Download
1 / 20
210 likes | 508 Views
Светоизлучающие структуры на основе нанокристаллов ( нанокластеров ) кремния в диэлектрических матрицах. Д.И. Тетельбаум. НИФТИ ННГУ. Почему актуальна кремниевая оптоэлектроника?. Необходимость перехода от микроэлектроники к оптоэлектронике. Source : Intel.
E N D
Светоизлучающие структуры на основе нанокристаллов (нанокластеров) кремния в диэлектрических матрицах Д.И. Тетельбаум НИФТИ ННГУ
Почему актуальна кремниевая оптоэлектроника? Необходимость перехода от микроэлектроники к оптоэлектронике Source: Intel • Степень миниатюризации придвинулась к области наноразмеров • Число транзисторов на чипе (ИС) становится столь большим, что быстродействие ограничивается межсоединениями (v << c)
Актуальность 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(FeSi2, Si1-xGex) Схематическое изображение эффективно излучающего кремниевого светодиода . M.A. Green. Nature 412, 805 (2001). Схематическое изображение энергетической зонной структуры кремния и арсенида галлия. Amir Sa’ar. Journal of Nanophotonics 3, 032501 (2009)
Si quantum dots Wide-band matrix Квантово-размерный эффект Наноструктурированиекремния– формирование нанокристаллов (квантовыхточек) в широкозонныхдиэлектрическихматрицах. x∙p ≥ h Схематическое изображение энергетической зонной структуры массивного кремния. Схематическое изображение и энергетическая диаграмма КТ Si в матрице SiO2.
Способы создания квантовых точек кремния • Нанесение тонких пленок a-SiOx(CVD, ионно-плазменное распыление и др.) • Золь-гельный метод (химический) • Ионная имплантация Si+в широкозонные диэлектрики (SiO2, GeO2, Al2O3 и др.) • Создание пористого Si • Рекристаллизация a-Si • Ионное облучение с-Si Схема формирования нанокристаллов кремния в SiO2. Г.А. Качурин и др.ФТП 39, 582(2005)
Ионно-лучевой синтез нанокристаллов Si Схема ионно-лучевого синтеза нановключений в оксидных слоях. Нормированные спектры фотолюминесценции при комнатной температуре. Д.И. Тетельбауми др.Нанотехника 3, 36 (2006) • 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
Эволюция структуры и ФЛ слоя Si,облученного Ne+
Зависимость ФЛ от размера НК Si Поверхностные уровни попадают в оптическую щель НК Si Корреляция экспериментальных и теоретических данных по положению пика ФЛ в зависимости от размера осажденных НК Si. G. Ledouxetal. APL 80, 4834(2002) C. Delerue et al. PRB 48, 11024 (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)
Фотолюминесценция Экспериментальные и теоретические дозовые зависимости интенсивности ФЛ системы SiO2:nc-Si, синтезированной при различных температурах. A.N. Mikhaylovet al. Vacuum 78, 519 (2005) Спектры ФЛ термических пленок SiO2, подвергнутых имплантации Si+ (1·1017 см-2) и отжигу.
Фото- и электролюминесценция SiO2 (90 нм)/Si(КЭФ-4,5) →Si+(40 кэВ, 4·1016 см-2)→1100 С Общая схема МОП-диода. Зонная диаграмма смещенного диода, демонстрирующая механизм совместного туннелирования электронов и дырок. Спектры ЭЛ и ФЛ диодной структуры на основе слоев SiO2:nc-Si.
Ионное легирование Дозовые зависимости интенсивности и времени спада ФЛ при 750 нм образцов SiO2:nc-Si, легированных фосфором в двух режимах. Д.И. Тетельбауми др.Нанотехника 3, 36 (2006) Эффективное время жизни ФЛ определяется пассивацией (конкуренцией процессов излучательной и безызлучательной рекомбинации): Интенсивность нестационарной ФЛзависит главным образом от времени жизни излучательной рекомбинации, которое возрастает за счет взаимодействия с примесным кулоновским центром:
Легирование многослойных структур Зависимость интенсивности ФЛ многослойных нанопериодических структур a-SiO/Al2O3и a-SiO/ZrO2от дозы легирующей примеси. A.V. Ershovetal. Abstracts of 11th International Conference on the Structure of Non-Crystalline Materials (NCM11), Paris, France, June 27 - July 2, 2010. – P.135.
Механизмы влияния ионного легирования
Интенсивность ФЛ, отн. ед. Фотолюминесценция НК Si в Al2O3 Al2O3 НК Si SiOx
Применение нанокристаллов Si • Элементы оптоэлектроники • светодиоды • оптоволоконные линии связи • оптические усилители, разветвители • межсоединения ИС • оптоэлектроннные ИС • солнечные элементы • элементы памяти • Биомедицина • фотодинамическая терапия онкологических заболеваний
Стимулированная эмиссия в КЯ Si S. Saito et al. Appl.Phys.Lett. 95, 241101(2009)
Применение нанокристаллов Si • Сенсибилизация излучения эрбия • оптоволоконные линии связи • лазеры на 1,54 мкм Si nc Схематическое изображение процесса возбуждения эрбиевых центров в системе SiO2:nc-Si:Er3+ (а) и усиление сигнала в волноводном слое SiO2:nc-Si:Er3+ при оптической накачке (б). Lorenzo Pavesi. Materials Today1, 18(2005) 3x1015 Er/cm2 in SiO2 Si nc + 3x1015 Er/cm2
Спектры пропускания SiO2и Al2O3с включениями Au и Ag Поверхностный плазмонный резонанс
Выводы 1. 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.
