ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 414, № 4, с. 469-471
ФИЗИКА
УДК 537.9
ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ р-1-н- СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ZnO, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСПЫЛЕНИЯ
© 2007 г. Член-корреспондент РАН П. К. Хабибуллаев, Ш. У. Юлдашев,
Р. А. Нусретов, И. В. Хван
Поступило 07.02.2007 г.
Оксид цинка ZnO является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны Ег = = 3.37 эВ при комнатной температуре и поэтому перспективен для изготовления на его основе источников излучения (светодиодов и лазеров) в ультрафиолетовой и синей областях спектра [1]. Данный материал имеет большие перспективы использования в солнечных элементах, газовых сенсорах, пьезоэлектрических преобразователях и в спинтронике [2].
Энергия связи экситона в ZnO составляет величину порядка 6 ■ 10-2 эВ, что более чем в два раза превосходит энергию связи экситона в GaN -другом широкозонном полупроводнике, получившим в последние годы широкое применение в электронике и оптоэлектронике [3]. Большая энергия связи экситонов в ZnO позволяет свободным экситонам существовать при комнатной температуре и выше, что обеспечивает их яркое свечение при оптической накачке [4]. Эффективная излучательная рекомбинация на свободных экси-тонах позволяет существенно понизить пороговые токи лазерной генерации и делает структуры ZnO более экономичными по сравнению с существующими источниками света. Другим большим преимуществом ZnO по сравнению с GaN является наличие объемного материала ZnO высокого качества, что делает возможным использование его в качестве подложки для выращивания эпи-таксиальных слоев. Немаловажен также тот факт, что в состав ZnO не входят токсичные вещества, и тем самым обеспечивается его экологическая безопасность.
Однако широкому применению ZnO в полупроводниковой электронике препятствует то, что до настоящего времени не разработана технология получения ZnO р-типа проводимости. Нелегированный 2п0 обладает слабым «-типом проводимости, что обусловлено собственными дефектами,
такими, как вакансия кислорода и междоузель-ный цинк [5].
Наиболее перспективным путем получения ZnO p-типа проводимости является легирование этого материала химическими элементами из группы V периодической таблицы, например, азотом, фосфором, мышьяком и т.д. [6-8]. Данные элементы, замещая атомы кислорода в ZnO, должны приводить к появлению акцепторной примеси. В этом отношении атомы азота представляются наиболее перспективными, так как имеют приблизительно одинаковые с атомами кислорода ионные радиусы, вследствие чего могут замещать ионы кислорода в ZnO без существенного нарушения кристаллической решетки.
Пленки ZnO могут быть получены различными методами: молекулярно-лучевой эпитаксией, осаждением из металлоорганических соединений, магнетронным распылением, импульсным лазерным осаждением, а также методами осаждения из водных растворов, такими, как sol-gel [9] и ультразвуковое распыление [10, 11]. Методы получения тонких пленок и наноструктур ZnO осаждением из водных растворов являются наиболее перспективными, так как очень дешевы, не требуют высокого вакуума и позволяют получать пленки и наноструктуры на очень больших площадях.
Недавно японскими учеными была опубликована статья, в которой сообщалось об успешном изготовлении светоизлучающей структуры на основе ZnO р-7-и-перехода, полученного методом молекулярно-лучевой эпитаксии [12]. Следует, однако, отметить, что эффективность излучения данной структуры была очень слабой, что обусловлено низкой концентрацией дырок, порядка 1016 см-3, в p-ZnO слое, не достаточной для успешной работы светодиода. К тому же метод молекулярно-лучевой эпитаксии очень дорогостоящий и не может быть использован для промышленного производства приборов.
Нами проведены исследования механизма акцепторного легирования и влияния удельного сопротивления кремниевых подложек на электрофизические и оптические свойства тонких пленок
Отдел теплофизики Академии наук Республики Узбекистан, Ташкент
470
ХАБИБУЛЛАЕВ и др.
Au/Al
I
n-ZnO (200 нм) i-ZnO (100 нм
Au/Ni
Рис. 1. Схематическое изображение структуры ZnO р-/-п-перехода.
Ток, мА
80 -
70 -
60 -
50 -
40 -
30 -
20 -
10
p-n-ZnO
/
-10 -8 -6 -4 -2 0
2 4 6 8 10 Напряжение, В
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика ZnO р-г-«-перехода.
г
■il
\
Рис. 3. Фотография ZnO р-/-п-структуры при приложении напряжения +8В.
ZnO, полученных методом ультразвукового распыления [13]. Для осаждения пленок ZnO использовали 0.5-молярный водный раствор ацетата цинка Zn(CH3COO)2, а в качестве акцепторной легирующей примеси - 2.5-молярный водный раствор ацетата аммония CH3COONH4. В качестве подложек использовали монокристаллический кремний п- и р-типов проводимости с различным удельным сопротивлением - от полуизолирующего ~104 Ом • см до сильнолегированного ~10-3 Ом • см. Также применяли подложки из кварца, которые служили в качестве контрольных образцов. Температура подложки при осаждении ZnO пленок устанавливалась в интервале 300-500°C и толщина пленок составляла порядка 200 нм. Установлено, что пленки ZnO, выращенные с добавлением ацетата аммония в исходный раствор, обладают проводимостью р-типа. Исследованиями спектров рентгеновской фотоэлектронной эмиссии и спектров фотолюминесценции этих пленок показано, что акцепторами в данных пленках ZnO являются атомы азота [13].
Используя метод ультразвукового распыления для получения тонких пленок ZnO р-типа проводимости, мы изготовили р-/-п-переходы. Структура такого р-/-п-перехода схематически представлена на рис. 1. Вначале на подложку Si р-типа проводимости осаждали слой ZnO р-типа проводимости, легированный азотом, толщиной порядка 200 нм. Затем на этот слой через специальную маску был осажден другой слой нелегированного ZnO /-типа, т.е. имеющий собственную проводимость. Толщина этого слоя составляла порядка 100 нм. Поверх /-ZnO-слоя был осажден слой в 200 нм ZnO n-типа, легированный алюминием. И на последнем этапе на слой ZnO n-типа через маску с меньшим диаметром отверстий осаждали металлические (Al/Au) контакты с помощью вакуумного термического испарения. На обратную сторону кремниевой подложки был нанесен сплошной металлический (Ni/Au) контакт.
На рис. 2 представлена вольт-амперная характеристика ZnO р-/-п-перехода, изготовленного, как описано выше. Вольт-амперная характеристика имеет ярко выраженный выпрямляющий эффект. Отношение тока в прямом направлении к обратному току более 103. Ток утечки при обратном напряжении -10 В составляет величину менее 100 мкА.
При приложении к данной р-/-п-структуре ZnO постоянного напряжения в прямом направлении наблюдалась достаточно яркая электролюминесценция. Рисунок 3 - фотография ZnO р-/-п-струк-туры при приложении к ней напряжения +8 В. Отчетливо видно световое пятно под металлическим электродом. Спектр излучаемого света представлен на рис. 4. Спектр электролюминесценции состоит из двух полос излучения с макси-
ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ p-i-n-СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ZnO Интенсивность, отн. ед.
440 нм
350 400 450 500 550 600 650 700 750
Длина волны, нм
Рис. 4. Спектр электролюминесценции ZnO p-i-n-структуры.
мумами в голубой (440 нм) и зеленой (510 нм) областях оптического спектра. Голубая полоса люминесценции 440 нм обусловлена излучательной рекомбинацией на донорно-акцепторных парах в активном слое i-ZnO [14]. Зеленая полоса излучения 510 нм обусловлена излучательной рекомбинацией с участием глубоких уровней, по-видимому, вакансиями атомов кислорода.
Таким образом, методом ультразвукового распыления были изготовлены светоизлучающие p-i-n-структуры ZnO на кремниевых подложках. Вольт-амперные характеристики этих структур имеют ярко выраженный выпрямляющий эффект. При приложении к этим структурам напряжения в прямом направлении наблюдалась электролюминесценция в зелено-голубой области оптического спектра.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kang T.W., Yuldashev Sh.U., Panin G.N. In: Handbook of Semiconductor Nanostructures and Nanodevices. Los Angeles: Amer. Sci. Publ., 2005. V. 4. P. 159-194.
2. Хабибуллаев U.K., Юлдашев Ш.У. // РЭ. 2005. Т. 50. С.1008-1013.
3. LookD.C. // Mater. Sci. Eng. 2001. V. B80. P. 383-387.
4. Bagnall DM, Chen Y.F., Zhu Z. et al. // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 70. P. 2230-2232.
5. Zhang S.B, Wei S.H, Zunger A. // Phys. Rev. B. 2001. V. 63. P. 075205-1-7.
6. Minegishi K, Kowai Y, Kikuchi Y. et al. // Jap. J. Appl. Phys. 1997. V. 36. P. L1453-L1455.
7. Kim K.K, Kim H.S, Hwang D.K. et al. // J. Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. P. 63-65.
8. Ryu Y.R, Lee T.S, White H.W. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. P. 87-89.
9. Matsume Y, Sakata H. // Thin Solid Films. 2000. V. 372. P. 30-36.
10. Studenikin S.A., Golego N, Cocivera M. // J. Appl. Phys. 1998. V. 83. P. 2104-2111.
11. Zhao JL, Li X.M., Bian J.M. et al. // J. Cryst. Growth. 2005. V. 280. P. 495-501.
12. Tzukazaki A., Kubota M, Ohtoma A. et al. // Jap. J. Appl. Phys. 2005. V. 44. P. L643-L645.
13. Yuldashev Sh.U., Panin G.N., Kang T.W. et al. // J. Appl. Phys. 2006. V. 100. P. 013704-1-4.
14. Zeuner A., Alves H, Hofmann D.M. et al. // Phys. Status solidi (b). 2002. V. 234. P. R7-R9.
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.