[論文レビュー] Controlled defects in ZnO by low energy Ar irradiation

Soubhik Chattopadhyay, Sreetama Dutta+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2009

ZnO doping and properties参考文献 58被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、低エネルギー Ar8+ 界面照射（1.2 MeV、フルエンス 1×10^15 粒子/cm² まで）が、ZnO に制御された欠陥を誘発することを示しており、主に酸素空孔が原因で白色から濃い赤茶色に著しい色変化が生じる。主な結果として、ドーナー濃度と移動度の向上により、抵抗率が4桁低下（10,000倍減少）した。これは、発光分光および電気的測定によって確認され、光エレクトロニクス応用のための欠陥工学のチューナブルルートを提供する。

ABSTRACT

We report interesting observations in 1.2 MeV Ar8+ ion irradiated ZnO which, to the best of our knowledge, have not been published earlier and will be useful for the scientific community engaged in research on ZnO. Irradiation with the initial fluence 1 X 10^15 ions/cm^2 changes the colour of the sample from white to orange while the highest irradiation fluence makes it dark reddish brown that appears as black. Such changes in colour can be correlated with the oxygen vacancy type defects. No significant change in the grain size of the irradiated samples, as revealed from the x-ray diffraction (XRD) line width broadening, has been observed. Increase of surface roughness due to sputtering is clearly visible in scanning electron micrographs (SEM) with highest fluence of irradiation. Room temperature Photoluminescence (PL) spectrum of the unirradiated sample shows intense ultra-violet (UV) emission (~ 3.27 eV) and less prominent defect level emissions (2-3 eV). The overall emission is largely quenched due to initial irradiation fluence. But with increasing fluence UV emission is enhanced along with prominent defect level emissions. Remarkably, the resistivity of the irradiated sample with highest fluence is reduced by four orders of magnitude compared to that of the unirradiated sample. This indicates increase of donor concentration as well as their mobility due to irradiation. Oxygen vacancies are deep donors in ZnO, but surely they influence the stability of the shallow donors (presumably zinc interstitial related) and vice versa. This is in conformity with recent theoretical calculations.

研究の動機と目的

• 低エネルギー Ar8+ 界面照射が ZnO の構造的・光学的・電気的特性に与える影響を調査すること。
• 酸素空孔およびその他の欠陥が ZnO の電子的および光学的挙動をどのように変化させるかを理解すること。
• 光エレクトロニクス応用のための機能向上を図るため、ZnO における欠陥工学を制御可能な方法で探求すること。
• 顕著な変化（色変化、抵抗率変化）と欠陥形成およびキャリア濃度の関係を相関させること。

提案手法

• 1.2 MeV の Ar8+ 界面を、フルエンス 1×10^13 から 1×10^15 粒子/cm² の範囲で ZnO 単結晶に照射する。
• X線回折（XRD）を用いて構造的変化および線幅の広がりによる粒径の評価を行う。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いてスパッタリング効果に起因する表面形態および粗さの変化を分析する。
• 室温での発光分光法（PL）を用いて紫外発光および欠陥関連遷移を調査する。
• 抵抗率測定を実施し、キャリア濃度および移動度の変化を評価する。
• 光学的および電気的応答を、特に酸素空孔を含む欠陥種別と相関づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギー Ar8+ 界面照射は、ZnO の光学的発光プロファイル（特に紫外および欠陥関連発光）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 フルエンスの増加が ZnO の電気的抵抗率に与える影響は何か？ これは欠陥誘起キャリア生成について何を示唆するか？
• RQ3 XRD および SEM を用いた解析により、照射下での結晶粒径や表面粗さといった構造的パラメータはどの程度変化するか？
• RQ4 酸素空孔は、ZnO における浅いドーナーの安定性および濃度にどのように影響を与えるか？ これは観察された抵抗率および PL の変化から示唆されるか？
• RQ5 イオン照射を用いた ZnO における制御的欠陥工学は、その光エレクトロニクス的特性を調整可能にするか？

主な発見

• 1×10^15 粒子/cm² のフルエンスで照射した場合、白色からオレンジ色に可視的な色変化が生じ、最高フルエンスで濃い赤茶色（ほぼ黒色）の外観を示した。
• 最高フルエンスで照射した後、ZnO の抵抗率は4桁低下し、ドーナー濃度および／またはキャリア移動度の著しい増加を示した。
• 室温での発光分光法では、低フルエンスで紫外発光（約 3.27 eV）が強く抑制された後、フルエンスの増加に伴い強度が増加し、2–3 eV 範囲に顕著な欠陥関連発光が観察された。
• XRD 分析では、結晶粒径の顕著な変化は認められず、構造的劣化が結晶の歪みや粒成長によるものではないことが示された。
• SEM 画像では、スパッタリング効果に起因する表面粗さの増加が確認され、特に最高フルエンスで顕著であった。
• 観察された変化は、深さの深いドーナーとして機能する酸素空孔の生成に起因するとされ、浅いドーナー（おそらく亜晶格亜位に起因する）の安定性に影響を与えるものであり、最近の理論的予測と整合的である。