danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2018-62-5-546-554dan-551Research ArticleФИЗИКАPHYSICSФото- и электролюминесценция структур оксид-нитрид-оксид-кремний для применения в кремниевой оптоэлектроникеPhoto- and electroluminescence of oxide-nitride-oxide-silicon structures for silicon-based optoelectronicsРомановИ. А.RomanovI. A.

Романов Иван Александрович – аспирант.

Romanov Ivan Alexandrovich – Postgraduate student.

1, Kurchatov Str., 220108, Minsk

romivan@bsu.byВласуковаЛ. А.VlasukovaL. A.

Власукова Людмила Александровна – кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией.

Ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Vlasukova Liudmila Alexandrovna – Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of the laboratory.

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

vlasukova@bsu.byКомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич – член-корреспондент, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией.

Ул. Курчатова, 7, 220108, Минск

Komarov Fadei Fadeevich – Corresponding Member, D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the laboratory.

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk

komarovf@bsu.byПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

Пархоменко Ирина Николаевна – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник.

Ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Parkhomenko Irina Nikolaevna – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher.

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

parhomir@yandex.byКовальчукН. С.KovalchukN. S.

Ковальчук Наталья Станиславовна – кандидат тexнических наук, заместитель главного инженера.

Ул. Казинца, 121а, 220108, Минск

Kovalchuk Natalia Stanislavovna – Ph. D. (Engineering), Deputy chief engineer.

12la, Kazinets Str., 220108, Minsk

7033696@mail.ruМоховиковМ. А.MohovikovM. A.

Моховиков Максим Александрович – младший научный сотрудник.

Ул. Курчатова, 7, 220108, Минск

Makhavikou Maxim Alexandrovich – Junior researcher.

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk

m.mohovikov@gmail.comМудрыйА. В.MudryiA. V.

Мудрый Александр Викторович – кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник.

Ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Mudryi Alexander Victorovich – Ph. D. (Physics and Mathematics), Chief researcher.

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

mudryi@ifttp.basnet.byМильчанинО. В.MilchaninO. V.

Мильчанин Олег Владимирович – старший научный сотрудник.

Ул. Курчатова, 7, 220108, Минск

Milchanin Oleg Vladimirovich – Senior researcher.

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk

milchanin@tut.byБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityБелорусский государственный университет, Институт прикладных физических проблем им. А.Н. СевченкоA.N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems of the Belarusian Slate UniversityИнтеграл, НПОIntegral, Joint Stock CompanyНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of Belarus201829102018625546554Copyright © Романов И.А., Власукова Л.А., Комаров Ф.Ф., Пархоменко И.Н., Ковальчук Н.С., Моховиков М.А., Мудрый А.В., Мильчанин О.В., 20182018Романов И.А., Власукова Л.А., Комаров Ф.Ф., Пархоменко И.Н., Ковальчук Н.С., Моховиков М.А., Мудрый А.В., Мильчанин О.В.Romanov I.A., Vlasukova L.A., Komarov F.F., Parkhomenko I.N., Kovalchuk N.S., Mohovikov M.A., Mudryi A.V., Milchanin O.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/551

Структуры SiO2/SiN0,9/SiO2/Si с суммарной толщиной диэлектрических слоев 140 нм изготовлены методом химического осаждения из газовой фазы. Элементный состав и излучательные свойства полученных структур исследовались методами резерфордовского обратного рассеяния (POP), фото- и электролюминесценции (ФЛ, ЭЛ). Методом POP установлено наличие областей оксинитрида кремния на границах нитридного и оксидных слоев.

Показано, что фотолюминесценция образца обусловлена свечением обогащенного кремнием слоя SiN0,9, тогда как электролюминесценция – свечением слоев оксида и оксинитрида кремния. Возбуждаемая He–Cd лазером (Eвозб = 3,82 эВ) фотолюминесценция структуры характеризуется широкой интенсивной полосой с максимумом при 1,9 эВ, связанной с излучательной рекомбинацией носителей заряда, локализованных в хвостах разрешенных зон нитрида кремния. Происхождение менее интенсивной полосы при 2,8 эВ в спектре ФЛ обусловлено наличием собственных дефектов (N-центров) в слое SiN0,9.

ЭЛ возбуждалась в гальваностатическом режиме в системе электролит–диэлектрик–полупроводник (ЭДП) при средней величине напряженности электрического поля в структуре 5–6 МВ/см. Величина напряженности электрического поля в слоях оксида кремния составляла 7–8 МВ/см и превышала значение этого параметра в слое SiN0,9 в ~4 раза. Электроны, ускоренные в электрических полях 7–8 MB/см, могут разогреваться до энергии более 5 эВ, достаточной для возбуждения центров люминесценции в слоях оксида и оксинитрида кремния. Для изученной композиции Sio2/SiN0,9/SiO2/Si полосы ЭЛ с энергиями 1,9 и 2,3 эВ связаны с наличием в слоях оксида кремния силанольных групп (Si–OH) и трехкоординированных атомов кремния (О3≡Si•). Полоса с энергией 2,7 эВ приписана излучательной релаксации двухкоординированных атомов кремния (O2=Si:) в переходных областях оксинитрида кремния. Интенсивность свечения этой полосы обладает наибольшей устойчивостью к воздействию сильных электрических полей после протекания через образец заряда 1–3 Кл/см2.

Oxide-nitride-oxide-silicon (SiO2/SiN0.9/SiO2/Si) structures have been fabricated by chemical vapor deposition. The elemental composition and light emission properties of “SiO2/SiN0.9/SiO2/Si” structures have been studied using Rutherford backscattering spectroscopy (RBS), photo- and electroluminescence (Pl, El). The RBS measurements has shown the presence of an intermediate silicon oxynitride layers at the SiO2–SiN0.9 interfaces.

It has been shown that the photoluminescence of the SiO2/SiN0.9/SiO2/Si structure is due to the emission of a SiN0.9 layer, and the electroluminescence is attributed to the emission of silicon oxide and oxynitride layers. A broad intense band with a maximum at 1.9 eV dominates the Pl spectrum. This band attributed to the radiative recombination of excited carriers between the band tail states of the SiN0.9 layer. The origin of the less intense Pl band at 2.8 eV is associated with the presence  of nitrogen defects in the silicon nitride.

El was excited in the electrolyte-dielectric-semiconductor system. The electric field strength in the SiO2 layers reached 7–8 MV/cm and exceeded this parameter in nitride layer nearly four times. The electrons accelerating in electric field of 7–8 MV/cm could heat up to energies more than 5 eV. It is sufficient for the excitation of luminescence centres in the silicon oxide and oxynitride layers. The SiO2/SiN0.9/SiO2/Si composition El bands with quantum energies of 1.9 and 2.3 eV are related to the presence of silanol groups (Si–OH) and three-coordinated silicon atoms (≡Si•) in the silicon oxide layers. The El band with an energy of 2.7 eV is attributed to the radiative relaxation of silylene (O2=Si:) centers in the silicon oxynitride regions. It is observed the least reduction of this band intensity under the influence of strong electric fields after a charge flow  of 1–3 C/cm2.

нитрид кремнияоксид кремнияфотолюминесценцияэлектролюминесценциякремниевая оптоэлектроникаsilicon oxidesilicon oxinitridephotoluminescenceelectroluminescencesilicon optoelectronicsReferencesNanocrystalline Si pathway induced unipolar resistive switching behavior from annealed Si-rich SiN/SiN multilayers / X. Jiang [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2014. - Vol. 116, N 12. - P. 123705 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.4896552Jiang X., Ma Z., Yang H., Yu J., Wang W., Zhang W., Li W., Xu J., Xu L., Chen K., Huang X., Feng D. Nanocrystalline Si pathway induced unipolar resistive switching behavior from annealed Si-rich SiNx/SiNy multilayers. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 116, no. 12, p. 123705 (5 p.). https://doi.org/10.1063/L4896552Белый, В. И. Нитрид кремния в электронике / В. И. Белый, Л. Л. Васильева, В. А. Гриценко. - Новосибирск: Наука, 1982. - 200 с.Belyi V. I., Vasilyeva L. L., Gritsenko V. A. Silicon nitride in electronics. Novosibirsk, Nauka Publ., 1982. 200 p. (in Russian).Low-loss Si3N4 arrayed-waveguide grating (de) multiplexer using nano-core optical waveguides / D. Dai [et al.] // Optics express. - 2011. - Vol. 19, N 15. - P. 14130-14136. https://doi.org/10.1364/oe.19.014130Dai D., Wang Z., Bauters J. F., Tien M.-C., Heck M. J. R., Blumenthal D. J., Bowers J. E. Low-loss Si3N4 arrayed-waveguide grating (de) multiplexer using nano-core optical waveguides. Optics express, 2011, vol. 19, no. 15, pp. 1413014136. https://doi.org/10.1364/oe.19.014130Enhancement of photoluminescence signal from ultrathin layers with silicon nanocrystals / S. A. Dyakov [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2012. - Vol. 100, N 6. - P. 061908 (4 p.). https://doi.org/10.1063/L3682537Dyakov S. A., Zhigunov D. M., Hartel A., Zacharias M., Perova T. S., Timoshenko V. Yu. Enhancement of photoluminescence signal from ultrathin layers with silicon nanocrystals. Applied Physics Letters, 2012, vol. 100, no. 6, pp. 061908 (4 p.). https://doi.org/10.1063/L3682537Photoluminescence from silicon nitride - no quantum effect / J. Kistner [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2011. -Vol. 110, N 2. - P. 023520 (5 p.). https://doi.org/10.1063/L3607975Kistner J., Chen X., Weng Y., Strunk H. P., Schubert M. B., Werner J. H. Photoluminescence from silicon nitride - no quantum effect. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 110, no. 2, p. 023520 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.3607975Strong violet and green-yellow electroluminescence from silicon nitride thin films multiply implanted with Si ions / Z. H. Cen [et al.] // Applied Physics Letters. - 2009. - Vol. 94, N 4. - P. 041102 (3 p.). https://doi.org/10.1063/L3068002Cen Z. H., Chen T. P., Ding L., Liu Y., Wong J. I., Yang M., Liu Z., Goh W. P., Zhu F. R., Fung S. Strong violet and green-yellow electroluminescence from silicon nitride thin films multiply implanted with Si ions. Applied Physics Letters, 2009, vol. 94, no. 4, p. 041102 (3 p.). https://doi.org/10.1063/L3068002Барабан, А. П. Электроника слоев SiO2 на кремнии / А. П. Барабан, В. В. Булавинов, П. П. Коноров. - Л., 1988. -304 с.Baraban A. P., Bulavinov V. V., Konorov P. P. Electronics of SiO2 layers on silicon. Leningrad, 1988. 304 p. (in Russian).Electroluminescence of Si-SiO2-Si3N4 structures / A. P. Baraban [et al.] // Technical Physics Letters. - 2002. - Vol. 28, N 12. - P. 978-980. https://doi.org/10.1134/L1535507Baraban A. P., Egorov D. V., Askinazi A. Y., Miloglyadova L. V. Electroluminescence of Si-SiO2-Si3N4 structures. Technical Physics Letters, 2002, vol. 28, no. 12, pp. 978-980. https://doi.org/10.1134/L1535507Skuja, L. The origin of the intrinsic 1.9 eV luminescence band in glassy SiO2 / L. Skuja // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1994. - Vol. 179. - P. 51-69. https://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90684-xSkuja L. The origin of the intrinsic 1.9 eV luminescence band in glassy SiO2. Journal of Non-Crystalline Solids, 1994, vol. 179, pp. 51-69. https://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90684-xElectroluminescence of ion-implanted Si-SiO2 structures / A. P. Baraban [et al.] // Technical Physics. - 2000. -Vol. 45, N 8. - P. 1042-1044. https://doi.org/10.1134/L1307014Baraban A. P., Konorov P. P., Malyavka L. V., Troshikhin A. G. Electroluminescence of ion-implanted Si-SiO2 structures. Technical Physics, 2000, vol. 45, no. 8, pp. 1042-1044. https://doi.org/10.1134/L1307014Blue luminescence from Si+-implanted SiO2 films thermally grown on crystalline silicon / L. S. Liao [et al.] // Applied Physics Letters. - 1996. - Vol. 68, N 6. - P. 850-852. https://doi.org/10.1063/L116554Liao L. S., Bao X. M., Zheng X. Q., Li N. S., Min N. B. Blue luminescence from Si+-implanted SiO2 films thermally grown on crystalline silicon. Applied Physics Letters, 1996, vol. 68, no. 6, pp. 850-852. https://doi.org/10.1063/1.116554The effect of annealing on the electroluminescence of SiO2 layers with excess silicon / A. P. Baraban [et al.] // Technical Physics Letters. - 2004. - Vol. 30, N 2. - P. 85-87. https://doi.org/10.1134/L1666947Baraban A. P., Egorov D. V., Petrov Y. V., Miloglyadova L. V. The effect of annealing on the electroluminescence of SiO2 layers with excess silicon. Technical Physics Letters, 2004, vol. 30, no. 2, pp. 85-87. https://doi.org/10.1134/L1666947Excitation dependent photoluminescence study of Si-rich a-SiNx:H thin films / R. Kumar Bommali [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2012. - Vol. 112, N 12. - P. 123518 (6 p.). https://doi.org/10.1063/L4770375Kumar Bommali R., Preet Singh S., Rai S., Mishra P., Sekhar B. R., Vijaya Prakash G., Srivastava P. Excitation dependent photoluminescence study of Si-rich a-SiN*:H thin films. Journal of Applied Physics, 2012, vol. 112, no. 12, p. 123518 (6 p.). https://doi.org/10.1063/L4770375Nasyrov, K. A. Charge transport in dielectrics via tunneling between traps / K. A. Nasyrov, V. A. Gritsenko // Journal of Applied Physics. - 2011. - Vol. 109, N 9. - P. 093705 (5 p.). https://doi.org/10.1063/L3587452Nasyrov K. A., Gritsenko V. A. Charge transport in dielectrics via tunneling between traps. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 109, no. 9, p. 093705 (5 p.). https://doi.org/10.1063/L3587452Brown, G. A. Electrical Characteristics of Silicon Nitride Films Prepared by Silane-Ammonia Reaction / G. A. Brown, W. C. Robinette, H. G. Carlson // Journal of the Electrochemical Society. - 1968. - Vol. 115, N 9. - P. 948-955. https://doi.org/10.1149/1.2411484Brown George A., Robinette W. C., Carlson H. G. Electrical Characteristics of Silicon Nitride Films Prepared by Silane-Ammonia Reaction. Journal of The Electrochemical Society, 1968, vol. 115, no. 9, pp. 948-955. https://doi.org/10.1149/1.2411484

The authors declare that there are no conflicts of interest present.