WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Температура роста 520C, NEr = 1018 см-3.

Таким образом, поскольку предварительное накопление энергии электронами не увеличивает IEL, единственной возможностью для этого является создание в Si : Er-базе диода достаточно сильного электрического поля, такого, Примем, что в ОПЗ обратно смещенных люминесцичтобы длина L, на которой электрон мог бы набрать рующих диодов имет место ударный механизм возбуэнергию Wex, была меньше или сравнима с длиной ждения электронов в оболочке атома Er горячими элекпробега электрона :

тронами [5,6]. Эти электроны должны набирать энергию в электрическом поле ОПЗ. Наши диоды с толстой L. (1) областью n-Si : Er (Nd = 1.5 · 1016 см-3, напряженность поля E падает до нуля на толщине 2 мкм) имели Это очевидное условие генерации фотонов справедливо Ubr = 40 В. Если бы электроны не теряли энергию, они независимо от того, на каких центрах в ОПЗ электроны могли быть иметь в конце пробега ОПЗ энергию в теряют энергию.

несколько десятков эВ. Судя по тому, что в этих диодах Ответ на вопрос, какие центры в ОПЗ являются для ЭЛ отсутствовала, следует считать, что среднестатистиэлектронов основными центрами потери энергии, дал ческий электрон на длине ОПЗ не мог копить энергию, следующий эксперимент. В диодах p-p+-n-Si : Er–n+ пока она не достигла порогового значения Wex. Это исследовалась зависимость IEL(NEr) (рис. 5). Слои значит, что он практически полностью терял энергию n-Si : Er в диодах имели толщину d = 0.5-0.6мкм и при встрече с некоторым центром, теряя ее порциями, меньшими, чем Wex. Умножение электронов в зоне проводимости может происходить по модели Шокли [13]. Шокли и его последователи предполагали, что пороговой энергии ионизации атомов кремния могут достигать лишь те электроны, которые пробегают в направлении электрического поля необходимый путь практически без соударений. Модель Шокли лучше, чем другие, описывает экспериментальные данные в Si [14].

Нормальные электроны энергии ионизации никогда не достигают. Они теряют ее при рассеянии на фононах.

Среднестатистический электрон в легированных эрбием диодах тем более не будет достигать энергии ионизации, так как к потерям энергии на фононах будут добавляться потери на центрах Er. Так же как и в модели Шокли, Рис. 5. Интенсивность электролюминесценции при T = 300 K мы предполагаем, что кинетическая энергия электронов в обратно смещенных диодах p-p+-n-n-Si : Er–n+ в завиобусловлена в основном составляющей скорости вдоль симости от концентрации эрбия в слое n-Si : Er. Параметры электрического поля. Далее будет указан и другой слоя n-Si : Er: толщина 0.5-0.6мкм, Nd =(1.5-3) · 1016 см-3.

возможный путь умножения электронов в диодах, база Штриховая прямая — уровень чувствительности измерения которых содержит эрбий. интенсивности электролюминесцении.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 872 В.П. Кузнецов, Д.Ю. Ремизов, В.Н. Шабанов, Р.А. Рубцова, М.В. Степихова...

в конце пробега с учетом небольшой потери на фононах (0.062 эВ на длине волны 10 нм [14]). Зависимость IEL/d от W показана на рис. 6. Для толщины базы d 0.1мкм величина d принималась равной 0.5d. Так мы пытались учесть существование области лавинного умножения электронов. Изменение численного коэффициента в соотношении d = 0.5d (в разумных пределах) не изменит выводов, сделанных далее. Из рис. 6 видно следующее.

1. Электроныс энергиейW < 0.8 эВ мало эффективны при генерации фотонов.

2. При увеличении W от 0.8 до 3.5 эВ величина IEL/d практически не растет.

Рис. 6. Зависимость интенсивности электролюминесценции, 3. Найденное значение W = Wex примерно совпадает отнесенной к длине пробега электрона, от его энергии. Расчет с разницей энергий электрона 0.8 эВ, находящегося на по данным структуры № 156 (рис. 2).

основном и первом возбужденном уровнях атома Er.

Далее мы проанализируем полученные нами экспериментальные факты с точки зрения выполнения условия (1). Предлагаем простую модель. 1). При столкновеNd =(1.5-3) · 1016 см-3. Из рисунка видно, что такие нии с центром Er электрон полностью теряет энергию диоды при NEr 1.6 · 1018 см-3 не имели ЭЛ. Она появнезависимо от того, больше она величины Wex или лялась при значении NEr 1.2 · 1018 см-3 и наблюдалась меньше, а также есть ЭЛ или нет. 2). При рассеянии по крайней мере до NEr 3 · 1017 см-3. Полученные на оптических фононах электрон теряет 0.062 эВ на результаты можно объяснить, если принять во внимание, длине 10 нм [14]. 3). Длина пробега электрона не что основными центрами рассеяния в ОПЗ являются зависит от энергии электрона. 4). Направление движения центры Er. При большой концентрации Er длина проэлектронов в ОПЗ совпадает с направлением поля E.

бега настолько мала, что электроны не могут на ней Выше указывалось, что для диодов с толстой набрать необходимую энергию Wex.

базой n-Si : Er (d = 2мкм, Nd = 1.5 · 1016 см-3) при Выше было найдено, что длина пробега составляNEr = 5 · 1018 см-3 ЭЛ не наблюдалась. Ранее [8] ет 17 нм. Это значение соответствует NEr = 5 · 1018 см-3.

этот факт был объяснен неоднородностью распредеИнтересно, что указанная величина совпадает с длиления тока накачки по площади p+-n-перехода. Даной пробега электронов, найденной для наших слоев лее обсуждается другая интерпретация, соответствуSi : Er из холловской подвижности в слабом поле E ющая условию (1). При лавинном пробое диода с при рассеяния на центрах Er [10]. Длина также Nd = 1.5 · 1016 см-3 и толстой базой (поле E падает совпадает со значением минимальной толщины dmin до нуля) концентрация свободных электронов достигает n-Si : Er-базы диода, при которой ЭЛ находится на грамаксимума на расстоянии (от слоя p+), составляюни обнаружения (рис. 2). На расстоянии dmin = 17 нм щем 40% ширины ОПЗ. При Nd = 1.5 · 1016 см-3 (толэлектрон в поле E = 1.5 · 106 В/см (рис. 3) набиращина ОПЗ 2 мкм) Emax = 4 · 105 В/см [12]. Так как напряет энергию 2.5 эВ, достаточную для генерации фотоженность E по длине падает линейно, после образования на с длиной волны 1.54 мкм. Однако при d = 17 нм лавины электронов она будет равна 2.4 · 105 В/см. Даже IEL резко падает, так как при толщине базы n-Si : Er без учета того, что при введении эрбия в ОПЗ напряd < среднестатистический электрон пробегает ОПЗ, женность E снижается, и без учета потерь энергии на не встретив Er. Такое же объяснение, вероятно, можгенерацию оптических фононов к моменту столкновения но дать и наличию темновых областей ОПЗ, обнас центром Er электрон на длине = 17 нм наберет тольруженных в работах [4,6]. Их существование автоко 0.4 эВ. Эта величина существенно меньше найденного ры [4,6] объясняют разогревом электронов до энерминимального значения Wex = 0.8 эВ. Если центры Er гии Wex. Однако при Nd =(3-9) · 1018 см-3 [4,6] поле являются глубокими донорами (ГД), то электроны проE 106 В/см [6,12,15], и, казалось бы, необходимую водимости с энергией менее Wex при столкновении с энергию 0.8 эВ электрон должен набрать на расстоянии центрами могут терять энергию, забрасывая электроны L 8 нм, что заметно меньше длины темновой облас глубокого уровня в зону проводимости, а сталкиваясь сти 35-45 нм [4,6].

с атомами Si, — забрасывая электрон из валентной зоны Какую энергию Wex электрон в зоне проводимости на уровень центра Er.

должен иметь для возбуждения электрона в оболочке Указание на существование ГД получено при легиатома Er По данным рис. 2 (кривая 2) мы рассчи- ровании слоев бором. До введения бора слои Si : Er тали интенсивность ЭЛ, приходящуюся на одну длину имели концентрацию электронов 1.5 · 1016 см-3. Если пробега, а по величине поля E (рис. 3) —энергию бы центры Er были электрически неактивны, то после электрона W = E - 0.062 эВ, которую он может иметь введения, например, 2 · 1017 см-3 бора слой Si : Er : B Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Электролюминесценция на длине волны 1.54 мкм в структурах Si : Er/Si, выращенных методом... должен иметь концентрацию дырок p 2 · 1017 см-3, был изготовлен. Его параметры: слой n+ толщиа диод соответственно толщину начальной ОПЗ 100 нм ной d0 20 нм легирован фосфором до 3 · 1018 см-3, и Ubr = 8 В. На самом деле, после легирования бо- слой n-Sr : Er с концентрациями NEr = 5 · 1018 см-3, ром Ubr составляло 22 В, а начальная толщина ОПЗ, Nd = 1.5 · 1016 см-3, толщиной d 0.8мкм, Ubr = 23 В.

Результат введения слоя n+ — появление интенсивной равная 0.6 мкм, была больше ее значения 0.25 мкм до введения бора. Эти результаты можно объяснить ком- ЭЛ, без этого слоя диоды не имеют ЭЛ. Введение в базу диода тонкого слоя n+ может быть использовано пенсацией акцепторов бора электронами с мелких (P) и не только в оптоэлектронных приборах.

глубоких (центров Er) уровней.

Расстояние L зависит от напряженности поля E в Из эксперимента (рис. 2, 4) следует, что ЭЛ появляетОПЗ диода, а следовательно, от величин Nd и d базы ся и растет с увеличением концентрации доноров в базе Si : Er, а длина — от концентрации NEr. Поэтому диода, начиная от Nd 1016 см-3, или при сохранении условие (1) для возникновения ЭЛ указывает на суNd 1016 см-3, с уменьшением ее толщины d. В обоих ществование зависимости между величинами Nd, d и случаях увеличению IEL соответствует рост напряженNEr, т. е. для заданных значений Nd и d концентраности поля E в базе диода. Об этом свидетельствуют ция центров Er не должна быть больше некоторой теоретические расчеты зависимостей E(Nd) [12,15] и max максимальной NEr. Если принять, что в люминесциэкспериментальные зависимости E(d), найденные нарующих диодах на основе Si максимальное поле E ми (рис. 3). Увеличение E приводит к уменьшению ограничено величиной 1.5 · 106 В/см, то соответственно длины L и росту энергии свободных электронов перед при Wex = 0.8эВ получим L = 5 нм. Поэтому согласно столкновением с центрами Er. Именно этим в соотmax ветствии с (1) и объясняется рост интенсивности IEL условию (1) 5нм и NEr 1.7 · 1019 см-3 (предполагается, что обратно пропорциональна NEr). Если с уменьшением d (рис. 2) или ростом Nd (рис. 4).

max легировать n-Sr : Er-базу диода до NEr > NEr (

ющих фотоны. При любом типе центров, на которых Мы изготовили диоды с NEr = 2 · 1019-1020 см-3.

теряется энергия электронов, это должно привести и Толщина n-Si : Er-базы в них составляла d = 50 нм и, приводит к появлению на кривых рис. 2, 4 максимуследовательно, напряженность E = 1.5 · 106 В/см была мов IEL.

довольно большой (рис. 3). Тем не менее такие диоды Вероятность безызлучательного оже-процесса зависит в соответствии с (1) ЭЛ не имели. В диодах, полученот концентрации холодных электронов (с энергией меньных ИМП- или МЛЭ-методами, уменьшение IEL при ше Wex) и увеличивается при уменьшении напряженmax NEr > (1-5) · 1019 см-3 объясняется обычно иначе — ности поля E в p-n-переходе. Поэтому уменьшение появлением дефектов кристаллической структуры [2,7].

интенсивности IEL после максимумов при возрастании max Если в ОПЗ NEr < NEr, то не всегда следует ожидать толщины n-Si : Er-базы (рис. 2) или при уменьшении Nd пропорциональной зависимости IEL от NEr. Например, (рис. 4) может усиливаться оже-процессом.

в диодах с Nd = 1017 см-3 и d = 0.4мкм NEr уменьшали Если L (диод люминесцирует), центры Er не будут на порядок от 1018 см-3 до 1017 см-3. Интенсивность IEL мешать электронам копить энергию до значения Wex.

при этом уменьшалась только в 1.5 раза. В этом случае В этом случае нет необходимости вводить слой с малой в соответствии с (1) область продуктивного взаимодейконцентрацией Nd между областью p+ и слоем n-Sr : Er.

ствия горячих электронов с центрами Er расширяется Это согласуется с нашими экспериментальными резульв ту часть ОПЗ, где поле E меньше, а длина L татами (рис. 1). Кроме того, введение слабо легировансоответственно больше.

ного n0-слоя не только не помогает, но и резко, в некотоПоведение IEL с изменением температуры зависит рых случаях до нуля, снижает IEL. Для этого достаточно от соотношения меняющихся величин и L. В базе ввести n0-слой толщиной d0 всего лишь в несколько диода с Nd = 1.5 · 1016 см-3 и d = 0.2-0.3 мкм напрядесятков нанометров (рис. 1). Вероятно, присутствие женность E практически не изменяется в интервале 77 на технологической границе p-n-перехода центров Er температур от 77 до 300 K, так как Ubr K = Ubr K, облегчает заброс электронов через их глубокие уровни следовательно, L77 K L300 K. Если предположить, что с из валентной зоны в зону проводимости. Введение эрбия понижением температуры уменьшается, и, следовав ОПЗ диода снижает напряжение пробоя (рис. 3) и тельно, 77 K < L77 K, интенсивность ЭЛ в соответствии увеличивает предпробойный ток.

с (1) также должна резко падать. Это действительно Область умножения электронов в толстой n-базе мож- наблюдалось нами — такие диоды при 77 K ЭЛ не но также существенно сократить, если между слоями имели и „загорались“ при T 300 K. Это было хоp+ и n-Sr : Er в диоде ввести сильно легированный слой рошо видно, так как в спектре ЭЛ от этих диодов n+. Слой n+ обеспечивает туннелирование электронов практически отсутствовал фон горячей электролюми0 в n-Si : Er-базу диода, освобождая тем самым для гене- несценции.

рации фотонов часть ОПЗ с наиболее сильным элек- Таким образом, предложенная модель взаимодействия трическим полем E. Такой диод p-p+-n+-n-Sr : Er–n+ горячих электронов с центрами Er удовлетворительно Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 874 В.П. Кузнецов, Д.Ю. Ремизов, В.Н. Шабанов, Р.А. Рубцова, М.В. Степихова...

объясняет экспериментальные результаты. Условие (1) ной структуре p+-n-Si : Er-перехода. Определены длина является необходимым для появления ЭЛ. Однако для пробега электронов при взаимодействии с центрами Er, получения максимальной IEL необходимо, чтобы (1) зависимость интенсивности ЭЛ от энергии электронов.

было в согласии с другим очевидным условием — ОПЗ, Найдено значение пороговой энергии свободного элекгде электроны взаимодействуют с центрами Er, должна трона Wex, необходимой для возбуждения электрона в быть максимально большой. При соблюдении обоих оболочке Er. Экспериментально определены значения условий оптимальное значение E и NEr могут быть ниже напряженности электрического поля при пробое кремнимаксимальных. евых p-i-n-диодов, легированных и нелегированных Er.

Предложена простая модель взаимодействия горячих Наши исследования показали, что толщину области Si : Er, где горячие электроны сталкиваются с цен- электронов с центрами Er.

Pages:     | 1 || 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.