【国内论文】浙江大学杨德仁院士领导的研究团队---优化器件结构以增强发光研究

        该研究得到浙江省重点研究项目（批准号：2024C01054）的支持。

        随着半导体技术的发展，传统电互连器件的信号延迟、功耗和信号串扰问题逐渐凸显。硅基光电子学作为替代方案提出，其中光子取代电子进行信息传输。然而，实现电驱动硅基光源仍面临挑战。铒（Er³⁺）具有窄谱线宽度和位于石英光纤最小损耗窗口的 4f 内跃迁（⁴I_13/2~⁴I_15/2）和 1.54 μm 固定发射波长等优点，成为潜在光源材料。尽管能量转移机制可降低工作电压，但 Er³⁺ 受激发效率低、发光强度受限。为增强发光，该团队提出在 Ga₂O₃ 中引入镱（Yb³⁺）掺杂层，提升发光强度。

        该研究提出了一种硅基掺铒（Er）和掺镱（Yb）的氧化镓发光器件。分析了掺镱中间层对电学和发光性能的影响。发现形成了类似量子阱的能量带，能够将电子限制在有源层内。证实了铒和镱之间存在显著的相互作用效应，包括能量转移和电子转移，这促进了铒发射的激发过程，从而增强了发光。基于厚度比为 1:1 且有三层掺镱中间层的薄膜，该器件可获得约 5.0 μW/cm² 的最大光功率密度，这几乎是无掺杂镱中间层器件的 60 倍。此外，还能检测到铒内的反转粒子数，为实现硅基电驱动激光器奠定基础。

        在该项工作中，研究了掺镱（Yb³⁺）中间层对硅基 Ga₂O₃：Er 发光二极管（LED）电学和发光性能的影响，并提出了一种利用发射层内电子的限制以及稀土离子协同效应的 LED。通过测量能级位置，发现不同掺杂层之间的界面形成了 I 型异质结，并且形成了类似量子阱的能带结构，能够将电子限制在 Ga₂O₃：Er 层内。由于引入了稀土离子，硅与 Ga₂O₃ 层之间的界面存在正固定电荷，这会导致能带弯曲，从而改变导电性能。Er 和 Yb 掺杂层之间的界面将有助于 TAT 导电机制。对于发光性能，发现当 Yb³⁺ 参与时，Er³⁺ 的发光强度会增强，这是由于受限的能带结构以及 Er³⁺ 和 Yb³⁺ 之间的相互作用。最大光功率密度达到约 5.0 μW/cm²，比不含 Yb³⁺ 的器件提高了 60 多倍。通过 TREL，证实了 Yb³⁺ 能够将辐射能传递给附近的 Er³⁺，并且在离子数量平衡且转移距离适宜的情况下，效率可提升至 14.8%。在优化后的器件中，还验证了 Yb³⁺ 到 Er³⁺ 的有效电子转移。能量和电子转移都能促进 Er³⁺ 发射的激发过程，在 Er³⁺ 中实现粒子数反转，这对于硅基电驱动激光器来说是至关重要的。