Elektronische Zustände von mit Sauerstoff dotierten Nanokristallen und sichtbarer Emission auf schwarzem Silizium, hergestellt mit ns-Laser

Hintergrund

Bulk-Silizium hat eine indirekte Bandlücke von 1,12 eV und eine schlechte Emissionseffizienz. Wissenschaftler sind jedoch der Meinung, dass die Entwicklung effizienter Silizium-Lichtemitter für die Integration optoelektronischer Geräte in siliziumbasierte Chips von entscheidender Bedeutung ist. Jüngste Berichte zeigen, dass sichtbare Emission bei Raumtemperatur in niedrigdimensionalen Nanostrukturen aus Silizium auftritt [1,2,3,4,5,6], insbesondere in der schwarzen Silizium(BS)-Struktur, die unter Verwendung von gepulsten Lasern hergestellt wurde [7,8, 9,10,11,12]. Eine einfache gepulste Laserbearbeitungstechnik (Femtosekunden- (fs) oder Nanosekundenlaser (ns)) kann die optischen Eigenschaften von Silizium drastisch verändern. Insbesondere die sichtbare Emission auf der BS-Oberfläche erregt wissenschaftliches Interesse, wobei der Emissionsmechanismus noch diskutiert wird [13,14,15].

Im Brief haben wir die BS-Oberflächenstruktur unter Verwendung eines ns-Lasers im Vakuum oder in einer Sauerstoffumgebung hergestellt, in der eine effiziente Emission im sichtbaren Bereich beobachtet wurde. Es ist interessant, dass die geeignete Glühbedingung auf der BS die sichtbare Emission aufgrund des Kristallisationsprozesses offensichtlich verbessern kann. Interessanter ist, dass die bei Raumtemperatur gemessene sichtbare Emission an der in Sauerstoffumgebung hergestellten BS verbessert werden kann. Die Analyse von Photolumineszenz(PL)-Spektren und TEM-Bildern zeigt, dass die mit Sauerstoff dotierten Si-Nanokristalle (NCs) eine Hauptrolle bei der sichtbaren Emission auf der BS spielen, und der Mechanismus der sichtbaren Emission bei 420, 560 und 700 nm ist eindeutig aufgedeckt. Diese Beobachtungen implizieren das Potenzial bei der Herstellung von siliziumbasierter Festkörperbeleuchtung und Lichtquellen für den sichtbaren Bereich.

Experimente und Ergebnisse

Eine gepulste Laserätzvorrichtung (PLE) wird verwendet, um die BS-Oberflächenstrukturen herzustellen, bei denen der Fleckdurchmesser des ns-Lasers etwa 10 μm beträgt, fokussiert auf die Siliziumwafer des P-Substrats mit 10 Ωcm im Vakuum (Probe I) oder in einer Sauerstoffumgebung mit 80 Pa (Probe II), wie in Abb. 1a gezeigt. Es ist interessant, dass die plasmonische Gitterstruktur im PLE-Prozess auf der BS-Oberfläche auftritt, wie im Einschub von Abb. 1a gezeigt. Das REM-Bild in Abb. 1b zeigt die BS-Oberflächenstruktur, die nach dem Tempern mit einem ns-Laser hergestellt wurde, bei der die Reflexionsrate weniger als 10 % beträgt und der Brechungsindex im sichtbaren Bereich auf dem SiO₂ . etwa 1,88 beträgt Oberfläche. Diese experimentellen Ergebnisse stimmen mit den K-K-Beziehungen überein [16, 17]. Die Nanokristalle aus Silizium treten in der BS auf, die nach dem Tempern mit einem ns-Laser hergestellt wurde, wie im TEM-Bild von Abb. 1c gezeigt.

a Strukturdarstellung einer PLE-Vorrichtung, die zur Herstellung der BS-Strukturen verwendet wird. b REM-Aufnahme der BS-Oberflächenstruktur, hergestellt durch ns-Laser nach dem Tempern. c TEM-Bild von Nanosilizium in der BS, hergestellt durch ns-Laser nach dem Tempern

Die PL-Spektren der Proben werden unter dem 266-nm-Anregungslaser bei Raumtemperatur (300 K) und niedrigerer Temperatur (10~200 K) in der Probenkammer von 1 Pa gemessen.

Es sollte beachtet werden, dass die Temperatur und die Zeit beim Glühen auf der BS aufgrund des Kristallisationsprozesses wichtig sind. Das Tempern bei 1000 °C eignet sich für sichtbare Emission in den PL-Spektren, gemessen in 10 K auf dem im Vakuum hergestellten BS (Probe I), und die optimale Temperzeit beträgt etwa 15 min bei 1000 °C für sichtbare Emission in den PL-Spektren gemessen bei Raumtemperatur auf dem BS, hergestellt in Sauerstoff von 80 Pa (Probe II).

Es ist sehr interessant, bei der Analyse von PL-Spektren bei unterschiedlichen Temperaturen einen Vergleich zwischen der im Vakuum hergestellten Probe I und der in Sauerstoff hergestellten Probe II mit 80 Pa anzustellen.

Es wird detailliert gezeigt, dass die Spitzenintensität bei kürzerer Wellenlänge nahe 330 nm, gemessen bei 10 K an der im Vakuum hergestellten Probe I, stärker ist, wie zusammen mit der schwarzen Kurve in Abb. 2a gezeigt, die von der Nanokristallemission stammen kann, aber der PL Intensität bei längeren Wellenlängen nahe 400 nm, gemessen bei Raumtemperatur an der Probe II, die in Sauerstoff mit 80 Pa hergestellt wurde, ist offensichtlich erhöht, wie zusammen mit der roten Kurve in Abb. 2b gezeigt.

a PL-Spektren von 300 bis 500 nm, gemessen bei niedrigerer Temperatur an der Probe I (schwarze Kurve ) und die Probe II (rote Kurve ). b PL-Spektren gemessen bei Raumtemperatur an Probe I (schwarze Kurve ) und die Probe II (rote Kurve ), in dem die Verunreinigungszustände auf Nanokristallen in den breiteren verstärkten PL-Peaks auf der Probe II gezeigt werden

Interessanter ist ein Vergleich zwischen Probe II und Probe I bei der PL-Spektrenanalyse bei 560 nm. Der bei Raumtemperatur nahe 560 nm gemessene PL-Peak wird auf der in Sauerstoff von 80 Pa hergestellten BS-Probe II verstärkt, wie zusammen mit der roten Kurve in Abb. 3 gezeigt, die sich auf die Verunreinigungszustände auf Nanokristallen bezieht, während die PL-Intensität bei 560 nm ist schwächer auf der BS-Probe, die ich im Vakuum vorbereitet habe, wie zusammen mit der schwarzen Kurve in Abb. 3 gezeigt.

PL-Spektren bei 560 nm, gemessen bei Raumtemperatur, haben einen Vergleich zwischen der Probe I (schwarze Kurve ) und die Probe II (rote Kurve )

Abbildung 4a zeigt die PL-Spektren mit Anregungsleistung, die bei Raumtemperatur an der im Vakuum hergestellten Probe I gemessen wurde, wobei die breitere PL-Bande aus der Größenverteilung der Nanokristalle in der BS stammt. Die Analyse der PL-Spektren zeigt, dass die breitbandige Emission, die von der Größenverteilung der Nanokristalle herrührt, offensichtlich verschwindet, während die Emission der Verunreinigungszustände nach dem Tempern bei 1000 °C in der Nähe von 600 und 700 nm auftritt, wie in Abb. 4b gezeigt.

a PL-Spektren mit Anregungsleistung, gemessen bei Raumtemperatur an der im Vakuum präparierten Probe I. b PL-Spektren mit Anregungsleistung gemessen bei Raumtemperatur an der Probe I nach dem Tempern

Interessanter ist, dass der schärfere PL-Peak mit Lasern in der Nähe von 600 nm in der Purcell-Hohlraumstruktur im Mikrometerbereich auf dem BS unter Anregungslaser bei 514 nm auftritt, wie in Abb. 5 gezeigt. Abbildung 5a zeigt das optische Bild der Purcell-Kavitätsstruktur im Mikrometerbereich auf der BS-Oberfläche, und Fig. 5b zeigt den schärferen PL-Peak mit Lasern in der Nähe von 600 nm auf der BS nach geeignetem Glühen, wobei die optische Verstärkung, gemessen unter Verwendung verschiedener Streifenlängenverfahren, etwa 130 cm ^-1 .

a Optisches Bild der Purcell-Kavitätenstruktur im Mikrometerbereich auf der BS-Oberfläche. b Schärferer PL-Peak mit Lasern in der Nähe von 600 nm, gemessen bei Raumtemperatur auf einer Purcell-Hohlraumstruktur im Mikrometerbereich auf der BS-Oberfläche unter Anregungslaser bei 514 nm

Diskussion

Die Analyse der PL-Zerfallsspektren auf Si-NCs mit verschiedenen Durchmessern zeigt, dass die Umwandlung von indirekter Lücke zu direkter Lücke auf den kleineren Si-NCs auftritt, wie in Abb. 6a, b gezeigt. Die Emission mit direkter Lücke in der Nähe von 400 und 560 nm bezieht sich auf die schnelleren Photonen auf den kleineren NCs (Durchmesser <2 nm), und die indirekte Emission bezieht sich auf die langsameren Photonen (mit Phononenunterstützungsprozess) auf den größeren NCs (Durchmesser> .). 2,5 nm). Abbildung 6c zeigt die PL-Zerfallsspektren bei 700 nm mit den langsameren Photonen (~μs) auf den größeren NCs und den schnelleren Photonen (~ns) aufgrund der Verunreinigungszustände.

a PL-Zerfallsspektren bei 400 nm mit den schnelleren Photonen. b PL-Zerfallsspektren bei 560 nm mit den schnelleren Photonen (ns) auf kleineren Si-NCs. c PL-Zerfallsspektren bei 700 nm mit den schnelleren Photonen (ns) im Zusammenhang mit der Emission des Verunreinigungszustands und den langsameren Photonen (μs) auf größeren Si-NCs

Wie in Abb. 7 gezeigt, bezieht sich in diesem Emissionsmodell die Emission mit direkter Lücke auf die schnelleren Photonen auf den kleineren NCs (Durchmesser <2 nm) und die Emission mit indirekter Lücke auf die langsameren Photonen (mit Phononenunterstützungsprozess). auf den größeren NCs (Durchmesser>2,5 nm), was mit der Kurve der Energiezustände im Quanteneinschlusseffekt übereinstimmt.

Die Emissionsmodelldarstellung aus der Analyse der PL-Zerfallsspektren an Si-NCs mit verschiedenen Durchmessern, bei der sich die Direct-Gap-Emission auf die schnelleren Photonen auf den kleineren NCs (Durchmesser <2 nm) und die Indirect-Gap-Emission bezieht sich auf die langsameren Photonen (mit Phononenunterstützungsprozess) auf den größeren NCs (Durchmesser>2,5 nm)

Schlussfolgerung

Zusammenfassend wurde die Mikrostruktur und die Nanostruktur in der BS gefunden, die durch ns-Laser hergestellt wurde. In den PL-Spektren auf den BS-Oberflächenstrukturen wurden die Emissionspeaks im sichtbaren Wellenlängenbereich für LED-Anwendungen gemessen. Wir haben die PL-Spektren der BS-Proben I, die im Vakuum hergestellt wurden, und der Probe II verglichen, die in Sauerstoff von 80 Pa mit einem ns-Laser hergestellt wurde, wobei gezeigt wurde, dass die sichtbare Emission bei Raumtemperatur in der Nähe von 400, 560, 600 und gemessen wurde 700 nm stammt von den Sauerstoffverunreinigungszuständen auf den Si-Nanokristallen der BS, während die Emission nahe 330 nm, gemessen bei 10 K, auf die Nanokristallemission zurückzuführen ist. Es ist ein neuer Weg, um Emissionsgeräte für die Anwendung von sichtbaren LEDs auf einem Siliziumchip zu erhalten.

Methoden

Photolumineszenz-Messung

Photolumineszenz (PL)-Spektren der Proben werden unter 266- oder 488-nm-Anregung bei Raumtemperatur (300 K) und niedrigerer Temperatur (17~200 K) in einer Probenkammer von 1 Pa gemessen. In den PL-Spektren sind die schärferen Peaks mit stimuliertem Emissions- und Direct-Gap-Emissionseigenschaften wurden beobachtet, bei denen der PL-Peak mit Lasern in der Nähe von 600 nm auf der BS nach geeignetem Glühen unter Verwendung verschiedener Streifenlängenverfahren gemessen wird, deren optische Verstärkung etwa 130 cm ^–1 . Die PL-Zerfallsspektren in der Nähe von 400, 560 und 700 nm werden unter einem ps-gepulsten Laser bei 266 nm gemessen.