Видимое излучение от кислород-содержащих кремниевых нанокристаллов на лазерном черном кремнии

Аннотация

Черный кремний (ЧК) изготовлен наносекундным импульсным лазером (нс-лазер) в вакууме или в атмосфере кислорода. Удивительно, но измерения фотоэлектронной спектроскопии (ФЛ) при комнатной температуре раскрывают сильное видимое излучение с поверхности ЧК после отжига. Проявлен яркий лазерный пик около 600 нм в структуре Пурселла. Детальный анализ ФЛ показывает, что электронные состояния кислород-легированных кремниевых нанокристаллов являются основным источником видимого излучения, с четкими пиками ~400, 560 и 700 нм. Результаты указывают на жизнеспособный путь к кремниевым белым световым приборам.

Введение

Объемный кремний с непрямым запрещенным зоной 1,12 эВ демонстрирует низкую эффективность светового излучения. Тем не менее, интеграция эффективных кремниевых излучателей в чипы остается приоритетом для оптоэлектроники следующего поколения. Недавние работы сообщали о видимом излучении при комнатной температуре от низкоразмерных кремниевых наноструктур, особенно черного кремния (ЧК), полученного лазерной обработкой импульсных лазеров [1–6]. Импульсные лазеры — как фемтосекундные, так и наносекундные — драматически меняют оптические свойства кремния, и видимое излучение ЧК привлекло значительный интерес, хотя его механизм все еще обсуждается [13–15]. В этой работе генерировали поверхности ЧК нс-лазером в вакууме и в атмосфере кислорода 80 Па, достигнув эффективного видимого излучения. Отжиг усиливает излучение, а ФЛ-спектры показывают, что кислород-легированные кремниевые нанокристаллы (НК) доминируют в видимом выходе около 400, 560 и 700 нм, открывая перспективы для кремниевых твердотельных световых источников.

Эксперименты и результаты

Система лазерного травления импульсами (PLE) использовалась для fabricación поверхности ЧК. Нс-лазер, сфокусированный в точку ~10 мкм, обрабатывал p-типные (10 Ом·см) кремниевые пластины в вакууме (образец I) или в атмосфере кислорода 80 Па (образец II) (рис. 1а). Плазмонная решетка спонтанно возникала на ЧК во время PLE (вставка на рис. 1а). SEM (рис. 1б) показывает высокоабсорбирующую поверхность (<10% отражения) с показателем преломления ~1,88 в видимом диапазоне, согласующимся с отношениями Крамерса-Кронига [16,17]. TEM подтверждает наличие кремниевых НК в отожженном ЧК (рис. 1в).

Рис. 1. а — схема PLE устройства. б — SEM поверхности ЧК после отжига. в — TEM кремниевых нанокристаллов в ЧК.

ФЛ-спектры записывали под 266-нм возбуждением при 300 К и 10–200 К в камере 1 Па. Температура и время отжига критически влияют на кристаллизацию. Отжиг 1000 °C 15 мин оптимизирует видимую ФЛ при 300 К для образца II (кислород) и дает сильное излучение при 10 К для образца I (вакуум).

Сравнительный анализ: образец I демонстрирует надежный пик 330 нм при 10 К (черная кривая, рис. 2а), приписываемый излучению НК, в то время как образец II показывает заметно усиленный пик 400 нм при 300 К (красная кривая, рис. 2б), указывающий на примесные состояния, индуцированные кислородом.

Рис. 2. а — ФЛ спектры 300–500 нм при низкой температуре: образец I (черный) vs образец II (красный). б — ФЛ спектры при 300 К: образец I (черный) vs образец II (красный), более широкие усиленные пики у образца II.

В области ~560 нм интенсивность ФЛ образца II (красный) превосходит образец I (черный) при 300 К, снова указывая на примесные состояния, связанные с кислородом (рис. 3).

Рис. 3. ФЛ спектры около 560 нм при 300 К: образец I (черный) vs образец II (красный).

Рис. 4а показывает ФЛ спектры образца I (вакуум) при 300 К в зависимости от мощности возбуждения. Широкий полос отражает дисперсию размеров НК. После отжига 1000 °C широкая полоса исчезает, и появляются четкие примесные пики около 600 и 700 нм (рис. 4б).

Рис. 4. а — ФЛ спектры vs мощность возбуждения (300 К, образец I, вакуум). б — ФЛ спектры после отжига 1000 °C.

Наиболее впечатляющее: острый ФЛ пик с лазерной генерацией ~600 нм появляется в микрометровой полости Пурселла на поверхности ЧК под 514-нм возбуждением (рис. 5). Оптический прирост, извлеченный методом переменной длины полосы, достигает ~130 см⁻¹.

Рис. 5. а — Оптическое изображение полости Пурселла на ЧК. б — Острый ФЛ пик с генерацией около 600 нм (300 К, 514-нм возбуждение).

Обсуждение

Анализ затухания ФЛ кремниевых НК с разными диаметрами раскрывает явный переход от непрямого к прямому запрещенному зону. Меньшие НК (<2 нм) показывают быстрое затухание (<1 нс), соответствующее прямозонному излучению (~400 и ~560 нм). Крупные НК (>2,5 нм) демонстрируют медленное затухание (~мкс), характерное для непрямозонного излучения (~700 нм), вместе с быстрыми компонентами от примесных состояний (рис. 6).

Рис. 6. а — Затухание ФЛ ~400 нм (быстрые фотоны). б — Затухание ФЛ ~560 нм (быстрые фотоны, нс). в — Затухание ФЛ ~700 нм (быстрые фотоны от примесных состояний, нс; медленные фотоны от крупных НК, мкс).

Модель излучения (рис. 7) подтверждает, что прямозонные переходы доминируют в НК <2 нм, тогда как непрямозонные переходы и примесное излучение преобладают в крупных НК, в согласии с теорией квантового замыкания.

Рис. 7. Модель излучения: прямозонное (быстрое, <2 нм НК) vs непрямозонное (медленное, >2,5 нм НК) и вклад примесных состояний.

Заключение

Наше исследование демонстрирует, что нс-лазерный ЧК содержит как микро-, так и наноструктуры, обеспечивающие видимую ФЛ, пригодную для светодиодов. Сравнивая образцы, приготовленные в вакууме и в 80 Па кислорода, подтверждаем, что примесные состояния кислорода в кремниевых НК отвечают за надежное комнатнотемпературное излучение при 400, 560, 600 и 700 нм, в то время как пик 330 нм при 10 К исходит от люминесценции НК. Эти результаты проложили новый путь к кремниевым видимым источникам света и белым световым приборам.

Методы

Измерения фотоэлектронной спектроскопии

ФЛ спектры записывали под 266 или 488-нм возбуждением при 300 К и 17–200 К в камере 1 Па. Наблюдались острые пики со стимулированным излучением и характеристиками прямого перехода. Лазерный пик около 600 нм на ЧК, достигнутый после отжига, квантовали методом переменной длины полосы, получив оптический прирост ~130 см⁻¹. Спектры затухания ФЛ при 400, 560 и 700 нм измеряли с пс-импульсным 266-нм возбуждением.