WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Эффективность электролюминесценции кремниевых диодов © М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, Б.П. Захарченя, И.Н. Яссиевич Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: mikhail.bresler@mail.ioffe.ru Исследована собственная электролюминесценция (ЭЛ) кремниевого светодиода при прямом смещении на p-n-переходе. Значительное возрастание интегральной интенсивности ЭЛ при изменении температуры от температуры жидкого азота до комнатной и одновременном увеличении времени спада ЭЛ при выключении тока через диод указывает на термическое подавление канала нерадиационной рекомбинации, связанного с глубокими ловушками. Построенная нами простая модель излучательных процессов в p-n-переходе позволяет объяснить всю совокупность полученных экспериментальных результатов. Показано, что при оптимальных уровнях легирования p- и n-областей диода внутренний квантовый выход ЭЛ может достигать нескольких процентов.

Работа выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований, Нидерландской организации научных исследований (NWO), Министерства науки и технологии Российской Федерации и программы „Новые материалы и структуры“ Отделения физических наук РАН.

В последнее время возрос интерес к электролю- раметры p-n-перехода, необходимые для достижения минесценции (ЭЛ) кремния при комнатной темпера- максимального внутреннего квантового выхода краевой туре. Кремний представляет собой оптоэлектронный ЭЛ и наиболее высокой частоты модуляции.

материал, совместимый с обычной технологией интегральных схем, в том числе с технологией сверх1. Экспериментальные результаты высокой степени интегрирования (ULSI). Кремниевая оптоэлектроника развивается в трех направлениМы использовали стандартный сплавной кремниевый ях: 1) применение квантовых структур на основе диод, часть металлического корпуса которого была кремния [1–3]; 2) введение примесей редкоземельных удалена для вывода излучения. Концентрация доноров элементов [4,5]; 3) использование новых подходов в в подложке n-типа составляла 1 · 1015 cm-3. Конценисследовании собственно краевой люминесценции [6,7].

трация акцепторов в p-слое была 5 · 1019 cm-3. Эти Несмотря на значительные успехи, достигнутые в попараметры соответствуют обычному резкому p-n-переследнее время в двух первых областях, проблема создаходу. В области температур 77-300 K все доноры и ния эффективных оптоэлектронных элементов на основе акцепторы ионизованы, так что концентрации элеккремния еще не решена. Отчасти поэтому исследотронов и дырок равны соответственно концентрациям ватели вернулись к изучению собственной люминесдоноров и акцепторов. Вольт-амперные характеристики ценции кремния: предпринимаются попытки увеличить нашего светодиода при азотной и комнатной темперавнешний квантовый выход излучения из светодиодной турах имели обычный вид (рис. 1). Собственная ЭЛ структуры [6] или оптимизировать сам p-n-переход для кремния наблюдалась при приложении к светодиоду получения максимальной интенсивности собственного импульсов тока до 100 mA в диапазоне температур от излучения кремния [7]. В работе [7] утверждается, что азотной до комнатной. Излучение собиралось с бокодислокационные петли, образующиеся при имплантации вой поверхности светодиода и регистрировалось решебора, способствуют увеличению внутреннего квантового выхода ЭЛ при комнатной температуре. К сожалению, из представленных экспериментальных данных это далеко не очевидно.

В настоящей работе впервые наблюдалась и исследовалась краевая ЭЛ сплавного кремниевого диода, включенного в прямом направлении. Наши экспериментальные результаты близки к данным работы [7], в которой p-n-структура была приготовлена имплантацией бора в подложку n-типа. Мы развили простую модель рекомбинационных процессов в p-n-переходе, смещенном в прямом направлении, что позволило объяснить всю совокупность полученных нами экспериментальных результатов, включая возрастание интенсивности ЭЛ с ростом температуры в интервале от температуры жидкого азота до комнатной, наблюдавшееся и нами, Рис. 1. Вольт-амперные характеристики исследованного диода и авторами [7]. Определены также оптимальные па- при T = 300 (1) и 77 K(2).

Эффективность электролюминесценции кремниевых диодов На рис. 2 показаны спектры ЭЛ нашей светодиодной структуры при температурах 77 и 300 K, полученные при прямом смещении на p-n-переходе. Практически все собственное излучение ЭЛ кремния при температуре жидкого азота обусловлено аннигиляцией свободных экситонов, причем линия 1.13 µm соответствует рекомбинационному переходу со сбросом одного поперечного оптического фонона, тогда как линия 1.18 µm—переходу со сбросом двух фононов. При комнатной температуре мы наблюдали слабое смещение максимума линии ЭЛ относительно его положения при азотной температуре.

Это смещение меньше, чем температурное сужение запрещенной зоны кремния, и объясняется тем, что при Рис. 2. Спектры ЭЛ кремниевой диодной структуры при комнатной температуре спектр краевой люминесценции T = 300 (1) и 77 K(2) и постоянном токе через диод 20 mA.

состоит из почти одинаковых вкладов, обусловленных рекомбинацией свободных носителей заряда и экситонов. Никаких других линий люминесценции в интервале от 1.0 до 1.7 µm не наблюдалось.

На рис. 3 показана зависимость интегральной интенсивности собственной ЭЛ кремния от температуры, полученная в режиме постоянного тока через p-n-переход.

Как видно из рис. 3, эта зависимость имеет линейный участок и максимум вблизи комнатной температуры, что согласуется с данными [7]. Зависимость интегральной интенсивности собственной ЭЛ от тока при азотной и комнатной температурах была практически линейной (рис. 4). Время спада интенсивности ЭЛ после выключения импульса тока при температуре 80 K было меньше 5 µs (временное разрешение схемы регистрации), а при комнатной температуре 20 µs. Внешняя квантовая Рис. 3. Зависимость интегральной интенсивности краевой ЭЛ эффективность нашей структуры достигала величины от температуры. Точки — эксперимент. Ток через структупорядка 10-4.

ру 20 mA.

Интересно отметить, что наши экспериментальные данные практически совпадают с результатами работы [7]. Эти результаты были получены на p-n-переходе, приготовленном имплантированием бора в подложку n-типа, легированную фосфором.

2. Обсуждение результатов Для объяснения полученных экспериментальных результатов мы использовали обычную модель резкого p-n-перехода при прямом смещении. Если толщина обедненного слоя меньше, чем диффузионная длина носителей заряда, то рекомбинации в обедненном слое не происходит. Скорость излучательной рекомбинации в n-слое структуры описывается выражением x-ln qV Рис. 4. Зависимость интенсивности краевой ЭЛ диодной Lp kT Rn = rr nn p = rr nnpn e - 1 e-, (1) структуры от тока через p-n-переход. T = 100 (1) и 300 K (2).

где rr — коэффициент излучательной рекомбинации, nn — концентрация основных носителей заряда (электронов в n-области), p — концентрация дырок, инжекточным спектрометром и охлаждаемым германиевым тированных в n-область, pn — концентрация неосновфотоприемником. Время спада ЭЛ после выключения ных носителей (дырок) в n-области p-n-перехода в тока через диод измерялось цифровым осциллографом.

термодинамическом равновесии, V — напряжение на Временное разрешение схемы регистрации при этом p-n-переходе, Lp — диффузионная длина дырок в ограничивалось откликом германиевого фотодетектора n-области, ln — толщина обедненного слоя в n-области, и составляло 5 µs. x — расстояние от границы p-n-перехода.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 12 М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, Б.П. Захарченя, И.Н. Яссиевич тогда как для электронов в p-области (для концентрации акцепторов 5 · 1019 cm-3) соответствующее время равно 10-8 s. Для того чтобы оценить коэффициенты диффузии, мы воспользовались данными о подвижностях из работы [9]. Для уровней легирования, реализующихся для нашего p-n-перехода, коэффициент диффузии дырок примерно в 4 раза превосходит коэффициент диффузии электронов. Поэтому диффузионная длина дырок Lp в несколько десятков раз больше диффузионной длины электронов Ln. Соответственно в исследованной структуре главный вклад в краевую ЭЛ вносит n-область.

Учитывая сделанные оценки и отношение концентраций основных носителей (pn/np 104), получаем из (3) Рис. 5. Зависимость времени жизни неосновных носителей j Dnnp Dp pn -от концентрации основных носителей [9]: 1 — n, 2 — p.

In rr nn pnLp + T = 300 K. q Ln Lp j j = rr nn pnL2 = rr nnp. (6) p qDp pn q Наши измерения были выполнены при постоянном токе через p-n-переход, поэтому в (1) удобно подста- Как видно из (6), интенсивность ЭЛ линейна по вить величину тока, выраженную через вольт-амперную плотности тока (в согласии с данными рис. 4). Темпехарактеристику p-n-перехода, ратурная зависимость интегральной интенсивности ЭЛ, согласно (6), определяется температурным поведением qV qV Dnnp Dppn времени жизни дырок в n-области и температурной kT kT j = j0 e - 1 q + e - 1, (2) Ln Lp зависимостью коэффициента излучательной рекомбинации rr.

где Ln — диффузионная длина электронов в p-области, В работе [10] было показано, что для непрямых радиDn и Dp — коэффициенты диффузии электронов и ационных переходов экситонов и свободных носителей дырок соответственно, np — равновесная концентрация коэффициент излучательной рекомбинации убывает с неосновных носителей (электронов) в p-области.

ростом температуры по закону Интегрируя (1) по x, получаем плотность потока фотонов из n-области в направлении, перпендикулярном Ex Ex Ex rr 1 + 2 exp cth, (7) плоскости p-n-перехода, kT kT kT 2T где Ex — энергия связи экситона, — температура j Dp pn Dnnp -In = rr nnpnLp +. (3) Дебая поперечного оптического фонона. Вследствие q Lp Ln высокого значения температуры Дебая последний множитель в (7) практически не зависит от температуры Точно так же можно вычислить плотность потока фотои равен единице. В (7) первый член в квадратных нов из p-области скобках описывает зона-зонную рекомбинацию свободных носителей (при учете кулоновского вазимодействия j Dp pn Dnnp -I = rr np ppLn +. (4) p между ними), тогда как второй член соответствует реq Lp Ln комбинации свободных экситонов. Таким образом, температурная зависимость коэффициента излучательной Принимая во внимание, что nnpn = ppnp, отношение рекомбинации определяется в основном уменьшением интенсивностей ЭЛ от двух сторон перехода получаем концентрации свободных экситонов. Именно это темв виде пературное уменьшение коэффициента излучательной In Lp Dpp = =, (5) рекомбинации является причиной наблюдаемого обычно I Ln Dnn p уменьшения интенсивности фотолюминесценции с увет. е. отношение интенсивностей ЭЛ n- и p-областей личением температуры.

определяется только отношением диффузионных длин Однако наши экспериментальные данные указывают неосновных носителей, инжектированных в эти области.

на возрастание интенсивности и увеличение времени На рис. 5 представлены усредненные данные для спада ЭЛ после выключения импульса тока с повывремени жизни электронов и дырок соответственно в шением температуры. Для объяснения этого следует p- и n-областях, заимствованные из работы [8]. Для предположить, что время жизни дырок p с повышением нашей структуры время жизни дырок в n-области состав- температуры растет быстрее, чем уменьшается коэффиляет 2 · 10-5 s (для концентрации доноров 1015 cm-3), циент излучательной рекомбинации rr.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Эффективность электролюминесценции кремниевых диодов Мы полагаем, что в n-области исследованного диода Таким образом, мы объясняем наблюдаемый рост существует определенная концентрация ловушек, являю- интенсивности ЭЛ с температурой возрастанием эфщихся центрами рекомбинации (эта концентрация долж- фективного времени жизни инжектируемых дырок. Из на быть меньше концентрации основных носителей — нашего рассмотрения следует, что такой рост интенсивэлектронов). С другой стороны, данные по фотолюми- ности указывает на наличие в образце глубоких центров несценции образцов n-типа с тем же уровнем легиро- безызлучательной рекомбинации, т. е. на недостаточно вания показывают, что интенсивность люминесценции высокое качество эмиттерной части диода.

в них уменьшается с температурой, т. е. они не содержат таких рекомбинационных центров, как n-область 3. Оптимальные параметры диода. Мы предполагаем, что существование ловушек светодиода для краевой ЭЛ в n-области диода связано с проникновением в эту обкремния ласть дефектов, возникающих при сильном легировании p-области. Заметим, что при этом глубина проникноДо сих пор краевая ЭЛ в кремнии исследовалась вения дефектов в p-область должна быть достаточно в светодиодных структурах стандартного типа, т. е. со большой, во всяком случае порядка диффузионной длины неосновных носителей: Lp =(Dpp)1/2 (3 · 10-5)1/2 слабо легированной n-областью и сильно легированной областью p-типа. Такая технология хороша для диодов, 60 µm.

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.