WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 3 Фотоэлектрические свойства пленок ZnO, легированных акцепторными примесями Cu и Ag ¶ © А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, Е.Е. Якимов Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 1 июля 2002 г. Принята к печати 2 июля 2002 г.) Исследовано влияние на люминесценцию и фотопроводимость пленок оксида цинка легирования акцепторными примесями Cu и Ag с различной концентрацией 1, 3 и 5 ат%. Методом электронно-лучевого испарения при оптимальных режимах получены пленки с преобладанием люминесценции в ультрафиолетовой области спектра. Показано, что внедрение меди дает три типа точечных дефектов в ZnO: CuZn(3d10); CuZn(3d9) и Cui, а серебра — один тип: AgZn(3d10). Обнаружено выделение фазы оксида серебра при максимальной концентрации примеси. Внедрение примеси приводит к резкому возрастанию сопротивления и фоточувствительности пленок.

1. Введение дефекты — вакансии кислорода, а акцепторами — внедренные примеси. Были также определены глубины Оксид цинка благодаря своим пьезоэлектрическим залегания соответствующих акцепторных уровней по свойствам, высокой электронной проводимости и оп- отношению к валентной зоне. При этом оказалось, что тической прозрачности нашел самое широкое приме- медь и серебро дают наиболее мелкие уровни с энергиянение в различных приборах оптоэлектроники. Недав- ми связи состояний 3d10: 0.38 и 0.20 эВ соответственно.

нее успешное получение [1–4] примесной проводимости Авторы указывали на еще меньшую энергию связи p-типа (с концентрацией дырок более 1019 см-3) по- данных акцепторов в состоянии 3d9, характерном для средством легирования акцепторами пятой группы (N, изолирующих пленок ZnO. Однако метод магнетронного P и As) позволяет считать ZnO самым перспективным напыления не позволил получить пленки с малой конв семействе широкозонных полупроводников (ZnSe, SiC, центрацией электронов и хорошей кристалличностью.

GaN и т. д.). Дело в том, что оксид цинка, легированный Поэтому интересно исследовать пленки, полученные донорными примесями алюминия и галлия, традиционно другими методами напыления, в которых имеется избыиспользуется в качестве низкоомного прозрачного кон- ток кислорода в стехиометрии и различная концентратакта, имеющего высокую радиацинную, химическую и ция легирующих примесей.

термическую стойкость. Таким образом, наличие высо- Цель данной работы — исследование влияния легикой электронной и дырочной проводимости в сочетании рования ZnO акцепторными примесями первой групс широкой прямой запрещенной зоной (3.37 эВ) делают пы — медью и серебром с различными концентраоксид цинка перспективным материалом для создания циями — на проводимость, фоточувствительность и полупроводниковых источников видимого и ультрафио- люминесцентные свойства материала. Использовался летового света. метод электронно-лучевого испарения с регулированием состава ионной компоненты в процессе напыления, не Появились первые попытки получения светодиодов требующий последующего высокотемпературного отжина основе оксида цинка, легированного донорными и га пленок, приводящего к потере кислорода [8].

акцепторными примесями [5]. Однако представленные в этой рабте диоды вообще не люминесцировали, хотя нелегированные пленки ZnO имеют обычно хорошую 2. Методика эксперимента ультрафиолетовую фотолюминесценцию в области связанных экситонов (370 нм) [6]. Поэтому необходимо В работе исследовались люминесцентные и фотовыбирать легирующую примесь таким образом, чтобы электрические свойства пленок ZnO : Cu и ZnO : Ag, она не только давала необходимую величину и тип полученных методом электронно-лучевого напыления на проводимости, но и не ухудшала спектр свечения и аморфные подложки из термически окисленного кремпрозрачность оксида цинка.

ния (SiO2) с использованием установки L-560 фирмы Следует отметить, что в предыдущей своей работе [7] „Leubold Haereus“. Для регулирования состава ионной мы исследовали влияние примесей меди, серебра и компоненты в процессе напыления к подложке приклазолота на свечение пленок оксида цинка, полученных медывалось положительное напряжение [8]. Легирование тодом магнетронного напыления. Было обнаружено препленок осуществлялось добавлением окислов меди и обладание зеленого свечения донорно-акцепторноных серебра в материал распыляемой мишени ZnO в атопар (ДАП), в которых донорами являлись собственные марной концентрации 1, 3 и 5%. Исследовались спек¶ тры фотолюминесценции пленок в жидком азоте при E-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru Fax: (095) 9628047 возбуждении импульсным азотным лазером ЛГИ-505.

2 276 А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, Е.Е. Якимов Спектры анализировались с помощью двойного монохроматора МДР-6, управляемого компьютером, что давало при используемых щелях спектральное разрешение не хуже 1 мэВ. Толщина пленок, измерявшаяся кварцевым толщиномером в процессе напыления, составляла 0.5 мкм. В исследованиях кристаллической структуры и морфологии поверхности пленок использовался электронный просвечивающий микроскоп JEM-2000FX.

Исследования фотопроводимости проводились в ультрафиолетовой и видимой областях спектра при помощи падающего излучения лампы накаливания „Нарва-100“, пропущенного через абтюратор с частотой прерывания 102 Гц, а также светосильный монохроматор МДР-12.

Рис. 2. Спектры фотолюминесценции легированных пле3. Экспериментальные результаты нок ZnO : Cu при T = 80 K и концентрациях примеси, ат%:

и их обсуждение 1 —1, 2 —3, 3 —5.

На рис. 1 представлен спектр фотолюминесценции (ФЛ) нелегированной (кривая 1) и легированных серебром с разной концентрацией (кривые 2–4) пленок а также широкое плечо в более длинноволновой области оксида цинка. Для чистых пленок ZnO характерно на- спектра с максимумом при 3.05 эВ (рис. 2, кривая 3). Эти личие узкого пика с максимумом при 3.30 эВ. Легиро- же линии проявляются в спектрах ФЛ пленок с меньшей вание приводит к уширению ультрафиолетового свече- концентрацией меди.

ния ZnO : Ag за счет роста вклада длинноволновой части Отметим практическое отсутствие для обеих примеспектра. При этом наблюдается рост суммарной интен- сей зеленой полосы люминесценции, которую в ранних сивности вплоть до концентрации 3 ат%. Интенсивность работах связывали с примесью меди в окисле цинка.

люминесценции пленок с максимальной концентрацией Ранее [7] мы связали зеленое свечение с переходами серебра 5 ат% (рис. 1, кривая 4) резко падала, и были с вакансий кислорода в валентную зону или внутри явно видны два пика с энергиями 3.17 и 3.33 эВ.

донорно-акцепторной пары, где донором является ваканСпектры ФЛ пленок ZnO : Cu при соответствующих сия кислорода, а акцептором — мелкий примесный или концентрциях примеси (рис. 2) отличаются как поло- собственный дефект. Таким акцептором, в частности, жением максимумов ультрафиолетового свечения, так может быть медь или серебро. Но если в процессе гораздо меньшей полушириной линий по сравнению роста пленки создается избыток кислорода, то, как видно с пленками ZnO : Ag. В отличие от спектров чистого из приведенных выше спектров, удается убрать зеленое оксида цинка в данном случае хорошо видна тонкая свечение, оставив лишь краевое и экситонное в фиолетоструктура. Для пленок ZnO : Cu (5ат%) можно выделить вой части спектра. При этом широкие длинноволновые три узкие линии с максимумами при 3.26, 3.31 и 3.35 эВ, полосы при 3.17 эВ для ZnO : Ag (рис. 1, кривая 4) и 3.05 эВ для ZnO : Cu (рис. 2, кривая 3) называются краевым свечением и обусловлены переходами электрона из зоны проводимости на соответствующие примесные акцепторы. Более узкие коротковолновые линии обусловлены рекомбинацией связанных экситонов. Причем, если для больших (5ат%) концентраций серебра характерно наличие одной линии связанного экситона при 3.33 эВ, то для аналогичной концентрации меди имеются три экситонные линии с максимумами 3.26 (I1), 3.31 (I2) и 3.35 эВ (I3). Эти пики не могут быть фононными повторениями, так как их относительная интенсивность зависит от концентрации меди. Принимая во внимание переменную валентность меди, логично объяснить первые две линии I1 и I2 рекомбинацией связанных экситонов на акцепторах CuZn в разных зарядовых состояниях (3d10 и 3d9), а линию I3 — рекомбинацией Рис. 1. Спектры фотолюминесценции нелегированных пле- связанных экситонов на донорах Cui. По отношению нок ZnO (1) и легированных пленок ZnO : Ag при T = 80 K интенсивностей данных экситонных пиков для разных и концентрациях примеси, ат%: 2 —1, 3 —3, 4 —5.

концентраций внедренной меди можно судить о том, Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Фотоэлектрические свойства пленок ZnO, легированных акцепторными примесями Cu и Ag Удельные сопротивления пленок ZnO : Cu и ZnO : Ag с различной концентрацией примесей Тип примеси Ag Ag Ag Cu Cu Cu Концентрация, ат% 1 3 5 1 3 Удельное сопротивление, Ом · см 8.5 · 103 2.1 · 104 1.2 · 105 1.3 · 105 3.1 · 105 1.3 · в каком из трех возможных видов дефектов находятся Необычный вид спектров фотопроводимости и потематомы меди в решетке оксида цинка. Что касается нение пленок ZnO : Ag (5ат%) позволил нам предполосеребра, то наши измерения (рис. 1) свидетельствуют о жить наличие в них второй фазы — оксида серебра. Для подтверждения этой гипотезы были проведены исследоналичии лишь одного экситонного пика, т. е. одного типа вания планарных срезов пленок методом просвечиваюдефектов: AgZn.

щей микроскопии. Использование электронного просвеПоскольку медь и серебро в ZnO являются акцепчивающего микроскопа JEM-2000FX показало наличие торными примесями, интересно исследовать проводивнутри пленки вкраплений размером 0.2–0.3 мкм с элекмость пленок четырехконтактным методом. В таблице тронограммой, типичной для оксида серебра. На пленках приведены удельные сопротивления пленок с различной с медью образование второй фазы не наблюдалось для концентрацией примесей. Если учесть, что удельное всех исследованных концентраций.

сопротивление нелегированных пленок оксида цинка, напыленных при тех же условиях, составляет 0.77 Ом · см, то наблюдалось существенное увеличение сопротивления за счет легирования. Можно отметить, что внедрение меди приводит к большему росту (на порядок) сопротивления по сравнению с внедрением примеси серебра с той же концентрацией.

Получение изолирующих пленок ZnO : Cu и ZnO : Ag позволяет исследовать спектры их фотопроводимости (ФП). Дело в том, что в чистом материале темновая проводимость столь велика, что дополнительная засветка пленки не дает ее существенного изменения и в спектре ФП не наблюдается ничего, кроме шумов (рис. 3, кривая 1). Повышение сопротивления легированных пленок ZnO : Ag существенно улучшает отношение сигнал / шум и дает интенсивный пик фоточувствительности в красной области с максимумом при 1.8 эВ и Рис. 3. Спектры фотопроводимости нелегированных плеплечом при 1.95 эВ для максимальной концентрации нок ZnO (1) и легированных пленок ZnO : Ag при T = 300 K серебра (рис. 3, кривая 4). Отметим, что эти пленки для концентраций примеси, ат%: 2 —1, 3 —3, 4 —5.

обладают существенным поглощением видимого света с энергией фотона более 1.8 эВ.

Фотопроводимость пленок ZnO : Cu имеет максимумы в фиолетовой части спектра при 3.0, 3.16 и 3.5 эВ, а также максимум при 2.75 эВ для концентрации меди 3 ат% (рис. 4). Сразу можно отметить пик зеленого свечения при 2.45 эВ для этой же концентрации примеси в спектре ФЛ (рис. 2, кривая 2), обусловленный вакансиями кислорода [7]. Поэтому проводимость в видимой части спектра при 2.75 эВ скорее всего обусловлена переходами электронов с вакансий кислорода в зону проводимости. Самый коротковолновый пик ФП при 3.5 эВ связан с переходом носителей из валентной зоны в зону проводимости и хорошо коррелирует с шириной запрещенной зоны оксида цинка. Два пика в краевой области при 3.0 и 3.16 эВ вероятнее всего обусловлены переходами электронов с акцепторов CuZn Рис. 4. Спектры фотопроводимости легированных плев разных зарядовых состояниях (3d10 и 3d9) в зону нок ZnO : Cu при T = 300 K для концентраций примеси, ат%:

проводимости. 1 —1, 2 —3, 3 —5.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 278 А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, Е.Е. Якимов 4. Заключение [3] K. Minegishi, Y. Kowai, Y. Kikuchi, K. Yano, M. Kasuga, A. Shimizu. Jap. J. Appl. Phys., 36, L1453 (1997).

В результате легирования пленок оксида цинка при- [4] А.Н. Георгобиани, А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, М.О. Воробьев. ФТП, 36 (3), 205 (2002). [Semiconductors, 36 (3), месями серебра и меди с высокой концентрацией от 265 (2002)].

до 5 ат% удалось получить высокоомные слои с вы[5] X. Guo, H. Choi, H. Tabata, T. Kawai. Jap. J. Appl. Phys., 40, сокой фоточувствительностью в видимой (ZnO: Ag) и L177 (2001).

ультрафиолетовой (ZnO: Cu) областях спектра. За счет [6] S.B. Zhang, S.H. Wei, A. Zunger. Phys. Rev. B, 63, 205 (2001).

обогащения кислородом в процессе роста и примесного [7] А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, И.И. Ходос, Т.В. Никифорова, легирования спектры ФЛ пленок состояли из линий М.Н. Ковальчук. Микроэлектроника, 31, 202 (2002).

краевого и экситонного свечения в фиолетовой части [8] А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, Л.Н. Матвеева. Микроэлекспектра. При этом краевое свечение было обусловтроника, 31, 211 (2002).

лено переходами электронов из зоны проводимости [9] M. Aven, J.S. Prener. Physics and chemistry of II–VI comна акцепторные уровни, а экситонное — рекомбинацией pounds (North-Holland PC, Amsterdam, 1967).

экситонов, связанных на примесных дефектах.

Редактор Т.А. Полянская Анализ спектров фотолюминесценции и фотопроводимости позволяет сделать вывод о различном механизме внедрения указанных выше примесей. Если атомы меди Photoelectrical properties of ZnO films, внедряются в виде точечных дефектов трех типов: акцепdoped with acceptor impurities Cu and Ag торов CuZn в двух зарядовых состояниях (3d10 и 3d9), а A.N. Gruzintsev, V.T. Volkov, E.E. Yakimov также доноров Cui, то атомы серебра внедряются лишь в виде дефектов замещения AgZn в одном зарядовом Institute of Microelectronics Technology, состоянии (3d10). Причем часть серебра выделяется Russian Academy of Sciences в виде второй фазы — оксида серебра при концентрации 142432 Chernogolovka, Russia более 3 ат%.

Внедрение меди и серебра в оксид цинка существенно

Abstract

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.