УДК 621.315.592
^-«-ПЕРЕХОД В ZnO ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ ЭЛЕМЕНТАМИ
V ГРУППЫ
© 2010 г. И. В. Рогозин*, А. Н. Георгобиани**, М. Б. Котляревский***, В. И. Демин**, А. В. Мараховский***
*Бердянский государственный педагогический университет, Украина **Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва ***Академия управления и информационных технологий, Бердянск, Украина
e-mail: rogozin@bdpu.org Поступила в редакцию 09.06.2009 г.
Пленки ZnO(Ga) n-типа имплантированы ионами N+ (As+) c энергией 150 кэВ дозой 7 х 1015 см-2 и отожжены в атомарном кислороде при различных температурах. Инверсия типа проводимости наблюдалась в интервале температур отжига 770-870 K. Методами фотолюминесценции, вторично ионной масс-спектроскопии и эффекта Холла определены параметры слоев р-типа. По данным эффекта Холла, слои р-типа имеют удельное сопротивление ~30 Ом см, подвижность ~2 см2/(В с) и концентрацию дырок ~1018 см-3. Спектры электролюминесценции р—п-переходов содержат полосу при 440 нм, связанную с рекомбинацией на донорно-акцепторных парах.
ВВЕДЕНИЕ
Потребность в твердотельных источниках и приемниках света в синей и УФ-областях спектра обусловила интенсивные исследования широкозонных полупроводников групп АПВ^, Л1УБ1У и АШВУ: 2п8е (Ее = 2.67 эВ), (Ее = 3 эВ), 2пО
(Е = 3.37 эВ), ОаМ (Е = 3.4 эВ). На основе 2п8е реализованы сине-зеленые лазерные диоды [1]. В настоящее время наилучшие результаты достигнуты на базе ОаМ. На основе ОаМ и его твердых растворов созданы свето- и лазерные диоды, излучающие в синей и зеленой областях спектра [2].
ZnO, благодаря высокой электропроводности и оптической прозрачности, широко используется в качестве прозрачного контакта, имеющего высокую радиационную, химическую и термическую стойкость [3]. Применение систем СёО-ZnO— М§О [3], БеО^пО [4], ZnSe-ZnO-ZnS [5] позволяет варьировать ширину запрещенной зоны от 2.8 до 4.5 эВ. Энергия связи экситона в структурах с квантовыми ямами на основе ZnBeO достигает значения 263 мэВ [4]. Однако особый интерес представляет применение ZnO в качестве базового материала для получения лазерных и светодиодных структур, излучающих в голубой и УФ-областях спектра.
Успехи в синтезе ZnO р-типа позволяют рассматривать ZnO как полупроводниковый материал, способный конкурировать в УФ-области оптоэлектроники с нитридом галлия [6]. В ZnO р-тип проводимости был получен различными технологическими методами при легировании азотом [7—9], мышьяком [10], фосфором [11].
Имеется ряд сообщений об успешном получении Р^пО ионной имплантацией [12, 13]. Это позволило реализовать на основе ZnO светоизлучаю-щиер-п-гомо- и гетеропереходы [4, 8, 12, 14]. Однако для успешного создания светоизлучающих устройств на основе ZnO в виде р-п-переходов необходимы тщательные исследования свойств легированных слоев.
Цель данной работы — исследование структурных, электрофизических и люминесцентных свойств слоев n-ZnO(Ga), в которых тип проводимости изменен на р путем сочетания ионной имплантации № (Лз+) с постимплантационным отжигом в атомарном кислороде, а также р-п-переходов в структурах на их основе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исходные пленки ZnO(Ga) толщиной ~0.5 мкм получали методом магнетронного высокочастотного распыления на подложке аморфного SiO2. Структуру и кристаллическую ориентацию пленок исследовали с помощью рентгеновского ди-фрактометра с использованием Си^а-излучения. По данным эффекта Холла, слои ZnO(Ga) имеют п-тип проводимости с концентрацией носителей 1.2 х 1017 см-3 и подвижность ц ~92 см2/(В с) при 300 К.
Пленки ZnO(Ga) имплантировали ионами № (Лз+) с энергией 150 кэВ дозой 7 х 1015 см-2. Для устранения радиационных дефектов образцы отжигали в течение 60 мин в атомарном кислороде при 570-1070 К по методике, подробно описанной
Таблица 1. Структурные свойства отожженных в атомарном кислороде пленок /пО(Оа), имплантированных № с энергией 150 кэВ дозой 7 х 1015 см-2
Температура отжига, К 2 9, град ПШПВ пика 002, град Размер зерна, нм Параметр решетки с, нм
Исходный образец 34.45 0.26 32.0 0.5206
Имплантированный образец 34.48 0.29 28.7 0.5202
570 34.51 0.23 36.2 0.5197
670 34.55 0.19 43.8 0.5191
870 34.58 0.17 49.0 0.5187
970 34.41 0.20 41.6 0.5212
1070 34.44 0.23 36.2 0.5208
Таблица 2. Электрофизические свойства пленок /пО(Оа), имплантированных ионами (Аз+) с энергией 150 кэВ дозой 7 х 1015 см-2 и отожженных при различных температурах в атомарном кислороде
Температура отжига, К Удельное сопротивление, Ом см Концентрация носителей, см—3 Подвижность носителей, см2/(В с) Тип проводимости
№ А5+ № № №
Исходный образец 2.5 1.2 х 1017 92 п
570 2.2 х 103 5.9 х 103 3.5 х 1015 1.2 х 1015 38 40 п п
670 1.2 х 102 3.6 х 102 1.1 х 1016 4.3 х 1016 17 29 п п
770 67 42 7.9 х 1017 1.6 х 1018 3.6 2.3 р Р
870 30 16 3.5 х 1018 5.7 х 1018 2.2 1.8 р Р
970 9.8 х 102 4.8 х 102 2.9 х 1016 8.3 х 1016 21 36 п п
1070 1.2 х 102 2.0 х 102 5.7 х 1017 2.7 х 1017 31 42 п п
в [12]. Распределение примеси в имплантированном слое контролировали с помощью вторично ионной масс-спектроскопии (ВИМС).
Электрические свойства определяли по данным эффекта Холла при комнатной температуре в конфигурации Ван-дер-Пау. Контакты из А1 и Аи наносили на слои п- и ^-типа соответственно при температуре подложки 470 К в установке ВУП-5.
Спектры фотолюминесценции (ФЛ) исследовали при Т = 77 К. В качестве источника возбуждения использовали азотный импульсный лазер ИЛГИ-503.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Дифрактогамма исходных пленок ZnO(Ga) содержит пик 002 при угле 29 ~ 34.45°, что указывает на ориентацию пленок вдоль с-оси, перпендикулярной плоскости подложки. Пики Zn и Zn3N2 в спектре не наблюдаются. Полная ширина на половине высоты (ПШПВ) пика 002 составляет 0.26°. Рентгеновские измерения показывают, что пленки имеют нанокристаллическую природу. Средний размер кристаллитов рассчитан по положению пика 002 согласно формуле Шерера [9].
В табл. 1 приведены параметры слоев ZnO(Ga), имплантированных №. Видно, что отжиг способствует улучшению кристаллической структуры исходных пленок. При температуре отжига 870 К ПШПВ составляет 0.17°, параметр с ~ 0.518 нм, что меньше соответствующих значений для исходных пленок. Наблюдаемые изменения могут быть обусловлены внедрением атомов азота в подрешетку кислорода, поскольку длина связи Zn—N на 25% меньше длины связи Zn—O [15]. Полученные результаты качественно согласуются с данными работы [16], авторы которой отметили уменьшение параметра решетки с увеличением концентрации внедренного азота. При температуре отжига более 1070 К происходит ухудшение кристаллической структуры, что можно связать с десорбцией компонентов пленки и легирующей примеси.
В [12, 17] нами детально исследована зависимость электропроводности имплантированных слоев ZnO от дозы имплантации и условий отжига. В табл. 2 приведены электрофизические свойства слоев ZnO(Ga), имплантированных № и Аз+. Видно, что отжиг при 570—670 К не приводит к смене типа проводимости. Это может быть связано с тем, что внедренный № (Аз+) лишь частично замещает кислород, выступая одновременно как примесь за-
p—n-ПЕРЕХОД В ZnO ПРИ ИМПЛАНТАЦИИ ЭЛЕМЕНТАМИ V ГРУППЫ
1061
мещения и внедрения. Слои ZnO(Ga), имплантированные № (Лб+) и отожженные в интервале температур 770-870 К, имеют р-тип проводимости. С ростом температуры отжига акцепторная примесь постепенно активируется, что приводит к увеличению концентрации дырок. Азот (мышьяк) замещают кислород и действуют как акцепторы.
При высокотемпературном (970-1070 К) отжиге концентрация электронов возрастает, что может быть обусловлено протеканием следующих реакций:
ZnO ^ Zn.. +1021,
' 2 2
ZnO ^ ZnZn + V0 +102 t.
(1)
(2)
В результате образуются доноры — атомы меж-узельного цинка и вакансии кислорода, что приводит к компенсации акцепторов.
На рис. 1 представлена температурная зависимость концентрации дырок. Видно, что она имеет линейный характер. Расчетное значение глубины уровня акцептора в ZnO(N+) составляет ~145 мэВ, что хорошо согласуется с данными [7]. В случае легирования мышьяком энергия активации акцептора составляет ~128 мэВ.
На рис. 2 показаны концентрационные профили компонентов пленки ZnO(Ga), имплантированной азотом. Абсолютные значения концентраций определяли по калибровочным образцам, имплантированным N+ (As+). По данным ВИМС, концентрация азота пленке ZnO(N+) составляет ~4 х 1020 см-3. Аналогичные результаты наблюдаются для пленок ZnO, имплантированных As+. Сравнение результатов, полученных при исследовании эффекта Холла, с данными ВИМС указывает на то, что в результате отжига активируется более 1.0% примеси. Это сравнимо с величиной, наблюдаемой дляp-GaN(Mg) [18].
На рис. 3 представлены спектры ФЛ исходных и имплантированных азотом и мышьяком пленок ZnO(Ga), измеренные при Т = 77 K. Спектры ФЛ исходных образцов содержат пики при 3.37 и 3.36 эВ, связанные с излучением свободного А (^У)-экситона и с (D0, ^-излучением. Зеленое свечение, локализованное в области 2.4-2.5 эВ в чистом оксиде цинка, обусловлено вакансией кислорода в виде /+-центра [3]. Спектры ФЛ пленок р-Zn0(N+) и p-ZnO(As+) в экситонной области содержат пики при 3.312 и 3.353 эВ соответственно. Наблюдаемые полосы можно связать с (А0, ^-излучением, где в качестве акцепторов выступают примеси NO [7, 8] и AsO [19]. Наблюдаемый пик при ~3.2 эВ связан с рекомбинацией на донорно-акцепторных парах (DAP) [7-9, 19].
В спектре ФЛ пленок p-ZnO(As+), в отличие от пленок р-Zn0(N+), наблюдается пик при 3.309 эВ,
p, см
-3
10
19
10
18
10
17
10
16
Ea ~ 128 мэВ
Ea ~ 145 мэВ
4
103/Г, K
-1
Рис. 1. Температурные зависимости концентрации дырок для слоев ZnO(Ga), имплантированных мышьяком (1) и азотом (2); доза имплантации 7 х х 1015 см-2, температура отжига 870 К.
Концентрация, см 1022
-3
18O
64Zn
10
21
10
,20
10
19
10
18
10
17
10
16
0
0.3 0.4 0.5 Глубина, мкм
Рис. 2. Концентрационные профили К, 2п и О в пленке ZnO(Ga), имплантированной азотом, после отжига при 870 К.
который можно связать с переходом свободный электрон ^ акцептор (е-А0). Подобная полоса на
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.