WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 2 Длинноволновое излучение горячих носителей заряда в кремнии © Л.А. Косяченко, М.П. Мазур Черновицкий государственный университет, 274012 Черновцы, Украина (Получена 16 марта 1998 г. Принята к печати 5 августа 1998 г.) Исследована горячая электролюминесценция кремния в области энергии фотонов 0.25–0.8 эВ. Получены спектры излучения n-p-n- и p-n-p-транзисторных структур при низких ускоряющих напряжениях, когда в возбуждении свечения принимают участие носители заряда только одного знака. Результаты эксперимента обсуждаются на основе модели прямых межподзонных и непрямых внутризонных излучательных переходов горячих носителей заряда.

1. Введение или дырки. Как видно из приведенных далее параметров исследуемых образцов, в наблюдаемой ЭЛ не могли Исследованию горячей электролюминесценции (ЭЛ) проявиться квантово-размерные эффекты, которые придиодов на кремнии посвящено достаточно много работ, водят к генерации мощного излучения в этой же спекначиная с 50-х годов [1,2]. Было показано, что это тральной области, но с характерными зависимостями явление обусловлено высокоэнергетическими носителяспектра излучения от концентрации и профиля легироми заряда, возбуждаемыми сильным электрическим пования структуры, а также с ярко выраженной пороговой лем в барьерной структуре. Кроме рекомбинационной зависимостью мощности излучения от тока [11,12].

полосы с максимумом в области энергии фотонов h, близкой к ширине запрещенной зоны полупроводника 2. Образцы и методика эксперимента Eg 1.1эВ (которая может наблюдаться как следствие = ударной ионизации атомов), в спектре ЭЛ присутствует Измерения проводились на сверхвысокочастотных широкополосное излучение в диапазоне 1–3 эВ, мнения (СВЧ) n-p-n- и p-n-p-транзисторах, имеющих одинао механизме которого разделились. Многие из авторов ковую топологию и конструкцию (для вывода излучения интерпретируют этот компонент ЭЛ, исходя из предлов керамическом корпусе вырезалось отверстие). Базовый женной в работе [3] модели, согласно которой оптичеслой в СВЧ транзисторах изготавливается как можно ское излучение формируется при торможении горячего тоньше (в данном случае около 1 мкм), поэтому износителя на заряженном центре, другие — основываясь за падения напряжения вдоль него ток протекает в на модели прямых излучательных переходов носителей основном по периферии эмиттера (так называвемый между различными подзонами зоны проводимости или эффект вытеснения эмиттерного тока), которая не затевалентной зоны (межподзонные переходы) [4] или же нена металлическим электродом [13]. Поскольку база на модели непрямых переходов в пределах одной и той легируется достаточно сильно ( 1017 см-3), а эмиттер же подзоны с участием фононов [5]. Такая неопределенеще сильнее (1019-1020 см-3 и более, при толщине эмитность не была до конца снята и в серии работ, появившихтерного слоя 1.5–2 мкм), напряженность электрического ся в конце 80-х годов [6–10]. Главная трудность состоит поля при обратно включенном эмиттерном p-n-перев том, что как прямые межподзонные, так и непрямые внутризонные переходы (включая и тормозное излуче- ходе оказывается выше 105 В/см. Таким образом, при инверсном включении СВЧ транзистора (коллекторный ние) приводят к одинаковым по характеру спектрам переход в прямом направлении, а эмиттерный в обратизлучения — монотонно убывающим при увеличении h ном) достигаются благоприятные условия как для возбузависимостям. Другое осложнение связано с тем, что ждения горячих носителей, так и для вывода излучения горячая ЭЛ наблюдается при высоких возбуждающих из прибора. Инжектируясь из коллектора через базу напряжениях, когда развиваются лавинные процессы и в эмиттерный переход, носители ускоряются действуюв формировании излучения участвуют носители обоих щим там сильным электрическим полем и генерируют знаков. Наконец, приведенные в литературе спектры оптическое излучение. При этом можно получить знаизлучения приходятся на область h > Eg, где они искажены из-за самопоглощения. чительные потоки горячих носителей (электронов или В настоящей работе приведены результаты экспе- дырок в n-p-n- или p-n-p-структуре соответственно) риментального исследования горячей ЭЛ кремниевого за счет увеличения тока инжекции, не вызывая при p-n-перехода в области h < Eg. Использование этом электрический пробой p-n-перехода. Генерируемое структуры биполярного транзистора позволило получить излучение включает видимое свечение, которое восприспектры излучения в области h < 0.8эВ вплоть до нимается глазом в виде полоски, охватывающей эмит0.25–0.3 эВ (1.5–5 мкм) при низких ускоряющих напря- терную область. В спектре присутствует относительно жениях, когда в формировании излучения принимают узкая полоса с максимумом вблизи 1.1 эВ, обусловленучастие носители только одного знака — электроны ная межзонной рекомбинацией тепловых носителей в Длинноволновое излучение горячих носителей заряда в кремнии базе [14,15]. В интересующей нас области h 0.8эВ вклад этой полосы пренебрежимо мал по сравнению с широкополосным бесструктурным излучением, которое при сильном разогреве носителей (большом ускоряющем напряжении на эмиттерном p-n-переходе) может простираться вплоть до h = 3.5-4эВ.

Измерения в области h 0.8 эВ осложнены низкой чувствительностью имеющихся фотоприемников. Охлаждаемый PbS-фоторезистор в комбинации с призменным монохроматором ДМР-4 позволяет регистрировать фотоны с энергией не ниже 0.5–0.6 эВ. Спектр чувствительности охлаждаемого PbSe-фоторезистора простирается до h = 0.2-0.25 эВ, но его детектируРис. 1. Спектральное распределение числа фотонов N(h), ющая способность более чем на порядок ниже, чем излучаемых n-p-n- и p-n-p-транзистором (заполненные PbS-фоторезистора. Поэтому в области h < 0.6эВ и незаполненные кружки, соответственно) при ускоряющем напряжении 4 В и инжектируемом токе 100 мА. Штриховая мы использовали PbSe-фоторезистор в комбинации с и пунктирная линии — спектральные распределения скорости фильтрами — монокристаллическими пластинами CdSb излучательных электронных межподзонных переходов, рассчис многослойными покрытиями из ZnS, SiO и Ge. Гратанные в работах [9] и [10] соответственно.

дуировка пар ”фоторезистор–фильтр” по длинам волн производилась при помощи ИК спектрофотометра, а по чувствительности — при помощи ленточного никелевого излучателя с известной цветовой температурой (1150 K), используемого фильтра несколько перекрывается с лиизлучательная способность которого по сравнению с нией поглощения CO2 в атмосфере). На рис. 1 приведен абсолютно черным телом отличается не более чем на также спектр излучения кремния для прямых межподзон10–20% в исследуемом спектральном диапазоне. Питаных переходов, рассчитанный в работе [9] (штриховая ние транзистора осуществлялось прямоугольными имкривая) при строгом учете энергетической структуры пульсами напряжения со скважностью, равной 2. Сигнал зон в предположении больцмановского распределения регистрировался стандартной системой синхронного депо энергиям exp(-E/kTc) при температуре носителей тектирования, обеспечивающей приемлемое соотношеTc = 1500 K. Детальные расчеты, выполненные в рабоние ”сигнал–шум”.

те [10], показали, что допуская непрямые внутризонные переходы при рассеянии фононами или ионизированными примесями, невозможно объяснить спад излучения в 3. Экспериментальные результаты области h < 0.8 1 эВ, имеющийся на эксперимени их обсуждение тальных кривых из работ [4,8]. Такой спад получается, если допустить доминирующую роль прямых межподзонНа рис. 1 представлены спектры излучения n-p-n- ных переходов и, кроме того, заменить больцмановское и p-n-p-транзисторов при токе в эмиттерном переходе распределение носителей по энергиям гауссовским вида 100 мА и ускоряющем напряжении 4 В. Судя по пове- exp(AE - BE2), где A и B — положительные константы дению фототока, возбуждаемого внешней засветкой [15], (пунктирная кривая на рис. 1). Наши экспериментальные умножение носителей при таком ускоряющем напряже- данные, представленные на рис. 1, показывают, что нии практически не проявляется, т. е. можно считать, максимум излучения в области h = 0.5 0.8эВ — хачто в n-p-n-транзисторе излучение генерируется толь- рактерная особенность прямых межподзонных переходов ко горячими электронами, а в p-n-p-транзисторе — носителей — не наблюдается. Обратим внимание на то, только горячими дырками. Разумеется, горячие носители что такой максимум, полученный на экспериментальных противоположного знака (неосновные в эмиттере) при кривых в работах [8,9], приходится на длинноволновый этом инжектируются в базу, однако их поток при низких край спектра чувствительности соответственно PbS- или напряжениях, когда ударная ионизация не происходит Ge-фоторезисторов, используемых в этих работах. Чув( 4В), на многие порядки слабее потока горячих ствительность используемого нами PbSe-фоторезистора носителей, инжектируемых в эмиттер. в диапазоне 0.25–0.6 эВ достаточно равномерная, что Как видно из рис. 1, спектры излучения n-p-n- обеспечивает меньшие ошибки при измерениях.

и p-n-p-структур однотипны и представляют собой При указанном режиме возбуждения выделяемая эфмонотонно убывающие с увеличением h зависимости фективная электрическая мощность исключает замет(намечающийся подъем при h > 0.8 эВ обусловлен ный нагрев установленного на теплоотводящий радиатор уже упоминавшимся рекомбинационным излучением в транзистора (максимально допустимый ток эмиттера для базе, а несколько заниженное положение точки для приборов такого типа составляет 1 А). Влияние нагреh 0.28 эВ обусловлено тем, что полоса пропускания ва ослабляется также тем, что используемая система Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 172 Л.А. Косяченко, М.П. Мазур Однако при повышении частоты тепловое излучение перестает ”успевать” за импульсами тока и, в конце концов, его вклад в регистрируемый сигнал становится пренебрежимо малым по сравнению с ЭЛ излучением, которое характеризуется высоким быстродействием (горизонтальные участки на частотах f > 400-500 Гц).

При малых возбуждающих токах, когда тепловое излучение несущественно, регистрируемый сигнал не должен зависеть от частоты следования импульсов, что и наблюдается на опыте. Справедливость такой интерпретации частотных зависимостей подтверждается также тем, что в случае больших возбуждающих токов при переходе от низких частот к высоким приходится изменять фазу синхродетектора (на некоторой частоте соотношение фаз таково, что сигналы, возбуждаемые ЭЛ и тепловым излучением, взаимокомпенсируются, чем и обусловлен ”провал” на верхней кривой рис. 2, a).

Таким образом, из данных, приведенных на рис. 2, a следует, что при возбуждающих токах, близких к величине порядка 100 мА, тепловое излучение вносит незначительный вклад в регистрируемый сигнал во всем диапазоне частоты модуляции сигнала (20–1000 Гц), а при токах 0.6–0.8 А — на частотах выше примерно 400 Гц.

Этот вывод подкрепляется измеренными зависимостями интенсивности излучения L от электрической мощности, потребляемой транзистором P. На рис. 2, b Рис. 2. Зависимости величины регистрируемого сигнала представлены такие зависимости при частоте следования L: a — от частоты f при токах в обратно смещенном импульсов 33 Гц. Кривая 1 снята при постоянном ускоряp-n-переходе I, А: 1 —0.1, 2 —0.2, 3 —0.4; b — от потребющем напряжении и изменяемом токе инжекции. В этом ляемой транзистором мощности P при постоянном ускоряюслучае интенсивность ЭЛ, очевидно, должна зависеть щем напряжении (4В) и изменяемомтоке (кривая 1), а также при постоянном токе (0.5 А) и изменяемом ускоряющем напря- линейно от тока (а в нашем случае при постоянном жении (кривая 2).

ускоряющем напряжении — и от P), что и наблюдается экспериментально при P < 0.5-0.6Вт. Если же потребляемую транзистором мощность изменять при постоянном токе инжекции, но увеличивающемся ускоряющем синхронного детектирования не регистрирует постояннапряжении, зависимость L(P) изображается кривой 2.

ную составляющую сигнала. Однако температура самого Если бы регистрируемое излучение было тепловым, эмиттерного p-n-перехода и областей, непосредственно зависимости L(P) ивтомивдругомслучаедолжныбыть прилегающих к нему, может пульсировать и тем сильнее, одинаковыми. На самом деле, кривые 1 и 2 при малых P чем меньше частота возбуждающих импульсов. Имея качественно отличаются и только при больших P, как и это в виду, мы измерили зависимость регистрируемого можно было ожидать, сближаются, поскольку при этом сигнала от частоты импульсов, выделив при помощи согласно данным рис. 2, a вклад теплового излучения оптического фильтра самое длинноволновое в исслестановится заметным.

дуемой области излучение (3.8 4.4мкм), которое, Проведенные измерения, таким образом, показывают, очевидно, подвержено влиянию теплового излучения в что тепловое излучение не вносит заметных искажений наибольшей степени. На рис. 2, a представлены такие в представленные на рис. 1 измеренные спектры. Мозависимости при различных значениях эмиттерного тока.

нотоный характер спектральной зависимости скорости Видно, что при увеличении частоты импульсов f от излучательных электронных переходов подвергает содо 1000 Гц регистрируемый сигнал при наибольшем токе мнению модель прямых межподзонных переходов [9,10] уменьшается почти на порядок, в то время как при токе и свидетельствует в пользу непрямых переходов как до100 мА — зависит от частоты слабо (чувствительность минирующего механизма ЭЛ исследуемых кремниевых PbSe-фотодетектора в этом диапазоне частот постоян- структур.

ная). Это естественно объясняется тем, что при больших С учетом сильного легирования эмиттера, следует, повозбуждающих токах тепловое излучение вносит замет- видимому, допустить важную роль рассеяния ионизироный вклад в регистрируемый сигнал, более того, на низ- ванными примесями, а не только фононами. Внутризонких частотах его роль является определяющей (почти го- ный излучательный переход является процессом, обратризонтальные участки в области частот f < 40-50 Гц). ным поглощению фотона свободным носителем. СечеФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Длинноволновое излучение горячих носителей заряда в кремнии ние поглощения для рассеяния заряженными примесями [12] Н.Т. Баграев, Е.В. Владимирская, В.Э. Гасумянц, В.И. Кайданов, В.В. Кведер, Л.Е. Клячкин, А.М. Маляренко, зависит от величины h более резко (пропорционально Е.И. Чайкина. ФТП, 29, 2133 (1995).

h-7/2 для простой зоны), чем для рассеяния на дефор[13] С. Зи. Физика полупроводниковых приборов (М., Мир, мационном потенциале (пропорционально h-3/2) [16].

1984).

Поэтому по мере уменьшения энергии h роль тор[14] Л.А. Косяченко, Е.Ф. Кухто, В.М. Склярчук. Письма ЖТФ, мозного излучения возрастает, что, по-видимому, может 11, 1437 (1985).

привести к наблюдаемому более резкому подъему интен[15] Л.А. Косяченко, М.П. Мазур, В.М. Склярчук. УФЖ, 42, сивности излучения в области h <0.6эВ.

846 (1997).

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.