Физики в 100 раз улучшили светоизлучающие свойства кремния

Ученым Нижегородского университета удалось повысить интенсивность светоизлучающих свойств кремния за счет оптимизации синтеза гексагональной фазы. По результатам исследования опубликована статья в журнале Applied Physics Letters.

Предложенный метод получения нановключений гексагонального кремния базируется на применении традиционной технологии микроэлектроники – ионной имплантации, которая широко применяется в промышленности для введения примесей в полупроводники при создании диодов и транзисторов.

До настоящего времени прогресс микроэлектроники – основы современных информационных технологий – базировался на производстве кремниевых интегральных схем. Сегодня, когда технологии переходят от электронных к фотонным схемам, обострился существенный недостаток кремния -– его низкие светоизлучающие свойства. Отказ от кремния как основного материала микроэлектроники только замедлит развитие технологий. Поэтому развитие необходимых светоизлучающих свойств кремния остается одной из важнейших задач. Ее решение позволит совершить революционный скачок в области обработки и передачи сверхбольших объемов информации. Один из путей сохранения кремния как материала электроники будущего – наноструктурирование кремния, заключающееся в формировании нанокристаллов кремния в широкозонных матрицах (оксидах)

Исследование ученых ННГУ позволило выявить оптимальные режимы ионнолучевого синтеза светоизлучающих нановключений фазы 9R-Si в структурах кремний-диоксид кремния (SiO₂/Si). Образование таких включений при ионном облучении данных систем впервые было обнаружено в ННГУ несколько лет назад.

Кремний в гексагональной фазе – это не какой-то один материал. Это своеобразное «семейство» кристаллов со схожей структурой, которая отличается от традиционного кремния кубической фазы своими свойствами вдоль одного из атомных направлений. Именно за счет этого меняются как электрические, так и оптические характеристики материала. Сотрудникам Университета Лобачевского удалось разработать методику синтеза кремния со структурой 9R, когда атомы кремния расположены «девятислойниками» (с периодом в 9 атомных слоев) вдоль выделенного направления.

В новом исследовании ученые доказали, что эти включения обладают лучшими излучательными свойствами по сравнению с обычным – кубическим – кремнием. Физики обнаружили взаимосвязи между условиями синтеза и люминесценцией полученных наноструктур и предложили механизм образования данной фазы кремния за счет механических напряжений, возникающих в пленке SiO₂ при облучении, а также напряжений, связанных с проникновением ионов и атомов отдачи из пленки в подложку.

Как оказалось, кремний с включениями 9R фазы излучает на большей длине волны по сравнению с кубическим (кубический кремний излучает в инфракрасном диапазоне на длине волны 1130 нм, а полученный учеными ННГУ – на длине волны 1240 нм). При этом существенно возрастает интенсивность излучения. По предварительным оценкам авторов исследования она увеличивается в 100 раз. Излучение остается заметным и при более высоких температурах.

Структурные преобразования кремния к гексагональному кристаллу происходят за счет воздействия ионами инертного газа. Причем воздействие происходит даже не на сам кремний, а на слой кремниевого окисла толщиной около ста нанометров поверх кремния. Оказывается, что именно в таком случае интенсивность излучения формирующихся включений гексагонального кремния оказывается наибольшей. Ученые объясняют этот эффект двумя факторами: размером формирующихся включений и количеством радиационных дефектов в них. После всех процедур слой окисла можно аккуратно удалить, как говорят технологи, стравить. В результате получается кремний с гексагональными включениями вблизи поверхности, который может быть использован для создания схем передачи данных с использованием света.

Метод ионной имплантации является одним из базовых технологических методов в микроэлектронике. Он легко масштабируется в промышленном варианте. Ученые планируют внедрение предложенного подхода в технологии кремниевой фотоники. Ближайшая задача – научиться получать однородные слои и контролировать их толщину.