Фото- и электролюминесценция структур оксид-нитрид-оксид-кремний для применения в кремниевой оптоэлектронике

Структуры SiO₂/SiN_0,9/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 SiN_0,9, тогда как электролюминесценция – свечением слоев оксида и оксинитрида кремния. Возбуждаемая He–Cd лазером (E_возб = 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 SiN_0,9.

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 SiN_0,9 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/SiN_0,9/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.

1. Nanocrystalline 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/10.1063/1.4896552

2. Белый, В. И. Нитрид кремния в электронике / В. И. Белый, Л. Л. Васильева, В. А. Гриценко. - Новосибирск: Наука, 1982. - 200 с.

3. 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.19.014130

4. Enhancement 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/L3682537

5. Photoluminescence 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/L3607975

6. Strong 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/L3068002

7. Барабан, А. П. Электроника слоев SiO2 на кремнии / А. П. Барабан, В. В. Булавинов, П. П. Коноров. - Л., 1988. -304 с.

8. 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/L1535507

9. Skuja, 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-x

10. Electroluminescence 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/L1307014

11. Blue 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/L116554

12. The 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/L1666947

13. Excitation 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/L4770375

14. Nasyrov, 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/L3587452

15. Brown, 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/10.1149/1.2411484