WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 9 О механизме электролюминесценции в кремниевых диодах с большой концентрацией дислокаций ¶ © А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 28 декабря 2004 г. Принята к печати 13 января 2005 г.) Предложена гипотеза, позволяющая по-новому объяснить влияние дисклокций на электролюминесценцию кремниевых диодов. Ее сущность заключается в учете пространственной корреляции между инжектированными электронами и дырками, которые рекомбинируют внутри дислокаций. Проанализировано два случая.

В первом случае результирующий ток определяется туннелированием электронов и дырок по дислокациям с последующей рекомбинацией в условиях неполного спрямления барьера. Показано, что в этом случае электролюминесценция имеет некраевой характер, а энергия максимума полосы электролюминесценции смещается в коротковолновую область с понижением температуры и увеличением приложенного напряжения.

Во втором случае в полном токе доминирует диффузионная составляющая, излучательная рекомбинация происходит в квазинейтральных областях, а электролюминесценция имеет краевой характер. Показано, что предлагаемый механизм может привести к увеличению интенсивности электролюминесценции и ее квантовой эффективности в кремниевых диодах с дислокациями, если время жизни Шокли–Рида–Холла не превышает 10-3 c.

1. Введение времени жизни носителей заряда из-за возникновения барьеров, ограничивающих рекомбинацию.

Дислокационный механизм электро- и фотолюминесВ последнее время достигнуто существенное увелиценции (ФЛ) кремния исследовался ранее в ряде работ, чение квантовой эффективности электролюминесценции результаты которых изложены в монографии [13]. Было (ЭЛ) в кремниевых диодных структурах. Обнадеживаюпоказано, что при концентрации дислокаций, превышащие для практических применений результаты получены ющей 106 cм-2, интенсивность ФЛ и ЭЛ превышает на структурах трех типов. Первый тип — это диодные интенсивность соответствующей люминесценции в безструктуры из высококачественного кремния, выращендислокационном кремнии. Основной полосой, наблюного методом зонной плавки. В таких структурах удадавшейся при достаточно низких температурах, была лось добиться существенного уменьшения рекомбинаполоса D1 с максимумом при 0.8 эВ; по мере повышения ционных потерь, связанных с безызлучательной многотемпературы интенсивность ЭЛ и ФЛ резко уменьшафононной объемной и поверхностной рекомбинациями лась, хотя в разных работах температура, при которой носителей заряда [1,2]. Ко второму типу относятся диначинался заметный спад интенсивности полосы D1, одные структуры, полученные имплантацией бора [3–5].

была различной.

И наконец, третий тип — это диодные структуры, В настоящей работе выдвинута гипотеза, позволяюизготовленные из пластически деформированного кремщая объяснить механизм ЭЛ в структурах второго и ния [6,7]. Что касается вопроса о механизме электролютретьего типов с единых позиций. Гипотеза заключается минесценции, то более или менее четко на него можно в том, что из-за усиления пространственной корреляответить лишь в случае структур первого типа. Там ции между электроном и дыркой в дислокационной этот механизм, по-видимому, связан с излучательной области вероятность их излучательной рекомбинации рекомбинацией носителей заряда в квазинейтральных на дислокациях резко возрастает, и этот рост в ряде областях эмиттера и базы [1,8–10]. При комнатных и случаев может не только компенсировать увеличение повышенных температурах в них доминирует излучавероятности безызлучательной рекомбинации, но и стать тельная рекомбинация пространственно скоррелированпреобладающим. Установлено, что в структурах третьеных электронов и дырок [11,12], а при пониженных го типа ЭЛ и ФЛ наблюдаются, как правило, в условиях температурах — экситонная рекомбинация [9,10]. Что неполного спрямления барьера. Выдвинуто и теоретиже касается интенсивной ЭЛ в структурах второго чески обосновано предположение, что механизм ЭЛ в и третьего типов, то ее так или иначе связывают с структурах третьего типа определяется излучательной наличием дислокаций. Так, в работе [3] было высказано рекомбинацией электронов и дырок, туннелирующих предположение, что увеличение ЭЛ в структурах второ- по дислокациям навстречу друг другу. Показано, что го типа (в которых, как известно, в результате ионной положение максимума полосы излучения в этом случае имплантации образуется довольно большое количество зависит от степени спрямления первоначального барьера в p-n-переходе. Проведено сравнение результатов дислокаций) связано с увеличением безызлучательного расчета с экспериментальными данными и показано, что ¶ E-mail: kryuchenko@isp.kiev.ua между ними существует качественное согласие.

О механизме электролюминесценции в кремниевых диодах с большой концентрацией дислокаций Что касается ЭЛ в структурах второго типа, то краевая ЭЛ в них связана с диффузионной компонентой полного тока, а проявляющаяся при достаточно низких температурах более длинноволновая полоса — с туннельной компонентой полного тока, обусловленной туннелированием носителей заряда по дислокациям.

2. Постановка задачи Предполагалось, что в диодах с дислокациями, пересекающими область пространственного заряда p-nперехода, помимо диффузионного и рекомбинационного токов протекает еще и туннельный ток, обусловленный многоступенчатым туннелированием носителей заряда по дислокациям. Туннельная составляющая полного тока записывалась в модели „дислокационного шунта“, предложенной в работе [14]. Теоретический расчет был выполнен для случая, когда оправдано применение эквивалентной схемы диода с сосредоточенными параметрами;

при этом плотность полного тока диода J(V, T ) может Рис. 1. Энергетическая диаграмма p-n-перехода и схема быть записана в следующем виде:

туннелирования [14].

q[V - I(V, T )Rs ] J(V, T ) =JSd(T ) exp kT q[V - I(V, T )Rs ] + JSr(T ) exp 2kT q[V - I(V, T)Rs ] + JSt(T ) exp, (1) t где JSd(T ) =JSd(300) · [ni(T )/ni(300)]2 — плотность диффузионного тока насыщения, JSr(T ) =JSr(300) (T /300)1/2ni(T )/ni(300) — плотность рекомбинационного тока насыщения, ni(T ) =[Nc(T )Nv(T ) exp(-Eg(T )/kT)]1/2 — концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике, Nc(T ) и Nv(T ) — эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне, Rs — последовательное сопротивление, I(V, T ) =AJ(V, T ), где A — площадь Рис. 2. Зависимости диффузионного (1) и туннельного (2–6) диодной структуры. Для плотности туннельного тока токов от температуры. Использованные параметры: плотность тока насыщения при T = 300 K JSd = 10-14 A/cм2, A = 10 мм2, насыщения JSt(T ) использовалось выражение Rs = 1Ом, = 1013 c-1, t = 0.08 эВ, V = 0.9B, Nd, см-2:

2 —104, 3 —105, 4 —106, 5 —107, 6 —108.

qVk(T) JSt(T ) =qNd exp -, (2) t где q — заряд электрона, Nd — концентрация дислока2.1. Теоретический анализ ЭЛ для структур ций, пересекающих p-n-переход, — частота соударетретьего типа ний туннелирующих электронов (или дырок) с барьером, qVk(T )=Eg(T )-kT ln[(T /300)3/21.02·1019 см-3/pp] На рис. 2 приведены результаты расчета температур- kT ln[(T /300)3/22.86 · 1019 см-3/nn] — высота барьера ных зависимостей диффузионной и туннельной компов p-n-переходе, Eg(T ) — ширина запрещенной зоны нент полного тока при величине смещения V = 0.9B.

кремния, pp и nn — концентрация основных носителей Параметром здесь является плотность дислокаций, ков единицах см-3, t — характеристическая энергия тун- торая варьировалась в пределах от 104 до 108 см-2. Как нелирования. Энергетическая диаграмма p-n-перехода и видно из рисунка, по мере увеличения плотности диссхема туннелирования представлены на рис. 1. локаций диапазон температур, в котором преобладает Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1134 А.В. Саченко, Ю.В. Крюченко случае барьер полностью не спрямляется даже в области низких температур, т. е. инжекционный механизм ЭЛ реализуется при условии V - Ik · Rs < Vk(T ).

На этом же рисунке приведена температурная зависимость энергии максимума полосы ЭЛ в пластически деформированных диодах, полученная по данным эксперимента в работе [6] (кривая 2). Как видно, в области температур 250 K наши теоретические оценки согласуются с экспериментальными данными. При более низких температурах экспериментальные значения энергии максимума полосы ЭЛ меньше рассчитанных из условия спрямления барьера, что, по-видимому, связано с реализацией одномерной дислокационной зоны [13] при достаточно низких температурах. Следует отметить также, что согласно результатам нашего расчета энергия, соответствующая максимуму полосы ЭЛ должРис. 3. Зависимость максимума полосы ЭЛ от темна возрастать по мере увеличения полного тока, при пературы; 1 — теория, 2 — эксперимент. Использокотором измеряется ЭЛ. Именно такое поведение и ванные параметры: A = 10 мм2, = 1013 c-1, Rs = 1Ом, t = 0.08 эВ, Nd = 3 · 106 см-2, Ik = 10 мА. На вставке — наблюдается в эксперименте [6].

зависимости туннельного тока от плотности дислокаций; использованные параметры: T = 77 K, A = 10 мм2, 2.2. Теоретический анализ ЭЛ = 1013 с-1, Rs = 1Ом, t0 = 0.066 эВ, = 0.00014 эВ · см1/2, при доминировании диффузионной pp = 1020 см-3, nn = 3 · 1015 см-3; V, B: 1 — 0.9, 2 — 1.0, 3 —1.1.

компоненты полного тока В данном случае необходимо учитывать влияние дислокаций на эффективное время жизни электроннотуннельная компонента тока, расширяется, а при плотдырочных пар в квазинейтральных областях базы и ностях дислокаций 107 см-2 туннельная компонента эмиттера. Ограничимся рассмотрением случая комнаттока доминирует даже при комнатных температурах.

ных температур и будем считать, что в полном токе Интегральная интенсивность ЭЛ, связанной с излучадоминирует диффузионная компонента тока.

тельной рекомбинацией туннелирующих по дислокациУвеличение интенсивности и квантового выхода элекям электронов и дырок, прямо пропорциональна плотнотролюминесценции в диодных структурах в этом случае сти туннельного тока и в случае, когда вероятность тунможно получить при условии реализации неравенства нелирования меньше вероятности рекомбинации, имеет dn /dr2 0n/0r, где dr2 и dn — излучательное и 2 следующий вид:

безызлучательное времена жизни носителей в области JT dn дислокации, а 0r и 0n — аналогичные времена в бездисU =, (3) q drлокационной области, обусловленные лишь обычными механизмами электронно-дырочной рекомбинации (тагде JT — туннельная компонента плотности тока, кими как многофононная рекомбинация, излучательная определяемая третьим слагаемым в (1), dr1 и dn — электронно-дырочная рекомбинация, экситонная рекомизлучательное и безызлучательное время рекомбинабинация и межзонная оже-рекомбинация).

ции электронов и дырок, встречающихся в процессе В случае, когда дислокации расположены перпентуннелирования внутри дислокации. Квантовый выход дикулярно p-n-переходу, а также выполнен критерий для этой компоненты ЭЛ равен dn /dr1, а оценить 1/положение максимума полосы ЭЛ можно из условия (1/dn + 1/dr2)dd/(DNd ) 1 (где dd — диаметр дисEm(T ) qVx(T, Ik), где Vx(T, Ik) — величина напряже- локационной трубки, а D — коэффициент диффузии в ния, которое необходимо приложить при данной тем- базе), эффективное время жизни для дырок в базе n-типа пературе T для получения тока Ik = AJk, где A — равно площадь диодной структуры. Зависимость Em(T ) для -случая Ik = 10 мА, полученная путем решения трансцен- 1 1 1 p 1/ef f + + 4Nd dd +. (4) = дентного уравнения (1), приведена на рис. 3 (кривая 1).

0np 0rp dn drКак видно из рисунка, при использованных параметрах такая оценка для энергии фотонов в максимуме поло- Аналогично можно записать эффективное время жизни сы туннельной ЭЛ дает величину около 0.76 эВ при электронов в эмиттере p-типа комнатной температуре, а с понижением температуры -эта величина возрастает до значений порядка 0.9 эВ при 1 1 1 1/n ef f + + 4Nd dd +. (5) = T = 50 K. Кроме того, как следует из рисунка, в данном 0nn 0rn dn drФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. О механизме электролюминесценции в кремниевых диодах с большой концентрацией дислокаций Длины диффузии для электронов и дырок с использованием обозначений работы [9] соответственно равны 1 Ln = Dn + Ai + pp + Cp pp sn nx -1 1/1 1/+ 4Nd dd +, (6) dn dr1 Lp = Dp + Ai + nn + Cnnn sp nx -1 1/1 1/+ 4Nd dd +. (7) dn drЗдесь sp и sn — времена жизни Шокли–Рида–Холла в n- и p-областях соответственно, Ai — константа излучательной электронно-дырочной рекомбинации, n =(NcNv/Nx ) exp(-Ex /kT), где Nx — эффективная плотность экситонных состояний, Ex — энергия связи экситона, x =(1/xr + 1/xn)-1, xr — излучательное время жизни экситонов, xn — безызлучательное время жизни экситонов, связанное с оже-рекомбинацией с участием глубокого объемного уровня, Cn и Cp —коэффициенты межзонной оже-рекомбинации электронов Рис. 4. Полученные в результате расчета зависимости внуи дырок в кремнии.

тренней квантовой эффективности ЭЛ кремниевого диода от В случае длинного диода внутренний квантовый выход концентрации дислокаций для случаев поперечного (a) и продольного (b) расположения дислокаций по отношению к p-nэлектролюминесценции с учетом дислокационной ЭЛ переходу. Параметры расчета: pp = 1017 см-3, nn = 1016 см-3, равен sn = 10-4 c. Величины sp, c: 1 —10-2, 2 —10-3, 3 —10-4, 4 —10-5.

= nn pp 1/(Lp + Ln)(Ai + 1/nxr )+4Nd dd(Lp/dr2nn + Ln/dn pp).

Dp pp/Lp + Dnnn/Ln см-3 [9]. При построении рис. 4, a и 4, b коэффициен(8) ты диффузии дырок и электронов считались равными Dp = 10 см2 · c-1 и Dn = 25 см2 · c-1. При построении Как показывает анализ, учет влияния дислокаций рис. 4 были использованы также значения dd = 10-6 см, может приводить как к возрастанию эффективности ЭЛ dn = 10-7 c и dr2 = 10-5 c.

кремниевых p-n-переходов, так и к ее уменьшению.

Рост происходит в случае, когда времена жизни Шокли– Значительно сложнее промоделировать ситуацию, коРида–Холла в эмиттере и базе достаточно малы, а спад гда дислокации расположены параллельно плоскости возможен при их большой величине; для использован- p-n-перехода. Простую оценку этого случая можно ных при расчете параметров это времена порядка 10-2 c. получить, полагая, что дислокации расположены по На рис. 4, a приведены расчетные зависимости вели- толщине эмиттера равномерно, а в базе они отсутствуют.

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.