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硅基红外发光材料研究

作　者: 陶镇生
导　师: 陆昉
学　校: 复旦大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 量子点材料研究合金层发光强度退火温度光致发光谱电子能级硕士论文空穴两种尺度
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

1.6μm波长的光由于与硅光纤低色散和低损耗的波长一致,以及极好的人眼安全特性,因此在光纤通信、光传感定位和中红外参量振荡的抽运源等领域有着广阔的应用前景。结合现有的半导体工艺,如何将红外发光材料与硅基结合制成硅基红外发光器件是进一步发展光电子学的关键,也是现在研究的热点之一。其中,GeSi量子点和掺Er薄膜作为发光材料的研究已经取得了一定的进展,并且具有很好的发展前景。本文研究了GeSi量子点结构以及掺Er的HfO₂薄膜的光电特性,并且取得如下结果:1.使用分子束外延（MBE）系统在Ge_0.3Si_0.7应变合金层上自组织生长GeSi量子点。通过原子力显微镜（AFM）的形貌分析,发现在应变合金层上生长有利于在较高的生长温度下形成高密度的GeSi量子点。2.用光致发光谱（PL）方法对量子点的光学性质进行了系统的研究。在0.5mW/mm²的激发功率、14K的测量温度下,PL谱中0.695eV和0.625eV处有两个高斯峰,分别对应两种尺度的量子点的荧光峰。随着激光激发强度的逐渐增强,量子点荧光峰逐渐向高能方向上蓝移。通过对量子点内空穴能级的简单计算定性地解释了两个量子点峰的蓝移是由于不同的机制引起的。3.用深能级瞬态谱（DLTS）谱方法对量子点内空穴能级进行了研究。在DLTS谱中观察到来自两种尺度量子点以及Ge_0.3Si_0.7应变合金层的信号。通过对不同脉冲宽度的DLTS信号的分析,我们得到了在不同空穴浓度下量子点内空穴能级的变化规律。与PL实验结果结合,我们可以得到更多关于不同电荷浓度下量子点内束缚的空穴以及周围的电子能级变化的细节。4.使用脉冲激光沉积（PLD）技术和离子注入（ion implantation）技术制备掺Er HfO₂薄膜样品。在室温下实现了掺Er HfO₂薄膜的光致发光,观察到了波长为1540nm的Er³⁺特征发光峰以及位于1490nm和1564nm的stark分裂峰。通过光荧光激发谱（PLE）研究了Er在HfO₂薄膜中的发光机制。发现除了对应于几个直接跃迁的发光峰外,样品在Er³⁺无法直接吸收激发能量产生辐射跃迁的激发波段都呈现出连续的发光现象,并且激发波长越短发光强度越大。这说明该主要的发光过程是一个间接激发的过程。通过紫外PL谱的研究和分析,我们发现在掺Er HfO₂薄膜内O空位起到了Er³⁺光敏中心的作用,可以有效地把外加能量传递给周围的Er³⁺。5.使用PL谱的方法研究了掺Er HfO₂薄膜的发光性能。对其发光强度随测量温度的变化特征分析看到,这里Er³⁺离子发光的温度淬灭效应仍较明显,从14K升至285K发光强度减小了近50倍。进一步,对样品退火温度影响研究发现,在800℃退火后可以有效地减少HfO₂薄膜中的非辐射复合中心,激活Er³⁺,从而实现Er³⁺最大强度的光致发光。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
第一章绪论  8-18
  §1.1 研究GeSi量子点的意义及应用前景课题研究背景  8-9
  §1.2 研究GeSi量子点的方法  9-12
    §1.2.1 原子力显微镜(Atomic Force Microscopy)  10
    §1.2.2 光致发光谱(Photolumicescence Spectroscopy)  10-11
    §1.2.3 深能级瞬态谱(DLTS)  11-12
  §1.3 研究掺铒薄膜的意义  12-14
    §1.3.1 掺铒薄膜的研究现状  12-14
    §1.3.2 掺Er HfO_2薄膜的研究意义  14
  §1.4 研究掺Er HfO_2薄膜的方法  14-15
    §1.4.1 光致发光谱(PL)  15
    §1.4.2 光致发光激发谱(PLE)  15
  §1.5 本文主要研究内容  15-16
  参考文献  16-18
第二章 GeSi量子点样品的生长及测试系统实验方法和表征手段  18-23
  §2.1 生长Si基Ge量子点的方法  18-19
  §2.2 测试系统及样品制备  19-22
    §2.2.1 光致发光谱(PL)  19-20
    §2.2.2 深能级瞬态谱(DLTS)  20-21
    §2.2.3 样品制备  21-22
  参考文献  22-23
第三章实验结果及讨论  23-34
  §3.1 样品形貌  23
  §3.2 光致发光谱(PL)实验结果及讨论  23-27
  §3.3 DLTS实验结果及讨论  27-31
    §3.3.1 C-V测试结果  27-28
    §3.3.2 DLTS实验结果  28-31
  §3.4 量子点能级随激子浓度的变化规律  31-32
  §3.5 小结  32-33
  参考文献  33-34
第四章掺铒薄膜材料发光的相关理论及制备技术  34-41
  §4.1 Er~(3+)的光谱理论  34-37
    §4.1.1 Er元素电子层结构和能级  34-35
    §4.1.2 Er~(3+)的受激吸收、受激发射、自发辐射和非辐射跃迁  35-36
    §4.1.3 Er~(3+)之间的能量传递机制  36-37
    §4.1.4 Er与声子的能量传递  37
  §4.2 掺Er薄膜的制备工艺  37-40
    §4.2.1 离子注入法  38
    §4.2.2 脉冲激光沉积(PLD)  38-40
  参考文献  40-41
第五章实验结果及讨论  41-49
  §5.1 掺铒HfO_2薄膜样品的制备  41
  §5.2 发光特性及发光机理的讨论  41-47
    §5.2.1 室温PL的分析与讨论  41-42
    §5.2.2 从PLE看Er~(3+)在HfO_2薄膜中的发光机制  42-43
    §5.2.3 衬底温度对室温PL的影响  43-44
    §5.2.4 退火温度对室温PL的影响  44-46
    §5.2.5 变温PL的讨论  46-47
  §5.3 小结  47-48
  参考文献  48-49
工作总结  49-50
论文发表  50
参加学术会议  50-51
致谢  51-52

硅基红外发光材料研究

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