научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ P–N-ПЕРЕХОДА В ZNO ПУТЕМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ МЫШЬЯКА И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ОТЖИГА ПО МЕТОДУ РАДИКАЛО-ЛУЧЕВОЙ ГЕТТЕРИРУЮЩЕЙ ЭПИТАКСИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ P–N-ПЕРЕХОДА В ZNO ПУТЕМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ МЫШЬЯКА И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ОТЖИГА ПО МЕТОДУ РАДИКАЛО-ЛУЧЕВОЙ ГЕТТЕРИРУЮЩЕЙ ЭПИТАКСИИ»

большим значением энергии Маделунга (для N ~ ~ +9.7 эВ, для As ~ +12.6 эВ) [20]. Ими показано, что использование одновременного легирования активатором (^ As, Р) и соактиватором (Ga, А1, 1п) понижает энергию Маделунга за счет образования в ZnO комплексов типа N-Ga-N, что способствует увеличению растворимости N в ZnO и, как следствие, формированию мелких акцепторных уровней. Впоследствии ZnO р-типа получен с использованием двойного легирования: Ga-N [21], А^ [22] In-N [23]. Причем в [23] сообщается о рекордной подвижности дырок 155 см2/(В с). В настоящее время наиболее успешным результатом можно считать данные работы [22], где показана воспроизводимость и стабильность р^пО при использовании двойного легирования: А1-№ Пленки р^пО имеют типичное значение удельного сопротивления 50-100 Ом см, концентрацию носителей 1 х 1017 - 8 х 1017 см-3 и подвижность 0.1-0.6 см2/(В с).

Имеется ряд сообщений о получении изучающих гетеропереходов на основе ZnO, таких как и^пО/р^пТе [24], р^пО/р^пБе/и^пБе [25, 26], и-ZnO/p-GaN [27, 28], p-ZnO/и-GaN [29], и^пО/р-AlGaN [5], и-ZnO/и-ZnCdO/и-ZnO [30]. Вместе с тем успехи в синтезе ZnO р-типа позволили вплотную подойти к созданию р-и-гомопереходов на основе ZnO: путем легирования подложек и-типа азотом [31, 32], мышьяком [15] и фосфором [33]. Авторы [34] сообщили о получении р-и-перехода на основе собственно дефектного ZnO р-типа. Необходимо отметить, что впервые авторы [35] сообщили о получении беспримесного ZnO р-типа отжигом в атомарном кислороде. Впоследствии в [25, 26] показана возможность получения гетеропереходов р^пО/р^пБе/и^пБе, излучающих в голубой области спектра

Авторами [31] получен излучающий р-и-гомо-переход на основе ZnO; в [10] получен ZnO р-типа с использованием плазмы ^О. Однако полученные диоды имели слабую электролюминесценцию в области длин волн 400-900 нм, в то время как нелегированные пленки ZnO имели интенсивную ультрафиолетовую фотолюминесценцию в области связанных экситонов на длине волны 370 нм. Столь широкая спектральная область электролюминесценции, по-видимому, может быть вызвана собственными и примесными дефектами структуры. Недавно авторами [36] получены све-тоизлучающие диоды на основе р-/-и-перехода в ZnO, обладающие интенсивной электролюминесценцией в области 440 нм. Величина барьера р-и-перехода составила ~5.5 эВ, что несколько меньше, чем в предыдущем сообщении (7 эВ) [37]. По-видимому, понижение барьера может быть вызвано увеличением концентрации дырок в р-слое.

Цель данной работы - исследование структуры, электрофизических и люминесцентных свойств р-и-перехода на основе ZnO, полученного

сочетанием методов ионной имплантации As+ и отжига по методу радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исходные пленки ZnO, легированные галлием, получали методом магнетронного высокочастотного распыления на подложках из аморфного БЮ2. Толщина пленок, измеренная с помощью микроскопа МИИ-4, составляла ~0.5 мкм. Структуру и кристаллическую ориентацию пленок исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра с использованием СиАа-излучения. По данным эффекта Холла, слои ZnO(Ga} обладают и-типом проводимости с концентрацией носителей 7 х 1017 см-3 и подвижностью 120 см2/(В с) при комнатной температуре.

Примесь As вводили путем ионной имплантации дозой 5 х 1015 см-2. Энергия имплантированных ионов составляла 200 кэВ. Распределение примеси в имплантированном слое контролировали с помощью вторичной ионной масс-спектро-скопии. Удельное сопротивление, концентрацию носителей, тип проводимости и холловскую подвижность измеряли при комнатной температуре по методу Ван-дер-Пау. Контакты из алюминия наносили на слои и-типа и из золота - на слои р-типа при температуре подложки 470 К в установке ВУП-5.

С целью устранения радиационных дефектов, контроля состава собственных дефектов и отклонения стехиометрии в сторону избытка кислорода пленки ZnO(As+} отжигали 60 мин в атомарном кислороде при 820 К. Атомарный кислород получали в ВЧ-разряде мощностью 100 Вт при давлении молекулярного кислорода 0.1-10 Па. Ионную составляющую плазмы кислорода удаляли с помощью магнитного фильтра из постоянных магнитов. Концентрация атомарного кислорода вблизи поверхности обрабатываемого слоя составляла ~1017 см-3. Спектры электролюминесценции структур исследовали при комнатной температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а представлена типичная дифракто-гамма исходных пленок ZnO(Ga}. В спектре наблюдается пик 002 в области углов 20 ~ 34.45°, что указывает на ориентацию пленок вдоль С-оси, перпендикулярной плоскости пленок. Полная ширина на половине высоты пика 002 составляет 0.12°. Поверхностная морфология пленок ZnO(Ga} представлена на рис. 16. Пленки имеют зеркальную поверхность с шероховатостью 14 нм.

Ранее нами детально исследованы люминесцентные свойства пленок ZnO р-типа, имплантированных ионами мышьяка [16]. Показано, что активация р-типа происходит при температуре отжига

\ /0.2 0

Рис. 1. Дифрактограмма (а) и поверхностная морфология (б) исходных пленок ZnO(Ga).

Концентрация, см 3

Рис. 2. Концентрационные профили распределения As и Ga в пленках ZnO до (а) и после отжига (б) в течение 1 ч при 820 К в атомарном кислороде.

имплантированных слоев 770-870 К. Это обусловлено существованием так называемой критической температуры отжига для данного потока атомарного кислорода, превышение которой не дает дырочной проводимости [38]. Типичное значение удельного сопротивления слоев ZnO(As+) /»-типа состав-

ляет 30-55 Ом см, подвижность - 1-2.5 см2/(В с), концентрация носителей - 3 х 1018 см-3.

Концентрационные профили примесей в пленке ZnO показаны на рис. 2. Абсолютные значения концентраций определяли по калибровочным об-

разцам ZnO, имплантированным мышьяком и галлием. Концентрация мышьяка и галлия в пленке ZnO составляет 2.5 х 1019 и 1 х 1018 см-3 соответственно. На рис. 2а представлен профиль распределения примесей после имплантации As+. Как видно, профиль представляет собой типичное гауссово распределение. После отжига (рис. 26) наблюдается диффузия As в глубь подложки и размытие профиля распределения, причем концентрация As в глубине имплантированного слоя лежит в пределах 8 х 1017 - 1.5 х 1019 см-3.

Авторами [15] показана возможность получения слоев ZnO р-типа на подложке GaAs «-типа в результате термической диффузии As из подложки в пленку ZnO. В зависимости от температуры отжига концентрация мышьяка As изменялась в пределах 1017-1021 см-3, а концентрация дырок, по данным эффекта Холла, достигала 1018-1021 см-3, что говорит о хорошей растворимости и электрической активности мышьяка. Полученные нами результаты также свидетельствуют о том, что практически все атомы мышьяка после отжига становятся электрически активными.

На рис. 3 представлены типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-и-гомоперехода р^пО^вУи^пО^а) и схематическое изображение структуры. Омичность контактов к слоям р- и «-типа подтверждается довольно хорошей линейностью ВАХ. Поскольку р-и-переход изготовлен на изолирующей подложке, то можно утверждать, что подложка не влияет на электрические измерения. При напряжении прямого смещения >3.0 В наблюдается линейный участок. В области малых значений токов прямая ветвь ВАХ описывается уравнением [39]:

I = I,[ехр(ди/(«кТ)) - 1 ].

Представление ВАХ в полулогарифмическом масштабе дает значение и ~ 1.8 при и< 3.0 эВ и 5-7 при и > 3.0 эВ. Низкие значения и при малых прямых напряжениях свидетельствуют о том, что рекомбинация происходит в области пространственного заряда. Отсутствие участка с и = 1 и рост и показывают, что в сформированной структуре, вероятнее всего, имеется /-слой. По данным ВАХ, высота потенциального барьера на р-и-переходе составляет ~3.0 эВ. Омическое сопротивление р-и-пе-рехода, рассчитанное из ВАХ, составляет ~120 Ом.

На рис. 4 представлена вольт-фарадная характеристика (ВФХ) р-и-перехода в координатах С~2-иоб. Линейный характер зависимости свидетельствует о том, что имеет место р-и-переход с резким распределением примеси [39]. Экстраполированное значение прямого напряжения, соответствующее С2 = 0, дает значение напряжения ~3.4 эВ, что можно объяснить наличием /-слоя. Необходимо отметить, что в полученных структурах высота потенциального барьера сравнима с шириной за-

(а)

I, мА 20 г

15

10

I_I I I

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

и, В

(б)

Al

р ^пО^) п-7пО<Оа)

SiO2

Рис. 3. ВАХ (а) и схематическое изображение структуры р^пО^/и^пО^а) (б).

С-2 х 109, пФ-2 4 г

4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Ц>б, В

Рис. 4. ВФХ структуры р^пО^Уи^пО^а).

прещенной зоны ZnO в отличие, например, от результатов [32-34].

На рис. 5 приведены спектры электролюминесценции (ЭЛ) структур р^пО^Уи^пО^а) в зависимости от уровня возбуждения. Как видно, при низких уровнях возбуждения наблюдается широкая полоса с максимумами при 440 и 510 нм.

5

Длина волны, нм 700 600 500 400

Энергия, эВ

Рис. 5. Спектры ЭЛ р-и-перехода на основе ZnO при

токах 10 (1), 20 (2), 30 мА (3); 4 - спектр ФЛ пленокр-

ZnO<As}.

При увеличении уровня возбуждения интенсивность данных полос возрастает, причем полоса 440 нм возрастает почти в 2 раза по сравнению с полосой 510 нм. Полоса 440 нм, вероятнее всего, связана с рекомбинацией на донорно-акцептор-ных парах [36].

Сравнение спектров ЭЛ и фотолюминесценции (ФЛ) свидетельствует об идентичности центров, формирующих данные полосы. Отметим, что спектры ФЛ, снятые при низких интенсивно-стях возбуждения, содержат только полосу с максимумом при 440 нм. Увеличение интенсивности возбуждения приводит к проявлению в спектрах ФЛ плеча с максимумом при 510 нм, что, вероятно, вызвано возбуждением более глубоко лежащих центров люминесценции. Полоса 510 нм характерна для исходных пленок и^пО^а} [16]. Природа зеленой полосы с максимумом в области ~2.5 эВ в ZnO несмотря на многочисленные исследования является дискуссионной. Данная полоса связывается с собственными дефектами: вакансией кислорода - УО [40], межузельным цинком - Znг■ [41], вакансией цинка - У2п [42]. Превалирование конкретного типа дефектов зависит от условий синтеза и послед

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»