Kisel är huvudmaterialet inom elektronikteknik. All informations- och datorteknik som spelar en nyckelroll i den moderna civilisationen är baserad på kisel:datorer, kommunikation, astronautik, biomedicin, robotik och mycket mer.

Enligt Alexey Mikhaylov, Chef för laboratoriet vid Lobachevsky-universitetets forskningsinstitut för fysik och teknik, den största stötestenen på vägen mot att öka hastigheten hos integrerade kretsar är den begränsade hastigheten för elektrisk signalutbredning i metallkablar. "Detta kräver utbyte av metallförbindelser med optiska vågledare och, Således, övergången från traditionell elektronik till optoelektronik, där de aktiva elementen är ljussändare och mottagare snarare än transistorer, säger Alexey Mikhaylov.

Silicon visar tillfredsställande prestanda som ljusmottagare, men, till skillnad från A3B5-halvledare, är en dålig ljussändare på grund av ett indirekt bandgap hos denna halvledare. Denna egenskap hos dess elektroniska struktur, enligt kvantmekanikens lagar, strängt talat, förbjuder emission av ljus (luminescens) under extern excitation.

"Det skulle vara mycket oönskat att vägra från kisel i ett nytt skede, eftersom vi skulle behöva överge den perfekt utvecklade tekniken för massproduktion av integrerade kretsar. Detta skulle innebära enorma materialkostnader, för att inte tala om de miljöproblem som uppstår när man arbetar med A3B5-material, " säger professor David Tetelbaum, Ledande forskare vid Lobachevsky University.

Forskare försöker hitta en väg ut ur denna situation genom att antingen använda nanokristallint kisel, eller genom att belägga kisel med filmer av andra ljusavgivande material. Dock, emissiviteten (luminescenseffektiviteten) hos kiselnanokristaller är fortfarande otillräcklig för praktiska tillämpningar.

Förutom, kisel nanokristaller avger i området vid den "röda" kanten av synlig strålning, medan många tekniska tillämpningar, särskilt inom fiberoptisk kommunikationsteknik, kräver längre våglängder (ca 1,5 μm). Användningen av "främmande" materiallager på silikonsubstrat, dock, är dåligt kompatibel med den traditionella silikonteknologin.

Ett effektivt sätt att lösa detta problem är att införa i kisel en speciell typ av linjära defekter som kallas dislokationer. Forskare har kommit fram till att en hög koncentration av dislokationer kan uppnås i kiselytskiktet genom att bestråla det med kiseljoner med en energi i storleksordningen hundra keV och sedan glödga det vid höga temperaturer. I detta fall, kisel avger ljus med exakt rätt våglängd — nära 1,5 μm.

"Luminescensintensiteten verkar bero på implantations- och glödgningsförhållandena. huvudproblemet med dislokationsrelaterad luminescens är att den är mest uttalad vid låga temperaturer (under ~25 K) och avtar snabbt när temperaturen stiger. Därför, det är mycket viktigt att hitta sätt att öka den termiska stabiliteten för dislokationsrelaterad luminescens, " fortsätter Alexey Mikhaylov.

Forskare från Lobachevsky University tillsammans med sina kollegor från RAS Institute of Solid State Physics (Chernogolovka) och Alekseev State Technical University (Nizjny Novgorod) har gjort betydande framsteg i att lösa detta problem med stöd av den ryska stiftelsen för grundforskning (anslag nr. 17-02-01070).

Tidigare, man fann att ett sätt att uppnå dislokationsrelaterad fotoluminescens i kiselprover är att implantera kiseljoner i kisel (självimplantation) med efterföljande glödgning. Detta visade sig inte vara den enda fördelen med implantationstekniken, när teamet från Lobachevsky University upptäckte att ytterligare borjondopning kan förbättra luminescensen. Dock, fenomenet förbättrade luminescensegenskaper ensamt löser inte huvudproblemet. Dessutom, det förblev oklart hur borjondopning påverkar den termiska luminiscensstabiliteten, vilket är en nyckelparameter, och under vilka förhållanden (om några) en sådan effekt kommer att vara mest uttalad.

I den här studien, Forskare har experimentellt bekräftat ökningen av termisk stabilitet hos kisel dopat med borjoner. Dessutom, effekten är icke-monotont beroende av bordosen, och i ett visst intervall av doser, ett uttalat andra maximum i området 90 till 100 K visas på kurvan för intensitet kontra temperatur, tillsammans med det vanliga lågtemperaturmaximum i området 20 K.

"Det är viktigt att notera att den "gynnsamma" effekten av bor är unik i den meningen att ersättningen av borjoner med en annan acceptorförorening inte leder till den effekt som beskrivs ovan. Efter att ha förfinat metoderna för borjondopning och värmebehandling av kiselprover där centra för dislokationsrelaterad luminescens bildades genom bestrålning med kiseljoner, vi har funnit att med den högsta tidigare använda dosen av borjoner och en ytterligare värmebehandling vid 830°C, det är möjligt att uppnå en mätbar nivå av luminescens vid rumstemperatur, avslutar professor Tetelbaum.

Resultaten som erhålls under ytterligare optimering av implantations- och värmebehandlingsförhållandena lyser upp utsikterna för kiselapplikation i optoelektronik.