一般認(rèn)為，摻鉺硅的發(fā)光來(lái)源于Er離子的4f能級(jí)間的躍遷，如圖2所示。在解釋具體的發(fā)光機(jī)理時(shí)，必須說(shuō)明Er離子在硅中的激發(fā)和退激發(fā)過(guò)程，并以此來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。對(duì)機(jī)理的了解有助于從實(shí)驗(yàn)上來(lái)提高摻鉺硅的發(fā)光效率，克服其溫度猝滅和提高發(fā)光的調(diào)制頻率。
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發(fā)光的激發(fā)和退激發(fā)過(guò)程：先討論激發(fā)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，Er離子被激發(fā)可以有光子激發(fā)和電子激發(fā)兩種可能性。光子激發(fā)是入射光子直接將Er的4f基態(tài)能級(jí)上的電子激發(fā)到較高的能級(jí)上去，但是，由于Er3+的光吸收截面非常小，只有1×10-20cm2，所以對(duì)有效的光致發(fā)光和電致發(fā)光(EL)來(lái)說(shuō)，光子激發(fā)不是主要的。電子激發(fā)又稱(chēng)載流子中介激發(fā)。它可以有兩種方式，如圖3所示。圖3(a)是激子復(fù)合激發(fā)，在摻鉺硅的PL和P-N結(jié)正向偏壓作用下的EL都屬于這一種機(jī)理。其過(guò)程為：由光照或由P-N結(jié)電注入在Si中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，然后通過(guò)受陷于一個(gè)與Er相關(guān)的位于禁帶中的能級(jí)而成為束縛激子，激子復(fù)合后產(chǎn)生能量(圖中過(guò)程1)，該能量從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到Er的4f殼層(過(guò)程2)，使4f電子從4I15/2基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)4I13/2(過(guò)程3)。另一種電子激發(fā)過(guò)程稱(chēng)為載流子碰撞激發(fā)，如圖3(b)所示。它發(fā)生在P-N結(jié)反向偏壓下的EL中。 P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)中的載流子受到強(qiáng)電場(chǎng)的作用而加速成為熱載流子，處于導(dǎo)帶內(nèi)高能量狀態(tài)上，當(dāng)它的動(dòng)能大于0.81 eV時(shí)，就有可能通過(guò)與晶格碰撞而失去能量(過(guò)程1)，這部分能量轉(zhuǎn)移給Er(過(guò)程2)，激發(fā)其4f電子(過(guò)程3)。
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對(duì)于上述兩種激發(fā)過(guò)程來(lái)說(shuō)，電子空穴復(fù)合更有效，因?yàn)榕鲎布ぐl(fā)的截面為6×10-17cm2，而理想情況下(低溫和低激發(fā)強(qiáng)度)e-h復(fù)合的截面可達(dá)5×10-15cm2。
處于激發(fā)態(tài)的Er離子可以通過(guò)輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合兩種途徑而退激發(fā)。由于的第一激發(fā)態(tài)的輻射復(fù)合壽命相當(dāng)長(zhǎng)(1 ms)，非輻射退激發(fā)過(guò)程嚴(yán)重地削弱了發(fā)光強(qiáng)度。為了得到有效的發(fā)光，必須盡可能地消除或減弱非輻射復(fù)合的途徑。對(duì)Er-Si系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，存在兩類(lèi)非輻射退激發(fā)過(guò)程：
(1)能量背轉(zhuǎn)移，如圖3(c)所示。Er退激發(fā)(過(guò)程1)所產(chǎn)生的能量背轉(zhuǎn)移給Si(過(guò)程2)，激發(fā)Si價(jià)帶電子躍遷到一個(gè)與Er有關(guān)的能級(jí)(過(guò)程3);
(2)Auger退激發(fā)，如圖3(d)所示.由過(guò)程1和過(guò)程2所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移給Si中的導(dǎo)帶電子，使其激發(fā)到高能態(tài)(過(guò)程3)。在第一種退激發(fā)過(guò)程中，Er退激發(fā)的能量為0.81 eV，與Er有關(guān)的能級(jí)位于導(dǎo)帶底以下約0.15 eV處，價(jià)帶電子激發(fā)到該能級(jí)的能量處，與0.81 eV尚差0.15 eV，這一能量需要靠聲子來(lái)提供，因此能量背轉(zhuǎn)移過(guò)程是熱激活的，與溫度關(guān)系較大;而第二種退激發(fā)過(guò)程由于是將能量轉(zhuǎn)移給自由載流子，因此與樣品中的載流子濃度相關(guān)。
由于Er在Si中表現(xiàn)出較強(qiáng)的施主行為，Auger退激發(fā)過(guò)程在高摻Er的材料中更為重要，另外在PL中，如果入射光很強(qiáng)，導(dǎo)致樣品中載流子濃度增加很多，Auger退激發(fā)過(guò)程也會(huì)占主導(dǎo)地位。