Fotoluminescência em Matrizes de Si3N4 Induzida pela Implantação de Si F. L. Bregolin¹, U. S. Sias², E. C. Moreira³ e M. Behar¹ ¹ IF-UFRGS ² CEFET - Pelotas ³ UNIPAMPA

Sumário Introdução; Procedimentos Experimentais; Resultados; Comparação com Trabalhos Prévios; Conclusões;

Introdução Motivação: Construir dispositivos optoeletrônicos. (és  fótons) Trafegam na maior velocidade possível no meio (c); Não há interferência; Multiplexar vários sinais; Não ocorre dissipação térmica; Pouquíssimas perdas por transmissão; Problema: Toda a industria da informação esta baseada no Si, e por ser um semicondutor de bandgap indireto....é um péssimo fotoemissor (em bulk)! Si-nc em SiO2: Alta temperatura de recozimento: Ta ≥ 1100C Bandgap de 8,5 eV Si-nc em Si3N4: Temperatura mais baixa de recozimento; Menor bandgap: 5,3 eV;

Recombinação Bandgap Indireto: Para conservar o momentum do cristal, é necessária a interação de outra(s) partícula(s) (ex. fônons óptico-transversais). Como estes processos são de 2ª ordem, são muito menos prováveis que a recombinação ótica direta.

Nanocristais Si Confinamento Quântico: ncSi ─ SiO2 λ  L Defeitos de Interface Radiativos: λ (Δk) λ (Δk) ncGe ─ SiO2 ≡ Si ─ N ─ Si ≡ ncSi ─ Si3N4 ≡ Ge ─ Ge ≡ ≡ Ge ─ Si ≡

Procedimento Experimental Filme de Si3N4, de 340nm, depositado sobre Si <100> por PECVD; Implantação Iônica: Φ = 0,5x1017..2,0x1017 Si/cm² com Eimp = 170keV, Timp = RT...600C Rp = 1600Å, ΔRp = 420Å, Cp = 10%; Recozimentos Isotérmicos  Formação dos nanocristais 350C..1100C, 1h: em vácuo e em atmosferas de N2, Ar, FG @0,5L/min Análise por Espectroscopia: Laser de Ar (488nm) de 10mW; Detector de Estado Sólido de Si;

Resultados

Intensidade da PL em função da temperatura de recozimento

Intensidade da PL em função da temperatura de recozimento

Implantação em alta temperatura Após a determinação da melhor temperatura de recozimento (Ta = 475C), foram realizadas implantações em alta temperatura; A faixa de temperatura de implantação a quente foi de 200C-600C; A implantação a quente favorece a nucleação dos nanocristais (sementes); Ge em SiO2 4x!

Intensidade da PL como função da temperatura de implantação

Intensidade da PL como função da temperatura de implantação A melhor temperatura de implantação obtida foi Ti = 200C: Aumento de 20% na intensidade da PL! Implantação a quente (Ti = 475C), sem recozimento posterior: Induz PL, porém com uma intensidade menor!

Intensidade da PL em função da dose de implantação As doses de implantação utilizadas foram:  Confinamento Quântico: λ  L  Defeitos de Interface Radiativos: λ (Δk) 0,5 x 1017 Si/cm² 1,0 Φ com E = 170 keV, Ti = 200C e Ta = 475C 2,0 Não foi notado diferença (intensidade ou forma) da banda de PL. Claro indício que a origem da PL é devido a defeitos radiativos da interface (Si ─N─ Si) dos ncSi/matriz. ( Em concordância com trabalhos prévios presentes na literatura )

Discussão e Conclusões

Discussão e Conclusões Até o presente, a produção de nc de Si em nitretos de silício foi obtida utilizando-se de filmes não-estequiométricos (com excesso de Si); Obtendo assim bandas de PL na faixa de 400-900nm; Além disto, Wang et al., variando a razão (γ) de nitrogênio/silano, conseguiram obter bandas de PL com comprimentos de onda diferentes. No presente trabalho, nenhuma variação dos parâmetros experimentais acarretou numa mudança na forma da banda de PL. Wang et al., Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 3474

Discussão e Conclusões Em trabalhos anteriores, as bandas de PL eram centradas na região de 400-600nm; A única exceção provém do trabalho de Dal Negro et al. Onde utilizando-se da técnica de PECVD para produzir um filme não-estequiométrico (com excesso de Si) de Si3N4 foram obter, após o recozimento de 700C, uma banda centrada em 900 nm. Principal diferença (presente trabalho vs Dal Negro): Ta = 475C vs 700C Dal Negro et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 3474

Discussão e Conclusões Ta = 475C Dinâmica de crescimento dos ncs é muito mais rápida que em outros sistemas. (em SiO2, Ta = 1100C). Implantação Iônica: Introduz o excesso de Si em uma região localizada (vs deposição). E = 170 keV  Rp = 1600 Å, Δ Rp = 420 Å; Implantação: Deposição: Si3N4 Si Si3N4 Si c(x) c(x) Rp x x

Conclusões Pela primeira vez foi utilizada a técnica de Implantação Iônica para a formação de ncs de Si em Si3N4. Menor temperatura de recozimento (Ta = 475C); Implantação em alta temperatura produz um aumento de 20% na intensidade da banda de PL, comparado com implantação a temperatura ambiente. (Ti = 200C); Atmosfera de recozimento não influi na PL (N2, Ar, FG); Dose de implantação não influi na PL: Origem da banda de PL é devida a defeitos radiativos na interface nanocristal-matriz. (Tipo Si ─ N─ Si) A implantação em alta temperatura (Ti = 475C), induz a mesma banda de PL (com menor intensidade), sem recozimento posterior.

Obrigado!