Foto e eletroluminescência de filmes de nitreto de silício não estequiométrico depositados por sputterin reativo

Abstract

Filmes finos de nitreto de silício com excesso de nitrogênio foram depositados sobre silício por sputtering reativo para obter estruturas emissoras de luz. As amostras foram modificadas por implantação iônica para verificar a influência dos dopantes arsênio (As) e boro (B) nos espectros de fotoluminescência (PL). As medidas de PL foram realizadas na faixa de temperatura entre 15-300 K e apresentaram uma emissão entre os comprimentos de onda 370-870 nm. Os dopantes introduziram uma emissão em 725 nm na banda de emissão, principalmente as dopadas com As. Foram realizadas medidas de microscopias para verificar a presença de nanoestruturas assim como a distribuição dos dopantes no material. As imagens de microscopias confirmaram a presença de nanocristais de nitreto de silício nas fases α, β e γ e identificaram a presença do dopante B nas fases cristalinas. O modelo de condução de Pool-Frenkel domina o transporte de portadores, indicando que a condução ocorre pelos níveis intrabandas, característica que definiu o modo que as recombinações radiativas ocorreram. As medidas de eletroluminescência (EL) apresentaram uma emissão centrada nos comprimentos de onda 760 e 880 nm (polarização negativa) e 1010 nm (polarização positiva) revelando diferenças significativas quando comparadas com as medidas de PL. Essa diferença esta associada à maneira como os elétrons populam os níveis intrabanda (excitação óptica para PL e elétrica para EL) que resulta em recombinações radiativas em diferentes comprimentos de ondas. A intensidade dos espectros de EL manifestou uma dependência quase linear com a densidade de corrente para ambas as polarizações. As medidas de EL em campos alternados exibiram um espectro de emissão composto pela soma das bandas obtidas separadamente em cada uma das polarizações. Medidas de EL em diferentes temperaturas (50-300 K) foram realizadas para investigar a influência da temperatura nos processos de recombinação radiativa. A intensidade exibiu uma redução com o aumento da temperatura, devido ao aumento do acoplamento elétron-fônon.

Silicon nitride with excess of nitrogen thin films were deposited on silicon substrate by reactive sputtering in order to obtain light emitting structures. Samples were modified by ion implantation of arsenic (As) and boron (B) to ascertain dopant leverage at photoluminescence (PL) spectra. PL measurements were performed at temperature ranging from 15 K up to 300 K and showed a band emission between wavelength 370 and 870 nm. An emission centered at 725 nm was observed in doped samples; especially in the presence of As. Microscope images showed crystalline structures of α-Si3N4, β-Si3N4 and γ-Si3N4 and confirmed boron dopant in nanocrystalline structures. Pool-Frenkel conduction model dominates electron transport in non-stoichiometric silicon nitride films due to intraband levels, phenomenon that has a huge contribution to electroluminescence (EL) emission. EL signals were composed by two peaks centered at 760 and 880 nm (negative bias – EL-N) and one peak at 1010 nm (positive bias – EL-P). Diffences between PL and EL spectra exhibit a clear dependence on the mode of excitation (photo and current source) on radiative recombination process. EL intensity had almost a linear increase with current density for both polarizations. EL measurements under AC voltage were composed by a superposition of the signals from EL-N and EL-P signals. Photo and electroluminescence measurements were collected at different temperatures (50 to 300 K) in order to investigate the temperature influence on the radiative recombination. The EL intensity was decreasing with temperature increasing, due to electron-phonon interactions.