论文题目: 离子注入掺Er富硅氧化硅材料研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 微电子学与固体电子学
作者: 张昌盛
导师: 张峰
关键词: 离子注入,光致发光,富硅氧化硅,临界半径
文献来源: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: Er3+在石英基体材料中受激光致发光的波长大约是1540nm,这个波长是石英光纤的最小损耗窗口,因而是以石英光纤为基础的光通讯的标准波长之一。掺铒光纤放大器（EDFA）作为获得光增益的媒质是光纤通讯系统中极其重要的组成部分。当前正在快速发展的城域网（MAN）、局域网（LAN）以及光纤到户（FTTH）等系统中对波分复用（WDM）/密集波分复用（DWDM）光信号能量衰减的补偿需要可集成的紧凑型、低成本掺铒光波导放大器（EDWA）。然而,Er3+在体硅中具有固溶度低和发光强度温度淬灭强的缺点,难以达到设计光波导放大器的要求。一种新颖的敏化发光技术使获得室温高效硅基掺铒发光成为可能。在掺铒的SiO2中形成Si-nc,利用Si-nc对Er3+的敏化作用可以提高Er3+对泵浦光的有效吸收截面;利用Si-nc带隙和Er3+跃迁能量之间较大的不匹配可以抑制温度淬灭效应。 本文利用离子注入方法制备了富硅氧化硅（SRSO）和掺铒富硅氧化硅（ErSRSO）材料,研究了材料微观结构和Er的化学状态随退火温度的演变。实验结果表明注入SiO2的富余Si原子经历了偏析集聚形成a-Si纳米颗粒继而在更高温度转变成nc-Si的演化过程;在900℃以上温度退火,形成非晶SiOx层包覆nc-Si的壳层结构;约900℃退火,形成具有光学活性的Er-O发光中心。 研究了富硅氧化硅和掺铒富硅氧化硅的光致发光特性以及退火对他们的影响。结果表明Er3+的出现和浓度升高都对Si-nc的光致发光有淬熄作用,证实了Si-nc与Er3+强耦合模型的正确性;发现壳层结构中残余非晶硅层是激发态Er离子非辐射去激发的通道之一,由此引起的能量背迁移是Er离子光致发光在T>150K温度淬灭的主要因素。 考虑到Er3+通过Si-nc间接被激发的过程,我们对描述激发态Er3+的速率方程进行了改写。与SiO2中Er3+直接被激发不同,从ErSRSO系统速率方程的解中得到1/Trise与φ是非线性关系,并被实验结果所证实。根据实验结果拟合得到我们所
论文目录:
摘要
ABSTRACT
目录
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 ER元素简介
1.3 EDFA与EDWA
1.3.1 EDFA发展进程
1.3.2 EDWA的提出
1.3.3 EDFA与EDWA比较
1.4 决定EDWA增益的因素
1.4.1 铒的固溶度
1.4.2 泵浦光波长
1.4.3 泵浦光吸收
1.4.4 浓度淬灭效应
1.4.5 激发态吸收
1.4.6 温度淬灭效应
1.5 EDWA研究进展
1.6 硅基EDWA研究
1.7 本论文内容
第二章 硅基掺铒发光材料导论
2.1 引言
2.2 掺铒单晶硅光学特性
2.2.1 Er在单晶硅中的溶解度
2.2.2 Er在晶体硅中的激发和去激发
2.3 掺铒富硅氧化硅材料(ERSRSO)
2.3.1 ErSRSO模型
2.4 本章小结
第三章 掺铒富硅氧化硅材料制备与表征
3.1 引言
3.2 离子注入法制备ERSRSO材料
3.3 材料微观结构表征
3.3.1 RBS分析
3.3.2 XRD分析
3.3.3 TEM分析
3.3.4 Raman光谱分析
3.4 讨论
3.5 ER离子在材料中的分布
3.6 XPS及其演化分析
3.7 共溅射沉积法制备ERSRSO材料
3.7.1 样品制备与表征
3.7.2 样品的光致发光特性
3.8 本章小结
第四章 掺铒富硅氧化硅材料的光致发光
4.1 引言
4.2 光致发光测试系统
4.3 ERSRSO中SI-NC发光
4.3.1 Si-nc光致发光谱
4.3.2 退火对发光影响
4.4 ERSRSO中ER离子发光
4.5 SI-NC与ER发光关系
4.6 ER发光的温度淬灭
4.7 本章小结
第五章 ERSRSO系统速率方程
5.1 引言
5.2 常用速率方程及其解
5.2.1 直接激发Er~(3+)的速率方程和吸收截面
5.2.2 间接激发Er~(3+)的速率方程和有效吸收截面
5.3 ERSRSO材料的速率方程
5.4 实验结果与讨论
5.5 本章小结
第六章 SI-NC与ER~(3+)耦合机制及耦合范围
6.1 引言
6.2 FORSTER模型简介
6.2.1 Forster模型适用系统
6.2.2 Forster模型应用领域
6.2.3 Forster模型原理
6.3 FORSTER模型在ERSRSO材料中的应用
6.4 SI-NC与ER~(3+)耦合范围
6.5 实验与分析
6.5.1 理论基础
6.5.2 实验方法
6.5.3 结果与讨论
6.6 本章小结
第七章 结论
参考文献
附录 本论文缩略语
攻读博士期间发表的学术论文
致谢
个人简历
学位论文独创性声明
学位论文使用授权声明
发布时间: 2006-02-08
参考文献
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