Neodymium in hydrogenated amorphous silicon sub-nitrides (a-SiNx:H)

Nesse trabalho apresentamos o estudo da otimização da fotoluminescência (PL) de filmes finos de a-SiNx:H<Nd> preparados pela técnica de RF co- sputtering. A PL foi estudada em função da concentração de nitrogênio e de neodímio. Foi observado que os íons são excitados através da matriz amorfa. O mecanismo de excitação é mais eficiente em amostras com gap óptico E04 aproximadamente igual ao dobro da transição 4 I 9/2 ® 3 F 3/2 , indicando um processo de excitação dos íons dominantemente via recombinações não-radiativas de elétrons da cauda de banda de condução nas dangling bonds. O modelo mais adequado para descrever a excitação dos íons Nd 3+ é o DRAE (Defect Related Auger Excitation), que foi proposto originalmente para o Er 3+ em a-Si:H. Foi feito um estudo da PL com o tratamento térmico das amostras até temperaturas de 700°C. Os resultados de medidas de micro-Raman e HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) mostram que as mudanças na estrutura dos filmes (presença de nano-cristais de Si e/ou Si3 N4 ) aparecem quando a PL não é mais detectável. Isso implica que o tratamento térmico aumenta a PL principalmente deixando o entorno químico dos íons Nd3+ mais favorável para as transições 4f. Em amostras na geometria de guia de onda planar, fizermos medidas de ganho óptico, tempo de vida da PL em função da temperatura e da potência de excitação. Os resultados mostram ganho óptico no material somente a baixas temperaturas e sob excitações acima de 5 kW/cm 2 . A PL em função da intensidade de excitação apresenta mudança de derivada também acima de 5 kW/cm 2 . Esses resultados permitem considerar o material como promissor para aplicações em amplificadores ópticos integradosIn this work, we report a study of the photoluminescence (PL) optimization of a-SiNx:H<Nd> thin films prepared by RF co-sputtering. The PL was investigated as a function of nitrogen and neodymium concentrations. We observed that the Nd ions are excited through the amorphous matrix. The excitation mechanism is more efficient in samples where the optical gap E04 is twice the 4 I 9/2 ® 3 F 3/2 transition of Nd ions, showing an excitation process mostly dominated by non-radiative recombinations of electrons from conduction band tails into dangling bonds. The most adequate model to describe the excitation of Nd 3+ ions is the DRAE model (Defect Related Auger Excitation), originally proposed for Er 3+ in a-Si:H. We study the PL of the samples with thermal annealing at temperatures up to 700°C. Micro Raman and HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy) measurements show that small structural changes (presence of Si and/or Si3 N4 nano crystals) appear when no more PL is detectable. This implies that the annealing enhances the PL mainly modifying the chemical neighborhood of the Nd3+ ions to be more favorable for the 4f transitions. In samples with planar waveguide geometry, we performed optical gain measurements, PL lifetime as a function of temperature and excitation power. The results showed optical gain only at low temperatures and under excitation intensities higher than 5 kW/cm 2. The behavior of the PL as a function of excitation intensity shows a change in its derivate also at an excitation power higher than 5 kW/cm 2 . These results allow us to consider this material as promising for applications in integrated optical amplifier