王興軍，周治平

(北京大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100871)

1 引言

目前，為促進(jìn)硅基光電子學(xué)蓬勃發(fā)展，將微電子和光電子結(jié)合起來，充分發(fā)揮硅基微電子先進(jìn)成熟的工藝技術(shù)、高密度集成及價格低廉以及光子極高帶寬、超快傳輸速率和高抗干擾性的優(yōu)勢。硅基光電子學(xué)中的調(diào)制器、探測器、波分復(fù)用器、濾波器等各種功能器件都已實現(xiàn)。但是，由于硅的間接帶隙特征與硅基微電子工藝兼容的集成用硅基電泵光源依然沒有實現(xiàn)，這成為限制硅基光電子技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此，研制高效率的硅基光電集成用光源材料和器件(光波導(dǎo)放大器和激光器)，成為國際硅基光電子學(xué)研究領(lǐng)域的重點和熱點。

實現(xiàn)硅基光電集成用光波導(dǎo)放大器和激光器首先需要采用CMOS工藝制備的光增益材料。其中鉺摻雜硅基材料一方面可以用CMOS工藝制備，另一方面可以獲得1.55 μm波長激光，成為硅基光源具有應(yīng)用前景的材料之一。但對于傳統(tǒng)摻雜方法，由于鉺離子在硅基材料中的固溶度問題使鉺離子摻雜濃度低，最大只能達(dá)到1019cm－3，難以獲得更高的增益。鉺硅酸鹽化合物(Er2SiO5或Er2Si2O7)中的鉺離子濃度比傳統(tǒng)摻鉺材料高2～3個數(shù)量級，且接近100%的鉺離子都具有光學(xué)活性，同時可以采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝來制備，這些特性使其成為實現(xiàn)硅基集成的高增益有源器件的有力候選材料。國際上幾個研究組對這種材料的發(fā)光和增益特性進(jìn)行了大量的研究［1-4］。但由于鉺硅酸鹽化合物中鉺離子濃度很高，導(dǎo)致較強(qiáng)的能量上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，因此最近幾年，人們開始考慮采用釔或鐿共加入的辦法來分散鉺離子(鐿和釔與鉺的離子半徑相似)，從而降低鉺的能量上轉(zhuǎn)換效應(yīng)［5-10］。

釔共加入鉺硅酸鹽(鉺釔硅酸鹽:ErxY2－xSiO5或ErxY2－xSi2O7)可以通過改變釔和鉺的濃度比例，連續(xù)可控地調(diào)整鉺離子的濃度，從而減輕鉺-鉺相互作用導(dǎo)致的能量上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，進(jìn)而提高器件的效率和增益。用化學(xué)方法制備的ErxY2－xSiO5納米團(tuán)簇中，上轉(zhuǎn)換系數(shù)比摻鉺二氧化硅(Er∶SiO2)的低一個數(shù)量級［5］。用磁控濺射制備的鉺釔硅酸鹽化合物光波導(dǎo)，1 480 nm波長的激光激發(fā)時，可以獲得60%的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和0.5 dB/cm的材料增益［6］。在另一個研究中，用鉺濃度1.25%(原子分?jǐn)?shù))的ErxY2－xSiO5材料設(shè)計波導(dǎo)，654 nm波長激發(fā)時，理論計算有可能產(chǎn)生高達(dá)10 dB/mm 的增益［7］。

鐿共加入的鉺硅酸鹽(ErxYb2－xSiO5或ErxYb2－xSi2O7)同樣可以連續(xù)調(diào)節(jié)鐿和鉺的比例，而且鐿具有光學(xué)活性，是鉺的高效感光劑，被廣泛用在摻鉺光纖放大器或激光器中，以提高鉺的泵浦效率。鉺鐿硅酸鹽中鐿對鉺的感光作用已經(jīng)得到證實［8］，用鉺鐿硅酸鹽制作的光波導(dǎo)中，也觀察到光信號增強(qiáng)現(xiàn)象［9］。這些實驗表明鉺鐿硅酸鹽也是具有應(yīng)用前景的硅基有源光學(xué)材料。

由于鉺硅酸鹽是電介質(zhì)材料，其絕緣性導(dǎo)致注入電流非常困難。目前只有兩篇文章報道觀察到它的室溫電致發(fā)光［11-12］，但他們采用富硅氧化硅輔助的方法，也就是通過富硅提供載流子來激發(fā)鉺硅酸鹽，并沒有真正觀察到這種材料的直接電致發(fā)光。Wang等人提出采用加一層限流層的方法，使注入材料的電流大大提高，觀察到了比較強(qiáng)的電致發(fā)光［13］。但總體來看，國際上對這些材料的電致發(fā)光研究報道還非常少?？紤]到鉺鐿/釔硅酸鹽的光學(xué)性能已經(jīng)表現(xiàn)出一些優(yōu)異的性質(zhì)，對這些材料的電致發(fā)光特性以及激光器的初步探索有非常重要的意義。

本文首先總結(jié)了鉺鐿/釔硅酸鹽化合物的國內(nèi)外發(fā)展趨勢，其次介紹了本研究小組在鉺鐿/釔硅酸鹽化合物的材料特性、光學(xué)和電學(xué)特性方面的工作，最后介紹了用該材料制備的光波導(dǎo)放大器和發(fā)光二極管。

2 材料制備和表征

采用溶膠-凝膠法和磁控濺射法制備鉺鐿/釔硅酸鹽化合物發(fā)光材料，溶膠-凝膠法用于制備不同鉺鐿/釔摩爾比例的粉末，首先制備不同鉺鐿/釔摩爾比例的鉺鐿/釔硅酸鹽膠體，然后在不同的溫度下退火獲得結(jié)晶的鉺鐿/釔硅酸鹽化合物粉末。磁控濺射法用于制備高質(zhì)量的薄膜，以高純度(＞99.9%)的氧化鉺(Er2O3)、氧化鐿(Yb2O3)、氧化釔(Y2O3)和二氧化硅(SiO2)粉末為原料，按照 Er2O3∶RE2O3∶SiO2不同摩爾比將粉末原料進(jìn)行充分混合，然后通過高溫?zé)Y(jié)成型，制成濺射靶材。用 Kurt J.Lesker公司生產(chǎn)的PVD75鍍膜設(shè)備進(jìn)行射頻磁控濺射，以0.4 Pa壓強(qiáng)的氬離子轟擊靶材，將薄膜沉積在p型單晶硅(100)襯底上。濺射前真空腔的背底真空度為6.67×10－4Pa，加在靶材上的射頻功率為120 W，濺射時間為40 min。隨后將薄膜置于管式爐中，在900～1 200℃不同溫度下退火30 min，用氮氣作保護(hù)氣。用光譜型橢偏儀測量退火后的薄膜折射率，通過建立合適的材料色散模型，擬合實驗數(shù)據(jù)得到了膜厚和折射率，橢偏儀測量的膜厚與SEM觀測值一致。

用iHR550光譜儀和熱電制冷InGaAs探測器測量光致發(fā)光譜。激發(fā)源分別為488 nm波長的氬離子激光器和650、974 nm波長的半導(dǎo)體激光器，用機(jī)械斬波器將激發(fā)光調(diào)制成頻率為34 Hz的脈沖光，用鎖相放大器同步放大InGaAs探測器產(chǎn)生的電信號。用Agilent DSO5012A示波器記錄1.53 μm光致發(fā)光的時間衰減曲線。

圖1給出了不同鉺鐿比例的鉺鐿硅酸鹽化合物光致發(fā)光譜;圖2給出了不同鉺釔比例的鉺釔硅酸鹽化合物光致發(fā)光譜。由圖可見，與純的鉺硅酸鹽化合物光致發(fā)光譜強(qiáng)度相比，加入鐿或釔后，通過優(yōu)化比例，光致發(fā)光強(qiáng)度都有兩個數(shù)量級的增加。表明鐿或釔的加入減輕鉺-鉺相互作用導(dǎo)致的能量上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，進(jìn)而提高器件的效率和增益。

圖1 不同鉺鐿比例的鉺鐿硅酸鹽化合物光致發(fā)光譜Fig.1 PL spectra of different Er-Yb silicate compound

圖2 不同鉺釔比例的鉺釔硅酸鹽化合物光致發(fā)光譜Fig.2 PL spectra of different Er-Y silicate compound

3 光波導(dǎo)放大器

采用二氧化硅/硅作為光波導(dǎo)放大器基體材料，二氧化硅厚度為10 μm。首先通過濺射的方式在基體上沉積350 nm厚的Er/Yb硅酸鹽材料。材料濺射完畢后，在900℃的溫度下退火30 min。采用PECVD方式沉積450 nm厚的二氧化硅后，通過深紫外光刻和刻蝕形成寬度為2.4 μm、高度為280 nm的二氧化硅波導(dǎo)。最后，以解理的方式將波導(dǎo)截成需要的長度，測試其性能。

在波導(dǎo)放大器的測試中，采用1 480 nm強(qiáng)光泵浦，采用1.53 μm的弱光作為信號光，測量該信號光通過波導(dǎo)后的強(qiáng)度變化。采用光纖耦合輸出的半導(dǎo)體連續(xù)光激光器作為泵浦源，其中心波長為1 476 nm，光纖輸出端口最大輸出功率為372 mW。采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器作為信號光源，可調(diào)波長范圍為1 440～1 640 nm。在此波長范圍內(nèi)，光纖輸出端口可以輸出7.3 dBm(5.4 mW)的恒定功率。由于7.3 dBm功率相對較大，實驗中采用一個衰減器對信號光進(jìn)行衰減。信號光經(jīng)衰減器后輸入到偏振控制器以控制其偏振方向，保證信號光在波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ綖闄M電場模式(TE模)。1 476 nm波長的強(qiáng)泵浦光和衰減后的弱信號光通過波分復(fù)用器耦合入同一根單模光纖中，然后耦合入拉錐光纖。拉錐光纖 波導(dǎo)和波導(dǎo)→拉錐光纖之間的耦合是通過三維位移平臺實現(xiàn)的。從波導(dǎo)中耦合出的信號光通過50/50的分束器分別輸入到功率計和光譜分析儀。功率計用來監(jiān)視波導(dǎo)?拉錐光纖的對準(zhǔn)情況，光譜分析儀用來分析收集到的信號光光譜。

圖3給出了脊型波導(dǎo)的SEM照片，由圖可見和設(shè)計的尺寸相差不大。圖4給出了透射的1 533 nm信號光功率隨泵浦功率的變化曲線，插圖是泵浦光功率固定在372 mW，信號光增強(qiáng)隨波長的變化。由圖可見，雖然所加工波導(dǎo)耦合損耗和傳輸損耗相對比較大，但是仍然可以觀測到最大為5.5 dB的信號增強(qiáng)。同時，該增強(qiáng)信號并沒有出現(xiàn)飽和，通過增加泵浦功率或者前后雙泵浦，該信號增強(qiáng)可以得到進(jìn)一步提高。插圖是把泵浦功率固定在372 mW時，對信號光在1 500～1 580 nm波長范圍內(nèi)進(jìn)行掃譜得到的信號增強(qiáng)譜。從中可以看到，信號增強(qiáng)最大值出現(xiàn)在1.53 μm波長處。另外也做了TM的光信號增強(qiáng)實驗，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)并不明顯。由于Er/Yb硅酸鹽材料的傳輸損耗約為8 dB/cm，采用氮化硅-鉺/鐿混合型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來降低波導(dǎo)的傳輸損耗，首先用PECVD制作250 nm厚的氮化硅薄膜，經(jīng)過光刻、刻蝕等工藝，制作了寬2.4 μm氮化硅條形波導(dǎo)。然后通過濺射在氮化硅波導(dǎo)上制作了400 nm厚的鉺/鐿硅酸鹽薄膜。通過cut-back方法測量出了混合型波導(dǎo)的傳輸損耗為3.2 dB/cm，與之前的鉺/鐿硅酸鹽條形加載波導(dǎo)的損耗相比，這個損耗大幅減小。在1 476 nm泵浦激光器的激發(fā)下，在5.9 mm長的波導(dǎo)中觀測到3.1 dB的信號增強(qiáng)。

圖3 脊型波導(dǎo)的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM picture of rib waveguide

圖4 透射的1 533 nm信號光功率隨泵浦功率的變化曲線，插圖是泵浦光功率固定在372 mW，信號光增強(qiáng)隨波長的變化Fig.4 Plot curve of 1 533 nm signal power as a function of pump power.Inset:signal enhancement as a function of wavelength at 372 mW power

4 發(fā)光二極管

用射頻磁控濺射法在單晶硅(100)襯底上(電阻:0.05～0.2 Ωcm)沉積鉺鐿硅酸鹽薄膜，靶材摩爾比為 Er2O3∶Yb2O3∶SiO2=1∶9∶10。沉積的薄膜厚度為60 nm。隨后，在管式退火爐中使薄膜結(jié)晶并激活鉺離子，用流動的氮氣作保護(hù)氣，在1 000℃的溫度退火0.5 h。鉺鐿硅酸鹽薄膜退火后，用PECVD制作一層60 nm的氮化硅薄膜(折射率約為2.02)覆蓋其上。在硅襯底的背面濺射沉積一層鋁(厚度約幾百納米)，在管式爐中氮氣環(huán)境下于520℃退火10 min，形成歐姆接觸。隨后在正面(即氮化硅薄膜上)涂光刻膠，用紫外光刻機(jī)曝光形成電極圖案。然后用射頻磁控濺射在光刻膠圖案上沉積一層厚度約為80 nm的氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)透明電極，剝離掉多余的光刻膠，即形成MIS器件的陰極。同時制作了兩個參考樣品A和B，A沒有氮化硅層，B沒有硅酸鉺鐿層，以便與硅酸鉺鐿MIS器件作對比。圖5給出了具體器件的橫截面。圖6給出了在同一個電極上測量到的電致發(fā)光光譜，測量時加3 μA的恒定電流。很明顯，這是典型的鉺離子的1.53 μm發(fā)光，與光致發(fā)光譜具有相同的譜型。在測量電致發(fā)光的過程中，可以觀察到保持3 μA恒定電流的偏置電壓緩慢地從79 V上升到了84 V，如圖5所示。在整個測量過程中，平均電壓約為82 V，相當(dāng)于電場強(qiáng)度約6.8 MV/cm。在稀土摻雜的二氧化硅MIS發(fā)光器件中也觀察到類似現(xiàn)象，表明在氮化硅和/或硅酸鐿鉺絕緣層可能有正電荷累積。與此相反，參考樣品A中沒有觀察到任何電致發(fā)光。

圖5 器件的橫截面Fig.5 Cross-section of device

圖6 在同一個電極上測量到的電致發(fā)光光譜Fig.6 EL spectrum at the same electrode

5 數(shù)值計算

用兩能級模型估算鉺鐿/釔硅酸鹽在電泵浦時的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益。如圖7所示，N1表示處于基態(tài)4I15/2能級的鉺離子濃度，N2表示處于激發(fā)態(tài)4I13/2能級的鉺離子濃度。這里，只考慮鉺離子主要的激發(fā)和衰減過程。在MIS器件中，鉺離子被熱載流子碰撞激發(fā)，激發(fā)速率為R=φeσex，φe為單位時間內(nèi)通過單位面積的熱載流子數(shù)量(假設(shè)通過器件的電流全部為熱載流子傳導(dǎo))，即載流子通量，σex為鉺離子的碰撞激發(fā)截面。處于激發(fā)態(tài)4I13/2能級的鉺離子的衰減過程，主要為自發(fā)輻射，包括輻射躍遷和非輻射躍遷，用自發(fā)輻射速率W2=1/τ2表示，τ2為電致發(fā)光的壽命。除此之外，還考慮能量上轉(zhuǎn)換過程，即兩個同處于激發(fā)態(tài)的鉺離子相互作用，一個鉺離子通過非輻射躍遷回到基態(tài)，將其能量傳遞給另一個激發(fā)態(tài)的鉺離子使其躍遷到更高能級，兩個鉺離子的能量上轉(zhuǎn)換系數(shù)為Cup，具體參數(shù)見文獻(xiàn)［14-17］。

圖7 兩能級模型Fig.7 Two level model

圖8給出了計算得到的反轉(zhuǎn)鉺離子比例和增益。由圖8(a)可見，在相同的注入電流密度下，摻鉺二氧化硅(Er∶SiO2)中的鉺離子反轉(zhuǎn)程度最高，鉺釔硅酸鹽的最低。電流密度為0.2 A/cm2時，Er∶SiO2中超過80%的鉺離子已經(jīng)反轉(zhuǎn)，此時鉺鐿/釔硅酸鹽都還沒有發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。電流密度為2 A/cm2時，鉺鐿/釔硅酸鹽的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度分別約為80%和66%，此時摻鉺二氧化硅的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)已經(jīng)超過98%，這是由于摻鉺二氧化硅的鉺離子濃度和上轉(zhuǎn)換系數(shù)較低導(dǎo)致的。由圖8(b)可見，摻鉺二氧化硅可產(chǎn)生的最大增益約為5 dB/cm，與文獻(xiàn)［18］報道一致。在2 A/cm2的注入電流密度下，鉺釔/鐿硅酸鹽產(chǎn)生的增益分別約為20和35 dB/cm。可見，鉺釔/鐿硅酸鹽能夠產(chǎn)生的光增益遠(yuǎn)高于摻鉺二氧化硅。在相同的電流密度下，鉺鐿硅酸鹽比鉺釔硅酸鹽產(chǎn)生的增益大，這得益于鉺鐿硅酸鹽較大的激發(fā)截面和較長的自發(fā)輻射壽命。然而由于鉺釔硅酸鹽的輻射截面較大，所能產(chǎn)生的光增益將略大于鉺鐿硅酸鹽。如果100%的鉺離子都被反轉(zhuǎn)，增益G=σemNtot，鉺鐿/釔硅酸鹽產(chǎn)生的增益都約為60 dB/cm，但這需要極高的注入電流密度(J＞30 A/cm2)，顯然如此高的電流密度很難達(dá)到。

圖8 計算得到的反轉(zhuǎn)鉺離子比例和增益Fig.8 Calculated Er ion inversion ratio and gain

6 結(jié)論

(1)優(yōu)化鉺鐿/釔硅酸鹽化合物材料的成分和結(jié)構(gòu)，獲得2個數(shù)量級的光增強(qiáng);

(2)制備出鉺鐿硅酸鹽條形波導(dǎo)放大器和混合波導(dǎo)放大器，觀察到5 dB/cm以上的光放大;

(3)研制出金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電致發(fā)光器件，獲得可鉺鐿/釔硅酸鹽化合物的電致發(fā)光，并在理論上證明這種材料可以獲得電泵浦激光的可能性。

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