希土類元素高濃度添加シリコン薄膜の赤外域励起発光機構に関する研究

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650018
• Research Institution: Toyo University
• Principal Investigator: 小室 修二 東洋大学, 工学部, 助教授 (90120336)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森川 滝太郎 東洋大学, 工学部, 教授 (80191013)
• Keywords: 希土類元素 / エルビウム / レーザーアブレーション / エネルギー移動

Research Abstract

希土類元素のEr濃度を10^<16>〜10^<22>cmまで変化させた種々のSi:Erターゲットを使用し,KrFエキシマレーザーアブレーションにより単結晶Si基板上にSi:Er薄膜を作成した。このSi:Er薄膜中に含まれるEr含有量を二次イオン質量分析および蛍光X線測定の結果は,Si:Er薄膜のEr濃度はターゲット中のそれとほぼ同量であることを示した。この結果から,レザーアブレーション法により容易に,かつ10^<22>cm^3の高濃度までSi薄膜中へのErの添加が可能であることを明らかにした。これらの試料を用いてErに関与した1.54μm発光の赤外分光測定を行った。その結果,スペクトル形状はEr添加量に殆ど依存せず,発光のピーク強度は2桁のEr添加量の増加に対して約3倍の増加に留まっていた。このことは,1.54μmの発光強度は単純にErの添加量(発光センターの数)に比例していないことを意味している。この現象を明らかにするためにパルス光励起を行い,1.54μmのErの発光線の時間応答測定を行った。この実験の目的は,母材であるSi中に生成された電子・正孔対の消滅エネルギーがErイオンを励起し発光緩和する,いわゆるエネルギー移動現象を時間スケールで観測することにある。時間応答の測定から,約0.16msの立ち上がり時間と約1.2msの立ち下がり時間の2つの指数関数で示される時間応答が観測された。また,立ち下がり時間は10^<22>cm^3の高濃度Er添加条件でも殆ど減少しないことから,Erイオンの濃度消光は生じていないことが明らかになった。一方,立ち上がり時間はEr添加量の増加に対して短くなることから,Erイオンを励起するためのエネルギー移動効率(Erイオンの励起効率)が減少していることを明らかにした。以上の結果から,1.54μmのErの発光強度とErの添加量が比例関係にないことは,Er添加量の増加に伴い,Erイオンの励起効率が低下することに起因していることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] S.Komuro et al.: "Fabrication and stimulated emission of Er-doped nanocrystalline Si waveguides formed on Si substrates by lascr ablation" Applied Physics Letters. 74・1. 120-122 (1999)
• [Publications] S.Komuro et al.: "Time response of 1.54μm emission from highly Er-doped nanocrystalline Si thin films prepared by laser ablation" Applied Physics Letters. 74・3. 377-379 (1999)
• [Publications] S.Komuro et al.: "Photoluminescence and optical transition dynamics of Er^<3+> ions in porous Si" Journal of Material Science & Technology. 印刷中. (1999)
• [Publications] S.Komuro et al.: "The optically active center and its activation process in Er-doped Si thin film produced by laser ablation" Joutnal of Applited Physics. 印刷中. (1999)