光电子器件具有光敏区域，所述光敏区域包含掺杂有稀土元素离子的半导体材料。与稀土掺杂剂离子的内部能量状态相关的特性跃迁通过那些状态与在半导体带结构中的能量状态的直接相互作用而被修改。Eu3+和Yb3+掺杂的硅LED和光电探测器被描述。所述LED发射在光通信中重要的在波长范围1300nm到1600nm中的辐射。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】光电子器件具有光敏区域，所述光敏区域包含掺杂有稀土元素离子的半导体材料。与稀土掺杂剂离子的内部能量状态相关的特性跃迁通过那些状态与在半导体带结构中的能量状态的直接相互作用而被修改。Eu3+和Yb3+掺杂的硅LED和光电探测器被描述。所述LED发射在光通信中重要的在波长范围1300nm到1600nm中的辐射。【专利说明】光电子器件
本专利技术涉及光电子器件；具体地说，但不是排他地，涉及硅基光电子器件。
技术介绍
对开发硅基光电子器件存在不断增加的需求，尤其是例如光发射器和光放大器的光源，以达到实现完全集成的硅光子平台的目的。然而，硅是间接带隙半导体材料，其中电荷载流子的快速、非辐射复合是主要过程，并且这倾向于阻碍这样的硅基器件的开发。为减轻该问题采取了 一系列不同的方法。美国专利号N0.7，274，041B2描述了由硅制造的包括由位错环阵列产生的应变场的光电子器件。所述应变场对空间限制是有效的，并且因此促进电荷载流子的辐射性复合。美国专利号N0.6，288，415B1公开了一种提供快速辐射路径的直接带隙半导体材料被引入到娃主体(silicon host)的不同方法。稀土元素也被认为有前景作为用于光源发展的光心。部分填充的4f壳(shell)产生稀土元素原子的内部能量状态之间的急剧跃迁。已知这些跃迁对晶体主体和对温度变化高度不敏感，并且已知许多这样的跃迁展现本征增益并确实在其它主体材料中支持持久力(lasting)。“Silicon-based light emitting devices (娃基光发射器件)，，(M.A.Lourenco等人，Vacuum78 (2005) 551-556)公开了包含掺杂有稀土元素铒(Er)离子的硅主体的发光二极管。该器件被报道为发射在电磁频谱的红外部分中的辐射，主要在波长1555nm处。相似地,“Siliconlight emitting diodes emitting over the 1.2 - 1.4 μ mwavelength region in the extended optical communication band，，(M.A.Lourenco等人，Applied Physics Letters，92，161108 (2008))描述了包含掺杂有稀土元素铥(Tm)离子的硅主体的发光二极管。再次地，所述器件发射在红外中的辐射；也就是说，在1200nm和1350nm的范围中的波长处，可归因于在铥离子的最低激发能量状态和基态之间的辐射跃迁。Yongsheng Liu等人的 J Phys.Chem.C 2008,112,686-694描述了三价稀土兀素铕离子(Eu3+)被注入在ZnO纳米晶体中的发光二极管，其具有比硅宽得多的带隙。在这种情况下，发现器件发射的辐射在电磁频谱的可见光部分中；特别地，在可见光的红-黄区域中。再次地，观察到的发光可归因于公知的(Eu3+)离子的内部能量状态之间的特性跃迁；也就是说，在激发的5Dtl能量状态和7Fj能量状态之间的跃迁，其中j=0到6，在波长615nm处的主要红光发射，可归因于5Dtl-7F2跃迁。在每种情况下，观察到的发光可归因于稀土元素掺杂剂离子的内部能量状态之间的跃迁。由于在半导体主体中电荷载流子的复合，这些跃迁由间接能量传输过程激发，并且这易于减小发射速率。
技术实现思路
根据本专利技术的ー个方面，提供ー种光电子器件，所述光电子器件具有光敏区域，所述光敏区域包含掺杂有稀土元素离子的半导体材料，使得在器件的操作中，与掺杂剂离子的内部能量状态相关的特性跃迁通过那些内部能量状态与来自半导体材料的导带和/或价带的能量状态的直接相互作用被修改。 根据本专利技术的另一方面，提供ー种光电子器件，所述光电子器件包括光敏区域，所述光敏区域包含掺杂有稀土元素离子的半导体材料，所述离子具有位于在半导体材料的导带和价带之间的禁带内的能量状态，并且在操作中能够经受在半导体材料的能带和所述掺杂剂离子的所述能量状态之间的辐射发射跃迁或辐射吸收跃迁。根据本专利技术的器件涉及半导体主体材料的一个或多个能带与掺杂剂离子的ー个或多个能量状态之间的直接相互作用，并且因此不依靠在所描述类型的传统器件中需要的间接能量传输过程。在一些优选实施例中，稀土元素掺杂剂离子具有能量差大于半导体主体材料的带隙的内部状态。优选地，半导体材料是硅，然而其它间接带隙材料可以被使用；例如其它IV族材料，诸如锗、锡、碳、锗化硅、碳化硅以及它们的合金。在实施例中，所述稀土元素的离子是三价铕离子Eu3+，然而其它稀土元素的离子可被使用；例如稀土元素镱的三价离子Yb3+。在优选实施例中，光电子器件的光敏区域包括掺杂有三价铕离子的硅并且该器件能够经受从硅导带中的能量状态到三价离子Eu3+的7Fj状态中的一个或多个的辐射跃迁，其中j=0，l，2，3，4。在本实施例中，光电子器件发射的辐射在电磁频谱的红外部分中，尤其在从1300nm-1600nm的波长范围中。因为包括铕离子的传统器件发射的辐射都在电磁频谱的可见光部分中，可归因于掺杂剂离子的内部能量状态之间的特性跃迁，所以在这个波长范围中的发光完全是不可预料的。此外，在1300nm-1600nm的红外波长范围中的发光对关于开发光纤通信系统的应用是相当重要的。光电子器件可以是包括发光二极管和激光器的光发射器。在本专利技术的其它实施例中，所述光电子器件是光放大器。在本专利技术的其它实施例中，光电子器件是光电探测器。在典型的实施方式中，根据本专利技术的光电子器件可被并入在光电子集成电路中，例如绝缘体上硅波导平台。【专利附图】【附图说明】现在仅參照附图借助实例来描述本专利技术的实施例，其中: 图1示出根据本专利技术的穿过发光二极管(LED)的示意横截面图， 图2示出通过测量从图1的LED的发射得到的电致发光频谱(ES)， 图3示出通过测量从相同LED的发射得到的光致发光频谱(PSl)和通过测量可归因于Eu3+离子的内部能量状态之间的跃迁的发射得到的光致发光频谱(PS2)， 图4示出被重新绘制为能量(eV)的函数的图3的光致发光频谱PSl和PS2， 图5a示意地示出在Eu3+离子的内部能量状态之间的跃迁， 图5b示意地示出在Eu3+离子的内部能量状态7Fj以及硅的带结构之间的关系， 图6示意性地示出在硅主体的能量状态和Eu3+掺杂剂离子的内部能量状态之间的在80K的辐射吸收跃迁。图7示出从图1的LED得到的光致发光频谱，其中Eu3+离子被稀土元素镱的三价离子Yb3+代替。图8a示意性地示出Yb3+离子的内部能量状态之间的跃迁， 图Sb示意性地示出Yb3+离子的内部能量状态2f7/2和硅的带结构之间关系， 图9示意性地示出在硅主体的能量状态和Yb3+离子的内部能量状态之间的在80K的辐射吸收跃迁， 图10示出根据本专利技术的从Eu3+和Yb3+掺杂的硅LED得到的光电压响应，其是针对反向温度用对数绘制的，并且 图11 (a)和11 (b)示出根据本专利技术的包括光电子器件的光电子集成电路。【具体实施方式】现在参照图1，光电子器件10具有发光二极管(LED)的形式。所述LED具有由η型硅的区域12和P型硅的区域13限定的p-n结11。在本实施例本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：KP霍梅伍德，RM格威廉，
申请(专利权)人：萨里大学，
类型：
国别省市：
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