WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 3 Люминесценция квантовых точек ZnO, полученных с помощью синтетического опала ¶ © А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, Г.А. Емельченко, И.А. Карпов, В.М. Масалов, Г.М. Михайлов, Е.Е. Якимов Институт проблем технологии микроэлектроники Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 25 июня 2002 г. Принята к печати 27 июня 2002 г.) Исследованы люминесцентные свойства слоев ZnO различной толщины, нанесенных на поверхности синтетического опала. Обнаружены узкие пики свечения в экситонной области спектра, обусловленные размерным квантованием электронных волновых функций. Методом атомно-силовой микроскопии и исследованием угловой зависимости спектров люминесценции установлено формирование квантовых точек оксида цинка внутри пор опала на втором приповерхностном слое.

1. Введение трическим и кристаллическим параметрам, оксид цинка существенно проще в технологии получения и более Синтетические опалы могут быть использованы не стоек в эксплуатации. В работе [8] сообщалось, что нам только как пассивные фотонные кристаллы, но и в каудалось наблюдать стимулированную люминесценцию честве матриц для создания трехмерных конфигураций в ультрафиолетовой области 397 нм при возбуждении наноразмерных электронных приборов. Так, авторы [1,2] азотным лазером пленок оксида цинка на окисленном при исследовании нанокомпозитов опал–Pt–Si показали, кремнии. В зависимости от кристаллической структуры что трехмерно-упорядоченные барьеры Шоттки могут и состава дефектов в пленках ZnO на их основе мобыть сформированы на внутренней поверхности пор гут быть получены структуры с интенсивной полосой опала. Длаее, этими авторами электронно-микроскосвечения в области электронно-дырочной рекомбинации пическими методами показана возможность получения при комнатной температуре. Мы рассмотрим влияние кристаллического GaN в порах опала [3]. Исследование пространственного квантования волновых функций нооптического отражения подтвердило, что полученные сителей на интенсивность и спектральные характеристикомпозиты опала — GaN сохраняют трехмерное упоряки данного свечения ZnO при использовании в качестве дочение.

подложки матрицы синтетического опала.

Однако при исследовании такого рода трехмерноупорядоченных наноструктур в первую очередь интересно изучение их люминесцентных свойств. Дело в том, что наличие фотонной запрещенной зоны в видимом 2. Эксперимент диапазоне длин волн и размерное квантование электронных волновых функций могут позволить существенно В работе использовались синтетические опалы с диамодифицировать и улучшить излучательные свойства метром сфер 279 нм, образующих регулярную ГЦК этих структур. Цель данной работы — исследование решетку (рис. 1), нанесенные на стеклянную подложку.

люминесцентных свойств пространственно когерентного На образцы опалов методом электронно-лучевого высоансамбля квантовых точек и профилированных слоковакуумного напыления на установке L-560 (Leubold ев ZnO, полученных с помощью синтетического опала.

Haereus) наносились пленки оксида цинка различной Получение качественных наноструктур на основе плетолщины: 90, 300 и 600 нм. Методом атомно-силовой нок ZnO с преобладающим свечением в ультрафиолетомикроскопии (АСМ) была изучена микроструктура повой области спектра необходимо для создания мощных лученных слоев. Исследовались спектры фотолюмиполупроводниковых источников света в этом диапазоне.

Этот полупроводниковый материал характеризуется ши- несценции (ФЛ) пленок ZnO–опал при температуре рокой запрещенной зоной (3.4 эВ [4]), прямыми межзон- жидкого азота при возбуждении импульсным азотным ными переходами и низким удельным сопротивлением, лазером ЛГИ-505. Спектры анализировались с помощью что позволяет использовать его для изготовления полу- двойного монохроматора МДР-6, управляемого компьюпроводниковых светодиодов [5], прозрачных контактов тером, что давало при используемых щелях спектральи окон солнечных элементов [6,7]. Являясь полным ное разрешение не хуже 1 мэВ. Толщина пленок ZnO аналогом нитрида галлия по своим оптическим, элекизмерялась профилометром после напыления ступеньки ¶ на той части стекла, где не был высажен искусственный E-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru Fax: (095) 9628047 опал.

Люминесценция квантовых точек ZnO, полученных с помощью синтетического опала глубоко расположенные на втором приповерхностном слое квантовые точки. В данном спектре кроме обычной экситонной линии 3.33 эВ имеется еще длинноволновое краевое свечение 3.16 эВ, обусловленное несовершенством кристаллической структуры материала.

Более детальное рассмотрение пространственной структуры ZnO-опал при малой толщине оксида цинка и геометрии эксперимента по регистрации люминесценции указывает, что возбуждение квантовых точек на втором приповерхностном слое азотным лазером может происходить лишь при углах регистрации более 30.

При меньших углах в эксперименте сферы первого поверхностного слоя опала (тоже покрытые ZnO) заслоняют собой квантовые точки от возбуждающего пучка лазера. Таким образом, спектр люминесценции (рис. 2, кривая 2) при угле регистрации = 20 представляет свечение верхних полусфер шаров поверхностного слоя опала, покрытых слоем оксида цинка. Ввиду большого размера данных полусфер в этом случае отсутствуРис. 1. Атомно-силовые микроскопические изображения поет эффект пространственного квантования электронных верхности синтетического опала на стекле, использованного волновых функций и разбиение экситонного свечения для напыления слоев ZnO различной толщины. Размер скана на ряд узких линий, характерное для квантовых то1960 1960 нм нм.

чек. Сравнение формы линий спектра этих полусфер и пленок на стекле (кривые 1 и 2) говорит о более аморфной кристаллической структуре ZnO на полусфе3. Экспериментальные результаты рах из-за уширения экситонного пика и появления краи их обсуждение евого свечения при 3.16 эВ. Данные АСМ исследований свидетельствуют, что оксид цинка на шарах опала имеет На рис. 2 приведены спектры ФЛ пленок ZnO-опал не сферическую, а кусочно-плоскую поверхность типа с наименьшей толщиной 90 нм. Регистрация люминесфутбольного мяча. Вероятно, каждый плоский участок ценции производилась под разными углами по от(размером 30-60 нм) этой поверхности соответствует ношению к нормали поверхности опала, в то время отдельному монокристаллическому зерну ZnO.

как угол между лучем возбуждающего азотного лазера и осью собирающей линзы оставался постоянным и равным 45. Для сравнения (кривая 1) приведен спектр ФЛ пленки ZnO такой же толщины на стекле без опала. В последнем случае в свечении наблюдается лишь экситонный пик с максимумом 3.33 эВ. При наблюдении ФЛ под углами 35 и 45 (кривые 3 и 4) хорошо видно разбиение экситонного пика на несколько узких линий с максимумами 3.33, 3.373 и 3.413 эВ, смещенных в коротковолновую область спектра. Этот эффект можно объяснить размерным квантованием волновых функций электронов квантовых точек оксида цинка, формирующихся внутри пор опала на втором приповерхностном слое.

Латеральные размеры этих точек по данным АСМ исследований составляют менее 40 нм (рис. 1). Причем именно при углах регистрации 35-45 происходит их эффективное возбуждение азотным лазером. Отсутствие самого коротковолнового пика 3.413 эВ на кривой (рис. 2) можно объяснить перепоглощением люминесценции на верхних сферах опала, покрытых ZnO. Эти островки оксида цинка имеют существенно больший Рис. 2. Спектры фотолюминесценции пленки ZnO на стекразмер (280 нм) и характерные спектры ФЛ (кривая 2) ле (1) и структуры ZnO-опал (2–4) с толщиной слоя окибез узких пиков размерного квантования. Под углом реси цинка 90 нм, измеренные для углов регистрации, град:

гистрации 20 происходит лишь возбуждение именно по- 2 — 20, 3 — 35, 4 — 45. Угол отсчитывается от нормали верхностных сфер ZnO-опал, заслоняющих собой более к поверхности пленки. Температура измерений T = 80 K.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 332 А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, Г.А. Емельченко, И.А. Карпов, В.М. Масалов...

в данном случае по данным АСМ микроскопии. Видно, что спектры свечения на опале практически не зависят от угла возбуждения и регистрации (кривые 2–4), но слегка отличны от гладких пленок ZnO такой же толщины, нанесенных на обычное стекло (кривая 1).

Для гладких пленок экситонный пик существенно уже и имеет максимум при 3.339 эВ. На опале максимум свечения сдвигается в область 3.30 эВ и имеются два плеча на спектре свечения в коротковолновой и длинноволновой областях. Такое уширение может однозначно быть связано с ухудшением кристаллической структуры оксида цинка (толщиной 300 нм) на опале по сравнению со стеклянной подложкой. В случае подложки опала полупроводниковый материал имеет более аморфную структуру, приводящую к уширению экситонного пика свечения.

Дальнейшее увеличение толщины напыляемой пленки до 600 нм еще больше сглаживает поверхностный рельеф пленки ZnO на опале. Характерные спектры свечения пленок на опале и стекле для данной толщины приведеРис. 3. Спектры фотолюминесценции пленки ZnO на стекны на рис. 4 и парактически не отличаются. В данном ле (1) и структуры ZnO-опал (2–4) с толщиной слоя окиси случае присутствуют лишь характерные узкие пики цинка 300 нм, измеренные для углов регистрации, град:

экситонной люминесценции с максимумом при 3.339 эВ.

2 — 20, 3 — 35, 4 — 45. Угол отсчитывается от нормали Если учесть, что возбуждающее излучение азотного к поверхности пленки. Температура измерений T = 80 K.

лазера (337.1 нм) практически полностью поглощается в верхнем слое ZnO толщиной 100-200 нм, то можно говорить об отсутствии влияния подложки опала на кристалличность и стехиометрию поверхностного слоя для толстых слоев.

4. Заключение Таким образом, на структуре ZnO-опал при малой толщине оксида цинка (90 нм) была обнаружена в ультрафиолетовой экситонной области спектра люминесценция квантовых точек, сформированных на втором приповерхностном слое опала. С увеличением толщины слоя до 300 и 600 нм ZnO осаждался уже не в виде отдельных квантовых точек, а сплошным покрытием, и размерное квантоваение электронных состояний отсутствовало.

Процесс формирования полупроводниковых квантовых точек с помощью внешней маски из шариков опала в принципе отличается от самоорганизации квантовых точек в твердых растворах [9]. В нашем случае проРис. 4. Спектры фотолюминесценции пленки ZnO на стекстранственные размеры точек имеют гораздо меньший ле (1) и структуры ZnO-опал (2–4) с толщиной слоя окиси разброс и квантовые точки расположены пространцинка 600 нм, измеренные для углов регистрации, град:

ственно когерентно (в порах опала). В предлагаемой 2 — 20, 3 — 35, 4 — 45. Угол отсчитывается от нормали к поверхности пленки. Температура измерений T = 80 K. технологии изготовления квантовых точек возможно дальнейшее удаление матрицы опала подбором состава соответствующего травителя с оставлением на подложке лишь участков полупроводникового материала — оксида Увеличение толщины пленки до 300 нм приводит цинка.

к существенному изменению спектров ФЛ структуры пленка ZnO -опал (рис. 3). Следует отметить уже Работа выполнена при поддержке ИНТАС (проект сплошной характер нанесенной пленки оксида цинка № 2002-0796).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Люминесценция квантовых точек ZnO, полученных с помощью синтетического опала Список литературы [1] V.N. Bogomolov, N.A. Feoktistov, V.G. Golubev, J.J. Hutchison, D.A. Kurdyukov, A.B. Pevtsov, R. Schwarz, J. Sloan, I.M. Sorokin. J. Non-Cryst. Sol., 266–269, 1021 (2000).

[2] C. Diaz-Guerra, J. Piqueras, V.G. Golubev, D.A. Kurdyukov, A.B. Pevtsov, M.V. Zamoryanskaya. Appl. Phys. Lett., 77,(2000).

[3] В.Г. Голубев, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, Л.М. Сорокин, Дж. Хатчсон. ФТП, 35, 1376 (2001).

[4] Y. Chen, D.M. Bagnall, Z. Zhu, T. Sekiuchi, K. Park. J. Cryst.

Growth, 181, 165 (1997).

[5] Y.R. Ray, W.J. Kim, H.W. White. J. Cryst. Growth, 219, (2000).

[6] А.Н. Георгобиани, А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, М.О. Воробьев. ФТП, 36 (3), 284 (2002).

[7] J.R. Tuttle, M.A. Contreras, T.J. Gillespie, R.K. Garbor, R. Noufi. Progress in photovoltaics research and application, 3, 235 (1995).

[8] А.Н. Грузинцев, В.Т. Волков, К. Бартхоу, П. Беналул. ФТП, 36 (6), 741 (2002).

[9] Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьев, Ж.И. Алфёров, Д. Бимберг. ФТП 32, 385 (1998).

Редактор Т.А. Полянская Luminescence of the ZnO quantum dots, obtained by means of the synthetic opal A.N. Gruzintsev, V.T. Volkov, G.A. Emelchenko, I.A. Karpov, W.M. Maslov, G.M. Michailov, E.E. Yakimov Institute of Microelectronics Technology & High Purity Materials of Russian Academy of Sciences, 142432 Chernogolovka, Russia Institute of Solid State Physics of Russian Academy of Sciences, 142432 Chernogolovka, Russia Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.




© 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.