Светоизлучающие Светоизлучающие структуры на основе структуры на основе нанокристаллов нанокристаллов (нанокластеров) (нанокластеров) кремния в кремния в диэлектрических диэлектрических матрицахматрицах

НИФТИ ННГУНИФТИ ННГУ

Д.И. ТетельбаумД.И. Тетельбаум

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

Необходимость перехода от микроэлектроники к оптоэлектронике

- Степень миниатюризации придвинулась к области наноразмеров

Почему актуальна кремниевая оптоэлектроника?Почему актуальна кремниевая оптоэлектроника?

2

Source: Intel

Схематическое изображение энергетической зонной структуры

кремния и арсенида галлия.

Amir Sa’ar. Journal of Nanophotonics 3, 032501 (2009)

АктуальностьАктуальность

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 (FeSi2, Si1-xGex)

Схематическое изображение эффективно излучающего кремниевого

светодиода .

M.A. Green. Nature 412, 805 (2001).

ННаноструктурирование кремнияаноструктурирование кремния – формирование нанокристаллов (квантовых точек) в широкозонных диэлектрических матрицах.

Схематическое изображение и энергетическая диаграмма КТ Si в матрице SiO2.

Wide-band matrix

Si quantum dots

Схематическое изображение энергетической зонной структуры массивного кремния.

x∙p ≥ h

Квантово-размерный эффектКвантово-размерный эффект

4

Схема формирования нанокристаллов кремния в SiO2.Г.А. Качурин и др. ФТП 39, 582 (2005)

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

Способы создания квантовых точек кремнияСпособы создания квантовых точек кремния

5

Преимущества ионной имплантации: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 Ионно-лучевой синтез нанокристаллов SiSi

6

Эволюция структуры и ФЛ слоя Эволюция структуры и ФЛ слоя SiSi,, облученного облученного NeNe++

7

Зависимость ФЛ от размера НК Зависимость ФЛ от размера НК SiSi

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, 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)

Поверхностные уровни попадают в оптическую щель НК Si

ФотолюминесценцияФотолюминесценция

9

Экспериментальные и теоретические дозовые зависимости интенсивности ФЛ системы SiO2:nc-

Si, синтезированной при различных температурах.

A.N. Mikhaylov et al. Vacuum 78, 519 (2005)

Спектры ФЛ термических пленок SiO2, подвергнутых имплантации Si+

(1·1017 см-2) и отжигу.

Фото- и электролюминесценцияФото- и электролюминесценция

10

SiO2 (90 нм)/Si(КЭФ-4,5) → Si+(40 кэВ, 4·1016 см-2) → 1100 С

Спектры ЭЛ и ФЛ диодной структуры на основе слоев SiO2:nc-Si.

Зонная диаграмма смещенного диода, демонстрирующая механизм совместного

туннелирования электронов и дырок.

Общая схема МОП-диода.

Ионное легированиеИонное легирование

11

Дозовые зависимости интенсивности и времени спада ФЛ при 750 нм образцов SiO2:nc-Si, легированных фосфором в двух режимах.

Д.И. Тетельбаум и др. Нанотехника 3, 36 (2006)

NRRPL

111

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:

PR

PPL1 tNII nc

Легирование многослойных структурЛегирование многослойных структур

12

Зависимость интенсивности ФЛ многослойных нанопериодических структур a-SiO/Al2O3 и a-SiO/ZrO2 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, 2010. – P.135.

Механизмы влияния ионного легированияМеханизмы влияния ионного легирования

13

Инт

енси

внос

ть Ф

Л, о

тн.

ед.

Фотолюминесценция НК Фотолюминесценция НК Si Si в в AlAl22OO33

14

Al2O3

НК Si

SiOx

Элементы оптоэлектроники • светодиоды

• оптоволоконные линии связи• оптические усилители,

разветвители• межсоединения ИС• оптоэлектроннные ИС• солнечные элементы• элементы памяти

Применение нанокристаллов Применение нанокристаллов SiSi

15

Биомедицина• фотодинамическая терапия онкологических

заболеваний

Стимулированная эмиссия в КЯ Стимулированная эмиссия в КЯ SiSi

16S. Saito et al. Appl.Phys.Lett. 95, 241101 (2009)

3x1015 Er/cm2 in SiO2

Si nc + 3x1015 Er/cm2

Si nc

Сенсибилизация излучения эрбия

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 Today 1, 18 (2005)

•оптоволоконные линии связи•лазеры на 1,54 мкм

17

Применение нанокристаллов Применение нанокристаллов SiSi

Поверхностный плазмонный резонанс

Спектры пропускания Спектры пропускания SiOSiO22 и и AlAl22OO33 с включениями с включениями AuAu и и AgAg

18

ВыводыВыводы

19

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.

Спасибо за Спасибо за вниманиевнимание!!

20