WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Механизм электролюминесценции пористого кремния в электролитах © Д.Н. Горячев, О.М. Сресели, Л.В. Беляков Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 19 ноября 1996 г. Принята к печати 25 ноября 1996 г.) Предложена обобщенная модель возникновения видимой и инфракрасной электролюминесценции пористого кремния в контакте с окисляющим электролитом. Согласно модели, видимая электролюминесценция возникает благодаря биполярной инжекции электронов и дырок из электролита в электрически изолированные квантово-размерные микрокристаллиты кремния, в то время как инфракрасная электролюминесценция является следствием монополярной инжекции дырок из электролита в макрокристаллы. Предложен механизм инжекции электронов из электролита. Сделан вывод о том, что характер электролюминесценции не должен зависеть от величины и даже типа проводимости кремниевой подложки.

Введение может быть на 6 8 порядков выше сопротивления объемного кремния (подложки). Заполняя поры ПК, Пористый кремний (ПК) привлекает внимание мно- электролит с удельным сопротивлением около 10 Ом · см гих исследователей в значительной степени благодаря должен практически полностью шунтировать высоконадеждам создать на его основе твердотельные элек- омные образования. Кроме того, вполне вероятно, что тролюминесцентные структуры, работающие в види- многие фрагменты пористого кремния вообще не имеют мой области спектра. Однако результаты, полученные электрической связи с подложкой, а отделены от нее в этом направлении, остаются пока весьма скромны- слоями оксида кремния. Казалось бы, в таких условиях ми. Заметно лучшие результаты получены в системах ЭЛ вообще не должна проявляться, что противоречит ПК–электролит [1,2]. Исследование процессов, проис- реально наблюдаемой квантовой эффективности ЭЛ, соходящих на межфазной границе ПК с электролитом, ставляющей 10-2 10-3.

позволяет, по нашему мнению, не только увеличить В настоящей работе построена обобщенная модель интенсивность электролюминесценции (ЭЛ) в подобных прохождения тока и ЭЛ в рассматриваемой системе.

системах, но и прояснить природу ограничений интенПредлагаемая модель объясняет весь спектр наблюдаесивности ЭЛ в твердотельных структурах.

мых на границе ПК–окисляющий электролит явлений.

Эмиссия света из ряда полупроводников n-типа прово- Становится понятной высокая эффективность ЭЛ в такой димости с гладкой поверхностью, например, GaP, GaAs, системе, а также природа различий в ЭЛ при использоиспользуемых в качестве катода в электролитической вании жидкостного или твердотельного контакта к ПК.

ячейке, изучена достаточно хорошо [3]. Она возникает в результате излучательной рекомбинации электронов зоны проводимости, поступающих в полупроводник от Экспериментальные данные внешнего источника тока, с дырками, инжектируемыми в валентную зону полупроводника со стороны электролиПри создании модели мы опирались как на результаты, та. Для этого в состав электролита вводится энергичный опубликованные ранее, так и на ряд новых данных.

окислитель, например, персульфат калия или перекись Основные экспериментальные факты таковы.

водорода. При прохождении тока ионы (молекулы) оки1. ЭЛ пористого кремния на подложках n-типа провослителя захватывают электроны из зоны проводимости димости в контакте с окисляющим электролитом и при полупроводника и преобразуются в короткоживущие катодном смещении (минус на кремнии) характеризуется ионы–радикалы, обладающие сильными акцепторными широкой полосой излучения в видимой области спектра, свойствами и способные отбирать электроны уже из аналогичной полосе фотолюминесценции в [1,2,4].

валентной зоны полупроводника или, другими словами, 2. Нами был проведен ряд опытов с образцами ПК, инжектировать в нее дырки.

выращенными на кремниевых подложках p-типа провоЭта точка зрения справедлива и для ПК [4]. Однако димости. Обнаружено, что в этом случае в электролитах, в настоящее время построение модели ЭЛ в систесодержащих персульфат, наблюдается видимая катодная ме пористый кремний–электролит не завершено, и она ЭЛ, практически при тех же токах, что и в случае содержит много неясных моментов. Главным из них n-кремния, но при больших значениях электродного является механизм прохождения тока в системе. Размеры потенциала.

микрокристаллитов ПК не превышают нескольких нанометров [5]. Вследствие квантово-размерного уширения 3. Наряду со свечением в видимой области спектра запрещенной зоны, эти микрокристаллиты являются вы- присутствует излучение в ближней инфракрасной (ИК) сокоомными образованиями. Согласно эксперименталь- области спектра. Положение максимума этой полосы ным оценкам [6], сопротивление микрокристаллитов ПК соответствует положению пика ЭЛ границы раздела Механизм электролюминесценции пористого кремния в электролитах объемный кремний–электролит, но сама полоса в нашем кремния объясняется главным образом сильно развитой случае оказывается более широкой и интенсивной [7]. поверхностью макрокристаллов.

4. При исследовании кинетики видимой ЭЛ в рас- 2. При достаточной величине отрицательного потенсматриваемой системе было обнаружено существование циала электрода начинается восстановление ионов возначительной задержки между началом импульса тока и дорода, и помимо ионов–радикалов образуются атомы возникновением ЭЛ, что позволило высказать предполо- водорода по реакции жение о прохождении части тока мимо микрокристаллитов, через подложку (так называемый by-pass current) [8]. H+ + e- H, (3) Дальнейшие исследования кинетики ИК полосы ЭЛ погде H — нейтральный атом водорода. В дальнейшем казали, что времена задержки импульса ИК меньше, чем часть атомов водорода ассоциируется в молекулы, и на импульсов видимой ЭЛ. С увеличением плотности тока электроде наблюдается выделение газообразного водоровремена задержки в обеих полосах уменьшаются.

да.

5. Катодные поляризационные кривые (зависимость 3. Другая часть атомов водорода, диффундируя в плотности тока от потенциала катода) в системе ПК–персульфатный электролит характеризуются нали- электролите, адсорбируется на поверхности электрически нейтральных квантово-размерных микрокристалличием участка насыщения по току. Дальнейший рост тока свидетельствует о включении дополнительной химиче- тов. Сопоставление стандартного электрохимического потенциала атомарного водорода (-2.1 В относительской реакции, помимо катодного восстановления ионов но нормального водородного электрода, НВЭ) [10] с персульфата [4,9]. Такой реакцией является разряд ионов положением уровня Ферми в кремнии показывает, что водорода, всегда присутствующих в электролите за счет атомарный водород является по отношению к кремнию диссоциации молекул воды. Начинается выделение на катоде газообразного водорода, и, что особенно суще- и ПК исключительно активным донором и поэтому в состоянии инжектировать электроны непосредственно в ственно, одновременно возникает видимая ЭЛ [9].

6. Контакт ПК с водным электролитом обладает зна- зону проводимости ПК:

чительным электрическим сопротивлением. Введение в H H+ + e-. (4) состав электролита органических растворителей, улучшающих смачивание поверхности ПК, приводит к умень4. Ионы–радикалы (SO4)•- также способны диффуншению этого сопротивления более чем в 20 раз и приблидировать в электролите. Достигая поверхности квантовожает его к сопротивлению контакта водного электролита размерных микрокристаллитов, они инжектируют дырки с гладкой поверхностью кремния. Кроме того, в этих в валентную зону этих образований по реакции (2).

условиях ЭЛ возникает при заметно более низких поПри этом сохраняется электрическая нейтральность митенциалах катода. В ряде случае ЭЛ наблюдалась только крокристаллитов, а биполярная инжекция носителей в при наличии органических добавок к электролиту [9].

микрокристаллиты по реакциям (2) и (4) обеспечивает возникновение ЭЛ в видимой области спектра.

Обсуждение результатов Использование менее вязких и более гидрофильных электролитов (например, введение в электролит ацетоСуммируя эти результаты, можно представить себе на) обеспечивает лучшую смачиваемость ПК и контакт механизм переноса зарядов и возникновения ЭЛ в пориэлектролита с большим количеством микрокристалли стом кремнии на границе с персульфатным электролитом тов, а следовательно, и улучшение условий возникновев виде ряда последовательно протекающих процессов.

ния видимой ЭЛ.

1. Благодаря существующему в системе току на поОчевидно, что видимая ЭЛ не должна зависеть от верхности кремниевой подложки и электрически свясопротивления микрокристаллитов. Более того, она не занных с ней не квантово-размерных макрокристаллов должна зависеть от удельного сопротивления или от происходит генерация ионов–радикалов по реакции типа проводимости кремниевой подложки, на которой был выращен пористый кремний, что подтверждается (S2O8)2- + e- (SO4)•- +(SO4)2-, (1) экспериментами с образцами ПК на p-подложках.

То обстоятельство, что перенос носителей тока к где (SO4)•- — образовавшиеся ионы–радикалы. Последчастицам ПК имеет ионный, а не электронный характер, ние в соответствии с [4] инжектируют в кремний дырки объясняет большие времена наблюдаемого запаздывания по реакции свечения относительно импульса тока [8]. Возникновение ЭЛ связано с накоплением достаточного количества (SO4)•- (SO4)2- + h+. (2) ионов–радикалов и атомов водорода, а также с времеПри этом возникает ИК полоса ЭЛ как результат излу- нем их диффузии от электрода к микрокристаллитам.

чательной рекомбинации дырок с электронами зоны про- Скорости дрейфа и диффузии ионов в электролите на водимости подложки и макрокристаллов. Повышенная несколько порядков меньше скоростей дрейфа носителей интенсивность этой ЭЛ по сравнению с ЭЛ объемного в твердом теле.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 846 Д.Н. Горячев, О.М. Сресели, Л.В. Беляков В случае ИК люминесценции предварительная гене- носителей обоих знаков в высокоомные или изолирорация атомарного водорода не требуется и времена ванные от подложки микрокристаллиты. Ток носит презадержки ЭЛ меньше. Увеличение плотности тока в имущественно туннельный или пробойный характер, что системе ускоряет генерацию необходимых компонентов приводит к быстрой деградации структур. Использование и уменьшает времена задержки. проникающих в поры материалов (металлов, полимеКазалось бы, в электролите может происходить реак- ров) также лишено основного преимущества электролиция непосредственного обмена зарядами между атомами та — генерации инжектирующих компонентов и привоводорода и ионами–радикалами, уничтожая потенциаль- дит лишь к шунтированию фрагментов микропористого ных переносчиков зарядов к частицам ПК: кремния.

Работа выполнена при частичной поддержке Российe- ского фонда фундаментальных исследований (грант 96H + (SO4)•- (SO4)2- + H+. (5) 02-17903), INTAS (грант 93-3325-ext) и программы Министерства науки ”Физика твердотельных наноструктур” Однако в силу принцпа Франка–Кондона [11] вероят- (проект 1-079/4).

ность подобной прямой реакции в электролите существенно меньше, чем реакции между теми же частиСписок литературы цами, адсорбированными на поверхности электрически нейтрального твердого тела [12]. Энергия, запасенная [1] P.M.M.C. Bressers, J.W.J. Knapen, E.A. Meulenkamp, ранее в этих частицах, выделяется в виде излучения и J.J. Kelly. Appl. Phys. Lett., 61, 108 (1992).

тепловой энергии.

[2] Л.В. Беляков, Д.Н. Горячев, О.М. Сресели, И.Д. ЯрошецТаким образом, предложенная модель предполагает кий. ФТП, 27, 1815 (1993).

ионный характер переноса носителей заряда к части[3] B. Pettinger, H.-R. Schoeppel, H. Gerischer. Ber. Bunsen Ges., цам ПК и существование двух механизмов инжекции 80, 849 (1976).

носителей тока из электролита в ПК: монополярного и [4] A. Bsiesy, F. Muller, M. Ligeon, F. Gaspard, R. Herino, биполярного. Монополярная инжекция (только дырок) R. Romestain, J.C. Vial. Phys. Rev. Lett., 71, 637 (1993).

[5] M.W. Cole, J.F. Harvey, R.A. Lux, D.W. Eckart. Appl. Phys.

обеспечивает ЭЛ в ИК области спектра, в то время как Lett., 60, 2800 (1992).

биполярная — в видимой.

[6] R.C. Anderson, R.S. Muller, C.W. Tobias. J. Electrochem. Soc., 138, 3406 (1991).

[7] Л.В. Беляков, Д.Н. Горячев, Д.И. Ковалев, Ф. Кох, Заключение В. Петрова-Кох, О.М. Сресели, И.Д. Ярошецкий. ФТП, 29, 1288 (1995); O. Sreseli, V. Petrova-Koch, D. Kovalev, В работе впервые предложена обобщенная модель возT. Muschik, S. Hofreiter, F. Koch. Proc 22th Int. Conf. on никновения как видимой, так и инфракрасной электролюthe Physics of Semiconductors (Canada, Vancouver, World минесценции в системе пористый кремний–окисляющий Scientific, 1994) v. 3, p. 2117.

электролит. Модель объясняет механизмы протекания [8] O.M. Sreseli, G. Polisski, D. Kovalev, D.N. Goryachev, тока в сложной системе пористого кремния, содержащей L.V. Belyakov, F. Koch. Proc. 188th ECS Meeting ”Advanced одновременно как низкоомные макрокристаллы, так и Luminescent Materials” ed. by D.J. Lockwood, P.M. Fauchet, высокоомные квантово-размерные микрокристаллиты. В N. Koshiaa, and S.R.J. Brueck (1995) PV 95–25, p. 24.

то время как инфракрасная ЭЛ в такой системе возникает [Electrochem. Soc. Proc. Ser. (Pennington, N.J., 1997)].

за счет монополярной инжекции дырок из электролита О.М. Сресели, Д.И. Ковалев, Г. Полисский, Д.Н. Горячев, в низкоомные макрокристаллы, видимая ЭЛ возможна Л.В. Беляков, Ф. Кох. Тез. докл. II Российской конф. по физике полупроводников (М., Изд. РАН, 1996) т. 2, с. 218.

только при одновременной инжекции носителей заряда [9] Д.Н. Горячев, О.М. Сресели, Л.В. Беляков. Письма ЖТФ, обоих знаков в квантово-размерные микрокристаллиты.

23, вып. 1, 58 (1997).

Предложен механизм инжекции электронов непосред[10] Д. Добош. Электрохимические константы (М., Мир, ственно из электролита. Выявлена важность происходя1980) с. 226, [Пер. с англ. и венг.: D. Dobos. Electrochemical щего в глубине ПК разряда ионов водорода для инжекData (Budapest, Academiai, 1977)].

ции электронов и возникновения видимой ЭЛ. Сделан [11] Р.С. Моррисон. Химическая физика поверхности твервывод о том, что характер ЭЛ пористого кремния пракдого тела (М., Мир, 1980) [Пер. с англ.: S.R. Morrison.

тически не зависит от удельного сопротивления и даже The Chemical Physics of Surfaces (N.-Y.–London, Plenum от типа проводимости кремниевой подложки, на которой Press, 19877)].

был выращен пористый кремний.

[12] Ф.Ф. Волькенштейн. Электронные процессы на поверхЭти выводы позволяют понять причину основных ности полупроводников при хемосорбции (М., Наука, 1987).

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.