Mie共振氮化硅超表面中Er3+离子室温发射的强增强效应

《Advanced Optical Materials》：Strong Enhancement of Er3+ Emission at Room Temperature in Si3N4 Metasurfaces

　　

研究人员报道了在Mie共振氮化硅超表面中，通过离子注入的Er³⁺离子在1530 nm处实现的室温光致发光（PL）增强。在500 °C退火后，半径为390 nm的纳米圆柱相对于平面薄膜表现出18.1倍的检测PL增强。测得寿命从1.039 ms缩短至0.111 ms，对应约9.4倍的缩短。这些观测结果与电磁模拟与修改后的自发发射动力学一致，尽管激发、非辐射弛豫和收集过程也影响检测强度。退火提高了PL并窄化了半径依赖的增强峰：高斯拟合给出的几何半高全宽在退火前约为80.7 nm，退火后约为24.5 nm。这些宽度描述了PL增强峰；将其与光学共振联系起来需要独立的线宽测量。在50–350 keV的注入能量范围内，深度和总注入剂量同时变化，因此PL的增加与更大的注入Er总量相一致。该CMOS兼容平台结合了增强的电信波段Er发射与可扩展制造和室温操作，为紧凑型集成光源提供了潜力。

**研究背景与问题**

硅基光子学长期以来面临缺乏高效片上光源的核心瓶颈。氮化硅（Si₃N₄）因其低传播损耗、从可见光到中红外的宽透明窗口以及高折射率带来的光场限制能力，已成为现代光子平台的重要材料。然而，Si₃N₄本质上是一种被动材料，缺乏有效的光发射能力，这限制了进一步功能化的发展。稀土掺杂是向基质材料引入活性功能的重要手段，其中三价铒离子（Er³⁺）因其4f内壳层跃迁对应C波段电信窗口（约1530 nm）而备受关注。然而，在许多基质材料中，尤其是硅或硅基矩阵中，铒的室温光致发光（PL）受到低自发发射速率和非辐射路径的严重限制，往往仅在低温下才能观察到，室温条件下PL信号被显著抑制甚至无法探测。这种对低温环境的依赖严重制约了掺铒器件在实际消费级光子芯片和室温通信系统中的应用。为克服这些限制，研究人员已将多种纳米光子架构与Er:Si₃N₄体系集成，包括长路径波导、高品质因子微腔和光子晶体等。介电超表面（metasurface, MS）作为一种紧凑平台，通过亚波长纳米结构的精确图案化来控制发射，支持光学诱导的电和磁Mie共振，从而工程化局域光学态密度（local density of optical states, LDOS）并将电磁场集中在Er³⁺掺杂活性区域内。通过Purcell效应加速自发发射速率，有望克服热淬灭并在室温下实现高亮度发光。本研究旨在展示离子注入Er³⁺与Mie共振Si₃N₄超表面耦合所实现的18.1倍室温PL增强，建立一条完全CMOS兼容的活性纳米光子学路径。

**关键技术方法**

研究人员采用低压化学气相沉积（LPCVD）在熔融石英衬底上沉积Si₃N₄薄膜，注入前退火以减少N–H和Si–H键浓度。Er³⁺通过三步离子注入（注入能量分别为50、150和350 keV）实现约0.5 at.%的均匀掺杂浓度，深度依赖研究采用单一能量注入。超表面由周期性Si₃N₄纳米圆柱阵列构成，通过电子束光刻（EBL）和电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）制备。理论建模采用时域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM），将Er³⁺建模为1530 nm处的偶极子，计算有效Purcell因子。室温PL测量使用自定义微区PL装置，以980 nm连续波激光为激发源，通过NIRQuest+1.7光谱仪分析；时间分辨PL（TRPL）测量使用脉冲激发源和InGaAs雪崩光电探测器。

**研究结果**

**平面Er注入Si₃N₄薄膜的室温PL基线表征**：通过980 nm泵浦激发Er³⁺从基态至更高能级流形，经快速非辐射弛豫至⁴I_13/2亚稳态后发生辐射跃迁。 as-implanted平面薄膜呈现以1530 nm为主峰的宽发射带，1540 nm附近侧峰源于Si₃N₄基质中局部晶场引起的Stark分裂。500 °C退火后平面样品PL强度约为as-implanted样品的两倍，与改善的光学激活和减少缺陷相关非辐射损耗一致。

**超表面半径依赖的PL增强**：退火超表面在半径390 nm处获得最大PL增强，as-implanted超表面为8.8倍，退火后为18.1倍。退火样品表现出更强且更窄的半径依赖增强峰。高斯拟合给出as-implanted样品半高全宽约80.7 nm，退火样品约24.5 nm。这些为几何描述符而非光学共振线宽。

**Purcell因子的空间分布模拟**：FDTD模拟显示Purcell因子在纳米圆柱轴心附近（高度约80 nm处）最大，沿径向和轴向逐渐降低。按SRIM注入分布对三个正交偶极方向加权平均后，半径390 nm处平均Purcell因子约16。模拟Purcell因子16.2与实测PL增强18.1表征不同观测量，数值接近不构成定量一致。

**时间分辨PL与寿命缩短**：半径390 nm超表面中Er³⁺寿命从平面薄膜的1.039 ms降至0.111 ms，约9.4倍缩短。寿命随半径从300 nm增大而持续减小，在390 nm处达最小值，偏离后恢复，与腔模光谱失谐一致。寿命缩短与模拟Purcell因子16.2不可直接比较，因寿命反映辐射和非辐射衰减之和。

**功率依赖PL**：低激发区PL强度与激发功率近线性相关，表明系统远离饱和。泵浦功率超过约10 mW后出现亚线性行为，指示功率饱和开始，源于基态布居耗尽。

**深度依赖的Er³⁺分布**：在50、150、250和350 keV注入能量下，所有能量均在半径约390 nm处观察到显著PL增强。注入注量从50 keV到350 keV增加约4.66倍，检测PL增加约4.0倍，比值约0.86，表明单位注入剂量的检测PL在测量不确定度内相当。总PL增加与注入Er总量增加一致，不独立证明更深注入改善耦合。峰中心拟合估计随注入能量非单调变化，当前分析未建立系统性深度依赖位移。

**讨论与结论**

研究结论部分指出，研究人员展示了Er³⁺注入Si₃N₄超表面的室温1530 nm发射增强。Mie型共振可显著增强嵌入Er³⁺离子的PL，优化设计实现18.1倍PL强度增强，稳态光谱和时间分辨寿命测量共同支持修改后的自发发射动力学的贡献；检测PL增强并非Purcell因子的直接测量。注入能量系列显示更高能量和剂量下检测PL增加，但因注入深度和总剂量同时变化且剂量归一化信号在不确定度内相当，该系列不独立证明更深注入改善耦合。退火提高检测PL并窄化半径依赖增强峰，但改善的光学共振品质及缺陷恢复与发射体激活的相对贡献尚未独立确立。该平台与标准光刻工艺兼容，未来工作旨在将铒离子定位到Si₃N₄纳米圆柱更深位置，通过更高加速电压或沉积薄层实现层-注入-层几何结构，推动高亮度片上光源发展，弥合被动Si₃N₄光子学与活性电信级光电器件之间的差距。