The 28 reference contexts in paper A. Mudryi V., V. Zhivulko D., F. Mofidnakhaei, G. Ivlev D., M. Yakushev V., R. Martin W., A. Dvurechenskii V., V. Zinovyev A., Zh. Smagina V., P. Kuchinskaja A., А. Мудрый В., В. Живулько Д., Ф. Мофиднахаи, Г. Ивлев Д., М. Якушев В., Р. Мартин В., А. Двуреченский В., В. Зиновьев А., Ж. Смагина В., П. Кучинская А. (2015) “КРЕМНИЕВЫЕ ПРИБОРНЫЕ СТРУКТУРЫ С ЭФФЕКТИВНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ РЕКОМБИНАЦИЕЙ НА ДИСЛОКАЦИЯХ Мудрый А.В.1, Живулько В.Д.1, Мофиднахаи Ф.1, Ивлев Г.Д.2, Якушев М. // EFFECTIVE SILICON DEVICE STRUCTURES WITH RADIATIVE RECOMBINATION ON DISLOCATIONS” / spz:neicon:pimi:y:2014:i:1:p:38-45

  1. Start
    1688
    Prefix
    Введение Как известно, кремний является базовым материалом современной полупроводниковой микро- и оптоэлектроники, и его рыночный сегмент в области электронной индустрии по отношению к другим полупроводниковым материалам составляет ≈ 90 %
    Exact
    [1]
    Suffix
    . Поскольку кремний является непрямозонным полупроводником и собственная межзонная излучательная рекомбинация обычно происходит с участием фононов, то он традиционно считается неэффективным люминесцирующим материалом.
    (check this in PDF content)

  2. Start
    2185
    Prefix
    Однако в последние годы продемонстрирована высокая внешняя квантовая эффективность (ηext) Si при комнатной температуре в области собственных межзонных переходов ≈ 1,15 мкм (1,08 эВ), достигающая по разным данным для электролюминесценции (ЭЛ) ≈ 1,0 %
    Exact
    [2]
    Suffix
    , ≈ 0,85 % [3], ≈ 0,1 % [4] и для фотолюминесценции (ФЛ) ≈ 6 % [5]. Эти значения ηext в Si сопоставимы со значениями ηext в св етоизлучающих p-n структурах, создаваемых на основе прямозонных полупроводников [2].
    (check this in PDF content)

  3. Start
    2199
    Prefix
    Однако в последние годы продемонстрирована высокая внешняя квантовая эффективность (ηext) Si при комнатной температуре в области собственных межзонных переходов ≈ 1,15 мкм (1,08 эВ), достигающая по разным данным для электролюминесценции (ЭЛ) ≈ 1,0 % [2], ≈ 0,85 %
    Exact
    [3]
    Suffix
    , ≈ 0,1 % [4] и для фотолюминесценции (ФЛ) ≈ 6 % [5]. Эти значения ηext в Si сопоставимы со значениями ηext в св етоизлучающих p-n структурах, создаваемых на основе прямозонных полупроводников [2].
    (check this in PDF content)

  4. Start
    2212
    Prefix
    Однако в последние годы продемонстрирована высокая внешняя квантовая эффективность (ηext) Si при комнатной температуре в области собственных межзонных переходов ≈ 1,15 мкм (1,08 эВ), достигающая по разным данным для электролюминесценции (ЭЛ) ≈ 1,0 % [2], ≈ 0,85 % [3], ≈ 0,1 %
    Exact
    [4]
    Suffix
    и для фотолюминесценции (ФЛ) ≈ 6 % [5]. Эти значения ηext в Si сопоставимы со значениями ηext в св етоизлучающих p-n структурах, создаваемых на основе прямозонных полупроводников [2]. Кроме этого, было показано, что на основе дислокационной люминесценции в ближней инфракрасной (ИК) области спектра 1,4–1,7 мкм возможно создание высокоэффективных светодиодов с ηext ≈ 0,1 % [6].
    (check this in PDF content)

  5. Start
    2251
    Prefix
    Однако в последние годы продемонстрирована высокая внешняя квантовая эффективность (ηext) Si при комнатной температуре в области собственных межзонных переходов ≈ 1,15 мкм (1,08 эВ), достигающая по разным данным для электролюминесценции (ЭЛ) ≈ 1,0 % [2], ≈ 0,85 % [3], ≈ 0,1 % [4] и для фотолюминесценции (ФЛ) ≈ 6 %
    Exact
    [5]
    Suffix
    . Эти значения ηext в Si сопоставимы со значениями ηext в св етоизлучающих p-n структурах, создаваемых на основе прямозонных полупроводников [2]. Кроме этого, было показано, что на основе дислокационной люминесценции в ближней инфракрасной (ИК) области спектра 1,4–1,7 мкм возможно создание высокоэффективных светодиодов с ηext ≈ 0,1 % [6].
    (check this in PDF content)

  6. Start
    2394
    Prefix
    ηext) Si при комнатной температуре в области собственных межзонных переходов ≈ 1,15 мкм (1,08 эВ), достигающая по разным данным для электролюминесценции (ЭЛ) ≈ 1,0 % [2], ≈ 0,85 % [3], ≈ 0,1 % [4] и для фотолюминесценции (ФЛ) ≈ 6 % [5]. Эти значения ηext в Si сопоставимы со значениями ηext в св етоизлучающих p-n структурах, создаваемых на основе прямозонных полупроводников
    Exact
    [2]
    Suffix
    . Кроме этого, было показано, что на основе дислокационной люминесценции в ближней инфракрасной (ИК) области спектра 1,4–1,7 мкм возможно создание высокоэффективных светодиодов с ηext ≈ 0,1 % [6].
    (check this in PDF content)

  7. Start
    2598
    Prefix
    Кроме этого, было показано, что на основе дислокационной люминесценции в ближней инфракрасной (ИК) области спектра 1,4–1,7 мкм возможно создание высокоэффективных светодиодов с ηext ≈ 0,1 %
    Exact
    [6]
    Suffix
    . С учетом вышеизложенного очевидно, что необходимо дальнейшее совершенствование технологии создания кре мниевых светоизлучающих p-n структур и определение условий достижения высоких значений ηext.
    (check this in PDF content)

  8. Start
    3708
    Prefix
    В одну из таких пластин Si вводились дислокации пут ем перекристаллизации поверхностной области сфокусированным лучом аргонового лазера, работающим на длине волны λ ≈ 488 нм с мощностью 25 Вт в непрерывном режиме, по методике, предложенной в работе
    Exact
    [7]
    Suffix
    . Перекристаллизация приводила к образованию дислокаций в поверхностном слое 1– 3 мкм с плотностью ≤ 109 см-2. Кремниевые p-n структуры формировались на монокристаллических пластинах с дислокациями и без дислокаций (эталонные диоды).
    (check this in PDF content)

  9. Start
    7480
    Prefix
    Отметим, что ВАХ p-n структуры (рисунок 1, кривые 2) измерены для пластин Si с невысокой поверхностной плотностью дислокаций Nd ≈ 6.107 см-2. ВАХ эталонных кремниевых p-n структур, изготовленных в настоящей работе, оказались близкими к ВАХ светодиодов с внутренней квантовой эффективностью краевой люминесценции > 0,4 %
    Exact
    [8]
    Suffix
    . На рисунке 2 приведены спектры ЭЛ эталонного кремниевого p- n диода для температур 78 и 300 К, включенного в прямом направлении при величине тока через диод 10 мА. Как видно из рисунка 2, в спектрах ЭЛ кремниевых p-n структур, снятых при их погружении в жидкий азот (≈ 78 К), доминирует полоса с максимумом 1,1 эВ (≈ 1,13 мкм).
    (check this in PDF content)

  10. Start
    8151
    Prefix
    Появление полосы с максимумом 1,1 эВ при 78 К об условлено излучательной рекомбинацией свободных экситонов (FETO) (энергия связи экситонов ≈ 14,7 мэВ) с одновременным участием поперечных оптических фононов (ТО) с энергией ТО ≈ 58 мэВ
    Exact
    [9]
    Suffix
    . Менее интенсивная широкая полоса с максимумом ≈ 1,04 эВ обусловлена излучательной рекомбинацией свободных экситонов с участием двух фононов [9]. Рисунок 2 – Спектры электролюминесценции эталонных кремниевых p-n структур, измеренные при прямом токе 10 мА для различных температур.
    (check this in PDF content)

  11. Start
    8301
    Prefix
    полосы с максимумом 1,1 эВ при 78 К об условлено излучательной рекомбинацией свободных экситонов (FETO) (энергия связи экситонов ≈ 14,7 мэВ) с одновременным участием поперечных оптических фононов (ТО) с энергией ТО ≈ 58 мэВ [9]. Менее интенсивная широкая полоса с максимумом ≈ 1,04 эВ обусловлена излучательной рекомбинацией свободных экситонов с участием двух фононов
    Exact
    [9]
    Suffix
    . Рисунок 2 – Спектры электролюминесценции эталонных кремниевых p-n структур, измеренные при прямом токе 10 мА для различных температур. Спектральное разрешение 3 нм Эксперименты показали, что по мере повышения температуры от 78 К до комнатной температуры происходит увеличение интегральной интенсивности ЭЛ, смещение максимума полосы межзонной рекомбинации до 1,08 э
    (check this in PDF content)

  12. Start
    9085
    Prefix
    Это значение смещения приблизительно в 2,2 раза меньше изменения ширины запрещенной зоны Eg для монокристаллического кремния, оцененного нами ≈ 42 мэВ для диапазона температур 78–300 К по данным работы
    Exact
    [10]
    Suffix
    . По нашему мнению, несоответствие спектрального положения полосы краевой люминесценции кремния ≈ 1,08 эВ при 300 К (рисунок 2) по отношению к ожидаемому ≈ 1,06 эВ [10], может быть объяснено тем, что механизм излучательной рекомбинации при комнатной температуре в кремнии определяется не только переходами свободных носителей заряда (оптические переходы зона–зона), но и аннигиляцией с
    (check this in PDF content)

  13. Start
    9261
    Prefix
    Это значение смещения приблизительно в 2,2 раза меньше изменения ширины запрещенной зоны Eg для монокристаллического кремния, оцененного нами ≈ 42 мэВ для диапазона температур 78–300 К по данным работы [10]. По нашему мнению, несоответствие спектрального положения полосы краевой люминесценции кремния ≈ 1,08 эВ при 300 К (рисунок 2) по отношению к ожидаемому ≈ 1,06 эВ
    Exact
    [10]
    Suffix
    , может быть объяснено тем, что механизм излучательной рекомбинации при комнатной температуре в кремнии определяется не только переходами свободных носителей заряда (оптические переходы зона–зона), но и аннигиляцией свободных экситонов.
    (check this in PDF content)

  14. Start
    9849
    Prefix
    Проведенные нами эксперименты показали, что для кремниевых p-n структур наблюдается практически линейное увеличение интенсивности полос краевой люминесценции 1,10 и 1, 08 эВ для температур 78 и 300 К, соответственно, в зависимости от величины тока, протекающего через p-n переход в диапазоне 0,05– 200 мА, что соответствует данным
    Exact
    [3; 7; 8; 11]
    Suffix
    . При изменении тока в указанном диапазоне удалось достичь увеличения интенсивности полос краевой люминесценции приблизительно в 200– 300 раз. Важно то, что полуширина полос краевой люминесценции в спектрах ЭЛ кремниевых p-n структур (рисунок 2), составившая ≈ 65 мэВ и ≈ 15 мэВ при 78 К соответственно, оказалась сопоставимой с полушириной аналогичных полос, наблюдавшихся в высокоэффе
    (check this in PDF content)

  15. Start
    10290
    Prefix
    Важно то, что полуширина полос краевой люминесценции в спектрах ЭЛ кремниевых p-n структур (рисунок 2), составившая ≈ 65 мэВ и ≈ 15 мэВ при 78 К соответственно, оказалась сопоставимой с полушириной аналогичных полос, наблюдавшихся в высокоэффективных кремниевых светодиодах
    Exact
    [2, 3, 7, 11, 12]
    Suffix
    . Этот результат указывает на относительно высокое качество сформированных в настоящей работе кремниевых p-n структур. На рисунке 3 приведены спектры ЭЛ кремниевых p-n структур, сформированных на пластинах Si, содержащих дислокации.
    (check this in PDF content)

  16. Start
    11223
    Prefix
    В спектрах ЭЛ при 78 К наблюдаются известные полосы с максимумами D1 – 0,805 эВ, D2 – 0,872 эВ, D3 – 0,945 эВ и D4 – 1,000 эВ, связанные с излучательной рекомбинацией носителей заряда на дислокациях
    Exact
    [6, 7, 9, 13]
    Suffix
    . Рисунок 3 – Спектры электролюминесценции кремниевых p-n структур с дислокациями измеренные при прямом токе 10 мА для различных температур. Спектральное разрешение 3 нм Наряду с дислокационными полосами D1– D4 в спектрах ЭЛ при температурах 78 и 300 К набл юдаются полосы краевой люминесценции с максимумами ≈ 1,098 эВ и ≈ 1,08 эВ соответственно (рисунок 3).
    (check this in PDF content)

  17. Start
    11794
    Prefix
    Отметим, что плотность дислокаций в исследованных нами p-n структурах составляла ≈ 6.1017 см-2. Это несколько меньше плотности дислокаций, содержащихся в кремниевых p-n структурах ≈ (3–5).108 cм-2
    Exact
    [6]
    Suffix
    и практически более чем на порядок меньше плотности дислокаций в кремниевых светодиодах, исследованных в работе [7]. Однако в отличие от опубликованных данных [6, 7] в настоящей работе нами впервые обнаружена интенсивная хорошо разрешаемая спектральная структура при 78 К от всех четырех типов дислокаций D1–D4 в монокристаллическом Si.
    (check this in PDF content)

  18. Start
    11914
    Prefix
    Это несколько меньше плотности дислокаций, содержащихся в кремниевых p-n структурах ≈ (3–5).108 cм-2 [6] и практически более чем на порядок меньше плотности дислокаций в кремниевых светодиодах, исследованных в работе
    Exact
    [7]
    Suffix
    . Однако в отличие от опубликованных данных [6, 7] в настоящей работе нами впервые обнаружена интенсивная хорошо разрешаемая спектральная структура при 78 К от всех четырех типов дислокаций D1–D4 в монокристаллическом Si.
    (check this in PDF content)

  19. Start
    11966
    Prefix
    Это несколько меньше плотности дислокаций, содержащихся в кремниевых p-n структурах ≈ (3–5).108 cм-2 [6] и практически более чем на порядок меньше плотности дислокаций в кремниевых светодиодах, исследованных в работе [7]. Однако в отличие от опубликованных данных
    Exact
    [6, 7]
    Suffix
    в настоящей работе нами впервые обнаружена интенсивная хорошо разрешаемая спектральная структура при 78 К от всех четырех типов дислокаций D1–D4 в монокристаллическом Si. Эксперименты показали, что при увеличении температуры до 300 К интегральная интенсивность полосы близкраевой люминесценции увеличивается приблизительно в 5–8 раз по отношению к ее значению при температуре
    (check this in PDF content)

  20. Start
    13099
    Prefix
    Эти данные свидетельствуют о незначительной степени искажения электронной структуры монокристаллического Si в области p-n переходов, где происходят процессы излучательной рекомбинации инжектированных носителей заряда. Необходимо также отметить, что в отличие от результатов предыдущих исследований ЭЛ в кремниевых p-n структурах с дислокациями
    Exact
    [6; 7]
    Suffix
    , где всегда доминировала краевая люминесценция, интегральная интенсивность полосы дислокационной люминесценции D1 и D2 в наших структурах в 4 раза превосходит интенсивность полосы собственной краевой люминесценции FЕTO при комнатной температуре.
    (check this in PDF content)

  21. Start
    14368
    Prefix
    Как видно, при 4,2 К в спектрах ФЛ присутствуют известные полосы, обусловленные излучательной рекомбинацией на дислокациях с максимумами: D1 – 0,805 эВ, D2 – 0,867 эВ, D3 – 0,938 эВ и D4 – 0,998 эВ
    Exact
    [6; 7; 9]
    Suffix
    . В спектрах видна также линия краевой люминесценции, обусловленная рекомбинацией свободных экситонов, обозначенная FETO – 1,089 эВ. Основной эффект влияния температуры прежде всего проявляется в уменьшении интенсивности линий и полос.
    (check this in PDF content)

  22. Start
    14925
    Prefix
    Гашение линий краевой люминесценции происходит до T ≤ 30 К. Полосы D3 и D4 наблюдаются в спектрах ФЛ до температур ≈ 110 К, в то время как в соответствии с известными данными они существуют всего лишь до температур 40 K
    Exact
    [14]
    Suffix
    и 80 K [15]. Отметим, что до 80 К спектральное положение всех полос D1–D4 практически не изменяется. Рисунок 4 – Температурная зависимость спектров фотолюминесценции монокристаллического Si с дислокациями Как видно из рисунка 4, при температуре выше 80 К происходит уширение, низкоэнергетическое смещение и уменьшение интенсивности полос дислокационной люминесценции D1–
    (check this in PDF content)

  23. Start
    14937
    Prefix
    Гашение линий краевой люминесценции происходит до T ≤ 30 К. Полосы D3 и D4 наблюдаются в спектрах ФЛ до температур ≈ 110 К, в то время как в соответствии с известными данными они существуют всего лишь до температур 40 K [14] и 80 K
    Exact
    [15]
    Suffix
    . Отметим, что до 80 К спектральное положение всех полос D1–D4 практически не изменяется. Рисунок 4 – Температурная зависимость спектров фотолюминесценции монокристаллического Si с дислокациями Как видно из рисунка 4, при температуре выше 80 К происходит уширение, низкоэнергетическое смещение и уменьшение интенсивности полос дислокационной люминесценции D1–D4.
    (check this in PDF content)

  24. Start
    15645
    Prefix
    Эксперименты показали, что полосы D1 и D2 в диапазоне температур 4,2–300 К смещаются на 32 мэВ (рисунок 4). В то же время изменение ширины запрещенной зоны Eg Si в таком интервале температур составляет ≈ 43 мэВ
    Exact
    [10]
    Suffix
    . Это означает, что у дислокаций D1 и D2, введенных методом лазерной перекристаллизации, не существует энергетических уровней в запрещенной зоне, расположенных в области ≈ 2–10 мэВ вблизи экстремумов валентной зоны или зоны проводимости.
    (check this in PDF content)

  25. Start
    16149
    Prefix
    Ранее на основании анализа гашения интенсивности полос D3 и D4 дислокационной люминесценции в диапазоне температур 4,2–30 К была определена энергия активации 4–10 мэВ, указывающая на наличие мелких энергетических уровней в запрещенной зоне Si
    Exact
    [14, 15]
    Suffix
    . Выполненные нами эксперименты по анализу температурной зависимости интенсивностей полос D3 и D4 в интервале 4,2–120 К (рисунок 4) показали, что энергия активации составляет ≈ 20 мэВ и соответствующие энергетические уровни в запрещенной зоне дислокационного Si являются более глубокими по сравнению с данными [14, 15].
    (check this in PDF content)

  26. Start
    16488
    Prefix
    Выполненные нами эксперименты по анализу температурной зависимости интенсивностей полос D3 и D4 в интервале 4,2–120 К (рисунок 4) показали, что энергия активации составляет ≈ 20 мэВ и соответствующие энергетические уровни в запрещенной зоне дислокационного Si являются более глубокими по сравнению с данными
    Exact
    [14, 15]
    Suffix
    . На рисунке 5 приведена температурная зависимость интенсивности полосы D1. Рисунок 5 – Температурная зависимость интегральной интенсивности полосы D1 дислокационной люминесценции: символы – экспериментальные данные; сплошная линия – подгонка по формуле (1) Зависимость интенсивности полос от температуры может быть описана выражением [16]: I(T)/I(0) = [1 + a1·exp(- Ea1 / k
    (check this in PDF content)

  27. Start
    16901
    Prefix
    Рисунок 5 – Температурная зависимость интегральной интенсивности полосы D1 дислокационной люминесценции: символы – экспериментальные данные; сплошная линия – подгонка по формуле (1) Зависимость интенсивности полос от температуры может быть описана выражением
    Exact
    [16]
    Suffix
    : I(T)/I(0) = [1 + a1·exp(- Ea1 / kT) + a2 × × exp(-Ea2 / kT)]-1, (1) где I – интенсивность полосы; Ea1 и Ea2 – энергии активации; a1 и a2 – параметры. С использованием выражения (1) для области температур 4,2–300 К проведена экстраполяция температурной зависимости интенсивности дислокационной полосы D1.
    (check this in PDF content)

  28. Start
    17887
    Prefix
    Полученные нами результаты отличаются от ранее предложенной модели механизма рекомбинации на дислокациях, предполагающей участие двух симметричных уровней с энергией ионизации ≈ 0,15–0,20 эВ
    Exact
    [14]
    Suffix
    . Заключение На основе стандартной технологии созданы относительно эффективные кремниевые p-n структуры, излучающие в области собственных межзонных переходов (~ 1,1 эВ) и в примесной области спектра (~ 1,6 мкм), за счет оптических переходов, обусловленных D1 дислокациями.
    (check this in PDF content)