ТОНКИЕ ПЛЕНКИ ZnO n- И p-ТИПА
Оксид цинка является широкозонным полупроводниковым материалом и имеет рекордную среди бинарных полупроводников энергию связи экситона — 60 мэВ. Это является предпосылкой для создания полупроводниковых устройств на базе оксида цинка, эффективно работающих при температурах до 700 ºС. 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, оксид цинка податлив к химическому травлению, безвреден и относительно недорог. Для создания стабильных и надежных полупроводниковых устройств (диодов и лазеров УФ диапазона) на основе оксида цинка разработана технология импульсного лазерного осаждения тонких пленок ZnO n— и p— типа, легированных элементами III и V группы (Ga, Al, N, P). Получены эпитаксиальные пленки ZnO:Ga n— типа с рекордно низким значением удельного сопротивления 1,1 ∙ 10-4 Ом∙см, концентрацией носителей заряда 2,3 ∙ 1020 см-3, подвижностью 22 см2/В∙с. Установлено, что 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. 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 Ом∙см, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:N составляют 2,8 ∙ 1018 см-3 и 12 см2/В∙с; ZnO:(Ga,N) с удельным сопротивлением 1 Ом∙см, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:(Ga,N) составляют 2,7 ∙ 1018 см-3 и 15 см2/В∙с; ZnO:P с удельным сопротивлением 1,9 Ом∙см, концентрация и подвижность носителей заряда пленок ZnO:P составляют 9 ∙ 1018 см-3 и 2,3 см2/В∙с. Методом термического отжига определены энергии активации азота и фосфора в пленках ZnO, которые составляют 0,083 эВ и 0,068 эВ соответственно.
Публикации
- Формирование акцепторных центров в тонких пленках ZnO и (Mg,Zn)O, при легировании фосфором, Перспективные материалы, Спец. Выпуск, №14 с.290-294, 2013 Л.С. Паршина, А.А. Лотин, О.А. Новодворский, О.Д. Храмова, Е.А. Черебыло, В.Я. Панченко, К. Венцель, И.В. Барта
- Photoluminescent properties of nitrogen and phosphorus doped ZnO thin films fabricated by pulsed laser deposition method Laser Physics, Vol. 21, Is. 4, P. 790-795 (2011). L.S. Parshina, O.A. Novodvorsky, V.Ya. Panchenko, O.D. Khramova, Ye.A. Cherebilo, A.A. Lotin, C. Wenzel, N. Trumpaicka, J.W. Bartha
- 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.
- 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 C., Trumpaicka N., Bartha J. W. // Laser Physics. 2009. Vol. 19, № 5. P. 1152-1158.
ПЛЕНКИ ТРОЙНЫХ РАСТВОРОВ ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ MgZnO И CdZnO
Управление шириной запрещенной зоны Eg в полупроводниках является одной из важнейших задач при создании различных гетероструктур и конструировании оптоэлектронных устройств на их основе. Увеличение Eg в полупроводниках AIIBVI может быть достигнуто посредством частичного замещения элементов A вышестоящими элементами той же группы Периодической системы химических элементов, а уменьшение — нижестоящими. Так, при частичном замещении Zn на Mg ширина запрещенной зоны оксида цинка увеличивается. Поскольку ионный радиус Mg2+ (0.57 Å) близок к ионному радиусу Zn2+ (0.6 Å), можно ожидать высокой растворимости Mg в оксиде цинка. При частичном замещении Zn на Cd ширина запрещенной зоны оксида цинка уменьшается. Поскольку оксид цинка обладает гексагональной кристаллической структурой (вюрцит), а оксиды магния и кадмия — кубической, рост тройных сплавов MgxZn1−xO и CdyZn1−yO со структурой вюрцита во всем диапазоне значений x и y не представляется возможным.
Методом импульсно-лазерного осаждения на сапфировых подложках выращены тонкие пленки CdyZn1−yO и MgxZn1−xO в диапазоне y = 0−0.35 и x = 0−0.45. Достигнуты рекордные пределы растворимости Cd и Mg в гексагональном оксиде цинка, равные y = 0.3 и x = 0.35. Рассогласование постоянных кристаллической решетки a пленок Cd0.2Zn0.8O и Mg0.35Zn0.65O не превышало 1%, а разрыв запрещенной зоны при этом достигал 1.3 eV. Шероховатость пленок не превышала 2.5 nm для значений x = 0−0.27 и y = 0−0.2.
Публикации
- А.А. Лотин, О.А. Новодворский, В.Я. Панченко, Л.С. Паршина, Е.В. Хайдуков, Д.А. Зуев, В.В. Рочева, О.Д. Храмова, К.Д. Щербачев, Тройные сплавы CdyZn1-yO и MgxZn1-xO — материалы для оптоэлектроники, ФТТ, 53(3), 438 (2011).
- The quantum confinement effect observed in the multiple quantum wells Mg0.27Zn0.73O/ZnO Laser Physics, Vol. 21, Is. 3, P. 582-587 (2011). А.А. Lotin, О.А. Novodvorsky, L.S. Parshina, Е.V. Khaydukov, O.D. Khramova, V.Ya. Panchenko
- А.А. Лотин, О.А. Новодворский, Е.В. Хайдуков, В.В. Рочева, О.Д. Храмова, В.Я. Панченко, К. Венцель, Н. Трумпайска, К.Д. Щербачев, Эпитаксиальный рост и свойства пленок MgxZn1-xO, получаемых методом лазерно-плазменного осаждения, ФТП, 44(2), 260 (2010).
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА БАЗЕ ZnO
Прямозонный полупроводниковый материал – ZnO с шириной запрещенной зоны Eg = 3.37 эВ является одним из наиболее перспективных материалов для создания светоизлучающих и лазерных диодов в коротковолновой области спектра. На основе пленок ZnO n— и p— 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 n-ZnO:Ga/p-ZnO:(Ga,N), демонстрирующие выпрямляющий характер ВАХ. На гетеропереходе n-ZnO/p-GaN получена электролюминесценция в УФ области при комнатной температуре.
Публикации
- О.А. Новодворский, А.А. Лотин, В.Я. Панченко, Л.С. Паршина, Е.В. Хайдуков, Д.А. Зуев, О.Д. Храмова / Электролюминесценция полупроводниковых гетероструктур на основе оксида цинка // Квантовая Электроника, 41 (1), С. 4-7 (2011)
КВАНТОВЫЕ ЯМЫ НА ОСНОВЕ ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Полупроводниковые квантовые ямы представляют собой весьма интересные объекты исследований и широко используются для создания фотодетекторов, лазеров, оптических модуляторов, мощных быстродействующих транзисторов. В квантовых ямах, вследствие ограничения носителей тока в узком слое, проявляется эффект размерного квантования, обуславливающий новые свойства двумерных носителей тока. Изменяя толщину квантовой ямы и высоту потенциального барьера можно управлять спектром электрон-дырочных переходов в светоизлучающих структурах на квантовых ямах. Методом импульсного лазерного осаждения созданы квантовые ямы Mg0,27Zn0,73O/ZnO, в которых наблюдались эффекты размерного квантования при изменении ширины ямы. Достигнуто двукратное превышение энергии связи экситона в двумерных структурах Mg0,27Zn0,73O/ZnO с шириной отдельной ямы 1,5 нм по сравнению с объемными пленками ZnO. Резкое увеличение интенсивности экситонного пика в спектрах фотолюминесценции при уменьшении ширины ямы обусловлено возрастанием квантовой эффективности двумерных гетероструктур. В результате этого стало возможным наблюдение стимулированного экситонного излучения в МКЯ Mg0,27Zn0,73O/ZnO, порог возбуждения которого зависит от ширины квантовой ямы.
Публикации
- A.A. Lotin, O.A. Novodvorsky, D.A. Zuev, Room temperature stimulated emission in two-dimensional MgxZn1-xO/ZnO heterostructures at optical pumping, Las. Phys. Lett., 10, P.055902 (2013)
- Optical pumped stimulated emission in ZnO-based quantum wells grown by PLD Proceedings of SPIE, Vol. 8463, P. 84630I-1-84630I-7 (2012). A.A. Lotin, O.A. Novodvorsky, D.A. Zuev, L.S. Parshina, O.D. Khramova
- Two-dimensional heterostructures based on ZnO Applied Physics B, Vol. 105, P. 565-572 (2011). А.А. Lotin, О.А. Novodvorsky, L.S. Parshina, Е.V. Khaydukov, D.A. Zuev, O.D. Khramova, and V.Ya. Panchenko
- Quantum efficiency increasing and lasing in the quantum wells based on ZnO / Lotin A.А., Novodvorsky О.А., Parshina L.S., Khaydukov Е.V., Zuev D.A., Khramova O.D., Panchenko V.Ya. // Proceedings of SPIE. 2011. Vol. 7994. P. 79940T-1-79940T-7.