激光制备黑硅上氧掺杂硅纳米晶的可见光发射

摘要

我们利用纳秒脉冲激光（ns激光）在真空或氧气氛中制备黑硅（BS）。值得注意的是，室温光致发光（PL）测量显示退火后BS表面呈现强烈可见光发射。普尔塞尔腔结构中出现近600 nm显著激光峰。详细PL分析表明氧掺杂硅纳米晶电子态是可见光发射主要来源，在~400、560、700 nm处呈现明显峰值。这些发现提示了一条通往硅基白光器件的可行路径。

背景

体硅因1.12 eV间接带隙表现出差劲发光效率。然而，将高效硅发光器集成芯片仍是下一代光电子学首要任务。近年研究报道低维硅纳米结构（特别是脉冲激光加工产生的黑硅BS）室温可见光发射[1–6]。飞秒和纳秒脉冲激光显著改变硅光学性质，BS可见光发射引起广泛科学兴趣，但机制仍存争议[13–15]。本工作利用ns激光在真空和80 Pa氧气环境中制备BS表面，实现高效可见光发射。退火进一步增强发射，PL谱揭示氧掺杂硅纳米晶（NCs）主导400、560、700 nm附近可见光输出，为硅基固态照明开辟前景。

实验与结果

脉冲激光蚀刻（PLE）系统制备BS表面。ns激光聚焦至~10 µm光斑，处理p型（10 Ω·cm）硅片于真空（样品I）或80 Pa氧气氛（样品II）（图1a）。PLE过程中BS表面自发形成等离子体晶格（图1a插图）。SEM成像（图1b）显示高吸收表面（<10%反射率），可见光范围折射率~1.88，符合Kramers-Kronig关系[16,17]。TEM确证退火BS中存在硅NCs（图1c）。

PL光谱在266 nm激发下于300 K和10–200 K、1 Pa腔体记录。温度和退火时间关键影响结晶。1000 °C退火15 min优化样品II（氧气）300 K可见PL，样品I（真空）10 K得强发射。

对比分析显示样品I在10 K呈现稳健330 nm峰（黑曲线，图2a），归因于NC发射；样品II在300 K显示显著增强400 nm峰（红曲线，图2b），指示氧诱导杂质态。

~560 nm处样品II（红）PL强度300 K下超越样品I（黑），再次指向氧相关杂质态（图3）。

图4a展示样品I（真空）300 K不同激发功率下PL光谱。宽带反映NC尺寸分散。1000 °C退火后宽带消失，600 nm和700 nm附近出现明显杂质相关峰（图4b）。

最引人注目的是，BS表面微米级普尔塞尔腔内514 nm激发下出现近600 nm尖锐PL峰伴随激光发射（图5）。采用可变条纹长度法提取光增益达~130 cm⁻¹。

讨论

不同直径Si NCs PL衰减分析揭示从间接向直接带隙行为的清晰转变。较小NCs（<2 nm）呈现快衰减（<1 ns），对应直接带隙发射（~400 nm、~560 nm）。较大NCs（>2.5 nm）显示慢衰减（~µs），特征为间接带隙发射（~700 nm），兼具杂质态快分量（图6）。

发射模型（图7）确证直接带隙跃迁主导<2 nm NCs，间接带隙跃迁和杂质态发射主导>2.5 nm NCs，与量子限域理论一致。

结论

本研究证明ns激光制备BS同时拥有微纳结构，实现适合LED应用的可见波长PL。对比真空和80 Pa氧气制备样品，确证氧杂质态在硅NCs中导致400、560、600、700 nm稳健室温发射，而10 K下330 nm峰源于NC发光。这些结果为硅基可见光源和白光器件铺平新路径。

方法

光致发光测量

PL光谱在266或488 nm激发下于300 K和17–200 K、1 Pa腔体记录。观测到具受激发射和直接带隙特征的尖锐峰。退火后BS上近600 nm激光峰经可变条纹长度法量化，光增益~130 cm⁻¹。400、560、700 nm PL衰减谱用ps脉冲266 nm激发测定。