Forskere demonstrerer fordele ved ionimplantation ved brug af silicium i optoelektronik

Silicium er hovedmaterialet i elektronikteknik. Alle informations- og computerteknologier, der spiller en nøglerolle i den moderne civilisation, er baseret på silicium:computere, kommunikation, astronautik, biomedicin, robotter og meget mere.

Ifølge Alexey Mikhaylov, Leder af laboratoriet ved Lobachevsky Universitetets forskningsinstitut for fysik og teknologi, den vigtigste anstødssten på vejen til at øge hastigheden af ​​integrerede kredsløb er den begrænsede hastighed af elektrisk signaludbredelse i metalforbindelsesledninger. "Dette kræver udskiftning af metalforbindelser med optiske bølgeledere og, dermed, overgangen fra traditionel elektronik til optoelektronik, hvor de aktive elementer er lyssendere og -modtagere i stedet for transistorer, " siger Alexey Mikhaylov.

Silicium viser tilfredsstillende ydeevne som lysmodtager, men, i modsætning til A3B5 halvledere, er en dårlig lysudsender på grund af et indirekte båndgab af denne halvleder. Denne funktion af dens elektroniske struktur, ifølge kvantemekanikkens love, strengt taget, forbyder emission af lys (luminescens) under ekstern excitation.

"Det ville være meget uønsket at nægte silicium på et nyt tidspunkt, da vi ville være nødt til at opgive den perfekt udviklede teknologi til masseproduktion af integrerede kredsløb. Dette ville medføre enorme materialeomkostninger, for ikke at nævne de miljøproblemer, der opstår, når man arbejder med A3B5-materialer, " siger professor David Tetelbaum, Ledende forsker ved Lobachevsky University.

Forskere forsøger at finde en vej ud af denne situation ved enten at bruge nanokrystallinsk silicium, eller ved at belægge silicium med film af andre lysemitterende materialer. Imidlertid, emissiviteten (luminescenseffektiviteten) af siliciumnanokrystaller er stadig utilstrækkelig til praktiske anvendelser.

Udover, silicium nanokrystaller udsender i området ved den "røde" kant af synlig stråling, mens mange tekniske applikationer, især inden for fiberoptisk kommunikationsteknologi, kræver længere bølgelængder (ca. 1,5 μm). Brugen af ​​"fremmede" materialelag på siliciumsubstrater, imidlertid, er dårligt kompatibel med den traditionelle siliciumteknologi.

En effektiv måde at løse dette problem på er at indføre i silicium en speciel type lineære defekter kendt som dislokationer. Forskere er nået til den konklusion, at en høj koncentration af dislokationer kan opnås i siliciumoverfladelaget ved at bestråle det med siliciumioner med en energi i størrelsesordenen hundrede keV og derefter udgløde det ved høje temperaturer. I dette tilfælde, silicium udsender lys med præcis den rigtige bølgelængde - tæt på 1,5 μm.

"Luminescensintensiteten ser ud til at afhænge af implantations- og udglødningsbetingelserne. hovedproblemet med dislokationsrelateret luminescens er, at den er mest udtalt ved lave temperaturer (under ~25 K) og henfalder hurtigt, når temperaturen stiger. Derfor, det er meget vigtigt at finde måder at øge den termiske stabilitet af dislokationsrelateret luminescens, " fortsætter Alexey Mikhaylov.

Forskere fra Lobachevsky University har sammen med deres kolleger fra RAS Institute of Solid State Physics (Chernogolovka) og Alekseev State Technical University (Nizhny Novgorod) gjort betydelige fremskridt med at løse dette problem med støtte fra den russiske fond for grundforskning (bevilling nr. 17-02-01070).

Tidligere har det blev fundet, at en måde at opnå dislokationsrelateret fotoluminescens i siliciumprøver er at implantere siliciumioner i silicium (selvimplantation) med efterfølgende annealing. Dette viste sig ikke at være den eneste fordel ved implantationsteknologien, da holdet fra Lobachevsky University opdagede, at yderligere borion-doping kan forbedre luminescensen. Imidlertid, fænomenet forbedrede luminescensegenskaber alene løser ikke hovedproblemet. I øvrigt, det forblev uklart, hvordan borion-doping påvirker den termiske luminescensstabilitet, hvilket er en nøgleparameter, og under hvilke betingelser (hvis nogen) en sådan effekt vil være mest udtalt.

I dette studie, Forskere har eksperimentelt bekræftet stigningen i termisk stabilitet af silicium dopet med borioner. I øvrigt, virkningen er ikke-monotonisk afhængig af bordosen, og i en vis række doser, et udtalt andet maksimum i området 90 til 100 K vises på kurven for intensitet i forhold til temperatur, sammen med det sædvanlige lavtemperatur maksimum i området 20 K.

"Det er vigtigt at bemærke, at den "gavnlige" virkning af bor er unik i den forstand, at erstatningen af ​​borioner med en anden acceptorurenhed ikke fører til den ovenfor beskrevne effekt. siliciumprøver, hvor centre for dislokationsrelateret luminescens blev dannet ved bestråling med siliciumioner, vi har fundet ud af, at med den højeste tidligere anvendte dosis borioner og en yderligere varmebehandling ved 830°C, det er muligt at opnå et målbart niveau af luminescens ved stuetemperatur, " konkluderer professor Tetelbaum.

Resultaterne opnået under yderligere optimering af implantations- og varmebehandlingsforholdene lyser op for mulighederne for siliciumanvendelse i optoelektronik.