Учёным из ННГУ удалось повысить интенсивность светоизлучающих свойств кремния (Si) за счёт оптимизации синтеза гексагональной фазы 9R-Si. По результатам исследования опубликована статья в журнале Applied Physics Letters.
Предложенный метод получения нановключений гексагонального кремния — уникальная разработка нижегородских учёных. Он базируется на применении традиционной технологии микроэлектроники — ионной имплантации, которая широко применяется в промышленности для введения примесей в полупроводники при создании диодов и транзисторов.
До настоящего времени прогресс микроэлектроники — основы современных информационных технологий — базировался на производстве кремниевых интегральных схем. Сегодня, когда технологии переходят от электронных к фотонным схемам, обострился существенный недостаток кремния — его низкие светоизлучающие свойства. Однако отказ от кремния как основного материала микроэлектроники и поиск замены для него, вероятно, способны замедлить развитие технологий. Поэтому развитие светоизлучающих свойств кремния, с тем чтобы использовать его в фотонных схемах, — важная задача. Её решение позволит совершить революционный скачок в области обработки и передачи сверхбольших объёмов информации. Один из путей сохранения кремния как материала электроники будущего — его наноструктурирование, заключающееся в формировании нанокристаллов (НК) Si в широкозонных матрицах (оксидах).
Исследование учёных из ННГУ позволило выявить оптимальные режимы ионнолучевого синтеза светоизлучающих нановключений фазы 9R-Si в структурах кремний-диоксид/кремния (SiO2/Si). Образование таких включений при ионном облучении данных систем впервые было обнаружено в ННГУ несколько лет назад.
Кремний в гексагональной фазе — это не какой-то один материал. Это некоторое «семейство» кристаллов со схожей структурой, которая отличается от традиционного кремния кубической фазы своими свойствами вдоль одного из атомных направлений. Именно за счёт этого меняются как электрические, так и оптические характеристики материала. Сотрудникам Университета Лобачевского удалось разработать методику синтеза кремния со структурой 9R, когда атомы кремния расположены «девятислойниками» (с периодом в 9 атомных слоёв) вдоль выделенного направления.
Сегодня учёные доказали, что эти включения обладают лучшими излучательными свойствами по сравнению с обычным, кубическим, кремнием. Исследователи обнаружили взаимосвязи между условиями синтеза и люминесценцией полученных наноструктур и предложили механизм образования данной фазы кремния за счёт механических напряжений, возникающих в пленке SiO2 при облучении, а также напряжений, связанных с проникновением ионов и атомов отдачи из плёнки в подложку.
Как оказалось, кремний с включениями фазы 9R излучает на большей длине волны по сравнению с кубическим (кубический кремний излучает в инфракрасном диапазоне на длине волны 1130 нм, а полученный в ННГУ — на длине волны 1240 нм). При этом существенно возрастает интенсивность излучения. По предварительным оценкам авторов исследования, она увеличивается в 100 раз.
Структурные преобразования кремния происходят за счёт воздействия ионами инертного газа. Причём воздействие происходит даже не на сам кремний, а на слой кремниевого окисла толщиной около ста нанометров поверх кремния. Именно в таком случае интенсивность излучения формирующихся включений гексагонального кремния оказывается наибольшей. Учёные объясняют этот эффект двумя факторами: размером формирующихся включений и количеством радиационных дефектов в них. После всех процедур слой окисла можно аккуратно удалить, как говорят технологи, стравить. В результате получается кремний с гексагональными включениями вблизи поверхности, который может быть использован для создания схем передачи данных с использованием света.
Метод ионной имплантации является одним из базовых технологических методов в микроэлектронике. Он легко масштабируется до промышленного варианта. Авторы работы планируют внедрение предложенного подхода в технологии кремниевой фотоники. Ближайшая задача — научиться получать однородные слои и контролировать их толщину.
