Почему актуальна кремниевая оптоэлектроника?

Светоизлучающие
структуры на основе
нанокристаллов
(нанокластеров)
кремния в
диэлектрических
матрицах
Д.И. Тетельбаум
НИФТИ ННГУ
Почему актуальна кремниевая оптоэлектроника?
Необходимость
перехода от
микроэлектроники
к оптоэлектронике
Source: Intel
- Степень миниатюризации
придвинулась к области
наноразмеров
- Число транзисторов на чипе (ИС)
становится столь большим, что
быстродействие ограничивается
межсоединениями (v << c)
2
Актуальность
Актуальность направления связана с необходимостью
разработки физических основ создания
наноструктурированных материалов на основе
кремния, которые обеспечили бы его применение в
опто- и наноэлектронных приборах.
Основная проблема кремния, как непрямозонного
полупроводника – низкая эффективность
люминесценции.
Основные пути решения:
 усиление собственной люминесценции
массивного кремния;
Схематическое
изображение эффективно
излучающего кремниевого
светодиода .
Схематическое изображение
энергетической зонной структуры
кремния и арсенида галлия.
M.A. Green. Nature 412,
805 (2001).
 дислокационная люминесценция Si (1,1-1,6 мкм);
Amir Sa’ar. Journal of Nanophotonics 3, 032501
(2009)
 легирование кремния редкоземельными элементами
(люминесценция в районе 1,54 мкм);
 синтез светоизлучающих соединений (FeSi2, Si1-xGex)
3
Квантово-размерный эффект
Наноструктурирование кремния – формирование нанокристаллов (квантовых
точек) в широкозонных диэлектрических матрицах.
Si quantum dots
Wide-band matrix
x∙p ≥ h
Схематическое изображение
энергетической зонной структуры
массивного кремния.
Схематическое изображение и энергетическая
диаграмма КТ Si в матрице SiO2.
4
Способы создания квантовых точек кремния
 Нанесение тонких пленок a-SiOx (CVD, ионно-плазменное распыление и др.)
 Золь-гельный метод (химический)
 Ионная имплантация Si+ в широкозонные диэлектрики (SiO2, GeO2, Al2O3 и др.)
 Создание пористого Si
 Рекристаллизация a-Si
 Ионное облучение с-Si
Схема формирования нанокристаллов кремния в SiO2.
Г.А. Качурин и др. ФТП 39, 582 (2005)
5
Ионно-лучевой синтез нанокристаллов Si
Схема ионно-лучевого синтеза
нановключений в оксидных слоях.
Нормированные спектры фотолюминесценции
при комнатной температуре.
Д.И. Тетельбаум и др. Нанотехника 3, 36 (2006)
Преимущества ионной имплантации:
- строгий контроль концентрации и распределения примеси
- экспрессность
- воспроизводимость результатов
- возможность легирования через покрытия
- возможность легирования различными примесями без химических или
технологических ограничений
6
Эволюция структуры и ФЛ слоя Si, облученного Ne+
7
Зависимость ФЛ от размера НК Si
Корреляция экспериментальных и теоретических
данных по положению пика ФЛ в зависимости от
размера осажденных НК Si.
Поверхностные уровни попадают
в оптическую щель НК Si
G. Ledoux et al. APL 80, 4834 (2002)
C. Delerue et al. PRB 48, 11024 (1993)
Электронные состояния в НК Si в зависимости от
размера НК и характера пассивации поверхности.
Состояние захваченного электрона есть pсостояние локализованное на атоме Si связи Si=O,
а состояние захваченной дырки – p-состояние
локализованное на атоме кислорода.
M.V. Wolkin et al. PRL 82, 197 (1999)
8
Фотолюминесценция
Спектры ФЛ термических пленок SiO2,
подвергнутых имплантации Si+
(1·1017 см-2) и отжигу.
Экспериментальные и теоретические дозовые
зависимости интенсивности ФЛ системы SiO2:ncSi, синтезированной при различных температурах.
A.N. Mikhaylov et al. Vacuum 78, 519 (2005)
9
Фото- и электролюминесценция
Общая схема МОП-диода.
SiO2 (90 нм)/Si(КЭФ-4,5) → Si+(40 кэВ, 4·1016 см-2) → 1100 С
Спектры ЭЛ и ФЛ диодной структуры на
основе слоев SiO2:nc-Si.
Зонная диаграмма смещенного диода,
демонстрирующая механизм совместного
туннелирования электронов и дырок. 10
Ионное легирование
Дозовые зависимости интенсивности и времени спада ФЛ при 750 нм образцов SiO2:nc-Si,
легированных фосфором в двух режимах.
Д.И. Тетельбаум и др. Нанотехника 3, 36 (2006)
Эффективное время жизни ФЛ определяется пассивацией
(конкуренцией процессов излучательной и безызлучательной
рекомбинации):
 PL
Интенсивность нестационарной ФЛ зависит главным образом от
времени жизни излучательной рекомбинации, которое возрастает
за счет взаимодействия с примесным кулоновским центром:
I PL  I P N nc
1

1
R

1
 NR
1
R
tP
11
Легирование многослойных структур
Зависимость интенсивности ФЛ многослойных нанопериодических структур a-SiO/Al2O3 и a-SiO/ZrO2 от
дозы легирующей примеси.
A.V. Ershov et al. Abstracts of 11th International Conference on the Structure of Non-Crystalline Materials
(NCM11), Paris, France, June 27 - July 2, 2010. – P.135.
12
Механизмы влияния ионного легирования
13
Фотолюминесценция НК Si в Al2O3
Al2O3
НК Si
Интенсивность ФЛ, отн. ед.
SiOx
14
Применение нанокристаллов Si
Элементы оптоэлектроники
•
•
•
•
•
•
•
светодиоды
оптоволоконные линии связи
оптические усилители,
разветвители
межсоединения ИС
оптоэлектроннные ИС
солнечные элементы
элементы памяти
Биомедицина
•
фотодинамическая терапия онкологических заболеваний
15
Стимулированная эмиссия в КЯ Si
S. Saito et al. Appl.Phys.Lett. 95, 241101 (2009)
16
Применение нанокристаллов Si
Сенсибилизация излучения эрбия
• оптоволоконные линии связи
• лазеры на 1,54 мкм
Si nc
3x1015 Er/cm2 in SiO2
Si nc + 3x1015 Er/cm2
Схематическое изображение процесса возбуждения
эрбиевых центров в системе SiO2:nc-Si:Er3+ (а) и усиление
сигнала в волноводном слое SiO2:nc-Si:Er3+ при оптической
накачке (б).
Lorenzo Pavesi. Materials Today 1, 18 (2005)
17
Спектры пропускания SiO2 и Al2O3 с включениями Au и Ag
Поверхност ный плазмонный резонанс
18
Выводы
1. Нанокристаллы кремния находят все большее
применение в различных областях техники.
2. В области оптоэлектроники формирование
нанокристаллов Si в диэлектрических матрицах –
один из перспективных путей создания оптических
усилителей и лазеров на базе кремния.
19
Спасибо за внимание!
20