【摘要】：隨著摩爾定律走向失效,用于連接不同微電子器件的金屬導(dǎo)線,成為制約硅基微電子器件進(jìn)一步提升信號(hào)傳輸速率的主要因素。金屬導(dǎo)線在金屬-金屬界面的本征阻抗和接觸電阻導(dǎo)致了信號(hào)傳輸?shù)难舆t,完全解決這個(gè)問(wèn)題需要發(fā)展光電子器件,并在不同光電子器件之間實(shí)現(xiàn)光學(xué)連接。由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體,發(fā)光效率很低,而實(shí)現(xiàn)全光學(xué)連接需要有高效的硅基光源,因此集成光學(xué)器件的發(fā)展緩慢。研究發(fā)現(xiàn)將鉺離子引入硅基材料中是實(shí)現(xiàn)硅基光源的重要途徑。由于鉺離子發(fā)射出光子的波長(zhǎng)為1.54μm,處在石英光纖的最小吸收損耗窗口上,對(duì)光纖通訊有很重要的意義,這使得硅基摻鉺材料有了更多的應(yīng)用場(chǎng)景。本文著重于對(duì)摻鉺氧化鋅薄膜的紅外熒光效率進(jìn)行研究,圍繞注入硅離子對(duì)摻鉺氧化鋅薄膜物理和光學(xué)特性的影響、多層結(jié)構(gòu)對(duì)摻鉺氧化鋅薄膜熒光的影響以及硅納米團(tuán)簇和鉺離子之間的能量傳遞機(jī)制等內(nèi)容進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究和分析,并取得了以下結(jié)果:1.通過(guò)磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)了摻鉺氧化鋅薄膜,利用離子注入技術(shù)將不同劑量的硅離子摻雜到薄膜當(dāng)中,并在氮?dú)猸h(huán)境中對(duì)注入樣品進(jìn)行了不同溫度的退火處理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)高溫退火的薄膜并沒(méi)有出現(xiàn)熒光淬滅的現(xiàn)象。在薄膜內(nèi)部出現(xiàn)了新的硅酸餌結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)使Er3+離子在高溫退火過(guò)程中保持了光學(xué)活性。另外,氧化鋅在高溫退火之后結(jié)晶性變差,晶向也發(fā)生了改變,對(duì)于Er3+離子的發(fā)光產(chǎn)生了影響。2.利用脈沖激光沉積技術(shù)生長(zhǎng)了不同厚度的摻鉺氧化鋅薄膜,通過(guò)離子注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同劑量硅離子的摻雜,并在O2或N2環(huán)境中對(duì)樣品進(jìn)行退火處理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)退火溫度達(dá)到1100℃之后,Er3+離子熒光信號(hào)有較大的增強(qiáng),同時(shí)薄膜內(nèi)也觀察到了硅納米團(tuán)簇,分析表明硅納米團(tuán)簇和Er3+離子之間的能量傳遞是熒光增強(qiáng)的主要原因。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)近紅外波段的兩個(gè)典型熒光峰分別來(lái)自Si(1.16μm)和Er(1.54μm),其中襯底Si擴(kuò)散并在SiO2/Si界面處形成的區(qū)域位錯(cuò),界面處的應(yīng)力場(chǎng)作用于區(qū)域位錯(cuò)中的Si,使電子和空穴突破禁帶的限制,在泵浦光的激發(fā)下發(fā)出1.16μm的光子。由于襯底Si的擴(kuò)散對(duì)于Er3+離子的發(fā)光是抑制作用,所以1.16μm和1.54μm熒光信號(hào)是一種競(jìng)爭(zhēng)性關(guān)系。不同的退火溫度對(duì)應(yīng)的Er3+離子熒光信號(hào)有較大差異,主要是受高溫退火導(dǎo)致的Er3+離子光學(xué)失活和Si納米團(tuán)簇能量傳遞效率的影響。3.通過(guò)磁控濺射方法生長(zhǎng)了厚度約為97nm的摻鉺氧化鋅薄膜,并通過(guò)PECVD方法在摻鉺氧化鋅薄膜上層生長(zhǎng)了一層SiO2薄膜,實(shí)現(xiàn)了一種三明治夾層結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)高溫退火后,附加的二氧化硅層在不影響鉺熒光的同時(shí)對(duì)氧化鋅層起到了保護(hù)作用。另外,存在一個(gè)閾值溫度,只有當(dāng)退火溫度超過(guò)閾值溫度時(shí),薄膜中的熒光增強(qiáng)機(jī)制才開始建立。通過(guò)透射電鏡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)薄膜的熒光增強(qiáng)主要來(lái)自于薄膜內(nèi)3-5nm的納米硅團(tuán)簇。由于摻鉺氧化鋅薄膜的厚度太薄,Er3+離子的數(shù)量不足,1.54μm的熒光無(wú)法得到進(jìn)一步的提升。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN256;O484.41

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3 楊f，

本文編號(hào)：2589738