Fotoluminescência de nitreto de silício não estequiométrico depositado por sputtering reativo

Abstract

Nanoestruturas de silício incorporadas em matrizes dielétricas são promissoras para aplicação em dispositivos optoeletrônicos. Neste trabalho, estudamos a influência dos diferentes parâmetros de deposição para filmes de nitreto de silício não estequiométricos obtidos pela técnica de deposição por pulverização catódica com gases reativos (sputtering reativo) nas propriedades estruturais e luminescentes. Os filmes foram depositados mantendo a pressão na câmara principal em 6,7 ou 10 mTorr com diferentes pressões parciais dos gases Ar, N2 e O2, com a finalidade de controlar a composição. Os tratamentos térmicos foram feitos em atmosferas de argônio e uma mistura gasosa contendo 10% de H2 e 90% N2 em diversas temperaturas (450 até 700 °C) e nos tempos de 5 a 60 min. Após os tratamentos térmicos, foram feitas análises de composição, usando Espectroscopia de Retroespalhamento de Rutherford (RBS) e medidas de fotoluminescência das amostras, excitadas com comprimento de onda de 266 nm. As características de emissão variaram de acordo com a composição da amostra medida. Os filmes de nitreto não estequiométrico que não possuem altas concentrações de oxigênio (<20%) apresentaram emissão nas regiões de 380-390 nm, 460-490 nm e 515-525 nm. Com o aumento da concentração de oxigênio, foram obsevadas que as características fotoluminescentes se alteraram, e uma banda de emissão é obtida em 318 nm (3,9 eV). De maneira a investigar a origem da emissão, realizamos medidas de microscopia eletrônica de transmissão e elipsometria espectral. Por microscopia verificamos a existência de estruturas cristalinas de -Si3N4, -Si3N4 e de Si2N2O, enquanto as medidas de elipsometria revelaram que as curvas do índice de refração estão entre as de Si3N4 e de SiO2, confirmando qualitativamente os resultado de RBS.

Silicon nanocrystals embedded in dielectric matrices are promising for applications in optoelectronics devices. In this work, we studied the influence of several deposition parameters of deposited non-stoichiometric silicon nitride films, obtained by reactive sputtering. The films were obtained by keeping the pressure into the main chamber at 6.7 or 10 mTorr and by changing the partial pressures of Ar, N2 and O2 gas with the purpose of controlling the composition. The samples were annealed in Argon or forming gas (10% H2 more 90% N2) ambient at several temperatures (450-700 °C) and times (5-60 min). After the thermal treatments, the composition analysis was made by RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy) and photoluminescence measurements were performed. The excitation wavelength in the photoluminescence measurements was 266 nm. The emission spectra depend on sample composition. The non-stoichiometric silicon nitride samples with low concentration of oxygen (<20%) show emission in the regions of 380-390 nm, 460-490 nm and 515-525 nm, due to radiative recombination. Whereas oxygen concentration increased, the other band emission was observed at 318 nm (3.9 eV). With this result, transmission electronic microscopy (TEM) and ellipsometry measurements were performed to investigate the emission origin. The TEM measurements show the presence of -Si3N4, -Si3N4 and Si2N2O crystalline structures. Spectroscopic ellipsometry revealed that the refractive index curves are located between the theoretical curves of SiO2 and of Si3N4, depending on oxygen content, confirming qualitatively the RBS results.