Émission visible de nanocristaux de silicium dopés oxygène sur silicium noir structuré au laser

Résumé

Nous avons fabriqué du silicium noir (BS) en utilisant un laser pulsé nanoseconde (ns-laser) sous vide ou dans une atmosphère d'oxygène. Remarquablement, les mesures de photoluminescence (PL) à température ambiante révèlent une forte émission visible de la surface BS après recuit. Un pic de laser prononcé près de 600 nm apparaît dans une structure de cavité Purcell. Une analyse PL détaillée montre que les états électroniques de nanocristaux de silicium dopés oxygène sont la source primaire de l'émission visible, avec des pics distincts à ~400, 560 et 700 nm. Ces résultats suggèrent une voie viable vers des dispositifs à lumière blanche basés sur le silicium.

Contexte

Le silicium bulk, avec son gap de bande indirect de 1,12 eV, exhibe une efficacité d'émission de lumière pauvre. Pourtant, l'intégration d'émetteurs de lumière silicium efficaces dans les puces reste une priorité absolue pour l'optoélectronique de prochaine génération. Des études récentes ont rapporté l'émission visible à température ambiante depuis des nanostructures de silicium de faible dimension, surtout le silicium noir (BS) produit par traitement laser pulsé [1–6]. Les lasers pulsés — femtoseconde et nanoseconde — altèrent dramatiquement les propriétés optiques du silicium, et l'émission visible du BS a attiré un intérêt scientifique considérable, bien que son mécanisme soit encore débattu [13–15]. Dans ce travail, nous générons des surfaces BS avec un ns-laser dans le vide et dans un environnement d'oxygène 80 Pa, atteignant une émission visible efficace. Le recuit améliore davantage l'émission, et les spectres PL révèlent que les nanocristaux de silicium (NC) dopés oxygène dominent la sortie visible près de 400, 560 et 700 nm, ouvrant des perspectives pour l'éclairage à état solide basé sur silicium.

Expériences et résultats

Un système de gravure laser pulsé (PLE) a été utilisé pour fabriquer la surface BS. Le ns-laser, focalisé sur un spot ~10 µm, a traité des wafers silicium type-p (10 Ω·cm) dans le vide (échantillon I) ou dans une atmosphère d'oxygène 80 Pa (échantillon II) (Fig. 1a). Un réseau plasmonique a émergé spontanément sur le BS pendant le processus PLE (inset Fig. 1a). L'imagerie MEB (Fig. 1b) montre une surface hautement absorbante (<10 % réflectance) avec un indice de réfraction de ~1,88 dans le visible, cohérent avec les relations Kramers-Kronig [16, 17]. La MET confirme la présence de NC silicium dans le BS recuit (Fig. 1c).

a Représentation de la structure du dispositif PLE. b Image MEB de la surface BS après recuit. c Image MET de nanocristaux silicium dans le BS.

Les spectres PL étaient enregistrés sous excitation 266 nm à 300 K et 10–200 K dans une chambre 1 Pa. La température et le temps de recuit influencent critiques la cristallisation. Un recuit 1000 °C pendant 15 min optimise la PL visible à 300 K pour l'échantillon II (oxygène) et produit une forte émission à 10 K pour l'échantillon I (vide).

L'analyse comparative montre que l'échantillon I exhibe un pic robuste 330 nm à 10 K (courbe noire, Fig. 2a), attribuable à l'émission NC, tandis que l'échantillon II montre un pic 400 nm markedly amélioré à 300 K (courbe rouge, Fig. 2b), indiquant des états d'impureté induits par l'oxygène.

a Spectres PL de 300 à 500 nm à basse température : échantillon I (noir) vs échantillon II (rouge). b Spectres PL à 300 K : échantillon I (noir) vs échantillon II (rouge), montrant des pics élargis améliorés dans l'échantillon II.

À ~560 nm, l'intensité PL de l'échantillon II (rouge) surpasse l'échantillon I (noir) à 300 K, pointant à nouveau vers des états d'impureté liés à l'oxygène (Fig. 3).

Spectres PL près de 560 nm à 300 K : échantillon I (noir) vs échantillon II (rouge).

La figure 4a affiche les spectres PL de l'échantillon I (vide) à 300 K en fonction de la puissance d'excitation. La large bande refléchit la dispersion de taille NC. Après recuit à 1000 °C, la large bande disparaît, et des pics distincts liés aux impuretés émergent près de 600 nm et 700 nm (Fig. 4b).

a Spectres PL vs puissance d'excitation (300 K, échantillon I, vide). b Spectres PL après recuit 1000 °C.

Plus frappant, un pic PL net avec laser à ~600 nm apparaît dans une cavité Purcell à l'échelle micrométrique sur la surface BS sous excitation 514 nm (Fig. 5). Le gain optique, extrait en utilisant une méthode de longueur de bande variable, atteint ~130 cm⁻¹.

a Image optique de la cavité Purcell sur le BS. b Pic PL plus net avec laser près de 600 nm (300 K, excitation 514 nm).

Discussion

L'analyse de décroissance PL de NC Si avec diamètres variables révèle une transition claire de comportement gap indirect à direct. Les NC plus petits (<2 nm) exhibent une décroissance rapide (<1 ns) correspondant à l'émission gap direct (~400 nm et ~560 nm). Les NC plus grands (>2,5 nm) montrent une décroissance lente (~µs), caractéristique de l'émission gap indirect (~700 nm), aux côtés de composantes rapides d'états d'impureté (Fig. 6).

a Décroissance PL à ~400 nm (photons rapides). b Décroissance PL à ~560 nm (photons rapides, ns). c Décroissance PL à ~700 nm (photons rapides d'états d'impureté, ns ; photons lents de grands NC, µs).

Le modèle d'émission (Fig. 7) confirme que les transitions gap direct dominent dans les NC <2 nm, tandis que les transitions gap indirect et émissions d'états d'impureté prévalent dans les NC plus grands, cohérent avec la théorie de confinement quantique.

Modèle d'émission : gap direct (rapide, <2 nm NC) vs gap indirect (lent, >2,5 nm NC) et contributions d'états d'impureté.

Conclusion

Notre étude démontre que le BS fabriqué par ns-laser héberge à la fois micro- et nanostructures qui permettent une PL longueur d'onde visible adaptée pour applications LED. En comparant échantillons préparés dans le vide et dans 80 Pa oxygène, nous confirmons que les états d'impureté oxygène dans les NC Si sont responsables de l'émission robuste à température ambiante à 400, 560, 600 et 700 nm, tandis que le pic 330 nm à 10 K provient de la luminescence NC. Ces résultats pavent une nouvelle voie vers des sources de lumière visible basées sur silicium et dispositifs à lumière blanche.

Méthodes

Mesure de photoluminescence

Les spectres PL étaient enregistrés sous excitation 266 ou 488 nm à 300 K et 17–200 K dans une chambre 1 Pa. Des pics nets avec émission stimulée et caractéristiques gap direct étaient observés. Un pic laser près de 600 nm sur le BS, atteint après recuit, était quantifié par la méthode de longueur de bande variable, produisant un gain optique de ~130 cm⁻¹. Les spectres de décroissance PL à 400, 560 et 700 nm étaient mesurés en utilisant excitation 266 nm pulsée ps.