13、掺铒富硅氮化硅与硅酸铒用于片上光源的研究

掺铒富硅氮化硅与硅酸铒用于片上光源的研究

1 增益特性与材料制备

在不同铒浓度下，材料展现出不同的增益特性。对于 1.5 at.% 的铒，在泵浦强度为 6.5 mW/μm² 时，可实现 23 dB/cm 的增益，对应 70% 的粒子数反转。若使用更高的铒浓度，如 2.5 at.% 的铒，在泵浦强度为 2.2 mW/μm² 时可实现粒子数反转，在 25 mW/μm² 的泵浦强度下，能实现 38 dB/cm 的增益，同样对应 70% 的粒子数反转。不过，模拟结果仅考虑了合作上转换，其他效应如激发态吸收和高阶合作上转换可能会导致结果不理想。此外，硅酸盐需制成致密连续的薄膜才能用于光子器件，且这种致密薄膜是否具备纳米晶粒的优势还有待确定。

1.1 实验制备流程

制备掺铒富硅氮化硅（SRSN:Er）微盘的具体步骤如下：
1. 薄膜沉积 ：在室温下，采用反应离子束溅射沉积方法，使用 600 eV 的 Ar⁺ 和 N⁺ 束，在硅衬底上沉积 330 nm 厚的掺铒 a - SiNₓ 薄膜（含 8 - 9 at.% 过量硅），铒浓度为 0.2 at.%（2×10²⁰ cm⁻³）。随后，在顶部沉积 280 - nm 厚的 SiO₂ 层作为硬掩模。
2. 退火处理 ：沉积后，在流动的氩气环境中，于 950 °C 下退火 30 分钟，使 nc - Si 沉淀并激活铒。
3. 氢化处理 ：在流动的形成气体环境（10% H₂/90% N₂）中，于 650 °C 下退火 30 分钟，以钝化缺陷。
4. 图案形成与蚀刻