По результатам исследования опубликована статья в высокорейтинговом журнале Applied Physics Letters
Учёные Университета Лобачевского в сто раз улучшили светоизлучающие свойства кремния. Им удалось повысить интенсивность светоизлучающих свойств кремния (Si) за счет оптимизации синтеза гексагональной фазы 9R-Si. По результатам исследования опубликована статья в высокорейтинговом журнале Applied Physics Letters.
Предложенный метод получения нановключений гексагонального кремния является уникальной разработкой нижегородских учёных. Он базируется на применении традиционной технологии микроэлектроники – ионной имплантации, которая широко применяется в промышленности для введения примесей в полупроводники при создании диодов и транзисторов.
Как рассказали в ННГУ, 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 остаётся одной из важнейших задач. Её решение позволит совершить революционный скачок в области обработки и передачи сверхбольших объёмов информации. Один из путей сохранения Si как материала электроники будущего – наноструктурирование кремния, заключающееся в формировании нанокристаллов (НК) Si в широкозонных матрицах (оксидах).
Настоящее исследование учёных Университета Лобачевского позволило выявить оптимальные режимы ионнолучевого синтеза светоизлучающих нановключений фазы 9R-Si в структурах кремний-диоксид кремния (SiO2/Si). Причём образование таких включений при ионном облучении данных систем впервые было обнаружено в ННГУ несколько лет назад.
Поскольку кремний в гексагональной фазе – это не какой-то один материал. Это некоторое «семейство» кристаллов со схожей структурой, которая отличается от традиционного кремния кубической фазы своими свойствами вдоль одного из атомных направлений. Именно за счёт 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.
Сегодня ученые доказали, что эти включения обладают лучшими излучательными свойствами по сравнению с обычным – кубическим – кремнием. Учёные обнаружили взаимосвязи между условиями синтеза и люминесценцией полученных наноструктур и предложили механизм образования данной фазы кремния за счёт 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 учёными ННГУ – на длине волны 1240 нм). При этом существенно возрастает интенсивность излучения. По предварительным оценкам авторов исследования она увеличивается в сто раз. Излучение остается заметным и при более высоких температурах.
Структурные преобразования кремния к гексагональному кристаллу происходят за счёт воздействия ионами инертного газа. Причём 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. Учёные 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. Учёные планируют внедрение предложенного подхода в технологии кремниевой фотоники. Ближайшая задача – научиться получать однородные слои и контролировать их толщину.
Справка. Работа была выполнена научно-исследовательской группой лаборатории физики и технологии тонких плёнок Научно-исследовательский физико-технический институт (НИФТИ) ННГУ. Коллектив авторов представляет известную в России и мире школу ионной имплантации, становление которой в Университете Лобачевского началось более 60 лет назад при участии одного из родоначальников этого метода в нашей стране – профессора Давида Тетельбаума. Учёный возглавляет эту школу и сейчас.
Ссылка на статью: Photoluminescence of ion-synthesized 9R-Si inclusions in SiO2/Si structure: Effect of irradiation dose and oxide film thickness / A. Nikolskaya, A. Belov, A. Mikhaylov, A. Konakov, D. Tetelbaum, D. Korolev // Appl. Phys. Lett. – 2021. – Vol. 118, № 21. – P. 212101. – DOI: 10.1063/5.0052243 / IF = 3.597 Q1 (JCR 2019)
