掺入稀土元素发光

　　在硅中掺入稀土元素能引入局部限制中心，可以实现受激辐射复合。在这种发光情况下，硅材料本身并不是直接发光，而是起到宿主的作用产生带电载流子。这些电荷进入发光中心产生准禁带发光。

　　在硅中掺入铒离子（Br3＋）能实现1.54 gm的有效发光，其能级结构如图1所示。图中左边是Er3＋自由离子能级，右边部分是Br3＋掺入硅中后的能级图，由于晶格场引起的能级分裂现象是很明显的。1.54 gm左右的发射光谱是由激发态与基态之间的辐射跃迁引起的。图2中的虚线表示硅的禁带宽度。

　　图1 Er3＋中的4f能级图

　　可以采用离子注入、分子束外延、化学气象沉积（CVD）等工艺将Br掺入硅中。其中离子注入方法由于与标准VLSI工艺完全兼容而得到广泛应用。当Er离子被注入后，需要进行高温退火来结晶化并激活Er离子。由于硅材料对Er只有很低的固溶度，限制了高强度的Er发光。为了实现硅中Er的高浓度注入和光活性，就需要改变Br杂质的化学条件。可以以1∶10的比例同时注入Er离子和O离子来得到一个几乎恒定的外形轮廓。在退火过程中，O离子轮廓在0.3～1.8 ；tm之间保持10(20)cm-3的浓度，而离子外形却发生了变化。通过形成Er－O化合物，阻止了Br离子参加到光学性质不活跃的硅化物象中，从而有效地加强了硅中Er的固溶度。

　　图2所示为典型的晶体硅中Er的光致发光谱。在1.54 gm处有一个明显的波峰。在体硅中，由于热电子能量的限制、俄歇（Auger）复合等能量损耗的存在，很难改善掺Br离子硅发光二极管的性能。可以采用将Er离子掺入5102或者纳米硅中的办法提高发光效率。据报道掺入Er的硅量子点发光二极管外量子效率已经大于10％。

　　图2 典型的晶体硅中Et的光致发光谱