Le silicium est le matériau principal de l'ingénierie électronique. Toutes les technologies de l'information et de l'informatique qui jouent un rôle clé dans la civilisation moderne sont basées sur le silicium :ordinateurs, communication, astronautique, biomédecine, robotique et bien plus encore.

Selon Alexeï Mikhaïlov, Chef du laboratoire de l'Institut de recherche en physique et technologie de l'Université Lobatchevsky, la principale pierre d'achoppement sur la voie de l'augmentation de la vitesse des circuits intégrés est la vitesse limitée de propagation du signal électrique dans les câbles d'interconnexion métalliques. "Cela nécessite le remplacement des interconnexions métalliques par des guides d'ondes optiques et, Donc, le passage de l'électronique traditionnelle à l'optoélectronique, où les éléments actifs sont des émetteurs et des récepteurs de lumière plutôt que des transistors, " dit Alexeï Mikhaïlov.

Le silicium montre des performances satisfaisantes en tant que récepteur de lumière, mais, contrairement aux semi-conducteurs A3B5, est un mauvais émetteur de lumière en raison d'une bande interdite indirecte de ce semi-conducteur. Cette caractéristique de sa structure électronique, selon les lois de la mécanique quantique, à proprement parler, interdit l'émission de lumière (luminescence) sous excitation externe.

"Il serait très indésirable de refuser du silicium à une nouvelle étape, car il faudrait abandonner la technologie parfaitement au point pour la production en série de circuits intégrés. Cela impliquerait des coûts matériels énormes, sans parler des problèmes environnementaux qui se posent lors du travail avec des matériaux A3B5, " déclare le professeur David Tetelbaum, Chercheur principal à l'Université Lobatchevsky.

Les scientifiques tentent de sortir de cette situation en utilisant soit du silicium nanocristallin, ou en revêtant du silicium de films d'autres matériaux électroluminescents. Cependant, l'émissivité (efficacité de luminescence) des nanocristaux de silicium est encore insuffisante pour des applications pratiques.

Outre, les nanocristaux de silicium émettent dans la zone au bord "rouge" du rayonnement visible, tandis que de nombreuses applications techniques, en particulier dans les technologies de communication par fibre optique, nécessitent des longueurs d'onde plus longues (environ 1,5 m). L'utilisation de couches de matériaux "étrangers" sur des substrats de silicium, cependant, est peu compatible avec la technologie traditionnelle du silicium.

Un moyen efficace de résoudre ce problème consiste à introduire dans le silicium un type particulier de défauts linéaires appelés dislocations. Les chercheurs sont arrivés à la conclusion qu'une concentration élevée de dislocations peut être obtenue dans la couche superficielle de silicium en l'irradiant avec des ions silicium d'une énergie de l'ordre d'une centaine de keV puis en la recuitant à haute température. Dans ce cas, le silicium émet de la lumière exactement à la bonne longueur d'onde, proche de 1,5 µm.

"L'intensité de la luminescence semble dépendre des conditions d'implantation et de recuit. Cependant, le principal problème avec la luminescence liée à la dislocation est qu'elle est plus prononcée à basse température (inférieure à ~25 K) et décroît rapidement à mesure que la température augmente. Par conséquent, il est très important de trouver des moyens d'augmenter la stabilité thermique de la luminescence liée à la dislocation, " poursuit Alexeï Mikhaïlov.

Les scientifiques de l'Université Lobatchevsky et leurs collègues de l'Institut RAS de physique de l'état solide (Tchernogolovka) et de l'Université technique d'État Alekseev (Nizhny Novgorod) ont fait des progrès significatifs dans la résolution de ce problème avec le soutien de la Fondation russe pour la recherche fondamentale (subvention no. 17-02-01070).

Précédemment, il a été découvert qu'un moyen d'obtenir une photoluminescence liée à la dislocation dans des échantillons de silicium consiste à implanter des ions de silicium dans le silicium (auto-implantation) avec recuit ultérieur. Cela s'est avéré être non le seul avantage de la technologie d'implantation, lorsque l'équipe de l'Université Lobatchevsky a découvert qu'un dopage supplémentaire aux ions bore peut améliorer la luminescence. Cependant, le phénomène d'amélioration des propriétés de luminescence ne résout pas à lui seul le problème principal. De plus, on ne sait pas comment le dopage des ions bore affecte la stabilité thermique de la luminescence, qui est un paramètre clé, et dans quelles conditions (le cas échéant) cet effet sera le plus prononcé.

Dans cette étude, des scientifiques ont confirmé expérimentalement l'augmentation de la stabilité thermique du silicium dopé aux ions bore. De plus, l'effet est non monotone dépendant de la dose de bore, et dans une certaine gamme de doses, un deuxième maximum prononcé dans la région de 90 à 100 K apparaît sur la courbe d'intensité en fonction de la température, ainsi que le maximum habituel à basse température dans la région de 20 K.

"Il est important de noter que l'effet "bénéfique" du bore est unique en ce sens que le remplacement des ions bore par une autre impureté acceptrice ne conduit pas à l'effet décrit ci-dessus. Après avoir affiné les modes de dopage des ions bore et de traitement thermique des des échantillons de silicium où des centres de luminescence liés à la dislocation ont été formés par irradiation avec des ions de silicium, nous avons constaté qu'avec la dose d'ions bore la plus élevée précédemment utilisée et un traitement thermique supplémentaire à 830°C, il est possible d'atteindre un niveau de luminescence mesurable à température ambiante, " conclut le professeur Tetelbaum.

Les résultats obtenus lors de la poursuite de l'optimisation des conditions d'implantation et de traitement thermique ouvrent les perspectives d'application du silicium en optoélectronique.