Elektronische toestanden van nanokristallen gedoteerd met zuurstof en zichtbare emissie op zwart silicium, bereid door ns-Laser

Experimenten en resultaten

Een apparaat voor gepulseerd laseretsen (PLE) wordt gebruikt om de BS-oppervlaktestructuren te fabriceren, waarbij de puntdiameter van de ns-laser ongeveer 10 m is, gefocust op de siliciumwafels van het P-type substraat met 10 Ωcm in vacuüm (monster I) of in zuurstofomgeving met 80 Pa (monster II), zoals weergegeven in Fig. 1a. Het is interessant dat de plasmonische roosterstructuur optreedt op het BS-oppervlak in het PLE-proces, zoals weergegeven in de inzet van figuur 1a. SEM-afbeelding in Fig. 1b toont de BS-oppervlaktestructuur die is bereid door ns-laser na uitgloeien, waarop de reflectiesnelheid lager is dan 10% en de brekingsindex ongeveer 1,88 is in het zichtbare bereik op de SiO₂ oppervlakte. Deze experimentele resultaten komen overeen met de K-K-relaties [16, 17]. De nanokristallen van silicium komen voor in het BS dat is bereid door ns-laser na uitgloeien, zoals weergegeven in de TEM-afbeelding van figuur 1c.

een Structuurafbeelding van PLE-apparaat dat wordt gebruikt om de BS-structuren te fabriceren. b SEM-beeld van de BS-oppervlaktestructuur bereid door ns-laser na uitgloeien. c TEM-beeld van nanosilicium in de BS bereid door ns-laser na uitgloeien

De PL-spectra op de monsters worden gemeten onder de 266-nm excitatielaser bij kamertemperatuur (300 K) en lagere temperatuur (10~200 K) in de monsterkamer van 1 Pa.

Opgemerkt moet worden dat de temperatuur en de tijd bij het uitgloeien op de BS belangrijk zijn vanwege het kristallisatieproces. Het uitgloeien bij 1000 °C is geschikt voor zichtbare emissie in de PL-spectra gemeten in 10 K op de BS bereid in vacuüm (monster I), en de optimale uitgloeitijd is ongeveer 15 min bij 1000 °C voor zichtbare emissie in de PL-spectra gemeten bij kamertemperatuur op de BS bereid in zuurstof van 80 Pa (monster II).

Het is zeer interessant om een ​​vergelijking te maken tussen het monster I bereid in vacuüm en het monster II bereid in zuurstof met 80 Pa bij de analyse van PL-spectra bij verschillende temperaturen.

Er is gedetailleerd aangetoond dat de piekintensiteit in kortere golflengte nabij 330 nm, gemeten bij 10 K op het monster dat ik in vacuüm heb bereid, sterker is, zoals getoond samen met de zwarte curve in Fig. 2a die afkomstig kan zijn van de nanokristalemissie, maar de PL intensiteit in langere golflengte nabij 400 nm gemeten bij kamertemperatuur op monster II bereid in zuurstof met 80 Pa is duidelijk verbeterd, zoals weergegeven samen met de rode curve in figuur 2b.

een PL-spectra van 300 tot 500 nm gemeten bij lagere temperatuur op monster I (zwarte curve ) en het monster II (rode curve ). b PL-spectra gemeten bij kamertemperatuur op monster I (zwarte curve ) en het monster II (rode curve ), waarin de onzuiverheidstoestanden op nanokristallen worden vertoond in de bredere verbeterde PL-pieken op het monster II

Interessanter is het om een ​​vergelijking te maken tussen het monster II en het monster I in PL-spectra-analyse nabij 560 nm. De PL-piek gemeten in de buurt van 560 nm bij kamertemperatuur is verbeterd op het BS-monster II bereid in zuurstof van 80 Pa, zoals weergegeven samen met de rode curve in Fig. 3 gerelateerd aan de onzuiverheidstoestanden op nanokristallen, terwijl de PL-intensiteit nabij 560 nm is zwakker op het BS-monster dat ik in vacuüm heb bereid, zoals weergegeven samen met de zwarte curve in Fig. 3.

PL-spectra nabij 560 nm gemeten bij kamertemperatuur maakten een vergelijking tussen monster I (zwarte curve ) en het monster II (rode curve )

Figuur 4a toont de PL-spectra met excitatievermogen gemeten bij kamertemperatuur op het monster dat ik in vacuüm heb bereid, waarbij de bredere PL-band afkomstig is van de grootteverdeling van nanokristallen in de BS. De analyse van PL-spectra toont aan dat de bredere bandemissie afkomstig van de grootteverdeling van nanokristallen duidelijk verdwijnt, terwijl de emissie van onzuiverheden optreedt in de buurt van 600 en 700 nm na uitgloeien bij 1000 ° C, zoals weergegeven in figuur 4b.

een PL-spectra met excitatievermogen gemeten bij kamertemperatuur op het monster dat ik in vacuüm heb bereid. b PL-spectra met excitatievermogen gemeten bij kamertemperatuur op monster I na uitgloeien

Interessanter is dat de scherpere PL-piek met laserwerking nabij 600 nm optreedt in de Purcell-holtestructuur op micrometerschaal op de BS onder excitatielaser bij 514 nm, zoals weergegeven in Fig. 5. Figuur 5a toont het optische beeld van de Purcell-holtestructuur op micrometerschaal op het BS-oppervlak, en figuur 5b toont de scherpere PL-piek met laserstraling nabij 600 nm op de BS na geschikt uitgloeien, waarbij de optische versterking gemeten met behulp van verschillende striplengtemethoden ongeveer 130 cm ⁻¹ .

een Optisch beeld van de Purcell-holtestructuur op micrometerschaal op het BS-oppervlak. b Scherpere PL-piek met laserwerking in de buurt van 600 nm gemeten bij kamertemperatuur op Purcell-holtestructuur op micrometerschaal op het BS-oppervlak onder excitatielaser bij 514 nm

Discussie

De analyse van de PL-vervalspectra op Si NC's met verschillende diameters toont aan dat de transformatie van indirecte opening naar directe opening optreedt op de kleinere Si NC's, zoals weergegeven in Fig. 6a, b. De directe-gap-emissie in de buurt van 400 en 560 nm heeft betrekking op de snellere fotonen op de kleinere NC's (diameters <2 nm), en de indirecte-gap-emissie heeft betrekking op de langzamere fotonen (met behulp van fonon-ondersteuningsproces) op de grotere NC's (diameters> 2,5 nm). Figuur 6c toont de PL-vervalspectra nabij 700 nm met de langzamere fotonen (~μs) op de grotere NC's en de snellere fotonen (~ns) vanwege de onzuiverheidstoestanden.

een PL vervalspectra nabij 400 nm met de snellere fotonen. b PL-vervalspectra nabij 560 nm met de snellere fotonen (ns) op kleinere Si NC's. c PL-vervalspectra nabij 700 nm met de snellere fotonen (ns) gerelateerd aan de emissie van de onzuiverheidstoestand en de langzamere fotonen (μs) op grotere Si NC's

Zoals weergegeven in figuur 7, heeft in dit emissiemodel de directe-gap-emissie betrekking op de snellere fotonen op de kleinere NC's (diameters <2 nm), en de indirecte-gap-emissie heeft betrekking op de langzamere fotonen (met behulp van fonon-ondersteuningsproces) op de grotere NC's (diameters>2,5 nm), wat samengaat met de curve van de energietoestanden in het kwantumbegrenzingseffect.

De weergave van het emissiemodel uit de analyse van de PL-vervalspectra op Si NC's met verschillende diameters, waarin de directe-gap-emissie betrekking heeft op de snellere fotonen op de kleinere NC's (diameters <2 nm), en de indirecte-gap-emissie betrekking heeft op de langzamere fotonen (met hulp van fononen) op de grotere NC's (diameters>2,5 nm)

Conclusie

Concluderend werden de microstructuur en de nanostructuur gevonden in de BS bereid door ns-laser. In de PL-spectra op de BS-oppervlaktestructuren werden de emissiepieken gemeten in zichtbare golflengte voor LED-toepassing. We hebben de PL-spectra vergeleken op de BS-monsters die ik in vacuüm heb bereid en het monster II dat is bereid in zuurstof van 80 Pa door ns-laser, waarin is aangetoond dat de zichtbare emissie gemeten bij kamertemperatuur nabij 400, 560, 600 en 700 nm is afkomstig van de zuurstofonzuiverheidstoestanden op de Si-nanokristallen van de BS, terwijl de emissie nabij 330 nm, gemeten bij 10 K, te wijten is aan de emissie van nanokristallen. Het is een nieuwe weg om emissie-apparaten te verkrijgen voor toepassing van zichtbare LED op siliciumchip.

Methoden

Fotoluminescentiemeting

Fotoluminescentie (PL) spectra van de monsters worden gemeten onder de 266 of 488 nm excitatie bij kamertemperatuur (300 K) en lagere temperatuur (17~200 K) in een monsterkamer van 1 Pa. In de PL-spectra worden de scherpere pieken met gestimuleerde emissie- en directe-gap-emissiekarakteristieken zijn waargenomen, waarbij de PL-piek met laserstraling nabij 600 nm op de BS na geschikte uitgloeiing wordt gemeten met behulp van verschillende striplengtemethoden waarvan de optische versterking ongeveer 130 cm is ⁻¹ . De PL-vervalspectra in de buurt van 400, 560 en 700 nm worden gemeten onder een ps-gepulseerde laser bij 266 nm.