Il silicio è il materiale principale nell'ingegneria elettronica. Tutte le tecnologie dell'informazione e del calcolo che giocano un ruolo chiave nella civiltà moderna sono basate sul silicio:computer, comunicazioni, astronautica, biomedicina, robotica e molto altro.

Secondo Alexey Mikhaylov, Capo del laboratorio presso l'Istituto di ricerca per la fisica e la tecnologia dell'Università Lobachevsky, il principale ostacolo sulla strada per aumentare la velocità dei circuiti integrati è la velocità limitata di propagazione del segnale elettrico nei cavi di interconnessione metallica. "Ciò richiede la sostituzione delle interconnessioni metalliche con guide d'onda ottiche e, così, il passaggio dall'elettronica tradizionale all'optoelettronica, dove gli elementi attivi sono emettitori e ricevitori di luce piuttosto che transistor, " dice Alexey Mikhaylov.

Il silicio mostra prestazioni soddisfacenti come ricevitore di luce, ma, a differenza dei semiconduttori A3B5, è un emettitore di luce scadente a causa di un bandgap indiretto di questo semiconduttore. Questa caratteristica della sua struttura elettronica, secondo le leggi della meccanica quantistica, in senso stretto, vieta l'emissione di luce (luminescenza) sotto eccitazione esterna.

"Sarebbe molto indesiderabile rifiutare il silicio in una nuova fase, poiché dovremmo abbandonare la tecnologia perfettamente sviluppata per la produzione di massa di circuiti integrati. Ciò comporterebbe enormi costi di materiale, per non parlare dei problemi ambientali che sorgono quando si lavora con materiali A3B5, " afferma il professor David Tetelbaum, Ricercatore leader presso l'Università Lobachevsky.

Gli scienziati stanno cercando di trovare una via d'uscita da questa situazione utilizzando silicio nanocristallino, oppure rivestendo il silicio con pellicole di altri materiali emettitori di luce. Però, l'emissività (efficienza di luminescenza) dei nanocristalli di silicio è ancora insufficiente per le applicazioni pratiche.

Oltretutto, i nanocristalli di silicio emettono nell'area al bordo "rosso" della radiazione visibile, mentre molte applicazioni tecniche, in particolare nella tecnologia delle comunicazioni in fibra ottica, richiedono lunghezze d'onda maggiori (circa 1,5 μm). L'uso di strati di materiale "estraneo" su substrati di silicio, però, è poco compatibile con la tradizionale tecnologia al silicio.

Un modo efficace per risolvere questo problema è introdurre nel silicio un tipo speciale di difetti lineari noti come dislocazioni. I ricercatori sono giunti alla conclusione che un'elevata concentrazione di dislocazioni può essere ottenuta nello strato superficiale di silicio irradiandolo con ioni di silicio con un'energia dell'ordine di cento keV e quindi ricottendolo ad alte temperature. In questo caso, il silicio emette luce esattamente alla giusta lunghezza d'onda, vicino a 1,5 μm.

"L'intensità della luminescenza sembra dipendere dalle condizioni di impianto e ricottura. Tuttavia, il problema principale con la luminescenza correlata alla dislocazione è che è più pronunciata a basse temperature (inferiori a ~25 K) e decade rapidamente all'aumentare della temperatura. Perciò, è molto importante trovare modi per aumentare la stabilità termica della luminescenza correlata alla dislocazione, "continua Alexey Mikhaylov.

Gli scienziati dell'Università Lobachevsky insieme ai loro colleghi dell'Istituto di fisica dello stato solido RAS (Chernogolovka) e dell'Università tecnica statale di Alekseev (Nizhny Novgorod) hanno compiuto progressi significativi nella risoluzione di questo problema con il supporto della Fondazione russa per la ricerca di base (concessione n. 17-02-01070).

In precedenza, si è scoperto che un modo per ottenere la fotoluminescenza correlata alla dislocazione nei campioni di silicio è impiantare ioni di silicio nel silicio (autoimpianto) con successiva ricottura. Questo si è rivelato non essere l'unico vantaggio della tecnologia di impianto, quando il team dell'Università Lobachevsky ha scoperto che un ulteriore drogaggio di ioni di boro può aumentare la luminescenza. Però, il fenomeno delle proprietà di luminescenza potenziate da solo non risolve il problema principale. Inoltre, non è ancora chiaro come il drogaggio con ioni di boro influisca sulla stabilità termica della luminescenza, che è un parametro fondamentale, e in quali condizioni (se del caso) tale effetto sarà più pronunciato.

In questo studio, gli scienziati hanno confermato sperimentalmente l'aumento della stabilità termica del silicio drogato con ioni boro. Inoltre, l'effetto è non monotonicamente dipendente dalla dose di boro, e in un certo intervallo di dosi, un secondo massimo pronunciato nella regione da 90 a 100 K appare sulla curva dell'intensità in funzione della temperatura, insieme al solito massimo a bassa temperatura nella regione di 20 K.

"È importante notare che l'effetto "benefico" del boro è unico nel senso che la sostituzione degli ioni boro con un'altra impurezza accettore non porta all'effetto sopra descritto. Dopo aver perfezionato le modalità di drogaggio degli ioni boro e il trattamento termico di campioni di silicio in cui i centri di luminescenza legati alla dislocazione si sono formati mediante irradiazione con ioni di silicio, abbiamo scoperto che con la più alta dose di ioni boro precedentemente utilizzata e un ulteriore trattamento termico a 830° C, è possibile ottenere un livello misurabile di luminescenza a temperatura ambiente, " conclude il professor Tetelbaum.

I risultati ottenuti durante l'ulteriore ottimizzazione delle condizioni di impianto e trattamento termico illuminano le prospettive per l'applicazione del silicio nell'optoelettronica.