WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Электролюминесценция на длине волны 1.54 мкм в структурах Si : Er/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии © В.П. Кузнецов¶, Д.Ю. Ремизов, В.Н. Шабанов, Р.А. Рубцова, М.В. Степихова, Д.И. Крыжков, А.Н. Шушунов, О.В. Белова, З.Ф. Красильник, Г.А. Максимов Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 30 ноября 2005 г. Принята к печати 19 декабря 2005 г.) В диодных структурах Si : Er/Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии в вакууме 10-7 мбар при температуре 520-580C, исследована интенсивность электролюминесценции на длине волны 1.54 мкм при комнатной температуре в зависимости от концентрации и распределения эрбия и донорных примесей в области объемного заряда (ОПЗ), а также от толщины ОПЗ. Найдены пути получения электролюминесценции в диодах, имеющих широкую ОПЗ (0.1-1мкм). Найдены длина пробега электронов при взаимодействии с центрами Er и значение пороговой энергии свободного электрона, необходимой для возбуждения электрона в оболочке Er. Экспериментально определены значения напряженности электрического поля при пробое кремниевых p-i-n-диодов, легированных и нелегированных Er. Предложена модель взаимодействия горячих электронов с центрами Er.

PACS: 73.20.Hb, 73.40.Lq, 78.60.Fi, 85.30.Kk 1. Введение стью набора средней энергии электронов, требующейся для эффективной люминесценции. Предполагается [6], Изучение на длине волны 1.54 мкм имеет минимум что электроны теряют приобретенную энергию при потерь и дисперсии в волоконно-оптических линиях столкновении с ионизованными центрами Er. Поскольку связи. Этим обусловлен интерес к устройствам на толщина ОПЗ мала, мало и количество центров Er, основе структур Si : Er/Si, генерирующим такое излу- которые могут быть источником электролюминесценчение. Перспективный способ их получения — ме- ции (ЭЛ). Это является одной из главных причин слабой интенсивности ЭЛ, наблюдаемой в ИМП- и МЛЭ-диодах тод сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии при обратном смещении.

(СМЛЭ) [1]. Хорошо известно использование в этих Для наших слоев n-Sr : Er, выращенных методом целях молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [2–4], а СМЛЭ при 580-800C, концентрация электронов не занаиболее распространенный способ — метод ионной висела от NEr и составляла n 1016 см-3. Соответственимплантации (ИМП) (см., например, работы [5–7]). Макно толщина ОПЗ диодов может достигать 2 мкм, что на симальная интенсивность электролюминесценции IEL в 2 порядка больше, чем в диодах, полученных другими диодных структурах с Si : Er была получена при конценmax методами. Путем легирования сурьмой или фосфором трациях эрбия (NEr ) 1019 см-3 [5–7], 5 · 1019 см-3 [2].

max концентрацию доноров Nd в слоях Sr : Er можно измеУменьшение IEL при NEr > NEr объяснялось увеличенять в широких пределах 1.5 · 1016-3 · 1020 см-3 [1], а нием плотности дефектов кристаллической структуры.

max значение Ubr — от нескольких десятков до единиц вольт.

В ИМП-диодах даже при NEr < NEr она действительно Методом СМЛЭ можно выращивать слои Si с любым велика и составляет 108-1010 см-2 [5].

распределением примесей Er, P, B, Ga, Al, As, Sb, в Слои Si : Er, как правило, имели n-тип проводимости.

частности, с резкими концентрационными переходами, Предполагается [2–7], что донорами являются центры, max содержащие атомы эрбия (центры Er). При NEr NEr сильно- и -легированные, а также слои большой толщины.

концентрация электронов n при комнатной температуре Используя указанные возможности, в данной рав ИМП- и МЛЭ-слоях Si : Er значительна, например, боте проведено исследование и анализ зависимоn =(3-9) · 1018 см-3 [4,5]; типичное напряжение пробоя стей интенсивности электролюминесценции IEL на диодов Ubr ограничено диапазоном 3-5 В. Ширина обдлине волны 1.54 мкм в обратно смещенных диодах ласти пространственного заряда (ОПЗ) диодов с такой p-p+-n0-n-Si : Er–n+ от концентрации и распределения концентрацией электронов мала — десятки нанометкак эрбия, так и обычных для Si донорных примесей в ров. Из них эффективно люминесцируют 10-15 нм в ОПЗ, а также от толщины ОПЗ.

конце ОПЗ [6]. Существование „темновой“ области Цель исследования — поиск путей повышения ин(35-45 нм) в начале ОПЗ объясняется [4,6] необходимотенсивности ЭЛ, выяснение механизма взаимодействия ¶ E-mail: Kuznetsov_VP@mail.ru горячих носителей с центрами Er.

Электролюминесценция на длине волны 1.54 мкм в структурах Si : Er/Si, выращенных методом... 2. Методы получения и исследования холловской подвижности электронов при T 300 K в наших слоях Si : Er были в 1.5-3 раза меньше подвижноSi-структуры p-p+-n0-n-Si : Er–n+ выращивались ме- сти в слоях Si, не содержащих эрбий [10]. Уменьшение тодом СМЛЭ [1] в вакууме (2-6) · 10-7 мбар, без напус- подвижности, обусловленное введением в слои эрбия, ка какого-либо газа, на подложках p-Si : B(100) с удель- можно удовлетворительно объяснить рассеянием на нейным сопротивлением 10 Ом · см. Сначала осаждался тральных центрах Er по модели Эргинсоя [11]. Отсюда, слой Si : B толщиной 50-200 нм и с концентрацией ды- в частности, следует, что при комнатной температурок p+ = 4 · 1018 см-3. Затем (в некоторых структурах) ре и NEr = 5 · 1018 см-3 длина пробега электронов до выращивался слой n0-Si : P или n0-Si : Sb (толщиной d0) с столкновения с центром Er равна 17 нм. В n-Si : Er-базе 0 Nd = 1015-1016 см-3 или слой n+ с Nd = 3 · 1018 см-3. наших диодов значение времени жизни в возбужденном Далее — слой n-Si : Er (толщиной d и концентрацией состоянии и эффективное сечение возбуждения центров мелких доноров Nd) и затем слой с концентрацией Er были не хуже, чем для ИМП- или МЛЭ-диодов.

Поэтому после оптимизации параметров диода были электронов n+ 1020 см-3 и толщиной от 0.1 до 1 мкм.

основания ожидать более высоких значений интенсивКонцентрация эрбия в базе диодов обычно была в ности электролюминесценции IEL.

интервале NEr (1-5) · 1018 см-3, иногда варьировалась от 1017 см-3 до 1020 см-3. Слои p+, n+ и n-Si : Er выращивались при температурах 520-580C. Дополни4. Результаты исследования тельному отжигу полученные структуры не подвергаи их обсуждение лись. Светодиоды изготавливались по стандартной мезатехнологии (площадь мез 1.6-2.5мм2) или путем выреНа рис. 1 представлены зависимости интенсивности зания чипов той же площади. Напряжение пробоя диоIEL от толщины d0 слабо легированного n0-слоя в дов Ubr определялось на мезах площадью 10-4 см2. Конобратно смещенных диодах, сделанных на структурах центрация носителей заряда в структурах измерялась типа p-p+-n0-n-Si : Er–n+. На этом рисунке, так же как вольт-фарадным, электрохимическим вольт-фарадным, и на последующих, штриховой горизонтальной прямой холловским методом; концентрация примесей — метообозначен уровень чувствительности измерения интендом масс-спектрометрии вторичных ионов. Спектры ЭЛ сивности ЭЛ. Слой кремния с концентрацией электронов в диапазоне 1-1.62 мкм регистрировались фотоприемn0 легирован Sb или P (Nd 8 · 1014-5 · 1016 см-3) и никами на основе InGaAs [8] или Ge.

не содержит Er. В слоях n-Si : Er концентрация мелких доноров Nd для трех структур составляла 1.5 · 1016 см-для четвертой — 5 · 1017 см-3. Во всех структурах 3. Общая характеристика структур Механизм роста СМЛЭ-слоя Si на поверхности Si(100) — послойно-кластерный [9]. Это значит, что слой любой толщины должен быть сплошным. Исследование кристаллической структуры наших слоев Si : Er методами электронной микроскопии и обратного резерфордовского рассеяния свидетельствует об их достаточно высоком совершенстве. Дефекты (дислокации) обнаружены только в оптическом микроскопе после избирательного травления толстых слоев в 1-3мкм.

Их плотность в однородно и селективно легированных эрбием слоях была в пределах от 102 до 2 · 104 см-2 [10].

Наличие небольшой плотности дефектов в наших слоях упрощает интерпретацию результатов исследований в данной работе. Метод СМЛЭ может служить альтернативой другим методам получения структур Si : Er/Si, например методу ИМП. Дефекты могут быть места- Рис. 1. Зависимости интенсивности электролюминесценции от толщины d0 слоя n0 в обратно смещенных диодах ми стока атомов Er в оптически неактивные позиции, p-p+-n0-n-Si : Er–n+. Температура роста слоев n-Si : Er центрами потери энергии свободными электронами и Tgr = 580C. 1 — структура № 141, T = 77 K, n0 = рекомбинации экситонов. Концентрационные p+-n- и = 2 · 1015 см-3, NEr = 5 · 1018 см-3, Nd = 1.5 · 1016 см-3, d = n-n+-переходы в наших структурах предельно резкие = 250 нм; 2 — структура № 139, T = 300 K, n0 = 8 · 1014 см-3, с градиентом 2.5 · 1027 см-4 [1]. В интервале 77-300 K NEr = 5 · 1018 см-3, Nd = 1.5 · 1016 см-3, d = 50 нм; 3 —струкконцентрация электронов n в слоях Si : Er слабо зависит тура № 141, T = 300 K, n0 = 2 · 1015 см-3, Nd = 5 · 1018 см-3, от температуры. ВИМС-исследования показали, что в Nd = 1.5 · 1016 см-3, d = 250 нм; 4 — структура № 142, наших слоях Si : Er присутствует фосфор с концентраT = 300 K, n0 = 5 · 1016 см-3, NEr = 3 · 1018 см-3, Nd = цией, близкой к концентрации электронов n. Значения = 5 · 1017 см-3, d = 500 нм. d — толщина слоя n-Si : Er.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 870 В.П. Кузнецов, Д.Ю. Ремизов, В.Н. Шабанов, Р.А. Рубцова, М.В. Степихова...

монстрирует замечательные закономерности. Диоды с толстой базой n-Si : Er (d > 0.4мкм) люминесценции не имели, а более тонкие — генерировали фотоны даже при очень малой толщине базы d = 0.02 мкм.

При d 0.014 мкм ЭЛ в диодах не наблюдалась. Среднее значение этих величин dmin = 17 нм будем считать минимальной толщиной n-Si : Er-базы диода, в котором еще наблюдается ЭЛ. Зависимость IEL(d) имеет слабо выраженный максимум при d = 0.2 мкм. Сравнение величин напряжения пробоя диодов Ubr при температурах 77 и 300 K показало, что с уменьшением толщины слоя Si : Er происходит переход от лавинного механизма пробоя (d > 0.4мкм) к смешанному (d 0.2мкм), а затем к туннельному (d < 0.2мкм).

Измерив напряжение пробоя Ubr и толщины базы Рис. 2. Зависимости интенсивности электролюминесценции n-Si : Er-диодов с Nd 1.5 · 1016 см-3, мы определили при T = 300 K в диодах p-p+-n-Si : Er–n+ от толщины d слоя среднее значение напряженности электрического поля n-Si : Er. Обратное смещение. Температура роста Tgr = 580C, Nd = 1.5 · 1016 см-3, NEr = 5 · 1018 см-3. 1 — структура № 151, E в ОПЗ диодов с различной степенью прокола ба2 — структура № 156. Структуры отличаются шероховатостью зы (рис. 3). Из рис. 3 видно, что с уменьшением интерфейсов между слоями.

толщины базы поле E растет, достигая в насыщении значения 1.5 · 106 В/см при d 20 нм. Для толщины базы d 0.02 мкм E слабо изменяется по длине ОПЗ.

При введении эрбия в базу диода поле E уменьшается, падает напряжение пробоя (рис. 3). Это становится заметным при d > 0.1 мкм. Разница в значениях E и Ubr растет с увеличением толщины базы, т. е. с увеличением лавинной составляющей пробоя. Вероятно, присутствие эрбия в базе диода способствует умножению электронов. Для диодов с эрбием и без эрбия значения E и Ubr совпадают при d < 0.1 мкм, так как при E > 8 · 105 В/см (рис. 3) пробой диодов становится туннельным. Знание напряженности электрического поля в Si-p-i-n-диодах необходимо для ряда применений.

Теоретические расчеты Ubr в p-i-n-диодах с резкими несимметричными переходами выполнены в предполоРис. 3. Среднее значение электрического поля E (1–3) жении лавинного пробоя [12]. Последнее несправедливо и напряжение при пробое p-i-n-диодов Ubr (1 -3 ) в задля интересующего нас диапазона толщин базы n-Si : Er висимости от толщины базы для резких несимметричных d 0.2мкм.

переходов при T = 300 K. Диоды сделаны на структурах тиНа рис. 4 показана зависимость IEL от Nd и Ubr при па p-p+-n-Si–n+, температура роста структур Tgr = 580C, p+ = n+ = 4 · 1018 см-3. 1, 1 — структура № 166, без Er;

300 K в обратно смещенных диодах. Диоды изготовлены 2, 2 — структура № 156, NEr = 5 · 1018 см-3; 3, 3 —струкна структурах типа p-p+-n-Si : Er: Sb–n+, которые были тура № 151, NEr = 5 · 1018 см-3. Для всех слоев n-типа выращены при 520C с NEr = 1018 см-3. Толщина слоя Nd = 1.5 · 1016 см-3.

n-Si : Er : Sb в этих диодах была больше ширины ОПЗ при пробое или близка к ней (при Nd 1016 см-3).

Из рис. 4 видно, что кривая IEL(Nd) имеет максимум при Nd 4 · 1017 см-3. При изменении Nd от этого максимальная величина IEL при 77 и 300 K наблюдалась в диодах, в которых не содержащая эрбий n0-область от- оптимального значения интенсивность IEL падает резко и значительно. Ширина ОПЗ при Nd = 4 · 1017 см-сутствовала (d0 0). Таким образом, наличие в диодах n0-области, вопреки распространенному мнению [2–6], составляет 0.15 мкм, что заметно больше ширины ОПЗ в не только бесполезно, но и вредно с этой точки зрения. диодах, изготовленных методами ИМП [5] или МЛЭ [4] с Nd (3-9) · 1018 см-3. Из рис. 4 видно, что интенНа рис. 2 представлены зависимости IEL при 300 K в обратно-смещенных диодах p-p+-n-Si : Er–n+ от сивность IEL при таких значениях Nd в 5-10 раз толщины d базы n-Si : Er. В обеих структурах слои ниже максимальной. Диод с Nd = 9 · 1018 см-3 (ширина n-Si : Er имели Nd = 1.5 · 1016 см-3, NEr = 5 · 1018 см-3; ОПЗ 20 нм) имеет такую же небольшую интенсивp+ = n+ = 4 · 1018 см-3, но отличались степенью ше- ность ЭЛ, как и диод с длиной базы d = 20 нм (рис. 2), роховатости интерфейсных поверхностей. Рис. 2 де- близкой к значению dmin.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Электролюминесценция на длине волны 1.54 мкм в структурах Si : Er/Si, выращенных методом... Для определения длины пробега электрона, на которой он копит и теряет энергию, был исследован диод p-p+-n+-n-Si : Er–n+. Слой n-Si : Er имел толщину 50 нм, Nd = 1.5 · 1016 см-3, NEr = 5 · 1018 см-3. Слой n+ был легирован только фосфором до Nd = 3 · 1018 см-3.

Его толщина (50 нм) равнялась ширине ОПЗ при пробое p+-n+-диода с n+ = 3 · 1018 см-3 [12]. Най0 денное нами напряжение пробоя исследованного диода составляло Ubr 5 В, т. е. совпадало с напряжением пробоя p+-n+-диода с n+ = 3 · 1018 см-3 [12]. Та0 ким образом, электрическое поле при пробое диода p-p+-n+-n-Si : Er–n+ концентрировалось в слое n+ и 0 отсутствовало в слое n-Si : Er. В этом опыте цель осаждения слоя n+ — обеспечить накопление энергии электронами перед входом в слой n-Si : Er. По нашим оценкам эта энергия равнялась 3.5 эВ. Учитывая, что в диоде, Рис. 4. Интенсивность электролюминесценции при T = 300 K содержащем слой n+, IEL была в 3 раза меньше, чем в обратно смещенных диодах p-p+-n-n-Si : Er–n+ в зависимов таком же диоде без слоя n+, а толщина слоя n-Si : Er в сти от концентрации доноров в слое n-Si : Er. Структура № 136.

обоих диодах равна 50 нм, мы определили, что 17 нм.

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.