Silicium is het belangrijkste materiaal in de elektronische techniek. Alle informatie- en computertechnologieën die een sleutelrol spelen in de moderne beschaving zijn gebaseerd op silicium:computers, communicatie, ruimtevaart, biologie, robotica en nog veel meer.

Volgens Alexey Michajlov, hoofd van het laboratorium van het onderzoeksinstituut voor natuurkunde en technologie van de Lobachevsky-universiteit, het belangrijkste struikelblok op weg naar het verhogen van de snelheid van geïntegreerde schakelingen is de beperkte snelheid van elektrische signaalvoortplanting in metalen interconnectiebedrading. "Dit vereist de vervanging van metalen onderlinge verbindingen door optische golfgeleiders en, dus, de overgang van traditionele elektronica naar opto-elektronica, waarbij de actieve elementen lichtzenders en ontvangers zijn in plaats van transistors, " zegt Alexey Michajlov.

Silicium vertoont bevredigende prestaties als lichtontvanger, maar, in tegenstelling tot A3B5-halfgeleiders, is een slechte lichtzender vanwege een indirecte bandgap van deze halfgeleider. Dit kenmerk van zijn elektronische structuur, volgens de wetten van de kwantummechanica, strikt gesproken, verbiedt de emissie van licht (luminescentie) onder externe excitatie.

"Het zou zeer onwenselijk zijn om in een nieuw stadium van silicium te weigeren, omdat we de perfect ontwikkelde technologie voor massaproductie van geïntegreerde schakelingen zouden moeten opgeven. Dit zou enorme materiaalkosten met zich meebrengen, om nog maar te zwijgen van de milieuproblemen die ontstaan ​​bij het werken met A3B5-materialen, " zegt professor David Tetelbaum, Vooraanstaand onderzoeker aan de Lobachevsky-universiteit.

Wetenschappers proberen een uitweg uit deze situatie te vinden door ofwel nanokristallijn silicium te gebruiken, of door silicium te coaten met films van andere lichtemitterende materialen. Echter, de emissiviteit (luminescentie-efficiëntie) van silicium nanokristallen is nog onvoldoende voor praktische toepassingen.

Daarnaast, silicium nanokristallen emitteren in het gebied aan de "rode" rand van zichtbare straling, terwijl veel technische toepassingen, in het bijzonder op het gebied van glasvezelcommunicatietechnologie, vereisen langere golflengten (ongeveer 1,5 m). Het gebruik van "vreemde" materiaallagen op siliciumsubstraten, echter, is slecht compatibel met de traditionele siliciumtechnologie.

Een effectieve manier om dit probleem op te lossen is om in silicium een ​​speciaal type lineaire defecten te introduceren, bekend als dislocaties. Onderzoekers zijn tot de conclusie gekomen dat een hoge concentratie aan dislocaties in de oppervlaktelaag van silicium kan worden bereikt door deze te bestralen met siliciumionen met een energie in de orde van honderd keV en deze vervolgens bij hoge temperaturen uit te gloeien. In dit geval, silicium zendt licht uit met precies de juiste golflengte - bijna 1,5 m.

"De intensiteit van de luminescentie lijkt af te hangen van de implantatie- en gloeicondities. het grootste probleem met dislocatiegerelateerde luminescentie is dat deze het meest uitgesproken is bij lage temperaturen (onder ~ 25 K) en snel vervalt naarmate de temperatuur stijgt. Daarom, het is erg belangrijk om manieren te vinden om de thermische stabiliteit van dislocatiegerelateerde luminescentie te vergroten, " vervolgt Alexey Michajlov.

Lobachevsky University-wetenschappers hebben samen met hun collega's van het RAS Institute of Solid State Physics (Tsjernogolovka) en de Alekseev State Technical University (Nizhny Novgorod) aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het oplossen van dit probleem met de steun van de Russische Stichting voor Basisonderzoek (subsidie ​​nr. 17-02-01070).

Eerder, er werd gevonden dat een manier om dislocatie-gerelateerde fotoluminescentie in siliciummonsters te bereiken, is om siliciumionen in silicium te implanteren (zelfimplantatie) met daaropvolgende uitgloeiing. Dit bleek niet het enige voordeel van de implantatietechnologie te zijn, toen het team van Lobachevsky University ontdekte dat extra doping van boorionen de luminescentie kan versterken. Echter, het fenomeen van verbeterde luminescentie-eigenschappen alleen lost het hoofdprobleem niet op. Bovendien, het bleef onduidelijk hoe booriondotering de thermische stabiliteit van luminescentie beïnvloedt, wat een belangrijke parameter is, en onder welke voorwaarden (indien van toepassing) een dergelijk effect het meest uitgesproken zal zijn.

In dit onderzoek, wetenschappers hebben experimenteel de toename in thermische stabiliteit van silicium gedoteerd met boorionen bevestigd. Bovendien, het effect is niet-monotoon afhankelijk van de boordosis, en in een bepaald doseringsbereik, een uitgesproken tweede maximum in het gebied van 90 tot 100 K verschijnt op de intensiteit versus temperatuurcurve, samen met het gebruikelijke maximum bij lage temperaturen in de buurt van 20 K.

"Het is belangrijk op te merken dat het "gunstige" effect van boor uniek is in die zin dat de vervanging van boorionen door een andere acceptoronzuiverheid niet leidt tot het hierboven beschreven effect. Na verfijning van de manieren van booriondotering en warmtebehandeling van siliciummonsters waar centra van dislocatiegerelateerde luminescentie werden gevormd door bestraling met siliciumionen, we hebben gevonden dat met de hoogste voorheen gebruikte dosis boorionen en een extra warmtebehandeling bij 830° C, het is mogelijk om een ​​meetbaar niveau van luminescentie te bereiken bij kamertemperatuur, " concludeert professor Tetelbaum.

De resultaten verkregen tijdens verdere optimalisatie van de implantatie- en warmtebehandelingsomstandigheden fleuren de vooruitzichten voor siliciumtoepassing in opto-elektronica op.