МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 3, с. 204-208
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 621.382
ПОЛУЧЕНИЕ СЛОЕВ ^-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ N+ В ПЛЕНКИ ZnO, С ПОСЛЕДУЮЩИМ ОТЖИГОМ В РАДИКАЛАХ КИСЛОРОДА
© 2004 г. А. Н. Георгобиани*, А. Н. Грузинцев, В. Т. Волков, М. О. Воробьев*, В. А. Дравин*
*Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 117303 Москва Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской АН
E-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru Поступила в редакцию 07.02.2003 г.
Показано, что внедрение методом ионной имплантации в пленки оксида цинка акцепторной примеси азота может привести к формированию дырочной проводимости лишь после отжига в парах радикалов кислорода. Имплантация и последующий отжиг влияют не только на электрические свойства, но и на спектры фотолюминесценции слоев ZnO : N+. Найдены полосы в ультрафиолетовой и видимой части люминесценции, обусловленные внедрением азота.
ВВЕДЕНИЕ
Оксид цинка благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам, высокой электронной проводимости и оптической прозрачности нашел самое широкое применение в различных приборах оптоэлектроники. Но результаты последних лет [1-3] по получению р-типа примесной проводимости (с концентрацией дырок более 1019 см-3) в 2и0, легированном акцепторами пятой группы (К, Р и Л8), позволяют считать этот материал самым перспективным в семействе широкозонных полупроводников (2п8е, БЮ, ваК и т.д.). Дело в том, что оксид цинка легированный донорными примесями алюминия и галлия традиционно используется в качестве низкоомного прозрачного контакта, имеющего высокую радиационную, химическую и термическую стойкость. Таким образом, наличие высокой электронной и дырочной проводимости в сочетании с широкой (3.4 эВ) прямой запрещенной зоной делают оксид цинка наиболее привлекательным материалом для создания лазерных полупроводниковых источников видимого и ультрафиолетового света.
Появились первые попытки получения свето-диодов на основе легированного донорными и акцепторными примесями оксида цинка [4-5]. Однако полученные в этих работах диоды либо вообще не люминесцировали, либо имели очень слабую электролюминесценцию в красной области, хотя нелегированные пленки 2и0 имеют обычно хорошую ультрафиолетовую фотолюминесценцию в области связанных экситонов 380 нм [6]. Поэтому необходимо выбирать легирующую примесь таким образом, чтобы она не только давала необходимую величину и тип проводимости, но и не ухудшала спектр свечения и прозрачность
оксида цинка. Впервые в работе [2] авторам удалось получить при комнатной температуре р-тип проводимости за счет легирования азотом. При этом легирование происходило при добавлении в процессе роста оксида цинка пъянящего газа К20 и одновременном использовании окиси галлия в качестве соактиватора. Применение газообразного азота как несущего газа в процессе синтеза 2и0 не давало дырочной проводимости. В работе сделан вывод о необходимости внедрения в полупроводник донорной примеси для увеличения растворимости азота. Однако приведенные результаты свидетельствуют, что двойное легирование приводит к резкому на пять порядков уменьшению подвижности носителей (до 0.05 см2/В с) тока за счет большого числа примесных дефектов. По нашему мнению именно использование окиси азота и галлия дало положительный эффект прежде всего за счет введения в пленку избыточного кислорода. Дело в том, что недостаток кислорода в 2и0 дает собственные дефекты донор-ного типа (междоузельный цинк и вакансии кислорода), компенсирующие акцепторы азота.
Целью данной работы явилось исследование влияния неравновесного внедрения азота методом ионной имплантации на проводимость и люминесцентные свойства слоев 2и0 : №". При ионной имплантации происходит насильственное неравновесное внедрение акцепторной примеси, не требующее использования соактиваторов-доно-ров для увеличения растворимости. Применение последующего отжига в радикалах кислорода [7-9] дает максимальное из возможных эффективное давление кислорода над пленкой и позволяет сместить состав собственных дефектов материала в сторону избытка кислорода по сравнению со стехиометрией, уменьшив тем самым концентрацию
/ФЛ, произв. ед.
Рис. 1. Спектры фотолюминесценции неимплантированных (1) и имплантированных пленок 7пО : N для различных доз имплантации 3 х 10 см-2 (2), 10 см-2 (3) и 3 х 10 см-2 (4) после отжига (30 мин) в радикалах кислорода при температуре 400°С. Т = 80 К.
собственных дефектов донорного типа, неизбежно возникающих в процессе ионной имплантации. Отжиг после имплантации также необходим для постановки внедренного азота в узлы кристаллической решетки и создания именно акцепторных центров в оксиде цинка.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В нашей работе исследовались люминесцентные и фотоэлектрические свойства пленок 7пО : полученных методом магнетронного высокочастотного напыления на аморфные подложки термически окисленного кремния БЮ2 с использованием установки 7-400 фирмы "ЬеиЪоЫ Наегеш". Легирование пленок осуществлялось имплантацией ионов азота с энергией 350 кэВ с различным суммарными дозами 3 х 1014 см-2, 1015 см-2 и 3 х х 1015 см-2. Анализ примесного состава полученных неотожженных пленок методом масс-спект-рометрии вторичных ионов показал наличие азота в количестве, зависящем от дозы в процессе имплантации. Сразу после имплантации из-за большой энергии внедренных ионов азота пленки были явно аморфными, изолирующими и нелю-минесцирующими. Требовался дальнейший их отжиг для выстраивания кристаллической решетки и управления составом точечных дефектов со смещением стехиометрии в сторону избытка кислорода.
Пленки 7пО : № отжигались 30 минут в радикалах кислорода (по методике [7]) при различной температуре. Исследовались спектры фотолюми-
несценции пленок в жидком азоте при возбуждении импульсным азотным лазером ЛГИ-505. Спектры анализировались с помощью двойного моно-хроматора МДР-6, управляемого компьютером, что давало при используемых щелях спектральное разрешение не хуже 1 мэВ. Толщина пленок измерялась кварцевым толщиномером в процессе напыления и составляла 0.2 мкм. При исследованиях кристаллической структуры и морфологии поверхности пленок использовался электронный просвечивающий микроскоп Джеол-2000. Тип проводимости всякий раз контролировался методом термической электродвижущей силы (термо-ЭДС) с последующим измерением подвижности носителей лучших образцов по методу Холла. Величина проводимости измерялась методом четырех контактов. Омические контакты наносились из индия для пленок с электронной проводимостью и из золота для пленок с дырочным типом проводимости.
ЭКСПЕРИМЕНТ
На рис. 1 показано влияние дозы имплантации слоев 7пО : № отожженных при низкой температуре 400°С на спектры фотолюминесценции. Если на неимлантированых пленках превалирует зеленое свечение с максимумом 2.5 эВ и пик экси-тона 3.37 эВ, связанного на доноре (кривая 1), то малая доза имплантации азота дает два максимума фотолюминесценции в синей спектральной области при 2.82 и 3.0 эВ и новый пик 3.27 эВ эк-ситона, связанного на акцепторе (кривая 2). Уве-
¡ФЛ, произв. ед 4 г
3 -
2-
3.5
Энергия, эВ
Рис. 2. Спектры фотолюминесценции имплантированных пленок 7пО : N (3 х 1014 см-2) после отжига (30 мин) в радикалах кислорода при различной температуре 400°С (1); 500°С (2); 600°С (3); 700°С (4) и 800°С (5). Т = 80 К.
¡ФЛ, произв. ед. 3-
2.5
3.0
3.5
Энергия, эВ
Рис. 3. Спектры фотолюминесценции имплантированных пленок 7пО : N (3 х 1015 см 2) после отжига (30 мин) в радикалах кислорода при различной температуре 400°С (1); 500°С (2); 600°С (3) и неимплантированных пленок, отожженных при 600°С (4). Т = 80 К.
личение дозы имплантации до 1015 см-2 уменьшает интенсивность экситонного ультрафиолетового свечения и увеличивает интенсивность синих полос (кривая 3). Для максимальной дозы имплантированных ионов азота характерно практически полное отсутствие люминесценции (кривая 4).
Интересно проследить влияние температуры отжига в радикалах кислорода на люминесценцию слоев 7пО : № с минимальной (рис. 2) и мак-
симальной (рис. 3) дозами легирования. Отметим, что рост температуры отжига от 400 до 800°С пленок с дозой 3 х 1014 см-2 (рис. 2) ведет к гашению синих полос люминесценции и росту зеленого 2.25 эВ свечения оксида цинка. При этом интересна трансформация пика 3.27 эВ, связанного на акцепторе экситона. Сначала увеличение температуры отжига вплоть до 600°С дает рост его интенсивности (кривая 3). Потом интенсивность
1
2
3
1
1
0
Удельное сопротивление (Ом см) и тип проводимости пленок 7п0 : отожженных при различных условиях. Обозначение типа проводимости: (р)-дырочная проводимость и (п)-электронная проводимость
Образец Доза легир. См-2 Готж. = 400°С Готж. = 500°С Готж. = 600°С Готж. = 700°С Готж. = 800°С
7п0 : N 3 х 1014 (п) 7 х 103 (п) 5 х 105 (п) 1.2 х 106 (п) 3.1 х 105 (п) 5.1 х 104
7п0 : N 1015 (п) 1.2 х 104 (п) 8.2 х 105 (р) 6 х 106 (п) л бескон (п) л бескон
7п0 : N 3 х 1015 (п) 8 х 103 (п) 2.1 х 106 (Р) 4 х 105 (п) л бескон (п) л бескон
этого пика уменьшается для высокой температуры отжига 800°С.
Максимальная доза имплантации 1015 см-2 (рис. 3) дает слабую люминесценцию слоев независимо от температуры отжига. Имеется лишь слабая ультрафиолетовая люминесценция в экси-тонной области спектра. Причем, по сравнению с чистыми пленками 2п0 (рис. 3, кривая 4) видно явное увеличение интенсивности пика акцепторного экситона с максимумом при 3.27 эВ на все спектрах слоев 2п0 : №.
ОБСУЖДЕНИЕ
Приведенные выше экспериментальные данные позволяют связать пик связанного экситона при 3.27 эВ с примесным акцепторным центром КО в оксиде цинка. Он присутствует в явном виде только на имплантированных образцах. Максимальная его интенсивность отмечена для температуры отжига 600°С (рис. 2). Вероятно, что при малых температурах отжига атомы азота частично расположены в виде дефектов замещения, а частично в виде междоузельных дефектов. С увеличением температуры послеимплантационного отжига начинается их эффективное встраивание в узлы цинка кристаллической решетки. Вообще следует отметить, что именно дл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.