CC BY
18
I to,игр 11 11, J99fí г.
Краткие- сообщения по фи* и к t ФИЛИ
УДК 535.37
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ СЕЛЕНИДА ЦИНКА, ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННОГО КИСЛОРОДОМ
У. Л. Аминов, А. А. Галаев1, А. Н. Георгобиани, Б. Г. Эльтазаров2
Проведены сравнительные исследовании спектров фотолюминесценции образцов ZnSe, ионно-имплантированпых кислородом и аргоном и отожженных в соответствующих атмосферах при температурах 30Ü 350°С. Показано, что ионная имплантация кислородом приводит к образованию мелких акцепторных центров с энергией ионизации Еа ~ 85 ± 2 мэВ.
Селенид цинка прямозоннып полупроводник из группы 1I-VI. Его ширина taupe щепной зоны равняется 2.715 эВ при комнатной температуре. В связи с этим он является одним из самых перспективных материалов для получения структур, излучающих свеч в сине-голубой области спектра. Наиболее эффективны структуры типа р-п переходов. в ко торых свечение возникает в резуль тате инжекции неосновных носи телей тока. Однако широкозонные полупроводники II-VI с шириной запрещенной зоны 2.4 >И и выше имеют' монополярную, электронную проводимость. Это связано с тем, что при введении акцепторной примеси термодинамически выгодно образование компенсирую щего собс твенно-дефектного донора вакансии халькогена или междоузельиого атома меч алла. В работе [1] было показано, что для подавления процессов самокомпенсации необходимо проводить технологические процессы приготовления и легирования ма герц алов при температурах ниже критических. Для ZnSt р-тина эта температура должна быть ниже 500°С [1,2], что меньше температур технологических процессов обычных ме годов приготовления и легирования ZnSe. Э ти ограничения снимаются в методе ионно то легирования, который проводят при комнатной температуре с последующим отжигом радиационных дефектов при температуре ниже критической.
'Московский институт стали и сплавов, Москва, Россия. "Ташкентский физико-технический институт, Ташкент, Узбекистан.
Еритьчн сообщения no физике ФИЛИ
номер 11-12. 1996 г.
И работах [3, 4] сообщается о получении ZnSe р-типа ионной имплантацией лития /./ + . и в работах [5. 6] ионной имплантацией фосфора 1)+. В [7] сообщено о получении 1>-и перехода имплантацией азота (Л'+) в монокристаллы селенида цинка.
И последние годы проведены работы по получению ZnSe р-тиПа с помощмо легирования кислородом в процессе роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии [М. 9 15 л их работах в спектрах фотолюминесценции (ФЛ) при тмпературе жидкого гелия наблюдалась линия с \тах « 443,65 им и обозначаемая 1Х [10], которая соответствуем аннигиляции экситона, связанного на акцепторном центре, и полоса в области и »лу чения донорно-акцепторных пар (ЛАП) с максимумом Атах ~ 455 им. Этим данным соответствует энергия ионизации акцепторного центра Еа = 80 мэВ. Авторы связали этот центр с кислородом, замещающим селен.
Целью настоящей работы являлось получение мелких акцепторных центров путем ионного легирования кислородом. В качестве исходных образцов были использованы монокристаллы ZnSe п-типа, выращенные из расплава с удельным сопротивлением ~ 10 Ом-см. Образцы размером 5х5х 1 мм3 были ориентированы в плоскости (111). Hoc.ie механической шлифовки и полировки они были обработаны в полирующем грави геле CrOy.HС1 (20 мл:30 г) в течение 10 минут. Имплантация ионами кислорода 0Л или аргона Лг+ проводилась при комнатной температуре. Энергия ионов Е = 300 к.)В. дозы D ~ J О15 - Ю16 см-'1.
Спектры ФЛ регистрировались при температуре жидкого азота на установке, включающей в себя монохроматор МЛР-23; источником возбуждения служи i пучок импульсного азотного лазера ЛГИ-21 (А = 337,1 им, тимп = 10 не, Р = 10 мВт), а сигнал регистрировался с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-100.
В спектре ФЛ исходных кристаллов (рис. 1) в коротковолновой (KB) области ломи пирует линия с Атах « 445 им, которая соответствует аннигиляции связанного жеи-юпа на мелком нейтральном доноре и обозначается /2 [10]. Энергия ионизации лого донора может быть оценена по эмпирической формуле Ed = 5(ЕХ — Еь) [11], где ЕТ энергия свободного экситона (Ех = 2,792 эВ [12]), Еь - энергия связи экситона. II нашем случае Еь = 2,786 эВ и Ed ~ 30 мэВ. Полученное значение соответствует шор гни ионизации нейтрального донора, обусловленного междоузельным цинком Zn, [13]. В области излучения ЛАП наблюдается полоса с Xmax ~ 459 им и ее фононные повторе ния. В длинноволновой (ДВ) области наблюдается широкая полоса самоактйвированной люминесценции (САЛ), обусловленная комплексными центрами, в состав которых в качестве акцепторного центра входит вакансия цинка Vzn, а в качестве донора элемент
номер II 12. 1996 г.
Краткие сообщения по физике ФИЛ H
В, отн. ед.
450 500 550 600 650 700 X, нм
Рис. L. Спектры фотолюминесценции исходных монокристаллов ZnSf при miмператур< жидкого азота.
Ill группы [14].
Образцы ZnSt имплантировались ионами кислорода и для сравнения ионами Аг+ с одинаковой энергией и дозой. После имплантации образцы отжигались в сооч ветсгвующих атмосферах, т.е. соответственно в атмосфере кислорода или аргона При этом каждый образец последовательно подвергался четырем отжигам, от темпера 1\ры 300°С до 450°С. Длительность каждого отжига 15 минут.
Перейдем к рассмотрению спектров ФЛ имплантированных образцов. Сраз\ нос к> имплантации ионов кислорода и аргона (без отжига) краевая и экситонная полос ы гаснут, а вместо них появляется слабая полоса САП с Хтах ~ 635 нм.. После отжига при 300°С в спектре ФЛ кристаллов, имплантированных аргоном (рис. 2), появляются: ш пия связанного экситона с Хтах ~ 446,4 им, слабая полоса в области фононных пов торений ДЛИ [Хтах ~ 480 нм), а также полоса с Хтах ~ 548 нм, которая интерпретируется как излучательный переход электрона с мелкого донорного уровня на глубокий акцепторный уровень вакансии цинка Vzn [14] и широкая полоса САЛ с Хтах m 635 нм.
Краткие сообщения по физике ФИЛИ
номер 11 12, 1996
Рис. 2. Спектры фотолюминесценции монокристаллов ZnSe (а) и г/п$е:Лг (б) после отжига 6 потоке аргона при температуре жидкого азота.
Оценка энергии ионизации связанного экситона по эмпирической формуле / 10(£;г — Еь) [11] дает значение Еа « 122 мэВ при температуре жидкого азота, что близко к значению энергии ионизации связанного экситона на нейтральных акцегпо рах, обусловленных примесями Ы [15, 16] или N0, замещающими цинк [17].
В случае имплантации кислорода (рис. 3) в КВ области наблюдаются линия свя занного экситона с \тат ~ 445,4 им и ее фононное повторение, а также полоса ДЛИ с \тах ~ 458 им и ее фононное повторение. Оценка энергии ионизации связанного экси гона по вышеуказанной формуле дает значение « 85 ± 2 мзВ, что приблизите\чьио равно значению, полученному в [8, 9].
В ДВ области помимо полосы СЛГ1 (Атах и 635 нм) спектр содержит полосы при Атах ~ 505 нм и \тах ~ 560 нм. Полоса с Хтах ~ 505 нм, по-видимому, связана е: КИ( ли родом, а полоса с Хтах ~ 560 нм с вакансией цинка Угп- При повышении температуры отжига до 350°С эти две полосы сливаются с образованием общего максимума при ~ 1(1 нм.
Таким образом, методом ионной имплантации кислорода получены мелкие акцеп
номер 1112. 1996 г.
Краткие сообщения по физике ФИ А II
В, отн. ед.
1.0-
0.5-
, 446
а(хЗ)
^45,4
б(хЮ)
)l458
650
700 X. нм
Риг. :{. Спектры фотолюминесценции монокристаллов 71п8е (а) и %пЯе:0 (б) после отжига в потокI кислорода при температуре жидкого азота.
торные центры в Zn.Se, имеющие энергию ионизации Еа « 85 ± 2 мэВ.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Г е о р г о б и а н и А. Н. УФН, 113, 129 (1974).
[2] Г е о р г о б и а н и А. Н., К о т л я р е в с к и й М. Б. Изв. АН СССР, сер. Физ. 49, 1916 (1985).
[3] Park Y. S., Shin В. К. J. Appl. Phys., 45, 1444 (1971).
[4] Р а г k Y. S. et al. Appl. Phys. Lett., 18, 45 (1971).
[5] Shin В. K., Park Y. S. Bull. Amer. Phys. Soc., 18. 414 (1973).
[6] К о з а к E. H. и др. Физ. электроника, N 37, 19 (1988).
[7] Yamaguchi М. et al. J. Appl. Phys., 48, 196 (1977).
[8] Akimoto K. et al. Phys. Rev., В 39, 3138 (1989).
[9] A k i ш о t о К. et al. Jap. Journ. Appl. Phys., Pt. 2, 28, L531 (1989).
Краткие сообщения по физике ФИАН
номер 11-12, 1996 г.
[10] D е a n P. I., Merz J. L. Phys. Rev., 178, 1310 (1969).
[11] H alsted R. E., A v e n M. Phys. Rev. Lett., 14, 64 (1965).
[12] F u j i t a S. et, al. J. Appl. Phys., 50, 1079 (1979).
[13] Y amaguchi M. et al. J. Appl. Phys.. 48. 5237 (1977).
[14] В а к с м а н Ю. Ф. и др. ВИНИТИ, 2568, дсп.
[15] Tews Н. et al. Phys. Rev., 19, 5178 (1979).
[16] Rosa A. J., S t r e e t m a n B. G. J. Lumines., 10, 211 (1975).
[17] В h a r g a v a R. N. et al. Phys. Rev., B20, 2407 (1979).
Поступила в редакцию 9 октября 1996 г.
