ns-Laserによって調製されたブラックシリコン上に酸素をドープしたナノ結晶の電子状態と可視発光

背景

バルクシリコンの間接バンドギャップは1.12eVで、発光効率が低くなっています。ただし、科学者は、効率的なシリコン発光体の開発は、オプトエレクトロニクスデバイスをシリコンベースのチップに統合するために重要であると考えています。最近の報告によると、室温での可視発光は、シリコンの低次元ナノ構造[1,2,3,4,5,6]、特にパルスレーザーを使用して製造されたブラックシリコン（BS）構造[7,8、 9,10,11,12]。単純なパルスレーザー（フェムト秒（fs）またはナノ秒（ns）レーザー）処理技術は、シリコンの光学特性を大幅に変えることができます。特に、BS表面での可視発光は科学的な関心を集めており、発光メカニズムについてはまだ議論が続いています[13、14、15]。

手紙では、真空中または酸素環境でnsレーザーを使用してBS表面構造を作製しました。この場合、可視範囲で効率的な発光が観察されました。 BSの適切なアニーリング条件が、結晶化プロセスによる可視発光を明らかに改善できることは興味深いことです。さらに興味深いことに、室温で測定された可視発光は、酸素環境で調製されたBSで増強することができます。フォトルミネッセンス（PL）スペクトルとTEM画像の分析は、酸素をドープしたSiナノ結晶（NC）がBSの可視発光に主要な役割を果たし、420、560、700nm付近の可視発光のメカニズムが一義的であることを示しています。明らかに。これらの観察結果は、シリコンベースのソリッドステート照明と可視範囲の光源を製造する可能性を示唆しています。

実験と結果

パルスレーザーエッチング（PLE）デバイスを使用して、BS表面構造を製造します。この場合、nsレーザーのスポット径は、真空中10ΩcmのP型基板のシリコンウェーハに焦点を合わせて約10μmになります（サンプルI）。図1aに示すように、80 Paの酸素環境（サンプルII）。図1aの挿入図に示すように、プラズモン格子構造がPLEプロセスのBS表面で発生するのは興味深いことです。図1bのSEM画像は、アニーリング後にnsレーザーによって作成されたBS表面構造を示しています。この構造では、反射率は10％未満であり、SiO ₂ の可視範囲で屈折率は約1.88です。 水面。これらの実験結果は、K-K関係と一致しています[16、17]。シリコンのナノ結晶は、図1cのTEM画像に示すように、アニーリング後にnsレーザーによって準備されたBSで発生します。

a BS構造の製造に使用されるPLEデバイスの構造描写。 b アニーリング後にnsレーザーで作製したBS表面構造のSEM像。 c アニーリング後にnsレーザーで作製したBS中のナノシリコンのTEM画像

サンプルのPLスペクトルは、266 nmの励起レーザーの下で、1 Paのサンプルチャンバー内で室温（300 K）および低温（10〜200 K）で測定されます。

BSでのアニーリングの温度と時間は結晶化プロセスのために重要であることに注意する必要があります。 1000°Cでのアニーリングは、真空で準備されたBS（サンプルI）で10 Kで測定されたPLスペクトルの可視発光に適しており、最適なアニーリング時間は、PLスペクトルの可視発光に対して1000°Cで約15分です。 80 Paの酸素で調製されたBSで室温で測定（サンプルII）。

さまざまな温度でのPLスペクトルの分析において、真空で調製したサンプルと80Paの酸素で調製したサンプルIIを比較することは非常に興味深いことです。

真空中で準備したサンプルで10Kで測定された330nm付近の短波長のピーク強度は、図2aの黒い曲線とともに示されているように、ナノ結晶の発光に起因する可能性がありますが、PLはより強いことが詳細に示されています。図2bの赤い曲線とともに示されているように、80Paの酸素で調製されたサンプルIIで室温で測定された400nm付近の長波長での強度は、明らかに向上しています。

a サンプルIで低温で測定された300〜500 nmのPLスペクトル（黒い曲線 ）およびサンプルII（赤い曲線 ）。 b サンプルIで室温で測定されたPLスペクトル（黒い曲線 ）およびサンプルII（赤い曲線 ）、ナノ結晶の不純物状態は、サンプルIIのより広い増強されたPLピークに示されます

560 nm付近のPLスペクトル分析で、サンプルIIとサンプルIを比較する方が興味深いです。室温で560nm付近で測定されたPLピークは、ナノ結晶の不純物状態に関連する図3の赤い曲線とともに示されているように、80 Paの酸素で調製されたBSサンプルIIで増強されますが、560nm付近のPL強度は図3の黒い曲線とともに示されているように、真空中で準備したBSサンプルでは弱くなります。

室温で測定された560nm付近のPLスペクトルは、サンプルIを比較しました（黒い曲線 ）およびサンプルII（赤い曲線 ）

図4aは、真空中で準備したサンプルで室温で測定された励起パワーを使用したPLスペクトルを示しています。ここで、より広いPLバンドは、BS内のナノ結晶のサイズ分布に由来しています。 PLスペクトルの分析は、図4bに示すように、ナノ結晶のサイズ分布に起因する広帯域発光が明らかに消失するのに対し、不純物状態の発光は1000°Cでのアニーリング後に600および700nm付近で発生することを示しています。

a 真空中で調製したサンプルについて、室温で測定された励起パワーを使用したPLスペクトル。 b アニーリング後のサンプルIで室温で測定された励起パワーのPLスペクトル

さらに興味深いことに、図5に示すように、レーザーが514 nmの励起レーザー下でBSのマイクロメートルスケールのパーセルキャビティ構造で、600 nm付近のレーザー発振を伴うより鋭いPLピークが発生します。図5aは、マイクロメートルスケールのパーセルキャビティ構造の光学画像を示しています。 BS表面で、図5bは、適切なアニーリング後のBSでの600 nm付近のレーザー発振による、より鋭いPLピークを示しています。ここで、さまざまなストリップ長法を使用して測定された光ゲインは、約130 cm ^-1 > 。

a BS表面のマイクロメートルスケールでのパーセル空洞構造の光学画像。 b 514 nmの励起レーザーの下でBS表面のマイクロメートルスケールでパーセルキャビティ構造上で室温で測定された、600nm付近のレーザー発振を伴うより鋭いPLピーク

ディスカッション

さまざまな直径のSiNCのPL減衰スペクトルの分析は、図6a、bに示すように、間接ギャップから直接ギャップへの変換が小さいSiNCに現れることを示しています。 400および560nm付近の直接ギャップ放出は、小さいNC（直径<2 nm）でのより速い光子に関連し、間接ギャップ放出は、大きいNC（直径>）でのより遅い光子（フォノン支援プロセスを含む）に関連します。 2.5 nm）。図6cは、700 nm付近のPL減衰スペクトルを示しています。これには、大きなNCでは遅い光子（〜μs）が含まれ、不純物状態のために速い光子（〜ns）が含まれます。

a より高速な光子を使用した400nm付近のPL崩壊スペクトル。 b 560 nm付近のPL崩壊スペクトルと、小さいSi NCでのより速い光子（ns）。 c 700 nm付近のPL減衰スペクトル。不純物準位の発光に関連するより速い光子（ns）と、より大きなSi NCでのより遅い光子（μs）

図7に示すように、この放出モデルでは、直接ギャップ放出は小さいNC（直径<2 nm）のより速い光子に関連し、間接ギャップ放出はより遅い光子に関連します（フォノン支援プロセスを含む）より大きなNC（直径> 2.5 nm）では、量子閉じ込め効果のエネルギー状態の曲線と一緒になります。

さまざまな直径のSiNCのPL減衰スペクトルの分析からの発光モデルの描写。ここで、直接ギャップ発光は小さいNC（直径<2 nm）のより速い光子に関連し、間接ギャップ発光はに関連します。より大きなNC（直径> 2.5 nm）でのより遅い光子（フォノン支援プロセスを含む）

結論

結論として、マイクロ構造とナノ構造は、ns-laserによって作成されたBSで見つかりました。 BS表面構造のPLスペクトルでは、発光ピークはLEDアプリケーションの可視波長で測定されました。真空中で調製したBSサンプルとnsレーザーによって80Paの酸素で調製したサンプルIIのPLスペクトルを比較しました。ここでは、400、560、600、および700 nmは、BSのSiナノ結晶の酸素不純物状態に起因しますが、10Kで測定された330nm付近の発光は、ナノ結晶の発光によるものです。シリコンチップに可視LEDを適用するための発光デバイスを入手するための新しい道です。

メソッド

フォトルミネッセンス測定

サンプルのフォトルミネッセンス（PL）スペクトルは、1Paのサンプルチャンバー内で室温（300 K）および低温（17〜200 K）で266または488 nmの励起下で測定されます。PLスペクトルでは、刺激を受けたときにシャープなピークが得られます。発光および直接ギャップ発光特性が観察されており、適切なアニーリング後にBS上で600 nm付近にレーザー発振するPLピークが、光利得が約130 cm ^{-1 > 。 400、560、および700 nm付近のPL減衰スペクトルは、266nmのpsパルスレーザーで測定されます。}