Photoluminescence from silicon nitride—no quantum effect

Abstract

Silicon nitride compounds emit photoluminescence all over the visible range. Recent studies ascribed this luminescence to quantum-size effects within silicon nanocrystals that were either shown or assumed to form inside the silicon nitride matrix; the luminescence of the matrix itself was ignored. In contrast, observing the same luminescence even without the presence of silicon crystallites, our work identifies the silicon nitride matrix itself as responsible for the photoluminescence. All experimental observations are well explained by band tail luminescence from the silicon matrix. In contrast to the silicon nanocrystal approach, our model explains all aspects of the luminescence. As a consequence, we conclude that silicon nitride films are inappropriate if one aims at investigating photoluminescence from silicon nanocrystals within such a matrix.

Фотолюминесценция Аморфных И Кристаллических Кремниевых Нанокластеров В Сверхрешетках Из Нитрида И Оксида Кремния

“…Исследования фотолюминесцентных свойств структур на основе нитрида кремния с кремниевыми нанокри-сталлами [4,[14][15][16][17][21][22][23][24][25] (в том числе и структур в виде сверхрешеток [4,14,17,21]), изготовленных методом плазмохимического осаждения из газовой фазы, показы-вают, что максимумы ФЛ в основном лежат в видимой области спектра, а возбуждение является однофотон-ным при использовании лазерного излучения ближнего ультрафиолетового и видимого диапазонов от 325 до 532 нм. Пики при этом трактуются по-разному: наблюда-емая ФЛ может быть обусловлена как излучательными дефектами в матрице нитрида кремния [4,15,22] и на границе нанокристалл−матрица [16] или переходами между состояниями в " хвостах" зон в аморфной матрице нитрида кремния [24], так и экситонами в кремниевых нанокристаллах [14,15,22,23,25] или аморфных кремние-вых нанокластерах [16,22].…”

“…Пики при этом трактуются по-разному: наблюда-емая ФЛ может быть обусловлена как излучательными дефектами в матрице нитрида кремния [4,15,22] и на границе нанокристалл−матрица [16] или переходами между состояниями в " хвостах" зон в аморфной матрице нитрида кремния [24], так и экситонами в кремниевых нанокристаллах [14,15,22,23,25] или аморфных кремние-вых нанокластерах [16,22]. Для последнего случая в ка-честве подтверждения часто приводится сдвиг пика ФЛ в синюю область при уменьшении размера нанокристал-лов [23].…”

“…Однако не всегда можно достоверно определить происхождение ФЛ в структурах на основе нитрида кремния [4]. Например, сдвиг, похожий на размерное квантование в нанокристаллах Si, может быть объяснен и уширением щели подвижности носителей заряда при изменении стехиометрии аморфной матрицы [24]. При этом не всегда наличие кремниевых нанокристаллов в структурах на основе нитрида кремния достоверно подтверждено [26], а при наличии кремниевых нанокри-сталлов в объеме образца соответствующая ФЛ может быть подавлена безызлучательными переходами [4].…”

“…Таким образом, несмотря на большое количество проведенных исследований, до сих пор нет общей концепции для описания ФЛ в подобных структурах, представляющих собой сверхрешетку из чередующих-ся слоев из нитрида и субнитрида (субоксида) крем-ния с кремниевыми нанокристаллами [4,[15][16][17][23][24][25]. Поэтому исследования фотолюминесцентных свойств наноструктур на основе нитрида кремния не теряют своей актуальности как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.…”

Down-shifting Si-based layer for Si solar applications

“…The increase of absorbance efficiency with rN 2 and P may be linked to the increase of nitrogen content in the matrix which allow a higher nitrogen defects concentration [40,41]. The resulting nitrogen defects states in the gap of the matrix will lead to larger photons absorption.…”