WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Инжекционное возбуждение люминесценции в многослойных структурах nc-Si/диэлектрик © Ю.А. Берашевич¶, Б.В. Каменев, В.Е. Борисенко Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220013 Минск, Белоруссия IMEL/NCSR Demokritos, 60228 Athens, Greece (Получена 14 мая 2001 г. Принята к печати 20 июня 2001 г.) Предложена модель рекомбинации неравновесных носителей заряда в многослойных структурах нанокристаллический Si–диэлектрик. Установлено, что ограничение переноса носителей заряда через локализованные состояния в диэлектрике ведет к нелинейному росту интенсивности электролюминесценции с увеличением протекающего через структуру тока. Последующий переход этой зависимости в режим насыщения связан с возрастанием роли рекомбинации Оже при увеличении тока. Снижение вклада безызлучательного процесса Оже можно достичь увеличением концентрации наноразмерных кластеров в кремнии и числа периодов структуры. Показано, что одним из основных путей увеличения интенсивности электролюминесценции является увеличение концентрации дырок на инжектирующем их контакте.

Введение свойствами структуры, что особенно проявляется в многослойных структурах nc-Si/диэлектрик.

Открытие эффективной фотолюминесценции пористо- Ранее нами был теоретически рассмотрен транспорт го кремния [1] стимулировало интенсивные исследова- носителей заряда по локализованным состояниям в запрещенной зоне диэлектрика в многослойных структуния различных кремниевых наноструктур (nc-Si) ввиду рах nc-Si/диэлектрик [12]. В настоящей работе эта возможного создания на их основе светоизлучающих модель использована для анализа механизмов рекомбиустройств, легко интегрируемых с современной микронации неравновесных носителей заряда в наноразмерных электроникой. Особый интерес вызывают структуры, сокристаллах кремния.

держащие нанокристаллиты кремния, внедренные в диэлектрическую матрицу. В этом случае диэлектрик служит естественным барьером для квантового ограничения Модель носителей заряда, возбужденных внутри кремния. Такие структуры могут быть получены, к примеру, путем химиРассмотрим периодическую наноразмерную структуру ческого осаждения кремния и диэлектрика [2–4], ионной nc-Si/диэлектрик, состоящую из N слоев кремния, раздеимплантацией кремния в диэлектрическую матрицу [5], ленных N + 1 потенциальными барьерами диэлектрика.

плазменным пробоем силана [6], молекулярно-лучевой Полагаем, что она является беспримесной и инжекция эпитаксией кремния на ориентирующих диэлектрических носителей заряда осуществляется с ее контактов.

слоях фторида кальция или диоксида кремния с поНеобходимо отметить, что в реально получаемых следующим высокотемпературным отжигом [7–9]. На структурах nc-Si/диэлектрик слои кремния состоят из сегодняшний день интенсивно изучаются оптоэлектронкристаллических кластеров нанометровых размеров, ные свойства структур nc-Si/диэлектрик при оптическом причем электронное взаимодействие между ними может возбуждении [3,6–8,10]. В то же время другой немалобыть в значительной степени подавлено [10]. Таким важный аспект проблемы — инжекционное возбуждение образом, будем считать, что каждый слой Si в рассматритаких структур — не получил должного развития.

ваемой структуре образован из изолированных кластеров Известно, что фотолюминесценция в кремниевых на- одинаковых размеров. Также предположим, что поверхноструктурах ограничена рекомбинацией одной элек- ность кластеров хорошо пассивирована, вследствие чего тронно-дырочной пары в одном нанокристаллите за вре- отсутствуют безызлучательные рекомбинационные ценмя излучательной рекомбинации, так как наличие в тры в запрещенной зоне Si. Такое предположение вполне одном нанокристаллите более одной пары носителей оправдано, ввиду незначительной температурной завизаряда ведет к быстрой ( 1нс) безызлучательной ре- симости интенсивности фотолюминесценции указанных комбинации Оже [11]. Однако в случае инжекционного структур вблизи комнатной температуры, что указывает возбуждения формирование электронно-дырочной пары на низкую эффективность безызлучательной рекомбинаосуществляется последовательной инжекцией электрона ции [3,10].

и дырки в нанокристаллит. Таким образом, люминесцен- Рассмотрим более подробно механизм возбуждения ция при этом в основном определяется транспортными и рекомбинации в наноразмерных кластерах Si. Хотя природа люминесценции nc-Si до конца не ясна, будем ¶ E-mail: julia@nano.bsuir.edu.by считать, что эмиссия света осуществляется за счет излу222 Ю.А. Берашевич, Б.В. Каменев, В.Е. Борисенко чательной рекомбинации электрона и дырки. Инжекция Ge,i Gp,i определяется как в пустой нанокластер одного носителя заряда, например, e Np,i Gp,iNSUM i электрона, благодаря кулоновскому взаимодействию меIEL =, (8) RR 1 + Ge,iRR жду инжектированным электроном и наведенным этим электроном полем, приводит к значительному росту где — энергия излученного фотона. При высоэнергии электрона [13,14]. При инжекции 2-го электрона ких уровнях инжекции, когда Ge,iRR 1, интенв кластер, содержащий электрон, увеличение энергии сивность электролюминесценции пропорциональна отможет достигать, в зависимости от размера кластера и ношению вероятностей инжекции электронов и дырок диэлектрической проницаемости матрицы, 1–2 эВ, что в кластер. Однако отношение величин Ge,i, Gp,i, определает инжекцию 2-го электрона крайне маловероятделяемое переносом носителей заряда через структуру, ной [13]. Однако инжекция дырки в кластер, уже значительно различается для разных слоев.

содержащий электрон, приводит к компенсации заряда Для описания переноса носителей заряда в многослойза счет кулоновского взаимодействия между электроных структурах nc-Si/диэлектрик используем систему ном и дыркой, и инжекция 3-го носителя становится уравнений [12], учитывающую кинетику изменения конвозможной. Наличие трех носителей заряда в кластере центраций электронов ni и дырок pi в i-м слое кремния:

ведет к быстрой безызлучательной рекомбинации Оже ni ni-ввиду высокой локальной концентрации носителей за= gn,i-1(ni-1, ni) ряда [11]. Поэтому мы можем пренебречь вкладом t nk кластеров, содержащих более трех носителей заряда и ni - gn,i(ni, ni+1) - Ri(ni, pi), (9) ограничить наше рассмотрение наноразмерными клаnk стерами, не содержащими носителей заряда, с концен0 e pi pi+трацией N0, имеющими 1 электрон (N0 ) или 1 дырку = gp,i+1(pi+1, pi) 0 e (Np), 2 носителя заряда противоположного знака (Np), t pk 2e а также 2 электрона и 1 дырку (Np ) или 2 дырки и pi e - gp,i(pi, pi-1) - Ri(ni, pi), (10) 1 электрон (N2p).

pk Учитывая, что скорость оже-рекомбинации значительгде первый член первых частей уравнений описывает но превосходит скорость излучательной рекомбинации, темп переноса электронов или дырок в i-ю яму, второй запишем систему уравнений непрерывности, описывачлен — темп выхода носителей заряда из этой ямы;

ющих процесс инжекции и рекомбинации в i-м слое nk, pk — плотность носителей заряда на инжектирующих рассматриваемой структуры:

контактах;

0 e dN0,i Np,i p 0 Np,i N2p,i = - Ge,iN0,i - Gp,iN0,i, (1) Ne,i 2e e dt RR Ri(ni, pi) = + + (11) RR A A e 2e dN0,i Np,i 0 e — темп рекомбинации электронов и дырок в i-м слое, = Ge,iN0,i + - Gp,iN0,i, (2) dt A определяемый системой уравнений (1)–(7).

0 e dNp,i N2p,i Экспериментальные данные [15,16] показывают, что 0 = Gp,iN0,i + - Ge,iNp,i, (3) механизм переноса носителей заряда сквозь расdt A e e сматриваемую структуру является преимущественно dNp,i Np,i 0 e e e = Ge,i(Np,i - Np,i) +Gp,i(N0,i - Np,i) -, (4) активационным, что подразумевает участие в этом проdt RR цессе локализованных состояний в запрещенной зоне 2e 2e dNp,i Np,i диэлектрика. Однако необходимо отметить, что конечная e = Ge,iNp,i -, (5) плотность таких состояний будет приводить к насыdt A e e щению темпа переноса носителей заряда при больших dN2p,i N2p,i e = Gp,iNp,i -, (6) значениях внешнего смещения, что находит эксперименdt A тальное подтверждение и наблюдалось в работе [15] при 0 e 0 e 2e e NSUM = N0,i + N0,i + Np,i + Np,i + Np,i + N2p,i, (7) исследовании вольт-амперных характеристик периодических структур Si/CaF2.

где Ge,i, Gp,i — темпы инжекции электронов и дырок Темп инжекции носителя заряда в кластер зависит в кластер; NSUM — общая концентрация кластеров в от вероятности его нахождения в i-й квантовой яме слое, постоянная для всех периодов; A — время ожеи концентрации носителей в этой яме и может быть рекомбинации; RR — время излучательной рекомбинаопределен следующим образом:

ции.

Анализ системы уравнений (1)–(7) показывает, что ni-1gi-1(ni-1, ni) nigi(ni, ni+1) для стационарного случая интенсивность люминесцен- Ge,i = -, (12) nkNSUM nkNSUM ции определяется соотношением темпов инжекции электронов и дырок Ge,i, Gp,i. В частности, интенсивpi+1gi+1(pi+1, pi) pigi(pi, pi-1) Gp,i = -. (13) ность электролюминесценции i-го слоя при условии pkNSUM pkNSUM Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Инжекционное возбуждение люминесценции в многослойных структурах nc-Si/диэлектрик Параметры, используемые для исследования процессов ретоков при одинаковой концентрации носителей заряда на комбинации в нанокристаллическом кремнии в многослойных инжектирующем контакте определяется различной высоструктурах nc-Si/CaFтой барьеров для электронов и дырок, различными условиями инжекции на контактах и сильной зависимостью Параметр Величина эффективной массы дырок от геометрии наноразмерной Число периодов структуры 4-структуры [18].

Время рекомбинации Оже 10-9 с [11] На рис. 2 показаны расчетные зависимости интенсивВремя излучательной рекомбинации 10-4 с [3,10] ности электролюминесценции от плотности тока для тех Энергия излученного фотона 1.65 эВ [3,4,6,8] же концентраций дырок на инжектирующих контактах, Концентрация кластеров 1016-1019 см-как и на рис. 1. В случае равных концентраций обоих Концентрация электронов на контакте 1018-1019 см-Концентрация дырок на контакте 1011-5 · 1019 см-3 типов носителей заряда наблюдается линейный рост Приложенное напряжение 0.1-25 В Толщина слоя кремния 1.5 нм Толщина слоя CaF2 2нм Эффективная масса электрона 0.35m0 [17] Эффективная масса дырки 0.42m0 [17] Совместное решение уравнений (1)–(6), (9)–(13) в стационарном случае с учетом условия (7) мы использовали для моделирования процессов возбуждения и рекомбинации в многослойной структуре nc-Si/CaF2.

Времена рекомбинации, плотность наноразмерных кластеров кремния и ловушек в диэлектрике, коэффициент захвата носителей заряда на ловушки, толщины слоев диэлектрика и полупроводника принимались равными для всех периодов структуры. Численные значения параметров, использованных в расчетах, приведены в таблице.

Рис. 1. Зависимости плотности дырочного (1–4) и элекРезультаты моделирования тронного (5) токов от приложенного напряжения смещения и их обсуждение при NSUM = 1017 см-3. Концентрация носителей заряда на инжектирующем контакте pk, nk, см-3: 1 — pk = 1018, 2 — pk = 1016, 3 — pk = 1013, 4 — pk = 109, 5 — nk = 1018.

Поскольку интенсивность излучательной рекомбинации в кремниевых кластерах определяется носителями заряда с меньшей концентрацией, или меньшей подвижностью, концентрацию электронов на контакте мы выбирали постоянной и близкой к концентрации ловушечных состояний в диэлектрике. В то же время концентрация дырок на противоположном контакте варьировалась в широких пределах, что привело к различным значениям дырочного тока при фиксированном электронном.

Результаты расчета величин дырочного и электронного токов от приложенного напряжения смещения для 4-периодной структуры Si/CaF2 при различных концентрациях дырок на инжектирующем контакте представлены на рис. 1. При выбранных параметрах электронная составляющая тока быстро выходит на насыщение и практически остается постоянной при росте напряжения смещения выше 3 В в результате ограничения переноса носителей заряда конечной концентрацией ловушек. В то же время насыщение дырочной составляющей тока зависит от приложенного смещения и концентрации дырок Рис. 2. Зависимости интенсивности электролюминесценции на контакте, поэтому область ее насыщения смещается (IEL) от плотности тока (J) при NSUM = 1017 см-3 и конценк большим напряжениям при уменьшении концентрации трации дырок на инжектирующем контакте pk, см-3: 1 —1018, дырок на контакте. Различие электронного и дырочного 2 —1016, 3 —1013, 4 —109.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 224 Ю.А. Берашевич, Б.В. Каменев, В.Е. Борисенко интенсивности электролюминесценции с увеличением плотности тока. Снижение концентрации дырок на инжектирующем контакте приводит к появлению сверхлинейной зависимости в диапазоне плотностей токов 3 · 10-9-10-7 А/см2, что соответствует напряжению 2-7 В, когда электронный ток насыщен, а дырочный далек от насыщения. В этих условиях интенсивность электролюминесценции определяется дырочным током, а общий ток — электронным. Возврат линейной зависимости происходит при насыщении дырочного тока.

При дальнейшем росте тока интенсивность электролюминесценции приближается к насыщению, поскольку начинает превалировать оже-рекомбинация. Поэтому эффективность излучательной рекомбинации, определяемая как = (IEL/ )/R(n, p), уменьшается с увеличением тока основных носителей заряда. На рис. 3 показана зависимость интенсивности электролюминесценции Рис. 4. Зависимости эффективности излучательной от плотности тока для 4-периодной структуры Si/CaF2 рекомбинации от концентрации кластеров кремния (NSUM), при одинаковой концентрации электронов и дырок на рассчитанные для 4-периодной структуры Si/CaF2 при контактах. Эффективность излучательной рекомбинации nk = pk = 1018 см-3 и напряжении смещения V, В: 1 — 15, 2 — 10, 3 —5.

быстро уменьшается при увеличении тока, что ведет к ограничению интенсивности электролюминесценции до величины NSUMGp.

щения интенсивность электролюминесценции остается GeRR постоянной и не зависит от тока [19].

Результаты расчетов хорошо согласуются с данными Нами также установлено, что интенсивность элекиз экспериментальных исследований электролюминестролюминесценции зависит от концентрации кластеров ценции в периодических структурах Si/CaF2, которые кремния, так как уменьшение этой концентрации ведет к показали нелинейный рост интенсивности электролюросту вероятности захвата третьего носителя в кластер минесценции с увеличением тока [19]. При внешних и, как следствие, к оже-рекомбинации (рис. 4). При этом смещениях, для которых имеет место насыщение тока эффективность излучательной рекомбинации падает, и на вольт-амперной характеристике, рост интенсивности скорость падения растет при увеличении темпа инжекэлектролюминесценции от тока характеризуется линейции третьего носителя заряда в кластер.

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.