РОЗДІЛ 2
Електролюмінесцентні прилади на основі гетероструктур аморфний гідрогенізований
кремній, легований ербієм / кристалічний кремній
Починаючи з 60-х років минулого століття монокристалічний кремній є домінуючим
матеріалом для мікроелектроніки завдяки його чудовим механічним, хімічним і
електричним властивостям. Однак, із підвищенням мініатюризації виникає все
більше і більше фізичних обмежень обумовлених властивостями кремнію, як
матеріалу. Збільшення лінійного опору і відповідно паразитних ємностей із
зменшенням характерних розмірів перешкоджає подальшій мініатюризації і
підвищенню тактової частоти роботи приладів. Електромагнітна інтерференція двох
сусідніх провідників при високих частотах модуляції обмежує кількість виводів
інтегральної схеми.
Швидкий розвиток комунікаційних технологій в останні роки потребує
оптоелектронних елементів здатних генерувати, модулювати і приймати оптичні
сигнали [1]. Нажаль, кристалічний кремній, внаслідок непрямозонної структури,
має низьку ефективність при його використанні у якості світлового емітера. Крім
того, через малу ширину забороненої зони c-Si (1.1 еВ), неможливо отримати
випромінювання у видимому та ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль. Тому
сучасна напівпровідникова індустрія вимагає інтенсивного дослідження
світловипромінюючих матеріалів які б могли замінити кремній, але разом з тим,
були б сумісні із наявною кремнієвою технологією.
Не дивлячись на те, що більшість прийнятних рішень для обробки оптичних
сигналів вже існують, до сих пір немає задовільних концепцій для трансформації
електричного сигналу в оптичний в середині ІС. Хоча дискретні прилади на базі
складних напівпровідників або полімерів вже створені для застосування в
різноманітних дисплеях, труднощі поєднання цих матеріалів з ІС обмежують їх
застосування. При розробці альтернативних світловипромінючих елементів особлива
увага приділяється системам на базі кремнію, що дозволяють обійти обмеження які
накладаються непрямозонною структурою Si і одночасно у повній мірі скористатись
його перевагами.
Альтернативні матеріали, що можуть бути використані для генерації оптичних
сигналів повинні відповідати наступним вимогам: повна сумісність із наявною
кремнієвою технологією, висока ефективність, малий час згасання, і достатньо
довгий час неперервної роботи та висока стабільність.
У відношенні сумісності із сучасною кремнієвою технологію найбільш
перспективними являються системи на базі Si. Для деяких матеріалів на базі
кремнію можливість генерації світла за допомогою електричного збудження вже
було продемонстровано. Однак, для можливості широкого промислового використання
ці матеріали повинні відповідати вимогам, що наведені вище.
На сьогоднішній день можна виділити чотири основні шляхи створення
світловипромінюючих структур на базі Si: введення рідкоземельних елементів в
кремнієву матрицю [2]; використання шарів SiO2, що містять нанокластери Si, Ge
або Sn [6]; застосування пористого кремнію [35]; виготовлення
світловипромінюючих елементів на базі дисиліциду заліза FeSi2 [36]. І хоча по
кожному з напрямків створення світловипромінюючих структур на основі кремнію в
останні роки досягнуто значного прогресу, але для того щоб довести ці
технології до практичного застосування необхідно провести широкий спектр
досліджень
Як було зазначено раніше, одним із шляхів створення світловипромі-нюючих
структур на базі кремнію є застосування рідкоземельних елементів, що вводяться
в кремнієву матрицю. Люмінесценція в таких структурах виникає за рахунок
внутрішньоцентрових переходів між спін-орбітально розщепленими 4f-станами, що
відносяться до РЗЕ які знаходяться в кристалічному полі. Оскільки 4f-електрони
добре екрануються зовнішніми 5s- і 5p-електронами, то довжина хвилі
випромінювання слабо залежить як від матеріалу кристалічної матриці, в якій
знаходяться РЗЕ, так і від температури [2].
У випадку кремнію найбільш цікавим РЗЕ є Er, так як в спектрі люмінесценції
центра, що містить трьохзарядний іон ербію, спостерігається вузька температурно
незалежна лінія на довжині хвилі 1.54 мкм, що відповідає мінімуму втрат і
дисперсії в кварцових волокнах [2, 37]. Тому такі матеріали являються досить
перспективними для створення світловипромі-нюючих емітерів в різноманітних
матеріалах. Іони Er в кварцових волокнах виступають як оптичний підсилювач для
оптоволокневих систем зв’язку, що працюють на довжині хвилі 1.54 мкм і при
введенні в кремній можуть поєднати електронні прилади на базі кремнію з
оптичними системами зв’язку [2, 38].
2.1. Фізичні основи роботи світловипромінюючих напівпровідни-кових систем на
основі кристалічного та гідрогенізованого аморфного кремнію, легованих ербієм
Ербій має частково заповнену f-оболонку. f-електрони розміщені глибоко в атомі
і добре екрануються зовнішніми закритими 6s і 5p оболонками. Тому у збудженому
атомі внутрішньо оболонкові переходи 4f-електронів практично не залежать від
матеріалу матриці, що утримує ербієві атоми. Звичайно такі переходи являються
забороненими у вільному іоні. Однак, коли Er3+ іони вводяться в тверду матрицю,
тоді несиметричне поле кристалу піднімає виродження 4f хвильових функцій і
послаблює правила вибору (рис. 2.1) [2]. Поле кристала-носія розщеплює 4f-стани
в залежності від симетрії конкретної матриці і від хімічного зв’язку легуючих
домішок навколо Er атома [39].
Рис. 2.1. Схематична енергетична діаграма Er3+ іону. В твердому тілі
енергетичні рівні розщеплюються завдяки ефекту Штарка [2].
При введенні ербію в кристалічну кремнієву матрицю існує два принципових
обмеження, які заважають отриманню
- Київ+380960830922