El silicio es el material principal en la ingeniería electrónica. Todas las tecnologías de la información y la computación que juegan un papel clave en la civilización moderna se basan en el silicio:computadoras, comunicaciones, astronáutica, biomedicina, robótica y mucho más.

Según Alexey Mikhaylov, Jefe del laboratorio del Instituto de Investigación de Física y Tecnología de la Universidad Lobachevsky, El principal obstáculo en el camino hacia el aumento de la velocidad de los circuitos integrados es la velocidad limitada de propagación de la señal eléctrica en el cableado de interconexión de metal. "Esto requiere el reemplazo de interconexiones metálicas con guías de ondas ópticas y, por lo tanto, la transición de la electrónica tradicional a la optoelectrónica, donde los elementos activos son emisores y receptores de luz en lugar de transistores, "dice Alexey Mikhaylov.

El silicio muestra un rendimiento satisfactorio como receptor de luz, pero, a diferencia de los semiconductores A3B5, es un emisor de luz deficiente debido a una banda prohibida indirecta de este semiconductor. Esta característica de su estructura electrónica, según las leyes de la mecánica cuántica, estrictamente hablando, prohíbe la emisión de luz (luminiscencia) bajo excitación externa.

"Sería muy indeseable rechazar el silicio en una nueva etapa, ya que tendríamos que abandonar la tecnología perfectamente desarrollada para la producción en masa de circuitos integrados. Esto implicaría enormes costes de material, sin mencionar los problemas ambientales que surgen al trabajar con materiales A3B5, "afirma el profesor David Tetelbaum, Investigador principal de la Universidad Lobachevsky.

Los científicos están tratando de encontrar una salida a esta situación utilizando silicio nanocristalino, o recubriendo silicio con películas de otros materiales emisores de luz. Sin embargo, la emisividad (eficiencia de luminiscencia) de los nanocristales de silicio es todavía insuficiente para aplicaciones prácticas.

Además, Los nanocristales de silicio emiten en el área en el borde "rojo" de la radiación visible, mientras que muchas aplicaciones técnicas, en particular en tecnología de comunicación por fibra óptica, requieren longitudes de onda más largas (alrededor de 1,5 μm). El uso de capas de material "extraño" sobre sustratos de silicio, sin embargo, es poco compatible con la tecnología de silicio tradicional.

Una forma eficaz de resolver este problema es introducir en el silicio un tipo especial de defectos lineales conocidos como dislocaciones. Los investigadores han llegado a la conclusión de que se puede lograr una alta concentración de dislocaciones en la capa superficial de silicio irradiéndola con iones de silicio con una energía del orden de cien keV y luego recociéndola a altas temperaturas. En este caso, el silicio emite luz exactamente en la longitud de onda correcta, cerca de 1,5 μm.

"La intensidad de la luminiscencia parece depender de las condiciones de implantación y recocido. Sin embargo, El principal problema con la luminiscencia relacionada con la dislocación es que es más pronunciada a bajas temperaturas (por debajo de ~ 25 K) y decae rápidamente a medida que aumenta la temperatura. Por lo tanto, es muy importante encontrar formas de aumentar la estabilidad térmica de la luminiscencia relacionada con la dislocación, "continúa Alexey Mikhaylov.

Los científicos de la Universidad Lobachevsky junto con sus colegas del Instituto RAS de Física del Estado Sólido (Chernogolovka) y la Universidad Técnica Estatal Alekseev (Nizhny Novgorod) han logrado avances significativos en la solución de este problema con el apoyo de la Fundación Rusa para la Investigación Básica (subvención No. 17-02-01070).

Previamente, Se descubrió que una forma de lograr la fotoluminiscencia relacionada con la dislocación en muestras de silicio es implantar iones de silicio en silicio (autoimplantación) con recocido posterior. Esto demostró no ser el único beneficio de la tecnología de implantación, cuando el equipo de la Universidad Lobachevsky descubrió que el dopaje adicional con iones de boro puede mejorar la luminiscencia. Sin embargo, el fenómeno de las propiedades de luminiscencia mejoradas por sí solo no resuelve el problema principal. Es más, no quedó claro cómo el dopaje con iones de boro afecta la estabilidad térmica de la luminiscencia, que es un parámetro clave, y bajo qué condiciones (si las hay) tal efecto será más pronunciado.

En este estudio, Los científicos han confirmado experimentalmente el aumento de la estabilidad térmica del silicio dopado con iones de boro. Es más, el efecto no depende monotónicamente de la dosis de boro, y en un cierto rango de dosis, aparece un segundo máximo pronunciado en la región de 90 a 100 K en la curva de intensidad versus temperatura, junto con el máximo habitual de baja temperatura en la región de 20 K.

"Es importante señalar que el efecto" beneficioso "del boro es único en el sentido de que la sustitución de los iones de boro por otra impureza aceptora no produce el efecto descrito anteriormente. Después de refinar los modos de dopaje con iones de boro y el tratamiento térmico de muestras de silicio donde se formaron centros de luminiscencia relacionada con la dislocación por irradiación con iones de silicio, Hemos encontrado que con la dosis más alta de iones de boro utilizada anteriormente y un tratamiento térmico adicional a 830 ° C, es posible alcanzar un nivel medible de luminiscencia a temperatura ambiente, ", concluye el profesor Tetelbaum.

Los resultados obtenidos durante la optimización adicional de las condiciones de implantación y tratamiento térmico iluminan las perspectivas de la aplicación del silicio en optoelectrónica.