WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 Эффективное сечение возбуждения фотолюминесценции и время жизни в возбужденном состоянии ионов Er3+ в многослойных селективно легированных Si : Er-структурах © С.В. Гастев, А.М. Емельянов, Н.А. Соболев¶, Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник, В.Б. Шмагин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603095 Нижний Новгород, Россия (Получена 17 января 2003 г. Принята к печати 21 января 2003 г.) Измерены эффективное сечение возбуждения фотолюминесценции и время жизни ионов эрбия в возбужденном состоянии для структур Si : Er/Si/Si : Er/Si.../Si, изготовленных в процессе сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии. Полученные результаты показывают, что значительное повышение интенсивности фотолюминесценции ионов эрбия в селективно легированном кремнии по сравнению с однородно легированным не связано с изменениями излучательного времени жизни, эффективного сечения возбуждения и времени жизни ионов эрбия в возбужденном состоянии.

1. Введение Цель настоящей работы — определение эффективного сечения возбуждения ФЛ ионов эрбия, кинетики спада фотолюминесценции ионов эрбия для периодически леИсследования фотолюминесценции (ФЛ) полупрогированных Si : Er-структур и выделение наиболее вероводниковых структур, легированных редкоземельными ятной из перечисленных выше причин, определяющей элементами, направлены на создание новых источниэффект повышения интенсивности ФЛ в периодически ков излучения для оптоэлектроники. Многочисленные легированных структурах по сравнению с однородно публикации посвящены люминесценции ионов эрбия легированными.

в кремнии (см., например, [1–17]). Актуальными задачами в этой области остаются повышение интенсивности люминесценции ионов эрбия и эффективности возбужде2. Экспериментальные условия ния люминесценции. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) получения легированных эрбием кремниЭпитаксиальные структуры Si : Er/Si/Si : Er/.../Si были евых слоев [4–7] в настоящее время позволяет достивыращены методом сублимационной МЛЭ на кремгать значительной интенсивности ФЛ ионов эрбия при ниевых подложках, легированных бором, с удельным низких температурах. При исследовании структур, полу- сопротивлением 10 Ом · см и ориентацией (100) [7].

ченных методом сублимационной МЛЭ, было показано, Чередующиеся эпитаксиальные слои Si : Er с концентрачто формирование периодически легированных струк- цией эрбия 1018см-3 (по данным вторично-ионной тур, в которых слои чистого Si чередуются с наноразмер- масс спектрометрии для однородно легированных слоев, ными слоями кремния, легированного эрбием, (Si : Er), выращенных в аналогичных условиях) толщиной 4.5 нм позволяет значительно увеличить интенсивность ФЛ и нелегированные слои Si толщиной 19 нм формиионов эрбия по сравнению с однородно легированны- ровались в процессе сублимации разогреваемых томи [7,13]. Увеличение интенсивности ФЛ в таких струк- ком пластин поликристаллического Si, легированного турах может быть обусловлено как увеличением концен- эрбием, и монокристаллического Si с удельным сотрации возбуждаемых оптически активных центров, так противлением 1000 Ом · см соответственно. Температуи уменьшением излучательного времени жизни (rad) ра подложки составляла 570C. Структура содержаионов Er3+ по сравнению с однородно легированными ла 94 (Si : Er)/Si-периода.

структурами. Это заключение следует из того, что ФЛ возбуждалась при температуре 78 K излучениинтенсивность ФЛ прямо пропорциональна количеству ем аргонового лазера, работающего на длине волны возбужденных ионов эрбия и обратно пропорциональ- = 488 нм. Для амплитудной модуляции излучения исна rad [3,8]. Ответ на вопрос, какая из перечисленных пользовался электромеханический модулятор, обеспепричин является главной, до настоящего времени по- чивающий времена переключения < 30 мкс. Излучение лучен не был. Не определенными для таких структур структур с поверхности фокусировалось линзовой сиоставались и параметры, характеризующие эффектив- стемой на входную цель монохроматора и на его выность преобразования световой энергии: эффективное ходе регистрировалось неохлаждаемым диодом InGaAs сечение возбуждения ФЛ ионов эрбия и эффективное с разрешением = 3 нм в диапазоне = 1.0-1.65 мкм.

время жизни ионов эрбия в возбужденном состоянии. При измерении кинетики спада ФЛ постоянная времени отклика приемника с системой регистрации не превыша¶ E-mail: nick@sobolev.ioffe.ru ла 5 мкс.

7 1124 С.В. Гастев, А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник, В.Б. Шмагин кривой, аппроксимирующей экспериментальные результаты на рис. 2, величина ef f, определенная по формуле (1), составила 6.8 · 10-19 см2с.

Для независимого определения времени жизни ионов эрбия в возбужденном состоянии и последующего вычисления на основании этой величины ef f в настоящей работе исследовалась кинетика спада ФЛ. Зависимость интенсивности ФЛ от времени t при мощности излучения аргонового лазера 10 мВт представлена на рис. 3.

Рис. 1. Спектр фотолюминесценции структуры при 78 K.

3. Результаты и обсуждение Спектр ФЛ образца при температуре 78 К показан на рис. 1. В исследованной области спектра наблюдается только пик с максимумом при 1.54 мкм, обусловленный излучательными переходами электронов между уровнями I13/2 (первое возбужденное состояние) и I15/2 (основное состояние) ионов Er3+, расРис. 2. Зависимость интенсивности ФЛ на = 1.538 мкм щепленными в кристаллическом поле. Ранее исследопри 78 K от плотности потока фотонов F аргонового лазера, вания спектров ФЛ этих образцов были проведены проникающих в образец в единицу времени.

на фурье-спектрометре BOMEM DA3.36 с разрешением до 0.5 см-1 при 4.2 K и опубликованы в [16] (образец 64). Было установлено, что доминирующим цетром является хорошо известный комплекс Er с кислородом (центр Er-01 с наиболее интенсивными перходами при 6507 и 6472 см-1), и отсутствуют принадлежащие краевым дислокациям так называемые D1 линии, положение которых, в отличие от спектральных линий Er-содержащих центров, зависит от температуры [17].

С ростом интенсивности возбуждающего света интенсивность ФЛ возрастала, стремясь к насыщению.

На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость интенсивности эрбиевой ФЛ при 78 K от плотности потока фотонов F аргонового лазера, проникающих в образец в единицу времени. Величина F определялась с учетом потерь в оптическом тракте и отражения от поверхности кремния. Согласно [8], зависимость интенсивности фотолюминесценции (PL) от F может быть описана формулой PL = Aef f F/(1 + ef f F), (1) где ef f — эффективное сечение возбуждения ФЛ, — Рис. 3. Зависимость интенсивности ФЛ от времени после время жизни ионов эрбия в возбужденном состоянии, выключения подачи излучения аргонового лазера мощноA — постоянная, не зависящая от ef f, и F. Для стью 10 мВт на образец.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Эффективное сечение возбуждения фотолюминесценции и время жизни в возбужденном состоянии... девозбуждения ионов Er3+ в кремнии предполагают наличие температурной зависимости, многие исследователи полагают, что с большой долей вероятности max rad. Измеренное нами при T = 78 K значение менее чем в 2 раза отличается от max (T = 15 K) и очень близко к времени спада сигнала ФЛ (1.3 мс при T = 78 K) [14] в однородно легированных эпитаксиальных слоях Si : Er, выращенных методом сублимационной МЛЭ, в то время как интенсивность ФЛ в результате селективного легирования возрастала почти на порядок величины [7,13]. Полученный результат показывает, что уменьшение излучательного времени жизни иона Er3+ не является доминирующим фактором повышения интенсивности ФЛ в периодически легированном кремнии по сравнению с однородно легированным.

Вычисленная на основании найденных значений ef f и величина ef f составила 0.6 · 10-15 см2 при T = 78 K, мощности излучения аргонового лазера до 20 мВт и диаметре сечения светового потока 1.5 мм.

В литературе приведены значения эффективного сеРис. 4. Зависимость постоянной времени спада ФЛ ионов чения возбуждения иона Er3+ в однородно легироэрбия от мощности P излучения аргонового лазера.

ванных слоях монокристаллического кремния, определенные для случая низких температур и малых мощностей накачки P: ef f = 3 · 10-15 см-2 (T 15 K, Моменту времени t = 0 соответствует время выключеP < 1 мВт, диаметр сечения светового потока 1 мм) [10] ния подачи излучения аргонового лазера на образец.

и ef f = 5.2 · 10-15 см2 (T 4K, P 10 мкВт) [11]. Учи Скорость убывания концентрации NEr возбужденных тывая уменьшение эффективного сечения возбуждения ионов эрбия после выключения лазерного луча, как с ростом температуры и мощности накачки [10,11], известно (см., например, [8,9]), описывается формулой можно полагать, что величина ef f для периодически легированных СМЛЭ структур близка к таковой для dNEr/dt = -NEr/. (2) однородно легированных слоев.

Решение уравнения (2):

NEr = NEr exp(-t/ ), (3) 4. Заключение где NEr — начальная концентрация возбужденных ионов В работе впервые измерены эффективное сечение эрбия. Поскольку интенсивность люминесценции прямо возбуждения ФЛ и время жизни ионов эрбия в воз пропорциональна NEr, постоянная времени d спада бужденном состоянии для периодических структур сигнала ФЛ после выключения аргонового лазера равна Si : Er/Si/Si : Er/Si.../Si, легированых в процессе субливремени жизни ионов эрбия в возбужденном состоянии.

мационной МЛЭ. Полученные результаты показывают, Как видно из рис. 3, кинетика спада люминесценчто значительное повышение интенсивности ФЛ ионов ции хорошо описывается экспоненциальной функцией эрбия в периодически легированном кремнии по сравс одной постоянной времени спада. Зависимость d нению с однородно легированным не связано с измеот мощности излучения аргонового лазера представлена нениями излучательного времени жизни, эффективного на рис. 4. Практически d не зависела от мощности сечения возбуждения и времени жизни ионов эрбия излучения лазера в исследованном диапазоне мощностей в возбужденном состоянии.

и составляла 1.14 ± 0.03 мс. Эта величина близка Работа частично поддержана РФФИ (гранты к максимальной величине (max 2мс) времени жизни № 02-02-16374, № 02-02-16773), РФФИ Бюро научнов возбужденном состоянии ионов эрбия, зарегистриротехнического сотрудничества Австрии (грант ванном в кремнии при неселективном легировании при № 01-02-02000 БНТС_а) и INTAS (грант 2001-0194).

T = 15 K [10]. Максимальная величина обычно достигается при достаточно низких температурах и в разных работах для однородно легированного кремния варьируСписок литературы ется в пределах 1-2мс [10–12]. Причем величина практически постоянна при температурах, когда про[1] Н.А. Соболев. ФТП, 29, 1153 (1995).

исходит вымерзание свободных носителей заряда (см., [2] A. Polman. J. Appl. Phys., 82, 1 (1997).

например, [11]). Поскольку все изученные к настояще- [3] S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo. MRS Bulletin, Iss. 23, му времени эффективные механизмы безызлучательного 25 (1998).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1126 С.В. Гастев, А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник, В.Б. Шмагин [4] J. Stimmer, A. Reitinger, E. Neufeld, G. Abstreiter, Effective cross section H. Holzbrecher, U. Breuer, Ch. Buchal. Thin Sol. Films, 294, for photoluminescence excitation 220 (1997).

and lifetime of excited Er3+ ions [5] R. Serna, J.H Shin, M. Lohmeier, E. Vlieg, A. Polman, in selectively doped multilayer Si : Er P.F.A. Alkemade. J. Appl. Phys., 79, 2658 (1996).

[6] W.-X. Ni, K.B. Joelsson, C. X. Du, I.A. Buyanova, G. Pozina, structures W.M. Chen, G.V. Hansson, B. Monemar, J. Gardenas, S.V. Gastev, A.M. Emel’yanov, N.A. Sobolev, B.G. Svensson. Appl. Phys. Lett., 70, 3383 (1997).

B.A. Andreev, Z.F. Krasil’nik, V. Shmagin [7] B. Andreev, V. Chalkov, O. Gusev, A. Emel’yanov, Z. Krasil’nik, V. Kuznetsov, P. Pak, V. Shabanov, V. Shengurov, Ioffe Physicotechnical Institute, V. Shmagin, N. Sobolev, M. Stepikhova, S. Svetlov. NanoRussian Academy of Science, technology, 13, 97 (2002).

194021 St. Petersburg, Russia [8] М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, П.Е. Пак, И.Е. Теруков, И.Н. Яс Institute for Physics of Microstructures, сиевич. ФТТ, 43, 601 (2001).

Russian Academy of Science, [9] S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo. Appl. Phys. Lett., 69, 603095 Nizhnii Novgorod, Russia 2077 (1996).

[10] F. Priolo, G. Franzo, S. Coffa, A. Carnera. Phys. Rev., B, 57, 4443 (1998).

Abstract

An effective cross section for photoluminescence [11] J. Palm, F. Gan, B. Zheng, J. Michel, L.C. Kimerling. Phys.

excitation and lifetime of erbium ions in an excited state have Rev., B, 54, 17 603 (1996).

been determined in Si : Er/Si/Si : Er/Si.../Si structures fabricated [12] P.B. Klein, G.S. Pomrenke. Electron. Lett., 24, 1503 (1988).

by sublimation molecular beam epitaxy technique. The results [13] B.A. Andreev, Z.F. Krasil’nik, M.V. Stepikhova, A.N. Yabobtained show that a remarkable enhancement of erbium ion pholonsky, V.P. Kuznetsov, W. Jantsch, D.I. Kuritzyn. Proc.

toluminescence intensity in selectively doped silicon, as compared 26th Int. Conf. Physics of Semicond., July 29–Aug. 2, 2002, with that in an uniformly doped silicon, is not connected with Edinburgh (2003).

changes in the radiative lifetime, as well as with those in the [14] Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник, В.П. Кузнецов, А.О. Солeffective cross section for excitation and lifetime of erbium ions даткин, М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, И.Н. Яссиевич. ФТТ, 43, 979 (2001). in the excited state.

[15] O.B. Gusev, M.S. Bresler, P.E. Pak, I.N. Yassievich. Phys. Rev.

B, 64, 075 302 (2001).

[16] M. Stepikhova, B. Andreev, V. Kuznetsov, Z. Krasil’nik, A. Soldatkin, V. Shmagin, M. Bresler. Sol. St. Phenomena, 82–84, 629 (2002).

[17] N.A. Sobolev, O.B. Gusev, E.I. Shek, V.I. Vdovin, T.G. Yugova, A.M. Emel’yanov. Appl. Phys. Lett., 72, 3326 (1998).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.