЛЭ структурах ii
3.4 ФЛ волноводных эпитаксиальных слоев i, выращенных на подложках
кремнийнаизоляторе I
3.5 Выводы к Главе 3
Глава 4 ФЛ структур ii в условиях интенсивного импульсного оптического
возбуждения.
4.1 Особенности импульсного оптического возбуждения структур i.i
4.2 Зависимость интенсивности эрбиевой ФЛ от мощности возбуждения
область межзонного оптического возбуждения
4.3 Влияние неоднородности оптической накачки на зависимость интенсивности
эрбиевой ФЛ от мощности возбуждения.
4.4 Механизм насыщения эрбиевой ФЛ в условиях интенсивного импульсного
оптического возбуждения.
4.5 Межзонная ФЛ в структурах 8Ег8 в условиях импульсного оптического
возбуждения.
4.6 Кинетика эрбиевой ФЛ в структурах БпЕгЗ и 8Ег
4.7 Выводы к Главе 4
Г лава 5 Спектры возбуждении эрбиевой ФЛ в эпитаксиальных структурах 8Ег8.
Межзоннос и прямое оптическое возбуждение ионов эрбия в кремнии
5.1 Спектры возбуждения эрбиевой ФЛ в эпитаксиальных структурах г8
5.2 Механизм подзонного возбуждения эрбиевой ФЛ в кремнии.
5.3 Прямое оптическое возбуждение ионов эрбия в структурах 8Ег8
5.4 Температурное гашение эрбиевой ФЛ в условиях межзонного и прямого
оптического возбуждения
5.5 Выводы к Главе 5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список работ автора но теме диссертации.
Список цитируемой литературы


Также обнаружено, что при высокой мощности оптической накачки в спектрштьной области, соответствующей краю межзонного поглощения кремния, наблюдается резкое возрастание интенсивности ФЛ эрбия с увеличением длины волны возбуждения и в спектрах возбуждения эрбиевой ФЛ возникает пик с максимумом па длине волны нм. В разделе 5. ФЛ в структурах БкЕг/Бц на основании которых устанавливается механизм возбуждения ФЛ эрбия в условиях подзонной оптической накачки. Также в данном разделе приводятся экспериментальные факты, объясняющие возникновение ника в спектрах возбуждения эрбиевой ФЛ вблизи края межзонного поглощения кремния. Для определения механизма возбуждения эрбиевой ФЛ при подзонной оптической накачке было проведено сравнительное исследование спектров возбуждения эрбиевой и межзонной (экситонной) ФЛ. Было обнаружено, что, несмотря на резкое падение интенсивности экситонной ФЛ при Ьуех < Ее, генерация экситонов в исследуемых структурах БгЕг/Б1 осуществляется и при подзонном оптическом возбуждении. Соотношение интенсивностей эрбиевой и экситонной ФЛ, полученное при межзонной и подзонной накачке, показало, что возбуждение ионов эрбия в кремнии при подзонной накачке происходит, как и в случае межзонного возбуждения, вследствие генерации в исследуемых структурах свободных экситонов. Генерация экситонов в указанных условиях осуществляется, по-видимому, в результате двухступенчатого процесса поглощения с участием глубоких примесных состояний в запрещенной зоне кремния, что подтверждается сверхлинейной зависимостью интенсивности экситонной ФЛ от мощности излучения накачки. Возникновение пика в спектрах возбуждения эрбисвой ФЛ вблизи края собственного поглощения кремния связано с увеличением возбуждаемой области активного слоя БпЕг (и числа возбуждаемых эрбиевых центров) при переходе к подзонному излучению накачки (ХсХ > нм) с низким коэффициентом поглощения в кремнии. В этом случае излучение накачки может эффективно распространяться в объеме исследуемой структуры вследствие многократного отражения от границ образца и возбуждать ионы эрбия в областях активного слоя БГЕг, расположенных вне пятна лазерного излучения. Показано, что при измерении спектра возбуждения ФЛ эрбия в условиях возбуждения всей площади активного слоя БгЕг наблюдается монотонное падение интенсивности эрбиевой ФЛ при увеличении длины волны излучения накачки, и пик в спектре возбуждения эрбиевой ФЛ отсутствует. В разделе 5. ФЛ ионов эрбия в кремнии в условиях прямой оптической накачки перехода |>я—*ш (на длинах волн 1. Описана методика исследования ФЛ эрбия в условиях прямой оптической накачки. Показано, что при высоких уровнях накачки прямое оптическое возбуждение ионов эрбия сопоставимо по эффективности с межзонным при низких температурах и на несколько порядков превосходит эффективность межзонного возбуждения при высоких температурах. В случае прямой оптической накачки сигнал ФЛ ионов эрбия в кремнии наблюдается вплоть до комнатной температуры. В разделе 5. ФЛ в условиях межзонного и прямого оптического возбуждения ионов эрбия в структурах $кЕг/8к Показано, что падение интегральной интенсивности эрбиевой ФЛ с увеличением температуры от до 0 К составляет ~ раз, т. При этом уменьшение времени релаксации эрбиевой ФЛ составило от 1 мс при К до 0. К. Полученный результат свидетельствует о том, что в исследованных структурах 8пЕг/ для значительной доли излучающих эрбиевых центров, возбуждаемых при прямом пог лощении излучения накачки, основные термоактивируемые процессы безызлучательного девозбуждения (оже-девозбуждение равновесными носителями заряда, процесс обратной передачи энергии) являются существенно подавленными вплоть до комнатной температуры. Исследовано влияние подсветки структур :Ег/ непрерывным межзонным излучением на кинетику эрбиевой ФЛ в условиях прямого оптического возбуждения ионов эрбия. Показано, что включение межзонной подсветки приводит к значительному (приблизительно в 2 раза) снижению времени спада эрбиевой ФЛ при комнатной температуре. Таким образом, продемонстрировано эффективное взаимодействие эрбиевых центров, возбуждаемых при прямой оптической накачке, с электронной подсистемой матрицы кремния. В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.