книги из ГПНТБ / Верещагин, И. К. Электролюминесценция кристаллов

в предыдущий полупериод. В этой схеме предполагается, что большинство освобожденных дырок имеют возможность вернуться к центрам свечения.

Небольшие световые пики, появляющиеся после вы­ ключения каждого импульса, могут быть связаны с воз­ вращением к центрам свечения электронов, освобожден­ ных теплом и перемещаемых полем поляризации, которое присутствует в промежутках между импульсами.

Форма световых пиков определяется временной зави­ симостью электронного тока от противоположного края кристалла и изменением со временем числа дырок на уров­ нях центров свечения. Поток электронов может состоять, очевидно, как из электронов, освобожденных полем из ловушек (малые напряжения), так и образовавшихся вследствие ионизации (более высокие напряжения). Тог­ да по мере роста напряжения в пределах фронта импуль­ са в область скопления дырок устремятся сначала элект­ роны, освобожденные из ловушек, а позже — преимущест­ венно появившиеся вследствие ионизации. В веществах с большой концентрацией глубоких ловушек и большим се­ чением захвата электронов первые приходящие в область скопления дырок электроны будут захвачены ловушками, причем за короткое время импульса (менее мсек) ловушки глубиной в несколько десятых электрон-вольт не будут освобождены теплом при комнатной температуре. Тогда основная часть рекомбинаций в левой части образца на рис. 15.2, в произойдет только после начала ионизации в правой части кристалла. Подобные условия рекомбина­ ции осуществляются в обычных ZnS-люминофорах, что вытекает из ряда наблюдений (§ 32).

Мгновенная яркость свечения L (t) будет пропорцио­ нальна как числу оставшихся к моменту t ионизованных центров свечения р (t), так и концентрации электронов п (t) в той же области кристалла, причем п изменяется независимо от р и определяется напряжением на кристал­ ле и величиной G (t). Если р убывает только вследствие рекомбинации, то

о

о

110

где L выражено в числах квантов за секунду, у — коэф­ фициент, а р 0 — концентрация дырок в момент начала рекомбинации, когда t — 0. Если рекомбинация происхо­ дит у самой границы кристалла с двумя одинаковыми барьерами, то концентрация электронов п у вершины то­ го барьера, который включен в прямом направлении

L,G,B

Рис. 15.3. Изменение скорости генерации G и мгновенной яркости свечения

при тех же V; 7, s — зависимости средней яркости В от длительности разно­ полярных импульсов t (V = 60 и 70 в), с помощью которых получены соответ­ ствующие кривые G. Все величины — в относительных единицах. Образец — сульфид цинка с зеленым свечением.

(у анода), пропорциональна / 0 (М + 1), где / 0 — ток насыщения, выраженный в числах электронов за се­ кунду, а М — коэффициент умножения. Скорость иони­

ные моменты прямоугольного импульса напряжения, ког­ да р еще постоянно, a G растет из-за установления напря­ жения на барьере, возрастание L определяется увеличе­ нием G. В последующие моменты обе величины (р и G) падают, поэтому их произведение и L проходят через мак­ симум. На рис. 15.3 сравнивается форма опытных зависи­ мостей L (t) и G (t), которая в целом оказывается одинако­ вой [83]. Различия между кривыми L и G можно оценить

111

При линейном росте напряжения от нуля до амплитуд­ ного значения Vа в течение времени t a (рис. 15.4, а)

V

V = -р £ . Так как максимум света достигается в преде-

а

лах фронта импульса только при достаточно высоком F a,

tm,мксек

Рис. 15.4. Положение основного светового пика на переднем фронте трапецие­

[85], темные — работы [84].

то п ~ I и, если воспользоваться степенной аппроксима­ цией зависимости тока от напряжения, / ~ Vх, то из (15.3) будет следовать, что

у.

При Va = const для образцов сульфида цинка с зеленым свечением, у которых и ж 3, должна, таким образом, на­

ся с измеренной [84]. Вместе с увеличением ta уменьшает­ ся напряжение Vm, соответствующее максимуму света,

IV. КАРБИД КРЕМНИЯ

§ 16. Общие сведения

Карбид кремния был первым веществом, на котором наблюдалась электролюминесценция. В технических крис­ таллах со случайными р — п-переходами О. В. Лосев наблюдал оба основных вида свечения: рекомбинационное излучение р —«-переходов, включенных в прямом направ­ лении («свечение II»), и излучение, возникающее под действием сильного поля в обратно смещенных переходах («свечение I») [1]. Позже было выполнено большое число работ, относящихся к физико-химическим, электрическим и оптическим свойствам как технических, так и специаль­ но выращенных, более чистых кристаллов SiC. Результа­ ты этих исследований подробно изложены в [2].

Карбид кремния может иметь как кубическую решетку (^-модификация) с шириной запрещенной зоны АЕ = 2,33 эв

лее 30 политипных форм, АЕ у которых изменяется от 4,1 эв для формы 2Н до 2,74 эв для 8Н при комнатной температу­ ре [2—4]. Самой изученной из них является форма 6Н (АЕ = 2,96 эв), так как она получается в наибольших ко­ личествах при обычно используемом способе выращи­ вания кристаллов (конденсация из паров; см. [5—8]).

Типичной донорной примесью (обычно неизбежно при­ сутствующей) является азот с глубиной уровня, завися­ щей от политипа и равной примерно 0,1 эв для кристал­ лов 6Н [9]. Акцепторные уровни создают бор (0,39 эв), алюминий (0,29 эв), бериллий (0,4 и 0,6 эв) и другие эле­ менты [9—12]. Указанные глубины уровней относятся

кобразцам с относительно малым содержанием примеси;

сувеличением ее концентрации энергия ионизации

115

уменьшается [9, 10J. Глубина акцепторов не изменяется при переходе от одного политипа к другому [9].

Присутствие и количество примесей, как обычно, силь­ но влияет на процессы излучательной рекомбинации. В кристаллах с электронной проводимостью, обусловлен­ ной азотом, при низких температурах проявляется го­ лубая полоса свечения с энергией квантов для середины полосы hv = 2,65 эв [13, 14]. Голубая полоса является сложной и связана, по-видимому, как с переходами элек­ тронов с уровней азота в валентную зону, так и с перехода­ ми из зоны проводимости на уровни акцепторов [15]. При Т = 300 °К синяя полоса почти потушена, т. е. если тушение внешнее, в кристаллах существуют другие пути для рекомбинации без излучения.

Яркая даже при комнатной температуре люминесцен­ ция возникает только в том случае, когда в кристаллах одновременно присутствуют доноры и акцепторы. Наиболее интенсивное свечение дают кристаллы с примесями азота и бора [13, 16—19]. Так как в этом случае для образцов всех форм ДЕ — hv ^ 0,9 эв, а глубина уровня бора не­ изменна (0,4 эв), можно допустить, что излучение возникает при переходе электрона на уровень бора с донорного уров­ ня глубиной около 0,5 эв [15]. То, что азот способствует образованию центров свечения и в этом случае, следует из отсутствия свечения образцов с бором, в которых азот имеет малую концентрацию [16], и возрастания свечения вместе с увеличением содержания азота вплоть до пример­ но 3-1018 еж-3, когда наступает концентрационное тушение. Таким образом, донорный уровень 0,5 эв может принад­ лежать азоту.

В гексагональной решетке 6Н, в которой ближайшие соседи данного атома расположены по вершинам тетраэдра (каждый атом углерода окружен четырьмя атомами крем­ ния, и наоборот), возможно три различных состояния как для С, так и для Si. В частности три состояния С различа­ ются расстояниями до ближайшего атома Si вдоль опреде­ ленного направления (например, гексагональной оси). Если атомы N и В замещают углерод, то им также соот­ ветствуют три состояния в решетке, которые проявля­ ются при изучении электронного резонанса [20] и спек­ тров синего свечения, связанного с азотом [14]. Различия в энергии этих состояний для N составляют около 0,03 эв, поэтому в синей области спектра наблюдается три близкие полосы. Таким же образом растроение уровней акцепто­

116

ров может сказаться на спектрах свечения донорно-ак­ цепторных пар.

Происхождение некоторых полос, наблюдавшихся в

скцептор также приводят к межпримесной рекомбинации, сопровождающейся излучением (алюминий в кристаллах 6Н вызывает зеленую полосу при низкой температуре [12], бериллий — полосы с энергией в максимуме 1,8 и 2,1 эв [7, 21, 22]). В последнее время были получены дан­ ные, свидетельствующие о возможной роли кислорода в образовании центров голубого и желтого излучения [70, 71]. Кислород увеличивает, в частности, интенсивность полосы 2,05 эв при комнатной температуре у кристаллов ОН с примесью бора.

Вид спектров собственного поглощения, а также спек­ тров голубой фотолюминесценции при низкой температуре является характерным для непрямых переходов. Энергия фононов, проявляющихся при этих переходах, лежит в пределах от 0,03 до 0,12 эв [14, 23, 24], а спектр свечения может быть связан с азотно-экситонными комплексами [25]. Подвижность электронов в образцах с малой степенью компенсации при Т = 300 °К достигает 300 см21(в-сек) и увеличивается при понижении Т, а у образцов с силь­ ной компенсацией может снизиться примерно в 10 раз. Эффективная масса электронов и их подвижность сильно различаются у разных политипов, в то время как под­ вижность дырок слабо зависит от типа кристалла.

§17. Электролюминесценция в поверхностных барьерах

Контакт с металлом однородного кристалла карбида кремния, имеющего электронную проводимость, облада­ ет выпрямляющими свойствами [26—28]. Подобный кон­ такт может быть осуществлен, например, с помощью сталь­ ной иглы, которая поджимается к кристаллу с определен­ ной силой. Выпрямляющий эффект связан с присутствием барьера на поверхности кристаллов, в пользу чего говорят следующие наблюдения. При помещении диодов в откачи­ ваемый сосуд обратный ток (при неизменном прямом) ра­ стет вместе с уменьшением давления воздуха 128]. После длительного нахождения образца в вакууме повышенные значения обратного тока сохраняются в течение многих

117

часов и при увеличении давления воздуха до атмосфер­ ного. Вместе с изменением выпрямляющих свойств про­ исходит и изменение интенсивности электролюминесцен­ ции, возникающей при достаточных обратных напряжени­ ях и связанной с действием сильного поля в поверхностном барьерном слое. Если кристалл с травленой поверхностью подвергнут ионной бомбардировке, то выпрямляющие свойства исчезают практически полностью. Одновременно пропадает и свечение.

Эти явления указывают на существенную роль адсорб­ ции газов в процессе образования области объемного за­ ряда у поверхности SiC. Так как на кристаллах SLG п-типа наблюдалась адсорбция кислорода [29], которая увеличи­ вала работу выхода [30], можно полагать, что образование барьера, ответственного за выпрямление, связано преж­ де всего с адсорбцией кислорода. При относительно сла­ бом поджиме к кристаллу игольчатого электрода, когда выпрямление определяется поверхностными состояния­ ми, изменение материала иглы практически не влияет на коэффициент выпрямления [28]. То же, как известно, ха­ рактерно для германия и кремния 131, 32].

Свечение в поверхностных барьерах однородного кар­ бида кремния исследовалось на прозрачных светло-зе­ леных кристаллах с электронной проводимостью, содержа­ щих в качестве основной примеси азот и имевших удель­

гих случаях наблюдается горизонтальный участок, в дру­ гих случаях этот участок имеет небольшой наклон, свя­ занный с расширением барьера или токами утечки. Начи­ ная примерно с V = 4 в, становится заметным голубое свечение, исходящее из области кристалла под точечным контактом, причем начало роста I ф и появление свечения соответствуют примерно одинаковому напряжению.

Из прямой ветви вольт-амперной характеристики мо­ жет быть найдено сопротивление объема кристалла (вме­ сте с сопротивлением растекания) и далее подсчитано на­ пряжение F0, падающее только на барьерной области. По мере увеличения числа ионизаций и уменьшения «со­ противления» барьера кривая V0 (V) стремится к насыще­ нию, так как падение напряжения в толще кристалла ра­ стет вместе с увеличением тока. Если при дальнейшем

118

увеличении напряжения кристалл нагревается, то F0 вновь уменьшается (тепловой пробой барьера).

Аналогичные явления (рост фототока с увеличением F, сопровождающийся излучением света) наблюдались и на технических кристаллах. Увеличение темнового обрат­ ного тока может ускоряться нагреванием кристаллов. При

В,отн.ед.

области. Левая (обратная) ветвь характеристики соответствует отрицательно­ му потенциалу на стальной игле. Удельное сопротивление кристалла р0 =

= 0,34 ом-см, температура 20 °С.

двух неомических контактах с металлом обе ветви вольт-ам- перных характеристик часто вполне симметричны. Сход­ ными свойствами обладает контакт двух кристаллов, имеющих по одному омическому контакту.

Из кривых /ф (F0) может быть определен коэффициент умножения фотоносителей М как отношение фототока при данном F0 к фототоку при F0 — 1 2 в, поскольку при этих напряжениях умножение носителей еще не может

экстраполировался в область более высоких F0 и коэффи­ циент умножения подсчитывался по отношению к значе­ нию тока на этой прямой. Умножение фотоносителей в области высокого поля у катода является характерным

119