Электронные состояния нанокристалла, легированного кислородом, и видимая эмиссия на черном кремнии, полученная с помощью ns-Laser

Фон

Объемный кремний имеет непрямую запрещенную зону 1,12 эВ и низкую эффективность излучения. Однако ученые считают, что разработка эффективного кремниевого излучателя света имеет решающее значение для интеграции оптоэлектронных устройств в кремниевый чип. Недавние сообщения демонстрируют, что видимое излучение при комнатной температуре происходит в низкоразмерных наноструктурах кремния [1,2,3,4,5,6], особенно в структуре черного кремния (BS), изготовленной с помощью импульсного лазера [7,8, 9,10,11,12]. Метод обработки с помощью простого импульсного лазера (фемтосекундный (fs) или наносекундный (ns) лазер) может радикально изменить оптические свойства кремния. В частности, видимое излучение на поверхности ДО привлекает научный интерес, механизм которого все еще обсуждается [13,14,15].

В письме мы изготовили структуру поверхности BS с помощью ns-лазера в вакууме или в кислородной среде, в которой наблюдалось эффективное излучение в видимом диапазоне. Интересно, что подходящие условия отжига BS, очевидно, могут улучшить видимое излучение за счет процесса кристаллизации. Что еще интереснее, видимое излучение, измеренное при комнатной температуре, может быть усилено на BS, приготовленном в кислородной среде. Анализ спектров фотолюминесценции (ФЛ) и изображения ПЭМ показывает, что нанокристаллы (НК) Si, легированные кислородом, играют основную роль в видимом излучении на ДО, а механизм видимого излучения вблизи 420, 560 и 700 нм однозначен. раскрытый. Эти наблюдения предполагают возможность создания твердотельных осветительных приборов и источников света на основе кремния для видимого диапазона.

Эксперименты и результаты

Устройство импульсного лазерного травления (PLE) используется для изготовления поверхностных структур BS, в которых диаметр пятна ns-лазера составляет около 10 мкм, сфокусированного на кремниевых пластинах подложки P-типа с 10 Ом · см в вакууме (образец I) или в кислородной среде с 80 Па (образец II), как показано на рис. 1а. Интересно, что структура плазмонной решетки возникает на поверхности BS в процессе PLE, как показано на вставке к рис. 1a. СЭМ-изображение на рис. 1b показывает структуру поверхности BS, полученную ns-лазером после отжига, на которой коэффициент отражения составляет менее 10%, а показатель преломления составляет около 1,88 в видимом диапазоне на SiO ₂ поверхность. Эти экспериментальные результаты согласуются с K-K соотношениями [16, 17]. Нанокристаллы кремния встречаются в BS, полученной с помощью ns-лазера, после отжига, как показано на изображении ПЭМ на рис. 1c.

а Изображение структуры устройства PLE, используемого для изготовления структур BS. б СЭМ-изображение структуры поверхности BS, полученной ns-лазером после отжига. c ПЭМ-изображение нанокремния в БС, полученное нс-лазером после отжига

Спектры фотолюминесценции образцов измерены с помощью возбуждающего лазера с длиной волны 266 нм при комнатной температуре (300 К) и более низкой температуре (10 ~ 200 К) в камере для образцов 1 Па.

Следует отметить, что температура и время отжига на BS важны из-за процесса кристаллизации. Отжиг при 1000 ° C подходит для видимого излучения в спектрах ФЛ, измеренных при 10 K на BS, приготовленной в вакууме (образец I), а оптимальное время отжига составляет около 15 мин при 1000 ° C для видимого излучения в спектрах ФЛ. измерены при комнатной температуре на ДО, приготовленном в кислороде 80 Па (образец II).

Очень интересно провести сравнение между образцом I, приготовленным в вакууме, и образцом II, приготовленным в кислороде с 80 Па, при анализе спектров ФЛ при разной температуре.

Подробно показано, что пиковая интенсивность на более короткой длине волны около 330 нм, измеренная при 10 К на образце I, приготовленном в вакууме, сильнее, как показано вместе с черной кривой на рис. 2а, которая может быть вызвана излучением нанокристаллов, но ФЛ Интенсивность на более длинных волнах около 400 нм, измеренная при комнатной температуре на образце II, приготовленном в кислороде с давлением 80 Па, очевидно, увеличивается, как показано вместе с красной кривой на рис. 2b.

а Спектры ФЛ от 300 до 500 нм, измеренные при более низкой температуре на образце I ( черная кривая ) и образец II ( красная кривая ). б Спектры ФЛ, измеренные при комнатной температуре на образце I ( черная кривая ) и образец II ( красная кривая ), в котором примесные состояния на нанокристаллах проявляются в более широких усиленных пиках ФЛ на образце II

Более интересно провести сравнение между образцом II и образцом I при анализе спектров ФЛ вблизи 560 нм. Пик ФЛ, измеренный около 560 нм при комнатной температуре, усиливается на образце БС II, приготовленном в кислороде 80 Па, как показано вместе с красной кривой на рис.3, относящейся к примесным состояниям на нанокристаллах, в то время как интенсивность ФЛ около 560 нм составляет слабее на образце BS, приготовленном в вакууме, как показано вместе с черной кривой на рис. 3.

Спектры ФЛ около 560 нм, измеренные при комнатной температуре, позволили провести сравнение между образцом I ( черная кривая ) и образец II ( красная кривая )

На рис. 4а показаны спектры ФЛ с мощностью возбуждения, измеренные при комнатной температуре на образце I, приготовленном в вакууме, в котором более широкая полоса ФЛ обусловлена ​​распределением нанокристаллов по размерам в ДО. Анализ спектров ФЛ показывает, что более широкая полоса излучения, обусловленная распределением нанокристаллов по размерам, очевидно, исчезает, в то время как излучение примесных состояний происходит около 600 и 700 нм после отжига при 1000 ° C, как показано на рис. 4b.

а Спектры ФЛ с мощностью возбуждения, измеренные при комнатной температуре на образце I., приготовленном в вакууме. б Спектры ФЛ с мощностью возбуждения, измеренные при комнатной температуре на образце I после отжига

Что еще интереснее, более резкий пик ФЛ с генерацией около 600 нм возникает в структуре полости Парселла в микрометровом масштабе на BS при возбуждении лазером на длине волны 514 нм, как показано на рис. 5. На рис. 5а показано оптическое изображение структуры полости Перселла в микрометровом масштабе. на поверхности BS, а на рис. 5b показан более острый пик ФЛ с генерацией около 600 нм на BS после соответствующего отжига, при котором оптическое усиление, измеренное с использованием метода различной длины полосы, составляет около 130 см ^-1 .

а Оптическое изображение структуры полости Перселла в микрометровом масштабе на поверхности ДО. б Более резкий пик ФЛ с генерацией около 600 нм, измеренный при комнатной температуре на структуре полости Парселла в микрометровом масштабе на поверхности BS при возбуждении лазером на длине волны 514 нм

Обсуждение

Анализ спектров затухания фотолюминесценции на Si-НК разного диаметра показывает, что переход от непрямой щели к прямой щелевой происходит на меньших Si-НК, как показано на рис. 6a, b. Прямозонное излучение около 400 и 560 нм относится к более быстрым фотонам на меньших НК (диаметры <2 нм), а излучение с непрямой запрещенной зоной относится к более медленным фотонам (включая процесс фононной помощи) на более крупных НК (диаметры> 2,5 нм). На рисунке 6c показаны спектры затухания фотолюминесценции около 700 нм с участием более медленных фотонов (~ мкс) на более крупных НК и более быстрых фотонов (~ нс) из-за примесных состояний.

а Спектры затухания ФЛ около 400 нм с более быстрыми фотонами. б Спектры затухания ФЛ около 560 нм с более быстрыми фотонами (нс) на меньших Si-НК. c Спектры затухания ФЛ около 700 нм с более быстрыми фотонами (нс), связанными с излучением примесного состояния, и более медленными фотонами (мкс) на более крупных НК Si

Как показано на рис.7, в этой модели излучения прямозонное излучение относится к более быстрым фотонам на меньших НК (диаметры <2 нм), а излучение с непрямым промежутком относится к более медленным фотонам (включая процесс фононной помощи). на более крупных НК (диаметры> 2,5 нм), что соответствует кривой энергетических состояний в эффекте размерного квантования.

Изображение модели излучения из анализа спектров затухания фотолюминесценции на Si-НК различного диаметра, в котором прямозонное излучение относится к более быстрым фотонам на меньших НК (диаметры <2 нм), а непрямозонное излучение относится к более медленные фотоны (включая процесс фононной помощи) на более крупных НК (диаметры> 2,5 нм)

Заключение

Таким образом, микроструктура и наноструктура были обнаружены в БС, приготовленной с помощью нс-лазера. В спектрах ФЛ на поверхностных структурах БС пики излучения измерялись в видимой области спектра для светодиодных приложений. Мы сравнили спектры ФЛ образцов BS I, приготовленных в вакууме, и образца II, приготовленного в кислороде 80 Па с помощью нс-лазера, в котором показано, что видимое излучение, измеренное при комнатной температуре около 400, 560, 600 и 700 нм возникает из-за примесных состояний кислорода на Si-нанокристаллах BS, в то время как эмиссия около 330 нм, измеренная при 10 K, обусловлена ​​эмиссией нанокристаллов. Это новый путь к созданию излучающих устройств для использования видимого светодиода на кремниевом кристалле.

Методы

Измерение фотолюминесценции

Спектры фотолюминесценции (ФЛ) образцов измерены при возбуждении 266 или 488 нм при комнатной температуре (300 К) и более низкой температуре (17 ~ 200 К) в камере для образцов 1 Па. Наблюдались характеристики излучения и излучения в прямой запрещенной зоне, в которых пик ФЛ с генерацией около 600 нм на BS после соответствующего отжига измерялся с использованием различных методов длины полосы, оптическое усиление которых составляет около 130 см ^-1 . Спектры затухания фотолюминесценции около 400, 560 и 700 нм измерены под воздействием пс-импульсного лазера на длине волны 266 нм.