НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2010, том 46, № 11, с. 1285-1289
УДК 621.315.592
СТРУКТУРНЫЕ И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОПЕРЕХОДА «-ZnO/p-GaN:Mg © 2010 г. И. В. Рогозин*, А. Н. Георгобиани**, М. Б. Котляревский***, Н. П. Дацкевич**
*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 27.11.2009 г.
Гетероструктуры n-ZnO/p-GaN:Mg сформированы термическим окислением тонких слоев Zn, осажденных на подложку p-GaN:Mg по методу радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии. Приведены структурные и электролюминесцентные характеристики гетероэпитаксиальных структур n-ZnO/p-GaN:Mg.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что ZnO по своим свойствам подобен ОаМ [1, 2]. Это, прежде всего, ширина запрещенной зоны 3.37 и 3.39 эВ при комнатной температуре для ZnO и ОаМ соответственно, вюртцитный тип кристаллической структуры, близость параметров кристаллической решетки (параметр несоответствия =1.8%). По сравнению с ОаМ ZnO имеет ряд существенных преимуществ, например, большая энергия связи экситона 60 мэВ, что дает возможность наблюдать эффективную экситонную люминесценцию при комнатной температуре. Эпитаксиаль-ные слои большой площади могут быть легко получены методом химических транспортных реакций в различных вариантах [3, 4]. Более того, существующие технологии синтеза ZnO позволяют получать объемные высококачественные монокристаллы [5], в то время как выращивание монокристаллов ОаМ является сложной технологической проблемой [6]. В последние годы достигнуты существенные успехи в получении р-ZnO легированием элементами V группы [4, 7—10] и излучающих гомо-р-я-перехо-дов на основе ZnO [7, 8, 11], однако разработка воспроизводимой технологии получения ZnO р-типа требует дальнейших исследований. Близость параметров кристаллических решеток ZnO и ОаМ позволяет использовать ZnO в качестве активного слоя излучающих р-я-гетеропереходов на базе ОаМ и его твердых растворов. В ряде публикаций сообщается о наблюдении ультрафиолетовой (380—395 нм), синей (400—430 нм), зеленой (500—550 нм), а также белой (без использования люминофора) электролюминесценции (ЭЛ) ге-тероструктур ZnO/GaN, ZnO/AlGaN, ZnO/(In-GaN/GaN)MQW/GaN [12-15]. Это позволяет рассматривать ZnO как альтернативу GaN в опто-электронных устройствах синего и ультрафиолетового диапазонов.
В настоящей работе исследованы структурные, фото- и электролюминесцентные свойства гетеро-структур я-ZnO/р-GaN:Mg, полученных с использованием метода радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии [16].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве подложек использованы пленки GaN:Mg р-типа проводимости толщиной =0.5 мкм, выращенные методом молекулярно-лучевой эпи-таксии на подложках ориентированных в плоскости (0001). По результатам измерений эффекта Холла, выполненных в конфигурации Ван-дер-Пау, удельное сопротивление составляет =6 х 104 Ом см, концентрация дырок 5 х 1015 см-3, подвижность 120 см2/(В с). С целью понижения удельного сопротивления исходные пленки р-GaN:Mg отжигались в течение 1 ч в атмосфере атомарного (радикалов) азота при температуре 970 К в установке радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии по методике [16]. Полученная за счет высокочастотного разряда плазма азота проходила через магнитный фильтр из постоянных магнитов для удаления ионной составляющей плазмы. Концентрация нейтральных атомов (радикалов) азота в данном методе на =5 порядков превышает их концентрацию в неактивированной атмосфере при тех же давлении и температуре. После термообработки в атомарном азоте пленки р-GaN:Mg имели удельное сопротивление 85 Ом см, концентрацию носителей 3.5 х 1017 см-3, подвижность 10 см2/(В с). Слои ZnO получали окислением пленок цинка толщиной 0.1 мкм, осажденных на поверхности термообработанных пленок р-GaN:Mg при температуре 670 К в атмосфере атомарного (радикалов) кислорода по аналогичной методике.
Структура и кристаллическая ориентация пленок ZnO исследована с помощью рентгеновского
1286
РОГОЗИН и др.
Энергия,эВ
Рис. 1. Спектры ФЛ пленок GaN:Mg при 300 K, исходных (1), отожженных в атомарном азоте при 970 К (2), и пленок ZnO (3).
дифрактометра с использованием СпХа-излучения. Атомный силовой микроскоп Nanoscope IIIa Dimension 3000 SPM применен для исследования морфологии поверхности. Химический состав слоев ZnO и распределение элементов в структуре ZnO/GaN:Mg исследовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Спектры ФЛ и ЭЛ регистрировали при комнатной температуре. Азотный лазер ИЛГИ-503 с длиной волны излучения 337.1 нм использован в качестве источника возбуждения. Контакты из алюминия наносились для слоев я-типа, из золота — для слоев ^-типа при температуре подложки 470 К. Омичность контактов проверялась по измерениям прямой и обратной вольтамперной характеристики.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены спектры ФЛ пленок ^-GaN:Mg до и после отжига в атмосфере атомарного азота. В спектре ФЛ исходных пленок наблюдается широкая полоса с максимумом при 2.9 эВ. Синяя люминесценция в GaN обычно объясняется рекомбинацией носителей при переходах с глубокого донора на акцепторный уровень MgGa. В качестве глубокого донора наиболее вероятным считается комплекс (MgGa— FN) [17, 18]. Термиче-
ский отжиг приводит к смещению данной полосы в область =3.26 эВ (=382 нм). Очевидно, в процессе термического отжига происходит распад комплексов (MgGa— VN). Вакансии азота диффундируют к поверхности и замещаются атомами азота. Число вакансий азота начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению числа донорно-акцепторных пар, в состав которых входит комплекс, и, как следствие, к уменьшению интенсивности полосы =2.9 эВ. Смещение максимума интенсивности голубого свечения в область =3.26 эВ, очевидно, обусловлено образованием изолированных дефектов MgGa, освобождающихся после распада комплексов (MgGa— VN). Поэтому данная полоса может быть обусловлена переходами свободный электрон—акцептор (e—MgGa) [17]. В спектре ФЛ пленок ZnO (рис. 1, кривая 3) наблюдаются полосы 3.2 и 2.42 эВ. Полоса 3.2 эВ (387 нм) имеет экси-тонную природу и обусловлена излучательной рекомбинацией свободных и связанных экситонов [19]. Широкая зеленая полоса с максимумом при 2.42 эВ типична для ZnO и отвечает собственным дефектам, таким как Zn;, и VO [3, 20].
Структурное совершенство пленок ZnO исследовалось с применением высокоразрешающей рентгеновской дифракции. На рис. 2а представлена дифрактограмма структур ZnO/GaN:Mg: наблюдаются пики 0002 в области углов 29 = 34.42° и =34.56°, соответствующие ZnO и GaN соответственно. Угловое положение пика 0002 ZnO указывает на ориентацию пленок вдоль оси с, перпендикулярной плоскости подложки. Полная ширина на половине высоты (ПШПВ) пика 0002 составляет 0.45°. Средний размер кристаллитов, рассчитанный по формуле Шерера [20], составляет=18 нм, параметр решетки с = 0.52109 нм. Морфология поверхности пленок ZnO представлена на рис. 2б. Трехмерное изображение также указывает на то, что пленки ZnO ориентированы вдоль оси c с высокой плотностью. Среднеквадратичная шероховатость поверхности составляет = 5 нм для области сканирования 1 х 1 мкм. Рентгеновские и морфологические данные указывают на нанокристаллический характер выращенных пленок.
По результатам рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) состав пленок ZnO характеризуется примерно равным соотношением цинка и кислорода — O : Zn = 0.96 : 1. В РФЭС высокого разрешения O1s и Zn2 p3//2 наблюдаются линии с энергиями связи 530.4 и 1021.8 эВ, что, как показано в [21], соответствует ZnO. В РФЭС Zn LMM помимо основного пика с энергией связи 266.1 эВ, соответствующего ZnO, наблюдается плечо при 262.3 эВ, что, согласно [21], вызвано наличием в пленке ZnO межузельного цинка. На рис. 3 представлены профили распределения Zn, O, Ga, и N по глубине гетероструктуры ZnO/GaN:Mg. Как видно из профилограммы, граница раздела между
29, град
Рис. 2. Дифрактограмма гетероструктуры ZnO/GaN:Mg (а) и трехмерное изображение поверхности пленки ZnO, выращенной при 670 К.
пленкой ZnO и подложкой GaN достаточно резкая. Очевидно, низкие температуры получения слоев ZnO ослабляют взаимодиффузию компонентов пленки и подложки.
На рис. 4 представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) гетероперехода я-ZnO/р-GaN:Mg. Видно, что гетеропереход обладает нелинейной
ВАХ, являющейся выпрямляющей. Фактор идеальности я, вычисленный из уравнения I = 18[ехр(ди/(пкТ) -1] [22] равен =2.8. По данным ВАХ, высота потенциального барьера на гетеропереходе составляет =3.4 В, что можно объяснить наличием /-го слоя и ростом я с увеличением прямого напряжения.
С, ат. %
80
60
40
20
" Zn Ga
O Л (( N
ва N о[ я 1 N J
10 20 30 40 50 Время травления, мин
60
Рис. 3. Концентрационные профили распределения основных элементов в структуре ZnO/GaN:Mg.
I, мА 20
15
10
20
-5
68 и, В
Рис. 4. ВАХ гетероперехода я-ZnO/ р-GaN:Mg.
5
2
4
0
1288
РОГОЗИН и др.
I, отн. ед 1.0 г
0
1.5
2.0
2.5
3.0 3.5
Энергия, эВ
Рис. 5. Спектр ЭЛ гетероперехода я^пО/р-Оа№М£ при 300 К (ток возбуждения 20 мА).
Спектр ЭЛ, полученный при прямом токе 20 мА (рис. 5), состоит из широкой полосы с максимумом при 3.22 эВ (=386 нм) и ПШПВ 0.45 эВ. Для объяснения механизма ЭЛ построим зонную диаграмму гетероперехода. На рис. 6 представлена идеализированная зонная диаграмма гетероперехода п^пО/р-Оа№М§ в соответствии с
моделью Андерсона [23]. Используя известные значения электронного сродства 4.35 эВ для ZnO и 4.2 эВ для ОаМ, а также ширины запрещенной зоны 3.37 и 3.39 эВ для ZnO и ОаМ соответственно, определим разрывы краев зоны проводимости и валентной зоны. Согласно модели Андерсона, энергетический барьер для электронов определится как АЕс = = х^пО) - х^аЫ) = 4.35-4.2 = 0.15 эВ и для дырок как АЕ„ = Е^пО) - Е^аЫ) + АЕс = 3.37 - 3.39 + + 0.15 = 0.13 эВ. Таким образом, энергетический барьер для электронов незначительно превышает барьер для дырок. Исходя из этого можно предположить, что излучательная
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.