Zichtbare emissie van zuurstof-gedopte silicium-nanokristallen op laser-geengineerde zwarte silicium

Samenvatting

We fabriceerden zwarte silicium (ZS) met een nanoseconde gepulste laser (ns-laser) onder vacuüm of in een zuurstofatmosfeer. Opvallend, metingen van fotoluminescentie (PL) bij kamertemperatuur onthullen sterke zichtbare emissie van het ZS-oppervlak na aanlaging. Een duidelijke lasing-piek nabij 600 nm verschijnt binnen een Purcell-caviteitstructuur. Gedetailleerde PL-analyse toont aan dat de elektronische toestanden van zuurstof-gedopte silicium-nanokristallen de primaire bron zijn van de zichtbare emissie, met duidelijke pieken bij ~400, 560, en 700 nm. Deze bevindingen suggereren een haalbare route naar silicium-gebaseerde witlicht-apparaten.

Achtergrond

Bulk silicium, met zijn indirecte bandkloof van 1,12 eV, vertoont slechte licht-emissie-efficiëntie. Toch blijft het integreren van efficiënte silicium-lichtemitter in chips een topprioriteit voor next-generation opto-elektronica. Recente studies hebben kamertemperatuur zichtbare emissie gerapporteerd van laag-dimensionale silicium-nanostructuren, met name zwarte silicium (ZS) geproduceerd door gepulste-laser verwerking [1–6]. Gepulste lasers—zowel femtoseconde als nanoseconde—veranderen silicium's optische eigenschappen dramatisch, en de zichtbare emissie van ZS heeft aanzienlijke wetenschappelijke belangstelling getrokken, hoewel het mechanisme nog steeds gedebatteerd wordt [13–15]. In dit werk genereren we ZS-oppervlakken met een ns-laser in vacuüm en in een 80 Pa zuurstofomgeving, wat efficiënte zichtbare emissie bereikt. Aanlaging versterkt de emissie verder, en PL-spectra onthullen dat zuurstof-gedopte silicium-nanokristallen (NK's) de zichtbare output nabij 400, 560, en 700 nm domineren, wat perspectieven opent voor silicium-gebaseerde vastestate-verlichting.

Experimenten en resultaten

Een gepulste-laser ets (PLE) systeem werd gebruikt om het ZS-oppervlak te fabriceren. De ns-laser, gefocust op een ~10 µm spot, verwerkte p-type (10 Ω·cm) silicium wafers in vacuüm (monster I) of in een 80 Pa zuurstofatmosfeer (monster II) (Fig. 1a). Een plasmatisch rooster ontstond spontaan op de ZS tijdens het PLE-proces (inset van Fig. 1a). SEM-beeldvorming (Fig. 1b) toont een hoog-absorptief oppervlak (<10% reflectantie) met een brekingsindex van ~1,88 in het zichtbare bereik, consistent met Kramers-Kronig relaties [16, 17]. TEM bevestigt de aanwezigheid van silicium NK's in de gelaagde ZS (Fig. 1c).

PL-spectra werden opgenomen onder 266-nm excitatie bij 300 K en 10–200 K in een 1 Pa kamer. Temperatuur en aanlagingstijd beïnvloeden kristallisatie kritiek. Een 1000 °C aanlaging gedurende 15 min optimaliseert zichtbare PL bij 300 K voor monster II (zuurstof) en levert sterke emissie bij 10 K voor monster I (vacuüm).

Vergelijkende analyse toont aan dat monster I een robuuste 330 nm piek vertoont bij 10 K (zwarte kromme, Fig. 2a), toeschrijfbaar aan NK-emissie, terwijl monster II een aanzienlijk verhoogde 400 nm piek toont bij 300 K (rode kromme, Fig. 2b), wat zuurstof-geïnduceerde onzuiverheidstoestanden aangeeft.

Bij ~560 nm overtreft de PL-intensiteit van monster II (rood) monster I (zwart) bij 300 K, weer wijzend op zuurstof-gerelateerde onzuiverheidstoestanden (Fig. 3).

Figuur 4a toont PL-spectra van monster I (vacuüm) bij 300 K als functie van excitatievermogen. De brede band weerspiegelt NK-grootteverspreiding. Na aanlaging bij 1000 °C verdwijnt de brede band, en duidelijke onzuiverheids-gerelateerde pieken duiken op nabij 600 nm en 700 nm (Fig. 4b).

Meest opvallend, een scherpe PL-piek met lasing bij ~600 nm verschijnt binnen een micrometer-schaal Purcell-caviteit op het ZS-oppervlak onder 514-nm excitatie (Fig. 5). De optische winst, geëxtraheerd met een variabele-strook-lengte methode, bereikt ~130 cm⁻¹.

Discussie

PL-valanalyse van Si NK's met varierende diameters onthult een duidelijke overgang van indirecte naar directe bandkloof-gedrag. Kleinere NK's (<2 nm) vertonen snelle val (<1 ns) corresponderend met directe-kloof-emissie (~400 nm en ~560 nm). Grotere NK's (>2,5 nm) tonen trage val (~µs), kenmerkend voor indirecte-kloof-emissie (~700 nm), naast snelle componenten van onzuiverheidstoestanden (Fig. 6).

Het emissiemodel (Fig. 7) bevestigt dat directe-kloof-overgangen domineren in sub-2 nm NK's, terwijl indirecte-kloof-overgangen en onzuiverheidstoestand-emissies prevaleren in grotere NK's, consistent met kwantumbeperkingstheorie.

Conclusie

Onze studie demonstreert dat ns-laser-gefabriceerde ZS zowel micro- als nano-structuren host die zichtbare-golfengte PL mogelijk maken geschikt voor LED-toepassingen. Door monsters bereid in vacuüm en in 80 Pa zuurstof te vergelijken, bevestigen we dat zuurstof-onzuiverheidstoestanden in silicium NK's verantwoordelijk zijn voor de robuuste kamertemperatuur-emissie bij 400, 560, 600, en 700 nm, terwijl de 330 nm piek bij 10 K voortkomt uit NK-luminescentie. Deze resultaten banen een nieuwe weg naar silicium-gebaseerde zichtbare lichtbronnen en witlicht-apparaten.

Methoden

Fotoluminescentie meting

PL-spectra werden opgenomen onder 266 of 488-nm excitatie bij 300 K en 17–200 K in een 1 Pa kamer. Scherpe pieken met gestimuleerde emissie en directe-kloof-karakteristieken werden waargenomen. Een lasing-piek nabij 600 nm op de ZS, bereikt na aanlaging, gekwantificeerd door de variabele-strook-lengte methode, wat een optische winst van ~130 cm⁻¹ opleverde. PL-valspectra bij 400, 560, en 700 nm werden gemeten met ps-gepulste 266-nm excitatie.