WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Механизм излучательной рекомбинации в твердых растворах Si–Ge в области межзонных переходов © А.М. Емельянов¶, Н.А. Соболеⶶ, Т.М. Мельникова, Н.В. Абросимов+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия НПО „Орион“, 111123 Москва, Россия + Institute for Crystal Growth, D-12489 Berlin, Germany (Получена 10 февраля 2005 г. Принята к печати 1 марта 2005 г.) При T = 82 и 300 K в области межзонных переходов исследована электролюминесценция в Si–Ge-диодах при концентрации Ge в твердом растворе 5.2%. Анализ спектров излучения, линейный характер зависимостей интенсивности электролюминесценции от тока, ее экспоненциальный спад указывают на экситонный механизм излучательной рекомбинации для излучательных переходов как с участием, так и без участия фононов.

Исследования светоизлучающих структур на основе излучения твердых растворов Si–Ge от спектров Si монокристаллов твердых растворов Si–Ge вызывают состоит в том, что наряду с излучением, обусловленбольшой интерес в связи с возможностью, путем варьи- ным непрямыми переходами с участием фононов (PA), рования концентраций компонентов раствора, в широких в спектрах Si–Ge обычно присутствует и соизмеримое пределах изменять длину волны () излучения в ближ- излучение, обусловленное переходами без участия фоней инфракрасной области спекра. К настоящему време- нонов (NP) [1,3–6]. Цель данной работы заключается ни достигнуты достаточно высокие величины внутрен- в исследовании влияния этого обстоятельства на ханей эффективности электролюминесценции () таких рактеристики рекомбинационного излучения в области структур. Согласно [1], максимальная для светодиодов межзонных переходов в монокристаллическом Si–Ge и на основе Si и Ge (включая низкоразмерные структуры), определении механизма излучательной рекомбинации в излучающих на характерной для оптических коммуни- Si–Ge, на основе которого эти характеристики могут каций 1.3 мкм, величина = 0.1% при комнатной быть объяснены.

температуре была получена именно в светодиодах на Исследованные диоды были изготовлены на легирооснове монокристаллического Si–Ge, что не является ванной бором полированной монокристаллической плапределом. Технология Si–Ge-светодиодов может быть стине Si–Ge толщиной 350 мкм, ориентации (122), встроена в процесс производства интегральных микрос удельным сопротивлением 2.5 Ом · см. Концентрасхем на основе монокристаллического кремния. Слация Ge составляла 5.2%. Были сформированы p-n-перебопоглощающие волноводы для таких оптоэлектонных ходы по планарной технологии методом диффузии устройств могут быть изготовлены из кремния. Причем фосфора через отверстия диаметром 0.8 мм в пленвследствие близости величин показателей преломления ке SiO2. Концентрация фосфора в n+-слое составлядля Si и Si–Ge потери при выводе излучения из свела 4 · 1020 см-3. Обратная сторона пластины бытодиода в волновод могут быть сведены к минимуму.

ла легирована диффузионно бором до концентраПонимание механизма излучательной рекомбинации в ции 1019 см-3. Омические контакты были сформитвердых растворах Si–Ge является основой достижения рованы термическим напылением Au и Cr на лицеоптимальных характеристик светоизлучающих структур вой и обратной стороне пластины. Измерение спекна основе Si–Ge и их успешного применения.

тров проводилось с лицевой стороны. Определенное по Недавние исследования механизма непрямой (с учаметодике [7] время жизни неосновных носителей при стием фононов) излучательной рекомбинации в мотоках 0.3-1 А составило 11 мкс.

нокристаллическом Si в области межзонных перехоДля возбуждения электролюминесценции (ЭЛ) к диодов [2] значительно изменили существовавшие ранее дам прикладывалось импульсное напряжение с частотой представления. Они показали, что полученные к насто32 Гц при длительности импульсов 0.1-2 мс. Спектры ящему времени экспериментальные результаты могут ЭЛ регистрировались с использованием монохроматора быть объяснены в рамках представлений об экситонном (разрешение 7 нм), InGaAs-фотоприемника и селективмеханизме излучательной рекомбинации в Si не только ного нановольтметра. Представленные спектры были при низких температурах, но и при достаточно высоких, скорректированы с учетом как спектральной характеривключая комнатную. Существенное отличие спектров стики фотоприемника, так и всего оптического тракта.

¶ Измеренные при 82 и 300 K и токе 80 мА спектры E-mail: Emelyanov@mail.ioffe.ru ¶¶ E-mail: nick@sobolev.ioffe.rssi.ru ЭЛ диода приведены на рис. 1 и 2 соответственно.

Механизм излучательной рекомбинации в твердых растворах Si–Ge в области межзонных переходов тить, если соответствующий вклад механизма ЭЛ достаточно значителен. Как видно из рис. 1 и 2, характерные изломы при 82 и 300 K наблюдаются только для экситонных механизмов ЭЛ. Это позволяет утверждать, что доминирующей излучательной рекомбинацией в твердых растворах Si–Ge для переходов PA и NP является рекомбинация через экситоны.

В исследованных структурах в широком диапазоне токов в условиях высокого уровня инжекции наблюдались линейные зависимости интегральной интенсивноРис. 1. Зависимость интенсивности электролюминесценции от энергии квантов (h) при токе 80 мА и температуре 82 K (1). Штриховыми вертикальными линиями отмечены энергии квантов, соответствующие: 2 — ширине запрещенной зоны твердого раствора Si–Ge при T 82 K (Eg(82 K) 1.137 эВ [8,9]), 3 — Eg(82 K) - Eex, 4 — Eg(82 K) - Eph1, 5 — Eg(82 K) - Eph1 - Eex, 6 — Eg(82 K) - 2Eph1, 7 — Eg(82 K) - 2Eph1 - Eex.

Как и в спектрах ранее исследованных Si–Ge-светодиодов [1,3–6], в представленных спектрах присутствуют пики ЭЛ, относящиеся к переходам РА и NP. При Рис. 2. Зависимость интенсивности электролюминесценции от энергии квантов (h) при токе 80 мА и темT = 300 K эти пики значительно перекрываются (рис. 2).

пературе 300 K (1). Штриховыми вертикальными линияДля анализа спектров нами использовалась описанная ми отмечены энергии квантов, соответствующие: 2 — в работе [2] методика построения вертикальных пряширине запрещенной зоны твердого раствора Si–Ge при мых, соответствующих началу возрастания интенсивноT 300 K (Eg(300 K) 1.096 эВ [8,9]), 3 — Eg(300 K) - Eex, сти ЭЛ в длинноволновой части спектра при различ4 — Eg(300 K) - Eph1, 5 — Eg(300 K) - Eph1 - Eex, 6 — ных механизмах излучательной рекомбинации в Si–Ge Eg(300 K) - 2Eph1, 7 — Eg(300 K) - 2Eph1 - Eex.

(см. вертикальные штриховые прямые 2–7 на рис. и 2). Ширина запрещенной зоны при данной температуре Eg(T ) раствора Si–Ge при концентрации Ge 5.2% меньше величины Eg(T ) для Si на 24 мэВ [8], а энергия связи носителей заряда в экситоне (Eex) равна 13.5мэВ [3]. При этом, согласно результатам работы [4], энергия, сбрасываемая при рекомбинации поперечного оптического (TO) фонона, определяющая основной PA-максимум ЭЛ, равна Eph1 = 58 мэВ. Энергия наиболее энергетичного фонона (Eph2) по аналогии с Si принята равной 2Eph1, что объясняется участием в акте рекомбинации двух ТО фононов с энергией Eph1 [9].

Использованный нами принцип анализа спектров ЭЛ основан на том, что на спектральных зависимостях при энергиях квантов, соответствующих началу действия каждого механизма излучательной рекомбинации (при пересечениях спектральной кривой с соответствующими вертикальными прямыми), должны наблюдаться изломы спектральных линий, сопровождающиеся ростом производных зависимостей интенсивности ЭЛ от энергии Рис. 3. Зависимости интегральной интенсивности электролюквантов I(h). Очевидно, что такие изломы можно заме- минесценции от тока при 82 и 300 K.

2 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1172 А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, Т.М. Мельникова, Н.В. Абросимов сти ЭЛ от тока (см. рис. 3) и, по крайней мере при [9] Р. Смит. Полупроводники (М., Мир, 1979).

[10] А.М. Емельянов, Ю.А. Николаев, Н.А. Соболев, 300 K, экспоненциальный спад ЭЛ, методика измерений Т.М. Мельникова. ФТП, 38, 634 (2004).

которого описана в работе [2]. Как показано в [2], эти результаты также могут быть объяснены в рамках Редактор Т.А. Полянская экситонного механизма ЭЛ и не находят объяснения при излучательной рекомбинации свободных носителей A mechanism of the radiative заряда.

recombination in a band-to-band Как отмечается в работе [2], для доминирования transition region in Si–Ge solid solutions экситонного механизма излучательной рекомбинации в Si при 300 K необходимо, чтобы излучательное время A.M. Emel’yanov, N.A. Sobolev, T.M. Mel’nikova, жизни экситонов (r ) на несколько порядков было меньN.V. Abrosimov+ ше излучательного времени жизни свободных ноителей заряда (f ). Такой же характер соотношения r и f Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, необходим и для доминирования при 300 K экситонного 194021 St. Petersburg, Russia механизма в Si–Ge. Для переходов PA, как отмечено Scientific and Manufacturing Enterprise Orion“, в [2], указанное соотношение является следствием того, ” 111123 Moscow, Russia что, во-первых, среднее расстояние между свободными + Institute for Crystal Growth, носителями значительно больше боровского радиуса D-12489 Berlin, Germany экситона. Во-вторых, для излучательной рекомбинации необходима определенная корреляция в положениях

Abstract

The electroluminescence in Si–Ge-diodes with the Ge электрона, дырки и образующегося или поглощаемоconcentration equal to 5.2% has been studied in the band-to-band го при рекомбинации фонона, которая со значительно transition region at 82 K and 300 K. The analysis of emitting большей вероятностью может реализоваться в случае spectra, the linear intensity dependence on the current, an рекомбинации через экситоны. Согласно современным exponential decay of the electroluminescence point to an exciton представлениям [4], в NP излучательной рекомбинации mechanism of a radiative recombination for emitting transitions в Si–Ge участвуют атомы примеси, обеспечивающие both with and without the phonon participation.

выполнение закона сохранения импульса при непрямых переходах. Поэтому второй причиной большого различия времен r и f для переходов NP (кроме значительного различия средних расстояний между электроном и дыркой) может быть необходимость определенной корреляции в положениях электрона, дырки и атома примеси, которая со значительно большей вероятностью реализуется в случае рекомбинации через экситоны.

В заключение отметим, что ЭЛ изготовленных нами Si–Ge-светодиодов при токе 600 мА и температуре 300 K вызывала почти такой же фототок Ge-фотодиода, как и ЭЛ ранее исследованного Si-светодиода с 0.6% при аналогичных условиях сбора излучения на фотоприемную площадку.

Работа частично поддержана INTAS (грант № 2001–0194) и РФФИ (грант № 04-02-16935).

Список литературы [1] T. Stoica, L. Vescan. Semicond. Sci. Technol., 18, 409 (2003).

[2] А.М. Емельянов. Письма ЖТФ, 30 (22), 75 (2004).

[3] D.J. Robbins, L.T. Canham, S.J. Barnett, A.D. Pitt, P. Calcott.

J. Appl. Phys., 71, 1407 (1992).

[4] J. Weber, M.I. Alonso. Phys. Rev. B, 40, 5683 (1989).

[5] T. Stoica, L. Vescan, M. Goryll. J. Appl. Phys., 83, 3367 (1998).

[6] T. Stoica, L. Vescan, A. Mck, B. Hollder, G. Schpe.

Physica E, 16, 359 (2003).

[7] B. Lax, T. Neustadter. J. Appl. Phys., 25, 1148 (1954).

[8] R. Braunstein, A.R. Moor, F. Herman. Phys. Rev., 109, 695 (1958).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.




© 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.