Общие сведения

    Сегодня монокристаллический кремний является основным материалом микро и наноэлектроники. С ростом плотности элементов в современных микросхемах все более серьезными становятся проблемы, связанные с перегревом и задержкой сигналов. Решением указанных проблем может служить использование оптических каналов связи, интегрированных с существующей кремниевой технологией. Многообещающие перспективы в этом направлении связываются с созданием светоизлучающих устройств нового поколения. 

    Традиционно в полупроводниковой промышленности для изготовления оптоэлектронных приборов используются полупроводниковые соединения A2B6 или A3B5. Однако высокая стоимость этих материалов и проблемы совмещения с кремниевой технологией стимулировали поиск новых подходов. В последнее десятилетие в ряде зарубежных лабораторий продемонстрировано, что такие устройства могут быть созданы на основе нанокластеров с использованием квантово-размерных эффектов. Целью этих работ является создание и исследование светоизлучающих устройств, легко интегрируемых в кремниевую технологию. 

    Физические особенности кремния в ряде случаев ограничивают области его применения в оптоэлектронике в силу того, что вероятность излучательной рекомбинации в нем низка из-за существующего запрета на прямые переходы носителей. Новые подходы в создании квантово-размерных структур на кремнии позволяют преодолеть эту трудность и резко расширяют возможности его применения в оптоэлектронике. 

    Почти 20 лет назад было продемонстрировано, что наноструктурированный кремний, приготовленный с помощью электрохимического травления – так называемый пористый кремний, испускает свет в видимом диапазоне спектра . Но, как показали дальнейшие исследования, неустойчивость адсорбционного покрытия пористого кремния приводит к тому, что его светоизлучающие характеристики крайне нестабильны. Кроме того, в процессе изготовления пористого кремния не удается контролировать размеры нанокристаллов. Поэтому было предложено формировать нанокластеры кремния (nc-Si) в матрице SiO2, защищающей нанокристаллы от нежелательного воздействия окружающей среды. Опубликованы десятки работ, показывающие возможность синтеза слоев SiO2 с nc-Si, обладающими фотолюминесцентными (ФЛ) свойствами при комнатной температуре в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Кремниевые нанокластеры в матрице диоксида кремния могут формироваться, например, в процессе отжига многослойных структур, содержащих последовательно напыленные слои SiO/SiO2. Стехиометрия каждого слоя достигается изменением давления кислорода в вакуумной камере при термическом напылении SiO. Уникальность этого метода состоит в том, что за счет варьирования толщины SiO и SiO2 слоев появляется возможность независимого контроля размера и плотности нанокластеров. Для создания нанокластеров в SiO2 матрице использовались также ионная имплантация, молекулярно-пучковая эпитаксия  и другие методы. Среди разработанных методов выделяется ионная имплантация, которая обеспечивает точный контроль распределения концентрации как полупроводниковых нанокластеров, так и внедренной оптически активной примеси по толщине рабочего слоя вещества. Ввиду того, что, ионная имплантация легко совместима с существующей кремниевой технологией, данный метод считается наиболее перспективным методом изготовления фотонных полупроводниковых структур.

                                                                                                                                    далее ->