WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 9 Влияние дозы имплантации ионов эрбия на характеристики (111) Si : Er : O-светодиодных структур, работающих в режиме пробоя p-n-перехода © Н.А. Соболев¶, А.М. Емельянов, Ю.А. Николаев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 февраля 2000 г. Принята к печати 1 марта 2000 г.) Исследованы характеристики Si : Er : O-светодиодных структур, изготовленных методом ионной имплантации на (111)-ориентированных монокристаллических подложках кремния и работающих в режимах как лавинного, так и туннельного пробоя p-n-перехода. Интенсивность электролюминесценции ионов Er3+ немонотонно зависит от концентрации введенных ионов редкоземельного элемента. В некоторых туннельных диодах обнаружен эффект возгорания интенсивности электролюминесценции ионов Er3+ при увеличении температуры.

Введение ионы бора (40 кэВ, 5 · 1015 см-2) и фосфора (80 кэВ, 1 · 1015 см-2) имплантировались в лицевую и обратную Интерес к монокристаллическому кремнию, легиростороны пластин соответственно. Все имплантации прованному редкоземельным элементом эрбием, обусловодились при комнатной температуре. Отжиг образцов влен перспективой его применения при изготовлении проводился в хлорсодержащей атмосфере в наиболее светоизлучающих структур в оптоэлектронике. Электрошироко используемом температурно-временном режиме люминесценция (ЭЛ) на длине волны 1.54 мкм 620C/1 ч и 900C/0.5 ч [1–5]. Первая низкотемпературобусловлена переходами электронов с первого возбужная стадия отжига сопровождалась перекристаллизацией 4 4 денного состояния I13/2 в основное состояние I15/2 аморфного слоя по механизму твердофазной эпитакионов Er3+. Максимальная интенсивность ЭЛ при ком- сии. На втором этапе отжига происходило образование натной температуре достигается в монокристаллическом эрбийсодержащих оптически и электрически активных кремнии, легированном эрбием и кислородом, в режиме центров. Светодиоды с мезаподобным краевым контуром пробоя p-n-перехода. Обширные исследования свойств и рабочей площадью S = 2.3мм2 изготавливались с присветодиодов были выполнены на Si : Er : O-образцах с менением напыления титана и золота, фотолитографии ориентацией подложки (100) [1,2]. Нами недавно было и химического травления [5]. Вольт-амперные харакпоказано, что интенсивная ЭЛ ионов Er3+ при комнатной теристики (ВАХ) диодов измерялись на частоте 32 Гц температуре может быть получена на образцах с ориенс длительностью импульсов 0.5 мс. ЭЛ возбуждалась тацией (111) в режиме лавинного пробоя [3–5]. Цель прямоугольными импульсами тока на частоте 30 Гц с настоящей работы заключалась в исследовании влияния длительностью импульсов 1–5 мс. Излучение диодных дозы имплантации ионов эрбия в (111)-ориентированструктур фокусировалось линзовой системой на входную ные подложки кремния на характеристики светодиодных щель монохроматора МДР-23, и на его выходе спектр ЭЛ структур.

регистрировался InGaAs неохлаждаемым диодом (с разрешением 7 нм в диапазоне = 1.0-1.65 мкм).

Экспериментальные условия Экспериментальные результаты В качестве подложек использовались полированные пластины кремния n-типа проводимости с удельКонцентрационные профили примесей Er и B, изменым сопротивлением 5 Ом·см, выращенного по методу ренные методом вторичной ионной масс-спектрометрии Чохральского в направлении (111). Для создания опти(ВИМС), приведены на рис. 1. В результате имплантачески активного слоя проводилась совместная импланции и отжига формировались слои n-типа проводимости тация ионов эрбия с энергиями 2.0 и 1.6 МэВ и дозами с практически постоянной на расстоянии 0.5–0.8 мкм от 1 · 1014 см-2 (образец 3.1), 3 · 1014 см-2 (образец 3.2), поверхности образца и увеличивающейся с ростом дозы 9 · 1014 см-2 (образец 3.3) и кислорода (0.28 и 0.22 МэВ, имплантации концентрацией атомов эрбия 4 · 1018, 1 · 1015 см-2 (3.1), 3 · 1015 см-2 (3.2), 9 · 1015 см-2 (3.3)), 1 · 1019 и 4 · 1019 см-3. На концентрационных профилях которая сопровождалась аморфизацией проповерхностэрбия в области 0.8–1.1 мкм от поверхности наблюдаютного слоя кремния. Используемые энергии обеспечивали ся провалы. Их образование обусловлено изменением совпадение проецированных пробегов ионов Er и O.

коэффициента сегрегации на движущейся в процессе Для формирования сильно легированных p+ и n+-слоев твердофазной эпитаксиальной перекристаллизации гра¶ E-mail: nick@sobolev.ioffe.rssi.ru нице аморфный слой–монокристалл [6].

1070 Н.А. Соболев, А.М. Емельянов, Ю.А. Николаев пробоя при понижении температуры характерно для туннельных диодов [7]. Интересно отметить, что увеличение концентрации введенных ионов Er и O в образце 3.3 по сравнению с образцом 3.2 сопровождается увеличением экстраполированного напряжения пробоя при комнатной температуре от 4.2 до 5.2В.

Спектры ЭЛ диодов, измеренные при 300 K и обратном токе 300 мА, приведены на рис. 3. В спектрах помимо пика с максимумом при = 1.538 мкм, связанного с излучательными переходами электронов между расщепленными в кристаллическом поле уровнями I13/и I15/2 ионов Er3+, в области прозрачности кремния наблюдается относительно слабое и почти не зависящее от излучение, обусловленное переходами ”горячих” электронов внутри зоны проводимости кремния (так называемая ”горячая” ЭЛ) [8]. Для лавинных диодов 3.1 интенсивный рост ЭЛ ионов Er3+ и горячей ЭЛ начинается при значении обратного тока 10 мА. Для туннельных диодов 3.2 и 3.3 пороговые значения токов, при которых начинает значительно расти ЭЛ ионов эрбия ( 25 мА Рис. 1. Данные ВИМС. B — распределение бора, Er — рас- в 3.2 и 200 мА в 3.3), были меньше пороговых пределение эрбия.

значений токов, при которых начинается интенсивный рост горячей ЭЛ ( 75 и 500 мА соответственно).

Зависимости интенсивности ЭЛ ионов эрбия на длине волны = 1.538 мкм от плотности обратного тока j для исследованных диодов представлены на рис. 4.

Максимальная интенсивность ЭЛ как при 300 K, так и при 80 K наблюдается в туннельных диодах типа 3.2.

Однако плотность тока, при которой практически достигается насыщение зависимости интенсивности ЭЛ от плотности тока, как и в ранее исследованных туннельных диодах с (100) ориентаций Si [1], примерно на порядок величины больше, чем в лавинных диодах. Туннельные Рис. 2. Обратные ветви ВАХ диодов, измеренные при различных температурах.

Обратные ветви ВАХ для диодных структур с разными дозами при различных температурах показаны на рис. 2.

Для образца с минимальной дозой имплантации величина экстраполированного напражения пробоя при 300 K ( 6.2В) и его уменьшение при понижении температуры свидетельствуют, что имеет место лавинный пробой.

Напротив, наблюдавшееся для обоих образцов с большиРис. 3. Спектры ЭЛ исследованных образцов при j = 13 А/смми дозами увеличение экстраполированного напряжения и 300 K.

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Влияние дозы имплантации ионов эрбия на характеристики (111) Si : Er : O-светодиодных... менным представлениям [8], интенсивная горячая ЭЛ в исследованной нами области обусловлена излучательными переходами электронов между второй 2 и первой 1 подзонами зоны проводимости. Поэтому большая величина порогового тока в диодах 3.3 может быть обусловлена недостаточным разогревом носителей заряда в электрическом поле p-n-перехода. Одной из возможных причин меньшей интенсивности ЭЛ в образце 3.3 по сравнению с 3.2 является большая дефектность легированного эрбием слоя кремния, приводящая, например, к неоднородному протеканию тока через p-n-переход или появлению дополнительых каналов безызлучательной рекомбинации.

Для исследованных в настоящей работе (111) Si : Er : O-туннельных светодиодов интенсивность ЭЛ на = 1.538 мкм при 80 K существенно выше, чем при 300 K (рис. 4). Температурные зависимости интенсивности эрбиевой ЭЛ для исследованных диодов приведены на рис. 5. Для светодиодов типа 3.3 имеет место монотонное уменьшение интенсивности ЭЛ с Рис. 4. Зависимости интенсивности ЭЛ ионов эрбия исследоростом температуры. Такой (обычный) характер темванных образцов от плотности обратного тока при 300 и 80 K.

пературных зависимостей ранее наблюдался для (100) Si : Er : O-туннельных [9] и (100) Si : Er : O-лавинных [10] светодиодов. Для образцов 3.1 и 3.2 имеются участки немонотонного изменения (возгорания) интенсивности ЭЛ с ростом температуры. Для (111) Si : Er : O-лавинных диодов этот эффект был нами обнаружен ранее [3], и было показано, что он может быть связан с заполнением при низких температурах дырочных ловушек в активной области p-n-перехода, приводящим к изменению характеристик пробоя. По-видимому, с этой же причиной может быть связан и эффект возгорания ЭЛ, обнаруженный в данной работе в (111) Si : Er : O-туннельном диоде 3.2.

Целый ряд обнаруженных в настоящей работе особенностей в характеристиках (111) Si : Er : O-светодиодных структур при увеличении дозы имплантируемых ионов, по-видимому, обусловлен процессами образования структурных дефектов в процессе постимплантационных отжигов. Как показали предварительные исследования методом просвечивающей электронной микроскопии [11], в рабочей области (111) Si : Er : O-лавинных светодиодных структур образуются два типа структурных дефектов — микродвойники и непрямолинейные дислокации с плотностью, превышающей 1010 см-2. Можно Рис. 5. Температурные зависимости интенсивности ЭЛ на = 1.538 мкм для исследованных структур при токе 0.3 А ожидать, что увеличение дозы имплантации ионов Er и (измерения выполнялись при нагреве образца.) O сопровождается не только увеличением концентрации этих протяженных дефектов, но и их значительной трансформацией, вызывающей немонотонное изменение электрических и оптических свойств светодиодных структур.

диоды типа 3.3, несмотря на большую концентрацию введенного эрбия, характеризуются меньшей интенсивностью излучения, чем диоды 3.2. Кроме того, пороговые Заключение токи начала ЭЛ ионов эрбия и горячей ЭЛ в этих диодах значительно выше, чем в 3.2. Для возбуждения ЭЛ ионов Установлено, что при формировании на (111)-ориенэрбия по ударному механизму в режиме туннельного тированных подложках кремния Si : Er : O-светодиодных пробоя нужны горячие носители заряда с энергией не структур, работающих в режиме пробоя p-n-перехода, менее чем 0.8эВ [1]. Кроме того, согласно совре- интенсивность эрбиевой ЭЛ немонотонно зависит от Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1072 Н.А. Соболев, А.М. Емельянов, Ю.А. Николаев концентрации введенных редкоземельных ионов. В не- The influence of the erbium ion которых туннельных диодах, как ренее в лавинных implantation dose on the characteristics of образцах, обнаружен эффект температурного возгорания (111) Si : Er : O light emitting diodes интенсивности эрбиевой ЭЛ. Полученные эксперименworking under regime of p-n-junction тальные результаты указывают на существенную роль breakdown структурных дефектов, образующихся в процессе твердофазной эпитаксиальной перекристаллизации аморфиN.A. Sobolev, A.M. Emel’yanov, Yu.A. Nikolaev зованных при имплантации ионов эрбия слоев кремния Ioffe Physicotechnical Institute, на электрические и оптические свойства Si : Er : O-светоRussian Academy of Sciences, диодов.

194021 St. Petersburg, Russia Авторы благодарны Т.М. Мельниковой, Е.О. Паршину и А.В. Шестакову за помощь в изготовлении образцов.

Abstract

The characteristics of Si : Er : O light emitting diodes fabricated by ion implantation on the (111)-oriented single crystal Работа частично поддержана Российским фондом фунsilicon substrates and working under regimes of avalanche or tunnel даментальных исследований (грант 99-02-17750).

breakdown of p-n-junction have been studied. The Er3+ ion electroluminescense intensity depends nonmonotonically on the Список литературы concentration of rare earth ions implanted. An effect of an increase in the intensity with temperature rise has been observed in some [1] S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo. Appl. Phys. Lett., 69, tunneling diodes.

(1996).

[2] S. Coffa, G. Franzo, F. Priolo, A. Pacelli, A. Lacita. Appl. Phys.

Lett., 73, 93 (1998).

[3] A.M. Emel’yanov, N.A. Sobolev, A.N. Yakimenko. Appl. Phys.

Lett., 72, 1223 (1998).

[4] N.A. Sobolev, A.M. Emel’yanov, S.V. Gastev, P.E. Khakuashev, Yu.A. Nikolaev, M.A. Trishenkov. MRS Symp. Proc., 486, (1998).

[5] N.A. Sobolev, Yu.A. Nikolaev, A.M. Emel’yanov, K.F. Shtel’makh, P.E. Khakuashev, M.A. Trishenkov. J. Luminecs, 80, 315 (1999).

[6] О.В. Александров, Ю.А. Николаев, Н.А. Соболев. ФТП, 34, 3 (2000).

[7] С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. [Пер с англ.

под ред. Р.А. Суриса (М., Мир, 1984)].

[8] J. Bude, N. Sano, A.Yoshii. Phys. Rev. B, 45, 5848 (1992).

[9] G. Franzo, F. Priolo, S. Coffa, A. Polman, A.Carnera. Appl.

Phys. Lett., 64, 2235 (1994) [10] N.A. Sobolev, A.M. Emel’yanov, K.F. Shtel’makh. Appl. Phys.

Lett., 71, 1930 (1997) [11] Н.А. Соболев, А.М. Емельянов, Ю.А. Николаев, В.И. Вдовин. ФТП, 33, 660 (1999).




© 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.