用光致发光谱（Pl）、傅里叶变换红外吸收话（fTIr）和X射线衍射谱（Xrd）等研究了稀土（Er）和氧（O）双离子注入gAAS和SI的发光特性和高效发光机理。Pl测量结果发现：（Er和O）双注入样品对比Er单注入样品的发光（Pl）强度（Er的1.54μM峰）显著增大，发光单色性等也有明显改善。测量并分析了该材料的fTIr和Xrd谱；对该材料的高效发光机制作了较深入地探讨和澄清。The RE(Er) and oxygen(O) double ion-implanted GaAs and Si are studied by using PL.FTIR and XRD.The PL measurement results show that the luminescent intensity (Er 1.54 μm peak) of (Er, O) double implanted samples is much stronger than that of single Er-implanted samples and the monochromaticity of luminescence is improved.The FTIR and XRD of the materials are measured and analyzed.The mechanism of the high eFFicienct luminescence of the materiaIs is investigated deeply.国家自然科学基金;南京大学团体微结构实验室资

周必忠

肖方方

雷红兵

Xiamen University Institutional Repository

第 7 1卷 第4 期9 9 17年 1 1月固体电子学研究与进展RE SE AR C H乙 PR OG ER S S OFE S SVo l.7 1,N o.4N o v. ,1 9 9 7稀土 ( E r )和氧 (O )双掺杂 G a A s 和 5 1的高效发光的研究’周必忠a雷红兵“肖方方a(a厦门大学物理 系,3 6 1 0 0 5 )中国科 学院半 导体研究 所,北京,1 0 0 0 83)1 9 9 6 0 9 1 3 收稿,19 9 7 0 1 13 收改稿提要 用光致 发光谱 ( P L )、傅里 叶变换红外 吸收谱 ( F T IR ) 和 X 射线衍射谱 (X R D )等研究了稀土 ( Er)和 氧 ( O )双离子 注人 GaAs和 Si 的发光特性和高效发光机理。P L 测量结果发现: ( E r 和O ) 双注人样 品对 比 Er单 注人样 品的发光 P( L )强度 ( Er的 1.54 拜m 峰 ) 显著增大,发光单色性等也有明显 改善。测量并分析 了该材 料的 F T IR 和 X R D 谱;对该材料 的高效发光机制作了较深人地探讨和澄清。关键词:砷化稼和硅 ( Er ,0 ) 双离子注入 光致发光 傅里叶变换红外吸收和 X 射线衍射谱中图分类号:0 4 7 1 T N 2 5 2 T N 3 0 5.3I n v e s t i g a t i o n o f t h e H ig h E f f i c i e n c y L u m in e s c e n c e o fR E ( E r ) a n d o x y g e n (O ) D o u b l e Im P l a n t e d G a A s a n d 5 1Z h o u B iz h o n g, L e i H o n g b inZX ia o F a n g f a n g`( 1 D e P t.of P勺s·X ia m e n U n iv e sr i t夕,3 6 1 0 0 5,C H N )( 2 I n s t i t u t e ofs e m i c o n d u c t o 。 , A c a d e m i a s i , ci a,Beijn g,1 0 0 0 8 3,C H N )A b s t r a e t : T h e R E (E r ) a n d o x y g e n (O ) d o u b l e i o n一im p l a n t e d G a A s a n d 5 1 a r es t u d ie d b y u s i n g p L.F T IR a n d X R D.T h e P L m e a s u r e m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h el u m i n e s e e n t i n t e n s i t y ( E r 1.5 4 拼m p e a k ) o f ( E r,O ) d o u b l e im p l a n t e d s a m p l e s 15m u e h s t r o n g e r t h a n t h a t o f s i n g l e E r一im p l a n t e d s a m p le s a n d t h e m o n o e h r o m a t ie i t yo f l u m i n e s e e n e e 15 1贝 p r o v e d.T h e F T IR a n d X R D o f t h e m a t e r i a l s a r e m e a s u r e d a n da n a ly z e d.T h e m e e h a n i s m o f t h e h i g h e f f ie ie n e t l u m in e s e e n e e o f t h e m a t e r i a l s 15 i n-v e s t i g a t e d d e e p ly.K e y W o r d s:G a A s a n d 5 1 ( E r,0 ) D o u b le I o n I m P l a n t a t i o n P L F T IR a n dX R D S P e e t r a国家 自然科学基金和南京大学固体微结构实验室资助课题4 期 周必忠等:稀土 ( Er)和氧 (O )双掺杂 GaAs 和 S i的高效发光的研 究1引 言近年来,国际上对稀土 ( E r 等 )掺杂的 皿一v 化合物 ( G a A s 等 )和 Si 的高效发光 的研究具有浓厚兴趣 .l[2〕 , 其主要原因是该材料的发光有许多优异的特性,如发光峰值波长 (1.54 拜m )正好处在石英光纤的最低耗损区,且发光单色性、热稳定和抗辐照等性能 良好,并且容易用 已成熟 的器件工艺制作光电器件 (如 L E D 和 L D 等 ),可望成为光纤通信系统的一种较理想 的光源材料。虽然近几年的研究取得一些可喜的进展,如用离子注人法对半导体 ( G a A s 和 Si 等 )实现高浓度 ( > l x ol sl 。m一 “) R E ( E r 等 )掺杂,但该材料 目前仍 存在发光效率低 的突 出问题,影响其实用。笔者采用 R E ( E r ) 和氧 (O )二次离子注人 G a A s 和 Si,取得发光强度 (效率 )显著提高 (典型情况可提高 3一 10 倍 ); 并测量了该材料的 F T IR 和 X R D 谱 ; 通过较系统的测量和分析,对该材料的高效发光机理作 了较深人地探讨,可澄清 目前国际上对该材料的高效发光的一些看法 .s[`〕 ; 并对材料的发光特性与结构的关系进行探索,取得一些有意义的结果。2 研究方法2.1 样 品制作采用优质 G a A s 和 Si 单晶,并制作了 M O C V D G a A s 外延片,作为离子注人和发光特性研究的原材料。该单晶的表面取 向 ( 1 1 1 )或 ( 1 0 0),晶体表面经精细抛光和清洁处理后进行离子注入。根据离子注入理论和 固体发光材料的最新研究成果选取“最佳”离子注人条件。对于 R E( E r )离子注人 G a A s 和 5 1,选择 E r 离子束能 3 5 0 k e V,剂量 ( 5 又 1 0, 3一 1 义 10, 4) e m 一“ ; 对于氧(O )离子注人,采用 O 离子束能 12 0 k e V,剂量 S X 1 0` 3 。 m 一2 。都是在室温 ( 3 0 0 K )下,沿垂直样品表面方 向 [即 ( 1 1 1) 或 ( 1 0 0) 方 向〕进行 E r 的一 次离子注人和 ( E r,0 ) 二次离子注人 (双掺杂 )。为了消除离子注入损伤和缺陷,并使注人晶体 中的 Er 离子激活成有效的发光中心,均对已注晶体进行必要的退火处理。曾对“优化”退火的方法和条件,进行过较系统的探索研究,取得一定效果。研究发现:虽然使用一次退火法和二次退火法进行“优化”退火,均可提高材料的发光强度,但采用二次退火法 (双退火 ),可取得较好效果。2.2 特性测量测量了多种样品 (含单独 E r 注入和 E -r O 双注人样品 )的 P L 谱,用同一系统完成 P L 测量。用 A +r 离子激光器的 4 8 8 n m 线激发样品,用 R O K 1 0 / 3 0 0 型低温恒温器控制并测量样品温度。样 品温度可调变 ( 范围 10 一 3 0 K ),其精度士 0.Z K ; 用带液氮冷却 ( 7 K ) 的 G e 探测器检测讯号,经锁相放大后,由 X一Y 记录仪 自动绘制 P L 谱图。详见文献 [ 5〕。用 B ur k e r I F S一 1 13 V 型 红外光谱仪测量 了 Er 离子单注人和 ( E r,O )双注人样品的低温( 7 7 K )和室温 ( 3 0 0 K ) 的 F T IR 谱。用 X 射线衍射谱仪,对同一样品的不同制作阶段,测量 了室温 ( 3 0 o K ) X R D 谱。对样品的晶体结构和缺陷的变化进行分析,以探讨其特性和结构之间的固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 1 7卷关系。结果将另作详细报道。3结果和 讨论3.1( Er,O )双掺杂 Ga A s ( E r,O )和 5 1( E r,O )的发光谱 ( P L ) 的特征及 ( Er , O )双注入对材料P L 谱的影响测量了 E r 单注人和 ( E r,O )双注入 G a A s ( E r,O )和 5 1( E r,O )低 温 ( 10 K ) P L 谱,其典型测量结果如图 1 和 2 表示。P L ( 10 K )( a ) Ga A s ( Er ,O)P L ( 1 0K ) 1.54 拜m5 1 ( E r,O ).二:\合一的u。-ō闷d)} }{呈} 1 1`·竺拜m夔匡里1 . 5 8 1 . 5 4 1 .1.4 8拌ml几口石刁( b ) Ga A s ( Er)1.6 2 1.5 6 1.5 0 1.4 4W a v e le n g t h /拌m Wa v e le n g t h /林m5 1 ( E r,O ) 和 5 1 ( Er)的 P L 谱P Ls P e e t r a o f 5 1( E r,O ) a n d 5 1 (E r )图 2 Ga A s ( E r,O )和 GaAs( Er ) P L 谱F i g.2 P Ls p e e t r a o f G a A s (E r,O ) a n d G aA s (E r )由谱 图可见:虽然 P L 测量系统相同,测量条件也一样,但 ( Er , O )双注人样品对 比 E r 单注人样 品的 P L 谱发生明显改变,具有如下显著特征:( )l 发光强度 (1.5 4 拜m 峰 )显著增大 (典型 情况可增大 3一 10 倍 );(2 )光谱线宽 (l.54 拌m 线 )明显窄化,发光单色性有较好改善 ;(3 ) 出现一个新的发光峰,其峰值波长 1.4 8 拌m,其强度 比主峰 (1.54 拼m 峰 )弱得多。还发现 Si ( E r,0 )和 G a A s ( E r,O ) 的 P L 主峰都是处在 1.54 拼m。表明该材料的发光仍是E r 发光中心起主导作用,但它们的 P L 谱随氧 ( O )的共掺人及退火方法和条件的变化而显著改变,表明氧 ( O ) 的掺人对 E r 发光中心的形成和高效发光具有重要影响。3.2 (E r,O )双注入 G a A s ( E r,O )和 5 1( E r,O )中 E r 发光中心的形成及高效发光机理目前对 G a A (s E r,0 ) 和 S (i E r,O ) 中 E r 发 光中,合 的形成和高效 发光机理的研究 尚少,目4 期 周必忠等:稀 土 ( Er )和氧 ( O)双掺杂 Ga As 和 i S的高效 发光的研究存在不 同看法压’ 〕。 笔者对该材料的 Er 发光 中心的形成及高效发光机理进行了较深人探讨,取得一些有意义的结果。根据固体发光理论,固体材料的发光特性 (如发光效率 )除了很大程度取决于 材料 中的发光中心,还和材料存在无辐射复合中心 (包括离子注人损伤和缺陷 )密切相关。从 ( E r,O )双掺杂材料 的 P L 谱看,其发光主峰仍落在 1.54 拌m 处。一般认为 1.54 拜m 峰为 E r 的特征发光峰,因此可认为该材料的发光仍 以 E r (及其相关物 )发光中心起主导作用。从晶体配位场理论分析半导体 (如 皿一 v 化合物 ) 中 R E ( E r )发光中心的性质,结果表明:材料 的发光 中心具有 T d 对称性,说明半导体中 R E ( Er 等 ) 有效发光中心是 占据晶格 (闪锌矿或金 刚石 ) 格点位置 (替代中心 )。对于单注 Er 材料 [Ga A s ( E r )和 Si ( E r ) ],其发光效率较低的原因,一方面是 由于 占据格点的 E r 有效发光中心数 目少 ; 另一方面可能是离子注入损伤和缺陷 尚未有效去除,材料 中尚含有高浓度的无辐射复合中心。对于 (E r,0 )双注人并配合二次优化退火 的材料,其发光强度(效率 )显著增大的原因,首先可归 因于 O 与 E r 的共掺人,可使 E r 的有效发光中心浓度增大,原理是 R E ( E )r 离子的特征价态为 3十 ,O 离子特征价态为 2一 ,当 O 和 E r 离子共注人 晶体时,由于 O 和 E r 离子的极性不同,它们之间相互作用结果,有助于 E r 掺人浓度的提高,因 而材料中 E r 有效发光中心数 目也随之显著增多 [经二次离子质谱 S( M SI )分析结果,注人 E r 浓度可提高一个数量级〕。其次,这是由于采用二次优化退火技术,使得离子注人损伤和缺陷被更有效地消除,因而材料中的无辐射复合中心的数 目也大大减少。这两方面因素综合作用结果,将导致 (E r,0 ) 共掺材料 的发光强度显著提高。从固体发光理论看,材料 的发光强度受到 固体 (晶体 )中电子跃迁选择定则支配。对于单注 Er 的材料 中,由于晶体 中 Er 有效发光中心数 目少,E r 的掺人使晶体对称性的改变不大,由于对称性的限制,电子禁戒跃迁 尚无法解除 ; 对于 ( E r,O ) 双注人材料中,由于掺入晶体的 R E ( E r )数量显著增多,晶体的对称性可能发生较大改变,使得原来的禁戒跃迁进一步被解除,变成允许跃迁,导致电子跃迁总强度显著增大,因而材料的发光强度剧增。材料的发光谱线窄化、单色性改善的原因是由于 E r 能级在晶场作用下的精细分裂,导致跃迁的锐化。新发光峰 ( 1.48 拌m ) 的出现,可归 因于 E r +3 离子和 02一 离子所带电荷的极性不同,它们有一部分可能由于库伦作用而结合,形成 (E r一O )复合体发光中心,它们的能级位置不同于单独 Er 发光中心的能级,因此其电子跃迁产生 另一发光峰。这些分析与最近 R B S 和SI M S 测量结果相一致。此外,还较系统地研究了退火方法和条件对材料的发光特性 的影响。发现:用二次优化退火方法 ( 即低温长时前退火和高温快速后退火相配合的方法 ) 比用一次优化退火的方法 (即高温快速退火方法 )可得到较好效果。经退火处理后样品表面光亮,且发光 ( P L )强度大。如图 3所示。由图可见,用相同 M O CV D G a A s,( E r,O )双注入后,经两种不同退火方法处理,得到不同的效果。3.3 红外吸收光谱 ( F T IR 谱 )及谱峰的指认测 量并分析 了 E r 单注人和 ( E r,O )双注入 G a A s 和 Si 晶体的红外吸收光谱 ( F T IR 谱 ),对谱峰作了指认。这里 给出了 G a A (s E r )和 G a A (s E r,O )的低温 ( 7 K ) F T IR 谱 的测量结果。如图 4 所示。从图 4 曲线的 比较可见,G a As( E r,O )的吸收谱 出现 3 个峰 ( 2 8 5 0c m 一’峰,2 9 2 0固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 1 7卷G9 41 10 8( l )PL( 10 K )1.5 4 3户 mG9l l 4o 8( 1 )!( a ) Oe ntlm ea ae n nli ng.二。\卜 11奋 1的已. uó卜毛巨 3环而;.之公一的 u。妇ǐ、d1 60图 3F i g.1.4 4 60 1.5 1 6.52 1.48 2.7又 0 1 5只 0 13Wv a e l e ngth/ 拜 m( Er,O ) 双注人 M O C V D GaAs经不同退火后 的 P L 谱P L s P e e t r a o f ( E r,O ) do ub le im P la n t e dM O C V D GaAs b y d i f f e r e n t a n n e a lin g m e t h o d sWa v e n u m b e r / e m一 ’图 4 GaAs ( E r,O ) 和 GaAs ( E r )的 F T IR 谱F ig.4 F T I R s p e e t r a o f GaAs ( E r,O ) a n dGaAs ( E r ) a t 7 7 Ke m 一`峰和 3 2 3 o c m一 `峰 ),而 G a A s ( E r )的 F T IR 谱只 出现两个峰 ( 即 2 8 5 o c m一 `峰和 2 9 3 0。 m 一`峰 ),不 出现 3 23 0。m 一`峰。鉴于上述两种样品的制作方法相 同· ,离子注人条件相 近似,F T IR 谱的测量系统和测量条件也一样,因此可认为 G a A s ( E r,O ) F T IR 谱 出现的 3 2 30 C m 一`峰是与 G a A s 晶体的氧 ( O )注人有关的“0 峰” 。为了较深人地探讨该吸收峰的来源和本质,进一步对 E r 单注人 G a A s ( E r )和 ( E r,O )双注人 G a A s ( E r,O ) 两种样品采用不同退火方法 (一次退火和二次退火 )处理后再测量 P L 和 F T I R 谱,结果发现:对于 E r 单注人 Ga A s ( E r ),用两种退火法处理,其发光强度均不大,且 F T IR 谱均只出现两个峰 (2 8 5 0Cm 一’峰和 2 9 3 0 C m一 `峰 ),不 出现 3 2 3 0 。 m 一`峰 ; 对于 ( E r,O )双注人 G a A s ( E r,O ),P L 强度 明显增大,且 F T I R 谱都出现3 个峰 ( 即 2 8 5 0 e m 一` ,2 9 3 0 。 m一 ’和 3 2 3 0 。m 一’峰 ),但经二次退火的样品,3 2 3 O e m一 ’峰强度有所削弱,表明:这个峰确与“O 注人”有关,此外,还与注人损伤的去除有关。研究表明,( E r-O ) 复合体中心通常 以 ( E r一O )络合物的形式出现,用二次退火法,可能使 (E r一0 )络合物部分被分解成 E r 单独中心,因此表现“O 峰”强度有所削弱。3.4 X 射线衍射谱 ( X R D )和晶体微结构为了深人探讨该材料 的微结构,研究材料的发光特性与结构之间的联 系,用 X 射线衍射仪测量 了 (E r,O )双注人 Si 材料的 X R D 谱,典型结果如图 5 所示。由图可见,对于 ( 1 1 1) 晶面Si 晶体在衍射角臼 ) 28.40 处均出现特征衍射峰,这个结果与金 刚石晶体衍射理论分析相一致。4 期 周必忠等:稀土 ( Er)和氧 ( O)双掺杂 GaAS和 i S的高效发 光的研究对于完整 i S晶体,在未注人 E r 和 O 前,有较强的衍射峰 〔见图 5 ( a )〕; 当该 晶体注人 E r 和 O后,如未经优化热退火,则衍射峰强度显著变弱 [如图 5 b( )所示〕 ; 该 ( E r,O )双注人样品,如经优化单退火处理,其 X R D 谱有较好增强 [见图 6 (a )示〕,如该样品经二次优化退火则 X R D 谱峰强度更加增大,接近无注人单晶 Si 的衍射峰强度 〔见图 6 b( )示〕,表 明:双注人 5 1( E r,O )经二次优化退火后,Si 中晶体损伤基本消除,晶体完整性较好恢复。此样品经 P L 测量结果表明,它们有较强的发光强度。.口:\公ōus̀润一一( a ) C r y s t a l 5 1( n o n一im P la n t e d )O出><.。之士ǐ的.u妇一O侣沁( b ) 5 1( Er ,o)( n o n一 a n n e a ! e d )30D if f r a e t . o n a n g le 20 /o习口D if fr a e t io n a n g le 2 0 /o5 1单 晶 (a ) 和 5 1( E r,O ) ( b ) X R D 谱X R Ds p e e t r a o f 5 1 s in g le e r y s t a l ( a )a n d 5 1(E r,O ) n o n一 a n n e a le d s a m p le s图 6 ( E r,O ) 双注人 5 1经一次退火 X R D (a) 和经二 次退 火 5 1 ( Er ,O ) X R D 谱 ( b )F ig.6 X R Ds p e e t r a o f 5 1 ( E r,O ) tr e a t e d b y( b ) a n n e a lin g o n e e ( a ) a n d a n n e a l in g tw ie e ( b )图Fsi4 结束语用离子注人法对半导体材料 ( G a A s 和 Si )进行 R E ( E r ) 的高浓度 ( > 1 x 10 18 Cm 一’)掺杂,并用二次离子注人方法共掺 E r 和 O。通过 P L、F T IR、X R D 测量研究该材料的高效发光特性,对其高效发光的机理和结构进行较深人探讨。结果发现:用 O 和 E r 共掺人 G a A s 和 Si 晶体,可使其发光性能改善 〔发光 ( P L )强度提高 3一 10 倍,发光单色性等也有明显改善 〕,该分析可澄清对该材料的高效发光机理 的一些看法。作者对中国科学院半导体研究所庄婉如研究员及王小军博士等对 M O C V D G a A s 样品的制作和 P L 测量的支持帮助表示衷心感谢。

Investigation of the High EFFiciency Luminescence of RE(Er)and Oxygen (O) Double Implanted GaAs and Si

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/121628/%e7%a8%80%e5%9c%9f%28Er%29%e5%92%8c%e6%b0%a7%28O%29%e5%8f%8c%e6%8e%ba%e6%9d%82GaAs%e5%92%8cSi%e7%9a%84%e9%ab%98%e6%95%88%e5%8f%91%e5%85%89....pdf?sequence=1&isAllowed=y

Investigation of the High EFFiciency Luminescence of RE(Er)and Oxygen (O) Double Implanted GaAs and Si

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Xiamen University Institutional Repository