專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)應(yīng)用薄膜,使用此薄膜的發(fā)光結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二氧化硅或二氧化硅基薄膜及其制造方法，更具體地，涉及稀土原子和硅納米團(tuán)簇共摻的二氧化硅或二氧化硅基薄膜，以及制造此薄膜的方法。因此，稀土原子的激發(fā)效率提高，使得薄膜能夠有效地應(yīng)用于光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
最近，摻雜稀土原子的二氧化硅或二氧化硅基薄膜被廣泛地用于制造波導(dǎo)放大器。但是，這與摻雜稀土原子的二氧化硅或二氧化硅基光纖在本質(zhì)上是相似的。并且，由于稀土原子的激發(fā)截面非常低，在4×10-21cm2的數(shù)量級(jí)上，因此需要使用高價(jià)激光來(lái)激發(fā)稀土元素和使用WDM結(jié)構(gòu)來(lái)分割信號(hào)光和泵浦光(pump light)。這種波導(dǎo)放大器與基于光纖的光放大器沒(méi)有差別。特別是，與基于光纖的光放大器相比，在成本、性能和將來(lái)發(fā)展的潛能方面都沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。
同時(shí)，在將稀土原子摻雜到半導(dǎo)體薄膜中的情況下，稀土原子的激發(fā)效率將大大提高。這是因?yàn)檩d流子重新組合引起半導(dǎo)體薄膜中稀土元素的激發(fā)。這種激發(fā)機(jī)理示意性地表示在圖1中。
圖1是表示通過(guò)電子—空穴組合，稀土元素的激發(fā)和反激發(fā)(backexcitation)的示意圖。在圖1中，實(shí)線箭頭表示激發(fā)過(guò)程，虛線箭頭表示反激發(fā)過(guò)程。
參看圖1，當(dāng)摻雜稀土的半導(dǎo)體材料暴露于光下，會(huì)產(chǎn)生載流子。載流子被捕獲在稀土原子的誘捕態(tài)(trap state)并形成電子—空穴對(duì)。電子—空穴對(duì)重新組合產(chǎn)生的能量引起稀土原子通過(guò)俄歇(Auger)激發(fā)而激發(fā)。在這種情況下，對(duì)用于產(chǎn)生載流子的光源沒(méi)有特殊的限制，只要光源的光能夠被半導(dǎo)體吸收。因此，沒(méi)有必要使用傳統(tǒng)上用于激發(fā)稀土元素的高價(jià)的激光。另外，這種激發(fā)過(guò)程的有效激發(fā)截面是3×10-15cm2，這比8×10-21cm2的光吸收截面約高一百萬(wàn)倍。因此，預(yù)計(jì)能夠達(dá)到更有效的激發(fā)。
但是，由于所有的物理現(xiàn)象都是可逆的，因此與上述激發(fā)相反的反激發(fā)也會(huì)發(fā)生。即，可以發(fā)生“反遷移”過(guò)程、“雜質(zhì)—俄歇”過(guò)程和“激發(fā)—俄歇”過(guò)程。激發(fā)的稀土原子形成電子—空穴對(duì)，而不是通過(guò)反遷移過(guò)程發(fā)射光，激發(fā)的稀土原子激發(fā)產(chǎn)生的載流子，而不是通過(guò)雜質(zhì)—俄歇過(guò)程發(fā)射光，產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)激發(fā)產(chǎn)生的載流子，而不是通過(guò)激發(fā)—俄歇過(guò)程激發(fā)稀土元素。基于此原因，傳統(tǒng)的稀土摻雜半導(dǎo)體具有非常低的發(fā)光效率。
總之，二氧化硅基薄膜具有較高的發(fā)光效率，但激發(fā)效率非常低，而半導(dǎo)體薄膜具有較高的激發(fā)效率，但發(fā)光效率非常低。為了克服這些問(wèn)題，在二氧化硅/二氧化硅基薄膜中共摻硅納米團(tuán)簇和稀土原子的方法已經(jīng)被提出和研究了若干年。在這種情況下，稀土元素在二氧化硅薄膜中提供高的發(fā)光效率。同時(shí)，由于稀土元素與硅納米團(tuán)簇僅僅分開(kāi)幾個(gè)nm的距離，因此在硅納米團(tuán)簇中形成的電子—空穴組合提供高的激發(fā)效率。這個(gè)模型示意地表示在圖2中。在圖2中，可以看出，硅納米團(tuán)簇210和稀土原子220分布在二氧化硅基薄膜200中，其處于薄膜共摻硅納米團(tuán)簇和稀土原子的狀態(tài)。但是，這個(gè)模型僅僅是概念上的，還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。為了使此模型能夠?qū)嶋H應(yīng)用，硅納米團(tuán)簇的尺寸和濃度以及稀土元素的濃度，必須特別地優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，考慮到上述問(wèn)題而提出本發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種光學(xué)裝置用薄膜以及使用此薄膜的發(fā)光結(jié)構(gòu)，其中硅納米團(tuán)簇的尺寸和濃度以及稀土原子的濃度適于實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制造這種薄膜的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，上述和其它目的可以通過(guò)提供一種光學(xué)裝置用二氧化硅或二氧化硅基薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，該薄膜共摻硅納米團(tuán)簇和稀土原子，其特征在于硅納米團(tuán)簇的平均尺寸為3nm或小于3nm；稀土原子的濃度為0.1原子數(shù)％或小于0.1原子數(shù)％；以及稀土原子與硅納米團(tuán)簇的濃度比為1到10，薄膜通過(guò)利用硅納米團(tuán)簇中形成的電子—空穴組合激發(fā)稀土原子而發(fā)光。
優(yōu)選地，薄膜共摻硅納米團(tuán)簇和稀土原子，使其處于薄膜的折射率在空間上不均勻的狀態(tài)。
優(yōu)選地，薄膜摻雜稀土元素，使其處于稀土元素在薄膜中不均勻地分布的狀態(tài)。
優(yōu)選地，控制稀土元素的濃度，用以匹配光模(optical mode)。
在摻雜稀土原子方面，至少可以摻雜兩種稀土元素。在這種情況下，每種稀土元素都交替地?fù)诫s在各個(gè)二氧化硅層中。這種交替摻雜層可以重復(fù)形成。優(yōu)選地，每層的厚度限于10nm或小于10nm。
同時(shí)，在稀土摻雜層之間可以形成無(wú)摻雜二氧化硅或二氧化硅基層，用以防止稀土元素之間的相互作用。優(yōu)選地，無(wú)摻雜二氧化硅或二氧化硅基層的厚度限于10nm或小于10nm。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種發(fā)光結(jié)構(gòu)，其包括從如下組中選擇的基體氧化的硅基體、二氧化硅基體和二氧化硅基基體；光學(xué)裝置用發(fā)光薄膜，其中在基體上具有上述結(jié)構(gòu)；以及形成在薄膜上的二氧化硅或二氧化硅基上覆層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種光學(xué)裝置用薄膜的制造方法，包括如下步驟使用等離子CVD方法在等于或小于1×10-3Torr的低壓以及1010到1013離子/cm3的高密度下氣相沉積薄膜；以及在等于或小于1100℃的溫度下加熱沉積的薄膜。
優(yōu)選地，加熱步驟是在900℃到1100℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行5分鐘或大于5分鐘。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種光學(xué)裝置用薄膜的制造方法，包括如下步驟產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇；用硅納米團(tuán)簇稀釋摻雜稀土的二氧化硅或二氧化硅基溶膠—凝膠；以及干燥和加熱稀釋的產(chǎn)物。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供一種光學(xué)裝置用薄膜的制造方法，包括如下步驟產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇；將稀土原子摻雜到硅納米團(tuán)簇中；用摻雜的產(chǎn)物稀釋二氧化硅或二氧化硅基溶膠—凝膠；以及干燥和加熱稀釋的產(chǎn)物。
在共摻稀土原子和硅納米團(tuán)簇的情況下，重要的是在保持稀土元素的旋光性的同時(shí)產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇。為此，將摻雜稀土的薄膜在等于或小于1100℃的溫度下加熱。
因此，可以獲得一種用于實(shí)際應(yīng)用的新型薄膜結(jié)構(gòu)，它具有與二氧化硅基薄膜相似的稀土元素高發(fā)光效率，以及與半導(dǎo)體薄膜相似的稀土元素高激發(fā)截面。


結(jié)合附圖，從下面的詳細(xì)描述中，將更加清楚地理解本發(fā)明的上述和其它目的、特征和其它優(yōu)點(diǎn)。在附圖中圖1是表示稀土元素通過(guò)電子—空穴組合進(jìn)行激發(fā)和反激發(fā)的示意圖；圖2是表示共摻硅納米團(tuán)簇和稀土原子的二氧化硅或二氧化硅基薄膜的示意圖；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例，光學(xué)裝置用二氧化硅薄膜在室溫下的光致發(fā)光光譜的曲線；
圖4是使用圖3所示薄膜制造的波導(dǎo)的電子顯微照片；圖5是表示圖4所示波導(dǎo)中輸出光信號(hào)強(qiáng)度的曲線；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例，復(fù)合摻雜有鉺、銩和硅納米團(tuán)簇的光學(xué)裝置用二氧化硅薄膜的光致發(fā)光光譜的曲線；圖7a是表示交替地?fù)诫s有至少兩種稀土元素的光學(xué)裝置用薄膜的示意性剖視圖；以及圖7b是表示光學(xué)裝置用薄膜的示意性剖視圖，其中在圖7a的稀土摻雜層之間插入無(wú)摻雜層。
具有實(shí)施方式下面將參考附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)及其制造方法也將進(jìn)一步描述。
第一實(shí)施例圖3是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的、光學(xué)裝置用二氧化硅薄膜在室溫下的光致發(fā)光光譜的曲線。包括硅35原子數(shù)％，氧65原子數(shù)％和鉺0.04原子數(shù)％的薄膜通過(guò)化學(xué)氣相沉積而得到并在1000℃下加熱5分鐘。如圖3所示，可以看出硅納米團(tuán)簇的發(fā)光峰在700nm左右。硅納米團(tuán)簇的發(fā)光峰位置與硅納米團(tuán)簇尺寸之間的關(guān)系，在本領(lǐng)域中已經(jīng)是公知的?；谶@個(gè)結(jié)果，計(jì)算出薄膜中硅納米團(tuán)簇的平均尺寸為2nm。在這種情況下，硅納米團(tuán)簇的濃度為7×1018cm-3，并且摻雜的鉺與硅納米團(tuán)簇的濃度比為3。即，可以說(shuō)圖3的薄膜是根據(jù)本發(fā)明的方法制造的。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，硅納米團(tuán)簇的平均尺寸為2nm，稀土元素的濃度為0.04原子數(shù)％，并且鉺與硅納米團(tuán)簇的濃度比為3。但是，本發(fā)明不限于這些數(shù)值。它們可以分別從等于或小于3nm、小于0.1原子數(shù)％以及1到10的范圍中選擇。
為什么將硅納米團(tuán)簇的尺寸和濃度、稀土元素的濃度以及稀土元素與硅納米團(tuán)簇的濃度比限制在上述范圍內(nèi)的原因如下。
首先，為了防止反遷移，需要誘捕態(tài)能量高于稀土元素的遷移能量。為此，硅納米團(tuán)簇的帶隙必須足夠大?？紤]到鉺的遷移能量為0.8eV，Nd的遷移能量為1.36eV以及室溫的能量為0.03eV，則帶隙必須至少是1.6eV。在這一方面，需要將硅納米團(tuán)簇的尺寸限制在等于或小于3nm。
其次，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，硅納米團(tuán)簇必須與稀土元素分開(kāi)等于或小于2nm的距離，以便激發(fā)稀土元素。因此，稀土原子的摻雜必須使其位于距離尺寸等于或小于3nm的硅納米團(tuán)簇2nm以?xún)?nèi)的位置上。這就意味著，在(5nm)3的空間內(nèi)存在一個(gè)稀土原子。即，需要稀土原子的濃度為1×1019cm-3。因此，考慮二氧化硅薄膜的密度，需要將稀土原子的相對(duì)濃度限制在0.1原子數(shù)％。
再次，據(jù)報(bào)道，硅納米團(tuán)簇與稀土原子之間的強(qiáng)烈相互作用會(huì)阻礙一個(gè)硅納米團(tuán)簇激發(fā)大量的稀土元素。在這一方面，必須控制稀土元素的數(shù)量，以便使硅納米團(tuán)簇能夠有效地激發(fā)稀土原子。雖然還沒(méi)有有關(guān)稀土元素?cái)?shù)量的報(bào)道，但有報(bào)道稱(chēng)，硅納米團(tuán)簇的激發(fā)率為10到100μs，并且稀土元素的發(fā)光衰減速率為1ms。從報(bào)道中可以看出，稀土元素與硅納米團(tuán)簇的濃度比不超過(guò)10。
再看圖3，還可以看出，鉺的發(fā)光峰在1.5μm左右。如圖3中的插圖所示，這種發(fā)光的壽命較長(zhǎng)，為8ms或大于8ms。由于如此長(zhǎng)的發(fā)光壽命，使得根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)裝置用二氧化硅薄膜結(jié)構(gòu)可以有效地應(yīng)用于光放大。
圖4是使用圖3所示薄膜制造的波導(dǎo)的電子顯微圖。在圖4中，a)表示波導(dǎo)側(cè)壁的放大照片，b)表示經(jīng)過(guò)波導(dǎo)的紅外信號(hào)的照相機(jī)圖像。從圖4中可以看出，此波導(dǎo)是具有光滑側(cè)壁的單模式波導(dǎo)。
圖5是表示圖4所示波導(dǎo)中輸出光信號(hào)強(qiáng)度的曲線。圖中的曲線表示在光信號(hào)輸入波導(dǎo)并且使用泵浦光泵出波導(dǎo)之后所輸出光信號(hào)的光譜。參看圖5，可以看出，輸入光信號(hào)在超過(guò)0.5W/cm2的泵浦功率下放大。
在制造共摻硅納米團(tuán)簇和稀土元素的二氧化硅或二氧化硅基薄膜的情況下，重要的是在保持稀土元素的旋光性的同時(shí)產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇。正是由于這個(gè)原因，需要將薄膜的加熱溫度限制在1100℃或低于1100℃。為此，可以根據(jù)以下任何一種方法制造薄膜1)一種方法包括在二氧化硅基體上氣相沉積摻雜有0.1原子數(shù)％稀土元素的富含硅的二氧化硅薄膜，并在低于1100℃的條件下加熱沉積的薄膜，以使硅納米團(tuán)簇析出；2)一種方法包括產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇并用硅納米團(tuán)簇稀釋摻雜稀土的溶膠—凝膠二氧化硅前驅(qū)體；以及3)一種方法包括產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇，用稀土原子摻雜硅納米團(tuán)簇，并用摻雜稀土的硅納米團(tuán)簇稀釋溶膠—凝膠二氧化硅前驅(qū)體。
在方法1)中，可以使用任何一種氣相沉積方法。優(yōu)選的是在低壓和高密度等離子體的條件下使用PECVD方法。優(yōu)選地，壓力為1×10-3Torr或小于1×10-3Torr，等離子體密度為1010到1013離子/cm3。因此，在使用等離子體沉積的富含硅的二氧化硅薄膜中產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇前驅(qū)體，從而容易得到尺寸為3nm或小于3nm的硅納米團(tuán)簇。
第二實(shí)施例在二氧化硅或二氧化硅基薄膜共摻硅納米團(tuán)簇和稀土原子的條件下，無(wú)論稀土元素的吸收帶如何，稀土原子都通過(guò)硅納米團(tuán)簇中形成的電子—空穴的重新組合而被激發(fā)。在這一方面，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，當(dāng)在一個(gè)薄膜中摻雜不同類(lèi)型的稀土元素時(shí)，可以使用一個(gè)泵浦光源產(chǎn)生不同波段的光。圖6表示摻雜鉺和/或銩的光學(xué)裝置用二氧化硅薄膜的光致發(fā)光光譜。單獨(dú)使用波長(zhǎng)為488nm的泵浦光源。在圖6中，實(shí)線表示共摻鉺和銩的薄膜，長(zhǎng)點(diǎn)畫(huà)線表示摻雜高濃度鉺的薄膜，短點(diǎn)畫(huà)線表示摻雜低濃度鉺的薄膜，圓圈表示摻雜高濃度銩的薄膜，以及方塊表示摻雜低濃度銩的薄膜。從圖6可以看出，盡管使用一個(gè)泵浦光源，但與鉺或銩的發(fā)光相比，兩種稀土元素鉺和銩的同時(shí)發(fā)光，可獲得較寬的發(fā)光區(qū)。
第三實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，當(dāng)使用兩種稀土元素時(shí)，這些稀土元素會(huì)彼此相互作用，從而降低發(fā)光效率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要在多個(gè)二氧化硅層中摻雜兩種稀土元素，摻雜方式是在一個(gè)二氧化硅層中摻雜一種類(lèi)型的稀土元素(見(jiàn)圖7a)。優(yōu)選地，如圖7b所示，在兩種類(lèi)型的稀土元素層之間夾一層未摻雜的二氧化硅層。結(jié)果，可以完全防止兩種類(lèi)型的稀土元素彼此間相互作用。在這種情況下，優(yōu)選地每層的厚度限制在10nm或小于10nm，以保證薄膜的總體均勻性。圖7a和圖7b是表示上述薄膜結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖?？梢岳斫獾氖?，摻雜兩種或多種類(lèi)型稀土元素屬于本發(fā)明的第三實(shí)施例。
工業(yè)適用性從上面描述可以清楚看出，根據(jù)本發(fā)明，硅納米團(tuán)簇激發(fā)摻雜在其中的稀土原子。結(jié)果，與二氧化硅和半導(dǎo)體薄膜相似，可以得到高的發(fā)光效率和高的激發(fā)效率。特別是，因?yàn)楸∧さ目偘l(fā)光效率有足夠高的程度應(yīng)用于光學(xué)裝置，因此不需要使用高價(jià)的泵浦激光。這使得光學(xué)裝置可以集成，并且降低了光學(xué)裝置的單件成本。因此，在光學(xué)裝置領(lǐng)域中取得了明顯的發(fā)展。
雖然為了說(shuō)明的目的披露了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，在不偏離權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍和精神的條件下，可以做出不同的修改、增添和替代。
權(quán)利要求
1.一種共摻有硅納米團(tuán)簇和稀土原子的光學(xué)裝置用二氧化硅或二氧化硅基薄膜，其特征在于硅納米團(tuán)簇的平均尺寸為3nm或小于3nm；稀土原子的濃度為0.1原子數(shù)％或小于0.1原子數(shù)％；以及稀土原子與硅納米團(tuán)簇的濃度比為1到10，薄膜通過(guò)利用硅納米團(tuán)簇中形成的電子—空穴組合激發(fā)稀土原子而發(fā)光。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中薄膜共摻硅納米團(tuán)簇和稀土元素，使其處于薄膜的折射率在空間上不均勻的狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜，其中薄膜摻雜稀土元素，使其處于稀土元素在薄膜中不均勻地分布的狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求3所述的薄膜，其中控制稀土元素的濃度，用以匹配光模。
5.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的薄膜，其中摻雜有至少兩種稀土元素。
6.如權(quán)利要求5所述的薄膜，其中至少有兩種稀土元素交替地?fù)诫s在各個(gè)層中，并且交替摻雜層是重復(fù)形成的。
7.如權(quán)利要求6所述的薄膜，其中每層的厚度為10nm或小于10nm。
8.如權(quán)利要求7所述的薄膜，其中在稀土摻雜層之間形成有未摻雜二氧化硅或二氧化硅基層，用以防止稀土元素之間的相互作用。
9.如權(quán)利要求8所述的薄膜，其中未摻雜二氧化硅或二氧化硅基層的厚度為10nm或小于10nm。
10.一種發(fā)光結(jié)構(gòu)，包括基體，所述基體從如下的組中選擇氧化的硅基體、二氧化硅基體和二氧化硅基基體；光學(xué)裝置用發(fā)光薄膜，其中在基體上具有如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)；以及形成在薄膜上的二氧化硅或二氧化硅基上覆層。
11.一種制造如權(quán)利要求1或10所述的光學(xué)裝置用薄膜的方法，包括如下步驟使用等離子CVD方法在等于或小于1×10-3Torr的低壓以及1010到1013離子/cm3的高密度下氣相沉積薄膜；以及在等于或小于1100℃的溫度下加熱沉積的薄膜。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中加熱步驟是在900℃到1100℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行5分鐘或大于5分鐘。
13.一種制造如權(quán)利要求1或10所述的光學(xué)裝置用薄膜的方法，包括如下步驟產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇；用硅納米團(tuán)簇稀釋摻雜稀土的二氧化硅或二氧化硅基溶膠—凝膠；以及干燥和加熱稀釋的產(chǎn)物。
14.一種制造如權(quán)利要求1或10所述的光學(xué)裝置用薄膜的方法，包括如下步驟產(chǎn)生硅納米團(tuán)簇；將稀土元素?fù)诫s到硅納米團(tuán)簇中；用摻雜的產(chǎn)物稀釋二氧化硅或二氧化硅基溶膠—凝膠；以及干燥和加熱稀釋的產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)應(yīng)用薄膜，使用此薄膜的發(fā)光結(jié)構(gòu)及其制造方法。本發(fā)明提供一種光學(xué)應(yīng)用二氧化硅或二氧化硅基薄膜，其中共摻有硅納米團(tuán)簇和稀土元素。硅納米團(tuán)簇的平均尺寸小于3nm，稀土元素的濃度小于0.1原子數(shù)％。在薄膜中，稀土元素與硅納米團(tuán)簇的濃度比控制在1到10的范圍內(nèi)。薄膜通過(guò)利用硅納米團(tuán)簇中電子—空穴重新組合激發(fā)稀土元素而發(fā)光。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)諸如硅納米團(tuán)簇的尺寸和濃度、稀土元素的濃度以及它們的濃度比等條件進(jìn)行特別的優(yōu)化，以制造性能更好的光學(xué)裝置。
文檔編號(hào)B82Y20/00GK1625706SQ03802967
公開(kāi)日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2003年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月29日
發(fā)明者慎重勛, 徐世永, 韓學(xué)承 申請(qǐng)人:光神有限會(huì)社