Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общая физика >> Оптика | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
Ученые заставили кремний излучать
24.07.2001 15:35 | Русский Переплет
    В последнее десятилетие недавно прошедшего столетия кремний оказался в осаде - исследователи не жалели ни его, ни себя, пытаясь выжать люминесценцию из этого почти "беспросветного" материала. И вот на переломе столетий появились обнадеживающие результаты, дающие основание подвести предварительные итоги.

Можно считать, что сформировалось основное направление поиска - разработка сред с кремниевыми нанокристаллами. В известном смысле такой выбор - итог исследований пористого кремния. Хотя исследования и разработки в этом направлении не привели к появлению конкурентоспособного излучателя, тем не менее, в итоге сформировалась устойчивая вера в то, что сами по себе кремниевые нанокристаллы почти идеальны для люминесценции. Основные препятствия на их пути в оптоэлектронику связаны с трудностью организации эффективной токовой накачки отдельных нанокристаллов в изолирующей матрице.

Среди работ этого направления наиболее заметна работа итальянских авторов по наблюдению оптического усиления в системе на базе кремния [1], вошедшая в "top ten" 2000 года. Она аннотировалась в ПерсТ'е [2]. В эксперименте среда, содержащая кремниевые нанокристаллы, получалась имплантацией ионов кремния в диоксид кремния (80 кэВ, 1017 см-2). Были получены два типа образцов с нанокристаллами: в поверхностном слое объемной кварцевой подложки и в слое диоксида кремния, выращенного быстрым термическим окислением кремниевой подложки. Первый тип образцов был нужен для проведения измерений "на просвет", второй - для демонстрации совместимости используемой технологии со стандартами микроэлектроники. В обоих случаях нанокристаллы (3 нм, 2*1019 см-3) содержались в слое толщиной ~100 нм. Расстояние между нанокристаллами - лишь несколько больше их собственного размера. Тем самым, авторы реализовали активную среду, близкую к оптимальной - с максимальной плотностью нанокристаллов с одной стороны, но так, что эти кристаллы оставались достаточно изолированными друг от друга. Последнее, в свою очередь, означает уменьшение безызлучательной рекомбинации, увеличение однородности системы и т.д. Полученные образцы характеризованы люминесцентными измерениями, поглощением в видимой и инфракрасной области; измерены времена возгорания и высвечивания люминесценции.

Основным результатом, который выделяет работу [1], является тщательная демонстрация оптического усиления. Возбуждение в эксперименте осуществлялось второй гармоникой титан-сапфирового лазера ($\lambda$=390 нм, длительность импульса 2 пс, частота 82 МГц). Область засветки представляла собой полосу переменной длины. Такая постановка эксперимента давала авторам возможность изменять раздельно интенсивность засветки и длину активной области, демонстрируя спектральное сужение полосы люминесценции как при увеличении интенсивности, так и при увеличении длины засвечиваемого пятна. Спектральная ширина зависела также от угла, под которым излучение выходило из активной области - наиболее узким спектр был, как и ожидалось, для малых углов выхода света из торца пленки, когда излучение проходило максимальный путь вдоль активного слоя. Авторы также продемонстрировали усиление зондирующего луча "на проход" - как они указывают - впервые для систем на основе кремния. Вот тут-то они ошибаются, наши видели такое и опубликовали заметно раньше - но об этом чуть позже.

Качественно эксперименты, давшие независимые данные о характеристиках эмиссии, позволили надежно получить величину оптического усиления - ~100 см-1 для образца с нанокристаллами в кварце и примерно на 15% меньше - для нанокристаллов в слое окисла на поверхности кристаллического кремния. В статье [1] авторы приводят сравнение с другими активными средами на основе нанокристаллов полупроводников. Заметно проигрывая в величине усиления на единичный монокристалл или на единицу объема материала, авторы, тем не менее, берут верх (среди процитированных конкурентов) по такому параметру, как усиление (в см-1). Ближайший конкурент - семислойный пирог из квантовых точек InAs - отстает от анализируемой работы процентов на двадцать.

Однако дело не в указанных процентах. Решающим моментом явится получение электролюминесценции из подобных сред. А для этого диоксид кремния не самая лучшая среда - для эффективной инжекции зарядов в нанокристаллы слишком велика запрещенная зона. Нечто подобное уже было получено на частично оксидированном пористом кремнии, где удавалось получать внешнюю квантовую эффективность порядка процента [3]; однако такая высокая эффективность была получена для очень высокоомных структур, а для низкоомных эффективность вовсе не была высокой. С учетом этого обсуждаемая работа итальянских ученых - действительно яркий результат, но возможно, он лишь освещает хорошо известный тупик.

Работ, близких по подходу к рассмотренной выше, публикуется много; в основном в них разрабатываются различные варианты технологий получения диоксида кремния, обогащенного кремниевыми наночастицами.

Исследователи из университета Турку (Финляндия) [4] используют CVD процесс нанесения слоев кремния и диоксида кремния. Последний тип слоев получали добавкой кислорода к силану, из которого осаждали кремниевые слои; регулируя соотношение газов, авторы получали не полностью окисленные слои, т.е. слои диоксида, содержащие квантово-размерные точки кремния. В работе также получали наборы пар слоев кремний/диоксид - сверхрешетки чередующихся слоев. Принципиальная "тонкослойность" структур решила проблему, остававшуюся нерешенной в предыдущей работе - токовое возбуждение люминесценции квантовых точек при средней плотности тока возбуждения 10-50 мА/см2. Работа интересна нам успешным возбуждением электролюминесценции. Вообще идея поиска эффективной среды в системе Si-SiO2, достаточно распространена (см. например, также [5]).

Еще ближе к желаемому результату оказались авторы работы [6], также использовавшие CVD нанесение кремния из силана, но (в отличие от предыдущей работы) добавлявшие в него не кислород, а азот. Как результат, вместо двуокиси кремния авторы получали нитрид кремния с существенно меньшей энергией запрещенной зоны, а, кроме того, режим нанесения был таков, что наночастицы кремния оставались аморфными. Поскольку для аморфного кремния ширина запрещенной зоны составляет ~1.6 эВ (1.1 эВ для кристаллического кремния), что также облегчало инжекцию зарядов в кремниевые наночастицы. В итоге авторы сумели получать частицы со свечением в любой области видимого спектра (попросту, соответствующие сигналам RGB цветовой кодировки) и слои с белым свечением. С учетом того, что при этом внешняя квантовая эффективность электролюминесценции составляла 0.2%, сопротивление слоев было порядка десятков Ом, а структуры работали при смещении менее 5 В - результат этой работы в высшей степени впечатляет. Во всяком случае, авторы в выводах уже не рассуждают о кремниевой оптоэлектронике вообще, а указывают, что это конкретный путь к получению полноцветного кремниевого дисплея.

Более того, оказывается, что и прозрачный диоксид как среда для наночастиц тоже не особенно нужен. Ряд работ посвящен люминесценции имплантированного кремния - выясняется, что и этот материал способен к эффективной люминесценции не хуже прочих. Нелинейное стимулированное излучение, направленное голубое свечение, преобразование во вторую гармонику и целый ряд других чудес, оказывается, можно наблюдать в почти обыкновенном кремнии [7,8].

Удивительно - как это кремний успел прослыть нелюминесцирующим? Однако - успел, и ряд работ занят поисками объяснений уж слишком активного свечения там, где его не ждали [9,10]. Ответ - причина во все тех же кремниевых нанокластерах. В [9] рассчитана наиболее вероятная структура такого кластера - Si29H24, имеющего сферическую форму и одновременно симметрию тетраэдра. При этом в строго тетраэдрическом окружении в таком кластере находится всего один (!) центральный атом, что не мешает кластеру давать рефлексы, соответствующие тетраэдрической симметрии. Количество водородных окончаний кластера не случайно; полностью покрытый водородом кластер имеет запрещенную зону примерно на электрон-вольт меньше, чем Si29H24 , а Si29H12 на 2 эВ больше, так что наилучшим образом согласуется с данными экспериментов именно Si29H24 .

Работа [10] предлагает свой вариант нанокластера из трех межузельных атомов Si, но, очевидно, и это не последний вариант. К тому же, признание кластеров виновниками необычного свечения еще не закрывает всех вопросов и проблем.

Однако и кремниевые наночастицы - не единственный путь к кремниевому источнику света. В марте в Nature опубликована статья [11], в которой электролюминесценция с высокой эффективностью возбуждалась из объемного кремния. В недавнем ПерсТ'е статья [11] проанализирована достаточно детально [12]. Механизм свечения в [11] не вполне понятен (возможно, даже самим авторам работы - они пока приводят параметры без каких-либо объяснений). Свой подход они объявляют "инженерией дислокаций", но это мало что объясняет. Возможно, и там где-то таятся вездесущие кремниевые кластеры - технологические приемы воздействия на кремний в [11] отчаянно похожи на те, о которых упоминается в [7-10]. Тем не менее, работа явно открыла принципиально новый подход к получению излучающего кремния, к тому же совместимый со стандартной кремниевой технологией. По своим параметрам предложенное устройство - это излучатель для ближне-инфракрасной области.

Из неожиданного - Applied Physics Letters публикует работу исследователей из Тайваньского национального университета. Оказывается, электролюминесценцию с энергией фотона, соответствующей энергии непрямого Eg, можно получить, сдавливая кремний с ITO электродом [13]. В результате, как минимум, получается датчик давления с люминесцентным выходом.

Отметим отдельно существующее направление - разработку излучателей, использующих примесь эрбия в кремнии. Исходно идея великолепна своей простотой - использовать кремний как транспортную среду для токового возбуждения иона эрбия. Последний своей длиной волны люминесценции 1.5 мкм попадает в запрещенную зону кремния и одновременно как нельзя лучше подходит для накачки световодных линий, как раз имеющих в этой области окно прозрачности. Однако, идея токовой накачки редкоземельных ионов в полупроводниках, чуть видоизменяясь, существует не первое десятилетие, и пока грандиозных результатов не было. Не все так просто, как казалось изначально. Во-первых, ион Er3+, хорошо изученный вне кремния, как и все редкоземельные ионы, предпочитает светиться в окружении кислородных лигандов (или анионов фтора), так что вместе с эрбием в кремний пришлось вводить и кислород, что сделало технологию менее однозначной. Кроме того, процессы токового возбуждения оказались тоже не столь эффективными, как хотелось бы. Так что в большинстве работ этого направления в одном из первых абзацев авторы честно признаются в том, что "интенсивность эрбиевой люминесценции слишком мала для практических применений". Однако, исследователи продолжают работать, и уже обсуждаются не свойства материалов, а параметры конкретных светодиодов [14] и светотранзисторов [15]. В последнем случае слой кремния, легированного эрбием, располагается между базой и коллектором светотранзистора, что позволяет создать эффективные условия для возбуждения ионов Er3+ носителями тока. Во всяком случае, в последней цитированной работе эффективное излучение эрбия в характерной полосе 1.54 мкм получено при комнатной температуре, при достаточно низкой плотности тока возбуждения (0.1 А/см2) и малом приложенном напряжении (3 В). Тем не менее, даже в лучшем образце светотранзистора эффективность осталась на уровне 10-5.

Наконец, возможные длины волн не ограничиваются видимым или ближним ИК-диапазоном. В кремниевых квантово-каскадных лазерах реализуется излучение среднего ИК диапазона [16]. В общих чертах такой прибор работает следующим образом - излучающие слои (квантовые ямы), разделенные барьерами, составляют сверхрешетку. Приложением внешнего напряжения потенциалы соседних ям сдвигают так, что нижний уровень излучательного перехода в одной яме совпадает с верхним уровнем, с которого происходит излучение, но уже для соседней ямы. Носители переходят с верхнего уровня на нижний в одной из ям, генерируя излучение, далее туннелируют в соседнюю яму на верхнее состояние, снова совершают излучательный переход и так далее. Эта схема позволяет обойти главную неприятность - непрямой минимум запрещенной зоны в кремнии, поскольку весь процесс происходит в рамках одной зоны.

Один из способов получения сверхрешеток с модуляцией потенциала в валентной зоне - чередование слоев кремния и полупроводникового раствора SiGe. Такая система реализована, например, в [17]. В работе наблюдалась внутризонная электролюминесценция вблизи $\lambda$=10 мкм, что, по оценке, соответствует переходам между подзонами тяжелых дырок. Спектральная ширина полосы (FWHM) равна 22 мэВ при температуре 50 K и напряжении на структуре 3.65 В. Время безызлучательной релаксации носителей существенно зависело от конструкции слоев. Интенсивность электролюминесценции (при 50 К) составила менее 10-11 Вт при токе через структуру почти ампер.

Более эффективная система описана в [18], и использует переходы между подзонами тяжелых и легких дырок, в области, где подзона легких дырок существенно непараболична. Подобная схема интересна тем, что энергетический зазор между излучающими подзонами оказывается меньше, чем энергия оптического фонона. В результате процесс безызлучательной релаксации обеспечивается лишь акустическими фононами, что приводит к увеличению времени безызлучательной рекомбинации примерно на три порядка по сравнению, например, с предыдущим случаем. В этом приборе при температуре жидкого азота на длине волны 50 мкм достигнуто усиление 170 см-1.

Наконец, нельзя не упомянуть о серии работ, выполненных группой Петербургского ФТИ РАН, с совершенно "перпендикулярным" подходом к кремнию (в прямом и переносном смысле), приведшим, в том числе, и к новым оптоэлектронным приборам [19,20]. Традиционно, слои в полупроводниковых структурах наращиваются планарно, параллельно поверхности; и обратное представляется нонсенсом. Тем не менее, нашлись "левши", сумевшие создать слои в объемном кристаллическом кремнии, направленные перпендикулярно поверхности (т.е. вглубь образца!). Эти слои могут иметь различное допирование, в том числе образовывать сверхрешетку p-n переходов, могут еще раз разбиваться на слои в другом направлении, образуя системы самоорганизующихся точек. Наверное, конкретные возможности уже не кажутся удивительными после того, как выясняется, что слои толщиной ~20 нм можно "врезать" в уже существующую кристаллическую решетку. Многое из того, что удается измерить или сконструировать на подобных структурах, выходит за рамки тематики этого обзора. Но вот оптическое усиление и усиление зондирующего света в кремниевых системах было впервые получено именно на подобных "перпендикулярных" слоях. Получена на них и эффективная люминесценция Er3+, и сужение линии электролюминесценции при комнатной температуре. Кремниевые излучатели среднего ИК-диапазона, использующие эту структуру, неожиданно нашли применение в медицинской практике и выпускаются мелкой серией. Но - типичная российская беда - нет publicity, нет и prosperity.

Похоже, что остановить волну наблюдений люминесценции из кремния будет также трудно, как было трудно получить первые результаты. Для кремниевой оптоэлектроники все еще только начинается!

М.Компан

  • L.Pavesi, L.Van Negro, C.Mazzoleni, G.Franzo, F.Priolo. Nature, 2000, 408, p.440
  • ПерсТ, 2000, 7(24)
  • K.Nishimura Y.Nagao. J. Porous Materials, 2000, 7, p.119
  • N.Porjo, T.Kuustla, L.Heikkila. JAP, 2001, 89, p.4902
  • S.Chelan, R.G.Elliman, K.Gaff, A.Durandet. APL, 2001, 78, p.1670
  • N.M.Park, T.S.Kim, S.J.Park. APL, 2001, 78, p.2575
  • M.Nayfeh, O.Akcakir, J.Therrien, Z.Yamano, N.Barry, W.Yu, E.Gratton. APL, 1999, 75, p.1131
  • M.Nayfeh, O.Akcakir, J.Therrien, G.Belomoin, N.Barry, E.Gratton. APL, 2000, 77, p.4086
  • L.Mitas, J.Therrien, R.Twesten, G.Belomoin, M.Nayfeh. APL, 2001 78, p.1918
  • P.K.Giri, S.Coffa, E.Rimini. APL, 2001 78, p.291
  • W.L.Ng, M.A.Lorenco, R.M.Gwillam, G.Shao, K.P.Homewood. Nature, 2001 410, p.192-194
  • ПерсТ, 2001,8 (5,9)
  • Chin-Fuh Lin, Miin-Jang Chen, Shu-Wei Chang et al. APL, 2001, 78, p.1808
  • G.V.Hansson, W.-X.Ni, C.-X.Du, A.Elfing, F.Duteil. APL, 2001, 78, p.2104
  • C.-X.Du, F.Duteil G.V.Hansson, W.-X.Ni. APL, 2001, 78, p.1697
  • R.F.Kazariniv R.A.Suris. Sov. Phys. Semicond. 1971, 51, p.77
  • G.Delinger, L.Diehl, U.Gennser, H.Sigg, J.Faist,K.Ensslin, D.Grutzmacher, E.Muller. Science, 2000 290, p.2277
  • L.Fridman, G.Sun, R.A.Soref. APL, 78, p.401
  • Н.Т.Баграев, А.Д.Буравлев, Л.Е.Клячкин, А.М.Маляренко, С.А.Рыков. ФТП, 2000, 34, с.726
  • N.T.Bagraev, E.I.Chaikina, W.Gehlhoff, L.E.Klyachkin, I.I.Markov, A.M.Malarenko. Solid State Electronics, 1998, 7-8, p.1199

  • Источник: ПерсТ

    редактор ленты


    Написать комментарий
     Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования