Penjanaan cahaya infra merah melalui implantasi karbon dan boron untuk pembentukan gegelung dislokasi di dalam silicon

Abstract

Fotonik silikon (Si) menjadi teras kepada masa hadapan untuk melengkapkan integrasi cip komputer dan telekomunikasi dengan penyepaduan komponen optik dengan elektronik. Kekangan utama untuk merealisasikan sistem fotonik berdasarkan Si adalah penjanaan sumber cahaya yang efisien dan menggunakan sepenuhnya teknik fabrikasi dari teknologi litar bersepadu piawai yang sedia ada. Umumnya, idea untuk pengekstrakan cahaya daripada struktur kristal tunggal dianggap mustahil kerana Si mempunyai pancaran sinaran yang lemah disebabkan oleh jurang jalur tidak langsung. Sistem fotonik terkini bergantung kepada sumber pancaran cahaya luar seperti laser semikonduktor III-V yang mempunyai jurang jalur langsung namun integrasi adalah kompleks dan memerlukan kos yang tinggi. Cabaran terbesar adalah untuk menghasilkan pemancar Si dengan keamatan pancaran yang tinggi dan stabil sekurangkurangnya pada panjang gelombang yang dikehendaki seperti pada jalur komunikasi optik. Teknik kejuruteraan dislokasi boleh mengawal parameter implantasi dopan yang membenarkan pancaran Si dengan keamatan yang tinggi, tetapi terhad hanya dalam keadaan kriogenik dan limitasi jalur lebar yang besar. Dengan penambahan dopan lain seperti ion karbon dan boron ke dalam struktur Si, had asas teknik ini boleh diatasi. Dalam kajian ini, teknik implantasi ion karbon dan boron dilakukan untuk penggabungan gegelung dislokasi di dalam struktur Si, selain penghasilan simpang p-n yang diperlukan untuk struktur diod. Objektif utama kajian ini adalah untuk menghasilkan pemancar Si yang cekap dengan panjang gelombang komunikasi optik pada suhu bilik, serasi dengan teknologi Semikonduktor Logam Oksida Pelengkap (CMOS) serta dapat mengatasi masalah pelindapkejutan haba. Oleh itu, langkah pertama adalah dengan mengoptimumkan parameter implantasi ion karbon dan boron melalui simulasi Penghentian dan Julat Ion dalam Jirim (SRIM) dan Profil Percikan daripada Pemendapan Tenaga Univerisy Surrey (SUSPRE). Seterusnya, sampel Si diimplan dengan ion karbon dan boron mengikut parameter yang telah ditetapkan. Kesemua sampel yang diimplan akan disepuhlindapkan untuk mengaktifkan dopan di dalam struktur kekisi Si. Fotoluminasi (PL) spektrometer digunakan untuk menyiasat pancaran cahaya pada julat suhu 10 K sehingga suhu bilik, manakala Mikroskop Transmisi Elektron (TEM) digunakan untuk menganalisis kewujudan gegelung dislokasi dalam Si. Hasil analisis membuktikan implantasi ion karbon ke dalam struktur Si adalah kunci untuk menghasilkan pancaran cahaya yang tinggi dengan terbentuknya gegelung dislokasi dan ion boron membantu untuk menghasilkan pancaran pada suhu bilik. Kajian ini juga mengkaji sifat lasing dalam sampel Si apabila pancaran yang dirangsang pada kuasa laser pam pada julat 200 sehingga 900 mW menghasilkan keamatan puncak cahaya yang berbeza. Keamatan cahaya tertinggi pada panjang gelombang 1170 nm dapat dilihat pada sampel dengan implantasi karbon berganda dengan tenaga 30/10 keV manakala tenaga boron ialah 10 keV dengan lebar jalur, Lebar Penuh pada Separuh Maksimum (FWHM) 46 nm. Sampel ini juga menunjukkan sifat sebagai laser dari pencirian kuasa serta pembentukan gegelung dislokasi yang dibuktikan oleh TEM. Puncak keamatan untuk sampel ini juga masih ada pada suhu bilik, 300 K. Teknik penghasilan gegegelung dislokasi dengan kehadiran dopan boron dan karbon yang diperkenalkan dalam kajian ini akan menyumbang kepada pembangunan peranti pemancar cahaya berasaskan silikon yang akan melengkapkan kesemua komponen dalam fotonik silikon. Ini akan mendorong kepada industri dan teknologi berasaskan cahaya untuk pelbagai aplikasi terutamanya telekomunikasi, pengkomputeran pantas, automobil dan lain-lain.