ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕХАНИЗМОВ РАДИАЦИОННОЙ РЕКОМБИНАЦИИ НИТРИДА КРЕМНИЯ КАК ЭФФЕКТИВНОГО СПОСОБА РАСШИРЕНИЯ СПЕКТРА ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Разработка устройств, сочетающих оптические и электрические функции на основе кремнийсодержащих материалов, является одной из задач микроэлектроники. Путем плазменного синтеза с усиленным химическим осаждением из газовой фазы и последующего отжига были получены образцы нитрида кремния как с избытком кремния, так и с избытком азота. Высокую концентрацию связей Si-H и N-H определяли методом рамановской спектроскопии в образцах перед отжигом. С помощью просвечивающей электронной микроскопии было определено, что помимо нитрида кремния, в матрице образца образуются кластеры кремния. Спектры фотолюминесценции существенно изменялись для обоих типов образцов при отжиге в различных газовых атмосферах. Термическая обработка образцов при 1100 °С после синтеза привела к исчезновению спектра ПЛ, а после отжига при 800 °С фотолюминесценция увеличивается. Отмечено, что наибольшая интенсивность фотолюминесценции была обнаружена после отжига в воздушной атмосфере и наименьшая – в азоте. Участие N-центров в рекомбинационных процессах подтверждено методом электронного парамагнитного резонанса. Рассмотрены различные механизмы взаимодействия частиц, приводящих к фотолюминесценции и накоплению заряда. Таким образом, подобраны условия синтеза и отжига слоев нитрида кремния для получения управляемых люминесцентных свойств в различных спектральных диапазонах.

1. Pavesi L. Will silicon be the photonic material of the third millenium? Journal of Physics: Condensed Matter, 2003, vol. 15, no. 26, pp. 1169–1196. https://doi.org/10.1088/0953-8984/15/26/201.

2. Pavesi L. Routes toward silicon-based lasers. Materials Today, 2005, vol. 8, no. 1, pp. 18–25. https://doi.org/10.1016/s1369-7021(04)00675-3.

3. Liao W., Zeng X., Yao W., & Wen X. Photoluminescence and carrier transport mechanisms of siliconrich silicon nitride light emitting device. Applied Surface Science, 2015, no. 351, pp. 1053–1059. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.06.050.

4. Lin G.-R., Pai Y.-H., Lin C.-T., Chen C.-C. Comparison on the electroluminescence of Si-rich SiNx and SiOx based light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 2010, vol. 96, no. 26, p. 263514. https://doi.org/10.1063/1.3459144.

5. Green W.M., Rooks M.J., Sekaric L., Vlasov Y.A. Ultra-compact, low RF power, 10 Gb/s silicon MachZehnder modulator. Optics Express, 2007, vol. 15, no. 25, p. 17106. https://doi.org/10.1364/oe.15.017106.

6. Michel J., Liu J., Kimerling L. C. High-performance Ge-on-Si photodetectors. Nature Photonics, 2010, vol. 4, no. 8, pp. 527–534. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.157.

7. Canham L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers. Applied Physics Letters, 1990, vol. 57, no. 10, pp. 1046–1048. https://doi.org/10.1063/1.103561.

8. Lockwood D.J., Pavesi L. Silicon photonics; Springer: Berlin, Germany, 2004, 398 p. https://doi.org/10.1007/b11504.

9. Myers P., Sailor M., J. Porous Silicon in Practice. Preparation, Characterization and Applications; Chromatographia, 2013, 721. doi:10.1007/s10337-013-2453-3.

10. Komarov F., Vlasukova L., Parkhomenko, I., Milchanin, O., Mudryi, A., Togambaeva, A., Korolik, O. Raman study of light-emitting SiNx films grown on Si by low-pressure chemical vapor deposition. Thin Solid Films, 2015, vol. 579, pp. 110–115. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.03.003.

11. Adams A.C., Alexander F.B., Capio C.D., & Smith T.E. Characterization of plasma- deposited silicon dioxide. Journal of the Electrochemical Society, 1981, vol. 128, no. 7, pp. 1545. https://doi.org/10.1149/1.2127680.

12. Kistner J., Chen X., Weng Y., Strunk H.P., Schubert M.B., Werner J.H. Photoluminescence from silicon nitride–no quantum effect. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 110, no. 2, p. 023520. https://doi.org/10.1063/1.3607975.

13. Novikov Y.N., & Gritsenko V.A. Charge transport mechanism and amphoteric nature of traps in amorphous silicon nitride. Journal of Non-Crystalline Solids, 2020, vol. 544, p. 120186. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120186.

14. Gritsenko V.A., Perevalov T.V., Orlov O.M., Krasnikov G.Ya. Nature of traps responsible for the memory effect in silicon nitride, Appl. Phys. Lett, 2016, 109, p. 062904. https://doi.org/10.1063/1.4959830.

15. Kang G., Lee D., Lee K., Kim J., Han S. First-principles study on the negative-U behavior of K centers in amorphous Si3N4−x, Phys. Rev. Appl., 2018, 10, 064052 https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.064052.

16. Wang J., Long Y. On-chip silicon photonic signaling and processing: a review. Science Bulletin, 2018, vol. 63, no. 19, pp. 1267–1310. https://doi.org/10.1016/j. scib.2018.05.038.

17. Nikitin A.A. et.al. Carrier-induced optical bistability in the silicon microring resonators under continuous wave pumping. Optics Communications, 2021, vol. 480, p. 126456. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126456.

18. Nikitin A.A. et.al. Optical bistable SOI micro-ring resonators for memory applications. Optics Communication, 2022, vol. 511, p. 127929. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2022.127929.

19. Smit M. et. al. An introduction to InP-based generic integration technology. Semiconductor Science and Technology, 2014, vol. 29, no. 8, p. 083001. https://doi.org/10.1088/0268-1242/29/8/083001.

20. Blumenthal D.J. et al. Silicon nitride in silicon photonics. Proceedings of the IEEE, 2018, vol. 106, no. 12, pp. 2209–2231. https://doi.org/10.1109/JPROC.2018.2861576.

21. Roeloffzen C.G. et al. Low-loss Si3 N4 TriPleX optical waveguides: Technology and applications overview. IEEE journal of selected topics in quantum electronics, 2018, vol. 24, no. 4, pp. 1–21. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2018.2793945.

22. Wang L. et al. Nonlinear silicon nitride waveguides based on a PECVD deposition platform. Optics express, 2018, vol. 26, no. 8, pp. 9645–9654. https://doi.org/10.1364/OE.26.009645.

23. Ji X. et al. Methods to achieve ultra-high quality factor silicon nitride resonators. APL Photonics, 2021, vol. 6, no. 7, p. 071101. https://doi.org/10.1063/5.0057881.

24. Moss D.J. et al. New CMOS-compatible platforms based on silicon nitride and Hydex for nonlinear optics. Nature photonics, 2013, vol. 7, no. 8, pp. 597–607. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.183.