автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Импульсное лазерное напыление эпитаксиальных пленок ZnO n- и p- типа при легировании элементами III и V группы



Паршина Любовь Сергеевна

ИМПУЛЬСНОЕ ЛАЗЕРНОЕ НАПЫЛЕНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК 7пО и- и р- ТИПА ПРИ ЛЕГИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТАМИ III и V ГРУППЫ

Специальность: 05.27.03 - «Квантовая электроника»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Шатура-2011

2 4 Мм? 2011

4841081

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем лазерных и информационных технологий РАИ

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

с.н.с. Новодворский Олег.Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Михеев Гепнадий Михайлович кандидат физико-математических наук, с.н.с. Ивочкии Александр Юрьевич

Ведущая организация: Владимирский Государственный Университет

им. А. Г. и Н. Г. Столетовых

Защита диссертации состоится «14» апреля 2011 г. в /2.1? на заседании диссертационного совета Д 002.126.01 в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН по адресу: 140700, М.О., г. Шатура, ул. Святоозерская, д. 1, Круглый зал.

С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ИГШИТ РАН по адресу: http://www.laser.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПЛИТ РАН.

Автореферат разослан «10» марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., с.н.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка и исследование новых тонкоплеиочных материалов диктуется потребностями быстро прогрессирующих современных нанотехнологий. Широкозонные полупроводниковые материалы привлекательны для создания тонкопленочных коротковолновых светоизлучающих диодов и лазеров. Неослабевающий интерес к проблеме создания различных полупроводниковых устройств на основе оксида цинка вызван тем, что этот материал обладает рядом существенных достоинств. Оксид цинка имеет рекордную среди бинарных полупроводников энергию связи экситона - 60 мэВ. Это является предпосылкой для создания устройств, эффективно работающих при температурах до 700 "С. Оксид цинка обладает высокой радиационной стойкостью по сравнению с другими полупроводниковыми материалами (арсенид и нитрид галлия, карбид кремния, кремний), поэтому он может работать в открытом космосе и в ядерных реакторах. Кроме того, ZnO податлив к химическому травлению, безвреден и относительно недорог, что делает его привлекательным для создания материалов элементно-узловой базы квантовой электроники.

Для создания стабильных и надежных устройств квантовой электроники необходимы эпитаксиальные пленки предельно высокого качества с максимальной фотолюминесценцией (ФЛ), минимальным удельным сопротивлением, минимальной шероховатостью поверхности, высоким кристаллическим совершенством, достаточной концентрацией и подвижностью носителей заряда. Самой главной проблемой к настоящему времени остается получение р- тина проводимости пленок ZnO. Сложность процесса легирования для получения проводимости р- типа заключается в том, что оксид цинка обладает большим количеством природных точечных дефектов, обуславливающих проводимость п-типа. Эту природную электронную проводимость очень трудно подавить, так как при легировании 2пО акцепторные примеси проявляют естественную тенденцию связываться с собственными дефектами кристалла или имеющимися включениями, чтобы сформировать электрически неактивные комплексы. Для того чтобы получить пленки оксида цинка с дырочным типом проводимости, необходимо, во-первых, ввести в пленку достаточное количество акцепторных примесей, во-вторых, активировать их, и, в-третьих, обеспечить их временную стабильность.

Для получения пленок оксида цинка используются различные методы: молекулярно-лучевая эпитаксия, магнетронное распыление, осаждение из газовой фазы, включая металлоорганику и импульсное лазерное напыление (ИЛН). ИЛН имеет ряд преимуществ перед остальными методами. Благодаря высокой энергии частиц в лазерной плазме, температура кристаллизации пленок оказывается ниже по сравнению с другими методами и существенно упрощается технология введения легирующих добавок. Импульсный характер метода дает высокую плотность частиц в факеле и высокую степень ионизации, что позволяет равномерно напылять пленки малых толщин. Высокая скорость частиц позволяет повысить предел растворимости труднорастворимых компонент в ZnO. ИЛН является одним из перспективных методов современных нанотехнологий, расширяющих круг материалов, обеспечивающих совершенствование устройств квантовой электроники в

вычислительной технике, оптических линиях связи и других отраслях науки и техники.

Разработка технологий получения тонкопленочных материалов на базе оксида цинка методом импульсного лазерного напыления позволяет создавать широкий спектр тонкопленочных структур, как для научных исследований, так и для практических приложений. Поэтому представляется актуальной разработка метода импульсного лазерного напыления тонкопленочных материалов на базе оксида цинка и исследование характеристик тонких пленок оксида цинка п- и р- типа, легированных элементами III и V группы.

Целью работы является получение эпитаксиапьных пленок ZrtO п- и р- типа методом импульсного лазерного напыления, обеспечивающих создание материалов элементно-узловой базы квантовой электроники (диодов и лазеров УФ диапазона) и исследование оптических, структурных и электрических характеристик полученных пленок с целью оптимизации их параметров.

Для достижения намеченных целей были поставлены следующие задачи:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для получения эпитаксиальных пленок ZnO методом ИЛИ.

2. Отработка технологии легирования элементами III и V группы для получения эпитаксиальных пленок ZnO п- и р- типа методом ИЛН (концентрация примеси, тип и давление буферного газа, температура подложки и плотность энергии на мишени, режимы отжига).

3. Исследование оптических, структурных и электрических свойств пленок оксида цинка для оптимизации их параметров (фотолюминесценция, удельное сопротивление, шероховатость, кристаллическое совершенство, концентрация и подвижность носителей).

4. Получение методом ИЛН р- п- переходов на основе оксида цинка и исследование ВАХ и электролюминесценции.

Научная новизна результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:

1. Впервые установлено, что при напылении пленок ZnO методом ИЛН параметры кристаллической решетки пленки зависят от давлешя буферного газа и плотности энергии на мишени.

2. Впервые обнаружен и объяснен эффект немонотонной зависимости интенсивности спектров ФЛ и удельного сопротивления пленок ZnO от концентрации легирующей примеси Ga, наблюдаемый в пределах от 0 до 5 ат. %.

3. При оптимальных условиях осаждения (давление кислорода 3 х 10"3 Topp, плотность энергии на мишени 5 Дж/см2, концентрация галлия в мишени 0,125 ат. %, температура подложки 400 °С) получены высококачественные эпитаксиальные пленки ZnO:Ga с высокими морфологическими характеристиками и рекордно низким значением удельного сопротивления 1,1 х Ю^Омхсм.

4. Экспериментально установлено, что при изменении концентрации галлия в пленках ZnO от 0 до 5 ат.% ширина запрещенной зоны изменяется от 3,4 эВ до 3,8 эВ, параметр с кристаллической решетки возрастает от 0,5202 нм до 0,5263 нм. При этом пропускание пленок в ИК области спектра от 1,5 до 3,0 мкм

снижается на порядок, что позволяет количественно определить концентрацию носителей Ga в пленке оптическим методом. 5. Разработаны методы введения азота или фосфора в пленку из твердой и газовой фазы для получения эпитаксиальных пленок ZnO р- типа. Достигнуты рекордные уровни легирования эпитаксиальных пленок ZnO азотом и фосфором с предельной концентрацией азота 7,5 ат. %, и фосфора 2 ат. %. Получены высококачественные эпитаксиальные пленки ZnO:N р-типа со значением удельного сопротивления 1,2 Ом*см и эпитаксиальные пленки ZnO:P р-типа со значением удельного сопротивления 1,9 Омхсм. Определена энергия активации акцепторных центров азота и фосфора, которая составляет 0,083 эВ и 0,068 эВ соответственно.

Практическая значимость работы заключается в разработке и реализации оптимальных режимов метода импульсного лазерного напыления для получения эпитаксиальных пленок ZnO ti- и р- типа с воспроизводимыми электрофизическими и оптическими ^характеристиками с целью решения задачи создания высококачественных р- п- переходов на базе ZnO для расширения материалов элементно-узловой базы квантовой электроники. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Удельное сопротивление и интенсивность фотолюминесценции легированных пленок оксида цинка, выращиваемых методом импульсного лазерного напыления, немонотонно зависят от концентрации легирующей примеси Ga. Минимальное значение удельного сопротивления пленок ZnO:Ga и максимальная интенсивность фотолюминесценции достигается ири концентрации галлия в пленках ZnO 0,125 ат. %.

2. При увеличении концентрации галлия в пленках ZnO ширина запрещенной зоны и параметр с кристаллической решетки возрастают, а пропускание пленок в ИК области спектра от 1,5 до 3,0 мкм снижается.

3. Легирование азотом или фосфором, а также солегирование азотом и галлием, позволяет получать методом импульсного лазерного напыления пленки ZnO с дырочной проводимостью. Энергия активации акцепторных центров азота и фосфора в пленках ZnO составляет 0,083 эВ и 0,068 эВ соответственно.

4. Метод импульсного лазерного напыления позволяет создать гомогенный р- п-переход на ZnO, демонстрирующий выпрямляющую ВАХ и светоизлучающий гетеропереход n-ZnO/p-GaN.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: the International Conference ICONO/LAT St. Petersburg 2005, Belarus 2007, Kazan 2010; International Conference "Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications" (ILLA), Bulgaria, 2006, 2009; International Conference ICMNE-2007, Moscow Region, Zvenigorod, 2007; International Conference ALT, Hungary 2008, Turkey 2009, the Netherlands 2010; X International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (FLAMN'10), St. Petersburg-Pushkin, 2010; XII Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул в лазерных, плазменных и нано - технологиях», г. Звенигород, 2008; Международном форуме по

нанотехнологиям, г. Москва, 2008; VI, VII, VIII, IX и X Межвузовских научных школах молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике электронике, экологии и медицине», г. Москва, 2005 - 2009; Четырнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, г. Уфа, 2008; 2-й Всероссийской научной школе для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем», МИЭМ, г. Москва, 2009; 2-й международной конференции/молодежной школе-семинаре «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», г. Владимир, 2009; XIII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и IV Школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований», г. Звенигород, 2010; Научных семинарах ИПЛИТ РАН под руководством академика В.Я. Панченко и профессора B.C. Голубева, г. Шатура, 2005 - 2010.

Работа была выполнена в соответствии с планами работ: по программе фундаментальных исследований ОИТВС РАН «Организация вычислений с использованием новых физических принципов» в рамках проекта «Разработка технологии и создание светоизлучающих полупроводниковых устройств синего и ближнего УФ диапазонов (лазеров и светодиодов) на базе оксида цинка», по программе фундаментальных исследований ОНИТ РАН «Элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров, материалы для микро- и наноэлектроники, микросистемная техника, твердотельная электроника» в рамках проекта «Формирование низкоразмерных структур полупроводников и металлов методом импульсного лазерного напыления для устройств наноэлектроники и спинтроники», по проекту МНТЦ № 3294 «Создание излучающих в синей и ближней УФ области спектра пленочных структур на основе оксида цинка», по Государственному контракту от 20 апреля 2007 г. № 02.513.11.3169 «Разработка методов создания полупроводниковых наноматериалов для высокоэффективных лазеров и светодиодов в спектральной области 0,38-1,54 мкм». Работа поддерживалась грантами РФФИ, проекты 09-02-01298-а, 09-02-00366-а, 09-07-00208-а, 09-08-00291-а, 09-02-12108-офи_м, 09-07-12151-офи_м.

Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных физических методик, работоспособностью созданных установок, а также общим согласованием с результатами других исследователей. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.

Личный вклад автора. Лазерный напылительный стенд создан совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя. Высококачественные эпитаксиальные тонкие пленки ZnO п- и р- типа получены автором лично. Исследования характеристик высококачественных эпитаксиальных тонких пленок ZnO п- и р- типа проведены автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены под руководством к.ф.-м.н. Новодворского О.А.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15 научных работах, в числе которых 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Материал работы изложен на 146 страницах, включающих 83 иллюстрации. Список цитируемой литературы содержит 147 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, формулируется цель и задачи, обсуждается новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, и дано краткое содержание работы по главам.

В главе 1 представлен обзор литературы по теме диссертационной работы. Глава состоит из шести параграфов и выводов. В §1.1 проведен анализ литературы по общим характеристикам оксида цинка. В §1.2 описаны методы получения тонких пленок оксида цинка. Описаны основные достоинства рассмотренных методов, проведено их сравнение с учетом присущих методам недостатков. В §1.3 рассмотрены способы легирования пленок ZnO элементами III группы с целью получения пленок п- типа. В §1.4 рассмотрены способы легирования пленок ZnO элементами V группы с целью получения пленок р- типа. В §1.5 проанализированы основные методы диагностики эпитаксиальных пленок оксида цинка. В §1.6 проведен анализ литературы по созданию р- п- гомо- и гетеропереходов на основе ZnO для создания светоизлучающих устройств УФ диапазона.

Глава 2 посвящена описанию экспериментальной установки, предназначенной для осаждения высококачественных эпитаксиальных пленок ZnO п- и р- типа методом ИЛИ, а также получению и исследованию нелегированных пленок ZnO.

В §2.1 описан созданный для осаждения тонких пленок напылительный стенд на базе вакуумной установки ВУП-5 и эксимерного KrF лазера (248 нм). Для абляции мишеней использовался лазер LPX-200 (длительность импульса 20 не, энергия в импульсе до 0,2 Дж, частота повторений импульсов 10 Гц). Излучение лазера через окно вакуумной камеры фокусировалось на поверхность вращающейся мишени. Плотность потока энергии на мишени менялась от 1 до 5 Дж/смг. Вакуумная камера откачивалась с помощью турбомолекулярного насоса до давления 10'7 Topp. Расстояние мишень - подложка составляло от 40 до 70 мм. Подложка располагалась на нагревателе, температура которого могла меняться от комнатной до 1000°С. В указанных пределах точность поддержания температуры составляла ± 5 °С Пленки ZnO напылялись как в вакууме, так и в атмосфере различных буферных газов (кислород, азот, закись азота, аммиак). Давление газа в камере изменялось от 10"2 до 10"5 Topp. Для обеспечения стабильности давления и быстрой смены буферного газа использовали прецизионную систему напуска газов СНА-2. Для возбуждения буферного газа использовался ВЧ — разряд.

В §2.2 описана методика подготовки мишеней, из которых получены тонкие пленки оксида цинка. Мишени изготавливались из тщательно перемешанных смесей мелкодисперсных порошков оксида цинка, оксида галлия, нитрида цинка, нитрида галлия, фосфида цинка путем прессования и последующего отжига в атмосфере азота или кислорода. В §2.3 изложена процедура подготовки монокристаллических подложек сапфира с ориентацией (0001), цинкита с ориентацией (0001) и кремния р- и п -типа с ориентацией (100). В §2.4 методом ИЛН получены нелегированные пленки ZnO, а также исследовано влияние параметров импульсного лазерного напыления, типа подложки и режима отжига на оптические свойства нелегированных пленок оксида цинка. Были определены оптимальные условия напыления нелегированных пленок: температура подложки 400 °С, плотность энергии на мишени 4 Дж/см2, давление кислорода в напылительной камере 5 х 10"3 Topp.

Таким образом, разработана и реализована экспериментальная установка, позволяющая получать высококачественные эпитаксиальные тонкие пленки ZnO п- и р- типа методом импульсного лазерного напыления при абляции в атмосфере буферного газа в широком диапазоне экспериментальных параметров. Получены и исследованы нелегированные пленки ZnO. Определены оптимальные условия напыления нелегированных пленок.

Глава 3 посвящена получению тонких эпитаксиальных пленок ZnO и- и р-типа, легированных элементами III и V группы, и исследованию их оптических, электрических и структурных характеристик в широком диапазоне экспериментальных параметров, реализуемых в режимах ИЛН, и концентраций легирующих элементов.

Исследована возможность управления характеристиками пленок, такими как спектры ФЛ, удельное сопротивление, шероховатость, кристаллическое совершенство, тип проводимости и подвижность носителей с целью их оптимизации условиями проведения эксперимента. Изменяемыми параметрами были: тип легирующей примеси (Ga, AI, N, Р), концентрация легирующей примеси (от 0 до 10 ат. %), тип буферного газа (02, N20, N2, NHj), давление буферного газа (от 10'2 до 10'5 Topp), плотность энергии на мишени (от 1 до 5 Дж/см2), тип подложки - сапфир (0001), ZnO (0001), Si (100), температура подложки (от 300 до 700 °С), тип отжига (быстрый и длительный термический).

В §3.1 приведены результаты исследования структурных, оптических и электрических характеристик пленок оксида цинка п- типа, легированных элементами III группы галлием и алюминием. Легирование элементами третьей группы позволяет получить пленки ZnO и- типа с высокой удельной проводимостью и высокой эффективностью люминесценции. Минимальное удельное сопротивление пленки ZnO:Al составляло 4,1 х КГ4 Ом*см. а пленки ZnO:Ga - 1,1 * 10"4 Омхсм. При этом амплитуда сигнала ФЛ пленок ZnO:Ga была выше. Поэтому при изготовлении р- п- переходов мы применяли пленки ZnO п- типа, легированные галлием. Сравнительные спектры ФЛ пленки ZnO:Ga и монокристалла ZnO представлены на рис. 1. ФЛ пленок возбуждалась непрерывным He-Cd лазером (325 нм). В спектре ФЛ подложки ZnO наблюдается широкий пик в окрестности 500 нм, связанный с вакансиями кислорода. В спектре ФЛ пленки ZnO:Ga, виден

/(utii. сд.) 8

Рис.

350 3 79 Ш -(50 500 /.(им)

Зависимость

интенсивности фотолюминесценции I от длины волны /: 1- подложки монокристалла оксида цинка (0001), 2 - пленки 7пО:Оа на подложке ZnO (0001). Концентрация йа в пленке - 0,125 ат. %.

интенсивный пик вблизи 379 нм, соответствующий донорно-связанному экситону (DaX), а полоса ФЛ в области 500 нм отсутствует, что свидетельствует о высоком

структурном совершенстве пленки. Кроме того, пленка ZnO:Ga имела рекордно низкий порог возбуждения ФЛ 1 кВт/см2 при комнатной температуре. Спектры ФЛ пленок ZnO на подложках монокристаллического оксида цинка получены нами впервые.

Для исследования оптических свойств пленок ZnO-.Ga пленки ZnO с различной концентрацией Ga до 5 ат.% напыляли на сапфировые подложки, которые прозрачны в интервале длин волн от 200 до 3000 нм. По спектрам пропускания пленок (рис. 2) в окрестности края фундаментальной полосы поглощения получена зависимость ширины запрещенной зоны Eg пленок ZnO от концентрации галлия. Согласно электромагнитной теории между

коэффициентом поглощения пленки а и ее пропусканием Т имеется логарифмическая связь: a ~ -1пГ. Коэффициент поглощения a для прямозонного полупроводника ZnO имеет параболическую зависимость от энергии кванта падающего излучения h v и ширины запрещенной зоны £g[l]:

^ a(hy)=A\hv-Eg)m, (1)

где А* - постоянная, зависящая от показателя преломления материала и эффективной массы электрона в среде. Так как a ~ -1п7', то из графика зависимости (-1п7')2 от энергии кванта падающего излучения h v экстраполяцией до пересечения линейной части кривой с осью энергии определяется значение Eg. При изменении концентрации галлия в пленке от нуля до 5 ат. % ширина запрещенной зоны возрастает от 3,4 до 3,5 эВ.

В ИК области спектра пропускание пленок ZnO в зависимости от концентрации галлия существенно различается (рис. 3). Отражение пленок ZnO в ИК области спектра определяется концентрацией носителей в зоне проводимости и возрастает с увеличением уровня легирования, поэтому пропускание уменьшается.

Была исследована зависимость интенсивности и ширины полосы излучения ФЛ эпитаксиальных пленок ZnO:Ga от уровня легирования Ga. Амплитуда сигнала УФ пика в спектрах ФЛ определяется излучением донорно-связанных экситонов и возрастает с увеличением концентрации доноров. При низких концентрациях

0 300 320 340 360 380 X (нм) Рис. 2. Зависимость пропускания Т от длины волны Я пленок 2пО:Оа с концентрацией Оа: 1- 5 аг. %, 2- 2,5 аг. %, 5-1 аг. %, 4- 0,5 ат. %, 5-0,125 ат.%.

1200 1600 2000 2400 Д(нм) Рис. 3. Зависимость пропускания Т пленок гпО.Оа от длины волны А в инфракрасной области спектра для различных уровней легирования галлием: 1 - 2,5 ат. %, 2 - 0,5 ат. %, 3 - 0,125 ат. %.

/(оти. ед.)

0 1 2 3 4 С^Дат. %)

Рис. 4. Зависимость интенсивности фотолюминесценции I пленок ZnO:Ga от

концентрации галлия Сда в пленке.

пленок р с увеличением примеси точечной схеме методом Ван-дер-Пау сопротивление пленок гпО:Са составило 1,1 в пленке 0,125 ат. %.

легирующеи примеси с увеличением концентрации галлия до 0,125 ат. % наблюдается резкое увеличение УФ пика ФЛ (рис. 4). Увеличение интенсивности люминесценции с увеличением концентрации легирующей примеси показывает, что с увеличением в этом диапазоне концентрации примеси галлия не увеличивается концентрация глубоких донорных уровней, являющихся центрами тушения люминесценции, а это является показателем высокого качества эпитаксиальных пленок. Однако при дальнейшем увеличении уровня легирования наблюдается резкое уменьшение амплитуды сигнала, что может быть вызвано явлением компенсации собственных дефектов. Дальнейшее снижение интенсивности УФ пика ФЛ определяется увеличением концентрации глубоких донорных уровней.

Обнаружено немонотонное

изменение удельного сопротивления галлия в пленке, которое измерялось по 4-х (рис. 5). Минимальное удельное

10 Омхсм при концентрации галлия

р (Ом х см х 104) 12-

Зависимость спектрального положения пика ФЛ вблизи края фундаментальной полосы поглощения (рис. 6) эпитаксиальных пленок гпО от уровня легирования галлием имеет немонотонный характер. При низких уровнях легирования положение пика смещается в синюю область с увеличением концентрации.

Легирование пленок ZnO приводит к увеличению энергии активации донорных центров и ширины запрещенной зоны. Смещение положения максимума пика ФЛ пленок 7пО:Оа в красную область при увеличении концентрации объясняется увеличением плотности дислокаций в пленке из-за неравномерности включений примеси.

О 1 2 3 4 СЪЛлт- %)

Рис. 5. Зависимость удельного сопротивления р

пленок ZnO:Ga от концентрации галлия Сда в пленке.

Л (им) 380

0 0.5 1 1.5 2 СЫат.»«)

Рис. 6. Зависимость положения максимума пика ФЛ на длине волны X от концентрации галлия С с, а в пленке.

Выражение для уширения УФ пика ФЛ в окрестности края фундаментальной полосы поглощения определяется формулой [2]:

Установлено, что рост концентрации легирующей примеси Ста приводит к увеличению ширины УФ пика ФЛ. На рис. 7 приведена зависимость полуширины УФ пика ФЛ от концентрации галлия в атомных процентах. Уширение вызвано неоднородностью распределения

концентрации примеси в объеме пленки в микроскопическом масштабе в зависимости от уровня легирования.

где е - диэлектрическая постоянная, Ад и МЛ - концентрация доноров и акцепторов, и г5 - радиус экранирования Дебая.

Полученная нами зависимость полуширины УФ пика ФЛ в окрестности края

фундаментальной полосы от

ЛЛ(нм) 50

ГСа(ат. %)

Рис. 7. Зависимость полуширины УФ пика ФЛ ДА в окрестности края фундаментальной полосы от концентрации галлия Сда в пленке.

концентрации галлия качественно подтверждает модель, положенную в основу формулы (2). Линия тренда для зависимости полуширины

экспериментального спектра ДЯ от концентрации галлия (рис. 7) выражается формулой:

А Х=А+ВЛ+С, (3)

согласующейся с (2).

Известно, что плотность энергии

лазерного излучения на мишени влияет на диаграмму разлета эрозионного факела и на энергетический спектр факела [3]. Это в свою очередь может влиять на условия роста пленок. Нами установлено, что параметр решетки пленки зависит от плотности энергии лазерного излучения на мишени. При прочих равных условиях пленки напыляли при плотности энергии на мишени от 2 до 4 Дж/см2. Структурные свойства пленок исследовались методом рентгенодифракционного анализа. В экспериментах снимались дифракторгаммы О-29 и кривые качания со. На дифрактограммах 0-2О зарегистрировано смещение положения максимума (002) при изменении плотносги энергии на мишени (ркс. 8 а). На дифрактограмме в-26 виден сдвиг по углу дифракции, соответствующий тому, что в образце 1, напыленном при плотности энергии на мишени 4 Дж/см2, период решетки больше. Результаты углового распределения интенсивности перпендикулярно вектору дифракции для отражения 0002 (ш-сканы) приведены на рис. 8 б. С увеличением плотности энергии на мишени разориентация кристаллитов уменьшается (повышается кристаллическое совершенство пленки), что характеризуется сужением

кривой качания а, поэтому ширина кривой качания пленки 1 уже, т.е. пленка совершеннее по структуре (рис. 8 б).

I (нмп.'с.) 800

600 а 400 200 0

/(имп./с.)

800

600

400

200

0 -■1-И

41 42 43 44 45 46 20(гряд.)

-10 -5

5 &(грпд.)

Рис. 8. а - дифрактограммы 6-20,6-кривые качания (а>-сканы) отражения (0002) пленок 2пО:Оа при разных плотностях энергии на мишени: 1-4 Дж/см2,2-2 Дж/см2.

Изменение величины параметра решетки с при изменении плотности энергии лазерного излучения на мишени представлено на рис. 9.

с(А)-

5.250

5.225

5.200 _Ii—---

1.5 2.5 3.5 Ф (Дж/см2)

Рис. 9. Зависимость величины параметра решетки с пленок ZnO:Ga от плотности энергии лазерного излучения на мишени Ф.

Использование кислорода в качестве буферного газа при напылении позволяет влиять на состав пленок [1]. Исследовано влияние давления кислорода на параметры решетки пленок ZnO. Пленки ZnO напылялись на подложки сапфира при температуре подложки 400 °С из керамических мишеней в диапазоне давления кислорода от 10"s до 2 х 10~2 Topp. Методом рентгеновской дифракции определена зависимость изменения параметра решетки с, размера и числа слоев кристаллитов в пленке по направлению оси с от давления кислорода в напылительной камере в процессе напыления. Полученные результаты приведены в таблице 1. Видно, что с увеличением давления параметр решетки с пленки ZnO уменьшается, приближаясь к значению для массивного образца (5,207 А). Размер кристаллитов при этом увеличивается, а соответствующее число слоев кристаллитов уменьшается.

Связь между полушириной пика Q и длиной когерентного рассеяния D вдоль нормали к подложке на толщине пленки L дается формулой Дебая-Шеррера [4]:

D = O,9;yOcos0, (4)

где X - длина волны рентгеновского излучения, Э - угол дифракции.

Таблица 1. Изменение параметра решетки с, размера и количества кристаллитов в пленке гпО:Оа по направлению оси с от давления кислорода в напылителыюй камере.

Л Торр ¿, нм О, нм Число слоев (Ь/О) с, А

-5 10 192 16 12 5,259

■4 10 196 28 7 5,233

ю"3 210 42 5 5,212

В §3.2. приведены результаты исследования структурных, оптических и электрических характеристик пленок оксида цинка р- типа, легированных элементами V группы. Для создания пленок р- типа отрабатывались различные варианты легирования азотом, фосфором и солегирования галлием и азотом.

На рис. 11 представлены

/(отн.ед.)

160 21

120

80 1 л 1 Л^

40

0

Рис.

250

П.

300 350 388 Л(нм)

Зависимость шпенсивности фотолюминесценции I пленок 2лО:К (7,5 ат.% Ы:0) от длины волны Я до отжига - 2.

1 и после

характерные спектры ФЛ пленок ZnO, легированных азотом из твердой и газовой фазы, до и после термического отжига. Видно, что непосредственно после напыления пленки не люминесцирозали, однако, анализ элементного состава пленок, проведенный методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии,

демонстрировал наличие азота в пленках на уровне 7,5 ат.%.

В процессе кратковременного отжига при различных температурах происходила активация акцепторных центров азота, и появлялась ФЛ на длине волны 388 нм (рис. 11). Зависимость интенсивности ФЛ от температуры позволила оценить энергию активации акцепторных центров азота в пленке, которая составляет 0,083 эВ.

Пленки ХпО:(Оа,М), полученные при солегировании азотом и галлием, люминесцируют непосредственно после напыления. УФ пик ФЛ пленки 2п0:(0а.М) расположен на длине волны 388 нм. Были исследованы зависимости фотолюминесценции солегированных пленок от времени термического отжига при 800 "С в различных спектральных областях (рис. 12). Амплитуда сигнала ФЛ в УФ области спектра в процессе отжига проходит через максимум и полностью исчезает, что говорит о большой скорости диффузии атомов азота в пленке '¿пО. Кроме того, в процессе отжига появляется полоса излучения в красной области спектра (630 нм), что свидетельствует о появлении замещений кислорода молекулярным азотом по реакции:

2(М)0 + 02 —> О + (0)0+ №)о (5)

/(отн. ед.) 300

20 60 100 140 / (мин.)

Рис. 12. Изменение интенсивности / спектров ФЛ пленки 2п0:0г№ от времени термического отжига I при 800 °С на трех длинах волн: / - 388 нм - ФЛ акцепторно связанных экситонов, 2 - 500 нм - ФЛ с глубоких донорных состояний, вызванных вакансиями кислорода, 3 - 630 нм - ФЛ с глубоких донорных состояний, вызванных замещениями кислорода молекулярным азотом (N2)0.

/(отн. ед.)

Г (С)

400 500 600

Рис. 13. Зависимость интенсивности фотолюминесценции I пленки ZnO:P от температуры отжига 7'(Р;0 - 2 ат. %).

Положения полос ФЛ полученных нами пленок оксида цинка п- и р- типа (рис. 1, 11) совпадают с положениями полос ФЛ пленок оксида цинка п- и р-типа, полученными в литературе [5]. Методом рентгенодифракционного анализа установлено, что параметр решетки с солегированных пленок ZnO:(Ga,N) зависит от плотности энергии на мишени и давления закиси азота в вакуумной камере. Плотность энергии на мишени, при которой параметр решетки с пленки наиболее близок к параметру решетки для пленок составляет 2,5 Дж/см2, а азота в камере

5,9 х 10"4 Topp.

Легированием из твердой фазы при использовании мишени ZnO с Zn3P2 получены пленки ZnO:P. Зависимость амплитуды ФЛ от температуры отжига (рис. 13) позволила определить энергию активации акцепторных центров фосфора в пленке, которая составляет 0,068 эВ.

На рис. 14 представлены характерные спектры ФЛ пленок ZnO:P с содержанием фосфора от 0,05 до 0,5 ат. %. Видно, что непосредственно после напыления УФ пик ФЛ при

п- типа, давление закиси

комнатной температуре наблюдается только у пленок с концентрацией фосфора не выше 0,05 ат. %. При снижении температуры УФ пик ФЛ наблюдается и у пленок с более высокими концентрациями фосфора. При температуре 10 К УФ пик ФЛ

/(отн. ед.) 160

3.3 3.35 /л (эВ)

Рис. 14. Зависимость интенсивности фотолюминесценции I пленок 7.пО:Р от энергии фотона Ы 1 - Р:0 0,05 ат. %; 2 - Р:0 0,1 ат. %; 3 - Р:0 0,5 ат. % при 300 К.

наблюдается у всех пленок ZnO■J'.

Из спектров пропускания в области края фундаментальной полосы поглощения определялась ширина запрещенной зоны пленок ZnO при различной концентрации фосфора в пленке. Установлено, что с увеличением

концентрации запрещенной (таблица 2).

фосфора ширина зоны уменьшается

Таблица 2. Изменение ширины запрещенной зоны Ег пленок ХпО:Р в зависимости от концентрации фосфора Ср в пленке.

Ср, (ат.%) 0,05 0,1 0,5

Ех, эВ 3,35 3,34 3,33

Таким образом, методом ИЛИ с помощью легирования элементами Ш и V группы получены эпитаксиальные пленки ZnO п- и р- типа с воспроизводимыми электрофизическими и оптическими характеристиками и исследованы их оптические, электрические и структурные характеристики в широком диапазоне экспериментальных параметров, реализуемых с помощью режимов метода ИЛН, и концентраций легирующих элементов.

Глава 4 посвящена созданию гомоперехода и-2пО:Оа/р-2пО:(Са,Ы) и гетеропереходов и-2пО:Оа/р-81, п^пО/р-ОаЫ на базе эпитаксиальных

пленок ZnO п- и р- типа, полученных с использованием разработанных нами методик, и исследованию их электрических и электролюминесцентных свойств. На рис. 15 б, 16, 17 б приведены ВАХ созданных гомо- и гетеропереходов, демонстрирующие выпрямляющий характер.

ГШ

и- ZnO (200 mi)

Ni/Au

р- ZnO (250 нм)

подложка ZnO

/(«А>60 20 Ti/n-fnO

^ -60 0 5 10 Г (В)

-15 -10 -5 0

5 Î7(B)

Рис. 15. а - схема и б - ВАХ гомоперехода «-2п0:0а/р-гп0;(0а,М). На вставке - ВАХ омических контактов ТУп-1пО и ШАи/р^пО.

Рис. 16. ВАХ гетеропереходов: 1 - п-ХпО\ОЫр-$1. и 2 -На вставке - ВАХ омических контактов Си/л^ и Аи/р-Бг

Ti

//- ZnO (300 нм)

Ni/Au

p- GaN (500 нм)

подложка AhOj

I (мА) 5 i

/ (мА)10 5 „-7MÖ /

-10 л s -10 0 Ц (В;

J

-10 -5 0

5 Г (Б )

/(отн. СД.)

320 390 460 530 600 /.(нм)

Рис. 17. а - схема гетероперехода, б - ВАХ гетероперехода (на вставке - ВАХ омических контактов ТИп-ХпО и ЩАи/р-ОаН), в - зависимость интенсивности электролюминесценции 1 от длины волны Л, г- фото излучающего я-гпО//?-ОаМ гетероперехода.

Таким образом, на основе пленок ZnO п- и р- типа методом импульсного лазерного напыления созданы гетерогенные переходы p-ZnO:N/n-Si, n-ZnO:Ga/p-Si, n-ZnO/p-GaN и гомогенный переход H-ZnO:Ga//?-ZnO:(Ga,N). демонстрирующие выпрямляющий характер ВАХ. На гетеропереходе n-ZnO/p-GaN получена электролюминесценция в УФ области при комнатной температуре.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Оптимизирована технология импульсного лазерного напыления эпитаксиальных пленок ZnO п- и р- типа проводимости при легировании элементами Ш и V группы (Ga, AI, N, Р), представляющих большой интерес для создания материалов элементно-узловой базы квантовой электроники (диодов и лазеров УФ диапазона). —

2. Получены эпитаксиальные пленки ZnO:Ga п- типа с рекордно низким значением удельного сопротивления 1,1 х 10"4 Ом*см, концентрацией носителей заряда 2,3 х Ю20 см'3, подвижностью 22 см2/Вхс. Условия осаждения: давление кислорода 3 х Ю"3 Topp, плотность энергии на мишени 5 Дж/ем2, концентрация галлия в мишени 0,125 ат. %, температура подложки 400 °С.

3. Обнаружена зависимость оптических и структурных параметров легированных пленок ZnO от концентрации галлия в пленке. С увеличением концентрации галлия в пленках ZnO от 0 до 5 ат. % ширина запрещенной зоны возрастает от 3,4 до 3,8 эВ, параметр с кристаллической решетки возрастает от 0,5202 до 0,5263 нм, а пропускание пленок ZnO в ИК области спектра от 2 до 3,2 мкм снижается на порядок.

4. Методом импульсного лазерного напыления достигнуты максимальные уровни легирования эпитаксиальных пленок ZnO азотом и фосфором с предельной концентрацией азота 7,5 ат. % и фосфора 2 ат. %. Получены пленки с дырочным типом проводимости: ZnO:N с удельным сопротивлением 1.2 Омхсм, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:N составляют 2,8 х ю'8 см'3 и 12 см2/Вхс; ZnO:(Ga,N) с удельным сопротивлением 1 Омхсм, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:(Ga,N) составляют 2,7 х Ю18 см'3 и 15 см2/В*с; ZnO:P с удельным сопротивлением 1,9 Омхсм, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:P составляют 9 х Ю'8 см"3 и 2,3 см2/Вхс.

5. Отработаны режимы активации акцепторных центров в пленках, легированных азотом и фосфором, методом термического огжига. Определены энергии активации азота и фосфора в пленках ZnO, которые составляют 0,083 зВ и 0,068 эВ соответственно.

6. На основе пленок ZnO и- и р- типа методом импульсного лазерного напыления созданы гетерогенные переходы p-Zr.O:N/«-Si, w-ZnO:Ga/p-Si, я-Zr.O/p-GaN и гомогенный переход w-ZnO:Ga//?-ZnO:(Ga,N), демонстрирующие выпрямляющий характер ВАХ. На гетеропереходе и-ZnO/p-GaN получена электролюминесценция а УФ области при комнатной температуре.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Подготовка подложек ZnO и ü-A1203 для создания УФ лазеров / Артемов А. С., Горбатенко Л. С., Новодворский О. А., Соколов В. И., Фарафонов С. Б., Храмова О. Д. // Нанотехника. 2007. №4. С. 46-50.

2. Оптические и структурные характеристики пленок оксида цинка, легированных галлием / Новодворский О. А., Горбатенко Л. С., Панченко В. Я., Храмова О. Д., Черебыло Е. А, Венцель К., Барта Й. В., Бублик В. Т., Щербачев К. Д. // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43, вып. 4. С. 439-444.

3. Characterization of ZnO:Ga and ZnO:N films prepared by PLD / Gorbatenko L. S., Novodvorsky O. A., Panchenko V. Ya., Khramova O. D., Cherebilo Ye. A., Lotin A. A.. Wenzel С'., Trumpaicka N., Bartha J. W.// Laser Physics. 2009. Vol. 19, №5. P. 1152-1158.

4. Электролюминесценция полупроводниковых гетероструктур на основе оксида цинка / Новодворский О. А., Лотин А. А., Панченко В. Я., Паршина Л. С., Хайдуков Е. В., Зуев Д. А., Храмова О. Д. /7 Квантовая Электроника. 2011. Т. 41, вып. 1.С. 4-7.

5. Тройные сплавы CdyZni_yO и Mg^Zn^O - материалы для оптоэлектроники / Лотин А. А., Новодворский О. А., Панченко В. Я., Паршина Л. С.,

Хайдуков Е. В., Зуев Д. А., Рочева В. В., Храмова О. Д., Щербачев К. Д. // ФТТ. 2011. Т. 53, вып. 3. С. 438-442.

6. The quantum confinement effect observed in the multiple quantum wells Mgo.27Zno.73O/ZnO / Lotin A. A., Novodvorsky O. A., Parshina L. S., Khaydukov E. V., Khramova O. D., Panchenco V. Ya. // Las. Phys., 2011, Vol. 21, Is. 3, P. 582-587.

7. Optical and structural characteristics of ZnO films doped with gallium / Novodvorsky O. A., Panchenko V. Ya., Khramova O. D., Gorbatenko L. S., Butorina Ye. A., Wenzel C., Bartha J. W. // Proceedings SPIE. 2006. Vol. 6161. P. 616/ОН-1-Н516/ОН-Ю.

8. Structural characteristics and photoluminescenc spectra of ZnO films produced by pulsed laser deposition / Novodvorsky O. A., Panchenko V. Ya.,. Sokolov V. I., Khramova O. D., Gorbatenko L. S., Butorina Ye. A., Batishev G. A., Wenzel C., Bartha J. W., Hiemann H., Bublik V. Т., Chtcherbatchev K. D. // Proceedings SPIE.

2007. Vol. 6732. P. 67321Q.

9. Оптические свойства легированных азотом тонких пленок ZnO, осажденных из плазмы, созданной эксимерным лазером / Новодворский О. А., Панченко В. Я., Храмова О. Д., Горбатенко JI. С., Черебыло Е. А. // Сборник материалов XII Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул в лазерных, плазменных и нано-технологиях». Звенигород, 2008. С. 52.

10. Создание и исследование гетерогенных переходов между пленками ZnO п — типа и кремниевыми подложками р- и п- типа / Горбатенко JI. С., Новодворский О. А., Храмова О. Д., Черебыло Е. А., Панченко В. Я. // Труды IX Межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике электронике, экологии и медицине». М.: НИИЯФ МГУ,

2008. С. 84-87.

11. Application of the pulse laser deposition method for preparation film nanostructure of metals and semiconductors / Novodvorsky O. A., Khaydukov E. V., Lotin A. A., Parshina L. S., Rocheva V. V., Panchenko V. Ya. // in: Proceedings of the 17th International Conference on Advanced Laser Technologies. Antalya, 2009. P. 188.

12. Влияние термического отжига на свойства наноразмерных пленок оксида цинка, легированных азотом и фосфором / Черебыло Е. А., Паршина Л. С., Новодворский О. А., Храмова О. Д., Панченко В. Я.// Труды 2 Всероссийской научной школы для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем». М.: МИЭМ, 2009. С. 332.

13. Фотолюминесценция наноразмерных пленок ZnO:Ga и ZnO:N, полученных методом импульсного лазерного напыления / Паршина Л. С., Новодворский О. А., Панченко В. Я., Храмова О. Д.// Материалы 2-й международной конференции/молодежной школы-семинара «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства». Владимир: Владимирский гос. ун-т, 2009. С. 179-181.

14. Electroluminescence from я-ZnO/p-GaN/c-A 1203 and «-ZnO//-ZnO/p-GaN/c-Al2Oj heterojunction light-emitting diodes grown by pulsed laser deposition / Lotin A. A., Parshina L. S., Novodvorsky O. A., Khramova O. D., Cherebilo Ye. A.,

Khaydukov E. V., Panchenko V. Ya. // in: Proceedings of the «Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies» International confcrcnce. Saint-Petersburg, 2010. P. 94.

15. Electrical and optical properties of phosphorus doped (Zn,Mg)0 thin films fabricated by pulsed laser deposition / Parshina L. S., Novodvorsky 0. A., Panchenko V. Ya., Khramova O. D., Cherebilo Ye. A., Lotin A. A., Zuev D. A., Khaydukov E. V., Wenzel C., Trumpaicka N., Bartha J. W. // in: Proceedings of the 18th International Conference on ALT. The Netherlands, Egmond aan Zee, 2010. P. 148.

Список цитируемой литературы:

1. Ryu Y. R., Zhu S., Budai J. D., Chanrasekhar H. R., Miceli P. F., White H. W. / Investigation on the origin of green luminescence from laser-ablated ZnO thin film//J. Appl. Phys. 2000. Vol. 288. P. 201.

2. Schubert E. F., Goepfert I. D., Grieshaber W., and Redwing J. M. / Optical properties of Si-doped GaN//Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71. P. 921.

3. Novodvorsky O. A., Khramova O. D., Wenzel C., Bartha J. W., Filippova E. O. / Characterization of the erosion plume after ablation of copper and tantalum targets by excimer laser irradiation // J. Appl. Phys. 2003. Vol. 94, № 5. P. 3612.

4. Zhang J. P., Zhang L. D, Zhu L. Q., Zhang Y„ Liu M„ Wang X. J., He G. / Characterization of ZnO:N films prepared by annealing sputtered zinc oxynitride films at different temperatures // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 102, Issue 11. P. 114903.

5. Ye Z. Z, Lu J. Z, Zhang Y. Z, Zcng Y. J., Chen L. L., Zhuge F., Yuan G. D., He H. P., Zhu L. P., Huang J. Y. and Zhao В. H. / ZnO light-emitting diodes fabricated on Si substrates with homobuifer layers // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 91. P. 113503.

Подписано в печать: 05.03.2011

Заказ № 5099 Тираж - 120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ЛЕГИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ОКСИД ЦИНКА.

1.1. Общая характеристика оксида цинка.

1.2. Методы получения эпитаксиальных пленок.

1.2.1. Молекулярно - лучевая эпитаксия.

1.2.2. Метод газофазной эпитаксии.

1.2.3. Магнетронное распыление.

1.2.4. Метод импульсного лазерного напыления.

1.3. Получение легированных пленок ZnO п - типа.

1.4. Получение легированных пленок ZnO р - типа.

1.5. Методы исследования тонких пленок.

1.5.1. Исследование морфологии пленок методом атомно-силовой микроскопии.

1.5.2. Исследование морфологии пленок методом электронной микроскопии.

1.5.3. Рентгенодифракционный анализ тонких пленок.

1.5.4. Определение состава пленок методом фотоэлектронной спектроскопии.

1.5.5. Фотолюминесценция пленок в диапазоне температур от 10 К до 300 К.

1.5.6. Исследование электрических свойств тонких пленок.

1.6. Гомо- и гетеро- р- п- переходы на основе оксида цинка.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Экспериментальная установка для выращивания эпитаксиальных пленок оксида цинка методом импульсного лазерного напыления.

2.2. Методика изготовления керамических мишеней.

2.3. Подготовка и исследование подложек для получения пленок ZnO.

2.4. Получение нелегированных пленок ZnO.

2.4.1. Влияние типа подложки на спектры фотолюминесценции нелегированных пленок ZnO.

2.4.2. Влияние параметров осаждения ИЛН на спектры фотолюминесценции нелегированных пленок ZnO.

2.4.3. Влияние отжига на спектры фотолюминесценции нелегированных пленок ZnO.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ПЛЕНКИ ОКСИДА ЦИНКА, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО

НАПЫЛЕНИЯ.

3.1. Эпитаксиальные пленки оксида цинка п- типа, легированные элементами III группы.

3.1.1. Исследование пленок оксида цинка, легированных галлием.

3.1.1.1. Скорость роста пленок ZnO:Ga.

3.1.1.2. Морфология пленок ZnO:Ga.

3.1.1.3. Кристалличность пленок ZnO:Ga.

3.1.1.3.1. Влияние легирования галлием на структурные характеристики пленок ZnO при осаждении на монокристаллы ZnO.

3.1.1.3.2. Влияние давления буферного газа на параметры решетки пленок ZnO:Ga.

3.1.1.3.3. Влияние плотности энергии на мишени на параметры решетки пленки ZnO:Ga.

3.1.1.3.4. Влияние температуры подложки на кристаллографические параметры пленок ZnO:Ga.

3.1.1.4. Фотолюминесценция пленок ZnO:Ga.

3.1.1.5. Оптические характеристики пленок ZnO:Ga.

3.1.1.5.1. Управление величиной запрещенной зоны пленок ZnO при легировании галлием.

3.1.1.5.2. Зависимость поглощения пленок ZnO в РЖ области от уровня легирования галлием.

3.1.1.6. Электрические свойства пленок ZnO:Ga.

3.1.2. Свойства пленок оксида цинка, легированных алюминием.

3.1.3. Создание и исследование металлических контактов на пленках оксида цинка п- типа.

3.2. Эпитаксиальные пленки оксида цинка р- типа, легированные элементами V группы.

3.2.1. Свойства пленок оксида цинка, легированных азотом.

3.2.1.1. Морфология пленок ZnO:N.

3.2.1.2. Кристалличность пленок ZnO:N.

3.2.1.3. Фотолюминесценция пленок ZnO:N.

3.2.1.4. Электрические свойства пленок ZnO:N.

3.2.1.5. Активация акцепторных центров в пленках ZnO:N термическим отжигом.

3.2.2. Свойства пленок оксида цинка, солегированных галлием и азотом.

3.2.2.1. Кристаллические свойства пленок ZnO:(Ga,N).

3.2.2.2. Оптические свойства пленок ZnO:(Ga,N).

3.2.2.3. Ренгеновская фотоэлектронная спектроскопия пленок ZnO:(Ga,N).

3.2.2.4. Электрические свойства пленок ZnO:(Ga,N).Ill

3.2.2.5. Морфология пленок ZnO:(Ga,N).

3.2.3. Свойства пленок оксида цинка, легированных фосфором.

3.2.4. Создание и исследование металлических контактов на пленках оксида цинка /?-типа.

3.3. Выводы

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ

СВОЙСТВА р- п- ПЕРЕХОДОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА.

4.1. Гетеропереходы п-ЪпО/р-^х и р-ХпО/п-&'\.

4.2. Гетеропереходы п-ТпО/р-ОъЫ.

4.3. Гомопереходы п-ЪЮ/р-ЪпО.

4.4. Выводы.

Диссертационная работа посвящена отработке технологии получения методом импульсного лазерного напыления тонких пленок оксида цинка п- и р- типа, легированных элементами III и V группы, и исследованию характеристик полученных пленок, представляющих большой интерес для создания материалов элементно-узловой базы квантовой электроники (диодов и лазеров УФ диапазона).

Актуальность работы. Разработка и исследование новых тонкопленочных материалов диктуется потребностями быстро прогрессирующих современных нанотехнологий. Широкозонные полупроводниковые материалы привлекательны для создания тонкопленочных коротковолновых светоизлучающих диодов и лазеров. Неослабевающий интерес к проблеме создания различных полупроводниковых устройств на основе оксида цинка вызван тем, что этот материал обладает рядом существенных достоинств. Оксид цинка имеет рекордную среди бинарных полупроводников энергию связи экситона -60 мэВ. Это является предпосылкой для создания устройств, эффективно работающих при температурах до 700 °С. Оксид цинка обладает высокой радиационной* стойкостью по сравнению с другими полупроводниковыми материалами (арсенид и нитрид галлия, карбид кремния, кремний), поэтому он может работать в открытом космосе и в ядерных реакторах. Кроме того, ZnO податлив к химическому травлению, безвреден и относительно недорог, что делает его привлекательным для создания материалов элементно-узловой базы квантовой электроники.

Создание светоизлучающих УФ полупроводниковых структур на основе оксида цинка необходимо для нового поколения оптических систем записи и хранения информации, для дисплеев, осветительных устройств. Источники излучения ближнего УФ диапазона найдут применение в качестве эффективных дезинфицирующих средств в медицине и сельском хозяйстве.

Для создания стабильных и надежных устройств на основе оксида цинка необходимы эпитаксиальные пленки предельно высокого качества с максимальной фотолюминесценцией (ФЛ), минимальным удельным сопротивлением, минимальной шероховатостью поверхности, высоким кристаллическим совершенством, достаточной концентрацией и подвижностью носителей заряда. Самой главной проблемой к настоящему времени остается получение р- типа проводимости пленок ZnO. Сложность процесса легирования для получения проводимости р- типа заключается в том, что оксид цинка обладает большим количеством природных точечных дефектов, обуславливающих проводимость п- типа. Эту природную электронную проводимость очень трудно подавить, так как при легировании ХпО акцепторные примеси проявляют естественную тенденцию связываться с собственными дефектами кристалла или имеющимися включениями, чтобы* сформировать электрически неактивные комплексы. Для того чтобы получить пленки оксида цинка с- дырочным типом* проводимости, необходимо, во-первых, ввести в пленку достаточное количество акцепторных примесей, во-вторых, активировать их, и, в-третьих, обеспечить их временную стабильность.

Для получения пленок оксида цинка используются различные методы: молекулярно-лучевая эпитаксия, магнетронное распыление, осаждение из газовой фазы, включая металлоорганику и импульсное лазерное напыление (ИЛН). ИЛН имеет ряд преимуществ перед остальными методами. Благодаря высокой энергии частиц в> лазерной плазме, температура кристаллизации пленок оказывается ниже, по сравнению с другими методами, и существенно упрощается технология введения легирующих добавок. Импульсный характер метода дает высокую плотность частиц в, факеле и высокую степень ионизации, что позволяет равномерно напылять пленки малых толщин. Высокая скорость частиц позволяет повысить предел растворимости труднорастворимых компонент в ZnO. ИЛН является одним из перспективных методов современных нанотехнологий, расширяющих круг материалов, обеспечивающих совершенствование устройств квантовой электроники в вычислительной технике, оптических линиях связи и других отраслях науки и техники.

Разработка технологий получения тонкопленочных материалов на базе оксида цинка методом импульсного лазерного напыления позволяет создавать широкий спектр тонкопленочных структур, как для научных исследований, так и для практических приложений. Поэтому, представляется актуальной разработка метода импульсного лазерного напыления тонкопленочных материалов на базе оксида цинка и исследование характеристик тонких пленок оксида цинка п- и р- типа, легированных элементами III и V группы.

Целью работы является получение эпитаксиальных пленок ZnO п- и р- типа методом импульсного лазерного напыления, обеспечивающих создание материалов элементно-узловой базы квантовой электроники (диодов и лазеров УФ диапазона) и исследование оптических, структурных и электрических характеристик полученных пленок с целью оптимизации их параметров.

Для достижения намеченных целей были поставлены следующие-задачи:

1. Разработка и создание экспериментальной установки для получения эпитаксиальных пленок ZnO методом ИЛН.

2. Отработка технологии легирования элементами III и V группы для получения эпитаксиальных пленок ZnO п- и р- типа методом ИЛН (концентрация примеси, тип и давление буферного газа, температура подложки и плотность энергии на мишени, режимы отжига).

3. Исследование оптических, структурных и электрических свойств пленок оксида цинка для оптимизации их параметров (фотолюминесценция, удельное сопротивление, шероховатость, кристаллическое совершенство, концентрация и подвижность носителей).

4. Получение методом ИЛИ р- п- переходов на основе оксида цинка и исследование ВАХ и электролюминесценции. Научная новизна результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:

1. Впервые установлено, что при напылении пленок ZnO методом ИЛН параметры кристаллической решетки пленки зависят от давления буферного газа и плотности энергии на мишени.

2. Впервые обнаружен и объяснен эффект немонотонной зависимости интенсивности спектров ФЛ и удельного сопротивления пленок ZnO от концентрации легирующей примеси Ga, наблюдаемый в пределах от О до 5 ат. %.

3. При оптимальных условиях осаждения (давление кислорода 3 х Ю" Topp, плотность энергии на мишени 5 Дж/см , концентрация-галлия в мишени 0,125 ат. %, температура подложки 400 °С) получены высококачественные эпитаксиальные пленки ZnO:Ga с высокими морфологическими характеристиками и рекордно низким значением удельного сопротивления 1,1 х 10"4 Омхсм.

4. Экспериментально установлено, что при изменении концентрации галлия в пленках ZnO от 0 до 5 ат.% ширина запрещенной зоны изменяется от 3,4 до 3,8 эВ, параметр с кристаллической решетки возрастает от 0,5202 до 0,5263 нм. При этом* пропускание пленок в ИК области спектра от 1,5 до 3,0 мкм снижается на порядок, что позволяет количественно определить концентрацию носителей Ga в пленке оптическим методом.

5. Разработаны методы введения азота или фосфора в пленку из твердой и газовой фазы для получения эпитаксиальных пленок ZnO р- типа. Достигнуты рекордные уровни легирования эпитаксиальных пленок ZnO азотом и фосфором с предельной концентрацией азота 7,5 ат. %, и фосфора 2 ат. %. Получены высококачественные эпитаксиальные пленки ZnO:N р- типа со значением удельного сопротивления

1,2 Омхсм и эпитаксиальные пленки ZnO:P р- типа со значением удельного сопротивления 1,9 Омхсм. Определена энергия активации акцепторных центров азота и фосфора, которая составляет 0,083 эВ и 0,068 эВ соответственно. Практическая значимость работы заключается в разработке и реализации оптимальных режимов метода импульсного лазерного напыления для получения эпитаксиальных пленок ZnO п- и р- типа с воспроизводимыми электрофизическими и оптическими характеристиками с целью решения задачи создания высококачественных р- п- переходов на базе ZnO для расширения материалов элементно-узловой базы квантовой электроники. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Удельное сопротивление и интенсивность фотолюминесценции легированных пленок оксида цинка, выращиваемых методом-импульсного- лазерного напыления, немонотонно зависят от концентрации легирующей примеси ва. Минимальное значение удельного сопротивления пленок ZnO:Ga и максимальная» интенсивность фотолюминесценции достигается при концентрации галлия,в пленках ZnO 0,125 ат. %.

2. При увеличении концентрации галлия в пленках ХпО ширина запрещенной зоны и параметр с кристаллической решетки возрастают, а пропускание пленок ZnOг в ИК области спектра от 1,5'до 3,0 мкм снижается:

3. Легирование азотом или фосфором, а также солегирование азотом и галлием, позволяет получать методом- импульсного лазерного напыления пленки ZnO с дырочной проводимостью. Энергия активации акцепторных центров азота и фосфора в» пленках ZnO составляет 0,083 эВ и 0,068 эВ соответственно.

4. Метод импульсного лазерного напыления позволяет создать гомогенный р- п- переход на ЪаО, демонстрирующий выпрямляющую ВАХ и светоизлучающий гетеропереход п-ХпО/р-ОаН.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: the International Conference ICONO/LAT St. Petersburg 2005, Belarus 2007, Kazan 2010; International Conference "Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications" (ILLA), Bulgaria, 2006, 2009; International Conference ICMNE-2007, Moscow Region, Zvenigorod, 2007; International Conference ALT, Hungary 2008, Turkey 2009, the Netherlands 2010; X International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (FLAMN'10), St. Petersburg-Pushkin, 2010; XII Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул в, лазерных, плазменных и нано - технологиях», г. Звенигород, 2008; Международном форуме по нанотехнологиям, г. Москва, 2008; VI, VII, VIII, IX и X Межвузовских научных школах молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике электронике, экологии и медицине», г. Москва, 2005 - 2009; Четырнадцатой Всероссийской научной конференции ктудентов-физиков и молодых ученых, г. Уфа, 2008; 2-й Всероссийской научной школе для молодежи «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов.и живых систем», МИЭМ, г. Москва, 2009; 2-й международной конференции/молодежной школе-семинаре «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», г. Владимир, 2009; XIII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и IV Школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований», г. Звенигород 2010; Научных семинарах ИПЛИТ РАН под руководством академика В.Я. Панченко и профессора B.C. Голубева, г. Шатура, 2005 - 2010.

Работа была выполнена в соответствии с планами работ: по программе фундаментальных исследований ОИТВС РАН «Организация вычислений с использованием новых физических принципов» в рамках проекта «Разработка технологии и создание светоизлучающих полупроводниковых устройств синего и ближнего УФ диапазонов (лазеров и светодиодов) на базе оксида цинка», по программе фундаментальных исследований ОНИТ РАН «Элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров, материалы для микро- и наноэлектроники, микросистемная техника, твердотельная электроника» в рамках проекта «Формирование низкоразмерных структур полупроводников и металлов методом импульсного лазерного напыления для устройств наноэлектроники и спинтроники», по проекту МНТЦ № 3294 «Создание излучающих в синей и ближней УФ области спектра пленочных структур на основе оксида цинка», по Государственному контракту от 20 апреля 2007 г. № 02.513.11.3169 «Разработка методов создания полупроводниковых наноматериалов для высокоэффективных лазеров и светодиодов в спектральной области 0,38-1,54 мкм. Работа поддерживалась грантами РФФИ, проекты 09-02-01298-а, 09-02-00366-а, 09-07-00208-а, 09-08-00291-а, 09-02-12108-офим, 09-07-12151 -офим.

Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных физических методик, работоспособностью созданных установок, af также общим согласованием с результатами других исследователей. Анализ* экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений. Личный вклад автора. Лазерный напылительный стенд создан совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя. Высококачественные эпитаксиальные тонкие пленки ZnO п- и р-типа получены автором лично. Исследования. характеристик высококачественных эпитаксиальных тонких пленок ZnO п- и р- типа проведены автором. Постановка задач исследований, определение методов, их решения и интерпретация результатов выполнены под руководством к.ф.-м.н. Новодворского O.A.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15 научных работах, в числе которых 6 статей в издани$гх, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации. Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Материал работы изложен на 146 страницах, включающих 83 иллюстрации. Список цитируемой литературы содержит 147 наименований.

Основные результаты и выводы можно сформулировать следующим образом:

1. Оптимизирована технология импульсного лазерного напыления эпитаксиальных пленок ZnO п- и р- типа проводимости при легировании элементами III и V группы (Ga, Al, N, Р), представляющих большой интерес для создания материалов элементно-узловой базы квантовой электроники (диодов и лазеров УФ диапазона).

2. Получены эпитаксиальные пленки ZnO:Ga п- типа с рекордно низким значением удельного сопротивления 1,1 х 1С)"4 Омхсм, концентрацией носителей заряда 2,3 х ю20 см"3, подвижностью 22 см2/Вхс. Условия осаждения: давление кислорода 3 х Ю"3 Topp, плотность энергии на мишени 5 Дж/см, концентрация галлия в мишени 0,125 ат. %, температура подложки 400 °С.

3. Обнаружена зависимость оптических и структурных параметров легированных галлием пленок ZnO от концентрации галлия в пленке. С увеличением концентрации галлия в пленках ZnO от 0 до 5 ат.% ширина запрещенной зоны возрастает от 3,4 до 3,8 эВ, параметр с кристаллической решетки возрастает от 0,5202 до 0,5263 нм, а пропускание пленок ZnO в ИК области спектра от 1,5 до 3,0 мкм снижается на порядок.

4. Методом импульсного лазерного напыления достигнуты максимальные уровни легирования эпитаксиальных пленок ZnO азотом и фосфором с предельной концентрацией азота 7,5 ат. % и фосфора 2 ат. %. Получены пленки с дырочным типом проводимости: ZnO:N с удельным сопротивлением 1,2 Омхсм, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:N составляют 2,8 х Ю18 см"3 и 12 см 2/Вхс; ZnO:(Ga,N) с удельным сопротивлением 1 Омхсм, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:(Ga,N) составляют 2,7 х Ю18 см"3 и 15 см /Вхс; ZnO:P с удельным сопротивлением 1,9 Омхсм, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:P составляют 9 х 1018 см"3 и 2,3 см 2/Вхс.

5. Отработаны режимы активации акцепторных центров в пленках, легированных азотом и фосфором, методом термического отжига. Определены энергии активации азота и фосфора в пленках ZnO, которые составляют 0,083 эВ и 0,068 эВ соответственно.

6. На основе пленок ZnO п- и р- типа методом импульсного лазерного напыления созданы гетерогенные переходы p-ZnO/n-Si, n-ZnO/p-Si, л-ZnO/p-GaN и гомогенный переход n-ZnO/p-ZnO, демонстрирующие выпрямляющий характер ВАХ. На гетеропереходе и-ZnO/p-GaN получена электролюминесценция в УФ области при комнатной температуре.

Искренне благодарна своему научному руководителю к.ф.-м.н. Олегу Алексеевичу Новодворскому, под руководством которого была выполнена диссертационная работа.

Благодарю за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов сотрудников лаборатории Наноструктур и тонких пленок ИПЛИТ РАН: к.х.н., с.н.с. О. Д. Храмову, м.н.с. А. А. Лотина, м.н.с. Д. А. Зуева, м.н.с. В. В. Рочеву, к.ф.-м.н., м.н.с. Е. В. Хайдукова. Выражаю искреннюю благодарность сотрудникам МИСиС, ИРЭ, ФИАН и IHM TU Dresden за неоценимую помощь в работе.

Многие исследования оказались бы невозможными без интеллектуальной и технической поддержки сотрудников подразделений ИПЛИТ РАН, которым я также выражаю свою признательность.

Искренне признательна д.ф.-м.н., проф. Лебедеву Ф.В. за ценные советы и интерес к работе.

Приношу глубокую благодарность академику В.Я. Панченко за поддержку и внимание к работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Landolt-Bornstein. Springer-Verlag. Berlin/Heidelberg/New York, 1980. New Series. 1.I/22a.

2. Кузьмина И. П., Никитенко В. А. Окись цинка. Получение и оптические свойства. М. : Наука, 1984. 167 с.

3. First-principles study of native point defects in ZnO / Kohan A. F., Ceder G., Morgan D., Van de Walle C. G. // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61. P. 15019.

4. Look D. C., Hemsky J. W., Sizelove J. R. Residual native shallow donor in ZnO // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 82. P. 2552-2555.

5. Electrical properties of bulk ZnO / Look D. C., Reynolds D. C., Sizelove J. R., Jones R. L., Litton C. W., Cantwell G. and Harsch W. C. // Solid State Comm. 1998. Vol. 105. P. 399.

6. Zhang S. В., Wei S.-H., Zunger A. Intrinsic n-type versus p-type doping asymmetry and the defect of ZnO // Phys. Rev. B. 2001. Vol. 63. P. 75205.

7. Van de Walle C. G. Hydrogen as a cause of doping in zinc oxide // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 85. P. 1012-1015.

8. Van de Walle C. G. Defect analysis and engineering in ZnO // Physica B. 2001. Vol. 308-310. P. 899-903.

9. Hydrogen: a relevant shallow donor in zinc oxide / Hofmann D. M., Hofstaetter A., Leiter F., Zhou H., Henecker F., Meyer В. K., Orlinskii S. В., Schmidt J., Baranov P. G. // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88. P. 45504-45507.

10. Thermal stability of implanted hydrogen in ZnO / Ip K, Overberg M. E., Heo Y. W., Norton D. P., Pearton S. J., Kucheyev S. O., Jagadish C., Williams J. S., Wilson R. G., and Zavada J. M. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81. P. 3996-3998.

11. Infrared spectroscopy of hydrogen in ZnO / Cluskey M. D. Mc., Jokela S. J., Zhuravlev К. K., Simpson P. J., Lynn K. G. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81. P. 3807-3809.

12. Electrical and optical properties of defects and impurities in ZnO / Look D. C., Coskun C., Claflin B. and Farlow G. C. // Physica В : Condensed Matter. 2003. Vol. 340-342. P. 32-38.

13. Production of nitrogen acceptors in ZnO by thermal annealing / Garces N. Y., Giles N. C., Halliburton L. E., Cantwell G., Eason D. В., Reynolds D. C., Look D. C. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 80. P. 1334-1336.

14. The path to ZnO devices: donor and acceptor dynamics / Look D. C., Jones R. L., Sizelove J. R., Garces N. Y., Giles N. C., and Halliburton L. E. // Phys. Stat. Solidi (a). 2004. Vol. 195. P. 171-177.

15. Exciton spectrum of ZnO / Park Y. S., Litton C. W., Collins Т. C., and Reynolds D. C. // Phys. Rev. 1966. Vol. 143. P. 512-519.

16. Введение в физику поверхности / К. Оура и др.. М. : Наука, 2006. 490 с.

17. Sigmund P. Mechanisms and theory of physical sputtering by particle impact // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 1987. Vol. 27, № 1. P. 1-20.

18. Гапонов С. В., Салащенко Н. Н. // Электронная промышленность. 1976. № 1.С. 11-20.

19. Калюжный Д. Г., Зонов Р. Г., Михеев Г. М. Использование сканирующего устройства для напыления углеродных нанопленок методом лазерной абляции // Нанотехника. 2010. №2. С. 52-54.

20. Калюжный Д. Г., Зонов Р. Г., Михеев Г. М. Установка для напыления углеродных пленок методом абляции сканирующим лазерным лучом // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 5. С. 167-168.

21. Однозеркальная электромеханическая система сканирования луча лазера / Михеев Г. М., Калюжный Д. Г., Могилева Т. Н., Попов А. Ю. // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 5. С. 124-126.

22. Гапонов С. В., Клюенков Е. Б., Нестеров Б. А. и др. // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 52. С. 1584.

23. Афанасьев Ю. В., Крохин О. Н. Газодинамическая теория воздействия излучения лазера на конденсированные среды // Труды ФИ АН СССР. 1970. Т. 52. С. 118-170.

24. Pulsed laser deposition of quantum size bismuth films / Shubnii G.Yu., Zherikhin A. N., Prokopov E. V., Panchenco V. Ya., Golubev V. S. // Proceedings of SPIE. 1999. Vol. 3688. P. 330-334.

25. Жерихин A. H. Лазерное напыление тонких пленок. Итоги науки и техники. Серия: Современные проблемы лазерной физики. М. : ВИНИТИ, 1990. 107 с.

26. Role of energetic atoms and ions in Та films grown by different physical vapor deposition methods / Roy R. A., Catania P., Saenger K. L., Cuomo J. J., Lossy R. L. J. // Vac. Sci. Technol. B. 1993. Vol. 11. P. 1921.

27. Saenger K. L. On the origin of spatial nonuniformities in the composition of pulsed-laser-deposited films //J. Appl. Phys. 1991. Vol. 70. P. 5629.

28. Низкотемпературная эпитаксия пленок конденсированных из лазерной плазмы / Гапонов С. В., Лускин Б. М., Нестеров Б. А., Салащенко Н. Н. // Письма в ЖТФ. 1977. Т. 3, № 12. С. 573-576.

29. Characterization of erosion plume after ablation of copper and tantalum targets by Excimer laser irradiation / Novodvorsky O. A., Khramova O. D., Wenzel C., Bartha J. W., Filippova E. O. // J. Appl. Phys. 2003. Vol. 94, №5. P. 3612.

30. Никитенко В. А. Люминесценция и ЭПР оксида цинка // ЖПС. 1992. Т. 52. С. 367-385.

31. Transparent conductive oxide semiconductor ZnO:Al films produced by magnetron reactive sputtering / Chen M., Pei Z., Xi W., Sun C., and Wen L. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2001. Vol. 666. P. F1.2.

32. Highly conductive and transparant Ga-doped epitaxial ZnO films on sapphire by CVD / Ataev В. M., Bagamadova A. M., Djabrailov A. M., Mamedov V. V., Rabadanov R. A. // Thin Solid Films. 1995. Vol. 260. P. 19-22.

33. Growth and characterization of Ga-doped ZnO layers, on a-plane sapphire substrates grown by molecular beam epitaxy / Kato H., Sano M., Miyamoto K. and Yao T. // J. Cryst. Growth. 2002. Vol. 237-239. P. 496-499.

34. Ga-doped ZnO films grown on GaN templates by plasma-assisted molecular-beam epitaxy / Ко H. J., Chen Y. F., Hong S. K., Wenisch H., Yao Т., and Look D. C. // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 77. P. 3761-3763.

35. Highly conductive and transparant thin ZnO films prepared in situ in low pressure system / Ataev В. M., Bagamadova A. M., Mamedov V. V., Omaev A. K., Rabadanov R. A. // J. Cryst. Growth. 1999. Vol. 198-199. P. 1222-1225.

36. Transparent thin film transistors using ZnO as an active channel layer and their electrical properties / Masuda S., Kitamura K., Okumura Y., Miyatake S., Tabata H., and Kawai T. // J. Appl. Phys. 2003. Vol. 93. P. 1624-1630.

37. Hoffman R. L., Norris B. J., Wager J. F. ZnO-based transparent thin-film transistors // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82. P. 733-735.

38. Thin film transistor of ZnO fabricated by chemical solution deposition / Ohya Y., Niwa Т., Ban T. and Takahashi Y. // Jpn. J. Appl. Phys. 2001. Vol. 40. P. 297-298.

39. Transparent p-n heterojunction thin film diodes (n-Zn0/p-CuY02:Ca) / Jayaraj M. K., Draeseke A. D., Tate J., Hoffman R. L., and Wager J. F. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2001. Vol. 666. P. F4.1.

40. Fabrication of Zr-N codoped p-type ZnO thin films by pulsed laser deposition / Kim H., Cepler A., Osofsky M. S., Auyeung R. C. Y., and Pique A. // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 90. P. 203508.

41. Люминесценция монокристаллических слоев окиси пинка п- и р- типа проводимости / Бутхузи Т. В., Георгобиани А. Н., Зада-Улы Е., Эльтазаров Б. Т., Хулордава Т. Г. // Труды ФИАН, 1987. Т. 182, С. 140.

42. The regulation of defect concentrations by means of separation layer in wideband II-VI compounds / Butkhuzi Т. V., Sharvashidze M. M.,

43. Gamkrelidze N. M., Gelovani Kh. V., Khulordava T. G., Kekelidze N. P., and Kekelidze E. E. // Semicond. Sci. Technol. 2001. Vol. 16. P. 575-580.

44. Структуры ZnO/ZnSe, полученные методом радикало-лучевой геттерирующей эпитаксии / Георгобиани А. Н., Котляровский М. Б., Кидалов В. В., Рогозин И. В. // Неорганические материалы. 1997. Т. 33, № 2. С. 232-235.

45. Growth of p-type zinc oxide films by chemical vapor deposition / Minegishi K., Koiwai Y., Kikuchi Y., Yano K., Kasuga M. and Shimizu A. // Jpn. J. Appl. Phys. 1997. Vol. 38, № 2. P. L1453-L1456.

46. Synthesis of p-type ZnO films / Ryu Y. R., Zhu S., Look D. C., Wrobel J. M., Jeong H. M. and White H. W. // J. Cryst. Growth. 2000. Vol. 216. P. 330-333.

47. Guo X.-L., Tabata H. and Kawai T. Pulsed laser reactive deposition of p-type ZnO film enhanced by an electron cyclotron resonance source // J. Cryst. Growth. 2001. Vol. 223. P. 135-138.

48. Characterization of homoepitaxial p-type ZnO grown by molecular beam epitaxy / Look D. C., Reynolds D. C., Litton C. W., Jones R. L., Eason D. В., and Cantwell G. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81. P. 1830-1832.

49. Formation of p-type ZnO film on InP substrate by phosphor doping / Bang К. H., Hwang D.-K., Park M.-C., Ко Y.-D., Yun I., and Myoung J.-M. // Appl. Surf. Sci. 2003. Vol. 210. P. 177-182.

50. Ryu Y. R., Lee T. S., and White H. W. Properties of arsenic-doped p-type ZnO grown by hybrid beam deposition // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83. P. 87-89.

51. Realization of p-type ZnO thin films via phosphorus doping and thermal activation of the dopant / Kim K.-K., Kim H.-S., Hwang D.-K., Lim J.-H., and Park S.-J. // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83. P. 63-65.

52. Deposition and electrical properties of N-In codoped p-type ZnO films by ultrasonic spray pyrolysis / Bian J. M., Li X. M., Gao X. D., Yu W. D., and Chen L. D. // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84. P. 541-543.

53. Interactions between gallium and nitrogen dopants in ZnO films grown by radicalsource molecular-beam epitaxy / Nakahara K., Takasu H., Fons P., Yamada A., Iwata K., Matsubara K., Hunger R., and Niki S. // Appl. Phys. Lett.2001. Vol. 79. P. 4139.

54. Nitrogen-induced defects in ZnO:N grown on sapphire substrate by gas source MBE / Iwata K.3 Fons P., Yamada A., Matsubara K. and Niki S. // J. Cryst. Growth. 2000. Vol. 209. P. 526-529.

55. Guo X.-L., Tabata H. and Kawai T. Epitaxial growth and optoelectronic properties of nitrogen-doped ZnO films on A1203 substrate // J. Cryst. Growth.2002. Vol. 237-239. P. 544-547.

56. Yamauchi S., Goto Y., Hariu T. Photoluminescence studies of undoped and nitrogen-doped ZnO layers grown by plasma-assisted epitaxy // J. of Cryst. Growth. 2004. Vol. 260. P. 1-6.

57. Ryu M. K., Lee S. H., and Jang M. S. Postgrowth annealing effect on structural and optical properties of ZnO films grown on GaAs substrates by the radio frequency magnetron sputtering technique // J. Appl. Phys. 2002. Vol. 92. P. 158.

58. Spectroscopy of excitons, bound excitons and impurities in h-ZnO epilayers / Morhain C., Teisseire M., Verzian S., Viguer F., Raymond F., Lorenzini P.,

59. Guion J., Neu G., and Faurie J.-P. // Phys. Stat. Solidi B. 2002. Vol. 229, № 2. P. 881-885.

60. Transport properties of phosphorus-doped ZnO thin films / Heo Y. W., Park S. J., Ip K., Pearton S. J., and Norton D. P. // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83, P. 1128-1130.

61. Compensation mechanism for N acceptors in ZnO / Lee E.-Ch., Kim Y.-S., Jin Y.-G., and Chang K. J. // Phys. Rev. B. 2001. Vol. 64. P. 85120-85125.

62. Look D. C. Recent advances in ZnO materials and devices // Materials Science and Engineering B. 2001. Vol. 80. P. 383-386.

63. Park C. H., Zhang S. B., and Wei S.-H. Origin of p-type doping difficulty in ZnO: The impurity perspective // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 66. P. 73202-73207.

64. Yan Y., Zhang S. B., Pantelides S. T. Control of doping by impurity chemical potentials: predictions for p-type ZnO // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 86. P. 5723-5726.

65. First principles study of the compensation mechanism in N-doped ZnO / Lee E.-Ch., Kim Y. -S., Jin Y.-G. and Chang K. J. // Physica B. 2001. Vol. 308310. P. 912-915.

66. Yamamoto T. and Katayama-Yoshida H. Solution using a codoping method to unipolarity for the fabrication of p-type ZnO // Jpn. J. Appl. Phys. 1999. Vol. 38, № 2. P. L166-L169.

67. Yamamoto T. and Katayama-Yoshida H. Physics and control of valence states in ZnO by codoping method // Physica B. 2001. Vol. 302-303. P. 155-162.

68. Growth of epitaxial i?-type ZnO thin films by codoping of Ga and N / Kumar M., Kim T.-H., Kim S.-S., and Lee B.-T. // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. P. 112103.

69. Binnig G., Quate C. F., Gerber Ch. Atomic force microscope // Phys. Rev. Lett. 1986. Vol. 56, № 9. P. 930-933.

70. Meyer E., Heinzelmann H. Scanning force microscopy // Scanning tunneling microscopy II / Ed. by R. Wiesendanger, H.-J. Guntherodt. Heidelberg : Springer, 1992. 99-149 p.

71. Atomic force microscopy for the study of tribology and adhesion / Meyer E., Heinzelmann H., Grutter P., Jung Т., Hidber H.-R., Rudin H., and Guntherodt H.-J. // Thin Solid Films. 1989. Vol. 181, № 1. p. 527-544.

72. Стоянова И. Г., Анаскин И. Ф. Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии. М. : Наука, 1972. 371 с.

73. Щербачев К. Д., Бублик В. Т. К методике измерения диффузного рассеяния рентгеновских лучей на трехкристальном рентгеновском дифрактометре // Заводская лаборатория. 1994. Т. 60, № 8. С. 28-32.

74. Jiang Н. G., Ruhle М., Lavernia Е. J. On the applicability of the X-ray diffraction line profile analysis in extracting grain size and microstrain in nanocrystalline materials // J. Mater. Res. 1999. Vol. 14. P. 549.

75. Лазерное напыление пленок ZnO на кремниевые и сапфировые подложки / Жерихин А. Н., Худобенко А. И., Вилльямс Р. Т., Вилкинсон Д.,

76. Усер К. Б., Хионг Г., Воронов В. В. // Квантовая электроника. 2003. Т. 33, № 11. С. 975-980.

77. Chen Y., Bagnall D., Yao Т. ZnO as a novel photonic material for the UV region // Mater. Sci. Eng. B. 2000. Vol. 75. P. 190-198.

78. Pulsed laser deposition of ZnO thin films for applications of light emission / Bae S. H., Lee A. Y., Jin B. J., Im S. // Appl. Sur. Sci. 2000. Vol. 154 -155. P. 458-462.

79. Sun X. W., Kwok H. C. Optical properties of epitaxially grown zinc oxide films on sapphire by pulsed laser deposition // J. Appl. Phys. 1999. Vol. 86. P. 408-411.

80. Lokhande B. J., Patil P. S., Uplane M. D. Studies on structural, optical and electrical properties of boron doped zinc oxide films prepared by spray pyrolysis technique // Physica B. 2001. Vol. 302-303. P. 59-63.

81. Characterization of ZnO:N films prepared by annealing sputtered zinc oxynitride films at different temperatures / Zhang J. P., Zhang L. D., Zhu L. Q., Zhang Y., Liu M., Wang X. J., He G. // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 102, № 11. P. 114903.

82. Frank К. H., Karlson U. sp-metals // Electronic structure of solids: Photoemission spectra and related data / Ed. by A. Goldmann, E. E. Koch. Heidelberg : Springer, 1989. 285 p.

83. Wertheim G. K. Electron and ion spectroscopy of solids. N. Y. : Plenum press, 1989. 192 p.

84. Layer-by-layer growth of ZnO epilayer on Al203(0001) by using a MgO buffer layer / Chen Y., Ко H.-J., Hong S.-K., Yao T. // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 76, №5. P. 559-561.

85. Emission from the higher-order excitons in ZnO films grown by laser molecular-beam epitaxy / Tsukazaki A., Ohtomo A., Kawasaki M., Makino Т., Chia С. H., Segawa Y., and Koinuma H. // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, № 19. P. 3858.

86. Stimulated emission and time-resolved photoluminescence in rf-sputtered ZnO thin films / Ozgur U., Teke A., Liu C.5 Cho S. J., Morkoc H., Everitt H. O. // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, № 17. P. 3223-3225.

87. Effect of MgZnO-layer capping on optical properties of ZnO epitaxial layers / Makino T., Tamura K., Chia C. H., Segawa Y., Kawasaki M., Ohtomo A., Koinuma H. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81, № 12. P. 2172.

88. Photoluminescence properties of ZnO epilayers grown on CaF2(lll) by plasma assisted molecular beam epitaxy / Ko H. J., Chen Y. F., Zhu Z., Yao T., Kobayashi I., and Uchiki H. // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol. 76, № 14. P. 1905.

89. Effects of growth temperature on the characteristics of ZnO epitaxial films deposited by metalorganic chemical vapor deposition / Zhang B. P., Wakatsuki K., Bihn N. T., Usami N. and Segawa Y. // Thin Solid Films. 2004. Vol. 449. P. 12-19.

90. Optical properties of thin films of ZnO prepared by pulsed laser deposition / Sans J. A., Segura A., Mollar M. and Mari B. // Thin Solid Films. 2004. Vol. 453-454. P. 251.

91. MgxZni.xO as a II-VI widegap semiconductor alloy / Ohtomo A., Kawasaki M., Koida T., Masubuchi K., Koinuma H., Sakurai Y., Yoshida Y.,

92. Yasuda Т., and Segawa Y. // Appl. Phys. Lett. Vol. 1998. Vol. 72, № 19. P. 2466.

93. Кучис E. В. Методы исследования эффекта Холла. М. : Сов. радио, 1974. 328 с.

94. ZnO devices: Photodiodes and p-tipe field-effect transistors / Ryu Y. R., Lee T. S., Lubguban J. A., White H. W., Park Y. S., Youn C. J. // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87. P. 153504.

95. Next generation of oxide photonic devices: ZnO-based ultraviolet light emitting diodes / Ryu Y. R., Lee T. S., Lubguban J. A., White H. W., Kim W. J., Park Y. S., and Youn C. J. // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88. P. 241108.

96. Wide band gap oxide alloy: BeZnO / Ryu Y. R., Lee T. S., Lubguban J. A., Corman А. В., White H. W., Leem J. H., Han M. S., Youn C. J., and Kim W. J. // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88. P. 052103.

97. Ryu Y., White H. Technology optoelectronics: ZnO-based LEDs begin to show full-color potential // Compound Semiconductor. 2006. V.12. P. 16-18.

98. ZnO Based Light Emitting Diodes Growth and Fabrication / Pan M., Rondon R., Cloud J., Rengarajan V., Nemeth W., Valencia A., Gomez J., Spencer N., Nause J. // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6122. P. 61220M-1.

99. Ryu Y. R., Kim W. J. and White H. W. Fabrication of homostructural ZnO P

100. N junctions // J. Cryst. Growth. 2000. Vol. 219. P. 419-422.i

101. Fabrication of homostructural ZnO p-n junctions and ohmic contacts to arsenic-doped /Муре ZnO / Ryu Y. R., Lee T. S., Leem J. H. and White H. W. // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83. P. 4032 -4034.

102. Aoki Т., Hatanaka Y. and Look D. C. ZnO diode fabricated by excimer-laser doping // Appl. Phys. Lett. 2000. Vol.76. P. 3257-3258.

103. Optical and structural properties of ZnO films deposited on GaAs by pulsed laser deposition / Ryu Y. R., Zhu S., Budai J. D., Chanrasekhar H. R., Miceli P. F., White H. W. // J. Appl. Phys. 2000. Vol. 288. P. 201-204.

104. Драпак И. Т. Видимое излучение гетероперехода Zn0-Cu20 // ФТП. 1967. Т. 2. С. 614-616.

105. Инжекционная электролюминесценция в гетеропереходах n- ZnO р-ZnTe / Цуркан А. Е., Федотова Н. Д., Кичерман JL В., Пасько П. Г. // ФТП. 1975. Т. 6. С. 1183-1185.

106. Photovoltaic properties of ZnO/CdTe heterojunctions prepared by spray pyrolysis / Aranovich J. A., Golmayo D., Fahrenbruch A. L., and Bube R. H. // J. Appl. Phys. 1980. Vol. 51. P. 4260-4268.

107. Near-UV emitting diodes based on a transparent p -n junction composed of heteroepitaxially grown p-SrCu202 and n-ZnO / Hosono H., Ohta H., Hayashi K., Orita M. and Hirano M. // J. Crystal Growth. 2002. Vol. 237-239. P. 503-506.

108. Фотоэлектрические явления в гетероструктурах ZnO:Al p-Si / Никитин С. Е., Николаев Ю. А., Полушина И. К., Рудь В. Ю., Рудь Ю. В., Теруков Е. И. // ФТП. 2003. Т. 37. С. 1329.

109. Jeong I.-S., Kim J.-H., and Im S. Ultraviolet-enhanced photodiode employing n-ZnO/p-Si structure // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 83. P. 2946-2948.

110. Spectral responsivity and quantum efficiency of n-ZnO/p-Si photodiode fully isolated by ion-beam treatment / Park С. H., Jeong I. S., Kim J. H., and Im S. // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82. P. 3973-3975.

111. Особенности получения и некоторые свойства гетероперехода п-ZnO:Ga/p- GaN:Mg/a- А1203 / Атаев Б. М., Аливов Я. И., Мамедов В. В., Махмудов С. Ш., Магомедов Б. А. // ФТП. 2004. Т. 38. С. 699-671.

112. Investigation of RF and DC plasma jet system during deposition of highly oriented ZnO thin films / Cada M., Hubicka Z., Adamek P., Ptacek P., Sichova H., Sicha M., Jastrabik L. // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 174-175. P. 627-631.

113. Ryu Y. R., Lee T. S., White H. W. A technique of hybrid beam deposition for synthesis of ZnO and other metal oxides // J. of Crystal Growth. 2004. Vol. 261. P. 502-507.

114. Band gap engineering based on MgxZn!xO and CdyZni.yO Ternary alloy films / Makino Т., Segawa Y., Kawasaki M., Ohtomo A., Siroki R., Tamura K., Yasuda Т., Koinuma H. // Appl. Phys. Lett. 2001. Vol. 78, № 9. P. 1237.

115. S doping in ZnO film by supplying ZnS species with pulsed-laser-deposition method / Yoo Y.-Z., Jin Zh.-W., Chikyow Т., Fukumura Т., Kawasaki M., and Koinuma H. // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 81, № 20. P. 3798.

116. Optical and structural characteristics of ZnO films doped with gallium / Novodvorsky O. A., Panchenko V. Ya., Khramova O. D., Gorbatenko L. S., Butorina Ye. A., Wenzel C., Bartha J. W. // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6161. P. 124-133.

117. Gallium concentration dependence of room-temperature near-band-edge luminescence in n-type ZnO:Ga / Makino Т., Segawa Y., Yoshida S., Tsukazaki A., Ohtomo A., Kawasaki M. // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85, №5. P. 759-761.

118. Srikant V., Clarke D. R. Optical absorption edge of ZnO thin films: The effect of substrate // J. Appl. Phys. 1997. Vol. 81. P. 6357.

119. Photoluminescence behaviors in ZnGa204 thin film phosphors deposited by a pulsed laser / Bae J. S., Moon В. K., Choi В. C., Jeong J. H., Yi S. S., Kim I. W. and Lee J. S. // Thin Solid Films. 2003. Vol. 424. P. 291-295.

120. Optical properties of Si-doped GaN / Schubert E. F., Goepfert I. D., Grieshaber W., and Redwing J. M. // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71. P. 921.

121. Optical properties of ZnO:Al epilayers: observation of room-temperature many-body absorption-edge singularity / Makino Т., Tamura K., Chia С. H., Segawa Y., Kawasaki M., Ohtomo A., and Koinuma H. // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 65, № 12. P. 121201(R)l-4.

122. Well-width dependence of radiative and nonradiative lifetimes in ZnO-based multiple quantum wells / Makino Т., Chia С. H., Segawa Y., Ohtomo A.,

123. Tamura К., Kawasaki M., and Koinuma H. // Phys. Status Solidi B. 2002. Vol. 229, № 2. P. 853-857.

124. Photoluminescence characterization of nonradiative recombination in carbon-doped GaAs / Carderon L., Lu Y., Shen H., Pamulapati J., Yang M. L. W., and Wright P. D. // Appl. Phys. Lett. 1992. Vol. 60. P. 1597.

125. Fabrication of transparent p-n hetero-junction diodes by p-diamond film and n-ZnO film / Wang С. X., Yang G. W., Zhang Т. C., Liu H. W., Han Y. H., Luo J. F., Gao, С. X. and Zou G. T. // Diamond and Related Materials. 2003. Vol. 12. P.1548.