научная статья по теме АКТИВАЦИЯ P-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ В ПЛЕНКАХ ZNO:N ПРИ ОТЖИГЕ В АТОМАРНОМ КИСЛОРОДЕ Химия

Текст научной статьи на тему «АКТИВАЦИЯ P-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ В ПЛЕНКАХ ZNO:N ПРИ ОТЖИГЕ В АТОМАРНОМ КИСЛОРОДЕ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2013, том 49, № 6, с. 604-608

УДК 621.315.592

АКТИВАЦИЯ ^-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ В ПЛЕНКАХ ZnO:N ПРИ ОТЖИГЕ В АТОМАРНОМ КИСЛОРОДЕ

© 2013 г. И. В. Рогозин*, А. Н. Георгобиани**, М. Б. Котляревский*, В. И. Демин**, Л. С. Лепнев**

*Бердянский государственный педагогический университет, Украина **Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва

e-mail: rogozin@bdpu.org Поступила в редакцию 14.11.2012 г.

Эпитаксиальные пленки ZnO:N синтезированы методом реактивного магнетронного распыления. Влияние отжига в атомарном кислороде на структурные и электрофизические свойства пленок ZnO:N исследовано методами рентгеновской дифракции, атомной силовой микроскопии, эффекта Холла и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. При отжиге в интервале температур 500— 700°C получены пленки ZnO:N p-типа проводимости c удельным сопротивлением ~57 Ом см, подвижностью дырок ~2.7 см2/(В с) и их концентрацией ~6.8 х 1017 см-3. Исходя из результатов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, можно заключить, что р-тип проводимости связан с уменьшением концентрации донорных дефектов — (N2)O и VO.

Б01: 10.7868/80002337X13050138

ВВЕДЕНИЕ

ZnO с шириной запрещенной зоны 3.37 эВ и энергией связи экситона 60 мэВ при комнатной температуре рассматривается как перспективный материал для изготовления светодиодов и лазерных диодов, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне [1]. Однако реализация возможностей этого материала сдерживается трудностями в получении высококачественного ZnO ^-типа проводимости, что обусловлено эффектом самокомпенсации [2].

Азот является наиболее перспективной акцепторной примесью для соединений Л11БУ1 [3], в частности для ZnO [4]. Имеются сообщения об успешном получении р^п0, где в качестве источника азота используются ^0, N0, МИ3 [5—8] или Zn3N2 [9]. Специально следует упомянуть так называемый метод "соёорт§", предложенный авторами [10]. Ими показано, что одновременное легирование Zn0 активатором N и соактиватором Оа приводит к образованию комплексов GaZn—2N0, что способствует увеличению растворимости N в Zn0 и, как следствие, к формированию мелких акцепторных уровней.

Цель данной работы — исследование влияния отжига в атомарном кислороде на структурные и электрофизические свойства пленок Zn0:N, полученных методом реактивного магнетронного распыления.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исходные пленки ZnO:N получали методом реактивного магнетронного распыления мишени оксида цинка (99.99%) в среде аргона с азотом (30% Ar + 70% N2) на подложке Si (001). Подложки обезгаживали в вакууме (6.5 х 10-2 Па) при 400°C в течение 30 с. Давление в камере роста 0.65 Па, температура подложки 300°С.

Затем исходные пленки отжигали в течение 30 мин в атомарном кислороде (радикалах кислорода) при 500—700°С. Атомарный кислород получали в ВЧ-разряде мощностью 100 Вт при давлении молекулярного кислорода 10 Па. Ионная составляющая плазмы кислорода удалялась с помощью магнитного фильтра на постоянных магнитах.

Толщина пленок, измеренная с помощью микроскопа МИИ-4, составляла ~0.3 мкм. Структуру и кристаллическую ориентацию пленок исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра с использованием Си^а-излучения. Для исследования морфологии поверхности применяли атомный силовой микроскоп Nanoscope IIIa Dimension 3000.

Электрические свойства пленок ZnO:N измеряли с помощью эффекта Холла при комнатной температуре в конфигурации Ван-дер-Пау. Контакты из Al наносили для слоев n-типа и из Au — для слоев р-типа при температуре подложки 250°С в установке ВУП-5.

АКТИВАЦИЯ p-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ В ПЛЕНКАХ ZnO:N

605

Химическое состояние азота в пленках ZnO:N исследовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены дифрактограммы исходных пленок ZnO:N и пленок, отожженных в атомарном кислороде при 500, 600 и 700°С. На спектрах наблюдается пик 002 в области углов 29 ~ ~ 34.45°, что указывает на преимущественную ориентацию пленок ZnO:N вдоль с-оси, перпендикулярной плоскости подложки. С увеличением температуры отжига интенсивность пика 002 возрастает и достигает максимума при 650°C. Полная ширина на половине высоты пика 002 пленок ZnO:N, полученных при 650°C, составляет 0.22°.

На рис. 2 представлена поверхностная морфология пленок ZnO:N, отожженных при различных температурах. Трехмерное изображение указывает на то, что пленки ZnO:N растут с ориентацией вдоль с-оси с высокой плотностью. Анализ среднего размера зерен указывает на нанокри-сталлический характер выращенных пленок. Необходимо отметить, что с ростом температуры отжига степень шероховатости увеличивается, что, вероятно, вызвано десорбцией компонентов пленки с поверхности.

Электрические свойства пленок ZnO:N измеряли с помощью эффекта Холла при комнатной температуре в конфигурации Ван-дер-Пау. Вольт-амперная характеристика Al- и Au-контактов к слоям n- и p-типа проводимости линейная, что указывает на хороший омический контакт в обоих случаях.

Электрофизические параметры исходных и прошедших термообработку слоев ZnO:N представлены в таблице. Отжиг при 500—700°C приводит к инверсии типа проводимости (от n- к p-ти-пу). Согласно результатам измерений эффекта Холла, слои p-ZnO:N, полученные при 600°С, имеют удельное сопротивление р ~ 57 Ом см, подвижность дырок ц ~ 2.7 см2/(В с) и их концентрацию N ~ 6.8 х 1017 см-3.

С целью установления локализации азота в пленках ZnO:N и объяснения механизма инверсии типа проводимости вызванного отжигом, нами выполнены рентгеновские фотоэлектронные (РФЭ) измерения как для выращенных, так и для отожженных в атомарном кислороде пленок ZnO:N. Атомные концентрации элементов определяли по обзорным спектрам методом факторов относительной чувствительности. Калибровку спектров осуществляли по линии CLs с энергией связи 284.6 эВ.

Согласно результатам РФЭ-спектроскопии, элементный состав исходных пленок ZnO:N характеризуется примерно равным соотношением кислорода и цинка — 0.96 : 1. В РФЭ-спектрах высокого разрешения OLs и Zn2p3/2 наблюдаются

I, отн. ед.

700

600

500 yfwi JfflWîi

400

300 ш

200

100

0

ZnO(100)

ZnO(002)

4nO(101) ZnO(110) ZnO(004) ZnO(102) ZnO(103)

4

15

25

35

45 55 29,град

65

75

85

Рис. 1. Дифрактограммы исходной пленки ZnO:N (1) и пленок, отожженных в атомарном кислороде при 500 (2), 600 (3), 700°С (4).

линии с энергиями связи 531.5 и 1021.8 эВ, что соответствует ZnO (рис. 3) [11]. Содержание азота составляет 0.4 ат. %, что соответствует атомной концентрации ~1020 см-3.

Недавние теоретические исследования показывают, что азот внедряется в решетку ZnO в конфигурациях (^)0 и NO [12]. В первом случае образуется мелкий донорный дефект, во втором — акцепторный.

В РФЭ-спектре N1« (рис. 4) исходных образцов ZnO N наблюдаются пики с энергиями 396.2 и 404.1 эВ. По мнению авторов [13—15], пик с энергией 396.2 эВ соответствует связи N—Zn, что связывается с формированием акцепторных центров Однако, как видно из рис. 4, доминирующим является пик при 404.1 эВ, который связывается с образованием донорных центров Очевидно, что в процессе роста азот, внедряясь в подрешетку кислорода, образует как акцепторные, так и донорные центры. Преобладание в спектре сигнала, связываемого с донорными центрами хорошо согласуется с тем фактом, что исходные пленки ZnO:N обладают «-типом проводимости.

Отжиг в интервале температур 500—700°С приводит к исчезновению пика с энергией 404.1 эВ. На рис. 5 приведен РФЭ-спектр N1« пленок ZnO:N, отожженных в атомарном кислороде при

Электрофизические параметры пленок ZnO:N

t °C P, Ом см см2/(В с) N, см—3 Тип проводимости

Исходный 15 36 4.2 х 1017 n

500 130 0.9 2.4 х 1017 p

600 57 2.7 6.8 х 1017 p

700 365 5.4 3.9 х 1016 р

3

606 РОГОЗИН и др.

(а) (б)

мкм

Рис. 2. Поверхностная морфология исходной пленки Zn0:N (а) и пленок, отожженных в атомарном кислороде при 500 (б), 600 (в), 700°С (г) (Яа = 10.029 (а), 16.646 (б), 21.826 (в), 20.932 (г)).

I, отн. ед. 10

(а)

0

1030 1028 1026 1024 1022 1020 1018 1016 Энергия связи, эВ

I, отн. ед. 10

538 536 534 532 530 Энергия связи, эВ

528 526

Рис. 3. РФЭ-спектр Zn2pз (а) и 015 (б) исходных образцов Zn0:N.

0

АКТИВАЦИЯ p-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ В ПЛЕНКАХ ZnO:N

607

I, отн. ед. 10

385 390 395 400 405 410 415 Энергия связи, эВ

Рис. 4. РФЭ-спектр NLs исходных образцов ZnO:N.

I, отн. ед. 10

4 -

0

385 390

395 400 405 410 Энергия связи, эВ

415

Рис. 5. РФЭ-спектр N1,$ пленок ZnO:N, отожженных в атомарном кислороде при 600°С.

I, отн. ед. 10

380 385 390 395 400 405 410 415 420 Энергия связи, эВ

Рис. 6. РФЭ-спектр N15 пленок Zn0:N, отожженных в молекулярном кислороде при 600°С.

600°С. Видно, что пик при 404.1 эВ практически исчезает.

Для сравнения был проведен отжиг пленок Zn0:N в молекулярном кислороде при 600°С. В

спектре N1, наблюдается широкий пик с максимумом при ~401 эВ (рис. 6). Разложение спектра позволяет выделить два индивидуальных максимума: при ~396 и ~404 эВ. Измерения эффекта Холла, проведенные на данных образцах, показывают n-тип проводимости, что указывает на отличный от отжига в атомарном кислороде механизм дефектообразования, определяющий тип проводимости.

Сравнительный анализ позволяет сделать вывод, что в процессе термического отжига в обоих случаях происходит уменьшение концентрации донорных центров (N2)O и, как следствие, формирование акцепторов NO за счет заполнения атомами азота вакансий кислорода. Однако, как показано нами в [16], при отжиге в атомарном кислороде происходит уменьшение концентрации вакансий кислорода, являющихся основными компенсирующими центрами — донорами в материале р-типа, за счет диффузии атомов кислорода из поверхностного слоя в объем. При отжиге в молекулярном кислороде этот процесс менее эффективен и, как следствие, инверсии типа проводимости не наблюдается [17].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Получены качественные слои р-ZnON отжигом исходных пленок n-ZnO:N в атмосфере атомарного (радикалов) кислорода.

В РФЭ-спектрах пленок р-ZnON наблюдается пик с энергией 396.2 эВ, обусловленный формированием акцепторных центров NO.

Согласно

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»