ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ СПЕКТРІН КЕҢЕЙТУДІҢ ТИІМДІ ӘДІСІ РЕТІНДЕ КРЕМНИЙ НИТРИДІНІҢ РАДИАЦИЯЛЫҚ РЕКОМБИНАЦИЯСЫНЫҢ ӘРТҮРЛІ МЕХАНИЗМДЕРІН ЗЕРТТЕУ

Құрамында кремний бар материалдар негізінде оптикалық және электрлік функцияларды біріктіретін құрылғыларды әзірлеу — микроэлектрониканың негізгі міндеттерінің бірі. Химиялық тұндыру күшейтілген плазмалық синтез арқылы газ фазасынан және одан кейінгі күйдіруден артық кремниймен де, артық азотпен де байытылған кремний нитридінің үлгілері алынды. Si-H және N-H байланыстарының жоғары концентрациясы күйдіру алдындағы үлгілерде Раман спектроскопиясы әдісімен анықталды. Трансмиссиялық электронды микроскопия арқылы кремний нитридінен басқа, үлгі матрицасында кремний кластерлерінің пайда болатыны анықталды. Фотолюминесценция спектрлері әртүрлі газ атмосфераларында күйдіру кезінде үлгілердің екі түрі үшін де айтарлықтай өзгерістер көрсетті. Синтезден кейін 1100 °C температурада үлгілерді термиялық өңдеу PL спектрінің жоғалуына әкелді, ал 800 °C температурада күйдіргеннен кейін фотолюминесценцияның қарқындылығы жоғарылады. Фотолюминесценцияның ең жоғары қарқындылығы ауа атмосферасында күйдірілгеннен кейін байқалды, ал азот атмосферасында ең төменгі қарқындылық анықталды. N-орталықтардың рекомбинациялық процестерге қатысуы электронды парамагниттік резонанс әдісімен расталды. Фотолюминесценцияға және зарядтың жиналуына әкелетін бөлшектердің өзара әрекеттесуінің әртүрлі механизмдері қарастырылды. Осылайша, әртүрлі спектрлік диапазондарда басқарылатын люминесценттік қасиеттерді алу үшін кремний нитриді қабаттарын синтездеу және күйдіру шарттары таңдалады.

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.