fotoluminescência em matrizes de si 3 n 4 induzida pela implantação de si f. l. bregolin¹, u. s....
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Fotoluminescência em Matrizes de SiFotoluminescência em Matrizes de Si33NN44
Induzida pela Implantação de Si Induzida pela Implantação de Si
F. L. Bregolin¹, U. S. Sias², E. C. Moreira³ e M. Behar¹
¹ IF-UFRGS² CEFET - Pelotas
³ UNIPAMPA
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SumárioSumário
1. Introdução;
2. Procedimentos Experimentais;
3. Resultados;
4. Comparação com Trabalhos Prévios;
5. Conclusões;
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IntroduçãoIntrodução• 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;
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RecombinaçãoRecombinação
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.
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NanocristaisNanocristais• Confinamento Quântico:
• Defeitos de Interface Radiativos:
≡ Ge ─ Si ≡
ncGe ─ SiO2
≡ Si ─ N ─ Si ≡
ncSi ─ Si3N4
Si
ncSi ─ SiO2
2
px
2
px
λ L
λ (Δk) λ (Δk)
≡ Ge ─ Ge ≡
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Procedimento ExperimentalProcedimento 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;
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ResultadosResultados
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Intensidade da PL em função da temperatura de Intensidade da PL em função da temperatura de recozimentorecozimento
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Intensidade da PL em função da temperatura de Intensidade da PL em função da temperatura de recozimentorecozimento
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Implantação em alta temperaturaImplantação 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!
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Intensidade da PL como função da temperatura Intensidade da PL como função da temperatura de implantaçãode implantação
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Intensidade da PL como função da temperatura Intensidade da PL como função da temperatura de implantaçãode implantação
Aumento de 20% na intensidade da PL!Aumento de 20% na intensidade da PL!
•A melhor temperatura de implantação obtida foi Ti = 200C:
Induz PL, porém com uma intensidade menor!
Induz PL, porém com uma intensidade menor!
• Implantação a quente (Ti = 475C), sem recozimento posterior:
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Intensidade da PL em função da dose de Intensidade da PL em função da dose de implantaçãoimplantação
• As doses de implantação utilizadas foram:
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 )
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 )
Não foi notado diferença (intensidade ou forma) da banda de PL.
Φ x 1017 Si/cm²com E = 170 keV, Ti = 200C e Ta = 475C
0,5
1,0
2,0
Confinamento Quântico: λ L
Defeitos de Interface Radiativos: λ (Δk)
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Discussão e ConclusõesDiscussão e Conclusões
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Discussão e ConclusõesDiscussão e Conclusões
Wang et al., Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 3474
• 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.
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Discussão e ConclusõesDiscussão 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 700CTa = 475C vs 700C Dal Negro et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 3474
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Discussão e ConclusõesDiscussão e Conclusões
Ta = 475CTa = 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;
Si
Si3N4
Si
Si3N4
Rp
Implantação: Deposição:
c(x)
x
c(x)
x
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ConclusõesConclusões 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.
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Obrigado!Obrigado!