Електричні, оптичні та люмінесцентні властивості монокристалів оксиду цинку
Ключові слова:
ZnO, люмiнесценцiя, дефекти, фотопровiднiсть, дрейф мiжвузлового цинку ZniАнотація
Огляд присвячено результатам, отриманим при дослiдженнi електричних, фотоелектричних, оптичних i люмiнесцентних характеристик нелегованих монокристалiв оксиду цинку, вирощених газофазним методом. Показано, що за високу електропровiднiсть ZnO вiдповiдають атоми мiжвузлового цинку Zni – мiлкi донори, якi мають помiтну рухливiсть в кристалiчнiй ґратцi при температурах, близьких до кiмнатної. Виявлено, що перелокалiзацiя атомiв Zni пiд дiєю внутрiшнiх полiв призводить до появи залишкової провiдностi, зсуву краю оптичного поглинання у довгохвильовий бiк i спотворенню спектра екситонної люмiнесценцiї. Доведено, що тонкий приповерхневий шар з високою електропровiднiстю утворюється завдяки накопиченню донорiв Zni бiля поверхнi кристала внаслiдок їх дрейфу в полi виснажуючого вигину зон, створеного адсорбованим киснем. На основi зiвставлення спектрiв екситонної люмiнесценцiї i спектрiв збудження випромiнювання, пов’язаного з дефектами ґратки, зроблено висновок про те, що в процесi збудження останнього домiнуючу роль вiдiграє безвипромiнювальна анiгiляцiя екситонiв на центрах випромiнювання з передачею енергiї, що звiльняється, електронам на цих центрах. Дослiджена термолюмiнесценцiя ZnO, що збуджується теплом Джоуля. Показано, що цей ефект зумовлений рекомбiнацiєю створених теплом рiвноважних носiїв на дефектах ґратки.
Посилання
И.П. Кузьмина, В.А. Никитенко. Окись цинка. Получение и оптические свойства (Наука, 1984).
D.C. Look, D.C. Reynolds, J.W. Hemsky et al. Production and annealing of electron irradiation damage in ZnO. Appl. Phys. Lett. 75 (6), 811 (1999).
D.C. Look, B. Claflin, Ya.L. Alivov, S.J. Park. The future of ZnO light emitters. Phys. Stat. Sol. (a) 201 (19), 2203 (2004).
S.B. Zhung, S.-H. Wei, A. Zunder. Intrinsic n-type versus p-type doping asymmetry and the defect physics of ZnO. Phys. Rev. B 63 (7), 075205-01 (2001).
D.C. Look, J.W. Hemsky, J.R. Sizelove. Residual native shallow donor in ZnO. Phys. Rev. Lett. 82 (12), 2552 (1999).
A.F. Kohan, G. Ceder, D. Morgan et al. First-principles study of native point defects in ZnO. Phys. Rev. B 61 (22), 15019 (2000).
F. Oba, Sh.R. Nishitani, S. Isotani et al. Energetics of native defects in ZnO. J. Appl. Phys. 90 (2), 824 (2001).
Y. Sun, H. Wang. The electronic properties of native interstitials in ZnO. Physica B 325, 157 (2003).
D.C. Look, C. Coskun, B. Claflin et al. Electrical and optical properties of defects and impurities in ZnO. Physica B 340–342, 32 (2003).
Ch.G. Van de Walle. Defect analysis and engineering in ZnO. Physica B 308–310, 899 (2001).
Ch.G. Van de Walle. Hydrogen as a cause of doping in zinc oxide. Phys. Rev. Lett. 85 (5), 1012 (2000).
S.F.J. Cox, E.A. Davis, S.P. Cottrel et al. Experimental confirmation of the predicted shallow donor hydrogen state in zinc oxide. Phys. Rev. Lett. 86 (12), 2601 (2001).
D.M. Hoffmann, A. Hofstaetter, F. Leiter et al. Hydrogen: A relevant shallow donor in zinc oxide. Phys. Rev. Lett. 88 (4), 045504-1 (2002).
K. Shimomura, K. Nishiyama, R. Kadono. Electronic structure of the muonium center as a shallow donor in ZnO. Phys. Rev. Lett. 89 (25), 255505-1 (2002).
K. Ip, M.E. Overberg, Y.W. Heo et al. Hydrogen incorporation and diffusivity in plasma-exposed bulk ZnO. Appl. Phys. Lett. 82 (3), 385 (2003).
Ch.J. Van de Walle. Hydrogen as a shallow center in semiconductors and oxides. Phys. Stat. Sol. (b) 235 (1), 89 (2003).
D.J. Thomas, J.J. Lander. Surface conductivity produced on zinc oxide by zinc and hydrogen. J. Phys. Chem. Sol. 2 (4), 318 (1957).
Ф. Крегер. Химия несовершенных кристаллов (Мир, 1969).
B.R. Appelton, L.C. Feldman. Investigation of Zni concentrations in additivity colored ZnO. J. Phys. Chem. Sol. 33 (2), 507 (1972).
Hydrogen in semiconductors in “Semiconductors and Semimetals”. Edited by J.I. Pankove, N.M. Johnson (Academic Press, 1991), 34.
D.G. Thomas, J.J. Lander. Hydrogen as a donor in zinc oxide. J. Chem. Phys. 25 (6), 1136 (1956).
A.R. Hutson. Hall effect studies of doped ZnO crystals. Phys. Rev. 108 (2), 222 (1957).
E.V. Lavrov Infrared absorption spectroscopy of hydrogen-related defects in ZnO. Physica B 340–342, 195 (2003).
S.J. Jokela, M.D. Mc.Cluskey, K.J. Lynn. Infrared spectroscopy of hydrogen in zinc oxide. Physica B 341–342, 221 (2003).
F. Leiter, H.R. Alves, A. Hofstaetter et al. The oxygen vacancy as the origin of a green emission in undoped ZnO. Phys. Stat. Sol. (b) 226 (1), R4 (2001).
D.J. Thomas. Interstitial zinc in zinc oxide. J. Phys. Chem. Sol. 3 (3/4), 229 (1957).
T.K. Gupta. Application of zinc oxide varistors. J. Am. Ceram. Soc. 73 (7), 1811 (1990).
D. Gerthsen, D. Litvinov, Th. Gruber et al. Origin and consequences of a high stacking fault density in epitaxial ZnO layers. Appl. Phys. Lett. 81 (21), 3972 (2001).
Атомная диффузия в полупроводниках, под ред. Д. Шоу (Мир, 1975).
N.E. Korsunska, I.V. Markevich, T.V. Torchinska, M.K. Sheinkman. Electrodiffusion of shallow donors in CdS crystals. J. Phys. C 13 (4), 1275 (1980).
L.V. Borkovska, L.Yu. Khomenkova, I.V. Markevich et al. Investigation of lattice defects by means of their drift under electric field. Physica B 308–310, 967 (2001).
L.V. Borkovska, N.O. Korsunska, I.V. Markevich, M.K. Sheinkman. Mobile point defects in wide-band gap II–VI semiconductors as a factor of their instability. In: New Developments in Condensed Matter Physics. Edited by J.V. Chang, (2006), Chap. 9, p. 2315.
Л.В. Борковская, В.И. Кушниренко, И.В. Маркевич, Л.Ю. Хоменкова. Остаточные доноры в оксиде цинка: природа и влияние на свойства кристаллов. Оптоэлектроника и полупроводниковая техника 40, 17 (2005).
I.V. Markevich, V.I. Kushnirenko, L.V. Borkovska, B.M. Bulakh. Mobile donors in undoped ZnO. Phys. Stat. Sol. (c) 3 (4), 942 (2006).
L.Yu. Khomenkova, V.I. Kushnirenko, I.V. Markevich et al. The influence of defect drift in external electric field on green luminesence of ZnO single crystals. J. Lumin. 102–103, 733 (2003).
D.C. Look, J.W.Hemsky, J.R. Sizelov. Residual native donor in ZnO. Phys. Rev. Lett. 82 (12), 2552 (1999).
P. Bonasewicz, W. Hirschwald. Photoconductivity and photosorption. Curr. Top. Mater. Sci. 7, 411 (1981).
K.I. Hagemark, P.E. Toren. Determination of excess zinc in ZnO. J. Electrochem. Soc. 122, 922 (1975).
Н.В. Климова, Н.Е. Корсунская, И.В. Маркевич, Г.С. Пекарь, А.Ф. Сингаевский. Способ выращивания фоточувствительных монокристаллов халькогенидов кадмия методом сублимации. (Pешение о выдаче патента России по заявке №4842140/26, 1995).
I.V. Markevich, V.I. Kushnirenko, B.M. Bulakh. Role of excitons in the excitation of deep-level emission in ZnO crystals. Phys. Stat. Sol. C 7, 1605 (2010).
I.V. Markevich, I.V. Kushnirenko, B.M. Bulakh. Photoinduced changes of photoconductivity and exciton luminescence in ZnO crystals. Phys. Stat. Sol. (b) 244, 1549 (2007).
I.V. Markevich, V.I. Kushnirenko, L.V. Borkovska, B.M. Bulakh. Mechnism of formation of highly conductive layer on ZnO crystal surface. Solid State Commun. 136 (8), 475 (2005).
В.Е. Лашкарев, А.В. Любченко, М.К. Шейнкман. Неравновесные процессы в полупроводниках (Наукова думка, 1981).
B. Bulakh, L. Khomenkova, V. Kushnirenko, I. Markevich. The influence of crystal imperfections on the shape of exciton emission spectrum in ZnO single crystals. EPJ Appl. Phys. 27, 305 (2004).
Р. Бьюб. Фотопроводимость твердых тел (Иностр. лит., 1962).
W. G¨opel. Oxygen interaction of stoichiometric and non-stoichiometric ZnO prismatic surfaces. Surf. Sci. 62 (1), 165 (1977).
B.M. Bulakh, L.Yu. Khomenkova, V.I. Kushnirenko, I.V. Markevich. The influence of crystal imperfections on the shape of exciton emission spectrum in ZnO single crystals. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 27, 305 (2004).
L.V Borkovska, B.M.Bulakh, V.I. Kushnirenko, I.V. Markevich, A.V. Rusavsky. Influence of dislocation decoration with mobile donors on exciton luminescence in ZnO crystals. Phys. stat. sol. (c) 4 (8), 3086 (2007).
A. Baidullaeva, B.M. Bulakh, V.I. Kushnirenko, I.V. Markevich. The change in optical characteristics of ZnO crystals under ruby laser irradiation. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics 6 (4), 350 (2004).
S. Ostapenko, N.E. Korsunska, M.K. Sheinkman. Ultrasound stimulated defect reactions in semiconductors. Defect interaction and clustering in semiconductors. Edited by S. Pizzini (Scitec Publications Ltd, 2002).
L.V. Borkovska, N.E. Korsunska, I.V. Markevich et al. Redistribution of mobile point defects in CdS crystals under ultrasound treatment. Physica B 340–342, 258 (2003).
I.V. Markevich, V.I. Kushnirenko, B.M. Bulakh. Mechanism of light emission excited by Joule heating in ZnO crystals. J. Phys. Chem. Sol. 72, 980 (2011).
A. Janotti, Ch.G. Van de Walle. Fundumentals of zinc oxide as a semiconductor. Rep. Prog. Phys. 72, 12650-1 (2009).
¨ U. ¨ Ozg¨ur, Ya.I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M.A. Reshchikov, S. Doрan, V. Avrutin, S.-J. Cho, H. Morko¸c. A comprehensive review of ZnO materials and devices. J. Appl. Phys. 98, 04130-1 (2005).
Е.Ф. Гросс, С.А. Пермогоров, Б.С. Разбирин. Аннигиляция экситонов и экситон-фононное взаимодействие. УФН 103, 431 (1971).
I.V. Markevich, V.I. Kushnirenko, B.M. Bulakh. Centers of photosensitivity in ZnO. Solid State Commun. 144, 236 (2007).
Б.Л. Гельмонт, Н.Н. Зиновьев, Д.И. Ковалев, В.А. Харченко, И.Д. Ярошецкий, И.Н. Яссиевич. Оже-рекомбинация связанных экситонов, индуцированная акустическими фононами. ЖЭТФ 94, 322 (1988).
Ю.Н. Николаев, М.В. Фок. Принципы преобразования электрической энергии в световую. Труды ФИАН СССР 50, 106 (1970).
В.А. Соколов. Катодолюминесценция. УФН 47, 537 (1952).
G. Heiland, E. Mollwo, F. St¨ockmann. Electronic processes in zinc oxide. Solid State Phys. 8 (4), 223 (1959).
H.F. Ivey. Catodoluminescence and radical-excited luminescence. J. Lumin. 8, 271 (1974).
D.C. Reynolds, D.C. Look, B. Jogai. Fine structure of the green band in ZnO. J. Appl. Phys. 89 (11), 6189 (2001).
W.G. Spitzer, D. Kleinman, D. Walsh Infrared properties of hexagonal siicon carbide. Phys. Rev. 113 (1), 127 (1959).
Е.Ф. Венгер, Ю.А. Пасечник, О.В. Снитко, С.В. Стрижевский. Влияние обработок поверхности на свойства поверхностных поляритонов карбида кремния. УФЖ 25 (9), 1460 (1980).
А.В. Мельничук, Л.Ю. Мельничук, Ю.А. Пасечник. Анизотропия электрофизических свойств монокристаллов окиси цинка. ФТТ 36 (9), 2624 (1984).
E.F. Venger, A.V. Melnichuk, L.Ju. Melnichuk, Ju.A. Pasechnik. Anisotropy of the ZnO single crystal reflectivity in the region of residual rays. Phys. Stat. Sol. (b) 188 (2), 823 (1995).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
