Светоизлучающие структуры на основе нанокристаллов (нанокластеров) кремния в диэлектрических матрицах НИФТИ ННГУ Д.И. Тетельбаум

- Число транзисторов на чипе (ИС) становится столь большим, что быстродействие ограничивается межсоединениями (v

Схематическое изображение энергетической зонной структуры кремния и арсенида галлия. Amir Saar. Journal of Nanophotonics 3, (2009) Актуальность 3 Актуальность направления связана с необходимостью разработки физических основ создания наноструктурированных материалов на основе кремния, которые обеспечили бы его применение в опто- и наноэлектронных приборах. Основная проблема кремния, как непрямозонного полупроводника – низкая эффективность люминесценции. Основные пути решения: усиление собственной люминесценции массивного кремния; дислокационная люминесценция Si (1,1-1,6 мкм); легирование кремния редкоземельными элементами (люминесценция в районе 1,54 мкм); синтез светоизлучающих соединений (FeSi 2, Si 1-x Ge x ) Схематическое изображение эффективно излучающего кремниевого светодиода. M.A. Green. Nature 412, 805 (2001).

Наноструктурирование кремния Наноструктурирование кремния – формирование нанокристаллов (квантовых точек) в широкозонных диэлектрических матрицах. Схематическое изображение и энергетическая диаграмма КТ Si в матрице SiO 2. Wide-band matrix Si quantum dots Схематическое изображение энергетической зонной структуры массивного кремния. x p h Квантово-размерный эффект 4

Схема формирования нанокристаллов кремния в SiO 2. Г.А. Качурин и др. ФТП 39, 582 (2005) Нанесение тонких пленок a-SiO x (CVD, ионно-плазменное распыление и др.) Золь-гельный метод (химический) Ионная имплантация Si + в широкозонные диэлектрики (SiO 2, GeO 2, Al 2 O 3 и др.) Создание пористого Si Рекристаллизация a-Si Ионное облучение с-Si Способы создания квантовых точек кремния 5

Преимущества ионной имплантации: - строгий контроль концентрации и распределения примеси - экспрессность - воспроизводимость результатов - возможность легирования через покрытия - возможность легирования различными примесями без химических или технологических ограничений Схема ионно-лучевого синтеза нановключений в оксидных слоях. Нормированные спектры фотолюминесценции при комнатной температуре. Д.И. Тетельбаум и др. Нанотехника 3, 36 (2006) Ионно-лучевой синтез нанокристаллов Si 6

Эволюция структуры и ФЛ слоя Si, облученного Ne + 7

Зависимость ФЛ от размера НК Si 8 Корреляция экспериментальных и теоретических данных по положению пика ФЛ в зависимости от размера осажденных НК Si. G. Ledoux et al. APL 80, 4834 (2002) C. Delerue et al. PRB 48, (1993) Электронные состояния в НК Si в зависимости от размера НК и характера пассивации поверхности. Состояние захваченного электрона есть p- состояние локализованное на атоме Si связи Si=O, а состояние захваченной дырки – p-состояние локализованное на атоме кислорода. M.V. Wolkin et al. PRL 82, 197 (1999) Поверхностные уровни попадают в оптическую щель НК Si

Фотолюминесценция 9 Экспериментальные и теоретические дозовые зависимости интенсивности ФЛ системы SiO 2 :nc- Si, синтезированной при различных температурах. A.N. Mikhaylov et al. Vacuum 78, 519 (2005) Спектры ФЛ термических пленок SiO 2, подвергнутых имплантации Si + (1·10 17 см -2 ) и отжигу.

Фото- и электролюминесценция 10 SiO 2 (90 нм)/Si(КЭФ-4,5) Si + (40 кэВ, 4·10 16 см -2 ) 1100 С Спектры ЭЛ и ФЛ диодной структуры на основе слоев SiO 2 :nc-Si. Зонная диаграмма смещенного диода, демонстрирующая механизм совместного туннелирования электронов и дырок. Общая схема МОП-диода.

Ионное легирование 11 Дозовые зависимости интенсивности и времени спада ФЛ при 750 нм образцов SiO 2 :nc-Si, легированных фосфором в двух режимах. Д.И. Тетельбаум и др. Нанотехника 3, 36 (2006) Эффективное время жизни ФЛ определяется пассивацией (конкуренцией процессов излучательной и безызлучательной рекомбинации): Интенсивность нестационарной ФЛ зависит главным образом от времени жизни излучательной рекомбинации, которое возрастает за счет взаимодействия с примесным кулоновским центром:

Легирование многослойных структур 12 Зависимость интенсивности ФЛ многослойных нанопериодических структур a-SiO/Al 2 O 3 и a-SiO/ZrO 2 от дозы легирующей примеси. A.V. Ershov et al. Abstracts of 11th International Conference on the Structure of Non-Crystalline Materials (NCM11), Paris, France, June 27 - July 2, – P.135.

Механизмы влияния ионного легирования 13

Интенсивность ФЛ, отн. ед. Фотолюминесценция НК Si в Al 2 O 3 14 Al 2 O 3 НК Si SiO x

Элементы оптоэлектроники светодиоды оптоволоконные линии связи оптические усилители, разветвители межсоединения ИС оптоэлектроннные ИС солнечные элементы элементы памяти Применение нанокристаллов Si 15 Биомедицина фотодинамическая терапия онкологических заболеваний

Стимулированная эмиссия в КЯ Si 16 S. Saito et al. Appl.Phys.Lett. 95, (2009)

3x10 15 Er/cm 2 in SiO 2 Si nc + 3x10 15 Er/cm 2 Si nc Сенсибилизация излучения эрбия Схематическое изображение процесса возбуждения эрбиевых центров в системе SiO 2 :nc-Si:Er 3+ (а) и усиление сигнала в волноводном слое SiO 2 :nc-Si:Er 3+ при оптической накачке (б). Lorenzo Pavesi. Materials Today 1, 18 (2005) оптоволоконные линии связи лазеры на 1,54 мкм 17 Применение нанокристаллов Si

Поверхностный плазмонный резонанс Спектры пропускания SiO 2 и Al 2 O 3 с включениями Au и Ag 18

Выводы Нанокристаллы кремния находят все большее применение в различных областях техники. 2. В области оптоэлектроники формирование нанокристаллов Si в диэлектрических матрицах – один из перспективных путей создания оптических усилителей и лазеров на базе кремния.

Спасибо за внимание! 20