Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3986
Schuller, Bernd Thomas
Strukturelle und optische Charakterisierung von Beta-FeSi2 - Si - Heterostrukturen
VIII, 92 S., 2003

Halbleitendes Eisendisilizid β-FeSi₂ ist ein vielversprechendes Material für mögliche Anwendungen in der siliziumbasierenden Optoelektronik. Die Bandlücke des Eisendisilizids liegt mit etwa 0.8 eV (1.5µm) in einem Bereich, der für die Telekommunikation über Glasfasern von enormem Interesse ist. In jüngster Zeit werden verstärkt β-FeSi₂ -Präzipitate in einer Silizium-Matrix untersucht, weil in solchen Strukturen intensive Lumineszenz bei tiefen Temperaturen beobachtet wird. Jedoch ist unklar, ob die Lichtemission in diesen Strukturen dem β-FeSi₂ zuzuschreiben ist, oder ob Defekte in der Silizium- Matrix hierfür verantwortlich sind. Desweiteren ist ungeklärt, ob die Silizid- Bandlücke in solchen Präzipitaten direkt oder indirekt ist.
In dieser Arbeit wurden durch Ionenimplantation und anschließende Temperung β-FeSi₂ -Silizium-Heterostrukturen hergestellt. Es handelt sich dabei um Silizid-Präzipitate mit linearen Dimensionen von 50-100 nm in einer Silizium-Matrix. Diese wurden strukturell mit Transmissionselektronenmikroskopie, Rammanspektroskopie und Rutherford-Rückstreuung sowie optisch mittels Photolumineszenz-Spektroskopie (PL) charakterisiert.
Die Ergebnisse der strukturellen Untersuchungen zeigen, dass die β-FeSi₂ - Präzipitate einkristallin und im wesentlichen unverspannt sind. Die Gitterfehlanpassung zwischen dem Silizid und der Silizium-Matrix wird durch Misfit- Versetzungen im Silizium ausgeglichen.
Bei tiefen Temperaturen zeigen die Proben recht gute Lumineszenz, die Effizienz wurde zu 0.1% abgeschätzt. Die PL-Intensität nimmt mit zunehmender Temperatur stark ab, so dass bei Raumtemperatur nur noch schwer eine Lumineszenz nachzuweisen ist. Zeitaufgelöste Lumineszenzmessungen an der Hauptlinie bei 0.8 eV ergaben eine Lebensdauer von 4J.ls bei einer Temperatur von 10K.
Die Ergebnisse der Lumineszenzmessungen lassen sich entweder durch Rekombination an Silizium-Defekten oder durch einen indirekten Übergang im Silizid erklären. Angesichts der langen Lebensdauer und der niedrigen Effizienz der PL kann ein direkter Übergang im Silizid ausgeschlossen werden.

Semiconducting iron disilicide β-FeSi₂ is a promising material for possible applications in silicon-based optoelectronics. The bandgap of iron disilicide has a value of about 0.8 eV (1.5µm), which is of enormous interest for fibre-based communications. Recently, iron disilicide precipitates in a silicon matrix have been investigated intensively, since these structures show good luminescence at low temperatures. However, it is still a matter of debate whether the emission is due to recombination in the silicide, or whether it originates in silicon defects. Furthermore, an interesting question is the nature of the silicide bandgap in these precipitates.
In this work, iron disilicide precipitates have been fabricated by ion implantation and subsequent annealing. This resulted in precipitates having linear dimensions of 50-100 nm in a silicon matrix. These were characterised structurally by transmission electron microscopy, Raman spectroscopy and Rutherford backscattering. Optical characterisation was done by photoluminescence spectroscopy (PL) .
The results of the structural investigations show that the iron disilicide precipitates are single crystal, and basically unstrained. The lattice mismatch between silicide and the silicon matrix is compensated by misfit dislocations in the silicon.
At low temperatures, the samples show good luminesence, the efficiency has been estimated at 0.1 %. The PL intensity decreases rapidly with increasing temperature, at room temperature the PL is hard to detect. Time resolved luminescence measurements at the wavelength of the main peak (1.5 µm) show a decay time of 4µs at a temperature of 10K. The results of the luminescence measurements can be explained either by recombination at silicon defects of by an indirect transition within the silicide. In view of the long lifetime and low efficiency of the luminescence, a direct transition within the silicide can be ruled out.

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