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 Ч 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 Ч рекомбинация свободных экситонов), 2. Эксперимент 3.34 эВ (AX Ч рекомбинация связанных на акцепторах экситонов), 3.307 эВ (EA Ч 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 Ч 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 4Ц8).
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 1Ц3). Отметим уменьшение вклада EA-полосы была менее 0.0001%; исключение составляла примесь по сравнению с полосой связанных экситонов при миазота Ч 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 4Ц8 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 Ч 50, цов ZnO: N (массовая доля азота 0.01%), измеренные 2 Ч 129, 3 Ч 416, 4 Ч 1820, 5 Ч 5870, 6 Ч 15 500, при температуре жидкого азота (T = 77 K) и разной 7 Ч 23 400, 8 Ч 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 Ч 50, 2 Ч 129, 3 Ч 416, 4 Ч 1820, 5 Ч 5870, 6 Ч 15 500, 7 Ч 23 400, 8 Ч 50 000. Температура измерений T = 77 K.
Рис. 4. Зависимости интенсивности максимальной полосы краевого свечения от плотности мощности возбуждающего излучения. Образцы ZnO : N: 1 Ч исходные, 2 Ч отожженные при 700C, 3 Ч отожженные при 1000C. Температура измерений T = 77 K.
Рис. 3. Спектры фотолюминесценции образцов ZnO : N, отожженных при 1000C. Интенсивность возбуждения, кВт/см2:
1 Ч 50, 2 Ч 129, 3 Ч 416, 4 Ч 1820, 5 Ч 5870, 6 Ч 15 500, 7 Ч 23 400, 8 Ч 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 1Ц5). Дальнейшее увеличение темпераZnO : N при различной температуре измерений T, K: 1 Ч 77, туры дает широкую фиолетовую полосу спонтанного ха2 Ч 130, 3 Ч 200, 4 Ч 260, 5 Ч 300, 6 Ч 370, 7 Ч 400, рактера (кривые 6Ц10). Максимум свечения сдвигается с 8 Ч 460, 9 Ч 500, 10 Ч 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 Ч от температуры отжига).
юминесценция изначально имела одинаковый вид узкой При увеличении мощности накачки выше интенсивной P-полосы на всех образцах при 77 K.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам