Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 2 Электролюминесценция в пористом кремнии при обратном смещении барьера Шоттки й Ю.А. Берашевич, С.К. Лазарук, В.Е. Борисенко Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220013 Минск, Белоруссия (Получена 18 марта 2005 г. Принята к печати 12 мая 2005 г.) Предложена модель электролюминесценции, возникающей в структуре металл/пористый кремний при обратном смещении образующегося барьера Шоттки. Модель учитывает лавинное умножение горячих носителей заряда и безызлучательную оже-рекомбинацию в пористом кремнии. Установлено, что различие в закономерностях возрастания электронного и дырочного тока за счет генерации неосновных носителей заряда при лавинном умножении горячих электронов ведет к сверхлинейному росту интенсивности излучательной рекомбинации от тока. В режиме лавинного пробоя происходит снижение эффективности излучательной рекомбинации за счет увеличения вклада оже-процессов. Показано, что одним из основных путей увеличения эффективности электролюминесценции пористого кремния является увеличение в нем концентрации нанокристаллитов.

PACS: 78.60.Fi, 81.40.Tv, 61.43.Gt, 73.40.Ns 1. Введение металл/por-Si/Si в режиме лавинного пробоя [6,8,10,11].

Определяющее влияние на рекомбинацию носителей Изменение энергетической зонной структуры кремния заряда в кремниевых структурах оказывают генерация при уменьшении размеров до нанометрового диапазона и перенос через структуру носителей заряда обоих вследствие действия квантово-размерного эффекта при- типов [12]. Кроме того, низкое значение эффективности водит к появлению эффективной фотолюминесценции излучательной рекомбинации в пористом кремнии при и электролюминесценции [1,2]. Обнаружение данного обратном смещении требует дополнительных исследоваэффекта более десятилетия назад стимулировало интен- ний ввиду вклада различных механизмов рекомбинации сивные исследования различных кремниевых нанораз- и генерации носителей заряда в режиме лавинного мерных структур ввиду возможного создания на их осно- пробоя.

ве светоизлучающих устройств, легко интегрируемых Цель данной работы заключается в установлении с кремниевой технологией изготовления интегральных закономерностей и путей повышения эффективности микросхем. Интерес вызывают как структуры, содержа- электролюминесценции в структуре металл/пористый щие нанокристаллиты кремния, внедренные в диэлек- кремний путем экспериментального исследования изтрическую матрицу [3Ц5], так и пористый нанокристал- лучательных характеристик в зависимости от режимов лический кремний (por-Si) ввиду относительно недоро- электрического смещения и моделирования генерации гой технологии его изготовления, осуществляемой при электронно-дырочных пар и их излучательной рекомпомощи электрохимической анодной обработки моно- бинации в пористом кремнии при обратном смещении кристаллического кремния [6,7]. Применение пористого барьера Шоттки, образующегося на контакте металла и кремния является особенно актуальным для создания пористого кремния.

оптических межсоединений в кремниевых интегральных микросхемах, так как традиционные металлические 2. Светоизлучающий диод с барьером межсоединения по причине RC-задержек не способны Шоттки на пористом кремнии эффективно работать в гигагерцевом диапазоне частот.

Экспериментально полученное значение эффективПроцесс изготовления светоизлучающих структур ности излучения светодиодов на пористом кремнии металл/por-Si/Si подробно описан в нашей работе [6], составляет 1% [8,9], а время нарастания светового поэтому мы приведем здесь лишь основные технологиимпульса в пористом кремнии при приложении имческие этапы. Светоизлучающие диоды формировали на пульсного внешнего смещения достигает нескольких кремниевых подложках n-типа проводимости с удельным наносекунд [10], вплотную приблизившись к гигагерсопротивлением 0.01 Ом см. Слой пористого кремния цовому диапазону рабочих частот [11]. Большая часть на них формировали анодированием в 1%-м водном исследований по светодиодам на пористом кремнии порастворе плавиковой кислоты при плотности тока форсвящена приборам, работающим при прямом смещении, мовки 4 мА/см2. В процессе анодирования рабочая пов то время как более высокие значения эффективверхность кремниевой подложки освещалась вольфрамоности, стабильности и быстродействия светоизлучения вой лампой накаливания мощностю 100 Вт на расстоябыли получены при обратном смещении структуры нии 10 см. Толщина созданного пористого слоя состав E-mail: julia@nano.bsuir.edu.by ляла 1.0 мкм. На поверхность пористого слоя осаждали Электролюминесценция в пористом кремнии при обратном смещении барьера Шоттки пленку алюминия, после чего при помощи операций фо- димо теоретическое моделирование переноса носителей толитографии и сквозного электрохимического анодиро- заряда и их излучательной рекомбинации в исследуемой вания алюминия формировали металлические электроды структуре с учетом нескольких основных механизмов площадью 0.3 мм2. Конструкция изготовленного таким генерации-рекомбинации носителей заряда, превалируобразом прибора показана на рис. 1. Для регистрации ющих в режиме лавинного пробоя.

электролюминесценции использовали кремниевый фотодиод.

3. Модель Измерения характеристк светоизлучающего диода при инжекционном возбуждении люминесценции показали, В реально получаемых структурах слой пористого что наклон зависимости интенсивности электролюмикремния состоит из нанокристаллитов, по своим элекнесценции IEL от величины плотности тока J при тронным свойствам представляющих собой квантовые обратном смещении барьера Шоттки изменяется с роточки и квантовые шнуры [13]. Нанокристаллический стом J, и это было также подтверждено в работе [8].

кремний обладает энергетической зоной с квазипряРезультаты измерений представлены на рис. 2. В обламыми переходами, что обусловливает увеличение эфсти значений плотности тока 1-10 А/см2 наблюдается фективности люминесценции исследуемого материала зависимость IEL Jn, где n = 3. Увеличение тока припо сравнению с непрямозонным монокристаллическим водит к снижению показателя степени n, и в области кремнием. Электронные переходы между состояниями токов J > 2 102 А/см2 зависимость IEL(J) приобретает дна зоны проводимости (Ec) и потолка валентной золинейный характер (IEL J).

ны (Ev) сопровождаются эмиссией фотона с энергией Для объяснения нелинейной зависимости интенсивно = Eg. Вследствие квантово-размерного эффекта шисти электролюминесценции от плотности тока необхорина запрещенной зоны Eg в каждом нанокристаллите кремния имеет величину, соответствующую его размеру, что приводит к варьированию этого параметра в слое пористого кремния. При этом с энергетической точки зрения слой пористого кремния можно представить как набор чередующихся квантовых ям и потенциальных барьеров высотой не более 1 эВ [14].

Для обеспечения лавинного умножения носителей заряда и соответственно интенсивной электролюминесценции к структуре обычно прикладывают значительное внешнее смещение. При этом темп активационного перехода носителей заряда или их туннелирования через потенциальные барьеры, образованные нанокристаллитами небольшого размера, очень высок ввиду незначиРис. 1. Структура светоизлучающего диода на пористом тельных высот барьеров. Учитывая, что пористый кремкремнии.

ний формировали на подложке с низким удельным сопротивлением, 0.01 Ом см, а сопротивление самого пористого кремния составляло 10-50 Ом см, можно полагать, что транспорт носителей заряда в пористом кремнии существенно не отличается от переноса носителей заряда в объемном полупроводнике. В подтверждение сказанного отметим, что сопротивление собственного кремния значительно превышает величину 100 Ом см.

Энергетическая диаграмма структуры Al/por-Si/n-Si при обратном смещении барьера Шоттки и перенос электронов и дырок схематично представлены на рис. 3.

Эффективность излучательной рекомбинации носителей заряда зависит от концентраций обоих типов носителей в нанокристаллитах и контролируется неосновными носителями заряда. В пористом слое, полученном на кремнии n-типа проводимости, концентрация электронов выше, чем дырок, и большая часть инжектированных из металлического контакта электронов не рекомбинирует в его объеме из-за отсутствия неравновесных носителей заряда противоположного знака, а дрейфует к границе Рис. 2. Зависимость интенсивности электролюминесцен- раздела por-Si/n-Si. В области пространственного заряда ции IEL от плотности тока через структуру Al/por-Si/n-Si. вблизи границы раздела por-Si/n-Si электроны имеют 8 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 242 Ю.А. Берашевич, С.К. Лазарук, В.Е. Борисенко значительные длину пробега и энергию, поэтому в кристаллитов кремния в пористом слое, dSi Ч размер данной области увеличивается вероятность процесса нанокристаллита кремния, T Ч температура, kB Ч лавинного умножения электронов. Этот эффект ведет постоянная Больцмана, q Ч заряд электрона.

к росту концентрации и неосновных носителей заряда При высоких внешних смещениях в результате нагре(дырок) на границе с подложкой. В процессе лавинного ва электронного газа в пористом кремнии значительное умножения их образуется гораздо больше, чем инжеквлияние на перенос носителей заряда через структуру тируется из подложки, поэтому вкладом последних в оказывает их лавинное умножение. Предполагаем, что электролюминесценцию и общий ток, протекающий в поверхность нанокристаллитов хорошо пассивирована, структуре, можно пренебречь.

вследствие чего отсутствуют центры безызлучательной В рамках теории лавинного умножения концентрация рекомбинации в запрещенной зоне кремния. Однако электронов на границе раздела por-Si/n-Si и дырок, высокий темп инжекции носителей заряда при обратном генерируемых при лавинном умножении разогретых смещении барьера Шоттки обусловливает значительэлектронов, определяется как [15] ный вклад в процессы рекомбинации безызлучательных nI = n + n, (1) оже-процессов, эффективность которых растет с увеличением темпа инжекции носителей заряда в нанокриpI = n, (2) сталлиты. Для полного описания поведения носителей где n Ч концентрация электронов в области пространзаряда в нанокристаллитах кремния используем систему ственного заряда вблизи границы раздела por-Si/n-Si уравнений непрерывности [5], описывающую процесс (рис. 3) без учета лавинного умножения, Ч коэфинжекции носителей заряда, изменение их концентрации фициент лавинного умножения, который определяется вследствие лавинного умножения, оже- и(или) излучакак [16] тельную рекомбинацию носителей заряда в нанокристалE b = a0dpor-Si exp, (3) литах с различным числом инжектированных носителей b0 E заряда.

a0 = 40.5см-3, b0 = 106 В/см Ч константы [16], Вкладом нанокристаллитов, содержащих более трех dpor-Si Ч толщина слоя пористого кремния, E Чнапряносителей заряда, мы пренебрегаем и ограничимся расженность электрического поля.

смотрением лишь нанокристаллитов, не содержащих Темп инжекции носителей заряда в нанокристаллиты 0 n носителей заряда (N0), имеющих один электрон (N0) кремния с учетом лавинного умножения носителей заряили одну дырку (N0), два носителя заряда противоp да на границе раздела por-Si/n-Si характеризуется двумя положного знака (Nn), а также два электрона и одну p компонентами Ч дрейфовым и диффузионным темпами n дырку (N2n) или две дырки и один электрон (N2p).

p инжекции [17], которые определяются подвижностью Учитывая, что скорость оже-рекомбинации значительносителей заряда n, p [14], распределением концентрано превосходит скорость излучательной рекомбинации, ции носителей заряда, напряженностью поля E, темперапроцесс инжекции и рекомбинации носителей можем турой T и могут быть определены следующим образом:

описать уравнениями непрерывности следующего вида:

nnI kBT nI Gn = qE + - R(nI, pI), (4) Nn qdpor-Si dSi NSUM dN0 p 0 = - GnN0 - GpN0, dt R p pI kBT pI Gp = qE + - R(nI, pI), (5) n N2n n qdpor-Si dSi NSUM dN0 0 p = G0N0 + - GpN0, n dt A где R(nI, pI) Ч темп рекомбинации электронов и дырок в нанокристаллитах кремния, NSUM Ч концентрация n dN0 N2p p = G0N0 + - GnN0, p p dt A (6) dNn Nn p p n = Gn(N0 - Nn) +Gp(N0 - Nn) -, p p p dt R dN2n N2n p p = GnNn - + GI N0, p dt A n n n dN2p N2p = GpNn - + GI N0, p dt A p 0 n n NSUM = N0 + N0 + N0 + Nn + N2n + N2p, (7) p p p где Gn(p) = G0 + GI Ч темп инжекции электрона Рис. 3. Энергетическая диаграмма структуры Al/por-Si/n-Si n(p) n(p) при обратном смещении барьера Шоттки, образованного кон- (дырки) в кристаллит с учетом темпа лавинного умнотактом с алюминием на поверхности пористого кремния. жения носителей заряда GI ; A, R0 Ч времена оже- и n(p) Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Электролюминесценция в пористом кремнии при обратном смещении барьера Шоттки Параметры, используемые для расчета характеристик электроизлучательной рекомбинации. На основании данной силюминесценции в структурах Al/por-Si/n-Si стемы уравнений темп рекомбинации носителей заряда в слое пористого кремния может быть записан как Параметр Величина N2p Nn N2n n Время оже-рекомбинации 10-9 с [18] p p R(nI, pI) = + +. (8) Время излучательной рекомбинации 10-6 с [14] R0 A A Энергия излучаемого фотона 1.65 эВ [14] Концентрация кристаллитов кремния 1013-1018 см-Анализ системы уравнений (6) показывает, что для Концентрация электронов в por-Si 5 1013 см-стационарного случая интенсивность люминесценции Концентрация электронов в n-Si 1018 см-определяется соотношением темпов инжекции элекТолщина слоя por-Si 1мкм тронов Gn и дырок Gp. В частности, интенсивность Толщина слоя n-Si 10-2 см электролюминесценции при условии Gn > Gp определяПодвижность электронов в por-Si 0.2 см2/В с [14] ется как [5] Подвижность дырок в por-Si 2 10-3 см2/В с [14] Температура 300 K Nn GpNSUM p IEL =, (9) R0 1 + GnRгде Ч энергия излучаемого фотона. При высоэлектронный ток определяется диффузией электронов, ких уровнях инжекции, когда GnR0 1, интенсива при Vbias > 0.8 В превалирует дрейфовый ток, протеность электролюминесценции пропорциональна отношекание которого вплоть до величины внешнего смещению вероятностей инжекции электронов и дырок в криния 0.8 В ограничено потенциальными барьерами, вознисталлит. Эффективность излучательной рекомбинации кающими на границах раздела при контакте двух материв нанокристаллитах кремния в структуре Al/por-Si/n-Si алов с различной шириной запрещенной зоны. Ток дырок может быть определена как в области пространственного заряда на границе раздела por-Si/n-Si при внешнем смещении Vbias < 3-4 В опреде = IEL/ /R(nI, pI). (10) ляется дрейфом и диффузией дырок подложки, а выше этого значения Ч лавинным умножением электронов, Для расчета плотности тока, протекающего через концентрация которых значительно выше концентрации структуру при смещении Vbias, используем соотношение дырок вблизи границы por-Si/n-Si.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам