Figura 1. Espectro de luminescência relacionada ao deslocamento do silício auto-implantado a 77 K (a) e sua dependência da temperatura (b) após dopagem com boro. A inserção mostra uma imagem TEM da camada emissora de luz dopada com boro. Crédito:Universidade Lobachevsky
O silício é o principal material da engenharia eletrônica. Todas as tecnologias de informação e computação que desempenham um papel fundamental na civilização moderna são baseadas em silício:computadores, comunicações, astronáutica, biomedicina, robótica e muito mais.
De acordo com Alexey Mikhaylov, Chefe do laboratório do Instituto de Pesquisa de Física e Tecnologia da Universidade Lobachevsky, o principal obstáculo no caminho para aumentar a velocidade dos circuitos integrados é a velocidade limitada de propagação do sinal elétrico na fiação de interconexão de metal. "Isso requer a substituição de interconexões de metal por guias de ondas ópticas e, portanto, a transição da eletrônica tradicional para a optoeletrônica, onde os elementos ativos são emissores e receptores de luz, em vez de transistores, "diz Alexey Mikhaylov.
O silício apresenta desempenho satisfatório como receptor de luz, mas, ao contrário dos semicondutores A3B5, é um emissor de luz fraco por causa de um bandgap indireto desse semicondutor. Essa característica de sua estrutura eletrônica, de acordo com as leis da mecânica quântica, estritamente falando, proíbe a emissão de luz (luminescência) sob excitação externa.
"Seria muito indesejável recusar o silício em um novo estágio, já que teríamos que abandonar a tecnologia perfeitamente desenvolvida para a produção em massa de circuitos integrados. Isso envolveria enormes custos de material, para não mencionar os problemas ambientais que surgem ao trabalhar com materiais A3B5, "afirma o professor David Tetelbaum, Pesquisador líder da Universidade Lobachevsky.
Os cientistas estão tentando encontrar uma saída para esta situação usando silício nanocristalino, ou revestindo silício com películas de outros materiais emissores de luz. Contudo, a emissividade (eficiência de luminescência) dos nanocristais de silício ainda é insuficiente para aplicações práticas.
Além do mais, nanocristais de silício emitem na área na borda "vermelha" da radiação visível, enquanto muitas aplicações técnicas, em particular na tecnologia de comunicação de fibra óptica, requerem comprimentos de onda mais longos (cerca de 1,5 μm). O uso de camadas de material "estranho" em substratos de silício, Contudo, é pouco compatível com a tecnologia de silício tradicional.
Figura 2. Diagrama dos níveis de energia usados na descrição teórica da dependência da luminescência relacionada ao deslocamento com a temperatura. Crédito:Universidade Lobachevsky
Uma maneira eficaz de resolver esse problema é introduzir no silício um tipo especial de defeito linear conhecido como luxações. Os pesquisadores chegaram à conclusão de que uma alta concentração de deslocamentos pode ser alcançada na camada superficial de silício irradiando-a com íons de silício com energia da ordem de cem keV e depois recozendo-a em altas temperaturas. Nesse caso, o silício emite luz exatamente no comprimento de onda certo - perto de 1,5 μm.
"A intensidade da luminescência parece depender das condições de implantação e recozimento. No entanto, o principal problema com a luminescência relacionada ao deslocamento é que ela é mais pronunciada em baixas temperaturas (abaixo de ~ 25 K) e decai rapidamente com o aumento da temperatura. Portanto, é muito importante encontrar maneiras de aumentar a estabilidade térmica da luminescência relacionada ao deslocamento, "continua Alexey Mikhaylov.
Cientistas da Universidade Lobachevsky, juntamente com seus colegas do Instituto RAS de Física do Estado Sólido (Chernogolovka) e da Universidade Técnica do Estado de Alekseev (Nizhny Novgorod), fizeram avanços significativos na resolução deste problema com o apoio da Fundação Russa para Pesquisa Básica (bolsa nº 17-02-01070).
Anteriormente, descobriu-se que uma maneira de obter fotoluminescência relacionada ao deslocamento em amostras de silício é implantar íons de silício no silício (auto-implantação) com recozimento subsequente. Isso provou não ser o único benefício da tecnologia de implantação, quando a equipe da Universidade Lobachevsky descobriu que o doping adicional com íons de boro pode aumentar a luminescência. Contudo, o fenômeno das propriedades de luminescência aumentadas por si só não resolve o problema principal. Além disso, não ficou claro como o doping de íon de boro afeta a estabilidade térmica da luminescência, que é um parâmetro importante, e sob quais condições (se houver) tal efeito será mais pronunciado.
Neste estudo, os cientistas confirmaram experimentalmente o aumento da estabilidade térmica do silício dopado com íons de boro. Além disso, o efeito é não monotonicamente dependente da dose de boro, e em um certo intervalo de doses, um segundo máximo pronunciado na região de 90 a 100 K aparece na curva de intensidade versus temperatura, junto com o máximo usual de baixa temperatura na região de 20 K.
"É importante notar que o efeito" benéfico "do boro é único no sentido de que a substituição dos íons de boro por outra impureza aceitadora não leva ao efeito descrito acima. Após o refinamento dos modos de dopagem com íons de boro e tratamento térmico de amostras de silício onde os centros de luminescência relacionada ao deslocamento foram formados por irradiação com íons de silício, descobrimos que com a dose mais alta usada anteriormente de íons de boro e um tratamento térmico adicional a 830 ° C, é possível atingir um nível mensurável de luminescência à temperatura ambiente, "conclui o professor Tetelbaum.
Os resultados obtidos durante a otimização das condições de implantação e tratamento térmico iluminam as perspectivas de aplicação do silício em optoeletrônica.
