ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 5, с. 681-683
УДК 538.958:538.975
ФОРМИРОВАНИЕ И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ ZnO/4mN
© 2007 г. Б. М. Атаев, В. В. Мамедов, С. Ш. Махмудов, А. К. Омаев, А. М. Багамадова
Институт физики Дагестанского научного центра РАН, Махачкала E-mail: crystal@dinet.ru
Получены гетеропереходы n-ZnO/p-AinN (A111 = Ga, Al), в которых наблюдали относительно интенсивную электролюминесценцию в сине-фиолетовой спектральной области при подаче прямого смещения. Показано, что слои ZnO, полученные в режимах с использованием активации процесса выращивания ВЧ-разрядом, обладают менее развитой поверхностью при значительном уменьшении размеров и количества кластеров цинка. Вольт-амперные характеристики полученных гетеро-структур имели выпрямляющие свойства с напряжением отсечки, соответствующим ширине запрещенной зоны ZnO.
ВВЕДЕНИЕ
Оксид цинка как широкозонный полупроводник (Ея ~ 3.3 эВ) по многим физическим свойствам подобен нитридам металлов третьей группы [1, 2], которые успешно используются для производства ярких коротковолновых светодиодов и лазерных диодов. Все эти материалы обладают кристаллической структурой вюрцита, близкими параметрами кристаллических решеток (несовпадение параметров не превышает нескольких процентов) и ширинами запрещенных зон. Это является существенным фактором для получения гетеро-структур и высокоэффективных оптоэлектронных приборов на их основе. Известно, что такие устройства гораздо предпочтительнее устройств, созданных на базе однородных гомоструктур, поскольку в них наблюдается односторонняя инжекция тока. К настоящему времени рост ZnO на Л11^ описан во многих работах [2-4], и во всех случаях использованы пленки нитридов с проводимостью «-типа, служившие ввиду близких структурных параметров решеток буферными слоями для получения высококачественных слоев ZnO. Насколько нам известно, до сих пор мало сообщений о получении гетеропереходов п^пО/р^а^ n-ZnO/p-AЮaN [5, 6]. Стоит отметить, что, поскольку до настоящего времени не разработана воспроизводимая технология получения р^пО, единственно возможным остается формирование гетероструктур типа п-ZnO/p-4ПIN.
В данной работе сообщается о получении структур п^пО/р^а^ n-ZnO/p-AЮaN и гетеропереходов на их основе, в которых наблюдалась относительно интенсивная электролюминесценция (ЭЛ) в сине-фиолетовой и УФ-спектральной области при подаче прямого смещения.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Слои p-GaN : Mg с концентрацией акцепторов 3 ■ 1017 см-3 толщиной ~1 мкм выращивали на подложках из (0001) сапфира методом молекуляр-но-лучевой эпитаксии (MBE) с использованием аммиака в качестве источника азота и ячейки SUMO как источника Ga. Температура подложки во время роста составляла 800°C, при этом скорость роста была 0.8 мкм/ч. Омические контакты к p-GaN наносили из золота. Слои p-Al012Ga088N : Mg толщиной 0.8 мкм с концентрацией нескомпенсиро-ванных акцепторов 5 ■ 1017 см-3 выращивали методом хлорид-гидридной эпитаксии (HVPE) на подложках 6H-SiC с предварительно нанесенным буферным слоем и-GaN толщиной 0.2 мкм. Слои ZnO : Ga с концентрацией доноров 8 ■ 1017 см-3 и толщиной 1.0 мкм наращивали методом химических транспортных реакций с активацией реагентов в плазме высокочастотного разряда и температурой подложки 520°C. Сг-барьеры Шоттки на слои p-AinN, а также омические контакты Al и Ni наносили методом термического вакуумного напыления на ZnO(Ga) и AniN соответственно.
Один из широко используемых методов получения гетероэпитаксиальных структур (ГЭС) ZnO -метод химических транспортных реакций (ХТР) в различных модификациях. Он, с одной стороны, не избавляет от недостатка кислорода в ZnO, приводящего к возникновению собственных дефектов донорного типа (межузельный цинк, вакансии кислорода), а, с другой - относительно высокая (580-800°C) температура в области подложек стимулирует паразитные побочные реакции и, как следствие, появление неконтролируемой примеси в составе ГЭС. Использование атомарного кислорода позволяет создать максимальное из возможных эффективное давление кислорода над растущей пленкой (по сравнению с неактивированным кис-
682
АТАЕВ и др.
I, мА
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика гетероперехода п^пО/р-ва^ где исм - напряжение смещения.
X, нм
Рис. 3. Электролюминесценция гетероперехода п ^пО/р-ва^
лородом эффективное давление увеличивается более чем на шесть порядков) и сместить стехиометрию материала в сторону избытка кислорода. Ранее на практике этот подход использовался только при процедурах отжига монокристаллов и эпитаксиальных слоев (ЭС) оксидов для улучшения их стехиометрического состава.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проточный реактор пониженного давления был модифицирован с помощью ВЧ-разряда вдоль оси кварцевого реактора, причем разряд охватывал обе температурные зоны: как источника, так и подложек. При этом характерное рабочее давление в реакторе <1 Торр, скорости потоков реагентов 1-3 м/с. Активация реагентов в плазме ВЧ-разря-дом позволила существенно уменьшить температуру эпитаксиального роста в системе ZnO/AIIIN (не менее чем на 200°С) и нижний предел температуры выращивания ЭС составил 420°С, а скорость роста уменьшилась примерно в 4 раза, что суще-
I, мА
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика гетероперехода w-Znü/p-Al0.12Ga0.88N.
X, нм
Рис. 4. Электролюминесценция гетероперехода n-ZnO/p-Alo.i2Gao.88N.
ственно, особенно на начальной стадии, для управляемого зарождения и роста ЭС ZnO. Уменьшение температуры роста способствует также существенному подавлению паразитных реакций в газовой фазе и уменьшению количества неконтролируемой примеси в составе ЭС ZnO. При этом было достигнуто значительное совершенство морфологии, структурных параметров, электрических и оптических свойств как за счет уменьшения толщины переходного слоя, так и за счет снижения содержания неконтролируемой примеси. Сравнительный анализ морфологии поверхности слоев с помощью микроскопа LEICA DM LP показал, что ГЭС, полученные в режимах с использованием активации процесса выращивания ВЧ-разрядом, обладают менее развитой поверхностью по сравнению со слоями, полученными при чисто термическом осаждении: размеры фигур роста уменьшались более чем на порядок. Также значительно уменьшались размеры и количество кластеров цинка, которыми завершаются фигуры роста при обычном термическом выращивании, в результате чего полу-
ФОРМИРОВАНИЕ И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ ZnO/AmN
683
чалась более гладкая и зеркальная поверхность слоя ZnO.
Рентгенодифракционные исследования показали, что дифрактограммы, полученные на дифрак-тометре ДРОН-2 с использованием Си^-излуче-ния, соответствуют ЭС (0001^п0 высокого совершенства. Были изучены кривые качания вокруг пика (0002). Установлено двукратное сужение полуширины пика для слоев, полученных с использованием активации процесса роста ВЧ-разрядом, достигающее в оптимальных условиях значений менее 0.3 град.
На рис. 1, 2 представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) сформированных ГЭС. Можно видеть, что переходы на структурах n-Zn0/p-AшN обладают нелинейной ВАХ и являются выпрямляющими.
Изучено спектральное распределение интенсивности ЭЛ гетероструктур, наблюдаемой при прямом смещении. Спектры ЭЛ ГЭС, полученные при прямом токе смещения 3 мА, представлены на рис. 3.
Для гетеропереходов, включенных в прямом направлении, наблюдалась инжекционная фиолетовая (рис. 3, гетеропереход п^пО/р-Оа^ и УФ-электролюминесценция (рис. 4, гетеропереход п-2пО/р-А10.12Оа0.88ЭД, интенсивность которой слабо уменьшалась с температурой. Сравнение спектров люминесценции и вольт-амперных зависимостей позволяет сделать вывод, что излучение происходило в основном из области Zn0 за
счет излучательной аннигиляции экситонов и было стабильным до температур 500 К.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, нами показана возможность формирования структур n-ZnO/p-GaN, n-ZnO/p-Al-GaN и гетеропереходов на их основе. Исследовано влияние активации реагентов в плазме ВЧ-разряда в процессе роста слоев ZnO. Изучены вольт-амперные характеристики полученных гетреропере-ходов и распределение интенсивности электролюминесценции, наблюдаемой при прямом смещении.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант № 05-02-16636, и программы ОФН РАН "Новые материалы и структуры".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yefan Chen, Bagnal D.M., Hang-jun Koh et al. // J. Appl.
Phys. 1998. V. 84. P. 3912.
2. Vispute R.D., Talyansky V., Choopun S. et al. // Appl.
Phys. Lett. 1998. V. 73. P. 348.
3. Hong S.-K, Ko H.-J., Chen Y, Yao TJ. // Cryst. Growth.
2001. V. 209. P. 537.
4. Chukichev M.V., Ataev B.M., Mamedov V.V. et al. //
Semiconductors. 2002. V. 36. P. 977.
5. AlivovYa. I, Van Nostrand J.E, LookD.C. et al. // Appl.
Phys. Lett. 2003. V. 83. P. 2943.
6. Bagnal D.M., Alivov Ya.I, Kalinina E.V. et al. // Mat.
Res. Soc. Symp. Proc. 2004. V. 798. Y3.9.1.
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.