Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск

Барьеры для инжекции электронов и дырок из подложки кремния в ВЧ-магнетронно напыленные пленки In2O3 : Er

https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202305.529

Аннотация

Пленки In2O3 : Er были напылены на подложки кремния с помощью ВЧ-магнетронного распыления-осаждения. Для подложек кремния как n-, так и p-типа проводимости токи через полученные МОП-структуры (Si/In2O3 : Er/In-контакт) были описаны в рамках модели термоэмиссии основных носителей через барьер с коррекцией приложенного напряжения на потенциал, падающий в кремнии. С помощью измерения температурной зависимости прямых токов при малом, подбарьерном смещении были найдены барьеры для инжекции электронов и дырок из кремния в пленки, равные 0,14 и 0,3 эВ, соответственно. Полученный невысокий барьер для дырок объясняется наличием плотности дефектных состояний, которые простираются от края зоны валентности в запрещенную зону In2O3 : Er и создают там канал проводимости для дырок. Наличие плотности дефектных состояний в запрещенной зоне In2O3 : Er подтверждается данными фотолюминесценции в соответствующем интервале энергий 1,55—3,0 эВ. Выполнен анализ зонной структура гетероперехода Si/In2O3 : Er. На его основе установлен энергетический интервал между электронами в зоне проводимости In2O3 : Er и дырками в канале проводимости в запрещенной зоне, равный 1,56 эВ. 

Об авторах

К. В. Феклистов
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук; ООО«АИР»
Россия

пpосп. Акад. Лавpентьева, д. 13, Новосибирск, 630090;

ул. Ученых, д. 9, Новосибирск, 630090

Феклистов Константин Викторович — канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник



А. Г. Лемзяков
Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

пpосп. Акад. Лавpентьева, д. 11, Новосибирск, 630090

Лемзяков Алексей Георгиевич — научный сотрудник



А. А. Шкляев
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский государственный университет
Россия

пpосп. Акад. Лавpентьева, д. 13, Новосибирск, 630090;

ул. Пирогова, д. 2, Новосибирск, 630090

Шкляев Александр Андреевич — доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник



Д. Ю. Протасов
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский государственный технический университет
Россия

пpосп. Акад. Лавpентьева, д. 13, Новосибирск, 630090;

просп. Карла Маркса, д. 20, Новосибирск, 630073

Протасов Дмитрий Юрьевич — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник



А. С. Дерябин
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

пpосп. Акад. Лавpентьева, д. 13, Новосибирск, 630090

Дерябин Александр Сергеевич — младший научный сотрудник



Е. В. Спесивцев
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

пpосп. Акад. Лавpентьева, д. 13, Новосибирск, 630090

Спесивцев Евгений Васильевич — канд. техн. наук, старший научный сотрудник



Д. В. Гуляев
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

пpосп. Акад. Лавpентьева, д. 13, Новосибирск, 630090

Гуляев Дмитрий Владимирович — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник



А. М. Пугачев
Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

просп. Акад. Коптюга, д. 1, Новосибирск, 630090

Пугачев Алексей Маркович — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник



Д. Г. Есаев
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

пpосп. Акад. Лавpентьева, д. 13, Новосибирск, 630090

Есаев Дмитрий Георгиевич — канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией



Список литературы

1. Sun C., Wade M., Lee Y., Orcutt J.S., Alloatti L., Georgas M.S., Waterman A.S., Shainline J.M., Avizienis R.R., Lin S., Moss B.R., Kumar R., Pavanello F., Atabaki A.H., Cook H.M., Ou A.J., Leu J.C., Chen Y.-H., Asanović K., Ram R.J., Popović M.A., Stojanović V.M. Single-chip microprocessor that communicates directly using light. Nature. 2015; 528: 534—538. https://doi.org/10.1038/nature16454

2. Atabaki A.H., Moazeni S., Pavanello F., Gevorgyan H., Notaros J., Alloatti L., Wade M.T., Sun Ch., Kruger S.A., Al Qubaisi H.M.K., Wang I., Zhang B., Khilo A., Baiocco Ch.V., Popović M.A., Stojanović V.M., Rajeev J. Ram integrating photonics with silicon nanoelectronics for the next generation of systems on a chip. Nature. 2018; 556, 349—354. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0028-z

3. Cornet Ch., Léger Y., Robert C. Integrated lasers on silicon. Elsevier Ltd.; 2016. 178 p. https://doi.org/10.1016/C2015-0-01237-0

4. Di L., Kurczveil G., Huang X., Zhang C., Srinivasan S., Huang Z., Seyedi M.A., Norris K., Fiorentino M., Bowers J.E., Beausoleil R.G. Heterogeneous silicon light sources for datacom applications. Optical Fiber Technology. 2018; 44: 43—52. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2017.12.005

5. Norman J.C., Jung D., Wan Y., Bowers J.E. Perspective: The future of quantum dot photonic integrated circuits. APL Photonics. 2018; 3: 030901. https://doi.org/10.1063/1.5021345

6. Jung D., Norman J., Wan Y., Liu S., Herrick R., Selvidge J., Mukherjee K., Gossard A.C., Bowers J.E. Recent advances in InAs quantum dot lasers grown on on-Axis (001) silicon by molecular beam epitaxy. Physica Status Solidi (A). 2019; 216(1): 1800602. https://doi.org/10.1002/pssa.201800602

7. Jung D., Herrick R., Norman J., Turnlund K., Jan C., Feng K., Gossard A.C, Bowers J.E. Impact of threading dislocation density on the lifetime of InAs quantum dot lasers on Si. Applied Physics Letters. 2018; 112(15): 153507. https://doi.org/10.1063/1.5026147

8. Mukherjee K., Selvidge J., Jung D., Norman J., Taylor A.A., Salmon M., Liu A.Y., Bowers J.E., Herrick R.W. Recombination-enhanced dislocation climb in InAs quantum dot lasers on silicon. Journal of Applied Physics. 2020; 128(2): 025703. https://doi.org/10.1063/1.5143606

9. Shang C., Hughes E., Wan Y., Dumont M., Koscica R., Selvidge J., Herrick R., Gossard A.C., Mukherjee K., Bowers J.E. High-temperature reliable quantum-dot lasers on Si with misfit and threading dislocation filters. Optica. 2021; 8(5): 749—754. https://doi.org/10.1364/OPTICA.423360

10. Carnall W.T., Fields P.R., Rajnak K. Electronic energy levels in the trivalent lanthanide aquo ions. I. Pr3+, Nd3+, Pm3+, Sm3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, and Tm3+. The Journal of Chemical Physics. 1968; 49(10): 4424—4442. http://dx.doi.org/10.1063/1.1669893

11. Gruber J.B., Henderson J.R., Muramoto M., Rajnak K., Conway J.G. Energy levels of single-crystal erbium oxide. The Journal of Chemical Physics. 1966; 45(2): 477—482. http://dx.doi.org/10.1063/1.1727592

12. Ennen H., Schneider J., Pomrenke G., Axmann A. 1.54 mkm luminescence of erbium implanted III-V semiconductors and silicon. Applied Physics Letters. 1983; 43(10): 943—945. http://dx.doi.org/10.1063/1.94190

13. Polman A. Erbium implanted thin film photonic materials. Journal of Applied Physics. 1997; 82(1): 1—39. https://doi.org/10.1063/1.366265

14. Kenyon A.J. Topical review: Erbium in silicon. Semiconductor Science and Technology. 2005; 20(12): R65—R84. https://doi.org/10.1088/0268-1242/20/12/R02

15. Coffa S., Franzò G., Priolo F. Mechanism and performance of forward and reverse bias electroluminescence at 1.54 μm from Er-doped Si diodes. Journal of Applied Physics. 1997; 81(6): 2784—2793. https://doi.org/10.1063/1.363935

16. Coffa S., Franzò G., Priolo F. High efficiency and fast modulation of Er-doped light emitting Si diodes. Applied Physics Letters. 1996; 69(14): 2077—2079. https://doi.org/10.1063/1.116885

17. Polman A., van den Hoven G.N., Custer J.S., Shin J.H., Serna R., Alkemade P.F.A. Erbium in crystal silicon: Optical activation, excitation, and concentration limits. Journal of Applied Physics. 1995; 77(3): 1256—1262. https://doi.org/10.1063/1.358927

18. Gusev O.B., Bresler M.S., Pak P.E., Yassievich I.N., Forcales M., Vinh N.Q., Gregorkiewicz T. Excitation cross section of erbium in semiconductor matrices under optical pumping. Physical Review B. 2001; 64(7): 075302. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.075302

19. Priolo F., Franzo G., Coffa S., Carnera A. Excitation and nonradiative deexcitation processes of Er3+ in crystalline Si. Physical Review B. 1998; 57(8): 4443. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.4443

20. Coffa S., Franz G., Priolo F., Polman A., Serna R. Temperature dependence and quenching processes of the intra-4f luminescence of Er in crystalline Si. Physical Review B. 1994; 49(23): 16313. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.49.16313

21. Bradley J.D.B., Pollnau M. Erbium-doped integrated waveguide amplifiers and lasers. Laser & Photonics Reviews. 2011; 5(3): 368—403. https://doi.org/10.1002/lpor.201000015

22. Wang S., Eckau A., Neufeld E., Carius R., Buchal Ch. Hot electron impact excitation cross-section of Er3+ and electroluminescence from erbium-implanted silicon metal-oxide-semiconductor tunnel diodes. Applied Physics Letters. 1997; 71(19): 2824—2826. https://doi.org/10.1063/1.120147

23. Krzyzanowska H., Ni K.S., Fu Y., Fauchet P.M. Electroluminescence from Er-doped SiO2/nc-Si multilayers under lateral carrier injection. Materials Science and Engineering: B. 2012; 177(17): 1547—1550. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2011.12.032

24. Berencen Y., Illera S., Rebohle L., Ramirez J.M., Wutzler R., Cirera A., Hiller D., Rodríguez J.A., Skorupa W., Garrido B. Luminescence mechanism for Er3+ ions in a silicon-rich nitride host under electrical pumping. Journal of Physics D: Applied Physics. 2016; 49(8): 085106. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/8/085106

25. Zhu C., Lv C., Gao Z., Wang C., Li D., Ma X., Yang D. Multicolor and near-infrared electroluminescence from the light-emitting devices with rare-earth doped TiO2 films. Applied Physics Letters. 2015; 107(13): 131103. https://doi.org/10.1063/1.4932064

26. Yang Y., Li Y., Xiang L., Ma X., Yang D. Low-voltage driven ~1.54 μm electroluminescence from erbium-doped ZnO/p+-Si heterostructured devices: Energy transfer from ZnO host to erbium ions. Applied Physics Letters. 2013; 102(18): 181111. http://dx.doi.org/10.1063/1.4804626

27. Yang Y., Jin L., Ma X., Yang D. Low-voltage driven visible and infrared electroluminescence from light-emitting device based on Er-doped TiO2/p+-Si heterostructure. Applied Physics Letters. 2012; 100(3): 031103. http://dx.doi.org/10.1063/1.3678026

28. Kim H.K., Li C.C., Nykolak G., Becker P.C. Photoluminescence and electrical properties of erbium-doped indium oxide films prepared by RF sputtering. Journal of Applied Physics. 1994; 76(12): 8209—8211. https://doi.org/10.1063/1.357882

29. Xiao Q., Zhu H., Tu D., Ma E., Chen X. Near-infrared-to-near-infrared downshifting and near-infrared-to-visible upconverting luminescence of Er3+-doped In2O3 nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C. 2013; 117(20): 10834—10841. http://dx.doi.org/10.1021/jp4030552

30. Feklistov K.V., Lemzyakov A.G., Prosvirin I.P., Gismatulin A.A., Shklyaev A.A., Zhivodkov Y.A., Krivyakin G.K., Komonov A.I., Kozhukhov А.S., Spesivsev E.V., Gulyaev D.V., Abramkin D.S., Pugachev A.M., Esaev D.G., Sidorov G.Yu. Nanowired structure, optical properties and conduction band offset of RF magnetron-deposited n-Si/In2O3 : Er films. Materials Research Express. 2020; 7(12): 25903. https://doi.org/10.1088/2053-1591/abd06b

31. Tahar R.B.H., Ban T., Ohya Y., Takahashi Y. Tin doped indium oxide thin films: Electrical properties. Journal of Applied Physics. 1998; 83(5): 2631—2645. https://doi.org/10.1063/1.367025

32. Hamberg I., Granqvist C.G. Evaporated Sn-doped In2O3 films: Basic optical properties and applications to energy-efficient windows. Journal of Applied Physics. 1986; 60(11): R123—R159. https://doi.org/10.1063/1.337534

33. Hoffling B., Schleife A., Fuchs F., Rödl C., Bechstedt F. Band lineup between silicon and transparent conducting oxides. Applied Physics Letters. 2010; 97(3): 032116. https://doi.org/10.1063/1.3464562

34. Wang E.Y., Hsu L. Determination of electron affinity of In2O3 from its heterojunction photovoltaic properties. Journal of the Electrochemical Society. 1978; 125: 1328—1331. https://doi.org/10.1149/1.2131672

35. Zhang X., Zhang Q., Lu F. Energy band alignment of an In2O3 : Mo/Si heterostructure, Semiconductor Science and Technology. 2007; 22(8): 900—904. https://doi.org/10.1088/0268-1242/22/8/013

36. Weiher R.L. Electrical properties of single crystals of indium oxide. Journal of Applied Physics. 1962; 33(9): 2834—2839. https://doi.org/10.1063/1.1702560

37. Zhang D.H., Li C., Han S., Liu X.L., Tang T., Jin W., Zhou C.W. Electronic transport studies of single-crystalline In2O3 nanowires. Applied Physics Letters. 2003; 82(1): 112—114. https://doi.org/10.1063/1.1534938

38. Weiher R.L., Ley R.P. Optical properties of indium oxide. Journal of Applied Physics. 1966; 37(1): 299—302. http://dx.doi.org/10.1063/1.1707830

39. King P.D.C., Veal T.D., Fuchs F., Wang Ch.Y., Payne D.J., Bourlange A., Zhang H., Bell G.R., Cimalla V., Ambacher O., Egdell R.G., Bechstedt F., McConville C.F. Band gap, electronic structure, and surface electron accumulation of cubic and rhombohedral In2O3. Physical Review B. 2009; 79(20): 205211. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.205211

40. Kern W., Puotinen D.A. Cleaning solutions based on hydrogen peroxide for use in silicon semiconductor technology. RCA Review. 1970; 31: 187—206. URL: https://www.americanradiohistory.com/ARCHIVE-RCA/RCA-Review/RCA-Review-1970-Jun.pdf

41. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. В 2-х кн. М:. Мир; 1984. Кн. 1. 456 с.

42. Lee M.S., Choi W.C., Kim E.K., Kim C.K., Min S.K. Characterization of the oxidized indium thin films with thermal oxidation. Thin Solid Films. 1996; 279(1-2): 1—3. https://doi.org/10.1016/0040-6090(96)08742-1

43. Liang C., Meng G., Lei Y., Phillipp F., Zhang L. Catalytic growth of semiconducting In2O3 nanofibers. Advanced Materials. 2001; 13(17): 1330—1333. https://doi.org/10.1002/1521-4095(200109)13:17<1330::AID-ADMA1330>3.0.CO;2-6

44. Peng X., Meng G., Zhang J., Wang X., Wang Y., Wang C., Zhang L. Synthesis and photoluminescence of single-crystalline In2O3 nanowires. Journal of Materials Chemistry. 2002; (12): 1602—1605. https://doi.org/10.1039/B111315A

45. Mazzera M., Zha M., Calestani D., Zappettini A., Salviati G., Zanotti L. Low-temperature In2O3 nanowire luminescence properties as a function of oxidizing thermal treatments. Nanotechnology. 2007; 18(35): 355707. http://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/18/35/355707

46. Kumar M., Singh V.N., Singh F., Lakshmi K.V., Mehta B.R., Singh J.P. On the origin of photoluminescence in indium oxide octahedron structures. Applied Physics Letters. 2008; 92(17): 171907. https://doi.org/10.1063/1.2910501

47. Wei Z.P., Guo D.L., Liu B., Chen R., Wong L.M., Yang W.F., Wang S.J., Sun H.D., Wu T. Ultraviolet light emission and excitonic fine structures in ultrathin single-crystalline indium oxide nanowires. Applied Physics Letters. 2010; 96(3): 031902. https://doi.org/10.1063/1.3284654

48. Amirhoseiny M., Hassan Z., Shashiong N. Synthesis of nanocrystalline In2O3 on different Si substrates at wet oxidation environment. Optik. 2013; 124(17): 2679—2681. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2012.08.073


Рецензия

Для цитирования:


Феклистов К.В., Лемзяков А.Г., Шкляев А.А., Протасов Д.Ю., Дерябин А.С., Спесивцев Е.В., Гуляев Д.В., Пугачев А.М., Есаев Д.Г. Барьеры для инжекции электронов и дырок из подложки кремния в ВЧ-магнетронно напыленные пленки In2O3 : Er. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2023;26(3):234-247. https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202305.529

For citation:


Feklistov K.V., Lemzyakov A.G., Shklyaev A.A., Protasov D.Yu., Deryabin A.S., Spesivsev E.V., Gulyaev D.V., Pugachev A.M., Esaev D.G. The barriers for electron and hole injection from Si substrate into the RF magnetron-deposited In2O3 : Er films. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2023;26(3):234-247. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577j.met202305.529

Просмотров: 487


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)