Физическая модель электролюминесценции в полосе 2,7 эв в слоях диоксида кремния на кремнии

Барабан А. П., Ванюшов М. Б., Семыкина Е. А. (semykina@home.ru),

Егоров Д. В.

Санкт-Петербургский Государственный Университет, Научно-Исследовательский Институт Физики

1.Введение.

В последнее время были проведены детальные исследования электролюминесценции в МОП (металл-оксид-полупроводник) и ЭОП (электролит-оксид-полупроводник) структурах, содержащих слои диоксида кремния [1]. Нет необходимости говорить о важности таких структур. Как мы показали в [2,3], процессы электролюминисценции тесно связаны с ударной ионизацией матрицы SiO2.

В нашей работе [2] мы показали, что расчет интенсивности электролюминисценции в полосе 2,7эВ методом Монте-Карло дает приемлемое качественное согласие с результатами эксперимента в следующих предположениях:

i.Единственный процесс, отвечающий за возникновение свечения в полосе 2,7эВ, это ударная ионизация;

ii.Сечение рассеяния рекомбинации, сопровождающейся свечением в полосе 2,7эВ, имеет вид резонанса.

Целью настоящей работы является построение и реализация возможно более полной физической модели транспорта носителей в рассматриваемых структурах. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

i.Построение модели электролюминесценции в полосе 2,7 эВ.

ii.Построение модели транспорта, учитывающей все (значимые) механизмы рассеяния, в том числе электролюминесценцию, и реализация алгоритма численного моделирования, базирующегося на этой модели;

2.Модель электролюминисценции.

Эксперимент показывает [2, 3], что центры электролюминисценции инициируются в процессе ударной ионизации матрицы SiO2. Порог ударной ионизации более, чем

втрое выше энергии кванта, излучаемого при электролюминисценции (2,7эВ). Очевидно, таким образом, что свечение в полосе 2,7эВ не может быть обусловлено рекомбинацией возбужденного в процессе ударной ионизации электрона. Можно было бы предположить наличие ступенчатой рекомбинации, включающей в себя излучательный переход 2,7эВ, однако это предполагает наличие уровней в запрещенной зоне. Наличие таких уровней противоречит нашему знанию зонной структуры диоксида кремния.

Единственное разумное объяснение заключается в том, что ударная ионизация возбуждает атом и нарушает молекулярную структуру SiO2. Это нарушение можно рассматривать как искуственно созданную примесь. Такая «псевдо-примесь» обеспечивает образование дефекта, характеризующегося наличием уровня (ей), отвечающих за излучательную рекомбинацию с энергией кванта 2,7эВ. Нашим первоначальным предположением было наличие уровня, отстоящего на 2,7эВ либо от вершины валентной зоны, либо от дна зоны проводимости. Однако, как показано в [4], в реальности энергия возбуждения уровня составляет ~ 4,9эВ, а рекомбинация проходит в несколько этапов, один из которых - излучение в полосе 2,7эВ. Сформулируем теперь модель электролюминесценции:

1.Инициализация центра свечения. Электрон, обладающий энергией, большей, либо равной пороговой энергии ударной ионизации sth может вызвать ударную ионизацию. В этом случае он ионизирует атом и нарушает молекулярную структуру SiO2. Создана система уровней в возбужденном SiO2. Центр свечения инициирован.

2.Испускание кванта 2,7эВ. Инициированный центр свечения может быть возбужден как с поглощением возбуждающего электрона, обладающего энергией S, так и без оного. Рекомбинация сопровождается излучением кванта с энергией 2,7эВ.

2.1. Аргументы в пользу корректности модели.

Если предложенная нами модель свечения корректна, то электролюминисценция должна возникать независимо от ударной ионизации в том, и только в том случае, если центры свечения каким-то образом предварительно внедрены в SiO2. Это означает, что молекулярная структура диоксида кремния изначально нарушена.

Одним из способов получить такую структуру является ионная имплантация. В ионно-имплантированном SiO2 молекулярная структура оксида нарушена вблизи имплантированных ионов и, таким образом, описанные выше квазидискретные уровни уже имеются в запрещенной зоне. Следовательно, свечение в полосе 2,7эВ в таком материале должно возникать при любых значениях внешнего поля, достаточных для разогрева электронов до энергии возбуждения уровня s0. Разница между s0 и порогом ударной ионизации sth позволяет нам привести аргументы в пользу адекватности наших предположений, основываясь на результатах исследований по ионной имплантации.

Опыт показывает [5], что в SiO2, имплантированном ионами Ar, свечение в полосе 2,7эВ не имеет резонансного характера в полном соответствии с нашими предположениями. Зависимость интенсивности свечения от величины приложенного электрического поля плавная и электролюминисценция присутствует в широком диапазоне внешних полей, достаточных для того, чтобы разогреть электрон до энергии возбуждения центра свечения, но не до порога ударной ионизации. Таким образом, в пользу правильности представленной модели говорят не только результаты сравнения наших расчетов с экспериментом, которые приведены ниже, но и независиыме данные , полученные на несколько другом материале. 2.2. Математическая формулировка модели.

Обозначим энергию возбуждения центра люминесценции и ширину возбужденного квазидискретного «псевдо-примесного» уровня s0 и /"соответственно. Тогда не очень далеко от резонанса можно записать сечение рассеяния о возбуждающего электрона на центре свечения в следующем виде [6]: Рассеяние с захватом возбуждающего электрона:

°i (S)= А

(s-So )2 + Г

+ O1 pot (s)

(1)

Рассеяние без захвата возбуждающего электрона:

O2 (s)= А2 \l dS

(s-So )2 + i Г

O pot (s )

Оба процесса схематически изображены на рис. 1.