铒离子注入碳化硅光波导荧光特性的研究

碳化硅晶体作为宽禁带半导体具有重要的应用前景。本项目利用氧离子注入隔离（SIMOX）技术在SiC晶体上形成SiOx埋层结构光波导，研究注入条件、高温氧化条件和SiOx结构组分与波导特性之间的关系；通过离子注入方法完成在波导层的Er的有效掺杂，研究SiC中的氧离子和其他辅助掺杂离子、高温激活条件、对Er离子荧光特性的影响，探讨Er离子在SiC晶体中的光致荧光机理；实现SiC晶体波导中高效荧光的输出。利用离子束技术完成波导结构与Er的掺杂，对于SiC晶体光子集成提供实验和理论基础。本项目特色在于在形成波导结构和铒掺杂过程中均使用了离子注入技术，可以有效地利用成熟的工艺技术制备SiC晶体的集成光子学器件；我们还采用了注入氧离子隔离技术，在SiC晶体上形成SiOx埋层光波导结构，该方法形成的波导层折射率差大，弯曲波导半径小，可以有效提高光学元器件的集成度。

在本项目中，我们利用离子注入技术对包括SiC在内的多种光电晶体进行Er离子掺杂，对样品常温和低温下的荧光特性进行了测量和比对，采用退火方法消除离子注入引起的损伤并对Er离子的局域晶格环境进行调制。对Er离子局域晶格结构、注入损伤、辐射跃迁模式、吸收损耗等因素对于荧光特性影响的机理进行了探讨。实验结果表明，Er离子所处的局域晶格环境是影响低温荧光特性的主要因素，在此基础上，消除非辐射电子跃迁和能量失配以及晶格损伤吸收，才能在室温下获得性能优良的Er离子荧光。我们还对注入Er离子在硅基SOI材料中的退火行为进行了研究，实验表明直接氮气保护退火将导致Er离子的大量流失，采用快速表面氧化后退火或O离子共同注入退火的方法，可以有效实现Er离子的局域化和高浓度的离子掺杂，防止Er在退火过程中的流失。利用离子注入方法,包括采用轻离子、较重离子和快重离子注入，我们在8种光电晶体上实现了平面和条形光波导结构的制备。通过优化离子注入条件和退火参数，制成了低损耗、导波模式可控的光波导结构。特别是处于探索阶段的快重离子注入制备光波导方法，由于快重离子较高的注入能量形成更深的波导厚度，较深的折射率增加区域可以承载更多的导波模式防止其产生遂穿效应泄露，与MeV离子注入相比，快重离子注入方法制成的光波导结构具有更好的传输模式控制能力。