danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2021-65-2-158-167dan-958Research ArticleФИЗИКАPHYSICSПроцессы деградации электролюминесценции светоизлучающих структур на основе тонких пленок оксида и нитрида кремнияProcesses of electroluminescence degradation of light-emitting structures based on thin silicon oxide and nitride filmsРомановИ. А.RomanovI. A.

Романов Иван Александрович, мл. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Romanov Ivan A., Junior Researcher

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

romivan@bsu.byКомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич, член-корреспондент НАН Беларуси, д-р физ.-мат. наук, заведующий лабораторией

ул. Курчатова, 7, 220108, Минск

Komarov Fadei F., Corresponding Member, D. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk

komarovf@bsu.byВласуковаЛ. А.VlasukovaL. A.

Власукова Людмила Александровна, канд. физ.-мат. наук, заведующая лабораторией

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Vlasukova Liudmila A., Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

vlasukova@bsu.byПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

Пархоменко Ирина Николаевна, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

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

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

parkhomenko@bsu.byКовальчукН. С.KovalchukN. S.

Ковальчук Наталья Станиславовна, канд. техн. наук, заместитель главного инженера

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск

Kovalchuk Natalia S., Ph. D. (Engineering), Deputy Chief Engineer

121A, Kazinets Str., 220108, Minsk

nkovalchuk@integral.byБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityИнститут прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университета; Научно-исследовательский технологический университет «МИСиС»A. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State University; National University of Science and Technology MISISОАО «Интеграл»Joint Stock Company “Integral”202108052021652158167Copyright © Романов И.А., Комаров Ф.Ф., Власукова Л.А., Пархоменко И.Н., Ковальчук Н.С., 20212021Романов И.А., Комаров Ф.Ф., Власукова Л.А., Пархоменко И.Н., Ковальчук Н.С.Romanov I.A., Komarov F.F., Vlasukova L.A., Parkhomenko I.N., Kovalchuk N.S.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/958

Одно-, двух- и трехслойные светоизлучающие композиции SiO2 /Si, SiN1,2/SiO2 /Si и SiO2 /SiN0,9/SiO2 /Si изготовлены на кремниевых подложках p-типа методами химического осаждения из газовой фазы и термооксидирования кремния. Элементный состав и толщины диэлектрических слоев изучены методами резерфордовского обратного рассеяния, растровой электронной микроскопии и спектральной эллипсометрии. Для изучения электролюминесценции (ЭЛ) использовалась система «электролит–диэлектрик–полупроводник», регистрация спектров ЭЛ проводилась в гальваностатическом режиме при положительном смещении кремниевой подложки. На спектрах ЭЛ образца SiO2 /Si проявляется интенсивная полоса с максимумом 1,9 эВ, спектры ЭЛ образцов SiN1,2/SiO2 /Si и SiO2 / SiN0,9/SiO2 /Si характеризуются наличием полос с максимумами при 1,9, 2,3 и 2,7 эВ. Обсуждается природа этих полос. Пропускание через образец SiO2 /SiN0,9/SiO2 /Si заряда в диапазоне 100–500 мКл/см2 приводит к увеличению интенсивности ЭЛ всех регистрируемых полос. После пропускания через образец с трехслойной диэлектрической пленкой заряда величиной 1 Кл/см2 интенсивность ЭЛ уменьшается, что объяснено деградацией верхнего слоя оксида кремния. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что нитрид кремния, нанесенный поверх слоя SiO2 , предохраняет слой SiO2 от полевой деградации и преждевременного пробоя. Наиболее стабильной электролюминесценцией при воздействии сильного электрического поля характеризуется структура SiN1,2/SiO2 /Si.

SiO2 /Si, SiN1.2/SiO2 /Si and SiO2 /SiN0.9/SiO2 /Si structures have been fabricated by chemical vapor deposition and thermal oxidation of silicon. The elemental composition and thicknesses of dielectric layers have been studied using Rutherford backscattering spectroscopy, scanning electron microscopy, and spectral ellipsometry. The electroluminescence (EL) of the samples has been investigated in the “electrolyte–dielectric–semiconductor” system at a positive bias voltage applied to the silicon substrate. An intense band with maxima at 1.9 eV appears on the EL spectra of the SiO2 /Si sample, while the EL spectra of the SiN1.2/SiO2 /Si and SiO2 /SiN0.9/SiO2 /Si samples are characterized by the presence of bands with the maximum values of 1.9, 2.3 and 2.7 eV. The nature of these bands is discussed. Passing a charge in the range of 100–500 mC/ cm2 through the SiO2 /SiN0.9/SiO2 /Si sample, an increase in the EL intensity was recorded in the entire visible range. Passing a charge of 1 C/cm2 through a sample with a three-layer dielectric film resulted in the EL intensity decrease. It can be explained by the upper oxide layer degradation. It has been shown that silicon nitride deposited on top of the SiO2 layer protects the oxide layer from field degradation and premature breakdown. The most stable electroluminescence when exposed to a strong electric field is observed for the structure SiN1.2/SiO2 /Si.

нитрид кремнияоксид кремнияэлектролюминесценциясветоизлучающие структурыsilicon oxidesilicon nitrideelectroluminescencelight emitting structuresReferencesEffect of Auger recombination induced by donor and acceptor states on luminescence properties of silicon quantum Dots/SiO2 multilayers / B. S. Joo [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 801. – P. 568–572. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.171Joo B. S., Jang S., Gu M., Jung N., Han M. Effect of Auger recombination induced by donor and acceptor states on luminescence properties of silicon quantum Dots/SiO2 multilayers. Journal of Alloys and Compounds, 2019, vol. 801, pp. 568–572. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.171Intense green-yellow electroluminescence from Tb+-implanted silicon-rich silicon nitride/oxide light emitting devices / Y. Berencen [et al.] // Applied Physics Letters. – 2013. – Vol. 103, N 11. – Art. 111102 (4 p.). https://doi.org/10.1063/1.4820836Berencen Y., Wutzler R., Rebohle L., Hiller D., Ramirez J. M., Rodriguez J. A., Skorupa W., Garrido B. Intense green-yellow electroluminescence from Tb+-implanted silicon-rich silicon nitride/oxide light emitting devices. Applied Physics Letters, 2013, vol. 103, no. 11, art. 111102 (4 p.). https://doi.org/10.1063/1.4820836Барабан, 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).Luminescence of SiO2 layers on silicon at various types of excitation / A. P. Baraban [et al.] // Journal of Luminescence. – 2019. – Vol. 205. – P. 102–108. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.09.009Baraban A. P., Samarin S. N., Prokofiev V. A., Dmitriev V. A., Selivanov A. A., Petrov Y. Luminescence of SiO2 layers on silicon at various types of excitation. Journal of Luminescence, 2019, vol. 205, pp. 102–108. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.09.009Фото- и электролюминесценция структур оксид–нитрид–оксид–кремний для применения в кремниевой оптоэлектронике / И. А. Романов [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2018. – Т. 62, № 5. – С. 546–554. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2018-62-5-546-554Romanov I. A., Vlasukova L. A., Komarov F. F., Parkhomenko I. N., Kovalchuk N. S., Mohovikov M. A., Mudryi A. V., Milchanin О. V. Photo- and electroluminescence of oxide-nitride-oxide-silicon structures for silicon-based optoelectronics. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2018, vol. 62, no. 5, pp. 546–554 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8323-2018-62-5-546-554Электролюминесценция структур Si–SiO2–Si3N4 / А. П. Барабан [и др.] // Письма в Журн. техн. физики. – 2002. – Т. 28, № 23. – С. 14–23.Baraban 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:10.1134/1.1535507Гриценко, В. А. Структура границ раздела кремний/оксид и нитрид/оксид / В. А. Гриценко // Успехи физ. наук. – 2009. – Т. 179, № 9. – С. 921–930.Gritsenko V. A. Structure of silicon/oxide and nitride/oxide interfaces. Physics-Uspekhi, 2009, vol. 52, no. 9, pp. 869– 877. https://doi.org/10.3367/UFNe.0179.200909a.0921Jeppson, K. O. Negative bias stress of MOS devices at high electric fields and degradation of MNOS devices / K. O. Jeppson, C. M. Svensson // Journal of Applied Physics. – 1977. – Vol. 48, N 5. – P. 2004–2014. https://doi.org/10.1063/1.323909Jeppson K. O., Svensson C. M. Negative bias stress of MOS devices at high electric fields and degradation of MNOS devices. Journal of Applied Physics, 1977, vol. 48, no. 5, pp. 2004–2014. https://doi.org/10.1063/1.323909Барабан, А. П. Дефекты и дефектообразование в окисном слое ионно-имплантированных структур кремний– двуокись кремния / А. П. Барабан, Л. В. Милоглядова // Журн. техн. физики. – 2002. – Т. 72, №. 5. – С. 56–60.Baraban A. P., Miloglyadova L. V. Formation of defects in the oxide layer of ion-irradiated Si/SiO2 structures. Technical Physics, 2002, vol. 47, no. 5, pp. 569–573. https://doi.org/10.1134/1.1479984Белый, В. И. Нитрид кремния в электронике / В. И. Белый, Л. Л. Васильева, В. А. Гриценко. – Новосибирск, 1982. – 200 с.Belyi V. I., Vasilyeva L. L., Gritsenko V. A. Silicon nitride in electronics. Novosibirsk, 1982. 200 p. (in Russian).Gritsenko, V. A. Unsteady silicon nitride conductivity in high electric fields / V. A. Gritsenko, E. E. Meerson, S. P. Sinitsa // Physica Status Solidi (A). – 1978. – Vol. 48, N 1. – P. 31–37. https://doi.org/10.1002/pssa.2210480105Gritsenko V. A., Meerson E. E., Sinitsa S. P. Unsteady silicon nitride conductivity in high electric fields. Physica Status Solidi (A), 1978, vol. 48, no. 1, pp. 31–37. https://doi.org/10.1002/pssa.2210480105Di Valentin, C. Ab initio study of transition levels for intrinsic defects in silicon nitride / C. Di Valentin, G. Palma, G. Pacchioni // Journal of Physical Chemistry C. – 2011. – Vol. 115, N 2. – P. 561–569. https://doi.org/10.1021/jp106756fDi Valentin C., Palma G., Pacchioni G. Ab initio study of transition levels for intrinsic defects in silicon nitride. Journal of Physical Chemistry C, 2011, vol. 115, no. 2, pp. 561–569. https://doi.org/10.1021/jp106756fRobertson, J. Defects and hydrogen in amorphous silicon nitride / J. Robertson // Philosophical Magazine B. – 1994. – Vol. 69, N 2. – P. 307–326. https://doi.org/10.1080/01418639408240111Robertson J. Defects and hydrogen in amorphous silicon nitride. Philosophical magazine B, 1994, vol. 69, no. 2, pp. 307–326. https://doi.org/10.1080/01418639408240111DiMaria, D. J. Electron heating in silicon nitride and silicon oxynitride films / D. J. DiMaria, J. R. Abernathey // Journal of Applied Physics. – 1986. – Vol. 60, N 5. – P. 1727–1729. https://doi.org/10.1063/1.337265DiMaria D. J., Abernathey J. R. Electron heating in silicon nitride and silicon oxynitride films. Journal of Applied Physics, 1986, vol. 60, no. 5, pp. 1727–31729. https://doi.org/10.1063/1.337265

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