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
1.
2.
3.
4.
5.
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
• Confinamento Quântico:

xp 
2
ncSi ─ SiO2
Si
λL
• Defeitos de Interface Radiativos:
λ (Δk)
λ (Δk)
ncGe ─ SiO2
≡ Ge ─ Ge ≡
≡ Ge ─ Si ≡
ncSi ─ Si3N4
≡ Si ─ N ─ 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!
#
20
350C
450C
200C
RT
10
0
250
300
350
400
450
Wavelength (nm)
500
550
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
0,5
Φ
1,0
x
1017
Si/cm²
 Defeitos de Interface Radiativos: λ (Δk)
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 nãoestequiométrico (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;
Deposição:
Si3N4
c(x)
c(x)
Implantação:
Si3N4
Si
Si
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!