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在微電子應用中起主導作用的Si，在光子學領域的表現卻不盡人意。這是由于Si屬間接帶隙結構，使其不能有效發光，因而被認為是不適合在光電子領域中應用的。人們想了很多辦法以克服它的這個缺陷。其中Si中稀土摻雜的方法為人們所關注。稀土Er3+離子第一激發態到基態的躍遷發出的光波長為1.54/μm，正好對應于標準石英光纖的最小吸收窗口。因此摻鉺硅在光通信的應用方面具有極大的潛力。摻鉺硅在77 K溫度下的PL和EL首先在1983～1985年被Ennen等得到，從而引發了大規模的研究，旨在開發摻鉺硅系統的結構、電學和光學性能，并將其擴展到室溫工作。然而，直到1993年的研究表明，制作室溫下高效發光的摻鉺硅器件是不現實的。主要有以下幾個原因：
(1)Er在Si中的固溶度低(1 300℃時約1×1016cm-3)，阻止了高濃度Er的摻入;
(2)強的非輻射衰減機制，使摻鉺硅發光強度從77 K至室溫時衰減了3個數量級，室溫下的發光幾乎測不到;
(3)Er在Si中的輻射壽命為1 ms量級，因而不可能直接調制輸出頻率高于1 kHz的光。
1993年后，由于高濃度摻鉺硅的突破，獲得了較詳實的理論和實驗結果，因而摻鉺硅再一次引起了全世界的關注。雖然摻鉺硅中尚未獲得百分級效率的LEDs與激光，但室溫下己實現較強的EL，并己將它們集成為Si基光電子和微電子器件的光源。本文總結了摻鉺硅的材料性能、發光機理、以及摻餌硅LED器件的行為和未來展望。
1 摻鉺硅的發光機理
1.1 Si中Er的4f電子結構
Er原子的價電子組態為4f126s2。對于Si中的Er，理論計算表明，其+3價態比+2價態更穩定，即一個4f電子被提升到5d軌道上，形成4f116s25d1組態。由Hund定則決定4f11的基態光譜項是4I。自旋一軌道相互作用將4I項分裂成4個多重態(J=15/2，13/2，11/2，9/2)。從第一激發態4I13/2到基態4I15/2的能量間距為0.81 eV左右，但是它們之間的電偶極躍遷是禁戒的(電四極矩和磁偶極矩躍遷幾率更小)，當Er摻入基質時，周圍晶體場的作用將自旋-軌道多重態分裂成-系列Stark能級，這時選擇定則可能被破壞，發生輻射躍遷，產生一系列豐富的譜線，譜線的個數和強度同發光中心所處的晶體場密切相關。當晶體場具有Td對稱性時，基態4I15/2分裂成兩個雙重態Γ6，Γ7和3個四重態Γ8;第一激發態4I13/2分裂成一個Γ6，兩個Γ7和兩個Γ8。當晶體場不具有立方對稱性時，基態4I15/2和第一激發態4I13/2的Γ8分裂成兩個Kramer雙重態。上述過程如圖1所示。
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圖1中(a)為電子一電子相互作用，基態項4I;(b)為自旋-軌道相互作用，產生J=15/2，13/2，11/2，9/2多重態;(c)中Td為晶體場中的Stark能級，對4I15/2的分裂，從上到下分別為Γ8，Γ7，Γ8，Γ8和Γ6;(d)為非立方對稱性晶體場中的分裂。
1.2 摻鉺硅的發光機理
一般認為，摻鉺硅的發光來源于Er離子的4f能級間的躍遷，如圖2所示。在解釋具體的發光機理時，必須說明Er離子在硅中的激發和退激發過程，并以此來解釋實驗現象。對機理的了解有助于從實驗上來提高摻鉺硅的發光效率，克服其溫度猝滅和提高發光的調制頻率。
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發光的激發和退激發過程：先討論激發過程。一般來說，Er離子被激發可以有光子激發和電子激發兩種可能性。光子激發是入射光子直接將Er的4f基態能級上的電子激發到較高的能級上去，但是，由于Er3+的光吸收截面非常小，只有1×10-20cm2，所以對有效的光致發光和電致發光(EL)來說，光子激發不是主要的。電子激發又稱載流子中介激發。它可以有兩種方式，如圖3所示。圖3(a)是激子復合激發，在摻鉺硅的PL和P-N結正向偏壓作用下的EL都屬于這一種機理。其過程為：由光照或由P-N結電注入在Si中產生電子空穴對，然后通過受陷于一個與Er相關的位于禁帶中的能級而成為束縛激子，激子復合后產生能量(圖中過程1)，該能量從半導體轉移到Er的4f殼層(過程2)，使4f電子從4I15/2基態激發到第一激發態4I13/2(過程3)。另一種電子激發過程稱為載流子碰撞激發，如圖3(b)所示。它發生在P-N結反向偏壓下的EL中。 P-N結勢壘區中的載流子受到強電場的作用而加速成為熱載流子，處于導帶內高能量狀態上，當它的動能大于0.81 eV時，就有可能通過與晶格碰撞而失去能量(過程1)，這部分能量轉移給Er(過程2)，激發其4f電子(過程3)。
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對于上述兩種激發過程來說，電子空穴復合更有效，因為碰撞激發的截面為6×10-17cm2，而理想情況下(低溫和低激發強度)e-h復合的截面可達5×10-15cm2。
處于激發態的Er離子可以通過輻射復合和非輻射復合兩種途徑而退激發。由于的第一激發態的輻射復合壽命相當長(1 ms)，非輻射退激發過程嚴重地削弱了發光強度。為了得到有效的發光，必須盡可能地消除或減弱非輻射復合的途徑。對Er-Si系統來說，存在兩類非輻射退激發過程：
(1)能量背轉移，如圖3(c)所示。Er退激發(過程1)所產生的能量背轉移給Si(過程2)，激發Si價帶電子躍遷到一個與Er有關的能級(過程3);
(2)Auger退激發，如圖3(d)所示.由過程1和過程2所產生的能量轉移給Si中的導帶電子，使其激發到高能態(過程3)。在第一種退激發過程中，Er退激發的能量為0.81 eV，與Er有關的能級位于導帶底以下約0.15 eV處，價帶電子激發到該能級的能量處，與0.81 eV尚差0.15 eV，這一能量需要靠聲子來提供，因此能量背轉移過程是熱激活的，與溫度關系較大;而第二種退激發過程由于是將能量轉移給自由載流子，因此與樣品中的載流子濃度相關。
由于Er在Si中表現出較強的施主行為，Auger退激發過程在高摻Er的材料中更為重要，另外在PL中，如果入射光很強，導致樣品中載流子濃度增加很多，Auger退激發過程也會占主導地位。
2 影響摻鉺硅發光效率存在的問題
雖然在20年前人們就已經實現了摻鉺硅的電致發光，但直到目前仍制約著摻鉺硅的實用化，主要存在以下問題。
首先，鉺在單晶硅中的固溶度很低，Er3+的濃度小。Michel等很早就提出鉺在硅中的固溶度不超過1×1018cm-3。盡管當時考慮了雜質的影響，后來的研究表明，還是過高地估計了鉺在硅中的固溶度。離子注入實驗研究表明，超過一定濃度后，經退火后會形成無光學活性沉淀ErSi2。Serna等通過MBE生長的樣品經退火研究表明，超過一定濃度后鉺會聚集到表面附近。實際上，鉺在純凈的單晶硅中的平衡固溶度還沒
有定論，不過已有證據表明不會超過2×1016cm-3。要滿足實用要求，Er3+濃度至少要達到1×1018cm-3，因此Er3+的濃度成為限制摻鉺硅發光效率的一個主要因素。其次，摻鉺硅中具有光學活性的鉺所占比例低。
Michel等認為，鉺在硅中主要為+2價態，不具有光學活性，就鉺在硅中價態這一點來說仍有很大爭議。一般認為鉺在硅中主要為+3價態，只是缺乏有效的激發通道或存在高效的無輻射退激發。此外，鉺在硅中也像其他重金屬元素一樣會在禁帶中引入深能級，這在很大程度上減少了起激發Er3+作用的電子-空穴對的數量，從而大大降低了摻鉺硅的發光效率。摻鉺硅的發光效率主要受哪種機制影響目前仍然不清楚，也可能是上述幾種機制共同起作用。
最后，摻鉺硅發光存在嚴重的溫度碎滅。Kik等人證明摻鉺硅體系在溫度150 K下的發光強度比在12 K時下降了1 000倍，而室溫下幾乎探測不到發光，分析發現溫度碎滅主要由退激發過程中的俄歇過程和能量背傳遞過程引起的。因此溫度碎滅現象成為制約實用化的最主要因素。
3 提高摻硅發光效率的途徑
根據摻鉺硅激發、退激發和猝滅的原理，提高其發光效率的途徑有：
(1)提高Er3+離子摻雜濃度。摻鉺硅激發過程由載流子輔助時，其激發截面可達3×10-15cm2。而Er3+直接光子吸收激發截面只有8×10-21cm2。因此，提高Er3+離子摻雜濃度、并有效激活Er3+離子成為研究熱點。目前，通過離子注入、IBIEC和雜質(O，F和C等)共注入可使Er摻雜濃度達1×1020cm-2量級。
(2)共摻氧或其他輕元素改善摻鉺硅材料發光性能。由于摻鉺硅發光材料存在的上述問題，利用該材料很難實現硅基光源，更無法應用于光電子集成領域，不過，Michel等通過將鉺摻人直拉硅Cz-Si(含氧量高)和區熔硅FZ-Si(含氧量低)中，發現摻鉺Cz-Si不僅發光效率提高，而且能更好地抑制溫度碎滅效應。后來眾多的鉺氧共摻實驗均得到了相似的結果，氧被認為能對餌的發光起重要作用，共摻氧也被認為是一種改善摻餌硅發光性能的有效手段，研究人員已經從各個方面討論了氧的作用：共摻氧或其他輕元素(C，N，F)可以大大提高餌在硅中的固溶度，且已接近3×10-11cm-3;共摻氧可增強餌的光學活性，且有利于在鉺中心處形成束縛激子;共摻氧可以引入起發光通道作用的施主能級。
(3)拓寬Si帶隙。Si帶隙拓寬后，反向熱激活的能量傳遞過程需更大的△E，降低了反向能量傳遞的幾率，即提高了發光效率。拓寬Si帶隙的方法有多種。如將Er摻入氫化非晶硅以及多孔硅等中。但這種非晶材料有兩個缺陷：其一是這些非晶材料喪失了晶體Si優異的輸運特性，至今未得到強的室溫EL;其二是H鈍化的材料不能用于超過350～400℃溫度的場合，明顯與標準的Si工藝不相適應。因此，最近又提出將Er摻入納米晶Si中，則既可保留Si的優良傳輸特性，又可與Si工藝匹配。有實驗結果表明，3×1020Er/cm3摻入納米Si的PL比摻入SiO2的增強了2個數量級。
4 前景展望
綜上所述，人們對摻鉺硅基材料的發光已經做了廣泛的研究，并取得了較大的進展。目前人們已經得到了摻鉺硅基光纖放大器，而且成功制作出強烈室溫發光的異質結雙極性三極管。Michel等早在1996年就已經論證了利用摻鉺硅基發光材料實現硅基光電子集成的可行性，隨著對摻鉺硅基發光材料的深入研究，硅基光電子集成的實現不再遙遠。