Фотолюминесценция эрбия в In2O3

Abstract

Одним из актуальных вопросов современной физики полупроводников является создание эффективных светоизлучающих приборов, интегрированных с хорошо развитой кремниевой технологией. Создание подобных гибридных устройств откроет перспективу передачи данных по оптическому каналу как между различными процессорами на одной плате, так и между блоками внутри одного процессора, что значительно увеличит скорость обработки информации. Особенный интерес представляют источники излучения в телекоммуникационном диапазоне пропускания оптоволоконных линий связи 1.5 мкм. Эрбий считается перспективным легирующим элементом для создания интегрированных оптоэлектронных приборов на кремнии. Его оптический переход Er+3: 4 I13/2 → 4 I15/2 на длине волны 1.54 мкм попадает в диапазон наименьших потерь оптоволоконных линий. На его основе, например, созданы оптоволоконные лазеры с оптической накачкой. Преимуществом данной системы Er в SiO2 является 100% оптическая активность всех внедренных атомов Er благодаря окружению из атомов кислорода и слабое гашение фотолюминесценции (ФЛ) при комнатной температуре. Недостатком этой системы является большой барьер для инжекции электронов и дырок из кремния в окисел (~3 и 5 эВ). При этом электрическую накачку-возбуждение Er удается осуществить лишь по ударному механизму горячими носителями, что приводит к ограниченно низкой эффективности электролюминесценции. Перспективной так же считается система Er в кремнии. Преимуществом этой системы является полная совместимость с кремниевой технологией и возможность электрической накачки возбуждения по экситонному механизму в результате рекомбинации электронно-дырочных пар. Несмотря на длительные и обширные исследования, начиная с 1983 года с работ Ennen [1] и по настоящее время (см. обзоры [2]) в этой системе остается не решен ряд технологических и физических задач. Во-первых, легирование кремния высокой концентрацией атомов Er в оптически активном состоянии. Во-вторых, проблема обратного девозбуждения атомов Er без эмиссии фотона, которое ведет к эффекту температурного гашения фотолюминесценции при комнатной температуре при возбуждении эрбия в кремнии по экситонному механизму. В работе предложена система в которой предполагается обойти вышеперечисленные трудности. Предлагается исследовать электролюминесценцию Er в пленке оксида металла In2O3, осажденной на кремниевую подложку. Преимуществом данной системы является, во-первых, оптическая активность всех внедренных атомов Er, а так же возможность сильного легирования Er до 10 ат.%. Во-вторых, ожидается отсутствие значимого эффекта температурного гашения люминесценции Er, присущее диэлектрикам. В третьих, относительно небольшая ширина запрещенной зоны In2O3 (непрямая 2.6 эВ [3], прямая 3.7-3.8 эВ [3,4]) позволяет надеяться на эффективную инжекцию обоих типов носителей из кремния, как электронов, так и дырок и реализацию эффективного экситонного механизма возбуждения. В работе возбуждение ФЛ Er в In2O3 планируется осуществить двумя способами. Во-первых, прямым возбуждением уровня Er3+ 2H11/2 19010.8 см-1 (526 нм) [5] с помощью YAG:Nd лазера (527 нм). Во-вторых, с помощью ультра-фиолетового лазера (325 нм), с энергией 3.8 эВ, превышающей ширину запрещенной зоны In2O3 и достаточной для создания электроннодырочных пар в In2O3 и возбуждения эрбия по экситонному механизму. Сравнение температурных зависимостей ФЛ в диапазоне 77-300К для этих двух типов возбуждения позволит подтвердить эффективность экситонного механизма возбуждения для перспективной электролюминесценции (ЭЛ). Кроме того, будут рассмотрены предпосылки получения электролюминесценции (ЭЛ) в предложенной системе: исследована инжекция электронов и дырок в пленки In2O3:Er на кремнии.