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Fotoluminescência em Matrizes de Si 3 N 4 Induzida pela Implantação de Si. F. L. Bregolin¹ , U. S. Sias², E. C. Moreira³ e M. Behar¹ ¹ IF-UFRGS ² CEFET - Pelotas ³ UNIPAMPA. Sumário. Introdução; Procedimentos Experimentais; Resultados; Comparação com Trabalhos Prévios; Conclusões;.
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Fotoluminescência em Matrizes de Si3N4 Induzida pela Implantação de Si F. L. Bregolin¹, U. S. Sias², E. C. Moreira³ e M. Behar¹ ¹ IF-UFRGS ² CEFET - Pelotas ³ UNIPAMPA
Sumário • Introdução; • Procedimentos Experimentais; • Resultados; • Comparação com Trabalhos Prévios; • Conclusões;
Introdução • Motivação: Construir dispositivos optoeletrônicos. (és fótons) • Trafegam na maior velocidade possível no meio (c); • Não há interferência; • Multiplexar vários sinais; • Não ocorre dissipação térmica; • Pouquíssimas perdas por transmissão; • Problema: • Toda a industria da informação esta baseada no Si, e por ser um semicondutor de bandgap indireto....é um péssimo fotoemissor (em bulk)! • Si-nc em SiO2: • Alta temperatura de recozimento: Ta ≥ 1100C • Bandgap de 8,5 eV • Si-nc em Si3N4: • Temperatura mais baixa de recozimento; • Menor bandgap: 5,3 eV;
Recombinação Bandgap Indireto: Para conservar o momentum do cristal, é necessária a interação de outra(s) partícula(s) (ex. fônons óptico-transversais). Como estes processos são de 2ª ordem, são muito menos prováveis que a recombinação ótica direta.
Nanocristais ncSi ─ Si3N4 • ≡ Si ─ N ─ Si ≡ • Confinamento Quântico: ncSi ─ SiO2 Si λ L • Defeitos de Interface Radiativos: λ(Δk) λ(Δk) ncGe ─ SiO2 • ≡ Ge ─ Ge ≡ • ≡ Ge ─ Si ≡
Procedimento Experimental • Filme de Si3N4, de 340nm, depositado sobre Si <100> por PECVD; • Implantação Iônica: • Φ = 0,5x1017..2,0x1017 Si/cm² com Eimp = 170keV, Timp = RT...600C • Rp = 1600Å, ΔRp = 420Å, Cp = 10%; • Recozimentos Isotérmicos Formação dos nanocristais • 350C..1100C, 1h: em vácuo e em atmosferas de N2, Ar, FG @0,5L/min • Análise por Espectroscopia: • Laser de Ar (488nm) de 10mW; • Detector de Estado Sólido de Si;
Implantação em alta temperatura • Após a determinação da melhor temperatura de recozimento (Ta = 475C), foram realizadas implantações em alta temperatura; • A faixa de temperatura de implantação a quente foi de 200C-600C; • A implantação a quente favorece a nucleação dos nanocristais (sementes); Ge em SiO2 4x!
Intensidade da PL como função da temperatura de implantação
Intensidade da PL como função da temperatura de implantação • A melhor temperatura de implantação obtida foi Ti = 200C: Aumento de 20% na intensidade da PL! • Implantação a quente (Ti = 475C), sem recozimento posterior: Induz PL, porém com uma intensidade menor!
Intensidade da PL em função da dose de implantação • As doses de implantação utilizadas foram: Confinamento Quântico: λ L Defeitos de Interface Radiativos: λ (Δk) 0,5 x 1017 Si/cm² 1,0 Φ com E = 170 keV, Ti = 200C e Ta = 475C 2,0 Não foi notado diferença (intensidade ou forma) da banda de PL. Claro indício que a origem da PL é devido a defeitos radiativos da interface (Si ─N─ Si) dos ncSi/matriz. ( Em concordância com trabalhos prévios presentes na literatura )
Discussão e Conclusões • Até o presente, a produção de nc de Si em nitretos de silício foi obtida utilizando-se de filmes não-estequiométricos (com excesso de Si); • Obtendo assim bandas de PL na faixa de 400-900nm; • Além disto, Wang et al., variando a razão (γ) de nitrogênio/silano, conseguiram obter bandas de PL com comprimentos de onda diferentes. • No presente trabalho, nenhuma variação dos parâmetros experimentais acarretou numa mudança na forma da banda de PL. Wang et al., Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 3474
Discussão e Conclusões • Em trabalhos anteriores, as bandas de PL eram centradas na região de 400-600nm; • A única exceção provém do trabalho de Dal Negro et al. Onde utilizando-se da técnica de PECVD para produzir um filme não-estequiométrico (com excesso de Si) de Si3N4 foram obter, após o recozimento de 700C, uma banda centrada em 900 nm. • Principal diferença (presente trabalho vs Dal Negro): Ta = 475C vs 700C Dal Negro et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 3474
Discussão e Conclusões Ta = 475C • Dinâmica de crescimento dos ncs é muito mais rápida que em outros sistemas. (em SiO2, Ta = 1100C). • Implantação Iônica: Introduz o excesso de Si em uma região localizada (vs deposição). • E = 170 keV Rp = 1600 Å, ΔRp = 420 Å; Implantação: Deposição: Si3N4 Si3N4 Si Si c(x) c(x) Rp x x
Conclusões • Pela primeira vez foi utilizada a técnica de Implantação Iônica para a formação de ncs de Si em Si3N4. • Menor temperatura de recozimento (Ta = 475C); • Implantação em alta temperatura produz um aumento de 20% na intensidade da banda de PL, comparado com implantação a temperatura ambiente. (Ti = 200C); • Atmosfera de recozimento não influi na PL (N2, Ar, FG); • Dose de implantação não influi na PL: • Origem da banda de PL é devida a defeitos radiativos na interface nanocristal-matriz. (Tipo Si ─ N─ Si) • A implantação em alta temperatura (Ti = 475C), induz a mesma banda de PL (com menor intensidade), sem recozimento posterior.
