WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 11 Усиление интенсивности спонтанного излучения эрбия вблизи края фотонной зоны распределенных брэгговских отражателей на основе a-Si : H/a-SiOx : H © А.В. Медведев¶, Н.А. Феоктистов, А.Б. Певцов, В.Г. Голубев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 24 марта 2005 г. Принята к печати 8 апреля 2005 г.) Представлены результаты экспериментальных исследований спонтанной эмиссии ионов эрбия в спектральной области края нижайшей фотонной зоны распределенных брэгговских отражателей (одномерных фотонных кристаллов). Фотонные кристаллы состояли из чередующихся четвертьволновых слоев a-Si : H и a-SiOx : H, выращенных методом плазмохимического газофазного осаждения (plasma enhancement chemical vapor deposition). Эрбий вводился в слои a-Si : H магнетронным распылением эрбиевой мишени в процессе роста структуры. Наблюдаемое изменение интенсивности спонтанного излучения обусловлено немонотонным поведением плотности оптических мод вблизи края фотонной зоны.

Характеристики спонтанной эмиссии зависят как от структурой ФК [10]. При этом по сравнению с трехмерсобственных свойств излучающих центра, так и от ными структурами технология изготовления одномерсвойств окружающей его среды. В режиме слабого ных систем существенно проще и лучше контролируема.

взаимодействия атома с электромагнитным полем ве- Изменение интенсивности излучения в одномерных роятность спонтанного излучательного перехода (Wr), ФК — распределенных брэгговских отражателях — РБО (distributed Bragg reflectors — DBR) вблизи края согласно золотому правилу Ферми, пропорциональна ФЗ наблюдалось ранее в периодических структурах плотности фотонных состояний () в окрестности AlAs/AlGaAs с излучающим слоем GaAs [11], в жидкоперехода [1]. Таким образом, модификация плотности кристаллических брэгговских структурах [12], брэгговмод по сравнению с их распределением в свободном пространстве дает возможность изменять Wr и, соот- ских структурах на основе аморфных нитридов и оксида кремния [13–15]. В настоящей работе мы представляем ветственно, интенсивность спонтанного излучения [2].

экспериментальные результаты по исследованию модиДля реализации идеи, высказанной в [2], наиболее фикации спонтанного излучения ионов эрбия, обусловподходящими объектами являются фотонные кристаллы ленной немонотонным поведением плотности фотонных (ФК) — структуры с периодической пространственной мод в районе края нижайшей ФЗ одномерных ФК, модуляцией диэлектрической проницаемости с периопредставляющих собой РБО из чередующихся слоев дом, сравнимым с длиной волны света. Эта периоa-Si : H/a-SiOx : H. Выбор объектов исследования обудичность, по аналогии с электронной зонной структусловлен следующими обстоятельствами, важными для рой атомных кристаллов, обусловливает возникновение технических приложений: во-первых, технология получефотонной зонной структуры. Наличие фотонных зон ния пленок a-Si : H и a-SiOx : H относительно проста, сов(ФЗ) позволяет управлять взаимодействием излучаюместима со стандартной кремниевой технологией и шищего центра, помещенного внутрь ФК, с электромагроко используется в промышленности для производства нитным полем и тем самым подавлять или усиливать тонкопленочных транзисторов и солнечных батарей; воинтенсивность излучения [3,4]. Возможность сильной вторых, излучательный переход иона эрбия из первого модификации эмиссии в ФК открывает перспективу привозбужденного в основное состояние расположен в менений этих материалов, например, в современных сиспектральной области 1.5 мкм, совпадающей с окном стемах передачи информации [5] и высокоэффективных прозрачности в оптоволоконных линиях связи [16].

термофотовольтаических преобразователях [6]. НаибоОбразцы одномерных фотонных кристаллов (рис. 1, a) лее интересными объектами для исследования влияния выращивались методом высокочастотного (RF) разложесвойств ФК на характеристики спонтанной эмиссии явния аргоно-силановой смеси в плазме тлеющего разряда ляются трехмерные структуры [7–9]. Именно в таких ФК (glow discharge) по технологии, аналогичной [17–19].

возможна реализация полной фотонной запрещенной В качестве источников спонтанной эмиссии мы выбрали зоны (photonic band gap) и запрет распространения ионы эрбия, которые в отличие от [17–19] вводились излучения во всех направлениях в соответствующем в слои a-Si : H в процессе роста брэгговской структуры спектральном диапазоне. Вместе с тем следует отметить, магнетронным распылением эрбиевой мишени. Мишень что и на примере одномерных ФК возможно экспериразмещалась в технологическом реакторе вне зоны выментальное и теоретическое исследование специфики сокочастотного газового разряда и не влияла на расвзаимодействия излучательных центров с периодической пределение электрического поля в разрядном промежут¶ E-mail: Medvedev@gvg.ioffe.ru ке. Развитая технология позволяла легировать эрбием 1404 А.В. Медведев, Н.А. Феоктистов, А.Б. Певцов, В.Г. Голубев последующих слоев. Поэтому для повышения точности измерения оптических толщин регистрация сигнала проводилась в спектральном диапазоне сильного изменения коэффициента отражения, вне фотонной запрещенной зоны.

Процесс роста структуры начинался со слоя a-Si : H.

В начальный момент времени коэффициент отражения определялся только подложкой (стекло) и был минимален. По мере увеличения толщины d пленки a-Si : H интенсивность отраженного света возрастала, достигала максимума при d = /4nb, а затем уменьшалась. При прохождении сигнала отражения через минимум выполнялось переключение потоков газов, и начинался рост пленки a-SiOx : H с показателем преломления na.

Затем цикл осаждения повторялся. Выращенные образцы РБО состояли из 13 чередующихся четвертьволновых слоев a-Si : H и a-SiOx : H. Оптические толщины структур варьировались в процессе их роста заданным образом, что позволяло сдвигать положение края ФЗ РБО относительно Er как в коротковолновую, так и в длинноволновую сторону. Общая толщина структуры без учета подложки составляла 1.7 мкм.

Фотолюминесценция ионов эрбия возбуждалась излуРис. 1. a — схема 13-слойной брэгговской структуры, состоячением криптонового лазера с длиной волны 647.1 нм.

щей из чередующихся слоев a-Si : H и a-SiOx : H. Три центральРегистрация спектров пропускания и фотолюминесценных слоя a-Si : H структуры легированы эрбием. b —спектр ции осуществлялась в направлении, совпадающем с пропускания структуры, приведенный на рис. 1, a. Стрелкой показана длина волны Er = 1535 нм, соответствующая излу- нормалью к поверхности брэгговской структуры, с помочательному переходу ионов эрбия из первого возбужденного щью автоматизированного решеточного монохроматора состояния в основное. Штриховым кружком отмечен краевой в режиме синхронного детектирования. Приемником интерференционный максимум.

излучения служил InGaAs-фотодиод. Все измерения проводились при комнатной температуре.

Экспериментальный спектр пропускания одной из полученных структур показан на рис. 1, b. Видна широкая любой слой a-Si : H в процессе роста. В выращенных область малого пропускания (850–1550 нм), соответобразцах были легированы центральные слои a-Si : H ствующая одномерной фотонной запрещенной зоне, в (см. рис. 1, a), что позволило увеличить количество пределах которой плотность фотонных мод близка к излучающих центров внутри ФК и тем самым повысить нулю и распространение электромагнитных волн в наинтенсивность сигнала фотолюминесценции.

правлении, перпендикулярном поверхности брэгговской Параметры РБО подбирались таким образом, чтоструктуры, подавлено. Вне этой области (зоны разребы край нижайшей ФЗ находился в спектральной обшенных состояний) фотоны распространяются свободно, ласти излучательного оптического перехода иона эри в спектре наблюдается сложная интерференционная бия из первого возбужденного состояния в основное картина, обусловленная конечной толщиной брэгговской (Er = 1535 нм). Для этой цели проводился предвариструктуры.

тельный расчет оптических толщин отдельных слоев В идеальном случае неограниченного одномерного структуры, в котором использовались данные эллипсоФК при отсутствии диссипации в зависимости плотности метрических измерений показателей преломления конфотонных мод от частоты должна появляться сингуляртрольных (reference) пленок a-SiOx : H (na = 1.46) и ность на краю ФЗ (() dk/d, k —волновой a-Si : H (nb = 3.44).

вектор) [20]. В реальных структурах конечного размера В процессе роста брэгговской структуры контроль в спектральном диапазоне нижайшей по энергии ФЗ оптических толщин слоев осуществлялся in situ по по мере возрастания частоты плотность фотонных мод интерференционной картине, возникающей при реги- увеличивается и вблизи края ФЗ достигает максимума, страции отраженного сигнала от поверхности растущей величина которого превышает соответствующее значепленки. Следует отметить, что при последовательном ние () в свободном пространстве [7,11,21]. Далее в осаждении слоев РБО коэффициент отражения в спек- области запрещенной фотонной зоны () резко падает.

тральной области фотонной запрещенной зоны по мере Согласно выводу электромагнитной вариационной теоее формирования быстро приближается к 100% и в ремы [22], плотность энергии электромагнитного поля дальнейшем меняется незначительно при наращивании в ФК на частотах, соответствующих нижайшей ФЗ, Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Усиление интенсивности спонтанного излучения эрбия вблизи края фотонной зоны... рис. 3 приведены спектры пропускания (рис. 3, a) и люминесценции (рис. 3, b) трех брэгговских структур со специально подобранными спектральными положениями краевого интерференционного максимума в спектре пропускания относительно положения пика Er в одиночной пленке a-Si : H: 1) структура #1 — краевой интерференционный максимум пропускания сдвинут к коротким длинам волн относительно Er; энергия излучательного перехода попадает в область фотонных состояний нижайшей ФЗ, где плотность мод заметно меньше по Рис. 2. Спектры фотолюминесценции 13-слойных брэгговских структур, состоящих из чередующихся слоев a-Si : H и a-SiOx : H с легированными эрбием тремя центральными слоями a-Si : H. Графики различаются положениями краевого интерференционного максимума в спектре пропускания, нм (см. рис. 1, b): 1 — 1365, 2 — 1410, 3 — 1495, 4 — 1535, 5 — 1555, 6 — 1595. Спектр излучения ионов эрбия в одиночной пленке a-Si : H (7) сдвинут, для наглядности, по оси ординат.

концентрируется в областях с высоким показателем преломления, т. е. в слоях a-Si : H для образцов, исследованных в настоящей работе. Из вышесказанного следует, что влияние периодической структуры ФК на взаимодействие излучающих эрбиевых центров с электромагнитным полем в наших структурах сильнее должно проявляться в спектральной области, соответствующей краю нижайшей ФЗ.

Все последующие измерения (рис. 2–4) проводились в спектральной области края нижайшей ФЗ. Как уже говорилось, исследованные образцы несколько отличались толщинами слоев, что приводило к смещению спектрального положения „краевого“ интерференционного максимума (отмечен кружком на рис. 1, b). На рис. 2 приведены спектры люминесценции шести (кривые 1-6) РБО с различными положениями краевого интерференционного максимума, измеренные при одинаковых условиях возбуждения и регистрации сигнала фоРис. 3. Сопоставление спектров пропускания (a) и фототолюминесценции. Кривая 7 соответствует неоднородно люминесценции (b) трех брэгговских структур с различным уширенной полосе излучения ионов эрбия в одиночной спектральным положением краевого интерференционного макпленке a-Si : H. Из рисунка видно, что распределение симума относительно длины волны (Er = 1535 нм), соответосновных (наиболее интенсивных) максимумов в спекствующей излучательному переходу ионов эрбия из первого трах излучения брэгговских структур воспроизводит возбужденного состояния в основное. Энергия излучательного контур фотолюминесценции ионов эрбия в одиночной перехода попадает в область разрешенных состояний нижайпленке a-Si : H.

шей фотоной зоны вдали от ее края (1); энергия излучательноПерейдем теперь к рассмотрению влияния немоного перехода расположена в области края нижайшей фотонной тонного поведения плотности фотонных мод вблизи зоны (2); энергия излучательного перехода попадает в область края ФЗ на интенсивность излучения ионов эрбия. На запрещенной фотонной зоны (3).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1406 А.В. Медведев, Н.А. Феоктистов, А.Б. Певцов, В.Г. Голубев сравнению с ее значением на краю [21] (в этом случае Er находится в районе второго интерференционного пика, характеризуемого большим значением коэффици ента пропускания по сравнению с краевым интерференционным максимумом); 2) структура #2 — краевой интерференционный максимум пропускания совпадает с Er; энергия излучательного перехода лежит в области края ФЗ, где плотность фотонных мод максимальна;

3) структура #3 — краевой интерференционный максимум пропускания сдвинут в длинноволновую сторону относительно Er; энергия излучательного перехода попадает в область запрещенной зоны, характеризующуюся низкой плотностью фотонных состояний.

Из сопоставления спектров пропускания и фотолюминесценции, представленных на рис. 3, видно, что интенсивность излучения максимальна, когда Er (кривая 2, рис. 3, b) лежит в районе краевого интерференционного максимума пропускания и заметно уменьшается при сдвиге этого максимума как в коротковолновую (криРис. 4. 1 — спектр излучения ионов эрбия из четвертьволвая 1), так и в длинноволновую сторону (кривая 3) новой пленки на поверхности семислойной брэгговской струкотносительно Er. Подчеркнем, что для брэгговской туры, состоящей из чередующихся слоев a-Si : H и a-SiOx : H структуры #1 падение интенсивности фотолюминесцен(правая часть структуры, изображенной на рисунке). 2 — ции на длине волны Er (кривая 1, рис. 3, b) наблюдается, спектр излучения ионов эрбия из центрального четвертьволнесмотря на то, что коэффициент пропускания (кри- нового слоя 13-слойной брэгговской структуры, состоящей из чередующихся слоев a-Si : H и a-SiOxH (левая часть структуры, вая 1, рис. 3, a) в этой области превышает его величину в изображенной на рисунке). Спектр 2 измерен в условиях, районе краевого интерференционного максимума. Этот когда энергия излучательного перехода ионов эрбия из первого факт свидетельствует о том, что наблюдаемое увеличевозбужденного состояния в основное расположена в области ние (уменьшение) интенсивности фотолюминесценции края нижайшей фотонной зоны.

не коррелирует с периодической модуляцией прозрачности брэгговской структуры [17,23], а является следствием немонотонного изменения плотности оптических мод в одномерном фотонном кристалле.

Pages:     || 2 |



© 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.