WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 3 Влияние отжига в радикалах кислорода на люминесценцию и электропроводность пленок ZnO : N © А.Н. Георгобиани¶, А.Н. Грузинцеⶶ, В.Т. Волков, М.О. Воробьев Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 3 июля 2001 г. Принята к печати 4 сентября 2001 г.) Показано, что внедрение в процессе роста в пленки оксида цинка акцепторной примеси азота может привести к формированию дырочной проводимости лишь после отжига в парах атомарного кислорода. Отжиг влияет не только на электрические свойства, но и на люминесценцию ZnO : N. В спектре фотолюминесценции появляются полосы в ультрафиолетовой и видимой областях, обусловленные внедрением азота.

1. Введение лия в качестве соактиватора. Применение газообразного азота в качестве транспортного газа не приводило Оксид цинка благодаря своим пьезоэлектрическим к дырочной проводимости. В этой работе сделан вывод свойствам, высокой электронной проводимости и опти- о необходимости внедрения в полупроводник донорной ческой прозрачности нашел самое широкое примене- примеси для увеличения растворимости азота. Однако ние в различных приборах оптоэлектроники. Результаты, результаты свидетельствуют, что двойное легирование достигнутые в последние два года [1–3] по получе- приводит к резкому на 5 порядков уменьшению подвижнию ZnO p-типа проводимости с концентрацией дырок ности носителей тока (до 0.05 см2/В·с). По нашему > 1019 см-3 при легировании акцепторными примесями мнению, использование окисей азота и галлия дает пятой группы (N, P и As), позволяют считать этот положительный эффект прежде всего за счет введения материал одним из самых перспективных в семействах в пленку избыточного кислорода. Дело в том, что неширокозонных полупроводников II–VI и III–V. Дело достаток кислорода в ZnO приводит к возникновению в том, что оксид цинка, легированный донорными при- собственных дефектов донорного типа (межузельный месями алюминия и галлия, традиционно используется цинк и вакансии кислорода), которые компенсируют в качестве прозрачного контакта, имеющего высокую акцепторы, обусловленные азотом.

радиационную, химическую и термическую стойкость.

Цель данной работы — исследование влияния отжига Таким образом, наличие высокой электронной и ды- ZnO : N в атмосфере максимального давления атомаррочной проводимости в сочетании с широкой прямой ного кислорода на проводимость и люминесцентные запрещенной зоной (3.4 эВ) делают оксид цинка перспек- свойства материала. Использование радикалов (атомов) тивным материалом для создания полупроводниковых кислорода [7–9] дает максимальное из возможных эфисточников видимого и ультрафиолетового излучения.

фективное давление кислорода над пленкой и позволяет Появились первые попытки получения светодиодов сместить стехиометрию материала в сторону избытка на основе легированного донорными и акцепторными кислорода, уменьшив тем самым концентрацию собпримесями оксида цинка [4,5]. Однако полученные в этих ственных дефектов донорного типа.

работах диоды либо вообще не люминесцировали, либо имели очень слабую электролюминесценцию в красной 2. Методика эксперимента области, в то время как нелегированные пленки ZnO имеют обычно интенсивную ультрафиолетовую фотолюВ нашей работе исследовались фотолюминесценция минесценцию в области связанных экситонов на длии электрические свойства пленок ZnO : N, полученных не волны 370 нм [6]. Следовательно, необходиметодом магнетронного высокочастотного напыления на мо активировать легирующую примесь таким образом, аморфные подложки термически окисленного кремния чтобы она не только давала требуемые величину и SiO2. Легирование пленок осуществлялось за счет истип проводимости, но и не уменьшала интенсивность, пользования при напылении газообразной плазмы кислоне искажала спектр свечения, а также не уменьшала рода и азота с различным соотношением компонентов.

прозрачность оксида цинка. Только в одной работе [2] Анализ примесного состава полученных неотожженных авторам удалось получить p-тип проводимости за счет пленок методом масс-спектрометрии вторичных ионов легирования азотом. При этом легирование происходило показал наличие азота в количестве, зависящем от парпри добавлении в процессе роста оксида цинка окиси циального давления азота в процессе напыления. Для азота N2O и одновременном использовании окиси галопределенности в дальнейшем мы исследовали пленки ¶ ZnO : N с содержанием азота 0.1 и 1 ат%. Использование E-mail: georg@sci.lebedev.ru ¶¶ E-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru кислорода в качестве одного из компонентов магнеВлияние отжига в радикалах кислорода на люминесценцию и электропроводность пленок ZnO : N тронной плазмы приводило к необходимому составу ZnO в напыляемых пленках. Сразу после напыления изза большой энергии распыляемых ионов пленки были аморфными, изолирующими и нелюминесцирующими.

Требовался дальнейший их отжиг для кристаллизации, управления составом точечных дефектов и смещения стехиометрии в сторону избытка кислорода.

Пленки ZnO : N отжигались различное время в атмосфере кислорода (при давлении 10-2 Topp) и в радикалах кислорода (по методике [7]) при различной температуре.

Снимались спектры фотолюминесценции (ФЛ) пленок в жидком азоте при возбуждении импульсным азотным лазером ЛГИ-505. Люминесценция анализировалась с помощью двойного монохроматора МДР-6, управляемого компьютером, что давало при используемых щелях спектральное разрешение не хуже 1 мэВ. Толщина пленок измерялась кварцевым толщиномером в процессе напыления и составляла 0.5 мкм. При исследованиях кристаллической структуры и морфологии поверхности пленок использовался электронный просвечивающий микроскоп Джеол-2000. Тип проводимости контролировался методом термической электродвижущей силы (термоэдс) с последующим измерением подвижности носителей лучших образцов по методу Холла. Величина проводимости измерялась методом четырех контактов.

Наносились контакты из индия для пленок с электронной Рис. 1. Спектры фотолюминесценции при 80 K пленок ZnO : N проводимостью и из золота для пленок с дырочной (0.1 aт%) до (1) и после отжига в течение 1 ч в атмосфере проводимостью.

обычного кислорода при температурах Ta = 400 (2), 500 (3), 600 (4) и 700C (5).

3. Результаты эксперимента Анализ спектров ФЛ показал наличие у отожженных образцов ZnO : N ультрафиолетового экситонного (при энергии фотонов = 3.3-3.35 эВ), синего ( = 2.7-2.8эВ) и желто-зеленого свечения ( = 2.2-2.4эВ). Положение максимумов свечения и их интенсивность зависели от температуры и атмосферы отжига. Неотожженные пленки практически не люминесцировали.

На рис. 1 представлены спектры фотолюминесценции легированных пленок ZnO : N (0.1 ат%) до и после отжига при различных температурах в атмосфере обычного кислорода. Можно отметить, что при низкой температуре отжига (до Ta = 500C) в спектре ФЛ преобладает синяя полоса свечения с максимумом при = 2.8эВ (кривые 2, 3). Рост температуры отжига вызывает появление зеленой полосы с максимумом = 2.4эВ.

При Ta = 700C она становится доминирующей у пленок ZnO : N с малой концентрацией азота (рис. 1, кривая 5).

Отжиг в атомарном кислороде приводит к качественному отличию спектров ФЛ пленок ZnO : N (0.1 ат%) (рис. 2) от приведенных на рис. 1. Здесь при низкой температуре отжига также превалирует синяя полоса люминесценции = 2.8эВ (кривые 1 и 2). Однако при больших температурах отжига, Ta = 600-700C, наряду с зеле- Рис. 2. Спектры фотолюминесценции при 80 K пленок ZnO : N ной полосой появляется интенсивное ультрафиолетовое (0.1 aт%) после отжига в течение 1 ч в радикалах кислорода при температурах Ta = 400 (1), 500 (2), 600 (3) и 700C (4).

свечение с максимумом = 3.3-3.35 эВ.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 286 А.Н. Георгобиани, А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, М.О. Воробьев Рассмотрим теперь спектры ФЛ пленок ZnO : N с большим содержанием азота, 1 ат% (рис. 3 и 4). В данном случае низкотемпературный отжиг в атмосфере обычного кислорода также приводит к появлению синего свечения с максимумом при = 2.8 эВ, но на этой полосе имеется коротковолновое плечо при 3.0 эВ (рис. 3, кривые 3 и 4), которое переходит в плечо 3.1 эВ на интенсивной экситонной полосе = 3.3эВ при максимальной температуре отжига Ta = 700C (кривая 5). В последнем случае, как и для малых концентраций азота, появляется зеленое свечение, но уже состоящее из двух элементарных полос с максимумами при = 2.25 и 2.6 эВ. Отжиг в атмосфере радикалов кислорода приводит к ФЛ пленок ZnO : N (1ат%), спектры которой качественно похожи на спектры пленок с малой концентрацией азота (рис. 2). Здесь также при малых температурах отжига преобладает синяя полоса = 2.8 эВ, а при больших — зеленое свечение при 2.4 эВ и ультрафиолетовое экситонное свечение при 3.3 эВ.

Обратимся теперь к зависимости электропроводноРис. 4. Спектры фотолюминесценции при 80 K пленок ZnO : N сти пленок ZnO : N от условий отжига, представленной (1aт%) после отжига в течение 1 ч в радикалах кислорода при в таблице. Прежде всего отметим уменьшение удельтемпературах Ta = 400 (1), 500 (2), 600 (3) и 700C (4).

ного сопротивления пленок при низкотемпературном отжиге в атмосфере кислорода вплоть до температуры Ta = 600C. При этом дальнейшее увеличение температуры отжига до Ta = 700C приводит к резкому росту удельного сопротивления до 106 Ом · см. Важно, что независимо от концентрации примеси азота в пленке отжиг в атмосфере неактивированного кислорода дает электронный тип проводимости. Использование при отжиге атмосферы радикалов кислорода, по мнению авторов [8], увеличивает эффективное давление атомарного кислорода более чем на 6 порядков. Это, как видно (таблица), приводит к изменению не только величины, но и типа проводимости пленок ZnO : N. В этом случае дырки становятся преобладающими носителями заряда после отжига пленок при температурах 400–600C. Наименьшее удельное сопротивление имеют пленки ZnO : N (1aт%) p-типа проводимости, полученные при температуре отжига Ta = 500C. Измеренная холловским методом подвижность дырок составляла для данных пленок 5 см2/В·с. Дальнейший рост температуры отжига в радикалах кислорода приводил к росту удельного сопротивления и к n-типу проводимости. Отжиг при Ta = 700C в любой кислородной атмосфере приводил к образованию изолирующих пленок.

4. Обсуждение результатов и выводы Таким образом, приведенные выше результаты свидетельствуют о существенной зависимости люминесцентРис. 3. Спектры фотолюминесценции при 80 K пленок ZnO : N ных и электрических свойств пленок ZnO : N от типа (1aт%) до (1) и после отжига в течение 1 ч в атмосфере кислородной атмосферы и температуры отжига. Следует обычного кислорода при температурах Ta = 400 (2), 500 (3), 600 (4) и 700C (5). отметить, что длительность отжига 1ч необходима Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Влияние отжига в радикалах кислорода на люминесценцию и электропроводность пленок ZnO : N Удельное сопротивление и тип проводимости пленок ZnO : N, Существует критическая температура отжига, превыотожженных при различных условиях шение которой не дает дырочной проводимости [8]. По приведенным выше данным пленки ZnO : N p-типа провоTa Без Условия Образец димости получаются при отжиге в радикалах кислорода отжига отжига 400C 500C 600C в интервале температур Ta = 400-600C. Следовательно, критическая температура отжига находится в инZnO : N 1.3·103 Без ратервале 600–700C для данной плотности атмосферы (0.1 ат%) дикалов 4.2·104 6.2·102 6.2 1.2·радикалов. В неактивированной атмосфере кислорода ZnO : N 1.3·103 Вради- (p) (p) (p) дырочной проводимости вообще не удается получить.

(0.1 ат%) калах 106 8.3·104 1.1·105 1.1·При высокой температуре отжига, Ta = 700C, поZnO : N 1.6·103 Без ралучаются изолирующие пленки ZnO : N с яркой лю(1ат%) дикалов 3.1·104 1.4·103 8.3 минесценцией. Яркость ФЛ в этом случае объясняетZnO : N 1.6·103 Вради- (p) (p) (p) ся хорошей поликристаллической структурой пленок (1ат%) калах 1.2·106 7·104 9.8·104 1.1·с большими размерами зерен (100 нм). При низкой температуре отжига доля квазиаморфного материала Примечание. Удельное сопротивление приведено в единицах довольно велика и размеры кристаллитов существенно Ом · см. (p) — дырочная проводимость, в остальных случаях — меньше. Это подтверждается не только исследованиями электронная.

наших пленок методом просвечивающей микроскопии, но и отсутствием экситонных линий в спектрах после низкотемпературных отжигов. Из приведенных выше для получения однородной по толщине пленки. Отжиг кривых ФЛ видно, что при максимальной температуре в течение большего времени существенно не изменял хаTa = 700C экситонная ультрафиолетовая полоса порактеристики люминесценции. На основании изменения является только в результате отжига. Отметим также, спектров ФЛ пленок ZnO : N в процессе отжига можно что при этой температуре отжига и при большой конценговорить о существующем изменении превалирующих трации азота в пленке (1ат%) появляются полосы ФЛ, собственных или примесных точечных дефектов. Согласне характерные для собственных дефектов, а именно, но литературным данным [10,11], зеленая полоса с макзеленая при = 2.6эВ и синяя при = 3.0-3.1эВ симумом = 2.4 эВ в чистом оксиде цинка связана (рис. 3). Их появление можно объяснить участием с вакансией кислорода VO в виде F+-центра. Синяя же примесных дефектов NO в излучательной рекомбинации:

полоса в области 2.8–3.0 эВ обусловлена акцепторами — в первом случае — с переходом электронов с уровня вакансиями цинка VZn, образующимися при избытке VO на уровень NO, а во втором случае — из зоны кислорода в кристаллической решетке оксида цинка.

проводимости на этот уровень. Стандартные зеленая и Ультрафиолетовое свечение в области = 3.3-3.35 эВ синяя полосы ФЛ с максимумами при = 2.4 и обусловлено по общепринятому мнению излучательной 2.8 эВ соответственно, как отмечалось выше, связаны рекомбинацией связанных экситонов. Более подробный с собственными дефектами — вакансиями кислорода и анализ экситонного свечения требует понижения темцинка в оксиде цинка.

пературы измерений ФЛ до гелиевой, тем более что Работа поддержана грантом РФФИ (проект № 00в пленках экситонные полосы, как правило, уширены 02-16421), a также Министерством науки Российской и сдвинуты по сравнению с пиками в кристаллах из-за Федерации как часть программы ”Физика твердотельных влияния подложки.

наноструктур” (проект № 99-1122) и как часть програмВ связи с этим остановимся подробнее на анализе мы ”Физика квантовых и волновых процессов” — подпрежде всего видимой люминесценции наших пленок.

программа ”Фундаментальная спектроскопия” (проект Преобладание синего свечения при = 2.8эВ при № 01.08.02.8-4).

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.