Процессы деградации электролюминесценции светоизлучающих структур на основе тонких пленок оксида и нитрида кремния

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.

1. Effect 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.2019.06.171

2. Intense 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/10.1063/1.4820836

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

4. 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.2018.09.009

5. Фото- 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/10.29235/1561-8323-2018-62-5-546-554

6. Электролюминесценция структур Si–SiO2–Si3N4 / А. П. Барабан [и др.] // Письма в Журн. техн. физики. – 2002. – Т. 28, № 23. – С. 14–23.

7. Гриценко, В. А. Структура границ раздела кремний/оксид и нитрид/оксид / В. А. Гриценко // Успехи физ. наук. – 2009. – Т. 179, № 9. – С. 921–930.

8. Jeppson, 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/10.1063/1.323909

9. Барабан, 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.

10. Белый, В. И. Нитрид кремния в электронике / В. И. Белый, Л. Л. Васильева, В. А. Гриценко. – Новосибирск, 1982. – 200 с.

11. 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.2210480105

12. Di 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/jp106756f

13. Robertson, J. Defects and hydrogen in amorphous silicon nitride / J. Robertson // Philosophical Magazine B. – 1994. – Vol. 69, N 2. – P. 307–326. https://doi.org/10.1080/01418639408240111

14. DiMaria, 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/10.1063/1.337265