WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Краевая электролюминесценция кремния: гетероструктура аморфный кремний–кристаллический кремний © М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, Е.И. Теруков, A. Froitzheim, W. Fuhs Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Hahn-Meitner-Institut, Abt. Silizium-Photovoltaik, D-12489 Berlin, Germany Краевая электролюминесценция (ЭЛ) кремния наблюдалась на гетероструктуре аморфный кремний– кристаллический кремний (a-Si : H(n)/c-Si(p)) в температурной области от 77 до 300 K. Внутренний квантовый выход ЭЛ при комнатной температуре для исследованной структуры составил около 0.1%.

Теоретический анализ эмиссионных свойств гетероперехода a-Si : H(n)/c-Si(p), основанный на модели резкого планарного p-n-перехода, показал, что при оптимальном легировании внутренний квантовый выход ЭЛ может достигать нескольких процентов при частоте модуляции около 50 kHz.

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

Необходимость эффективных фотонных материалов, кристаллического кремния p-типа (c-Si(p)). В процессе которые могут быть интегрированы в стандартные воло- осаждения аморфный кремний был легирован конные оптические линии связи, стимулировала новый фосфором до концентрации 1019 cm-3. Полученная интерес к светоизлучающим свойствам кремния. Сре- пленка a-Si : H(n) имела толщину 30 nm. Прозрачный ди различных подходов к кремниевой оптоэлектронике проводящий электрод толщиной 80 nm для вывода света наиболее прямой путь — это увеличение эффективности через a-Si : H(n) был нанесен распылением ZnO(Al). На собственной краевой электролюминесценции (ЭЛ) крем- поверхности ZnO(Al) кольцевой контакт формировался ния. Внутренняя квантовая эффективность ЭЛ около напылением алюминия.

1% на p-n-гомопереходе кристаллического кремния Вольтамперные характеристики электролюминесцентбыла получена недавно в работах [1,2]. Объяснение таной гетероструктуры a-Si : H(p)/c-Si(n) при температукой относительно высокой для кремния эффективности, рах 77 и 300 K представлены на рис. 1. Электролюминесоснованное на анализе модели ЭЛ резкого планарного ценция наблюдалась при пропускании через структуру p-n-перехода на кремнии, представлено в [3].

прямоугольных импульсов тока в прямом направлении В настоящей работе показано, что электролюминеси анализировалась решеточным монохроматором с фоцентная гетероструктура аморфный кремний n-типа– кусным расстоянием 822 mm и охлаждаемым гермакристаллический кремний p-типа (a-Si : H(n)/c-Si(p)) ниевым фотоприемником. Временной спад ЭЛ после работает аналогично гомогенному p-n-переходу на выключения тока измерялся цифровым осциллографом.

кристаллическом кремнии, т. е. при пропускании тоПолное временное разрешение схемы регистрации сока в прямом направлении через гетероструктуру ставляло 3 µs.

a-Si : H(n)/c-Si(p) наблюдается краевая ЭЛ кремния, соответствующая рекомбинации экситонов в кристаллическом кремнии. Так же как и в случае p-n-перехода на кристаллическом кремнии, внутренний квантовый выход гетероструктуры a-Si : H(n)/c-Si(p) определяется коэффициентом излучательной рекомбинации и временем жизни электронов, инжектированных в зону проводимости c-Si(p). По сравнению с гомогенным p-n-переходом на кристаллическом кремнии электролюминесцентная гетероструктура a-Si : H(n)/c-Si(p) может иметь более высокий внешний квантовый выход ЭЛ.

1. Экспериментальные результаты Электролюминесцентная гетероструктура аморфный кремний n-типа–кристаллический кремний p-типа Рис. 1. Вольтамперные характеристики гетероструктуры (a-Si : H(n)/c-Si(p)) получена осаждением аморфного аморфный кремний–кристаллический кремний при температугидрогенизированного кремния (a-Si : H) на подложку рах 300 (1) и 77 K(2).

Краевая электролюминесценция кремния: гетероструктура аморфный кремний... метим, что аналогичные результаты по температурной зависимости интенсивности и времени спада краевой ЭЛ наблюдались и в случае гомогенного p-n-перехода на кристаллическом кремнии [1–3].

2. Обсуждение результатов Энергетическая диаграмма гетероперехода a-Si : H(n)/c-Si(p), построенная по данным работы [4], показана на рис. 4. Ширина запрещенной зоны a-Si : H и c-Si составляет 1.9 и 1.12 eV соответственно. Разрыв зон в зоне проводимости приблизительно 0.2-0.3eV.

Уровень Ферми для слоя a-Si : H, легированного фосфором до 1019 cm-3, находится на 0.25 eV ниже дна Рис. 2. Зависимость интенсивности краевой ЭЛ кремния зоны проводимости [4]. В этом случае концентрация от плотности тока при температурах 300 (1) и 77 K (2) в электронов в зоне проводимости, соответствующая максимуме соответствующей спектральной линии. На вставке данному положению уровня Ферми (6 · 1016 cm-3), показаны спектры ЭЛ при этих же температурах.

довольно низкая для эмиттера. Однако в „кармане“ на интерфейсе концентрация может достигать 5 · 1018 cm-3, что вполне достаточно для эффективной инжекции электронов.

Анализ эффективности электролюминесценции p-nперехода на кристаллическом кремнии, выполненный в работе [3], показал, что с точки зрения выхода электролюминесценции более выгодно иметь высокий уровень легирования n-области гомогенного p-n-перехода.

В этом случае краевая ЭЛ кремния в основном будет обусловлена p-областью, и внутренний квантовый выход краевой ЭЛ определяется выражением Eg n rr ppn, (1) qVbi где rr — коэффициент излучательной рекомбинации, Рис. 3. Температурная зависимость интегральной интенсивноpp — концентрация основных носителей заряда (дырок) сти краевой ЭЛ кремния.

в p-области p-n-перехода, n — полное время жизни электронов в p-области, Eg — ширина запрещенной зоны c-Si, q — заряд электрона, Vbi — потенциальный На рис. 2 показана зависимость интенсивности ЭЛ барьер в зоне проводимости. Таким образом, как следует гетероструктуры a-Si : H(n)/c-Si(p) от тока для темпеиз (1), внутренний квантовый выход определяется отноратур 77 и 300 K. Спектры ЭЛ для этих же температур шением полного времени жизни неосновных носителей приведены на вставке. Полученные спектры соответствузаряда к излучательному времени жизни. Поскольку ют обычной краевой люминесценции кристаллическовремена жизни зависят от концентраций основных ного кремния. При низкой температуре практически вся сителей заряда в n- и p-областях, имеется оптимальсобственная ЭЛ кремния обусловлена рекомбинацией свободных электронов с участием оптических фононов.

При комнатной температуре рекомбинационные вклады свободных экситонов и свободных носителей заряда примерно одинаковы, и поэтому вершина спектра при комнатной температуре слегка деформирована. Как можно видеть из рис. 2, интенсивность ЭЛ при комнатной температуре значительно выше, чем при азотной температуре. Время спада краевой ЭЛ, измеренное после выключения импульса тока, соответствовало 25 µs при комнатной температуре и меньше 3 µs при азотной температуре. На рис. 3 показана температурная зависимость интегральной интенсивности собственной ЭЛ.

Как видно из этого рисунка, интенсивность собственной ЭЛ растет с повышением температуры и при комнатной температуре выходит на максимальное значение. От- Рис. 4. Энергетическая зонная диаграмма для a-Si : H / c-Si.

2 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 20 М.С. Бреслер, О.Б. Гусев, Е.И. Теруков, A. Froitzheim, W. Fuhs величины соответствует энергетическому положению мелкого акцептора / донора в кремнии, т. е. 50 meV относительно края валентной зоны или зоны проводимости. При комнатной температуре скорость захвата электронов на метастабильный уровень, через который происходит многофононный захват электронов в основное состояние, может быть меньшей, чем скорость обратного выброса носителя с этого уровня в зону.

Таким образом, вероятность безызлучательного захвата инжектированных электронов на глубокие центры в кремнии с увеличением температуры уменьшается, что и приводит к увеличению интенсивности ЭЛ и наблюдаемому увеличению времени спада сигнала ЭЛ после окончания импульса тока. Отметим, что к такому Рис. 5. Расчетная зависимость квантового выхода краевой ЭЛ же эффекту могут привести и поверхностные состояния от уровня легирования p-области p-n-перехода. T = 300 K.

на гетерогранице аморфный кремний–кристаллический Концентрация n-области 5 · 1018 cm-3.

кремний.

Интересно сравнить эмиссионные свойства гомогенного p-n-перехода на кристаллическом кремнии и геный уровень легирования этих областей. Используя тероструктуры a-Si : H / c-Si. Внешний квантовый выход данные [5] по зависимости времени жизни неосновных электролюминесцентной структуры a-Si : H / c-Si будет носителей заряда от концентрации основных носитенесколько выше, поскольку выход краевого излучелей заряда, можно рассчитать оптимальный уровень ния кремния происходит через широкозонный материал легирования для получения максимального внутреннего a-Si : H, что уменьшает поглощение краевой ЭЛ. Приниквантового выхода собственной ЭЛ. Результаты расчетов мая во внимание более простую технологию получения показаны на рис. 5. Как видно из рисунка, максимальгетероструктур a-Si : H(n)/c-Si(p) и совместимость их с ный квантовый выход краевой ЭЛ может достигать оптическими элементами, применяемыми в кремниевой 3% при концентрации p-области около 1017 cm-3. При оптоэлектронике, мы полагаем, что эти структуры могут больших концентрациях квантовый выход уменьшается найти применение в кремниевой оптоэлектронике.

из-за уменьшения n вследствие Оже-процессов, при Таким образом, наблюдалась краевая ЭЛ кремния малых концентрациях мала вероятность излучательной на гетеропереходе аморфный кремний–кристаллический рекомбинации.

кремний от азотной до комнатной температуры. ТемпеИспользуя для коэффициента излучательной рекомратурное поведение интенсивности и временные харак бинации значение rr 10-14 cm-3 · s-1 [6] при комтеристики краевой ЭЛ такой структуры очень близки натной температуре и для времени жизни неосновных к наблюдаемым для гомогенного p-n-перехода криносителей заряда в c-Si(p) n 10-4 s для концентрасталлического кремния. Однако меньший энергетичеции равновесных зарядов 1 · 1016 cm-3 [5], мы оценили ский барьер между зонами проводимости a-Si : H(n) и внутренний квантовый выход как 10-2. Эта величина c-Si(p) и большая ширина запрещенной зоны аморфного внутреннего квантового выхода заметно больше, чем кремния могут позволить достигнуть большего внутреноцененная экспериментально (0.1 · 10-2).

него и внешнего квантового выхода краевой ЭЛ для Полагаем, что это обусловлено низким качеством a-Si : H(n)/c-Si(p) структуры.

нашего p-n-перехода. На это обстоятельство указывает температурная зависимость интегральной интенсивности ЭЛ, представленная на рис. 3. Поскольку коэфСписок литературы фициент излучательной рекомбинации rr, согласно [6], должен уменьшаться с повышением температуры, рост [1] M.A. Green, J. Zhao, A. Wang, P.J. Reece, M. Gal. Nature 412, интегральной интенсивности собственной ЭЛ с повыше805 (2001).

нием температуры объясняется, так же как и для го- [2] W.L. Ng, M.A. Loureno, R.M. Gwilliam, S. Ledain, G. Shao, могенного p-n-перехода на кристаллическом кремнии, K.P. Homewood. Nature 410,192 (2001).

уменьшением вероятности захвата электронов, инжекти- [3] O.B. Gusev, M.S. Bresler, I.N. Yassievich, B.P. Zakharchenya.

In: NATO workshop OASIS (Optical amplification and рованных в p-область, на глубокие примеси / дефекты с stimulation in silicon). Trento (2002).

увеличением температуры. Таким образом, мы полагаем, [4] A. Froitzheim, K. Brendel, L. Elstner, W. Fuhs, K. Kliefoth, что в n-области нашего p-n-перехода есть некоторая M. Schmidt. J. Non-Cryst. Solids 299–302, 663 (2002).

концентрация глубоких притягивающих рекомбинацион[5] В.Н. Абакумов, В.И. Перель, И.Н. Яссиевич. Безызлучаных центров. Появление таких центров, по-видимому, тельная рекомбинация в полупроводниках. Изд. ПИЯФ связано с проникновением дефектов в n-область при РАН, СПб (1997).

нанесении p-слоя аморфного кремния.

[6] H. Schlangenotto, H. Maeder, W. Gerlach. Phys. Stat. Sol. (a) Как известно, первое возбужденное метастабильное 21, 2, 357 (1974).

состояние заряженной глубокой примеси по порядку Физика твердого тела, 2004, том 46, 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.