WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1 Кремниевые светодиоды, излучающие в области зона-зонных переходов: влияние температуры и величины тока © А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, Е.И. Шек Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: nick@sobolev.ioffe.rssi.ru Исследованы параметры кремниевых светодиодов, полученных ионной имплантацией бора в n-Si и последующим отжигом при температурах 700–1200C. Максимальная внутренняя квантовая эффективность электролюминесценции (ЭЛ) в области зона-зонных переходов при комнатной температуре оценена на уровне 0.4% и достигнута при температуре отжига 1100C. Эта величина изменялась не более чем в 2 раза в области рабочих температур 80–500 K. При различных токах исследованы кинетики нарастания и спада ЭЛ.

Интенсивность ЭЛ после начального нелинейного участка изменялась линейно с ростом тока. Показано, что для объяснения этого результата, по-видимому, потребуется пересмотр некоторых современных физических представлений, описывающих рекомбинацию носителей заряда в кремниевых диодах.

Работа выполнена при поддержке INTAS (грант N 2001-0194), Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-16374) и отделением физических наук РАН в рамках научной программы „Новые материалы и структуры“.

В последнее десятилетие было выполнено много ис- 1. Методика эксперимента следований люминесценции, обусловленной примесями p-n структуры были сформированы имплантации дефектами в монокристаллическом кремнии (c-Si), ей ионов бора с энергией E = 40 keV и дозой направленных на создание новых источников излучения для оптоэлектроники. Вместе с тем, электролюминес- D = 1 1015 cm-2 в пластины n-Si КЭФ-0.5 толщиной 0.37 mm, ориентированные в плоскости (100). Для соценция (ЭЛ) c-Si в области зона-зонных переходов здания омического контакта ионы фосфора (E = 75 keV, изучена недостаточно. Такие исследования важны по крайней мере как изучение базы определенного стан- D = 1 1015 cm-2) имплантировались в обратную сторону пластин. Послеимплантационные отжиги проводидарта для всех других типов светоизлучающих структур на основе c-Si. Из-за непрямых межзонных перехо- лись в аргоне при температуре Tt в течение 20 min с охлаждением в Ar вместе с печью до 600C и последудов и малого объема проведенных исследований c-Si ющей выгрузкой на воздух. Tt варьировалась в пределах многими исследователями считался бесперспективным от 700 до 1200C с шагом 100C. Все отжиги и имдля создания достаточно эффективных светодиодов с плантации проводились при наличии на поверхности Si зона-зонным спектром излучения. Эти представления пленки термического SiO2 толщиной 87 nm. Максимальбыли убедительно опровергнуты только в последние ная квантовая эффективность ЭЛ в области зона-зонных годы, когда появились сообщения [1,2] о достижении переходов при 300 K была получена при Tt = 1100C.

квантовой эффективности зона-зонного излучения в c-Si, при комнатной температуре почти не уступающей кван- Поэтому приведенные далее графики относятся к диотовой эффективности светодиодов на основе прямозон- дам, изготовленным при Tt = 1100C. Формирование диодов проводилось по обычной технологии меза-структур ных полупроводников. Причем в работе [2] высокая после напыления Al-электродов на лицевой стороне квантовая эффективность получена при относительно пластины и Ni-контактов на обратной. Рабочие площади простой технологии, хорошо совместимой с технологией интегральных схем. p-n структуры в [2] были сформи- p-n переходов составляли 1.5 mm2. Для возбуждения рованы ионной имплантацией бора в монокристалл n-Si ЭЛ к диодам прикладывалось импульсное напряжение и последующим отжигом при 1000C. Исследованные в с частотой 32 Hz при длительности импульсов 0.1–2 ms.

настоящей работе структуры также были изготовлены Спектры ЭЛ регистрировались с использованием монометодом ионной имплантации с последующим отжигом. хроматора, InGaAs-фотоприемника и селективного наноОсновными целями работы являлись: определение оп- вольтметра. При измерениях квантовой эффективности тимальной для получения максимальной эффективно- излучение на входное окно Ge-фотодиода собиралось сти ЭЛ температуры послеимплантационного отжига, линзовой системой с обратной стороны пластины через изучение изменений параметров ЭЛ в более широком, никелевое покрытие, пропускающее 1/6 часть излучения.

чем в [2], интервале рабочих температур, исследования Внешняя квантовая эффективность (ext) определялась зависимостей интенсивности ЭЛ и квантовой эффектив- на основании измерений фототока Ge-фотодиода, его ности от величины тока, изучение кинетики ЭЛ при раз- ампер-ваттной чувствительности, величины телесного личных токах и сопоставление полученных результатов угла, из которого проводился сбор излучения, потерь с результатами измерения эффективных времен жизни в линзовой системе, кремнии (в связи с выводом излунеосновных носителей заряда. чения с обратной стороны пластины) и в Ni-покрытии.

Кремниевые светодиоды, излучающие в области зона-зонных переходов: влияние температуры... Предполагался изотропный характер распределения излучения диода в полусфере. Кроме того, предполагалось, что все излучение, сфокусированное на входное окно фотодиода ФД-10 АГ, которое было выполнено в виде вмонтированной в корпус мини-линзы, собиралось на фотоприемную площадку. При вычислении внутренней квантовой эффективности (int) использовалось соотношение ext/int = 0.013 [3], полученное теоретически для плоской планарной конструкции светодиода и показателя преломления полупроводника, равного 3.6. Эффективное время жизни неосновных носителей заряда (p) определялось по предложенной в [4] методике из измерений амплитуды импульса прямого тока, а также амплитуды и длительности части импульса обратного тока, соответствующей фазе высокой обратной проводимости. Кинетика ЭЛ исследовалась с использованием работающего при комнатной температуре германиевого фотодиода. Постоянная времени реакции светорегистрирующего устройства на воздействие прямоугольного Рис. 2. Измеренные при токе 250 mA и различных температусветового импульса в этом режиме составляла 1 µs.

рах спектры ЭЛ исследованного диода. Разрешение 3 nm.

2. Экспериментальные результаты и обсуждение Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода при 300 K представлена на рис. 1. На рис. 2 приведены измеренные при 250 mA и различных температурах спектры ЭЛ исследованного диода в области зона-зонных переходов. Обычно считается (см., например, [5]), что при температурах, близких к 80 K, ЭЛ в этой области спектра обусловлена в основном излучательной рекомбинацией через экситоны, а вблизи 300 K и выше — рекомбинацией свободных носителей заряда. Смещение с ростом температуры спектра ЭЛ в длинноволновую область (рис. 3) cвязано в основном Рис. 3. Измеренная при токе 250 mA зависимость длины волны (m), соответствующей максимальной интенсивности ЭЛ, от температуры.

с уменьшением ширины запрещенной зоны c-Si. На рис. 4 приведена зависимость интегральной (полученной интегрированием по длинам волн) интенсивности ЭЛ (ELs) от температуры. Как видно из рис. 4, светодиоды работоспособны по крайней мере вплоть до 200C.

Поскольку ELs при фиксированном токе прямо пропорциональна квантовой эффективности, из рис. 4 видно, что во всем исследованном диапазоне температур квантовая эффективность изменяется не более чем в 2 раза.

На рис. 4 приведена также зависимость полуширины Рис. 1. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики при пика ЭЛ от температуры. Для исследованных диодов 300 K.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 46 А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, Е.И. Шек зависимости интегральной интенсивности ЭЛ от тока при 80, 300 и 500 K после небольшого начального нелинейного участка практически линейны. Как следствие при достаточно больших токах квантовая эффективность практически не зависит от тока. Зависимости ELs и int от тока, измеренные при 300 K, представлены на рис. 5.

Характер зависимостей интенсивности ЭЛ в максимуме распределения по длинам волн от тока не отличается от характера зависимостей ELs от тока (рис. 6). Это указывает на незначительный разогрев образца протекающим током, который может приводить к уширению спектров ЭЛ.

Линейные участки зависимостей интенсивности ЭЛ в максимуме распределения по длинам волн от тока в настоящей работе наблюдались и при других температурах отжига p-n-структур. Линейное же изменение Рис. 6. Измеренные при различных температурах зависимости интенсивности ЭЛ в максимуме распределения по длинам волн от тока.

интенсивности зона-зонной ЭЛ в c-Si и соответственно не зависящие от тока величины ext (при достаточно больших токах) описаны и в работах других исследователей [1,6,7]. Но объяснений этому эффекту дано не было. При изменении плотности прямого тока через p-n переход обычно меняется и концентрация (p) неосновных носителей заряда (дырок) в базе диода.

Обозначим концентрацию электронов в зоне проводимости n-базы диода n, а концентрацию заполненных электронами рекомбинационных уровней — m. Тогда число актов зона-зонной излучательной рекомбинации Рис. 4. Измеренные при токе 250 mA зависимости интегральв единицу времени в единице объема равно np, a ной интенсивности ЭЛ (ELs) и полуширины пика () от число актов безызлучательной рекомбинации — mp температуры.

(где и — коэффициенты, характеризующие вероятности рекомбинации). Из определения внутренней квантовой эффективности в равновесных условиях для несимметричного p-n перехода, в котором рекомбинация происходит в базе диода, можно написать L int = npdx ( j/q) L L L = npdx mpdx + npdx 0 0 L L = npdx (p/ )dx, (1) 0 где q — элементарный заряд, j — плотность тока, Рис. 5. Измеренные при 300 K зависимости интегральной интенсивности ЭЛ (1) и внутренней квантовой эффективно- L — толщина базы, x = 0 соответствует p-n переходу, сти (2) от тока. — время жизни неосновных носителей заряда. Если Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Кремниевые светодиоды, излучающие в области зона-зонных переходов: влияние температуры... Если все инжектированные в базу носители заряда связываются в экситоны, то L L int = (w/)dx (w/ )dx, (5) 0 где w — плотность экситонов, — излучательное время жизни экситонов. Если = const, условие int = const выполняется при = const.

Для случая, когда не зависит от p и выполняется условие (2), можно получить выражение, описывающее нарастание интенсивности зона-зонной ЭЛ от времени (t), прошедшего после начала приложения к структуре прямоугольного импульса тока плотностью j. Как и ранее, рассматривается несимметричный p-n переход и рекомбинация в базе диода. Введем следующее обознаРис. 7. Измеренные при 300 K и амплитуде импульсов тока L 300 mA кинетика ЭЛ (EL) и нормированные на максимальные чение: pdx = P. Тогда скорость изменения величины P значения соответствующие изменения во времени напряжения во времени равна (Voltage) и тока (Current) диода.

dP/dt = j/q - P/. (6) не зависит от p, то int const при Решение уравнения (6) имеет вид = P(t) =( j/q)[1 - exp(-t/ )]. (7) n const. (2) = Нетрудно видеть, что при t = P 0.63( j/q) = Условие (2) выполняется при низком уровне инжекции, = 0.63Pmax (где Pmax — максимальное значение P).

когда p значительно меньше n. Но, по нашим оценПоскольку при выполнении условия (2) величина P кам, в исследованных диодах на линейных участках прямо пропорциональна интенсивности ЭЛ, для расзависимостей ELs от тока в среднем условия низкого сматриваемого случая должно быть характерно то, что уровня инжекции не выполнялись. Высокий уровень ининтенсивность ЭЛ достигает значения, равного 0.63 от жекции достигался и в исследованиях p-i-n структуры, максимального, через время t. Измеренные при = описанных в [6]. Уравнение (2) выполняется, и если токе, равном 300 mA и 300 K кинетики нарастания 1/n. Но это противоречит обычным, устоявшимся и спада ЭЛ в исследованном диоде представлены на представлениям [6,8,9].

рис. 7. При 300 K для всех исследованных токов в Как следует из (1), условие int = const также может диапазоне 80-500 mA время достижения интенсивности выполняться, если ЭЛ, равной 0.63 от максимальной, (0.63) составляло m = n, (3) около 9 µs. Постоянная времени спада ЭЛ и p также практически не зависели от тока в указанном диапазоне где — коэффициент пропорциональности. В этом и составляли величину 6 µs. С учетом инерционности случае получаем светорегистрирующей системы, задержки установления амплитудного значения тока (рис. 7) и погрешности int = /( + ), (4) измерения p различие между измеренными величинами и оказывается зависящим от n (обратно пропорци- p и 0.63 не может считаться противоречащим рассматонально). Такая зависимость не согласуется с теорией риваемой модели. Иными словами, полученные экспебезызлучательной рекомбинации Шокли–Рида, согласно риментальные результаты не противоречат предположекоторой при высоком уровне инжекции не должно нию о независимости от p и выполнении условия (2).

зависеть от n и p [10]. Отметим, что наблюдаемое Задержка установления тока относительно напряжения в эксперименте практическое отсутствие зависимости (рис. 7) в исследованном диоде, вероятно, обусловлена p от тока не может однозначно свидетельствовать об эффектом модуляции сопротивления базы [10]. Отмеотсутствии зависимости от p по крайней мере потому, тим, что величина 0.63 при прочих равных условиях что формула определения p по методике [4] получена уменьшалась в результате воздействий, приводящих к для случая, когда от p не зависит (см., например, [10]). уменьшению p, например, при уменьшении Tt или Величина вычислена теоретически [6,8,9], a в рабочей температуры диода. В работах других авторассматриваемом случае может быть найдена из (4) на ров [1,2,6] по исследованию параметров эффективных основании измерений int. кремниевых светодиодов либо отсутствовали результаты Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 48 А.М. Емельянов, Н.А. Соболев, Е.И. Шек прямых измерений p [2,6], либо кинетики ЭЛ [1]. Это [10] Ю.Р. Носов. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. Наука, М. (1968). 264 с.

затрудняет сравнение полученных нами результатов с результатами указанных работ.

Если предположить, что отсутствие зависимости int от тока обусловлено выполнением условия (3), то для описания кинетики нарастания интенсивности ЭЛ скорость изменения величины P во времени можно выразить уравнением L dP/dt = j/q - ( + ) npdx. (8) Как видно, это уравнение не имеет простого решения и требует формулирования дополнительных условий, так как в отличие от (6) содержит не одну (P), а две L (P и npdx) неизвестные, изменяющиеся во времени величины.

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.