научная статья по теме СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ZNO:P Химия

Текст научной статьи на тему «СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ZNO:P»

УДК 621.315.592

СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ZnO:P

© 2013 г. И. В. Рогозин*, А. Н. Георгобиани**, М. Б. Котляревский*, В. И. Демин**

*Бердянский государственный педагогический университет, Украина **Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва

e-mail: rogozin@bdpu.org Поступила в редакцию 06.08.2012 г.

Эпитаксиальные пленки ZnO:P получены отжигом подложек ZnP2 в атомарном кислороде. Свойства пленок исследованы с помощью рентгеновской дифракции, атомной силовой микроскопии, эффекта Холла, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, фотолюминесценции. На ди-фрактограммах образцов наблюдается пик 002, что указывает на ориентацию пленок ZnO вдоль с-оси. По данным эффекта Холла, слои имеют р-тип проводимости, удельное сопротивление ~20 Ом см, подвижностью дырок ~9 см2/(В с) и их концентрацию ~7.8 х 1017 см-3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия указывает на наличие фосфора в пленках ZnO. В спектрах ФЛ пленок ZnO:P наблюдается пик экситона, связанного на нейтральном акцепторе (3.356 эВ). Полученные результаты указывают на то, что фосфор образует мелкий акцепторный комплекс PZn-2VZn, отвечающий за р-тип проводимости пленок ZnO:P.

DOI: 10.7868/S0002337X13030172

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря своим уникальным свойствам, ZnO широко применяется в различных оптоэлектрон-ных устройствах, таких как пьезоэлектрические преобразователи, варисторы, оптические волноводы, фотодетекторы, солнечные элементы [1]. Большая ширина запрещенной зоны ZnO (Е ~ ~ 3.37 эВ) и большая энергия связи экситона (~60 мэВ) позволяют получать интенсивное ультрафиолетовое излучение, обусловленное рекомбинацией экситонов даже при комнатной температуре. В связи с этим ZnO рассматривается как перспективный материал для производства ультрафиолетовых светодиодов и лазеров [2]. Однако ZnO склонен к монополярному я-типу проводимости, что обусловлено высокой фоновой концентрацией собственных дефектов доноров, таких как межузельный цинк и вакансии кислорода, что препятствует получению материала ^-типа проводимости.

Элементы V группы (^ Аз и Р) являются перспективными акцепторными примесями для широкозонных соединений АПВ^. Впервые авторы [3] сообщили о получение ZnO ^-типа за счет легирования азотом. В дальнейшем значительное количество групп исследователей сообщали о получении ZnO ^-типа с использованием азота [4— 6], мышьяка [7, 8] и фосфора [9, 10].

Цель данной работы — исследование структурных, электрофизических фотолюминесцентных свойств пленок ZnO:P, полученных отжигом подложек ZnP2 в атмосфере атомарного (радикалов) кислорода.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Пленки ZnO:P получали при температурах роста 400—800°C оригинальным методом радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии [11]. В качестве подложек использовали монокристаллы дифос-фида цинка ZnP2 тетрагональной модификации (красный, Eg~ 2.05 эВ). Подложки обезгаживали в вакууме (5 х 10-3 Па) при 400°C в течение 30 с. Атомарный кислород получали в ВЧ-разряде мощностью 100 Вт при давлении 0.1 Па. Ионную составляющую плазмы кислорода удаляли с помощью магнитного фильтра на постоянных магнитах. Толщина пленок, измеренная с помощью микроскопа МИИ-4, составляла ~0.3 мкм.

Структуру и кристаллическую ориентацию пленок исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра с использованием CuS^-излуче-ния. Атомный силовой микроскоп Nanoscope IIIa Dimension 3000 применяли для исследования морфологии поверхности. Электрические свойства пленок ZnO:P измеряли с помощью эффекта Холла при комнатной температуре в конфигурации Ван-дер-Пау, токе 0.01 мА и магнитной индукции 0.5 Тл. Контакты из Al наносили для слоев я-типа и из Au для слоев ^-типа при температуре подложки 200°C в установке ВУП-5. Элементный состав слоев ZnO исследовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Спектры фотолюминесценции (ФЛ) регистрировали при азотной температуре. Азотный лазер использовали в качестве источника возбуждения.

I, отн. ед. 50 г

40

30

20

10

7п0 002

]

20

30 40

29,град

50

Рис. 1. Дифрактограмма пленки 2п0:Р, выращенной при температуре 650°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлена дифрактограмма пленки 2п0:Р. В спектре наблюдается пик 002 в области углов 29 ~ 34.45°, что указывает на преимущественную ориентацию пленок 2п0:Р вдоль с-оси, перпендикулярной плоскости подложки. С увеличением температуры отжига интенсивность пика 002 увеличивается и достигает максимума при 650°С. Полная ширина на половине высоты пика 002 пленок 2п0:Р, полученных при 650°С, составляет 0.22° (рис. 2).

На рис. 3 представлена поверхностная морфология пленок 2п0:Р, выращенных при 650°С. Трехмерное изображение указывает на то, что пленки 2п0:Р растут с ориентацией вдоль с-оси с высокой плотностью. Среднеквадратичная шероховатость поверхности составляет 25 нм для области сканирования 5 х 5 мкм. Анализ среднего размер зерна указывает на нанокристаллический характер выращенных пленок. Необходимо отметить, что с ростом температуры отжига степень шероховатости увеличивается, что, вероятно, вызвано десорбцией компонентов пленки с поверхности.

Электрические свойства пленок 2п0:Р измеряли с помощью эффекта Холла при комнатной температуре в конфигурации Ван-дер-Пау. Вольт-амперная характеристика А1 и Аи контактов к слоям п- и р-типа линейная, что указывает на хороший омический контакт в обоих случаях. Слои 2п0:Р, выращенные в интервале температур 400—550°С, имеют п-тип проводимости. При температурах

500 400 300 200 100

0.30

0.28 ад

р

0.26 г

05

0.24 С 0

С

0.22

0.20

400 500

600 700

г, °С

800

Рис. 2. Температурная зависимость интенсивности (1) и полной ширины на половине высоты пика 002 (2).

мкм

Рис. 3. Трехмерное изображение поверхности пленки 2п0:Р, выращенной при 650°С.

роста 600—680°С получены слои р-2п0:Р. По результатам измерений эффекта Холла, слои р-2п0:Р, выращенные при 650°С, имеют удельное сопротивление ~20 Ом см, подвижность дырок ~9 см2/(В с) и их концентрацию ~7.8 х 1017 см-3. При температурах роста более 700°С опять наблюдается п-тип проводимости слоев.

В [12] на основе результатов ожэ-электронной спектроскопии нами показано, что полученные пленки 2п0:Р не содержат включений 2п3Р2, Р205 (Р4010). Установлено, что пленки 2п0, выращенные при температурах более 700°С, не содержат фосфора, что можно связать с испарением фосфора при высоких температурах. Высказано предположение, что, вероятнее всего, фосфор, замещая кислород, образует в ближайшем окружении связи типа 2п-Р-0.

Метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) применен для определения места локализации фосфора в слоях 2п0:Р. Во-

СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ZnO:P

277

прос о локализации фосфора в ZnO до настоящего времени остается дискуссионным. Возможны следующие пути внедрения фосфора (рис. 4): фосфор замещает кислород, образуя акцепторный дефект — РО; фосфор замещает цинк, образуя антиструктурный дефект донор — Р2п. Образование того или иного типа дефектов зависит от конкретных условий приготовления. Большинство авторов считают, что образование дефектов РО затруднено в связи с большим атомным радиусом фосфора [13, 14]. Теоретическая оценка глубины залегания акцепторного уровня РО дает значение 0.62 эВ относительно потолка валентной зоны. С другой стороны, доминирующим мелким акцептором может выступать комплекс Р2п—2К2п (рис. 4), имеющий низкую энергию образования при синтезе ZnO в условиях с высоким содержанием кислорода [14].

Атомные концентрации элементов определяли по обзорным спектрам методом факторов относительной чувствительности. Калибровку спектров осуществляли по линии С1ж с энергией связи 284.6 эВ. Для исследований были подобраны образцы ZnO:P я- ир-типа проводимости, содержащие равные концентрации фосфора.

В таблице приведен элементный состав пленок ZnO:P. Результаты указывают на то, что в процессе термического отжига подложек ZnP2 одновременно с ростом пленки ZnO происходит диффузия фосфора из подложки в объем растущего слоя. Концентрация фосфора в пленке ZnO достигает 0.49%, что соответствует атомной плотности 1019 см-3. Энергии связи OLs, Р2р3//2 и Zn2p3/2 приведены в таблице. В рентгеновских фотоэлектронных спектрах высокого разрешения и Zn2p3/2 наблюдаются линии с энергиями связи ~531.5 и ~1021.8 эВ, что соответствует ZnO [15].

На рис. 5 и 6 представлены спектры высокого разрешения Р2р3//2 для образцов ZnO:Р я- ир-типа проводимости. Как видно из рис. 5, в спектрах наблюдаются пики с энергией связи 130.0 и 133.52 эВ. С фосфором в ZnO связываются полосы с энергией связи в области 132-136 эВ [16-18].

Имеющие в литературе сведения о локализации фосфора в ZnO получены на образцах, легированных P2O5, и дают неоднозначные результаты. В [16] пик с энергией связи 134.5 эВ, наблюдаемый в образцах ZnO:P, выращенных при температурах 350-

Рис. 4. Атомная конфигурация акцепторов в ZnO:P ^с и Pzn-2FZn).

I, отн. ед.

20 Ь

15 -

10 -

134 136 138 Энергия связи, эВ

Рис. 5. РФЭС высокого разрешения P2p3/2 для пленок я-ZnO:P, выращенных при температуре 450°С.

750°С, связывается с присутствием молекул P2O5. Для инверсии типа проводимости использован быстрый термический отжиг в среде азота. По мнению авторов, при температурах отжига выше 800°С молекулы P2O5 распадаются, при этом два

Элементный состав пленок ZnO:P по результатам РФЭС

Элемент Энергия связи, эВ Концентрация, ат. % Энергия связи, эВ Концентрация, ат. %

я^Ю^ (?отж = 450°С) р^^^ (?отж = 650°С)

Zn2p 1021.82 52.32 1021.78 48.29

531.53 47.19 531.55 51.22

P2p 130.1; 133.52 0.49 133.52 0.49

Рис. 6. РФЭС высокого разрешения Р2р3/2 для пленок р-Хп0:Р, выращенных при температуре 650°С.

Рис. 7. Спектры ФЛ пленок Хп0:Р, выращенных при температурах 650 (1), 450°С (2).

атома фосфора выступают как акцепторы, а пять атомов кислорода компенсируют вакансии кислорода, выступающие как доноры. Авторы [17] наблюдали пики с энергиями 135.0, 133.0 и 132.7 эВ. Как полагают авторы, пик с энергией 135.0 эВ связан с Р205, пик 133 эВ, возможно, — с фосфидом и пик 132.7 эВ — с анионом фосфора. Однако пик 132.7 эВ является слабым, и это означа

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»