CC BY
67
ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА
УДК 538.935
АДМИТТАНС-СПЕКТРОСКОПИЯ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ В ДИОДАХ ^+^/и^:Ег
1 2 3 2 1
© 2013 г. Д.О. Филатов, И.А. Зимовец, В.П. Мишкин, И.А. Чугров, Н.А. Алябина,
11 А.В. Корнаухов, В.П. Кузнецов
'НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского ^Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 3Институт физики и химии Мордовского госуниверситета им. Н.П. Огарёва
filatov@phys. unn.ru
Поступила и редакцию 04.04.2013
Методом адмиттанс-спектроскопии светодиодов на основе структур />+-Si/«-Si:Er/«+-Si, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, исследован спектр глубоких уровней в активных слоях Si:Er. Определены энергии ионизации, эффективные сечения захвата электронов и концентрации глубоких уровней, связанных с примесью Er.
Ключеиые слниа: кремний, легированный эрбием; сублимационная молекулярно-лучевая эпитаксия, адмиттанс-спектроскопия, глубокие уровни.
Введение
Кремний, легированный эрбием ^:Ег), являлся в последние 15 лет объектом интенсивных исследований, что связано с перспективами использования данного материала в качестве активной среды для светоизлучающих приборов на базе Si: светоизлучающих диодов, а в перспективе — инжекционных лазеров, излучающих на длине волны X « 1.54 мкм, соответствующей минимуму оптических потерь в кварцевых волоконных световодах [1]. Принцип действия указанных приборов состоит в электрической инжекции избыточных электронов и дырок из областей п- и ^-типа, соответственно, в активную область Si:Er, где они образуют эк-ситоны, связанные на примесных комплексах Ег [2]. Энергия безызлучательной рекомбинации экситона передаётся внутренней 4/-оболочке иона Ег3+, возбуждая переход 41\312 ^ 4115/2. Из вышеизложенного очевидно, что глубокие уровни, связанные с примесными атомами Ег, а также с их комплексами с другими примесями и структурными дефектами матрицы Si, играют существенную роль в механизме возбуждения Ег-люминесценции в Si. Энергетический спектр и параметры глубоких уровней в Si:Er, связанных с различными Ег-содержащими комплексами, интенсивно изучались на протяжении последних полутора десятилетий [3]. Было уста-
новлено, что примесь Ег может образовывать большое количество различных глубоких уровней в запрещённой зоне Si. Их спектр и концентрации существенным образом зависят от метода и условий получения материала, а также от режимов последующей термообработки. Для повышения эффективности возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) и электролюминесценции (ЭЛ) в Si:Er применяют солегирование кислородом и др., что ещё более увеличивает многообразие возможных примесных комплексов. В целом, несмотря на большое количество опубликованных работ в данной области, многие вопросы формирования и свойств примесных комплексов Ег в Si ещё далеко не полностью выяснены.
К настоящему времени наиболее полно изучен спектр глубоких уровней в слоях Si:Er, полученных методом ионной имплантации [4-6]. В то же время было продемонстрировано, что светодиоды на основе структур ^+^/п^:Ег, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии (СМЛЭ), также демонстрируют эффективную ЭЛ на длине волны X « 1.54 мкм [7]. Однако спектр примесных комплексов Ег в эпитаксиальных слоях (ЭС), выращенных методом СМЛЭ, остаётся недостаточно изученным. Для его изучения применялись методы спектроскопии ФЛ [8], нестационарной спектроскопии глубоких уровней
(НСГУ) [8, 9] и адмиттанс-спектроскопии барьеров Шоттки [9], температурной зависимости концентрации свободных электронов [10], баллистической электронной эмиссионной микроскопии (БЭЭМ) тонких ЭС р+^:Ег на подложках и+^(001) [11]. Однако результаты указанных работ зачастую противоречивы и не дают полного спектра глубоких уровней в слоях Si:Er, полученных методом СМЛЭ. Это делает актуальными исследования глубоких уровней в слоях Si:Er, выращенных СМЛЭ, с применением различных альтернативных методов. В настоящей работе для этой цели применялся метод адмиттанс-спектроскопии светодиодов на основе структур р+^/и^:(Ег, Л1)/и+^, выращенных методом СМЛЭ.
Методика эксперимента
Структуры р+^/и^:Ег/и+^ были выращены методом СМЛЭ на установке, сконструированной и изготовленной в Научно-исследовательском физико-техническом институте (НИФТИ) Нижегородского государственного университета (ННГУ). Ростовые методики описаны в [12]. Структуры были выращены на подложках Si(001) при температуре подложки 580°С, дополнительному отжигу не подвергались. Концентрация В слое р+^ составляла ^ ~ 1019 см 3. С целью увеличения квантового выхода ЭЛ активный слой толщиной « 400 нм легировался, кроме Ег (концентрация Ег ^г ~ 1018 см-3), также А1 (концентрация А1 #А1 ~ 1017 см3). Толщина подконтактного слоя и+^, легированного Р (концентрация Р NP « « 3-10 см- ), составляла « 200 нм. Более подробно методика выращивания структур р+^/и-Si:(Er, Л1)/и+^ описана в [7, 13].
На основе выращенных структур были сформированы меза-светодиоды с верхним омическим контактом в виде сетки. Размеры мез составляли 1.8 х 1.2 мм2. Результаты исследований электрических и люминесцентных характеристик светодиодов изложены в [13].
Измерения температурных и частотных зависимостей адмиттанса светодиодов проводились в диапазоне температур T = 77 ^ 370 К и частот f0 = 1 кГц ^ 5 МГ ц при помощи анализатора полупроводниковых приборов Agilent В1500А при модуляции синусоидальным сигналом. Амплитуда модуляции составляла 1 мВ. Исследуемый диод укреплялся на держателе, который помещался в сосуд Дьюара с жидким азотом. В держатель был вмонтирован резистивный нагреватель. По мере выкипания жидкого азота при включённом нагревателе температура образца плавно менялась с течением времени от 77 до 370 К. Температура образца контролировалась при помощи термопары, встроенной в держатель образцов.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1a, б приведены соответственно температурные зависимости высокочастотных (ВЧ) проводимости G(T) и ёмкости С(Т) светодиода на базе структуры />+-Si/«-Si:(Er, Al)/«+-Si, измеренные на различных частотах f0. На зависимостях G(T) наблюдаются пики, которым соответствуют ступени на температурной зависимости С(Т). Подобный характер зависимостей G(T) и C(T) типичен для случая, когда ВЧ проводимость и ёмкость диода определяются процессами перезарядки глубоких уровней в ОПЗ р+-п-перехода [14]. Спектральное положение максимумов на кривых G(T) определяется соотношением 2%f0x = 1 [14], где
О
-О
к
о
о
о
со
о
с
100 200 300
Температура, K
б
Рис. 1. Температурные зависимости ВЧ проводимости (а) и ёмкости (б) светодиода на базе структуры р+-81/и-81:(Ег, Л1)/и+-81
а
X = -
g
ехр
_E_
V kBT
(1)
- характерное время перезарядки глубокого уровня [15], g - фактор вырождения уровня, N
- эффективная плотность состояний в зоне про-
водимости, V( - средняя тепловая скорость электронов в зоне проводимости, ста - сечение захвата равновесного электрона глубоким примесным центром, Еа - энергия ионизации глубокого центра, ^ - постоянная Больцмана. На рис. 2 приведены зависимости 1п(тТг) от 1000/Т для двух максимумов на кривых G(T) на рис. 1а, по которым стандартным методом [15] с применением линейной регрессии были определены параметры соответствующих глубоких центров (Еа и ст), приведённые в таблице. Там же приведены значения концентрации соответствующих глубоких уровней, определённой по значениям ёмкости на плато зависимости С(Т) на рис. 1б по методике [14]. Глубокие доноры с Еа и 0.2 эВ и 0.31 0.34 эВ наблюдались ранее
неоднократно методами емкостной спектроскопии глубоких уровней (ЕСГУ), НСГУ, электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и в слоях Si:Er, полученных методом ионной имплантации [16, 17] и СМЛЭ [9], и связываются с комплексом иона Ег3+ и неких дефектов в матрице Si. В то же время в адмиттанс-спектрах не были обнаружены уровни, связанные с комплексами Ег с атомами кислорода, такими, например, как широко известные комплексы Ег1,
Ег2 и Ег3 (Еа « 0.07, « 0.13 и « 0.15 эВ, соответственно) [5]. Сходные данные о спектре глубоких уровней в ЭС Si:Er, выращенных методом СМЛЭ, приводятся в [9]. Следует отметить также, что результаты адмиттанс-спектроскопии, полученные в настоящей работе, согласуются с результатами БЭЭМ, полученными в работе [11].
В работе [10] была изучена температурная зависимость эффекта Холла в ЭС Si:Er, полученных методом СМЛЭ. Было установлено, что температурная зависимость концентрации свободных электронов в слоях Si:Er имеет активационный характер, при этом энергия активации Еа плавно изменяется от « 0.20 до « 0.27 эВ при изменении температуры от 190 до 300 К. С учётом результатов адмиттанс-спектроскопии, полученных в настоящей работе, результаты хол-ловских измерений в работе [10] могут быть интерпретированы следующим образом. При низких температурах (Т ~ 200 К) концентрация свободных электронов в зоне проводимости Si:Er определяется процессом термической ионизации глубокого донора с Еа « 0.2 эВ. При Т —— 300 К всё более существенный вклад в концентрацию свободных электронов начинает вносить термоионизация более глубокого донора с Еа « 0.3 эВ, что проявляется в соответствующем увеличении Еа. На рис. 3 приведена расчётная зонная диаграмма ^+^і/и^і:(Ег, А1) перехода в равновесии (300 К), полученная путём численного решения уравнения Пуассона методом стрельбы.
Таблица
Параметры глубоких уровней в слоях Si:(Er,Al) в составе р+^1/и^:(Ег,АТ)/и+^-диодов _________________ на базе структур, выращенных методом СМЛЭ____________________________
Е* эВ ст,-, см2 N,, см 3 Тип центра Источник Метод обнаружения
0.21 1.110-15 1.7-1017 Er-дефекг [9-11, 16, 17] НСГУ, ОНСГУ, ЕСГУ, эффект Холла, БЭЭС
0.31 3.410-15 2.7-1017 — // — [9-11, 16] НСГУ, ЕСГУ, эффект Холла, БЭЭС
1000/7, 1/К
Рис. 2. Зависимость 1п(т,-Т2) от 1000/Т для глубоких уровней с Еа и 0.21 эВ и Еа и 0.31 эВ в слое Б1:(Ег, А1), выращенном методом СМЛЭ
0 20 40 60 80
Расстояние, нм
Рис. 3. Расчётная зонная диаграмма />+-8і/и-8і:(Ег, А1) перехода при 300 К. Значения концентрации и параметры глубоких уровней приведены в таблице
При Т < 150 К ёмкость диода соответствует ёмкости плоского конденсатора с толщиной диэлектрического слоя « 450 нм. При подаче на диод напряжения обратного смещения ДУ = 0.2 В ёмкость диода изменяется на ДС и - 0.074 пФ при 77 К, что соответствует значению N - Ла и и 2.4-1018 см-3, что, в свою очередь, соответствует концентрации Р в материале сублимационного источника, из которого выращивались подконтактные и+^ слои (КЭФ-0,008). Эти данные указывают на то, что при Т < 150 К слой Si:(Er, А1) толщиной и 400 нм полностью обеднён, и дифференциальная ёмкость диода йС/йУ определяется концентрацией мелкой примеси в и+^:Р, поскольку ЛВ > ЛР.
Заключение
Результаты настоящей работы показывают, что применение метода адмиттанс-спектроско-пии светодиодов на базе структур ^+^/и^:(Ег, А1)/и+^, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, позволило получить новые данные об энергетическом спектре и концентрациях глубоких уровней в слоях Si:Er, выращенных указанным методом, а также об электрофизических параметрах данных уровней. Установлено, что в эпитаксиальных слоях Si:Er, выращенных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии, методом адмиттанс-спектроскопии выявляются глубокие уровни, связанные с комплексами Ег с дефектами матрицы Si. В то же время указанным методом не были обнаружены уровни, связанные с комплексами Ег с атомами кислорода.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение 14.B37.21.0132).
Список литературы
1. Soref R. // Silicon. 2010. V. 2. № 1. Р. 1-14.
2. Priolo F., Franzo G., Coffa S., Camera A. // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. № 8. Р. 4443-4455.
3. Kenyon A.J. // Semicond. Sci. Technol. 2005. V. 20. № 12. P. R65-R89.
4. Priolo F., Franzo G., Coffa S. et al. /// J. Appl. Phys. 1995. V. 78. №6. P. 3874-3883.
5. Emtsev Jr.V.V., Poloskin D.S., Shek E.I. et al.// Mat. Sci. Eng. B. 2001. V. 81. №1-3. P. 74-76.
6. Evans-Freeman J.H., Kan P.Y.Y., Abdelgader N. // J. Appl. Phys. 2002. V. 92. №7. Р. 3755-3760.
7. Кузнецов В.П., Ремизов Д.Ю., Шабанов В.Н. и др. // ФТП. 2006. T. 40. № 7. С. 868-874.
8. Андреев А.Ю., Андреев Б.А., Дроздов М.Н. и др. // ФТП. 1999. T. 33. № 2. С. 156-160.
9. Шмагин В.Б., Андреев Б.А., Антонов А.В. и др. // ФТП. 2002. T. 36. №2. С. 178-182.
10. Белова О.В., Шабанов В.Н., Касаткин А.П. и др. // ФТП. 2008. T. 42. № 2. C.136-140.
11. Филатов Д.О., Зимовец И.А., Исаков M.A. и др. // ФТП. 2011. T. 44. № 9. С. 1153-1158.
12. Кузнецов В.П., Красильник З.Ф. // ФТП. 2010. T. 44. № 3. С. 413-417.
13. Кузнецов В.П., Шмагин В.Б., Марычев М.О. и др. // ФТП. 2010. T. 44. №12. С. 1645-1648.
14. Losee D.L. // Appl. Phys. Lett. 1972. V. 21. № 2. P. 54-56.
15. Lang D.V. // J. Appl. Phys. 1974. V. 45. № 7. P. 3023-3032.
16. Libertino S., Coffa S., Franzó G., Priolo F. // J. Appl. Phys. 1995. V. 78. № 6. P. 3867-3873.
17. Cavallini A., Fraboni B., Pizzini S. // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 72. № 4. Р. 468-470.
ADMITTANCE SPECTROSCOPY OF DEEP LEVELS IN p+-Si/n-Si:Er/n+-Si DIODES
DM.Filatov, I.Zimovets, V.P. Мishkin, I.Chugrov, N^. Аlyabina, А. V. ^rnaukhov, V.P. Кouznetsov
The deep level spectrum in the Si:Er active layers of the LEDs based on the SMBE grown />+-Si/«-Si:Er/«+-Si structures has been studied by admittance spectroscopy. The ionization energies, the electron capture cross-sections, and the concentrations of the Er-related deep levels have been determined.
Keywords: erbium-doped silicon, sublimation molecular beam epitaxy (SMBE), admittance spectroscopy, deep levels.
