Світловипромінююча структура

Реферат: Винахід належить до технологій виготовлення світловипромінюючих елементів на основі кремнієвої матриці з макропорами і може бути використаний при розробці джерел світла для кремнієвої мікрофотоніки та інтегральних кремнієвих нанофотонних схем. Світловипромінююча структура створена на основі кремнієвої матриці з макропорами у вигляді паралельно розташованих циліндрів, на поверхні яких міститься світловипромінюючий шар нанокристалів. Згідно з винаходом, світловипромінюючий шар виконаний з нанокристалів CdS в поліетиленіміні, який нанесено на додатковий шар SiO2 товщиною 10÷20 нм. Винахід забезпечує збільшення квантового виходу фотолюмінесценції світловипромінюючої структури шляхом зниження безвипромінювальної рекомбінації світловипромінюючих елементів при підвищенні міцності структури та зниженні деградації поверхні. UA 110543 C2 (12) UA 110543 C2 UA 110543 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонований винахід належить до технологій виготовлення світловипромінюючих елементів на основі кремнієвої матриці з макропорами, на поверхні яких міститься світловипромінюючий шар нанокристалів, і може бути використаний при розробці джерел "білого" світла, повністю неорганічних багатобарвних світлодіодів, хвилеводних підсилювачів і лазерів для кремнієвої мікрофотоніки та майбутніх інтегральних кремнієвих нанофотонних схем для систем зв'язку, на транспорті, в медицині та промисловості. Модифікація макропористого кремнію функціональними нанопокриттями дозволяє одержати мільярд вбудованих функціональних каналів, які мають великий потенціал для проектування мікронних функціональних оптичних компонентів в мікропристроях. Для цілей кремнієвої мікрофотоніки як матриця для світловипромінюючих нанопокриттів використовуються як монокристалічні, так і структуровані кремнієві підкладки. Так, було проведено легування кремнієвої монокристалічної підкладки та структури макропористого кремнію рідкоземельними елементами для одержання фотолюмінесценції в області 1,5 мкм [1]. + Тривалентний ербій, Еr3 , представляє інтерес завдяки оптичному переходу 1,53 мкм, який збігається з максимумом пропускання оксиду кремнію. Таким чином, кремнієві мікроструктури в поєднанні з функціональністю Еr: LiNbO3 є потенційними компонентами для комплексних оптоелектронних пристроїв. Недоліком відомих кремнієвих структур з світловипромінюючим нанопокриттям є низький квантовий вихід фотолюмінесценції внаслідок високої безвипромінювальної рекомбінації у світловипромінюючих шарах. Наприклад, відома кремнієва структура макропористого кремнію з випромінюючим шаром нанокристалів кремнію, імплантованих Еr [2]. Нанокристали кремнію були отримані шляхом високотемпературного відпалу нестехіометричних тонких плівок SiOx з подальшою імплантацією Еr. Досліджено механізм взаємодії між іонами Еr і нанокристалів Si. Кількість іонів Еr в нанокристалах Si суттєво впливає на властивості системи. Одержані зразки випромінюють на довжинах хвиль 1,54 і 0,98 мкм при кімнатній температурі, квантовий вихід фотолюмінесценції складає кілька процентів. Структура не захищена покриттям, тому не є міцною і стабільною. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним за прототип, є світловипромінююча структура на основі кремнієвої матриці з макропорами у вигляді паралельно розташованих циліндрів, на поверхні яких міститься світловипроміюючий шар нанокристалів мікропористого кремнію [3]. На структурах макропористого кремнію з шаром мікропористого кремнію товщиною 100÷700 нм була виміряна фотолюмінесценція в порівняно широкій спектральній області 550÷700 з квантовим виходом порядку 1 %. Недоліком таких структур є низька квантова ефективність за рахунок безвипромінювальної рекомбінації у світловипромінюючих шарах, недостатня міцність та високий рівень деградації поверхні. Задачею запропонованого винаходу є збільшення квантового виходу фотолюмінесценціі світловипромінюючої структури шляхом зниження безвипромінювальної рекомбінації світловипромінюючих елементів при підвищенні міцності структури та зниженні деградації поверхні. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що використовується світловипромінююча структура на основі макропористого кремнію з нанопокриттям SiO2 та шаром нанокристалів CdS в поліетиленіміні при освітленні світлом довжиною хвиля 360 нм. Світловипромінюючий елемент був виготовлений з монокристалічного кремнію з періодичним розташуванням паралельно розташованих повітряних циліндрів. Для цього буввикористаний монокристалічний кремній n-типу провідності з питомим опором 5 Ом·см і орієнтацією поверхні . Були виготовлені кремнієві матриці з паралельно розташованими повітряними циліндрами діаметром 2÷4 мкм, глибиною 40÷120 мкм та відстанню між макропорами 4÷8 мкм. В результаті термічного окислення кремнієвої структури було сформовано поверхневе покриття оксиду кремнію товщиною d=10÷20 нм. Наночастинки CdS розміром 1,8÷2 нм були осаджені на структури з шаром оксиду кремнію з колоїдного розчину в поліетиленіміні. Фотолюмінесценція була виміряна в діапазоні довжин хвиль 400÷680 нм. При цьому максимальний квантовий вихід фотолюмінесценції був виміряний при максимальній напруженості електричного поля на границі 4 Si-SiO2, яка дорівнює 6,810 В/см. На кресл. наведена схема світловипромінюючої структури: 1 - напрямок падіння збуджуючого світла; 2 - кремнієва матриця з макропорами; 3 - шар оксиду кремнію на поверхні макропор; 4 - шар нанокристалів CdS в поліетиленіміні. Світловипромінюючий елемент на кремнієвій підкладці функціонує наступним чином: падаюче світло 1 поглинається кремнієвою структурою з повітряними циліндрами 2, шаром 1 UA 110543 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 оксиду кремнію 3 та поверхневим шаром нанокристалів CdS в поліетиленіміні 4 при енергії фотонів, яка дорівнює або перевищує ширину забороненої зони нанокристалів CdS, і збуджує фотолюмінесценцію нанокристалів CdS. Напівпровідникові нанокристали є ефективними світловипроміючими елементами. Значний 2 6 інтерес до напівпровідникових нанокристалів на основі сполук А В пов'язаний з успіхами, досягнутими колоїдною хімією у синтезі таких структур. Наші дослідження показали, що для збільшення квантового виходу фотолюмінесценціі світловипромінюючої структури шляхом зниження безвипромінювальної рекомбінації електронів у світловипромінюючих елементах при підвищенні міцності структури та зниженні деградації поверхні необхідно використовувати світловипромінюючу структуру на основі кремнієвої матриці з макропорами у вигляді паралельно розташованих циліндрів, на поверхні яких міститься світловипромінюючий шар, виконаний з нанокристалів CdS в поліетиленіміні, який нанесено на додатковий шар SiO2 товщиною 10÷20 нм. Це підтверджується наступними результатами. - Нами виявлено, що для макропористого кремнію з запропонованим додатковим шаром SiO2 резонансне розсіяння електронів з 1~Е перетворюється на звичайне розсіювання 3/2 3/2 електронів на іонізованих домішках з 2~Е . Перехід від 1~Е до 2~Е свідчить про те, що електрони відхиляються від розсіяння під прямим кутом у випадку розсіяння електронів на іонізованих домішках в умовах формування поверхневих багатофононних поляритонів, що збільшує потік електронів з кремнієвої матриці у напрямку шару нанокристалів CdS в поліетиленіміні, що зменшує безвипромінювальну рекомбінацію електронів на границі нанокристалів CdS в поліетиленіміні з додатковим шаром SiO2 і збільшує квантовий вихід фотолюмінесценціі світловипромінюючої структури. - Нами встановлено, що збільшення квантового виходу фотолюмінесценції було одержано при товщинах SiO2, 10÷20 нм, при яких виміряна максимальна напруженість електричного поля на границі Si-SiO2; при цьому зростає час перебування електронів на границі Si-SiO2, що також суттєво знижує швидкість безвипромінювальної рекомбінації на границі нанокристалів CdS з SiO2 і збільшує квантовий вихід фотолюмінесценції світловипромінюючої структури. - Квантовий вихід фотолюмінесценції збільшується через 7÷14 днів після виготовлення зразків у 3÷4 рази, що пов'язане з випаровуванням молекул води з шару CdS в поліетиленіміні. При подальшому зберіганні зразків спектри фотолюмінесценції та значення квантового виходу фотолюмінесценції майже не змінюються. - Нами запропонована кремнієва матриця з повітряними циліндрами та нанопокриттям SiO2 і нанокристалів CdS з використанням дешевих технологій синтезу колоїдних напівпровідникових нанокристалів, формування структур макропористого кремнію та виготовлення світловипромінюючих елементів на основі системи "макропористий кремній - нанопокриття". - Наші дослідження показали, що використання нанопокриття поліетиленіміну з нанокристалами CdS зберігає поверхню повітряних циліндрів від деградації, а використання шару SiO2 не тільки знижує безвипромінювальну рекомбінацію, але й зміцнює структуру. Позитивний ефект запропонованого винаходу обумовлений тим, що одночасно: - реалізується збільшення квантового виходу фотолюмінесценції порівняно з прототипом завдяки зниженню безвипромінювальної рекомбінації на границі "CdS-SiO2/Si" в умовах (і) максимальної напруженості електричного поля на границі Si-SiO2; (ii) збільшення потоку електронів з кремнієвої матриці у напрямку до нанокристалів CdS та (ііі) росту часу перебування електронів на границі Si-SiO2; - підвищується міцність структури, захищається від деградації поверхня. Новітність запропонованого рішення обумовлена тим, що наші дослідження світловипромінюючого елемента, до яких належить кремнієва матриця з повітряними циліндрами та з світловипромінюючим нанопокриттям, дозволили встановити умови підвищення квантового виходу фотолюмінесценції шляхом зниження безвипромінювальної рекомбінації світловипромінюючих елементів при зменшенні деградації і підвищенні міцності структури. Приклад. Експериментальні оцінки фотолюмінесценції були проведені для структури макропористого кремнію з нанопокриттям SiO2 та шаром нанокристалів CdS в поліетиленіміні при освітленні світлом з довжиною хвилі 360 нм. Світловипромінюючий елемент був виготовлений з монокристалічного кремнію з періодичним розташуванням паралельно розташованих повітряних циліндрів. Для цього був використаний монокристалічний кремній n-типу провідності з питомим опором 5 Ом·см і орієнтацією поверхні . Були виготовлені кремнієві матриці з паралельно розташованими повітряними циліндрами діаметром 3 мкм, глибиною 80 мкм та 2 UA 110543 C2 5 10 15 20 відстанню між макропорами 6 мкм. В результаті термічного окислення кремнієвої структури було сформовано поверхневе покриття оксиду кремнію товщиною 10 нм. Наночастинки CdS розміром 2 нм були осаджені на структури з шаром оксиду кремнію з колоїдного розчину в поліетиленіміні і утворили шар нанокристалів CdS товщиною 30 нм. Фотолюмінесценція була виміряна в діапазоні довжин хвиль 400÷680 нм. При цьому квантовий вихід фотолюмінесценції складав 12 % в умовах максимальної напруженості електричного поля на границі Si-SiO2, яка 4 дорівнює 6,810 В/см. Інтенсивність максимуму спектру фотолюмінесценції через 14 днів збільшується в 6 разів, що пов'язане з випаровуванням молекул води з шару CdS в поліетиленіміні. При подальшому зберіганні зразка спектр фотолюмінесценції та квантовий вихід фотолюмінесценції майже не змінюються. Таким чином, з часом структура захищається від старіння завдяки стабільності границі "CdS-SiO2/Si", а використання нанопокриття поліетиленіміну з нанокристалами CdS та шару SiO2 підвищує її міцність і при цьому суттєво збільшує величину квантового виходу фотолюмінесценції. Джерела інформації: + 1. Franzo G., Pacifici D., Vincigueraa V., Priolo F. and Iacona F. Er3 ions-Si nanocrystals interactions and their effects on the luminescence properties // Appl. Phys. Lett. - 2000 - 76 - P. 2167. 2. L. Zhao, T. Lu, M. Zacharias, J. Yu, J. Shen, H. Hofmeister, M. Steinhart, and U. Gosele, Integration of Erbium-Doped Lithium Niobate Microtubes into Ordered Macroporous Silicon // Advanced Materials – 2006 - 18(3) - P. 363-366. 3. Karachevtseva L.A. Composite silicon-based photonic crystals as light emission and sensor elements, "Frontiers in Multifunctional Nanosystems", Kluwer Academic Publishers, Netherlands. 2002, p. 413-426. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Світловипромінююча структура на основі кремнієвої матриці з макропорами у вигляді паралельно розташованих циліндрів, на поверхні яких міститься світловипромінюючий шар нанокристалів, яка відрізняється тим, що світловипромінюючий шар виконаний з нанокристалів CdS в поліетиленіміні, який нанесено на додатковий шар SiO2 товщиною 10÷20 нм. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3