Разработка методики регистрации спектров электролюминесценции и исследование светоизлучающих структур на основе нитрида, оксида и оксинитрида кремния для применений в кремниевой оптоэлектронике : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель Ф. Ф. Комаров

Abstract

Объектами исследования являлись образцы SiO2/Si, SiNx/Si, SiOxNy/Si и структуры Si3N4/SiO2/Si и SiO2/SiN0,9/SiO2/Si. Цели настоящей работы: создание методики регистрации спектров электролюминесценции светоизлучающих структур на основе нитрида оксида и оксинитрида кремния; определение характеристик исследуемых светоизлучающих структур; поиск ключевых факторов, обеспечивающих эффективную электролюминесценцию; создание светоизлучающих структур на основе оксида и нитрида кремния видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн, определение их характеристик. Разработан и собран приборно-аппаратный комплекс для регистрации оптических спектров электролюминесценции (ЭЛ) светоизлучающих структур на основе кремния. Методами реактивного магнетронного распыления и химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) на кремниевые подложки нанесены пленки нитрида, оксида и оксинитрида кремния, а также созданы многослойные структуры Si3N4/SiO2/Si и SiO2/SiN0,9/SiO2/Si. Методами резерфордовского обратного рассеяния, фотолюминесценции, спектроскопии комбинационного рассеяния света и спектроскопии поглощения света исследованы оптические свойства, химический и фазовый состав, распределение элементов по глубине в диэлектрических пленках, изготовленных различными способами. Методом спектроскопии электролюминесценции в системе электролит - диэлектрик - полупроводник (ЭДП) проведено исследование созданных структур SiNx/Si, SiOx/Si, Si3N4/SiO2/Si и SiO2/SiN0,9/SiO2/Si. Установлено, что тонкие пленки оксинитрида кремния, полученные методом реактивного магнетронного распыления, обладают ЭЛ низкой интенсивности в видимой области спектра и характеризуются слабой устойчивостью к воздействию сильных электрических полей. Пленки нитрида кремния, полученные методом ХОГФ, электролюминесценцию не проявляли, но обладали интенсивной фотолюминесценцией в видимом диапазоне длин волн. Пленка оксида кремния толщиной 120 нм, сформированная методом ХОГФ на кремниевой подложке, проявляла интенсивную ЭЛ в видимом диапазоне. В процессе измерения спектров ЭЛ образцов SiO2/Si наблюдались самозалечивающиеся пробои диэлектрического слоя, что приводило к частичному тушению люминесценции. Наиболее устойчивыми к воздействию сильных электрических полей в системе ЭДП были структуры Si3N4/SiO2/Si и SiO2/SiN0,9/SiO2/Si, полученные методом ХОГФ. Спектры ЭЛ полученных структур характеризуется полосами с энергиями в красной (1,9 эВ), зеленой (2,3 эВ) и синей (2,7 эВ) областях спектра. Полоса в красной области спектра ЭЛ связана с наличием в слоях SiO2 силанольных групп (Si OH). ЭЛ в зеленой области объясняется внутрицентровыми переходами в атомах трехкоординированного кремния в слоях SiO2. Полоса ЭЛ с максимумом при 2,7 эВ обусловлена излучательной релаксацией двухкоординированных атомов кремния (O2=Si:) в областях оксинитрида кремния. В результате установлено, что наиболее подходящим материалом для создания светоизлучающих структур, совместимых с кремниевой технологией производства интегральных схем, является образец Si3N4/SiO2/Si. Область применения. Результаты, полученные при выполнении работы, могут быть использованы при создании приборов опто- и микроэлектроники на белорусских электронных предприятиях ОАО «Интеграл», Минский научно-исследовательский институт радиоматериалов и российских предприятиях ЗАО «Оптоган» в Санкт-Петербурге (производство светодиодов и светодиодных чипов), НТО «Микрон» в Зеленограде.