CC BY
16
полы)) 11-12, 1996 г. Краткие сообщения по физике ФИЛИ
УДК 535.37
ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ZnSe, ПОЛУЧЕННЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ КИСЛОРОДА
У. А. Аминов, А. А. Галаев1, А. Н. Георгобиани, Б. Т. Эльтазаров2
Ионной имплантацией кислорода в селе над цинка получены структуры с ипжекционной электролюминесценцией. Излучателъные и электрофизические характеристики этих структур соответствуют характеристикам р -п перехода с длинной базой.
Широкозонные полупроводниковые соединения типа II-VI обычно имеют монополярную, электронную проводимость. Это обусловлено тем, что введение акцепторной примеси сопровождается образованием компенсирующего собственно-дефектного донора вакансии халькогена.
Ранее было показано [1, 2], что для подавления самокомпенсации необходимо снижение температур технологических режимов ниже критической величины. Оценочные расчеты показывают, что для получения селенида цинка с дырочной проводимостью не температуры должны быть меньше 800°С. В связи с этим перспективно использованm ионного легирования, так как его температурные режимы ниже критической величины. Ранее сообщалось о получении р-типа проводимости в ZnSe путем имплантации ионов Ы+ [3, 4], фосфора Р+ [5, 6] и азота N+ [7] с последующим отжигом крис таллов в соответствующих атмосферах. В последнее время появились сообщения [8, 9] о получении р-типа проводимости в ZnSe путем Легирования кислородом в процессе молекулярно лучевой эпигаксии. В этих публикациях сообщается об образовании при легировании кислородом ZnSe мелких акцепторных уровней, энергия ионизации которых 80 мэВ.
'Московский институт стали и сплавов, Москва, Россия.
2Ташкентский физико-технический институт, Ташкент, Узбекистан.
Краткие сообщении по физике ФИ АН
номер 11-12. 109(1 г.
Целью настоящей работы было получение структур с инжекционной электролю минесценцией в результате ионной имплантации кислорода в Zn.Sc. В качестве ж ходных образцов были использованы монокристаллы ZnSe п-типа, выращепньк из расплава с удельным сопротивлением ~ 10 Ом • см. Образцы размером 5x5x1 мм были ориентированы в плоскости (111). После механической шлифовки и полировки они были обработаны в полирующем травителе СгОу.НСI (('20 .мл: 30 г) в течение 10 минут. Имплантация ионами кислорода 0+ проводилась при комнатной темпера 1 у ре Энергия ионов Е = 300 кэВ, дозы О ~ 101а — 1016 см~2. После имплантации образ цы отжигались в атмосфере кислорода при температурах 300 и 350°С. Длительность отжига 15 минут. Омические контакты к кристаллу-подложке приготовлялись ну тем вжигания индия в потоке инертного газа в специальном реакторе [10], а золотые контакты с диаметром ~ 1 мм и толщиной ~ 0,4 — 0,5 мкм наносились на поверх ность ионно-импл актированного слоя Zn.Sc в установке НВА-1 с остаточным вакуумом Ю- м.м рт.ст.
Спектр электролюминесценции (ЭЛ) регистрировался на установке, включающем монохроматор МДР-23. Возбуждающее напряжение подавалось от источника стабили зированного тока Б5-49. Свет на выходе монохроматора регистрировался фотоэлектрон ным умножителем ФЭУ-100. Сигнал с ФЭУ поступал на вход усили теля постоянною 1 ока УПТ-1, а с выхода усилителя направлялся на двухкоординатный самописец 1ли1пп 620.02.
При снятии вольт?амперных характеристик в качестве источника напряжения п< пользовался генератор сигналов специальной формы Г6-15 в режиме 'нарастающей пилы .
Вольт-емкостные характеристики (ВЕХ) структур снимались с помощью цифрового моста МЦЕ-7А на частоте 1 Мгц при амплитуде измерительного напряжения ~ 100 М.В.
Спектр Г)Л при 2,7 В содержит (кривая 1, рис. 1): в области связанных экситонов линию с максимумом при 447 им, в области люминесценции донорно-акцепторных пар (ДАН) полосу с максимумом при 462 им с ее фононными повторениями, а также полосу с максимумами при 545 нм и 558 им и в области самоактивированной люминесценции (САЛ) полосу с максимумом при 620 им.. Мы предполагаем, что за полосу 462 им ответственны донорно-акцепторные пары с мелкими акцепторами, а за полосу 545--5
пары с глубокими акцепторами. При повышении напряжения (кривые 2-4. рис. 1) го лубые полосы сливаются и интенсивность образовавшейся полосы расте т быс трее, чем
иолир II 12. 1990 г.
Краткие сообщения по физике ФИЛИ
илтенсивность длинноволновых полос. Максимумы зеленой полосы также сливаются, а полоса САЛ сдвиг ается в ДВ сторону. Из-за малой яркости голубого свечения спектры регистрировались при больших щелях монохроматора (2,8 мм).
Рис. 1. Спектр электролюминесценции (Т = 77 К) структур на основе ZnSe, полученных ионной имплантацией кислорода, при различных напряжениях II: (1) 2,7 В, (2) 3,2 В. (3)
:],7 В, (4) 4,0 В.
Зависимость величины спектральных максимумов от силы тока можно представить в виде В ~ 1к (рис. 2). Для полос Хтах ~ 462 нм, Атаг « 545 им и \тах ~ 630 нм имеем к % 2,2. Зависимость В ~ 1к для полосы с Атах г» 455 нм имеет коэффициент к « 3 при малых токах и к « 1,8 при больших токах.
Низковольтная часть вольт-амперной характеристики ([/ < 1,4 В) спрямляется в координатах 1д1 и £/ соответствует формуле
к'раткт сообщения по физике ФИЛИ
номер 11-12, 1996 г.
Рис. 2. Люкс-амперная характеристика полученных структур для различных полос при температуре жидкого азота: (1) Атох ~ 455 нм, (2) Атаг « 462 нм, (3) Атаг ~ 545 им, (4)
Хтат ~ 630 нм.
где / ток через р-п переход, - ток насыщения, II - приложенное напряжение, е заряд электрона, п - постоянная величина, кв постоянная Больцмана, Т абсолю гыая
температура.
В нашем случае п = 3,4. Такая величина п соответствует р-п переходу с длин ной базой [11]. При больших напряжениях характеристика становится более пологой, что очевидно связано с влиянием сопротивления базы. В этом случае определяющую роль играет дрейф носителей в электрическом поле; при этом проводимость толщи увеличивается медленнее, чем растет ток.
Высота потенциального барьера в структуре может быть определена из ВЕХ. ко торая в нашем случае спрямляется в координатах 1 /С3 = /(С) (рис. 4). Такой вид зависимости соответствует р-п переходу с линейным распределением центров, формирующих пространственный заряд, по-видимому, акцепторных центров [12]. В таком
номер 11 12, 1996 г.
Краткие сообщения по физике ФИЛ Н
I, А
10"
ю-2 10* Ю-4 Ю-5 10"6 Ю-7 108
О 1 2 3 4 и, В
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика полученных структур при комнатной температуре.
случае зависимость емкости С от обратного напряжения описывается формулой
С =
еа(е4бо)2
12{ч>к±и)\
1/3
(2)
где ~ высота барьера в р-п переходе, е8 - диэлектрическая проницаемость полупроводника, е0 ~ диэлектрическая проницаемость вакуума, а - градиент концентрации акцепторных центров, £/ - приложенное напряжение.
Экстраполяция экспериментальной зависимости до пересечения с осью абсцисс даем значение напряжения, соответствующее величине потенциального барьера. В нашем случае она получилась равной 1рк ~ 2,3 В. Эта величина барьера близка к ширине запрещенной зоны Zn.Se, что может быть только в случае наличия в нем р-п перехода Близость величины рабочего напряжения при ЭЛ к ширине запрещенной зоны в свою очередь свидетельствует о том, что имеет место инжекция в р-п переходе.
Подставляя в формулу (2) значения <рк — 2,3, е, = 8,66 [13], с0 = 8,85-Ю-12 Фм~1, е = 1,6 • Ю-19 К л, а С = 100 пФ • мм~2 при £/ = 1,5 В, мы находим градиент концентрации акцепторных центров о ~ Ю20 см~4. Используя полученное значение о и
Краткие сообщения по физике ФИАН
номер 11-12, 1996 г.
С\ XI О'6 пФ
6-
2
-4
-2
О
2
4
U. В
Рис. 4. Вольт-емкостная характеристика полученных структур при температурах жидкого азота (кривая 1) и комнатной (кривая 2).
известные величины, можно определить ширину р-п перехода по формуле [11]
которая дает д. ~ 1 мкм.
Таким образом, излучательные и электрофизические характеристики структур, по лученных в результате ионной имплантации кислорода в монокристаллы ZnSe с после дующим отжигом в атмосфере кислорода, соответствуют характеристикам р-п перехо да с длинной базой.
[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., Котляревский М. Б. Изв. АН СССР, сер. Физ. 49, 1916 (1985).
[3] Р а г k Y. S., Shin В. К. J. Appl. Phys., 45, 1444 (1971).
[4] Park Y. S. et al. Appl. Phys. Lett., 18, 45 (1971).
(3)
ЛИТЕРАТУРА
номер 11-12, 1996 г.
Краткие сообщения по физике ФИЛИ
[5] Shin В. К.,- Park Y. S. Bull. Amer. Phys. Soc., 18, 414 (1973)..
[6] К о з а к Е. H. и др. Физ. электроника, N 37, 19 (1988).
[7] Y a m a g и с h i M. et al. J. Appl. Phys., 48, 196 (1977).
[8] A k i m о t о К. et al. Phys. Rev., В 39, 3138 (1989).
[9] A k i m о t о К. et al. Jap. Journ. Appl. Phys., Pt. 2, 28, L531 (1989).
[10] Б y t x y 3 и T. В. и др. Труды ФИАН, 182, 140 (1987).
[11] В и к у л и н В. М., Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов, М., Радио и связь, 1990.
[12] Берг А., Дин П. Светодиоды, М., Мир, 1979.
[13] Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках, М., Мир, 1973.
Поступила в редакцию 9 октября 1996 г.
