通信波長帯発光材料エルビウム－イッテリビウム化合物の作製と発光の広帯域化

尾身博雄　俵　毅彦^＊
機能物質科学研究部　^＊量子光物性研究部

　エルビウムシリケイト(Er₂SiO₅, Er₂Si₂O₇)、酸化エルビウム(Er₂O₃)などのエルビウム化合物は、光利得材料としてシリコンフォトニクスの分野で大きな注目を集めている。これらの化合物には通信波長帯のCバンド（1.5 µm帯）で発光するEr³⁺イオンが大量（約10²² cm^-3）に存在し、シリコン基板上で高利得の導波路型増幅器の実現が期待できるからである。しかし、エルビウム化合物では、結晶中のEr³⁺の数が多過ぎるため濃度消光によりEr³⁺の発光効率が著しく低下してしまう。一方、Er³⁺とほぼ同じイオン半径(0.9 Å)をもつイッテリビウムイオン(Yb³⁺)はEr³⁺の発光に対して感光材として機能することはよく知られている。そこで、我々はエルビウム化合物にイッテリビウムを添加することにより、濃度消光の低減とEr³⁺イオンの高効率発光とを同時に達成することを目的として、シリコン基板上にエルビウム－イッテリビウムの混晶化合物を形成し、その発光特性を明らかにした[1]。
　図1は、Si(100)基板上にRFスパッタリング法により室温で成長したYb₂O₃(80 nm)/Er₂O₃(10 nm)/Yb₂O₃(20 nm)サンドイッチ構造からの放射光斜入射X線回折パターンである。この図からわかるように、Ar雰囲気中の熱処理により、900℃ではEr_xYb_2-xO₃が、1000℃ではEr_xYb_2-xO₃に加えEr₂Yb_2-xSi₂O₇が、1100℃ではEr_xYb_2-xO₃の多結晶の膜が形成される。図2は、波長1.5 µmのEr³⁺からのフォトルミネッセンス(PL)スペクトルの熱処理温度依存性を示す。熱処理温度が950℃の場合に高強度かつ発光帯域幅の広いPLスペクトルが得られた。X線回折、PL測定、断面透過電子顕微鏡／エネルギー分散型X線分光の結果を総合的に分析した結果、この温度でのEr³⁺イオンからの高強度で広帯域なPL発光はSi基板上でのEr-Yb混晶酸化物とEr-Yb混晶シリケイトの同時形成に起因することがわかった。これらの結果は通信波長帯で高効率・広帯域な導波路型増幅器をシリコン基板上で実現するための重要な知見である。


図1 　斜入射X線回折パターン。(a)成長後、 (b) 900℃、(c) 1000℃、(d)1100℃の熱処理後。	図2 　PLスペクトルの熱処理温度依存性。励起波長は980 nm。