Причина того, что не удавалось создать кремниевые оптоэлектронные устройства, проста: кремний - непрямозонный полупроводник (абсолютные минимумы зоны проводимости и валентной зоны находятся в разных точках импульсного пространства), а такие вещества характеризуются низкой эффективностью излучательной рекомбинации. Дело в том, что в непрямозонных полупроводниках в процессе рекомбинации электрона и дырки с образованием фотона (импульс которого в данных уловиях можно считать пренебрежимо малым) необходимо участие дополнительной квазичастицы частицы - фонона, который “берет на себя” разницу в импульсах электрона и дырки. Это приводит к существенному (на несколько порядков по сравнению с прямозонными полупроводниками) увеличению характерного времени излучательного перехода.
Кроме излучательного способа рекомбинации, электрон и дырка могут рекомбинировать также безызлучательно (без рождения фотона). При безызлучательной рекомбинации электрон- дырочная пара должна передать кристаллической решетке энергию, примерно равную ширине запрещенной зоны. Характерные энергии квантов колебаний кристаллической решетки (фононов) в десятки раз меньше ширины запрещенной зоны, поэтому непосредственная передача энергии решетке путем одновременного испускания множества фононов крайне маловероятна. Осуществить передачу энергии решетке “помогают” центры безызлучательной рекомбинации (дефекты кристаллической решетки, примеси).
Для нужд микроэлектроники давно налажено промышленное производство высококачественного кремния. Однако характерные времена излучательной рекомбинации достаточно велики, чтобы даже в высокочистом, малодефектном материале электрон и дырка успели найти дефект и рекомбинировать безызлучательно (по пословице “свинья грязь найдет”). В последнее десятилетие предпринимались значительные усилия с целью каким-либо образом обойти принципиальные трудности. Чтобы заставить кремний светиться (в видимом или инфракрасном диапазоне) при комнатной температуре, было испробовано множество вариантов структур “с участием” кремния - пористый кремний, наночастицы кремния в матрице диоксида кремния, сверхрешетки кремний/диоксид кремния, структуры кремний/германий и т.д. Однако получение структур, обладающих устойчивой электролюминесценцией при комнатной температуре в течение долгого времени оставалось несбыточной мечтой тысяч исследователей. И вот кремний покорился ученым из университета Суррея [1]. Им удалось не только создать работающий при комнатной температуре светодиод, эффективность работы которого (сразу, без оптимизации!) сопоставима с эффективностью существующих коммерческих светодиодов. Им удалось предложить технологию создания кремниевых светодиодов, совместимую с существующей технологией изготовления СБИС (сверхбольших интегральных схем). А что может быть для инженера-производственника лучше, чем родной кремний и родная технология? С учетом того, что предложенный подход может быть применен к другим непрямозонным полупроводникам и соединениям с участием кремния (что позволит “покрыть” диапазон от ближнего инфракрасного практически до ультрафиолета), у данного направления есть неплохие шансы выиграть в борьбе за рынок светоизлучающих приборов для оптоволоконной связи у гетероструктур с ( квантовыми точками ) на основе иных полупроводниковых соединений.
 Рис.1. Вольт-амперная характеристика диода. На вставке схематично изображен сам прибор, серые эллипсы - массив петель дислокаций (он расположен параллельно p-n переходу примерно в 100 нм от него). Характерный диаметр петли - 100 нм, соседние петли разделены приблизительно 20 нм. |
Каким же образом англичане перехитрили природу? Добиться того, чтобы электрон и дырка рекомбинировали излучательно, можно, если не дать им дойти до дефекта. Как? Заперев их в ограниченной области пространства. В кремниевую подложку n-типа производилась имплантация бора, при этом, во-первых, осуществлялось легирование бором (чтобы получить p-n переход), и, во-вторых, в при имплантации возникали дефекты кристаллической решетки. Казалось бы, последнее - нежелательный эффект, но не все так просто, случается, что вроде бы нежелательные обстоятельства можно обратить в свою пользу. После имплантации производился двадцатиминутный отжиг в атмосфере азота при температуре 1000 С, в результате чего возникал более-менее упорядоченный массив из петель дислокаций (дислокации - один из видов протяженных дефектов кристаллической решекти) - рис.1. Дислокация искажает кристаллическую решетку и, соответственно, является источником локальных напряжений (также - и петля дислокаций). Напряжения, в свою очередь, влияют на электронный спектр (происходит локальное изменение ширины запрещенной зоны). В результате образуются локальные “ямы” для носителей заряда, т.е. происходит их локализация, причем, во всех направлениях. Что и требовалось обеспечить. И в отсутствие дефектов (и при невозможности до них “добраться”) “заарканенным” носителям не остается другого пути, кроме излучательной рекомбинации (рис.2).
 Рис.2. Спектры электролюминесценции структуры при температурах от 80 до 300 К. |
1. Wai Lek NG, M. A. Lourenco, R. M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, and K. P. Homewood. Nature, v.410, 192 (2001).