Слайд 1 - кремний-2010 - Нижегородский государственный

Диодные туннельно-пролетные структуры Si:Er/Si
с расширенной областью пространственного заряда,
излучающие в диапазоне 1.54 мкм при комнатной
температуре
В.Б. Шмагин, Д.Ю. Ремизов, В.А. Козлов, К.Е. Кудрявцев, З.Ф. Красильник
Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород
В.П. Кузнецов, О.Н. Горшков
Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского
государственного университета им. Н.И. Лобачевского
С.В. Оболенский
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Кремний-2010
План
Мотивация
Основные результаты по светодиодам p+/n-Si:Er
Туннельно-пролетный светодиод
Результаты
Проблемы и перспективы
Кремний-2010
Ударное возбуждение Er3+
Рекомбинационное
возбуждение
высокое сечение возбуждения
  1.4 10 16 cm 2
подавлены основные механизмы
безызлучательной релаксации
  5.4 104 s
  3 10 15 cm 2
  2 10 7 s
(ФТТ 47 (2005) 95, Д.Ремизов и др.)
(PRB 57 (1998) 4443,
F.Priolo et al.)
высокая эффективность возбуждения
  1  10 19 cm 2 s
Кремний-2010
Ударное возбуждение Er3+
Почему мы стремимся к расширению ОПЗ?
интенсивность ЭЛ
квантовая эффективность
  N 
S
Er

 rad
   N Er WОПЗ 
  j q
EL  N Er WОПЗ 
1    j q

E
p+
n-Si:Er
 rad
X
WОПЗ
Кремний-2010
Ударное возбуждение Er3+
Лазерные применения
A.Karim, C.-X. Du, and G. V. Hansson. J.Appl.Phys. 104, 123110 (2008)
Кремний-2010
Основные результаты по светодиодам p+/n-Si:Er
 Расширение ОПЗ ведет к развитию лавинного механизма пробоя и резкому
уменьшению интенсивности эрбиевой ЭЛ.
 Максимальные интенсивность и эффективность возбуждения эрбиевой ЭЛ
достигаются при ширине ОПЗ ~ 0.1 um в режиме смешанного пробоя p+/n-перехода.
1e18
3e17
ND, cm
-3
3e16
E
EL, a.u.
#136
лавинный
пробой
100
туннельный
пробой
p+
n-Si:Er
X
WОПЗ
10
100
200
300 400
W, nm
В.Б. Шмагин и др., ФТТ 46, 110 (2004)
Кремний-2010
Туннельно-пролетный светодиод
p+/n+/n-Si:Er
E, kV/cm
p+-Si
1200
n+-Si
формирование потока горячих электронов
E
n-Si:Er
возбуждение эрбия
50nm
35nm
30nm
800
400
0
0
X
100
Ubr, EL
300
400
500
X, nm
Ubr
0.5-1 um
~20-30V
ND
200
EL T=300K
1·1019
N, cm-3
2·1018
1·1016
x
5·1018
20-30 nm
энергия носителей в активной области
NA
~4V
+
0.8eV  Eвозб  E  Eлав  1.5eV
d(n )
Кремний-2010
Туннельно-пролетный светодиод
Сублимационная МЛЭ
_
подложка
+
+
подложка
_
пластина
источник
_
+
_
пластина
источник
+
n+-Si (~ 1019 cm-3, 0.3)
n-Si:Er
d  0.5 μ
n1016 cm-3
n+-Si (~1018 cm-3, 200-600A)
p+-Si (~1019 cm-3, 0.1)
КДБ-10
p  1015 cm-3
90 mm
Кремний-2010
Результаты
•ТПД структуры с толстым слоем n+-Si (d > 600A)
•ТПД структуры с промежуточной толщиной слоя n+-Si (200-300A < d < 600A)
•ТПД структуры с тонким слоем n+-Si (d < 200-300A)
Кремний-2010
Group 1
d(n+)max > 600 A
#181
+
d(n )max= 600A
#224
+
d(n )max= 1000A
300K
77K
300K
77K
200
EL, a.u.
300
EL, a.u.
EL, a.u.
#237
max= 600A
900
800
400
d(n+)
600
300
T = 300 K
T = 77 K
100
0
0
20
40
60
80
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
0
100
0
20
40
60
12
12
4
Ubr, V
Ubr, V
Ubr, V
6
8
8
4
4
2
20
40
60
+
d(n ), nm
80
0
20
40
60
+
d(n ), nm
+
d(n ), nm
Кремний-2010
Термодоноры. Влияние токовводов
T
X
ND
X
E
+
n -Si
+
p -Si
n-Si:Er
P.Wagner, J.Hage. Appl.Phys.A 49, 123 (1989)
X
Кремний-2010
Group 1
T=77K
600
300K
77K
EL, a.u.
400
200
0
20
40
60
80
Кремний-2010
Group 2
200-300A < d(n+)max < 600 A
#199 line A1
d(n+)max= 300A
300K
77K
200
EL, a.u.
Ubr, V
E
+
n -Si
+
20
p -Si
100
n-Si:Er
0
0
5
10
15
20
25
X
+
d(n )
20
E
Ubr, V
15
10
+
n -Si
+
p -Si
5
n-Si:Er
0
0
5
10
+
15
d(n ), nm
20
25
X
Кремний-2010
Нерезкость n+n-перехода
E
Ubr, V
+
n -Si
+
E
n -Si
+
+
p -Si
n -Si
20
n-Si:Er
n-Si:Er
X
+
p -Si
X
+
d(n )
E
+
E
20
+
n -Si
+
15
n -Si
+
Ubr, V
p -Si
n-Si:Er
X
+
300K
77K
n -Si
n-Si:Er
10
#199
5
p -Si
X
0
0
5
10
+
15
d(n ), nm
20
25
Group 2
CV-профили n+n-перехода
#224
#266 (no Er)
#199 (joined)
#181
#237
#305
ND, cm
-3
1E18
1E17
1E16
0,0
0,1
0,2
0,3
X, um
Кремний-2010
Профилирование n+n-перехода
#305
max= 470A
профиль легирования
CV-профиль
Nexp
Ncalc, d(n+) = 430 A
-3
1E18
ND, cm
d(n+)
1E17
1E16
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
X, um
Кремний-2010
Профилирование n+n-перехода
#305
max= 470A
профиль легирования
CV-профиль
600 A
~ 30 nm/decade
-3
1E18
exp
2e18/3e17-20/1e17-20/6e16-20/3e16
ND, cm
d(n+)
1E17
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
0,24
X, um
Кремний-2010
Профили ВИМС n+n-перехода
SIMS analysis direction
growth direction
#266 (no Er)
#267
SIMS, counts (P)
1000
4.5 nm/decade
100
135-180 nm/decade
10
1
0
200
400
600
800
X, nm
Кремний-2010
#256 Si:Er,Sb
EL, a.u.
n+-Si
n-Si:Er, T=580C
n+: Si:Sb, T=520C
p+-Si
p-Si подложка
400
300K
77K
200
(М.Н. Дроздов и др. Нанофизика и наноэлектроника,
Нижний Новгород, март 2010)
0
4
8
12
16
1E18
20
(4,1)
(4,2)
(4,3)
(4,4)
Ubr, V
25
лав
тунн
20
ND, cm
-3
0
#256
Line 4S
1E17
15
10
5
1E16
0
0
4
8
+
12
d(n ), nm
16
20
0,2
0,4
X, um
0,6
0,8
Кремний-2010
Нерешенные проблемы:
1. Лавинный пробой в ТПД структурах с n+-Si:P развивается раньше, чем
поле успевает проникнуть в активный слой n-Si:Er на значительную
глубину. Это не позволяет реализовать преимущества ТПД.
2. По-видимому, ранняя смена механизма пробоя обусловлена нерезкостью
перехода n+/n, что подтверждается данными по #256 (n+-Si:Sb).
Предполагается, что данная гипотеза будет проверена экспериментами с
ТПД на основе Si:Sb (А. Новиков, В. Кузнецов).
Кремний-2010
Заключение
T  300K
S  2mm2
5
P, W
4
P  5W
3
Qext  1.5 10 5
2
1
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
I, A
Кремний-2010
Светоизлучающие структуры
с инжектором и активной пролетной областью
n+-Si
p+-Si
n-Si:Er
пролетная область
n1016 см-3
-
+
туннельно-пролетный диод
0.8eV  Eвозб  E  Eлав  1.5eV
инжектор
p+-Si
n+-Si
Э
-
n-Si:Er
пролетная область
n1016 см-3
К
+
транзисторная структура
C.-X. Du, Appl. Phys. Lett. 78, 1697 (2001)
Б
(  11014 cm2 ,  460s,  1105 , d (Si : Er )  200nm)
Кремний-2010
ВИМС
#11-45 (no Er)
d(n+)= 300A
growth
analysis
20
10
Sb
B
19
10
N, cm
-3
2.8 nm/decade
+
n /n
18
10
17
10
16
10
0
100
200
300
400
500
600
Depth, nm
Кремний-2010
Group 1
CV-профилирование
#224
d(n+), nm
98
60
46
39
33
28
23
20
ND, cm
-3
1E18
1E17
0,00
0,05
0,10
0,15
X, um
0,20
0,25
Кремний-2010
Распределение толщины слоя n+-Si по длине подложки
d(n+)
#267
max= 470A
0,05
0,04
a=3.5 mm
b=35 mm
h=27mm
d, 
0,03
0,02
0,01
0,00
0
10
20
30
40
50
Y, mm
(В.И. Лозгачев. Распределение потоков
молекул на плоскости при испарении в
вакуум. ЖТФ. 1962. т.32. в.8.)
Кремний-2010
#266 (no Er)
d(n+)max= 600A
300K
77K
8
D=500um
1E18
6
No2
No8
No9
No10
No11
No12
No18
4
10
20
30
40
50
60
1,2
ND, cm
-3
Ubr, V
10
UC, V
1E17
0,8
0,04
0,08
0,12
0,16
X, um
0,4
10
20
30
40
+
d(n ), nm
50
60
0,20
Group 3
d(n+)max < 200-300 A
T = 300 K
I = 200 mA
1000
#247, Ubr ~ 5-6V
#250, Ubr ~ 5-8V
#251, Ubr ~ 5V
EL, a.u.
800
600
400
200
0
0
5
10
15
+
d(n ), nm
20
25
30
Что мы ждем от ТПД
Ubr, V
+
E
n -Si
+
E
n -Si
+
p -Si
+
n -Si
20
n-Si:Er
n-Si:Er
X
+
p -Si
X
+
d(n )
E
+
n -Si
20
+
E
n -Si
+
300K
77K
+
n -Si
p -Si
15
n-Si:Er
X
+
p -Si
X
Ubr, V
n-Si:Er
10
#199
5
0
0
5
10
+
15
d(n ), nm
20
25
d(n+)
1E18
#237
max= 600A
ND, cm
-3
C9-11
C9-15
C9-19
C9-23
C9-27
C9-31
C9-35
C9-39
C9-43
1E17
0,12
0,16
X, um
0,20
0,24
Эффективность возбуждения ЭЛ
p+/n+/n-Si:Er
p+/n-Si:Er
#199,  ~ (5-6)10-20 cm2s
#237,  ~ (1-2)10-20 cm2s
#267,  ~ (2-9)10-20 cm2s
#136,  ~ (1-9)10-20 cm2s
#136
10
10
#267
2
*10 , cm s
2
*10 , cm s
8
20
20
6
4
8
6
4
2
2
10
20
30
+
d(n ), nm
40
0
3
4
Ubr, V
5
Распределение поля в ОПЗ ТПД (расчет)
ТПД
Progr10/1
1e19/2e18/1e16
100
1
0,1
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
X, nm
1400
1200
800
600
400
200
Emax= 1400 V/cm
1200
E, kV/cm
20nm Ubr=1.1+10.1V
25nm Ubr=1.1+7.3V
30nm Ubr=1.1+5.1V
35nm Ubr=1.1+3.6V
40nm Ubr=1.1+2.9V
1000
E, kV/cm
-3
p,n*1e-17, cm
10
ТПД 1e19/2e18/2e17
1600
50nm
40nm
35nm
37nm
32nm
30nm
0
50nm
40nm
37nm
35nm
32nm
30nm
800
400
-200
50
100
150
200

400
500
20
16
12
8
4
0

U =Uc+Ubr, V
300
X, nm
U =UC+Ubr, V
0
200
350
20
Ubr (1e19/2e18/1e16)
Ubr (1e19/2e18/2e17)
16
100
300
X, nm
18
0
250
14
12
10
8
6
4
2
30
35
40
+
d(n ), nm
45
50
20
25
30
35
W, nm
40
45
50
КДБ-12
n+(P)=300A
#199

n  2e18, d (n )max  300 A, Tgr (n)  580C
n(Er║)=0.5um
#199 line A1
#199 line S2
160
250
300K
77K
300K
77K
120
EL, a.u.
EL, a.u.
200
150
100
80
40
50
0
0
5
10
15
20
25
20
5
10
5
10
15
20
25
15
20
25
8
18
16
7
12
Ubr, V
Ubr, V
14
10
8
6
5
6
4
4
5
10
15
+
d(n ), nm
20
25
+
d(n ), nm