États électroniques de nanocristaux dopés à l'oxygène et émission visible sur silicium noir préparés par ns-Laser

Contexte

Le silicium en vrac a une bande interdite indirecte de 1,12 eV et une faible efficacité d'émission. Cependant, les scientifiques pensent que le développement d'un émetteur de lumière en silicium efficace est crucial pour l'intégration de dispositifs optoélectroniques dans une puce à base de silicium. Des rapports récents démontrent que l'émission visible à température ambiante se produit dans les nanostructures de faible dimension de silicium [1,2,3,4,5,6], en particulier dans la structure de silicium noir (BS) fabriquée en utilisant un laser pulsé [7,8, 9,10,11,12]. Une simple technique de traitement au laser pulsé (laser femtoseconde (fs) ou nanoseconde (ns)) peut changer radicalement les propriétés optiques du silicium. En particulier, l'émission visible sur la surface de la BS suscite un intérêt scientifique, où le mécanisme d'émission est encore en débat [13,14,15].

Dans la lettre, nous avons fabriqué la structure de surface BS en utilisant un laser ns sous vide ou dans un environnement d'oxygène, dans lequel une émission efficace dans la plage visible a été observée. Il est intéressant de noter que la condition de recuit appropriée sur le BS peut évidemment améliorer l'émission visible en raison du processus de cristallisation. Plus intéressant, l'émission visible mesurée à température ambiante peut être renforcée sur le BS préparé en milieu oxygène. L'analyse des spectres de photoluminescence (PL) et de l'image MET démontre que les nanocristaux de Si (NC) dopés à l'oxygène jouent un rôle principal dans l'émission visible sur la BS, et le mécanisme d'émission visible près de 420, 560 et 700 nm est univoque révélé. Ces observations impliquent le potentiel de la fabrication d'éclairage à semi-conducteurs et de sources lumineuses à base de silicium pour la plage visible.

Expériences et résultats

Un dispositif de gravure laser pulsée (PLE) est utilisé pour fabriquer les structures de surface BS, dans lesquelles le diamètre du spot du laser ns est d'environ 10 μm focalisé sur les plaquettes de silicium du substrat de type P avec 10 Ωcm sous vide (échantillon I) ou dans un environnement d'oxygène avec 80 Pa (échantillon II), comme le montre la figure 1a. Il est intéressant de noter que la structure en réseau plasmonique se produit sur la surface BS dans le processus PLE, comme le montre l'encart de la figure 1a. L'image SEM de la Fig. 1b montre la structure de surface BS préparée par ns-laser après recuit, sur laquelle le taux de réflexion est inférieur à 10 % et l'indice de réfraction est d'environ 1,88 dans la plage visible sur le SiO₂ surface. Ces résultats expérimentaux sont en accord avec les relations K-K [16, 17]. Les nanocristaux de silicium se produisent dans le BS préparé par ns-laser après recuit, comme le montre l'image MET de la figure 1c.

un Représentation de la structure du dispositif PLE utilisé pour fabriquer les structures BS. b Image SEM de la structure de surface BS préparée par ns-laser après recuit. c Image MET de nanosilicium dans le BS préparé par ns-laser après recuit

Les spectres PL sur les échantillons sont mesurés sous le laser d'excitation de 266 nm à température ambiante (300 K) et à une température plus basse (10 ~ 200 K) dans la chambre à échantillon de 1 Pa.

Il convient de noter que la température et le temps de recuit sur le BS sont importants en raison du processus de cristallisation. Le recuit à 1000 °C est adapté à l'émission visible dans les spectres PL mesurée à 10 K sur le BS préparé sous vide (échantillon I), et le temps de recuit optimal est d'environ 15 min à 1000 °C pour l'émission visible dans les spectres PL mesuré à température ambiante sur le BS préparé dans de l'oxygène de 80 Pa (échantillon II).

Il est très intéressant de faire une comparaison entre l'échantillon I préparé sous vide et l'échantillon II préparé sous oxygène avec 80 Pa dans l'analyse des spectres PL à différentes températures.

Il est démontré en détail que l'intensité maximale dans une longueur d'onde plus courte près de 330 nm mesurée à 10 K sur l'échantillon que j'ai préparé sous vide est plus forte, comme le montre la courbe noire de la Fig. 2a qui peut provenir de l'émission de nanocristal, mais le PL l'intensité dans une longueur d'onde plus longue proche de 400 nm mesurée à température ambiante sur l'échantillon II préparé dans de l'oxygène avec 80 Pa est évidemment augmentée comme le montre la courbe rouge de la figure 2b.

un Spectres PL de 300 à 500 nm mesurés à plus basse température sur l'échantillon I (courbe noire ) et l'échantillon II (courbe rouge ). b Spectres PL mesurés à température ambiante sur l'échantillon I (courbe noire ) et l'échantillon II (courbe rouge ), dans lequel les états d'impureté sur les nanocristaux sont présentés dans les pics PL améliorés plus larges sur l'échantillon II

Il est plus intéressant de faire une comparaison entre l'échantillon II et l'échantillon I dans l'analyse des spectres PL vers 560 nm. Le pic PL mesuré près de 560 nm à température ambiante est amélioré sur l'échantillon BS II préparé dans de l'oxygène de 80 Pa comme indiqué avec la courbe rouge de la Fig. 3 liée aux états d'impureté sur les nanocristaux, tandis que l'intensité PL près de 560 nm est plus faible sur l'échantillon BS que j'ai préparé sous vide, comme indiqué avec la courbe noire de la figure 3.

Les spectres PL proches de 560 nm mesurés à température ambiante ont fait une comparaison entre l'échantillon I (courbe noire ) et l'échantillon II (courbe rouge )

La figure 4a montre les spectres PL avec une puissance d'excitation mesurée à température ambiante sur l'échantillon I préparé sous vide, dans lequel la bande PL plus large provient de la distribution de taille des nanocristaux dans la BS. L'analyse des spectres PL démontre que l'émission de bande plus large provenant de la distribution de taille des nanocristaux disparaît évidemment, tandis que l'émission d'états d'impureté se produit près de 600 et 700 nm après recuit à 1000 °C, comme le montre la figure 4b.

un Spectres PL avec puissance d'excitation mesurée à température ambiante sur l'échantillon I préparé sous vide. b Spectres PL avec puissance d'excitation mesurée à température ambiante sur l'échantillon I après recuit

Plus intéressant, le pic PL plus net avec un laser proche de 600 nm se produit dans la structure de la cavité Purcell à l'échelle micrométrique sur le laser BS sous excitation à 514 nm, comme le montre la figure 5. La figure 5a montre l'image optique de la structure de la cavité Purcell à l'échelle micrométrique sur la surface de la BS, et la figure 5b montre le pic PL plus net avec un laser proche de 600 nm sur la BS après recuit approprié, dans lequel le gain optique mesuré en utilisant diverses méthodes de longueur de bande est d'environ 130 cm ⁻¹ .

un Image optique de la structure de la cavité Purcell à l'échelle micrométrique sur la surface BS. b Pic PL plus net avec un laser proche de 600 nm mesuré à température ambiante sur la structure de la cavité Purcell à l'échelle micrométrique sur la surface BS sous excitation laser à 514 nm

Discussion

L'analyse des spectres de désintégration PL sur les Si NC de différents diamètres démontre que la transformation d'un écart indirect en un écart direct apparaît sur les plus petites NC Si, comme le montre la Fig. 6a, b. L'émission à espace direct près de 400 et 560 nm concerne les photons les plus rapides sur les plus petits NC (diamètres <2 nm), et l'émission à espace indirect concerne les photons plus lents (impliquant le processus d'assistance aux phonons) sur les plus grands NC (diamètres> 2,5 nm). La figure 6c montre les spectres de désintégration PL près de 700 nm impliquant les photons les plus lents (~μs) sur les plus grands NC et les photons les plus rapides (~ns) en raison des états d'impureté.

un Spectres de désintégration PL proches de 400 nm avec les photons les plus rapides. b Spectres de désintégration PL proches de 560 nm avec les photons (ns) les plus rapides sur des NC Si plus petits. c Spectres de désintégration PL près de 700 nm avec les photons les plus rapides (ns) liés à l'émission de l'état d'impureté et les photons les plus lents (μs) sur les plus grands NC Si

Comme le montre la Fig. 7, dans ce modèle d'émission, l'émission à espacement direct concerne les photons les plus rapides sur les plus petits NC (diamètres <2 nm), et l'émission à espacement indirect concerne les photons les plus lents (impliquant le processus d'assistance des phonons) sur les plus grands NC (diamètres> 2,5 nm), ce qui correspond à la courbe des états d'énergie dans l'effet de confinement quantique.

La représentation du modèle d'émission à partir de l'analyse des spectres de désintégration PL sur les NC de Si avec différents diamètres, dans laquelle l'émission à espace direct concerne les photons les plus rapides sur les plus petites NC (diamètres <2 nm), et l'émission à espace indirect concerne les photons les plus lents (impliquant le processus d'assistance des phonons) sur les plus grands NC (diamètres> 2,5 nm)

Conclusion

En conclusion, la microstructure et la nanostructure ont été trouvées dans le BS préparé par ns-laser. Dans les spectres PL sur les structures de surface BS, les pics d'émission ont été mesurés en longueur d'onde visible pour l'application LED. Nous avons comparé les spectres PL sur les échantillons BS I préparés sous vide et l'échantillon II préparé dans l'oxygène de 80 Pa par ns-laser, dans lesquels il est démontré que l'émission visible mesurée à température ambiante proche de 400, 560, 600 et 700 nm provient des états d'impureté d'oxygène sur les nanocristaux de Si de la BS, tandis que l'émission à près de 330 nm mesurée à 10 K est due à l'émission de nanocristaux. C'est une nouvelle voie pour obtenir des dispositifs d'émission pour l'application de LED visibles sur puce de silicium.

Méthodes

Mesure de la photoluminescence

Les spectres de photoluminescence (PL) des échantillons sont mesurés sous excitation de 266 ou 488 nm à température ambiante (300 K) et à une température plus basse (17 ~ 200 K) dans une chambre à échantillon de 1 Pa. Dans les spectres PL, les pics les plus nets avec des caractéristiques d'émission et d'émission à espacement direct ont été observées, dans lesquelles le pic PL avec un laser proche de 600 nm sur la BS après recuit approprié est mesuré en utilisant diverses méthodes de longueur de bande dont le gain optique est d'environ 130 cm ⁻¹ . Les spectres de désintégration PL proches de 400, 560 et 700 nm sont mesurés par laser à impulsion ps à 266 nm.