Sichtbare Emission von sauerstoffdotierten Silicium-Nanokristallen auf laserstrukturiertem schwarzem Silicium

Zusammenfassung

Wir fertigten schwarzes Silicium (BS) mit einem Nanosekunden-Pulslaser (ns-Laser) unter Vakuum oder in einer Sauerstoffatmosphäre an. Bemerkenswert ist, dass Photolumineszenz (PL)-Messungen bei Raumtemperatur starke sichtbare Emission von der BS-Oberfläche nach Glühen zeigen. Ein ausgeprägter Laserpeak nahe 600 nm erscheint innerhalb einer Purcell-Kavitätenstruktur. Detaillierte PL-Analyse zeigt, dass die elektronischen Zustände von sauerstoffdotierten Silicium-Nanokristallen die primäre Quelle der sichtbaren Emission sind, mit eindeutigen Peaks bei ~400, 560 und 700 nm. Diese Ergebnisse deuten auf einen gangbaren Weg hin zu siliciumbasierten Weißlicht-Geräten.

Hintergrund

Bulk-Silicium mit seiner indirekten Bandlücke von 1,12 eV weist schlechte Lichtemissionseffizienz auf. Doch die Integration effizienter Silicium-Lichtemitter in Chips bleibt oberste Priorität für nächste-Generation Optoelektronik. Jüngste Studien berichteten über sichtbare Emission bei Raumtemperatur von niedrig-dimensionalen Silicium-Nanostrukturen, insbesondere schwarzem Silicium (BS), erzeugt durch gepulste Laserprozessierung [1–6]. Pulslaser – sowohl Femtosekunden- als auch Nanosekundenlaser – verändern Siliciums optische Eigenschaften dramatisch, und die sichtbare Emission von BS hat erhebliches wissenschaftliches Interesse geweckt, obwohl ihr Mechanismus noch umstritten ist [13–15]. In dieser Arbeit erzeugen wir BS-Oberflächen mit einem ns-Laser in Vakuum und in einer 80 Pa Sauerstoffumgebung, erreichen effiziente sichtbare Emission. Glühen verstärkt die Emission weiter, und PL-Spektren zeigen, dass sauerstoffdotierte Silicium-Nanokristalle (NCs) den sichtbaren Output nahe 400, 560 und 700 nm dominieren, was Aussichten für siliciumbasierte Festkörperbeleuchtung eröffnet.

Experimente und Ergebnisse

Ein gepulster Laser-Ätzprozess (PLE) wurde verwendet, um die BS-Oberfläche herzustellen. Der ns-Laser, fokussiert auf einen ~10 µm Spot, bearbeitete p-Typ (10 Ω·cm) Silicium-Wafer in Vakuum (Probe I) oder in einer 80 Pa Sauerstoffatmosphäre (Probe II) (Abb. 1a). Ein plasmonisches Gitter entstand spontan auf dem BS während des PLE-Prozesses (Inset von Abb. 1a). SEM-Bildgebung (Abb. 1b) zeigt eine hochabsorbierende Oberfläche (<10 % Reflexion) mit einem Brechungsindex von ~1,88 im sichtbaren Bereich, konsistent mit Kramers-Kronig-Relationen [16,17]. TEM bestätigt die Anwesenheit von Silicium-NCs im geglühten BS (Abb. 1c).

PL-Spektren wurden unter 266-nm-Anregung bei 300 K und 10–200 K in einer 1 Pa Kammer aufgenommen. Temperatur und Glühzeit beeinflussen die Kristallisation kritisch. Ein 1000 °C Glühen für 15 min optimiert sichtbare PL bei 300 K für Probe II (Sauerstoff) und ergibt starke Emission bei 10 K für Probe I (Vakuum).

Vergleichende Analyse zeigt, dass Probe I bei 10 K einen robusten 330 nm Peak aufweist (schwarze Kurve, Abb. 2a), zuzuschreiben NC-Emission, während Probe II bei 300 K einen markant verstärkten 400 nm Peak zeigt (rote Kurve, Abb. 2b), was sauerstoffinduzierte Verunreinigungszustände anzeigt.

Bei ~560 nm übertrifft die PL-Intensität von Probe II (rot) die von Probe I (schwarz) bei 300 K, was wieder auf sauerstoffbezogene Verunreinigungszustände hinweist (Abb. 3).

Abbildung 4a zeigt PL-Spektren von Probe I (Vakuum) bei 300 K als Funktion der Anregungsleistung. Das breite Band reflektiert NC-Größenstreuung. Nach Glühen bei 1000 °C verschwindet das breite Band, und deutliche verunreinigungsbezogene Peaks treten nahe 600 nm und 700 nm auf (Abb. 4b).

Am auffälligsten erscheint ein scharfer PL-Peak mit Lasern bei ~600 nm innerhalb eines mikrometer-skalen Purcell-Hohlraums auf der BS-Oberfläche unter 514-nm-Anregung (Abb. 5). Der optische Gewinn, extrahiert mit einer variablen Streifenlängenmethode, erreicht ~130 cm⁻¹.

Diskussion

PL-Zerfallsanalyse von Si-NCs mit variierenden Durchmessern offenbart einen klaren Übergang von indirekter zu direkter Bandlücken-Verhalten. Kleinere NCs (<2 nm) zeigen schnellen Zerfall (<1 ns) entsprechend direkter Bandlücken-Emission (~400 nm und ~560 nm). Größere NCs (>2,5 nm) zeigen langsamen Zerfall (~µs), charakteristisch für indirekte Bandlücken-Emission (~700 nm), neben schnellen Komponenten von Verunreinigungszuständen (Abb. 6).

Das Emissionsmodell (Abb. 7) bestätigt, dass direkte Bandlücken-Übergänge in sub-2 nm NCs dominieren, während indirekte Bandlücken-Übergänge und Verunreinigungszustands-Emissionen in größeren NCs vorherrschen, konsistent mit Quantenkonfinement-Theorie.

Schlussfolgerung

Unsere Studie demonstriert, dass ns-Laser-gefertigtes BS sowohl Mikro- als auch Nanostrukturen beherbergt, die sichtbare Wellenlängen-PL ermöglichen, geeignet für LED-Anwendungen. Durch Vergleich von Proben, die in Vakuum und in 80 Pa Sauerstoff hergestellt wurden, bestätigen wir, dass Sauerstoff-Verunreinigungszustände in Silicium-NCs für die robuste Raumtemperatur-Emission bei 400, 560, 600 und 700 nm verantwortlich sind, während der 330 nm Peak bei 10 K von NC-Lumineszenz herrührt. Diese Ergebnisse ebnen einen neuen Weg zu siliciumbasierten sichtbaren Lichtquellen und Weißlicht-Geräten.

Methoden

Photolumineszenz-Messung

PL-Spektren wurden unter 266 oder 488-nm-Anregung bei 300 K und 17–200 K in einer 1 Pa Kammer aufgenommen. Scharfe Peaks mit stimulierter Emission und direkten Bandlücken-Charakteristiken wurden beobachtet. Ein Laserpeak nahe 600 nm auf dem BS, erreicht nach Glühen, wurde mit der variablen Streifenlängenmethode quantifiziert, was einen optischen Gewinn von ~130 cm⁻¹ ergab. PL-Zerfallspektren bei 400, 560 und 700 nm wurden mit ps-gepulster 266-nm-Anregung gemessen.