https://doi.org/10.15407/jopt.2017.52.100
Optoelectron. Semicond. Tech. 52, 100-107 (2017)
K.V. Michailovska, V.I. Mynko, I.Z. Indutnyi, P.E. Shepeliavyi
THE INFLUENCE OF THE PERIODIC RELIEF OF THE SILICON SUBSTRATE ON POLARIZATION OF PHOTOLUMINESCENCE OBSERVED IN nc-Si–SiOx NANOSTRUCTURES
The investigation of the spectral and polarization characteristics of photoluminescence (PL) of porous light-emitting nc-Si–SiOx nanostructures formed on the patterned c-Si plates with a relief surface in the form of diffraction grating with trapezoidal and triangular groove profiles were performed. Interferential lithography with vacuum chalcogenide photoresist and anisotropic wet etching were used to form a periodic relief (diffraction grating) on the surface of the substrates. The studied nc-Si–SiOx structures were produced by oblique-angle deposition of Si monoxide in vacuum and the subsequent high-temperature annealing. It was found that the yield of PL from the nc-Si– SiOx structure on the patterned substrate depends on how this radiation is polarized with respect to the grating grooves and is much less dependent on polarization of the exciting light. The measured reflection spectra of nc-Si–SiOx structure on the patterned c-Si substrate have confirmed influence of the pattern on the fraction of polarized emission from nc-Si–SiOx.
Keywords: silicon nanostructure, photoluminescence, polarization memory effect
References
1. Molinary M., Rinnert H., Vergnat H. Visible photoluminescence in amorphous SiOx thin films prepared by silicon evaporation under a molecular oxygen atmosphere. Appl. Phys. Lett. 2003. 82, No 22. P. 3877-3879.
https://doi.org/10.1063/1.1578710
2. Kanemitsu Y. Efficient light emission from crystalline and amorphous silicon nanostructures. J. Lumin. 2002. 100, No 1-4. P. 209-217.
https://doi.org/10.1016/S0022-2313(02)00425-8
3. Heitmann J., Müller F., Zacharias M., Gösele U. Silicon nanocrystals: size matters. Adv. Mater. 2005. 17, No 7. P. 795-803.
https://doi.org/10.1002/adma.200401126
4. Hasegawa Masaki, Hirayama Yuki, and Dertinger S. Polarized fluorescent emission from aligned electrospun nanofiber sheets containing semiconductor nanorods. Appl. Phys. Lett. 2015. 106, No 5. Р. 051103.
https://doi.org/10.1063/1.4907548
5. Chan W.C.W., Nie S. Quantum dots bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection. Science. 1998. 281. P. 2016-2018.
https://doi.org/10.1126/science.281.5385.2016
6. Polisski G., Andrianov A.V., Kovalev D., Koch F. Light-stimulated anisotropy in porous silicon. Brazil J. Phys. 1996. 26, No 1. P. 89-192.
7. Bruhn B., Valenta J., Linnros J. Controlled fabrication of individual silicon quantum rods yielding high intensity, polarized light emission. Nanotechnology. 2009. 20, No 50. Р. 505301.
https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/50/505301
8. Valenta J., Juhasz R., Linnros J. Photoluminescence from single silicon quantum dots at room temperature. J. Lumin. 2002. 98, No 1-4. P. 15-22.
https://doi.org/10.1016/S0022-2313(02)00246-6
9. Diener J., Kovalev D., Polisski G., Koch F. Polarization properties of the luminescence from silicon nanocrystals. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2000. 3, No 4. P. 445-448.
https://doi.org/10.15407/spqeo3.04.445
10. Indutnyi I.Z., Michailovska E.V., Shepeliavyi P.E., Dan'ko V.A. Visible photoluminescence of selective etched porous nc-Si-SiOx structures. Semiconductors. 2010.-44, No 2. P. 206-210.
https://doi.org/10.1134/S1063782610020120
11. Michailovska K.V., Indutnyi I.Z., Kudryavtsev O.O. et al. Polarization memory of the luminescence related with Si nanoparticles embedded into oxide matrix. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2015. 18, No № 3. P. 186-191.
https://doi.org/10.15407/spqeo18.03.324
12. Liu Y., Xu J., Sun H. et al. Depth-dependent anti-reflection and enhancement of luminescence from Si quantum dots-based multilayer on nano-patterned Si substrates. Opt. Exp. 2011. 19, No 4. P. 3347-3352.
https://doi.org/10.1364/OE.19.003347
13. Indutnyy I., Lysenko V., Maidanchuk I. et al. Effect of chemical and radiofrequency plasma treatment on photoluminescence of SiOx films. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2006. 9, No 1. P. 9-13.
https://doi.org/10.15407/spqeo9.01.009
14. Michailovska K.V., Indutnyi I.Z., Shepeliavyi P.E. and Sopinskyy M.V. Polarization memory effect in the photoluminescence of nc-Si−SiOx light-emitting structures. Nanoscale Res. Lett. 2016. 11. P. 277.
https://doi.org/10.1186/s11671-016-1496-4
15. Allan G., Delerue C., Niquet Y.M. Luminescence polarization of silicon nanocrystals. Phys. Rev. B. 2001. 63, No 20. P. 205301.
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.205301
16. Horiguchi S. Conditions for a direct band gap in Si quantum wires. Superlattices Microstructures. 1998. 23, No2. P. 355-364.
https://doi.org/10.1006/spmi.1996.0340
17. Kovalev D., Ben Chorin M., Diener J. et al. Porous Si anisotropy from photoluminescence polarization. Appl. Phys. Lett. 1995. 67, No 11. P. 1585-1587.
https://doi.org/10.1063/1.114947
18. Sychugov I., Sangghaleh F., Bruhn B. et al. Strong absorption enhancement in Si nanorods. Nano Lett. 2016. 16, No 12. P. 7937-7941.
К.В. Михайловська, В.І. Минько, І.З. Індутний, П.Є. Шепелявий
ВПЛИВ ПЕРІОДИЧНОГО РЕЛЬЄФУ КРЕМНІЄВОЇ ПІДКЛАДКИ НА ПОЛЯРИЗАЦІЮ ФОТОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЇ nc-Si–SiOx НАНОСТРУКТУР
Досліджено спектральні та поляризаційні характеристики фотолюмінесценції (ФЛ) поруватих світловипромінювальних nc-Si–SiOx наноструктур, сформованих на c-Si пластинах з рельєфною поверхнею у вигляді дифракційних ґраток з формою профілю штрихів, близькою до трапеції та трикутника. Формування ґратки на поверхні кремнієвої підкладки проводилося з використанням інтерференційної літографії на основі вакуумного халькогенідного фоторезисту та анізотропного рідинного травлення. Досліджені nc-Si–SiOx структури було отримано шляхом термічного осадження під кутом монооксиду Si у вакуумі та наступного високотемпературного відпалу. Встановлено, що вихід ФЛ із структури nc-Si–SiOx на рельєфній підкладці головним чином залежить від того, як це випромінювання поляризовано відносно напрямку штрихів ґратки, і набагато менше залежить від напрямку поляризації збуджуючого світла. Виміряні спектри відбиття структури nc-Si–SiOx на рельєфній підкладці підтвердили вплив ґратки на вихід поляризованого випромінювання.
Ключові слова: кремнієві наноструктури, фотолюмінесценція, ефект пам’яті.