WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Глава 1 представляет собой обзор литературы. В этой главе обсуждается состояние проблемы, которой посвящена диссертация. В первом параграфе приведены данные об энергетической структуре уровней редкоземельного иона Er3+ в матрице кремния, описано влияние кристаллического поля на структуру энергетических уровней и, соответственно, на структуру спектра излучения иона эрбия. Описаны наиболее интересные, с точки зрения практического использования, оптически активные центры (ОАЦ), формируемые при внедрении эрбия в матрицу монокристаллического кремния. В заключении первого параграфа рассмотрены основные методы, используемые для получения светоизлучающих структур на основе Si:Er.

Во втором параграфе выполнен обзор работ, посвященных механизмам возбуждения и девозбуждения ионов эрбия, внедренных в кремниевую матрицу. Описаны механизмы рекомбинационного и ударного возбуждения ионов Er3+, выделены их сильные и слабые стороны. Проанализированы основные процессы безызлучательной релаксации ионов Er3+ – ожедевозбуждение свободными носителями и процесс обратной передачи энергии в кремниевую матрицу («back transfer»), рассмотрены факторы, определяющие интенсивность этих процессов. Показано, что при комнатной температуре более эффективен ударный механизм возбуждения ионов Er3+ в диодных структурах, излучающих при обратном смещении в режиме пробоя p/n-перехода, при котором удается в значительной степени подавить безызлучательную релаксацию возбужденных ионов эрбия.

В третьем параграфе анализируются известные по литературным данным результаты исследований диодных структур Si:Er/Si, реализующих ударный механизм возбуждения ионов Er3+. Выделены наиболее значительные достижения в данной области, полученные различными исследовательскими группами. Анализируются особенности температурного гашения ЭЛ ионов Er3+, приведены данные по эффективности возбуждения ЭЛ ионов эрбия в диодных структурах с лавинным и туннельным механизмами пробоя p/n-перехода, рассмотрены влияние ориентации подложки, условий роста и послеростового отжига структур на их люминесцентные свойства. Рассмотрены физические явления, свойственные лишь ударному механизму возбуждения ионов Er3+:

эффект “темновой” области, явление “возгорания” эрбиевой ЭЛ при увеличении температуры.

В четвертом параграфе литературного обзора анализируются факторы, ограничивающие интенсивность ЭЛ ионов эрбия при ударном возбуждении, рассмотрены возможности увеличения интенсивности эрбиевой ЭЛ при комнатной температуре. В заключении параграфа сформулированы задачи диссертационного исследования.

Глава 2 посвящена описанию экспериментальных методик, которые использовались при выполнении настоящей работы. Здесь же приведены схемы основных экспериментов и технические характеристики основных приборов, использованных в работе.

В первом параграфе даны описания методик, использованных при выполнении электрофизических измерений, таких как измерения вольтамперных (ВАХ) и вольтфарадных (ВФХ) характеристик. Во втором параграфе описаны методики исследования люминесцентных свойств структур: регистрация спектров электролюминесценции (ЭЛ), измерения зависимости интенсивности ЭЛ от тока накачки, кинетические измерения, измерения мощности излучения.

В следующих трех главах представлены оригинальные результаты.

Глава 3 посвящена исследованию влияния механизма пробоя p/n-перехода на интенсивность ЭЛ и эффективность ударного возбуждения ионов Er3+ горячими электронами в обратно смещенных диодных структурах. Исследования были выполнены на примере диодных светоизлучающих структур типа p+/n-Si:Er с треугольным профилем электрического поля в ОПЗ, выращенных методом сублимационной МЛЭ.

В первом параграфе описаны особенности эксперимента по выращиванию диодных структур методом СМЛЭ, позволившие получить серию диодов типа p+/n-Si:Er, в которой механизм пробоя при переходе от одного диода к другому плавно меняется в направлении от туннельного к лавинному. Достигалось это путем изменения степени легирования слоя n-Si:Er сурьмой, остальные параметры диодов поддерживались постоянными.

Во втором параграфе исследуется влияние механизма пробоя на ЭЛ свойства диодных структур: вид спектра ЭЛ, интенсивность ЭЛ ионов эрбия, соотношение между интенсивностями эрбиевой и «горячей» ЭЛ, эффективность ударного возбуждения ионов Er3+. Показано, что максимальные интенсивность ЭЛ и эффективность ударного возбуждения ионов Er3+ достигаются в режиме смешанного пробоя p/n-перехода.

Описаны и проанализированы причины, приводящие к снижению интенсивности и эффективности возбуждения ЭЛ ионов эрбия, в структурах с явно выраженным туннельным или лавинным механизмами пробоя.

В третьем параграфе данной главы представлены результаты исследования кинетики нарастания ЭЛ ионов Er3+ в диодных структурах p+/n-Si:Er, выращенных методом СМЛЭ и излучающих в режиме смешанного пробоя p/n-перехода при Т = 300 К. Из данных кинетики определены сечение ударного возбуждения ( ~ 1,410-16 см2) и время жизни ( 540 мкс) ионов Er3+ в возбужденном состоянии при комнатной температуре, оценена внутренняя квантовая эффективность (int 1·10-3).

Показано, что по перечисленным параметрам исследованные структуры превосходят диодные структуры, излучающие в режиме туннельного пробоя p/n-перехода и соответствуют имплантационным диодным структурам аналогичного типа, излучающим в режиме лавинного пробоя p/n-перехода.

Глава 4 посвящена исследованию влияния характера распределения электрического поля в ОПЗ кремниевых диодных структур на их люминесцентные свойства. Проведено сопоставление ЭЛ свойств диодных структур с различным распределением электрического поля в ОПЗ (диодные структуры p+/n-Si:Er с треугольным распределениями поля в ОПЗ и диодные структуры типа p+/n-Si:Er/n+ с трапецеидальным профилем поля). Сформулированы представления о том, каким должно быть распределение поля в ОПЗ диодной структуры для достижения максимальных эффективности возбуждения и интенсивности эрбиевой ЭЛ при ударном возбуждении ионов Er3+.

В первом параграфе исследуются люминесцентные свойства диодных p-i-n структур с i-областью, легированной эрбием – диодных структур типа p+-Si/n-Si:Er/n+-Si. Показано, что механизм пробоя диодных структур данного типа определяется толщиной i-области. Мы наблюдаем туннельный механизм пробоя при толщине i-области менее 50 нм и плавную трансформацию механизма пробоя в сторону смешанного и далее лавинного механизмов пробоя при увеличении толщины i-области.

Исследована связь между механизмом пробоя p-i-n структуры и интенсивностью ЭЛ ионов эрбия при комнатной температуре. Показано, что максимальная интенсивность ЭЛ ионов эрбия достигается (так же как и в случае диодной структуры p+/n-Si:Er) в режиме смешанного пробоя p-i-n структуры. Сделан вывод об общем характере установленной связи между механизмом пробоя и ЭЛ свойствами диодных светоизлучающих структур, реализующих ударный механизм возбуждения. Определена ширина „темновой“ области d dark ~ 12 – 15 нм, в пределах которой носители, разогреваемые в поле обратно смещенной p-i-n структуры, набирают энергию E ~ 0,8 эВ, необходимую для ударного возбуждения иона Er3+ в состояние 4I13/2.

Второй параграф посвящен обсуждению факторов, определяющих различия в интенсивности ЭЛ ионов эрбия в диодных структурах типов p+-Si/n-Si:Er и p+-Si/n-Si:Er/n+-Si. Показано, что установленные различия обусловлены различиями в характере распределения электрического поля по ширине ОПЗ структур. Распределение поля по ширине ОПЗ в режиме пробоя диодной структуры определяет соотношение между электронной и дырочной компонентами в токе накачки структуры и, в силу различной эффективности ударного возбуждения ионов эрбия горячими электронами и дырками, влияет на интенсивность ЭЛ ионов эрбия. Показано, что треугольное распределение электрического поля в ОПЗ (диодные структуры типа p+/n-Si:Er) более эффективно для достижения максимальной интенсивности ЭЛ ионов эрбия по сравнению с трапецеидальным распределением поля (диодные структуры типа p-i-n). В заключении параграфа сформулированы представления о том, каким должно быть распределение поля в ОПЗ диодной структуры для достижения максимальных эффективности возбуждения и интенсивности эрбиевой ЭЛ при ударном возбуждении ионов Er3+.

Глава 5 содержит результаты экспериментальных исследований электрофизических и электролюминесцентных свойств диодных туннельно-пролетных структур типа p+/n+/n-Si:Er с пролетной областью, легированной эрбием, впервые выращенных методом сублимационной МЛЭ.

В первом параграфе представлены результаты исследования влияния параметров туннельно-пролетной структуры на механизм пробоя и интенсивность ЭЛ ионов Er3+. Показано, что электрофизические и электролюминесцентные свойства туннельно-пролетных структур во многом определяются уровнем легирования и толщиной тонкого высоколегированного слоя n+-Si. Показано, что уменьшение толщины слоя n+-Si ведет к увеличению напряженности электрического поля в активной области структуры – слое n-Si:Er – в режиме пробоя. Последнее вызывает, в свою очередь, слабую трансформацию механизма пробоя в направлении туннельный смешанный, увеличение интенсивности ЭЛ и эффективности ударного возбуждения ионов эрбия.

Во втором параграфе проведено сопоставление диодных структур туннельно-пролетного типа с более распространенными диодными структурами типа p+/n-Si:Er. Показано, что при одном и том же значении эффективности возбуждения туннельно-пролетные структуры показывают на порядок большую интенсивность ЭЛ по сравнению со структурами типа p+/n-Si:Er. В то же время, в целом исследованные в данной работе туннельно-пролетные структуры уступают структурам типа p+-Si/n-Si:Er по максимально достигнутой эффективности возбуждения, что мы связываем с недостаточной величиной напряженности электрического поля в слое n-Si:Er в режиме пробоя структуры. В заключении второго параграфа приведены результаты измерения внешней квантовой эффективности туннельно-пролетных структур и мощности, излучаемой туннельнопролетными структурами в диапазоне ~ 1,54 мкм при комнатной температуре.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения работы.

Основные результаты работы 1. Исследована связь механизма пробоя p/n-перехода с интенсивностью электролюминесценции ионов эрбия при ударном возбуждении ионов эрбия горячими носителями в обратно смещенных кремниевых светодиодных структурах p+/n-Si:Er. Показано, что максимальная интенсивность электролюминесценции ионов эрбия достигается при смешанном механизме пробоя p/n-перехода, оптимально сочетающем высокую эффективность ударного возбуждения ионов эрбия ( ~ 1·10-19 см2с) и широкую область пространственного заряда (W 150-200 нм) при минимальном шнуровании тока накачки. Изучены механизмы, вызывающие уменьшение интенсивности электролюминесценции ионов эрбия в диодных структурах с туннельным и лавинным механизмами пробоя p/n-перехода.

2. Исследованы ЭЛ свойства кремниевых светодиодных структур типа p-i-n с i-областью, легированной эрбием, излучающих при ударном возбуждении ионов эрбия в режиме электрического пробоя p-i-n структуры.

Показано, что механизм пробоя в исследованном классе структур определяется толщиной i-слоя. Максимальная интенсивность электролюминесценции ионов Er3+ при комнатной температуре достигается при смешанном механизме пробоя и толщине i-области 150-200 нм.

Определена ширина “темновой” области (ddark 12-15 нм), примыкающей к границе p/n-перехода, в пределах которой электроны набирают энергию ( 0,8 эВ), необходимую для ударного возбуждения ионов эрбия в состояние 4I13/2.

3. Исследован механизм влияния распределения электрического поля в ОПЗ кремниевых светодиодных структур, излучающих при ударном возбуждении ионов эрбия, на их люминесцентные свойства. Показано (на примере p/n и p-i-n кремниевых диодных структур, легированных эрбием, с треугольным и трапецеидальным распределениями поля в ОПЗ, соответственно), что распределение электрического поля в ОПЗ определяет соотношение между электронной и дырочной компонентами в токе накачки диодной структуры и через величину этого соотношения влияет на интенсивность ЭЛ и эффективность ударного возбуждения ионов эрбия.

Показано, что треугольное распределение электрического поля в ОПЗ (диодные структуры типа p+/n-Si:Er) более эффективно для достижения максимальной интенсивности ЭЛ ионов эрбия по сравнению с трапецеидальным распределением поля (диодные структуры типа p-i-n).

4. Предложены кремниевые светодиодные структуры туннельнопролетного типа с пролетной областью, легированной эрбием. Исследованы электрофизические и люминесцентные свойства туннельно-пролетных структур p+/n+/n-Si:Er, выращенных впервые методом сублимационной МЛЭ на подложках p-Si:B с ориентацией (100) и удельным сопротивлением 10-12 Ом см. Показано, что при той же эффективности возбуждения туннельно-пролетные структуры до порядка величины превосходят по интенсивности ЭЛ диодные структуры типа p+/n-Si:Er. Преимущества туннельно-пролетных структур обусловлены более сложным распределением электрического поля в ОПЗ структуры: область сильного поля (туннельная генерация и разогрев носителей) прижата к границе p/nперехода, область слабого тянущего поля (возбуждение ионов эрбия) максимально растянута. Такой профиль электрического поля обуславливает преобладание электронной компоненты в токе накачки диодной структуры и позволяет заметно расширить ОПЗ структуры (до 0,5 – 1,0 мкм и более), не переходя в режим лавинного пробоя p/n-перехода, для которого характерны шнурование тока накачки и вызываемое этим уменьшение интенсивности ЭЛ ионов эрбия.

5. Для туннельно-пролетной структуры с поверхностью, не оптимизированной для вывода излучения, внешняя квантовая эффективность и мощность, излучаемая в диапазоне 1,54 мкм, при комнатной температуре составили: ext 1,510-5 при токе накачки I 0,2 А и P 4,7 мкВт при токе накачки I 0,5 А (j 20 А/см2). Значение мощности излучения, зарегистрированное в экспериментах с туннельно-пролетными структурами в диапазоне 1,54 мкм при комнатной температуре, превышает известные по литературным данным для светоизлучающих структур на основе монокристаллического кремния, легированного эрбием.

Список цитированной литературы [1] Brunner, K. Si/Ge nanostructure / K. Brunner // Rep. Prog. Phys. – 2002. – V.65. – P.27-72.

[2] Paul, D.J. Si/SiGe heteroscructures: from material and physics to devices and circuits / D.J. Paul // Semicond. Sci. Technol. – 2004. –V. 19. P.R75-R108.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»