WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 6 Спонтанная и стимулированная ультрафиолетовая люминесценция ZnO : N при температуре 77 K ¶ + © А.Н. Георгобиани, А.Н. Грузинцев, E.E. Якимов, C. Barthou, P. Benalloul+ Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 119991 Москва, Россия Институт проблем технологии микроэлектроники Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия + Университет им П. и М. Кюри, 75252 Париж, Франция (Universit P. et M. Curie, 75252 Paris, France) (Получена 10 ноября 2004 г. Принята к печати 25 ноября 2004 г.) Выполнены исследования спектров спонтанной и стимулированной ультрафиолетовой люминесценции образцов ZnO : N с различным содержанием азота при температуре 77 K. Обнаружены пики свечения связанных и свободных экситонов, биэкситонов и рекомбинации электронов через акцепторный уровень азота.

Определена оптическая глубина уровня примесного акцептора NO (123 мэВ). Установлено возникновение стимулированной ультрафиолетовой люминесценции за счет неупругого взаимодействия экситонов при увеличении мощности оптической накачки.

1. Введение в области рекомбинации электронно-дырочной плазмы при 3.12 эВ. Пороговая мощность накачки импульсами Оксид цинка — широкозонный полупроводниковый азотного лазера была довольно высока (32 МВт/см2) изматериал (ширина запрещенной зоны Eg = 3.37 эВ), за поликристаллического характера пленок. При внеперспективный для создания полупроводниковых лазедрении в эти пленки методом ионной имплантации ров и светодиодов в ультрафиолетовой (УФ) области акцепторной примеси азота с последующим отжигом спектра. Большая энергия связи экситонов (60 мэВ) в радикалах кислорода наблюдалось появление p-типа позволяет получать интенсивное УФ свечение в ZnO проводимости [5]. Однако из-за существования критиблагодаря излучательной рекомбинации экситонов при ческой температуры отжига для получения дырочной комнатной температуре и выше (до 550 K) [1]. При проводимости в ZnO отжиг проводился при низких этом эффективность свечения столь высока, что удается температурах. Дело в том, что в ZnO при темпераполучать лазерный эффект при интенсивной оптической турах отжига ниже критической (Tc = 550C) из кринакачке. В зависимости от кристаллического качества сталлической решетки преимущественно улетает цинк.

и состава точечных собственных дефектов нелегироС увеличением температуры отжига выше Tc начинает ванного ZnO в спектре люминесценции при комнатной превалировать улетучивание кислорода из решетки. При температуре преобладает экситонное (с максимумом этом в оксиде цинка возникают собственные дефекты при 3.246 эВ), зеленое (с максимумом при 2.43 эВ) или донорного типа VO и Zni, компенсирующие дырочную красное (с максимумом при 1.91 эВ) свечение [1,2].

проводимость, определяемую акцепторной примесью Нелегированный оксид цинка обладает n-типом проазота. Как следствие, в работе [5] имплантированные водимости благодаря преобладанию дефектов Zni и образцы ZnO : N для получения p-типа проводимости VO донорного типа, связанных с избытком цинка в отжигались при температурах ниже 600C. В резулькристаллической решетке. Легирование ZnO донорными тате не все радиационные дефекты были отожжены и примесями галлия и алюминия позволяет существенно люминесценция имплантированных пленок была слаба.

увеличить электронную проводимость. В 2001 г. автоПоэтому не удалось детально определить спектральные ры [3] обнаружили проводимость p-типа при комнатособенности, обусловленные примесью азота в оксиде ной температуре в пленках ZnO, легированных азотом.

цинка, и отделить их от особенностей, связанных с радиДальнейшее использование разного типа акцепторных ационными дефектами. Однако получение более точных примесей (As, N, P, Cu, Ag) показало, что лишь приэкспериментальных данных о линиях свечения, связанмесь азота дает дырочный тип проводимости, да и то ных с тем или иным примесным дефектом в оксиде с недостаточно низким сопротивлением для создания цинка, позволит использовать наиболее чувствительный эффективных приборов оптоэлектроники. Лазерная УФ и неразрушающий метод фотолюминесценции (ФЛ) для генерация при оптической накачке была получена наанализа точечных дефектов в данном полупроводнике.

ми [4] на поликристаллических неэпитаксиальных пленВ данной работе мы рассмотрим влияние примеси ках ZnO, нанесенных методом магнетронного напыления азота на краевое и примесное свечение оксида цинка, на окисленные подложки кремния. Стимулированная люа также на возникновения стимулированного излучения минесценция наблюдалась при комнатной температуре при оптическом импульсном возбуждении различной ¶ мощности. Будет определен механизм возникновения E-mail: gran@ipmt-hpm.ac.ru Fax: (095) 9628047 стимулированного излучения в ZnO и его изменение при Спонтанная и стимулированная ультрафиолетовая люминесценция ZnO : N при температуре 77 K отжиге материала на воздухе при различных темпера- интенсивности возбуждения. При малых интенсивнотурах. стях возбуждения кривые краевого свечения состоят из нескольких элементарных полос с максимумами при 3.37 эВ (EX — рекомбинация свободных экситонов), 2. Эксперимент 3.34 эВ (AX — рекомбинация связанных на акцепторах экситонов), 3.307 эВ (EA — рекомбинация электронов В работе исследовались порошки оксида цинка, полус переходом из зоны проводимости на акцепторный ченные методом пиролиза из водного раствора нитрата уровень) и 3.233 эВ (LO — фононное повторение EAцинка с концентрацией Zn(NO3)2 · 6H2O. Полученный полосы 3.307 эВ) [7]. В этом диапазоне рост мощности осадок прокаливался в течение 3 ч в атмосфере киснакачки ведет к незначительному увеличению вклада лорода при температуре 195C, что выше критической полосы связанных экситонов (ср. кривые 1 и 3 на рис. 1).

температуры разложения нитрата цинка. Далее навески Однако начиная с мощностей накачки 1820 кВт/см2 (криисходного ZnO были отожжены на воздухе в течение вая 4) происходит качественное изменение спектра ФЛ.

1 ч при различных температурах от 400 до 1000C (с Все краевое свечение собирается в одну узкую P-полосу, интервалом 100C). Исходный и отожженные образцы максимум которой плавно сдвигается в длинноволновую анализировались методами рентгеновской дифрактограсторону от 3.314 до 3.297 эВ с ростом мощности накачки фии (кристалличность и фазовый состав), лазерного (кривые 4–8).

масс-спектрального анализа (примесный состав), сканиОтжиг образцов ZnO : N на воздухе при 700C в рующей электронной микроскопии (морфология) и фотечение 1 ч существенно меняет характер краевого светолюминесценции (стехиометрия). Для более ста аналичения при малых интенсивностях возбуждения (рис. 2, зированных примесей установлено, что их массовая доля кривые 1–3). Отметим уменьшение вклада EA-полосы была менее 0.0001%; исключение составляла примесь по сравнению с полосой связанных экситонов при миазота — массовая доля 0.01% в исходных образцах.

нимальной плотности мощности 50 кВт/см2 (кривая 1).

Содержание азота в ZnO уменьшалось при отжиге на Трансформация нескольких полос в одну широкую воздухе и составляло 0.008 и 0.001% для температур M-полосу с максимумом при 3.333 эВ начинает происхоотжига 700 и 1000C соответственно. Результаты исследить уже при плотностях мощности 416 кВт/см2 (рис. 2, дования рентгеновской дифракции аналогичных порошкривая 3). Увеличение температуры отжига оксида цинков в зависимости от температуры отжига представлены ка на воздухе до 1000C еще сильнее уменьшает отнов работе [6]. Отметим сужение дифракционных пиков сительный вклад EA-полосы при минимальной интенсивдля больших температур отжига, обусловленное ростом ности накачки (рис. 3, кривая 1). Появление M-полосы размера монокристаллических зерен в поликристаллипроисходит в этом случае при мощности 129 кВт/смческих порошках. Рост зерен виден также на сделанных (кривая 2). Узкая P-полоса становится преобладающей нами снимках образцов в сканирующем электронном для всех образцов при интенсивностях накачки больше микроскопе Jeol-2000.

1820 кВт/см2 (кривые 4–8 на рис. 2 и 3).

Эксперименты по люминесценции с оптической наДанная мощность накачки (1820 кВт/см2) является качкой были выполнены с использованием импульсного пороговой в переходе от спонтанного к стимулированноазотного лазера с длиной волны излучения 337.1 нм, му механизму ультрафиолетового излучения в ZnO : N.

длительностью импульса 0.6 нс и выходной мощностью 2.3 МВт. Лазерный луч фокусировался на образец в прямоугольное пятно размером 1 3мм2, что позволяло достигать плотности мощности накачки до 50 МВт/см2.

Однако ввиду малой длительности импульса и частоты следования импульсов разогрева или разрушения образцов при этом не происходило. Спектры ФЛ измерялись в диапазоне температур от T = 77 до 550 K при различной интенсивности возбуждения. Сигнал свечения собирался оптическим волноводом (с угловой апертурой 0.1 рад) в геометрии обратного отражения под углом 90 к поверхности образца. Затем люминесценция регистрировалась монохроматором и CCD-камерой со спектральным разрешением не хуже 0.1 нм на пиксель.

3. Экспериментальные результаты и их обсуждение Рис. 1. Спектры фотолюминесценции исходных образцов На рис. 1 представлены спектры ФЛ исходных образZnO : N. Интенсивность возбуждения, кВт/см2: 1 — 50, цов ZnO: N (массовая доля азота 0.01%), измеренные 2 — 129, 3 — 416, 4 — 1820, 5 — 5870, 6 — 15 500, при температуре жидкого азота (T = 77 K) и разной 7 — 23 400, 8 — 50 000. Температура измерений T = 77 K.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 694 А.Н. Георгобиани, А.Н. Грузинцев, E.E. Якимов, C. Barthou, P. Benalloul для наглядности кривые люминесценции приведены в произвольном масштабе. Чтобы показать, насколько стимулированная УФ люминесценция более интенсивна по сравнению со спонтанной, на рис. 6 приведены зависимости площади под кривой свечения и ширины кривой на полувысоте для исходных образцов ZnO : N в зависимости от температуры измерений. Малая ширина линии 3 нм сохраняется практически без изменения до температуры 330 K. Далее идет резкий рост ширины на порядок величины до 30 нм. При этом эффективность свечения (площадь под кривой) уменьшается более чем на 2 порядка. Отметим, что температурные зависимости параметров стимулированной (вынужденной) люминесРис. 2. Cпектры фотолюминесценции образцов ZnO : N, отожженных при 700C. Интенсивность возбуждения, кВт/см2:

1 — 50, 2 — 129, 3 — 416, 4 — 1820, 5 — 5870, 6 — 15 500, 7 — 23 400, 8 — 50 000. Температура измерений T = 77 K.

Рис. 4. Зависимости интенсивности максимальной полосы краевого свечения от плотности мощности возбуждающего излучения. Образцы ZnO : N: 1 — исходные, 2 — отожженные при 700C, 3 — отожженные при 1000C. Температура измерений T = 77 K.

Рис. 3. Спектры фотолюминесценции образцов ZnO : N, отожженных при 1000C. Интенсивность возбуждения, кВт/см2:

1 — 50, 2 — 129, 3 — 416, 4 — 1820, 5 — 5870, 6 — 15 500, 7 — 23 400, 8 — 50 000. Температура измерений T = 77 K.

С дальнейшим увеличением мощности возбуждающего излучения происходит не только резкое сужение спектра свечения, но и резкий нелинейный рост интенсивности люминесценции (рис. 4).

Мы исследовали влияние температуры образца на стимулированную УФ люминесценцию оксида цинка. На рис. 5 показаны спектры ФЛ исходных образцов ZnO : N в диапазоне температур от 77 до 550 K при сильной накачке азотным лазером (23 400 кВт/см2). Хорошо видно, что узкая интенсивная P-линия стимулированной люминесценции прослеживается вплоть до температур Рис. 5. Спектры фотолюминесценции исходных образцов 300 K (кривые 1–5). Дальнейшее увеличение темпераZnO : N при различной температуре измерений T, K: 1 — 77, туры дает широкую фиолетовую полосу спонтанного ха2 — 130, 3 — 200, 4 — 260, 5 — 300, 6 — 370, 7 — 400, рактера (кривые 6–10). Максимум свечения сдвигается с 8 — 460, 9 — 500, 10 — 550. Интенсивность возбуждающего ростом температуры в длинноволновую область спектра излучения 23 400 кВт/см2. Интенсивность возбуждающего изот 3.3 эВ при 77 K до 3.03 эВ для 550 K. На рис. 5 лучения 23400 кВт/см2.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Спонтанная и стимулированная ультрафиолетовая люминесценция ZnO : N при температуре 77 K мощности накачки для возникновения биэкситонов в разных образцах в нашем случае обусловлена различием кристаллического качества исследованных образцов.

Ясно, что повышение температуры отжига до 1000C существенно увеличивает размер кристаллических зерен и облегчает образование биэкситонных состояний. Это согласуется с данными измерения рентгеновской дифракции, где наблюдалось сужение линий с повышением температуры отжига.

Кинетика экситонов в оксиде цинка при 77 K с увеличением мощности оптической накачки может быть следующей. При малых мощностях число образующихся экситонов невелико и все они успевают локализоваться на донорных или акцепторных дефектах прежде, чем Рис. 6. Зависимости площади под кривой свечения (1) и излучательно рекомбинировать. С увеличением накачки ширины кривой на полувысоте (2) для исходных образцов ZnO : N от температуры измерений. Интенсивность возбужда- число экситонов начинает превышать количество приющего излучения 23 400 кВт/см2. месных и собственных точечных дефектов материала.

Это приводит к связыванию экситонов в биэкситоны, дающие M-полосу свечения на качественных монокристаллических образцах ZnO. При этом интенсивность ценции образцов ZnO : N при высоких уровнях накачки накачки, при которой происходит переход от люминеспрактически не зависели от температуры отжига образценции связанных на дефектах экситонов к люминесцов и имели для всех образцов характер, аналогичный ценции биэкситонов, зависит от плотности дефектов в приведенному на рис. 6. Впрочем, стимулированная образце (в нашем случае — от температуры отжига).

люминесценция изначально имела одинаковый вид узкой При увеличении мощности накачки выше интенсивной P-полосы на всех образцах при 77 K.

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.