레이저 가공 블랙 실리콘 위 산소 도핑 실리콘 나노결정 가시광 발광

초록

나노초 펄스 레이저(ns-레이저)를 진공 또는 산소 분위기에서 사용하여 블랙 실리콘(BS)을 제조했습니다. 어닐링 후 실온 광발광(PL) 측정에서 BS 표면으로부터 강한 가시광 발광이 관측되었습니다. 퍼셀 캐비티 구조 내 600 nm 부근 뚜렷한 레이징 피크가 나타납니다. 상세 PL 분석 결과 산소 도핑 실리콘 나노결정 전자 상태가 ~400, 560, 700 nm 독특 피크를 가진 가시광 발광 주 공급원임이 밝혀졌습니다. 이 발견은 실리콘 기반 백색광 소자 구현 가능 경로를 시사합니다.

배경

벌크 실리콘은 1.12 eV 간접 밴드갭으로 발광 효율이 낮습니다. 그러나 칩 내 효율적 실리콘 발광체 통합은 차세대 광전자공학 최우선 과제입니다. 최근 저차원 실리콘 나노구조, 특히 펄스 레이저 가공 블랙 실리콘(BS)에서 실온 가시광 발광 보고가 늘고 있습니다[1-6]. 펨토초 및 나노초 펄스 레이저 모두 실리콘 광학 특성을 극적으로 변화시키며, BS 가시광 발광이 상당한 과학적 관심 끌었으나 메커니즘은 여전히 논쟁 중입니다[13-15]. 본 연구에서는 ns-레이저로 진공과 80 Pa 산소 환경에서 BS 표면 생성하여 효율적 가시광 발광 달성. 어닐링 추가 발광 향상, PL 스펙트럼에서 산소 도핑 실리콘 나노결정(NC)이 400, 560, 700 nm 부근 가시광 출력을 지배함 확인, 실리콘 기반 고체 조명 전망 개척.

실험 및 결과

펄스 레이저 에칭(PLE) 시스템으로 BS 표면 제조. ~10 µm 스팟으로 초점 맞춘 ns-레이저가 p-타입 (10 Ω·cm) 실리콘 웨이퍼를 진공(시료 I) 또는 80 Pa 산소 분위기(시료 II)에서 가공(그림 1a). PLE 공정 중 BS에 플라즈모닉 격자 자발적 형성(그림 1a 삽입). SEM 이미지(그림 1b) 고흡수 표면(<10% 반사율), 가시광 영역 굴절률 ~1.88로 크라머스-크로니그 관계와 일치[16,17]. TEM으로 어닐링 BS 내 실리콘 NC 존재 확인(그림 1c).

PL 스펙트럼은 266-nm 여기, 300 K 및 10-200 K, 1 Pa 챔버에서 기록. 온도와 어닐링 시간이 결정화에 결정적 영향. 1000°C 15분 어닐링이 시료 II(산소) 300 K 가시광 PL 최적화, 시료 I(진공) 10 K 강한 발광 산출.

비교 분석에서 시료 I은 10 K 견고한 330 nm 피크(검정 곡선, 그림 2a) 보이며 NC 발광 기인. 시료 II는 300 K 현저히 향상된 400 nm 피크(빨강 곡선, 그림 2b) 보여 산소 유도 불순물 상태 지시.

~560 nm에서 시료 II(빨강) PL 강도 300 K 시료 I(검정) 압도, 다시 산소 관련 불순물 상태 지시(그림 3).

그림 4a는 시료 I(진공) 300 K 여기 파워 함수 PL 스펙트럼. 넓은 밴드 NC 크기 분산 반영. 1000°C 어닐링 후 넓은 밴드 사라지고 600 nm, 700 nm 부근 독특 불순물 관련 피크 출현(그림 4b).

가장 놀랍게는 514-nm 여기 하 BS 표면 마이크로미터 스케일 퍼셀 캐비티 내 ~600 nm 날카로운 PL 피크와 레이징 출현(그림 5). 가변 스트립 길이법 추출 광이득 ~130 cm⁻¹ 도달.

토론

직경 변화 Si NC PL 붕괴 분석으로 간접에서 직접 밴드갭 거동 전이 명확히 관찰. 작은 NC(<2 nm) 빠른 붕괴(<1 ns) 보여 직접 갭 발광(~400 nm, ~560 nm) 대응. 큰 NC(>2.5 nm) 느린 붕괴(~µs) 보여 간접 갭 발광(~700 nm) 특성, 불순물 상태 빠른 성분 동반(그림 6).

발광 모델(그림 7) 서브-2 nm NC 직접 갭 전이 지배, 큰 NC 간접 갭 전이와 불순물 상태 발광 우세 확인, 양자 구속 이론과 일치.

결론

본 연구는 ns-레이저 제조 BS가 마이크로 및 나노구조 보유로 LED 응용 적합 가시광 파장 PL 가능 입증. 진공과 80 Pa 산소 제조 시료 비교로 실리콘 NC 산소 불순물 상태가 400, 560, 600, 700 nm 견고 실온 발광 책임, 10 K 330 nm 피크 NC 발광 기인 확인. 이 결과는 실리콘 기반 가시광 소스와 백색광 소자 새 길 개척.

실험 방법

광발광 측정

PL 스펙트럼 266 또는 488-nm 여기, 300 K 및 17-200 K, 1 Pa 챔버 기록. 자극 방출과 직접 갭 특성 날카로운 피크 관찰. 어닐링 후 BS 상 ~600 nm 레이징 피크 가변 스트립 길이법 정량, 광이득 ~130 cm⁻¹ 산출. 400, 560, 700 nm PL 붕괴 스펙트럼 ps-펄스 266-nm 여기로 측정.