CC BY
100
УДК 537.9, 539.23, 539.198
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТО- И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК И СЛОЕВ SiC
© 2008 г. Н.И. Каргин, А.С. Гусев, С.М. Рындя, Л.В. Михнев, Е.А. Бондаренко, Р.С. Рыданов
Северо-Кавказский государственный North-Caucasian State Technical University,
технический университет, 355038, Stavropol, Kulakov Ave., 2
355038, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2 [email protected]
Проведено комплексное исследование фото- и электролюминесценции структур на основе порошкового и пленочного карбида кремния, их оптических и фотоэлектрических свойств. Получены спектры фотовозбуждения, фотопроводимости, фото - и электролюминесценции 6H-SiC.
Ключевые слова: карбид кремния, люминесценция, тонкая пленка, лазерная абляция.
The investigation of photo - and electroluminescence of the structures on the base of SiC thin films and layers is carried out. The spectra of photoexcitation, photoconductivity аnd luminescence are obtained.
Keywords: carbide of silicon, luminescence, thin film, laser ablation.
Карбид кремния является перспективным материалом для применения в различных областях современной электроники благодаря ряду уникальных свойств: большой ширине запрещенной зоны (2,3 - 3,3 эВ для различных политипных форм), чрезвычайно высокому критическому полю лавинного пробоя (2-5 МВ/см), теплопроводности (3-5 Вт/(см К)), превосходящей при комнатной температуре теплопроводность меди, химической и радиационной стойкости (за счет высокой энергии дефектообразования 25 - 35 эВ). Структуры на его основе обладают стабильными временными характери-
стиками, широким диапазоном рабочих температур (вплоть до 900 °С) и могут быть использованы при создании новых приборов микро-, СВЧ-, мощной и сильноточной электроники, полупроводниковых детекторов ядерных частиц [1] и фотоэлектропреобразователей УФ излучения [2]. Развитие технологии эпитаксиального роста SiC различных политипов на фоне высокой фото-и электролюминесцентной активности материала стимулирует возвращение интереса к карбиду кремния при разработке новых элементов оптоэлектроники.
В связи с постоянным расширением сфер применения карбида кремния требуются все более детальные знания о механизмах электронных процессов и явлений, протекающих в приборных структурах на его основе. Важную информацию об этих процессах и особенностях самого материала можно получить путем комплексного исследования оптических и фотоэлектрических свойств экспериментальных образцов, что и является целью данной работы.
Экспериментальная часть
Объектом исследования служил порошковый мелкодисперсный 6Н-Б1С и ряд тонких пленок карбида кремния, полученных методом вакуумного лазерного испарения мишени [3]. Мишень изготавливали путем прессования исходного порошкового карбида в полиметил-метакрилатной форме с последующим отжигом таблетки при температуре 1000 °С. Для распыления материала мишени использовалось сфокусированное излучение АУС:Ыс1-л;псра (X = 532 нм), работающего в режиме модуляции добротности. Энергия накачки - 18 + 20 Дж, длительность лазерного импульса - 15 нс, частота повторения - 50 Гц. Процесс осуществляется при температуре подложки 250 + 500 °С в условиях высокого вакуума Р ~ 10 1 Па. В качестве подложки использовалось кварцевое стекло, покрытое с одной стороны слоем проводящего Бп02. В этом слое путем травления создавалась нужная геометрия контактов. Пленочное покрытие наносилось через маску, после чего через другую маску напылялся верхний алюминиевый электрод.
Экспериментальные исследования оптических и фотоэлектрических свойств структур на основе порошкового и пленочного БЮ осуществлялись с помощью единого автоматизированного измерительного комплекса [4]. Данный комплекс позволяет проводить запись спектральных и кинетических характеристик люминесценции, фотопроводимости и фото-ЭДС образцов в спектральном диапазоне от 300 до 800 нм при разбросе длин волн АХ = 0 -ь 2 нм. Его отличительной чертой является возможность фотовозбуждения структур как в стационарном, так и в установившемся динамическом режиме. В свою очередь электровозбуждение может осуществляться как переменным напряжением синусоидальной или прямоугольной формы, так и постоянным.
Для исследования электролюминесцентных и фотоэлектрических свойств порошкового карбида кремния навеска последнего помещалась в разборную ячейку типа «сэндвич» или ячейку поверхностного типа. Толщина слоя БЮ задавалась фторопластовыми прокладками и составляла 50 мкм.
Результаты и их обсуждение
В ходе работы было установлено, что образцы порошкового и пленочного карбида кремния обладают заметной фотолюминесценцией при ее возбуждении из ближней УФ области. На рис. 1 представлены спектры возбуждения фотолюминесценции порошкового образца, полученные в стационарном и динамическом режиме. Исследование спектров фотовозбуждения (т.е. спектральных распределений эффективности свечения структур) позволяет установить положение активного, приводящего к люминесценции, поглощения и дает возможность судить о его механизмах.
Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры фотовозбуждения порошкового образца
БЮ (регистрация в полосе 600 нм): 1 - динамический режим; 2 - стационарный режим; кривая 3 - спектр фотопроводимости порошка БЮ в ячейке поверхностного типа
Вместе с тем, согласно справочным данным, ширина запрещенной зоны карбида кремния политипа 6Н составляет 3 эВ. Этой энергии практически соответствует длинноволновый край спектра, записанного в динамическом режиме (кривая 1 на рис. 1). Предельная длина волны кванта возбуждающего излучения здесь 410 нм (3,02 эВ); длинноволновый край спектра стационарного фотовоз-суждения - 430 нм, или 2,88 эВ. Разность между шириной запрещенной зоны АЕё (3,02 эВ) и последним значением составляет 0,14 эВ. Полученная величина, согласно [5], равна энергии ионизации донорных центров, обусловленных присутствием азота (основной легирующей примеси). Эти уровни участвуют в рекомбинационных процессах, приводящих к высвечиванию запасенной энергии. Как в случае стационарного, так и динамического режима основной вклад в люминесценцию дает возбуждение квантами, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны материала. Следовательно, форма спектра возбуждения определяется особенностями зонной структуры 6Н-Б1С, а его максимум (/,„,,.,,--, = 360 нм) вероятно связан с прямым (или близким к прямому) переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости. Данное предположение подтверждается формой спектрального распределения возбуждения фотопроводимости БЮ (рис. 1, кривая 3) в ячейке поверхностного типа Бп02 -порошковый образец - Бп02. Максимум спектра здесь также соответствует энергии кванта 3,44 эВ. Известно, что эффективность фотоэффекта в поверхностно-барьерных структурах на основе карбида кремния достигает своего максимума, если энергия квантов падающего излучения достаточна для реализации оптических переходов, близких к прямым [6].
Из сопоставления кривых на рис. 1 следует, что спектральная область фоточувствительности практически совпадает с областью возбуждения фотолюминесценции. Совпадение этих областей указывает на чисто рекомбинационный характер процессов, приводящих к свечению образца.
На рис. 2а приведены спектры фотолюминесценции порошкового БЮ. Длина волны возбуждающего излучения равна 360 нм. Как при стационарном, так и при динамическом режиме фотовозбуждения карбид кремния люминесцирует в широком спектральном диапазоне от 460 до 780 нм.
1,2
Sj 1,0
Я
° 0,8 л
2 0,6
1
/ 2
400 450 500 550 600 650 700 750 800
Длина волны, нм
as
в и
о
н
S
н
К
0
N^1
\
St 1
400 430 460 490 520 550 580 610 640 670 700 730 760 790
б Длина волны, нм
Рис. 2. а - спектры фотолюминесценции порошка SiC (^возб = 360 нм): 1 - динамический режим возбуждения;
2 - стационарный режим возбуждения; б - результат разложения спектра фотолюминесценции порошкового карбида кремния (1) на индивидуальные составляющие (2, 3) методом Аленцева - Фока (пунктирной линией показан исходный график)
Максимум излучения приходится на длины волн 590 + 610 нм (энергия кванта 2.1 2,0 эВ). Экспериментально установлено, что изменение энергии кванта возбуждающего УФ излучения (/.,,,,.,г, = 320^-380 нм) практически не влияет на форму спектра фотолюминесценции и положение его максимума.
Из рис. 2а видно, что различие в спектрах фотолюминесценции при смене режима возбуждения наблюдается только в их длинноволновой части. Уменьшение относительной интенсивности свечения в «красной» области спектра при переходе к динамическому фотовозбуждению связано с особенностями кинетики процессов рекомбинационной люминесценции. Возбуждение периодическими световыми импульсами приводит к уменьшению роли центров, имеющих более глубокие уровни в запрещенной зоне материала, время жизни носителей заряда на которых больше. За счет этого происходит перераспределение вкладов отдельных излучательных переходов в суммарное спектральное распределение.
Различие в спектральных распределениях позволяет применить метод Аленцева - Фока для их разложения на индивидуальные составляющие. Результат такого разложения представлен на рис. 2б. Суммарный спектр (кривая 1) состоит из двух полос, форма которых близка к гауссовой. Каждая элементарная полоса, входящая в состав общего спектрального распределения люминесценции, вызвана совокупностью оптиче-
ских переходов, реализующихся в центрах свечения одного типа. Идентифицируя эти полосы, можно определить наличие или отсутствие тех или иных дефектов в образце. Максимум длинноволновой полосы (кривая 3) приходится на 680 нм. Соответствующая энергия кванта излучаемого света составляет 1,82 эВ. Предполагая, что рекомбинация идет через уровни азота (энергия ионизации этой примеси, согласно анализу спектров фотовозбуждения, равна 0,14 эВ) можно оценить глубину залегания акцептора. Вычитая суммарное значение (Ес + Иу) из энергии, равной ЛБё, получаем положение глубокого акцепторного уровня около 1,04 эВ выше потолка валентной зоны. Согласно литературным данным [7], дефектом, ответственным за появление такого уровня, может быть вакансия углерода. Можно предположить, что основная (коротковолновая) полоса (кривая 2) с максимумом при 595 нм связана с излучательными переходами электронов из зоны проводимости на уровни Ус.
Электролюминесцентные свойства мелкодисперсного SiC изучались в ячейке типа «сэндвич» SnO2 -порошковый образец - SnO2. Толщина слоя SiC составляла 50 мкм. При достаточно больших значениях возбуждающего (переменного) напряжения наблюдалось слабое бело-голубое свечение по всей поверхности структуры. Форма спектра электролюминесценции порошкового SiC представлена на рис. 3, кривая 2. Она существенно отличается от формы спектра его фотолюминесценции, что говорит о различных механизмах протекания соответствующих процессов.
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Длина волны, нм
Рис. 3. Спектр диффузного отражения (кривая 1) и спектр электролюминесценции (кривая 2) порошкового SiC, возбуждение синусоидальным напряжением U = 80 В, f = 250 Гц
В данном случае возможно проявление эффекта пробойной электролюминесценции [8]. Электролюминесценция данного типа имеет широкий спектр, подобный спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры 6000 К и выше [8, 9]. Она обусловлена релаксацией «горячих» электронов, т.е. внутризон-ными излучательными переходами высокоэнергетических носителей, получивших энергию в сильном электрическом поле поверхностного барьера. Коротковолновый край спектра электролюминесценции (рис. 3, кривая 2) связан с абсорбцией излучения самим материалом в спектральном диапазоне его фундаментального поглощения (рис. 3, кривая 1). Иными словами, коротковолновое излучение, возникающее при пробое, поглощается кристаллом.
0
аа
0,8
2
н 0,6
0,4
0,2
0
Для анализа процессов возбуждения электролюминесценции обычно пользуются методом исследования волн яркости (временных зависимостей мгновенной яркости образца). Сравнивая временные зависимости яркости и возбуждающего переменного напряжения, можно получить ценную информацию о процессах, приводящих к электролюминесценции структуры.
При исследовании волн яркости возбуждение электролюминесценции БЮ осуществлялось как напряжением синусоидальной формы, так и однополяр-ными прямоугольными импульсами в диапазоне частот 50 -г- 500 Гц. Изменения проводились в установившемся режиме. Форма волн яркости и возбуждающего напряжения контролировалась с помощью двухканального электронного осциллографа. Люминесценция регистрировалась с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-100. Форма волн яркости Б1С при возбуждении синусоидальным напряжением представлена на рис. 4а. Как и в случае кристалло-фосфоров, обладающих предпробойной электролюминесценцией с рекомбинационным типом свечения (например, 2пБ:Си), здесь наблюдаются два пика яркости за период возбуждения. Отличительной особенностью процесса является, во-первых, некоторое запаздывание пика яркости относительно максимума возбуждающего напряжения; во-вторых, при верхних частотах исследуемого диапазона отсутствует постоянная составляющая электролюминесценции.
Наиболее интересные результаты получены при возбуждении электролюминесценции прямоугольными однополярными импульсами. В этом случае передний и задний фронт волны яркости практически повторяют фронт возбуждающего напряжения (рис. 4б). Участков нарастания и спада яркости практически не наблюдается, что говорит о достаточно быстрой кинетике раз-горания и затухания люминесценции, которая находится за пределами временного разрешения регистрирующей системы. Быстрое протекание процессов характерно для эффекта пробойной электролюминесценции. Время пролета электронами области сильного поля и их термализации составляет ~ 10 "' с [8]. Ясно, что быстродействие реальных приборов ограничивается временем нарастания и спада тока лавины, которое зависит от величины емкости структуры и других ее характеристик, однако оно остается достаточно высоким. Кроме того, скорость релаксации носителей внутри зоны очень велика, что определяет низкую интенсивность излучения.
Тонкие пленки карбида кремния, полученные методом вакуумной лазерной абляции, также обладают фото- и электролюминесценцией (рис. 5, 6). Длинноволновый край спектра возбуждения фотолюминесценции несколько шире, чем у порошкового образца (рис. 5). Причиной этого может быть большая плотность состояний в запрещенной зоне, т.е. концентрация активных дефектов в образце.
Форма спектра электролюминесценции тонкопленочных образцов (рис. 6) определяет красный цвет их свечения. Длинноволновый край спектрального распределения уходит в ближнюю инфракрасную область. Спад интенсивности свечения в видимом диапазоне при уменьшении длины волны, вероятно, связан с поглощением квантов света на дефектах основы. Вид волн яркости тонкопленочных структур на основе кар-
бида кремния аналогичен волнам яркости структур на основе порошкового Б1С, что говорит об идентичности процессов, приводящих к электролюминесценции.
1,2 g 1,0
И 0,8
о 0,6 К 0,4 0,2 0,0
Время, мс
£ 0,6
° 0,4 ® 0,2 0,0
В
I 120 | 100 я
Ei8°-
и 60'
ч 40' р
к 20'
Шт
х
Время, мс
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Время, мс
< 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
б
Рис. 4. а - осциллограмма волн яркости электролюминесценции порошка Б1С (вверху) и возбуждающего синусоидального напряжения (внизу); б - осциллограмма волн яркости электролюминесценции порошка БЮ (вверху) и импульсов возбуждающего напряжения (внизу)
1,2 * !,0 ё 0,8
е
I 0,6
м
§ 0,4
¡1 0,2 0
300
340
380
420
460 500
Длина волны, нм Рис. 5. Спектр возбуждения фотолюминесценции тонкой пленки БЮ (температура подложки в процессе синтеза - 500 оС, толщина - 500 нм)
Таким образом, в ходе выполнения работы проведено комплексное исследование фото- и электролюминесценции структур на основе порошкового и пленочного карбида кремния, их оптических и фотоэлектрических свойств. Показано, что в отличие от фотолюминесценции, обусловленной рекомбинацией «свободных» носителей заряда (электронов и дырок) на дефектах основы, возникновение эффекта электролюминесценции в экспериментальных образцах связано с внутризонными переходами «горячих» электронов, инжектированных из контакта и получивших энергию в сильном электрическом поле поверхностного барьера.
а
S 0,8
0
Рис. 6. Спектр электролюминесценции тонкой пленки БЮ, возбуждение синусоидальным напряжением, и = 80 В, { = 250 Гц
Доказательством этому служит, во-первых, различная форма спектров излучения при фото- и электровозбуждении. Спектр фотолюминесценции имеет характерную колоколообразную форму и представляет собой суперпозицию двух полос, связанных с присутствием двух типов центров свечения. В случае электровозбуждения наблюдается чрезвычайно широкий спектр свечения, ограниченный с коротковолновой стороны только областью фундаментального поглощения карбида кремния.
Во-вторых, форма волн яркости у структур на основе порошкового и пленочного Б1С при приложении возбуждающего напряжения в виде прямоугольных однопо-лярных импульсов говорит о достаточно быстрой кинетике разгорания и затухания свечения, что характерно для эффекта пробойной электролюминесценции.
Настоящая работа является частью исследований, проводимых при финансовой поддержке Роснауки
Поступила в редакцию_
(ГК № 02.513.11.3122) и Министерства образования и науки РФ (проект РНП 2.1.1.6).
Литература
1. Лебедев А.А. и др. Эпитаксиальные пленки бИ-БЮ как детекторы ядерных частиц // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34. Вып. 2. С. 249 - 255.
2. Бланк Т.В. и др. Полупроводниковые фотоэлектропреоб-разователи для ультрафиолетовой области спектра // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 37. Вып. 9. С. 1025 -1055.
3. Каргин Н.И. и др. Получение тонких пленок карбида кремния методом импульсного лазерного напыления // Пленки и покрытия - 2007: Тр. 8-й междунар. конф., СПб., 2007. С. 160-161.
4. Синельников Б.М., Каргин Н.И. и др. Автоматизированный спектральный комплекс для исследования фото- и электролюминесцентных свойств кристаллофосфоров динамическими методами // Сб. науч. тр. СевКавГТУ. Сер. Физико-химическая. 2001. № 5. С. 5 - 9.
5. Лебедев А.А. Центры с глубокими уровнями в карбиде кремния (Обзор) // Физика и техника полупроводников. 1999. Т. 33. № 2. С. 129 - 155.
6. Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. и др. Температурная зависимость квантовой эффективности фотодиодов Шоттки на основе 4И-БЮ // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. Вып. 18. С. 43 - 49.
7. Сафаралиев Г.К. и др. Спектральный сдвиг полос фотолюминесценции эпитаксиальных пленок (81С)1-Х - (АШ)Х, обусловленный лазерным отжигом // Физика и техника полупроводников. 2000. Том 34. Вып. 8. С. 929 - 931.
8. Генкин А.М. и др. Кинетика пробойной электролюминесценции в р-п структурах на основе карбида кремния // Журн. технической физики. 2000. Т. 70. Вып. 4. С. 52 - 55.
9. БелоусМ.В. и др. Спектры пробойной электролюминесценции р-п переходов на карбиде кремния // Физика и техника полупроводников. 1997. Т. 31. № 2. С. 213 - 216.
21 декабря 2007 г.
