Фотолюминесценция эрбия в In2O3

Одним из актуальных вопросов современной физики полупроводников является созданиеэффективных светоизлучающих приборов, интегрированных с хорошо развитой кремниевойтехнологией. Создание подобных гибридных устройств откроет перспективу передачи данных пооптическому каналу как между различными процессорами на одной плате, так и между блокамивнутри одного процессора, что значительно увеличит скорость обработки информации. Особенныйинтерес представляют источники излучения в телекоммуникационном диапазоне пропусканияоптоволоконных линий связи 1.5 мкм.Эрбий считается перспективным легирующим элементом для создания интегрированных оптоэлектронных приборов на кремнии. Его оптический переход Er+3: 4I13/2 →4I15/2 на длине волны 1.54мкм попадает в диапазон наименьших потерь оптоволоконных линий. На его основе, например,созданы оптоволоконные лазеры с оптической накачкой. Преимуществом данной системы Er в SiO2является 100% оптическая активность всех внедренных атомов Er благодаря окружению из атомовкислорода и слабое гашение фотолюминесценции (ФЛ) при комнатной температуре. Недостаткомэтой системы является большой барьер для инжекции электронов и дырок из кремния в окисел (~3 и5 эВ). При этом электрическую накачку-возбуждение Er удается осуществить лишь по ударномумеханизму горячими носителями, что приводит к ограниченно низкой эффективностиэлектролюминесценции. Перспективной так же считается система Er в кремнии. Преимуществомэтой системы является полная совместимость с кремниевой технологией и возможностьэлектрической накачки возбуждения по экситонному механизму в результате рекомбинацииэлектронно-дырочных пар. Несмотря на длительные и обширные исследования, начиная с 1983 года сработ Ennen [1] и по настоящее время (см. обзоры [2]) в этой системе остается не решен рядтехнологических и физических задач. Во-первых, легирование кремния высокой концентрациейатомов Er в оптически активном состоянии. Во-вторых, проблема обратного девозбуждения атомовEr без эмиссии фотона, которое ведет к эффекту температурного гашения фотолюминесценции прикомнатной 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 накремниевую подложку. Преимуществом данной системы является, во-первых, оптическая активностьвсех внедренных атомов Er, а так же возможность сильного легирования Er до 10 ат.%. Во-вторых,ожидается отсутствие значимого эффекта температурного гашения люминесценции Er, присущеедиэлектрикам. В третьих, относительно небольшая ширина запрещенной зоны In2O3 (непрямая 2.6эВ [3], прямая 3.7-3.8 эВ [3,4]) позволяет надеяться на эффективную инжекцию обоих типовносителей из кремния, как электронов, так и дырок и реализацию эффективного экситонногомеханизма возбуждения. В работе возбуждение ФЛ Er в In2O3 планируется осуществить двумяспособами. Во-первых, прямым возбуждением уровня Er3+ 2H11/2 19010.8 см-1(526 нм) [5] с помощьюYAG:Nd лазера (527 нм). Во-вторых, с помощью ультра-фиолетового лазера (325 нм), с энергией 3.8эВ, превышающей ширину запрещенной зоны In2O3 и достаточной для создания электроннодырочных пар в In2O3 и возбуждения эрбия по экситонному механизму. Сравнение температурныхзависимостей ФЛ в диапазоне 77-300К для этих двух типов возбуждения позволит подтвердитьэффективность экситонного механизма возбуждения для перспективной электролюминесценции(ЭЛ). Кроме того, будут рассмотрены предпосылки получения электролюминесценции (ЭЛ) впредложенной системе: исследована инжекция электронов и дырок в пленки In2O3:Er на кремнии.