掺铒富硅氧化硅薄膜光学性能的研究.pdf

Author’s signature: 亟I遗 Supervisor’s sign 髓ema№访ewerS:埘弩巡—趔巡二一 mittee Chairperson: 进画i堑进坠g畔』￡:监 mitteeMembers: 』i塑Yi№:箜￡E 』i地选迎群:趾:陋 xi塑gY熟g丛鱼隧:D[:臣墨 Date oforal defence: 浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝塑太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:金谘签字日期: 砷B年1月7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:金搿参签字日期:为f弓年c『月(}日导师签名: 签字日期:.列;年7月7日摘要摘要硅基光子芯片结合了光电子和微电子的优点,不仅能以光子作为信息载体提高器件的传输速度、减小器件能耗,还能利用现有的硅集成电路工艺降低器件的制造成本,实现大规模的商业化应用,是国际研究的重要前沿领域。然而,可集成于芯片内部的硅基光源仍然缺失,制约了硅基光子学的发展。掺铒富硅氧化硅薄膜(SROEr)是实现硅基光源的有效途径之一,它不仅可与目前的硅集成电路工艺兼容,而且铒的发光峰()正好位于光纤的最低传输损耗窗口,引起了国际上的广泛关注。但是SEORr中铒的发光效率低,如何实现其高效发光是目前亟待解决的关键问题。本文通过制备工艺的改进在SROEr薄膜中引入了大量的纳米硅(Si NCs) 和稳定的发光中心,在实现Si NCs和发光中心对铒的敏化作用的同时,获得了发光性能优异的SROEr薄膜。本文的主要创新结果如下: (1)通过对富硅氧化硅基体(SRO)制备工艺的研究,获得了发光性能好的 SRO薄膜。采用不同方法(电子束蒸发法和磁控溅射法)以及后续热处理工艺(退火时间、温度等)的优化,制备了组份及微结构可调的SRO 薄膜。其中,采用电子束蒸发法制备的SRO薄膜疏松、多孔,而采用磁控溅射法制备的SRO薄膜则比较致密。研究发现:疏松、多孔的SRO薄膜中存在大量的发光中心和Si NCs,而且薄膜中的Si NCs密度高、质量好,其发光性能优于致密的SRO薄膜。(2)在SROEr薄膜中实现了发光中心和Si NCs发光的可调性。采用电子束蒸发法制备了不同富硅量的SROEr薄膜。高富硅量薄膜中Si NCs尺寸较大, 基体非晶网络中的发光区域小,Si NCs的发光占主导;当薄膜富硅量较低时,基体非晶网络中存在大量稳定的、与Si NCs共存的发光中心(主要是Si=O双键),发光中心的发光占主导;薄膜中富硅量适中时,发光中心和SiNCs的发光强度相当。(3)实现了含稳定发光中心(主要是Si=O双键)的SROEr薄膜的制备,研究了该发光中心和SiNCs对铒的共同敏化作用。采用电子束蒸发法制备了含稳定发光中心的SROEr薄膜,这一稳定的发光中心和SiNCs都能作为铒的有效敏化剂,增强铒的发光。当发光中心和Si NCs的发光强度相当时,敏化剂与铒之间可实现最佳耦合,铒的发光性能最优。(4)通过对SRO及SROEr薄膜制备工艺的控制,实现了薄膜中Si NCs微观结构和尺寸的调控,研究了其对铒发光的调制作用。采用磁控溅射法制备浙江大学博士学位论文了含不同富硅量的SRO以及SROEr薄膜。富硅量较低的薄膜中,Si NCs 尺寸较小,SiNCs颗粒之间相互分离。而在富硅量较高的薄膜中,尽管 SiNCs对铒的能量传递效率较高,但是SiNCs尺寸较大,且SiNCs颗粒之间相互交叠,这会引入非辐射复合降低Si NCs以及铒的发光强度。(5)阐述了掺铒浓度高的SROEr薄膜中铒发光饱和的原因。研究指出:高掺铒浓度的SROEr薄膜中有大颗粒硅酸铒的析出,导致SiNCs与铒的耦合效率降低,铒的发光饱和。关键词:硅基光电子、富硅氧化硅(SRO)、掺铒富硅氧化硅(SROEr)、纳米硅(SiNCs)、发光中心、能量传递 Abstract Recently,more and more researchers have focused on siliconphotonics,bines themerits ofopto—electronics andm