ErSiO自己組織化超格子薄膜の作製と1.54μm光導波路増幅特性評価

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15360005
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 木村 忠正 電気通信大学, 電気通信学部, 教授 (50017365)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 一色 秀夫 電気通信大学, 電気通信学部, 助教授 (60260212)
• Keywords: ErSiO自己組織化薄膜 / Er1.54μm室温発光 / 多孔質シリコン / ゾルゲル法 / 有機金属分子線エピタキシー / 温度消光 / 濃度消光 / 蛍光寿命

Research Abstract

以下の3種類の方法でErSiO自己組織化薄膜作製を試み、特徴的なフォトルミネセンス特性を得た。
1.多孔質シリコンを用いる方法:ナノメータサイズの孔を持つ多孔質シリコンの孔に液浸法でErイオンを導入し、熱処理をする。
2.ゾルゲル法:Erを含むゾル液とSiを含むゾル液を混合し、これをSi基板上に塗布し熱処理をする。
3.有機金属分子線エピタキシー法:TEOSとEr(TMOD)_3を原料として、Si(100)基板上にEr, Si, Oからなる薄膜を成長し、その後、熱処理をする。
上記の全く異なった3種類の方法で試料を作製したが、プロセス条件を最適化することにより,ErSiO自己組織化薄膜に特徴的なシャープなErの1.54μm発光スペクトルが得られた。
明らかになったプロセス条件の重要なポイントは以下のとおりである。
1.出発試料のEr, Si, O原子が、ほぼ均一に適切な比で混合している。
2.前熱処理として、試料を800-900℃程度で適度に酸化させ、Er-O, Si-O結合を作製する。
3.後熱処理として、約1200℃の高温で酸素のない雰囲気(Ar雰囲気など)で熱処理し、過剰のO原子を除去するとともにEr-Si-Oの結晶化を進める。
作製されたErSiO自己組織化薄膜のEr1.54μmフォトルミネセンス(PL)特性が、従来のErドープSiのPL特性とは全く異なり、以下の特徴的な特性を示すことを見出した。
1.スペクトルは非常にシャープで、特に、室温の半値幅は7nm以下であり、ErドープSiではこれまで観測されていない小さな値である。
2.20Kから室温までの発光強度の減少が1/2-1/3と小さい。
3.蛍光寿命が20Kから室温まで100μs以下のほぼ一定値を示す。
4.Erの密度が10%以上と高密度であるにもかかわらず発光強度は強く、濃度消光はほとんどない。

Research Products

• [Publications] T.Kimura: "Suppression of Auger deexcitation and temperature quenching of the Er-related 1.54 mm emission with an ultrathin oxide interlayer in an Er/SiO2/Si structure"J.Appl.Phys. 93・No.5. 2595-2601 (2003)
• [Publications] H.Isshiki: "Fine structure in the Er-related emission spectra from Er-Si-O complexes at room temperature under carrier mediated excitation"J.Luminescence. 102-103. 819-824 (2003)
• [Publications] T.Kimura: "Preferential suppression of Auger energy backflow by separation of Er ions from carriers with a thin oxide interlayer in Er-doped porous silicon"J.Luminescence. 102-103. 156-161 (2003)
• [Publications] H.Isshiki: "Self-organized formation of Er-Si-O superlattice"Transactions of the Material Research Society of Japan. Vol.29(in pres). (2004)
• [Publications] H.Isshiki: "Erbium-silicon-oxide nano-complexes prepared by wet chemical synthesis"Proc.of 2003 MRS Spring Meeting. Vol.770. 133-138 (2003)
• [Publications] 正木克明: "MOMBEにより作製したEr-Si-O混晶薄膜の特性評価(2)"第51回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集. No.3(掲載予定). (2004)
• [Publications] 正木克明: "MOMBE法により作製したEr-Si-O混晶の特性評価"第64回応用物理学会学術講演会講演予稿集. No.3. 1310 (2003)
• [Publications] 上田啓介: "多層ポーラスSiを利用したEr-Si-O光導波路構造の光学的特性"第64回応用物理学会学術講演会講演予稿集. No.3. 1311 (2003)