Формирование нанокластеров в диэлектрической матрице


    В последние годы прошлого и первые годы нынешнего столетия было опубликовано большое количество сообщений о наблюдении фото- и электролюминесценции (ЭЛ) из nc-Si, сформированных в SiO2 матрице с помощью ионной имплантации.

    Отметим в этой связи, что в 1981 году в исследованиях радиационных дефектов, генерируемых в поликристалле Co при облучении ионами Ar с энергией 80 кэВ, с помощью просвечивающей электронной микроскопии было обнаружено формирование в матрице преципитатов Ar, размер которых составлял 20 нм. Было установлено, что отжиг при температуре 600°С приводил к увеличению размера преципитатов до 50 нм . Таким образом, в этих исследованиях была впервые продемонстрирована возможность формирования с помощью ионной имплантации нанокластеров в твердотельных мишенях.

  
    Энергетическая эффективность светодиодных структур, изготовленных в первых экспериментах по ионной имплантации, была крайне мала (0,01%). Первые обнадеживающие результаты были получены при ионной имплантации Ge в пленки SiO2 толщиной от 130 до 500 нм. Ионы Ge с энергией 70 кэВ были имплантированы в 200 нм пленку SiO2. Доза облучения варьировалась таким образом, чтобы величина максимума профиля имплантации изменялась от 0.3 до 3 ат. %. После имплантации образец подвергался быстрому термическому отжигу при температуре 1000оС в течение 30 секунд.

    Голубое свечение наблюдалось невооруженным глазом как в режиме ФЛ, так в ЭЛ, причем к.п.д. созданной структуры составлял 0.5%. Для наблюдения электролюминесценции на образец были напылены омические контакты (со стороны кремния – Al, а со стороны SiO2 - прозрачный проводящий слой In2O3). При снятии спектра фотоолюминесценции использовалось возбуждающее излучение с длиной волны 240 нм (5.17 эВ). Для наблюдения электролюминесценции использовалось внешнее электрическое поле 7.15 МВ/см. Оба спектра имеют пик в фиолетовой области на длине волны 390 нм (3.18 эВ). Несмотря на то, что спектр ЭЛ немного шире, они почти идентичны. На этом основании авторы делают вывод о схожести механизмов этих двух явлений. Основным достижением работы помимо возросшего КПД называется совместимость производственного процесса с существующей кремниевой технологией.

    Позднее исследовалась фотолюминесценция нанокластеров кремния в матрице SiO2. Ионы Si+ с энергией 55 кэВ были имплантированы в 200 нм пленку SiO2, напыленную на кремниевую подложку. Доза облучения составила 2´1016 ион/см2 (3.8 %). После имплантации образцы были подвержены термическому отжигу в атмосфере азота при температуре 1050 оС в течении 10 минут. Спектр фотолюминесценции снимался при комнатной температуре с использованием 405 нм GaN лазера с плотностью энергии накачки 5.4 мВ/мм2. Спектр выявил максимум фотолюминесценции нанокластеров кремния на 580 нм (2.1 эВ).

    Дальнейший прогресс связан с изучением SiO2, имплантированного редкоземельными элементами. Яркая люминесценция зеленого цвета (максимум интенсивности 541 нм) наблюдалась при имплантации Tb. Средняя концентрация Tb в слое SiO2 составляла 2%. На оптимизированном МОП-устройстве была достигнута достаточно высокая эффективность – 16% . Распределение имплантированных атомов в слое SiO2 моделировалось с помощью программы TRIM. Образцы после имплантации были подвергнуты отжигу при температуре 800 – 1100 оС в течение 1 часа. На рисунке справа предсталена фотография матрицы 15х15 МДП устройств, имплантированных Tb. Каждая точка имеет диаметр 20 мкм, расстояние между точками 70 мкм. Каждое устройство управляется током 0,2 мкА.

                <-назад                                                                                                    далее->