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在微電子應(yīng)用中起主導(dǎo)作用的Si，在光子學(xué)領(lǐng)域的表現(xiàn)卻不盡人意。這是由于Si屬間接帶隙結(jié)構(gòu)，使其不能有效發(fā)光，因而被認(rèn)為是不適合在光電子領(lǐng)域中應(yīng)用的。人們想了很多辦法以克服它的這個(gè)缺陷。其中Si中稀土摻雜的方法為人們所關(guān)注。稀土Er3+離子第一激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷發(fā)出的光波長(zhǎng)為1.54/μm，正好對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)石英光纖的最小吸收窗口。因此摻鉺硅在光通信的應(yīng)用方面具有極大的潛力。摻鉺硅在77 K溫度下的PL和EL首先在1983～1985年被Ennen等得到，從而引發(fā)了大規(guī)模的研究，旨在開(kāi)發(fā)摻鉺硅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能，并將其擴(kuò)展到室溫工作。然而，直到1993年的研究表明，制作室溫下高效發(fā)光的摻鉺硅器件是不現(xiàn)實(shí)的。主要有以下幾個(gè)原因：
(1)Er在Si中的固溶度低(1 300℃時(shí)約1×1016cm-3)，阻止了高濃度Er的摻入;
(2)強(qiáng)的非輻射衰減機(jī)制，使摻鉺硅發(fā)光強(qiáng)度從77 K至室溫時(shí)衰減了3個(gè)數(shù)量級(jí)，室溫下的發(fā)光幾乎測(cè)不到;
(3)Er在Si中的輻射壽命為1 ms量級(jí)，因而不可能直接調(diào)制輸出頻率高于1 kHz的光。
1993年后，由于高濃度摻鉺硅的突破，獲得了較詳實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而摻鉺硅再一次引起了全世界的關(guān)注。雖然摻鉺硅中尚未獲得百分級(jí)效率的LEDs與激光，但室溫下己實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的EL，并己將它們集成為Si基光電子和微電子器件的光源。本文總結(jié)了摻鉺硅的材料性能、發(fā)光機(jī)理、以及摻餌硅LED器件的行為和未來(lái)展望。
1 摻鉺硅的發(fā)光機(jī)理
1.1 Si中Er的4f電子結(jié)構(gòu)
Er原子的價(jià)電子組態(tài)為4f126s2。對(duì)于Si中的Er，理論計(jì)算表明，其+3價(jià)態(tài)比+2價(jià)態(tài)更穩(wěn)定，即一個(gè)4f電子被提升到5d軌道上，形成4f116s25d1組態(tài)。由Hund定則決定4f11的基態(tài)光譜項(xiàng)是4I。自旋一軌道相互作用將4I項(xiàng)分裂成4個(gè)多重態(tài)(J=15/2，13/2，11/2，9/2)。從第一激發(fā)態(tài)4I13/2到基態(tài)4I15/2的能量間距為0.81 eV左右，但是它們之間的電偶極躍遷是禁戒的(電四極矩和磁偶極矩躍遷幾率更小)，當(dāng)Er摻入基質(zhì)時(shí)，周圍晶體場(chǎng)的作用將自旋-軌道多重態(tài)分裂成-系列Stark能級(jí)，這時(shí)選擇定則可能被破壞，發(fā)生輻射躍遷，產(chǎn)生一系列豐富的譜線，譜線的個(gè)數(shù)和強(qiáng)度同發(fā)光中心所處的晶體場(chǎng)密切相關(guān)。當(dāng)晶體場(chǎng)具有Td對(duì)稱性時(shí)，基態(tài)4I15/2分裂成兩個(gè)雙重態(tài)Γ6，Γ7和3個(gè)四重態(tài)Γ8;第一激發(fā)態(tài)4I13/2分裂成一個(gè)Γ6，兩個(gè)Γ7和兩個(gè)Γ8。當(dāng)晶體場(chǎng)不具有立方對(duì)稱性時(shí)，基態(tài)4I15/2和第一激發(fā)態(tài)4I13/2的Γ8分裂成兩個(gè)Kramer雙重態(tài)。上述過(guò)程如圖1所示。
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圖1中(a)為電子一電子相互作用，基態(tài)項(xiàng)4I;(b)為自旋-軌道相互作用，產(chǎn)生J=15/2，13/2，11/2，9/2多重態(tài);(c)中Td為晶體場(chǎng)中的Stark能級(jí)，對(duì)4I15/2的分裂，從上到下分別為Γ8，Γ7，Γ8，Γ8和Γ6;(d)為非立方對(duì)稱性晶體場(chǎng)中的分裂。