Зависимость электрических и люминесцентных свойств эпитаксиальных слоев оксида цинка от условий осаждения и уровня легирования атомами галлия

• Автор: Аль-Обайди Надир Джасим Мохаммед
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Махачкала
• Количество страниц: 153 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Общая характеристика оксида цинка

1.1.1. Структурные особенности ZnO

1.1.2. Физико-химические свойства оксида цинка

1.1.3. Методы получения пленок ZnO

1.1.3.1. Магнетронное распыление

1.1.3.2. Методы кристаллизации из газовой фазы

1.1.4. Зонная структура оксида цинка

1.1.5. Собственные точечные дефекты в оксиде цинка
1.1.6. Влияние примесей на электрофизические свойства ZnO
1.1.6.1. Влияние водорода на физические свойства 7п0
1.1.6.2. Получение легированных пленок ZnO л-типа
1.1.6.3. Получение легированных пленок гпОтипа
1.2. Люминесцентные свойства оксида цинка
1.2.1. Краевая люминесценция в монокристаллах и слоях 2пО
1.2.2. Люминесценция ZnO, связанная с собственными дефектами
кристаличской решетки
1.2.3. Влияние легирования на люминесцентные свойства слоев гпО
1.2.4. Влияние отжига на люминесцентные свойства ZnO
1.2.5. Сравнение фото-и катодолюминесценции
1.2.6. Применение оксида цинка
1.3. Выводы
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Экспериментальная установка для выращивания эпитаксиальных пленок оксида цинка методом химических транспортных реакций
2.2. Подготовка подложек различной природы к нанесению пленок 2п0
2.3. Определения совершенства структуры и ориентации слоев ZnO
2.4. Методика измерения электрических параметров пленок ZnO
2.5. Методика исследования люминесцентных свойств слоев 7пО
2.5.1. Методика исследования катодолюминесценции
2.5.2. Методика измерения спектров фотолюминесценции
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ РОСТА И ТЕРМООБРАБОТОК НА КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СЛОЕВ ОКСИДА ЦИНКА
3.1. Влияние условий осаждения на кристаллическую структуру,
электрические и люминесцентные свойства слоев ZnO
3.1.1. Определение температурной области ориентированного роста
слоев ZnO на подложках сапфира А1203
3.1.2. Изучение температурных зависимостей электрических
параметров
3.1.3. Зависимость электрических и люминесцентных свойств слоев
ZnO от условий осаждения
3.2. Зависимость электрических и люминесцентных свойств
нелегированных слоев ZnO от термообработки в водороде
3.3. Выводы
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ЛЕГИРОВАНИЯ АТОМАМИ ГАЛЛИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СЛОЕВ ОКСИДА ЦИНКА
4.1. Исследование удельного сопротивления и спектров
катодолюминесценции пленок ZnO, легированных галлием
4.2. Спектры фотолюминесценции слоев 2пО:Са/(0001)А12Оз
4.3. Сравнение спектров люминесценции при разных способах
В озбуждения
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Публикации автора по теме диссертации
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена изучению влияния условий осаждения на структурное совершенство, электрические и люминесцентные свойства слоев оксида цинка, получаемых методом химического переноса в атмосфере водорода, установлению оптимальных условий осаждения слоев на ориентирующие подложки А12Оз- Рассматривается влияние уровня легирования атомами галлия в процессе осаждения пленок и условий последующих термовоздействий на люминесцентные свойства пленок, представляющих большой интерес при создания элементов оптоэлектроники для видимой и ультрафиолетовой области спектра.
Актуальность темы диссертации. Оксид цинка - многофункциональное полупроводниковое соединение с широкой запрещенной зоной (3,37 эВ), большой энергией связи экситона (60x10'3 эВ) при комнатной температуре. Благодаря интенсивной излучательной рекомбинации экситона ХпО считается перспективным материал для создания лазеров и светодиодов в ультрафиолетовой области спектра [1,2]
Одним из преимуществ ТпО перед другим широкозонным полупроводником Оа1Ч- его физическим аналогом, широко используемым сегодня на практике для производства синих и ультрафиолетовых источников света, является простота его получения: выращивать высокосовершенные пленки ЪпО гораздо легче, чем пленки ваЫ, поэтому ожидается, что производство приборов на основе ЪлО будет обходиться гораздо дешевле чем на основе ОаЫ. Этот экономический фактор является одним из основных причин повышенного интереса к оксиду цинка сегодня. Кроме того, выращенные пленки и кристаллы ZnO имеют по сравнению с ваИ существенно меньшую концентрацию собственных дефектов и дислокаций, которые, как правило, являются центрами безызлучательной рекомбинации.
Оксид цинка нашел применение в устройствах на поверхностноакустических волнах [3], в солнечных батареях [4], газочувствительных

Возможные электронные энергетические уровни собственных дефектов в ZnO по Крегеру даны на рис. 1.7. На основе теоретических исследований энергии миграции и образования точечных дефектов в ZnO авторы [77, 78] пришли к выводу, что кислородные вакансии являются скорее глубокими, а не мелкими донорами и имеют большую энергию образования в ZnO.
Ео;=0,05зВ

Vi» 4 V6
у Ер-0,54,8-10 аВ-Т/К
Еа = 3,2 эВ-10 эВ-Т/Н
' Е0‘ = 2эВ—6-1 0 эВ-Т/К
Ед = 2.8 аВ-10'3аВ.Т/К
~yYJ„
-4 „
QQ5fV- Q Q5(fV Рд5? ад тг; лгтгг ’ к,т.
К, = 3.4rV
Рис. 1.7. Энергетическая диаграмма собственных дефектов в ZnO по Ф.Крегеру [27].
Междоузельные атомы цинка являются мелкими донорами, но их энергия образования в 2пО также высока и, обладая низким энергетическим барьером диффузии (0,57 эВ), они легко перемещаются, поэтому маловероятно, что они будут стабильны. Антиструктурные дефекты цинка, также являются мелкими донорами, но большая энергия образования (даже при насыщении цинком) делает их нестабильными при равновесных состояниях. По их мнению вакансии цинка являются глубокими акцепторами, действующими как компенсирующие центры в п-ЪпО и, возможно, связаны с часто наблюдаемой зеленой люминесценцией (ЗЛ).
Таким образом, несмотря на большое количество опубликованных экспериментальных и теоретических работ, характер влияния отдельных дефектов на электронные свойства ZnO все еще остается предметом обсуждения. Окончательно не решен вопрос и о природе центров, ответственных за зеленые полосы (длина волны максимума 500-540 нм), часто присутствующие в спектрах фото (ФЛ) - и катодолюминесценции (КЛ).