ns-Laser로 준비된 검은색 실리콘에서 산소 및 가시 방출로 도핑된 나노결정의 전자 상태

실험 및 결과

펄스 레이저 에칭(PLE) 장치는 BS 표면 구조를 제조하는 데 사용되며, ns-레이저의 스폿 직경은 약 10μm이며 진공에서 10Ωcm인 P형 기판의 실리콘 웨이퍼(샘플 I) 또는 그림 1a와 같이 80Pa(샘플 II)의 산소 환경에서 흥미롭게도 그림 1a의 삽입도에서 볼 수 있듯이 PLE 프로세스에서 BS 표면에 플라즈몬 격자 구조가 발생합니다. 그림 1b의 SEM 이미지는 어닐링 후 ns-레이저에 의해 준비된 BS 표면 구조를 보여줍니다. 여기서 반사율은 10% 미만이고 SiO₂의 가시 범위에서 굴절률은 약 1.88입니다. 표면. 이러한 실험 결과는 K-K 관계[16, 17]와 일치합니다. 그림 1c의 TEM 이미지에서 볼 수 있듯이 ns-laser로 열처리된 BS에서 실리콘 나노결정이 발생한다.

아 BS 구조를 제작하는 데 사용되는 PLE 장치의 구조 묘사. ㄴ 열처리 후 ns-레이저에 의해 준비된 BS 표면 구조의 SEM 이미지. ㄷ 열처리 후 ns-레이저로 제조된 BS의 나노실리콘 TEM 이미지

샘플의 PL 스펙트럼은 1Pa의 샘플 챔버에서 실온(300K) 및 더 낮은 온도(10~200K)에서 266nm 여기 레이저로 측정됩니다.

BS에서 어닐링하는 온도와 시간은 결정화 과정으로 인해 중요하다는 점에 유의해야 합니다. 1000°C에서의 어닐링은 진공에서 준비된 BS(샘플 I)에서 10K로 측정된 PL 스펙트럼의 가시광 방출에 적합하고 최적의 어닐링 시간은 PL 스펙트럼의 가시광선 방출에 대한 1000°C에서 약 15분입니다. 80 Pa의 산소에서 준비된 BS에서 실온에서 측정했습니다(샘플 II).

서로 다른 온도에서 PL 스펙트럼을 분석할 때 진공에서 준비한 샘플 I과 80Pa의 산소에서 준비한 샘플 II를 비교하는 것은 매우 흥미로운 일입니다.

10K에서 측정한 330nm 부근의 단파장에서 진공에서 제조된 시료 I의 피크 강도가 나노결정 방출에 기인할 수 있는 도 2a의 흑색 곡선과 함께 도시된 바와 같이 더 강함을 상세하게 나타내었지만, PL은 80Pa의 산소에서 준비한 샘플 II에서 실온에서 측정한 400nm 부근의 장파장 강도는 그림 2b의 빨간색 곡선과 함께 표시된 것처럼 분명히 향상되었습니다.

아 샘플 I에서 더 낮은 온도에서 측정된 300~500nm의 PL 스펙트럼(검은색 곡선 ) 및 샘플 II(빨간색 곡선 ). ㄴ 샘플 I에서 실온에서 측정된 PL 스펙트럼(검은색 곡선 ) 및 샘플 II(빨간색 곡선 ), 나노 결정의 불순물 상태가 샘플 II의 더 넓은 강화된 PL 피크에서 나타납니다.

560nm 부근의 PL 스펙트럼 분석에서 샘플 II와 샘플 I을 비교하는 것이 더 흥미롭습니다. 실온에서 560nm 부근에서 측정된 PL 피크는 나노결정의 불순물 상태와 관련된 그림 3의 빨간색 곡선과 함께 80Pa의 산소에서 준비된 BS 샘플 II에서 향상되는 반면 560nm 부근의 PL 강도는 다음과 같습니다. 그림 3의 검은색 곡선과 함께 진공에서 준비한 BS 샘플에서 더 약합니다.

실온에서 측정한 560nm 부근의 PL 스펙트럼은 샘플 I(검은색 곡선 ) 및 샘플 II(빨간색 곡선 )

그림 4a는 진공에서 준비된 샘플 I에 대해 실온에서 측정된 여기 전력을 가진 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 여기서 더 넓은 PL 밴드는 BS의 나노 결정 크기 분포에서 비롯됩니다. PL 스펙트럼의 분석은 그림 4b와 같이 1000°C에서 어닐링한 후 600 및 700 nm 근처에서 불순물 상태 방출이 발생하는 반면, 나노결정의 크기 분포에서 비롯된 더 넓은 대역 방출이 분명히 사라지는 것을 보여줍니다.

아 진공에서 준비한 샘플 I에 대해 실온에서 측정된 여기 전력을 갖는 PL 스펙트럼. ㄴ 실온에서 어닐링 후 샘플 I에 대해 측정된 여기 전력이 있는 PL 스펙트럼

더 흥미롭게도, 600nm 부근에서 레이저가 발생하는 더 날카로운 PL 피크는 그림 5와 같이 514nm의 여기 레이저에서 BS의 마이크로미터 규모의 퍼셀 캐비티 구조에서 발생합니다. 그림 5a는 마이크로미터 규모의 퍼셀 캐비티 구조의 광학 이미지를 보여줍니다. 그림 5b는 적절한 어닐링 후 BS에서 600nm 부근에서 레이징하여 더 선명한 PL 피크를 보여줍니다. 여기서 다양한 스트립 길이 방법을 사용하여 측정한 광학 이득은 약 130cm ^{-1 .}

아 BS 표면에서 마이크로미터 규모의 퍼셀 공동 구조의 광학 이미지. ㄴ 514nm의 여기 레이저에서 BS 표면의 마이크로미터 규모의 Purcell 캐비티 구조에서 실온에서 측정된 600nm 부근의 레이저로 더 선명한 PL 피크

토론

다양한 직경의 Si NC에 대한 PL 붕괴 스펙트럼의 분석은 간접 갭에서 직접 갭으로의 변환이 그림 6a, b와 같이 더 작은 Si NC에서 나타남을 보여줍니다. 400 및 560nm 근처의 직접 갭 방출은 더 작은 NC(직경 <2 nm)에서 더 빠른 광자와 관련되고 간접 갭 방출은 더 큰 NC(직경> 2.5nm). 그림 6c는 더 큰 NC에서 더 느린 광자(~μs)와 불순물 상태로 인해 더 빠른 광자(~ns)를 포함하는 700nm 근처의 PL 감쇠 스펙트럼을 보여줍니다.

<그림>

아 더 빠른 광자와 함께 400nm 근처의 PL 붕괴 스펙트럼. ㄴ 더 작은 Si NC에서 더 빠른 광자(ns)로 560nm 근처의 PL 붕괴 스펙트럼. ㄷ 불순물 상태 방출과 관련된 더 빠른 광자(ns) 및 더 큰 Si NC의 느린 광자(μs)를 사용하는 700nm 근처의 PL 붕괴 스펙트럼

그림 7에서 볼 수 있듯이 이 방출 모델에서 직접 갭 방출은 더 작은 NC(직경 <2nm)에서 더 빠른 광자와 관련되고 간접 갭 방출은 더 느린 광자와 관련됩니다(포논 보조 프로세스 포함). 더 큰 NC(직경>2.5nm)에서 이는 양자 구속 효과의 에너지 상태 곡선과 함께 나타납니다.

<그림>

직접 갭 방출은 더 작은 NC(직경 <2 nm)의 더 빠른 광자와 관련되고 간접 갭 방출은 다음과 관련된 다양한 직경의 Si NC에 대한 PL 붕괴 스펙트럼 분석의 방출 모델 묘사 더 큰 NC(직경>2.5nm)에서 느린 광자(포논 보조 프로세스 포함)

결론

결론적으로 ns-laser로 제작된 BS에서 미세구조와 나노구조를 확인할 수 있었다. BS 표면 구조의 PL 스펙트럼에서 발광 피크는 LED 적용을 위한 가시 파장에서 측정되었습니다. 진공에서 준비한 BS 샘플 I과 80Pa의 산소에서 준비한 샘플 II의 PL 스펙트럼을 ns-레이저로 비교했습니다. 여기에서 가시 방출은 400, 560, 600 부근의 실온에서 측정된 가시 방출 및 700nm는 BS의 Si 나노결정에 있는 산소 불순물 상태에서 유래한 반면, 10K에서 측정된 330nm 부근의 방출은 나노결정 방출로 인한 것입니다. 가시광 LED를 실리콘 칩에 적용하기 위한 발광 소자를 확보하는 것은 새로운 길입니다.

방법

광발광 측정

샘플의 광발광(PL) 스펙트럼은 1Pa의 샘플 챔버에서 실온(300K) 및 더 낮은 온도(17~200K)에서 266 또는 488nm 여기에서 측정됩니다. PL 스펙트럼에서 자극된 더 날카로운 피크 적절한 어닐링 후 BS에서 600nm 부근에서 레이저가 발생하는 PL 피크가 광학 이득이 약 130cm인 다양한 스트립 길이 방법을 사용하여 측정되는 방출 및 직접 갭 방출 특성이 관찰되었습니다.> . 400, 560, 700nm 부근의 PL 감쇠 스펙트럼은 266nm의 ps 펄스 레이저에서 측정됩니다.

니켈 전해질에서 IV–VIB 그룹 금속의 붕소화물 및 탄화물 나노분말의 내부식성 화학 감지용 귀금속 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유