SYNTHESIS OF ZnO:N THIN FILMS BY REACTIVE DC MAGNETRON SPUTTERING
S. Burinskas^a, J. Dudonis^a, D. Milčius^a,b, M. Karaliūnas^c, and E. Kuokštis^c
aDepartment of Physics, Kaunas University of Technology, Studentų 50, LT-51368 Kaunas, Lithuania
E-mail: saulius.burinskas@stud.ktu.lt
^bCentre for Hydrogen Energy Technologies, Lithuania Energy Institute, Breslaujos 3, LT-44403 Kaunas, Lithuania
E-mail: milcius@mail.lei.lt
^cSemiconductor Physics Department and Institute of Applied Research, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania
E-mail: mindaugas.karaliunas@ff.vu.lt

Received 17 March 2010; revised 12 July 2010; accepted 16 September 2010

Structural, electrical, and optical properties of nitrogen doped zinc oxide (ZnO:N) thin films deposited by direct current magnetron sputtering are analysed in this work. Nitrogen doping allows creation of p-type semiconducting ZnO thin films for their most important application as light emitting diodes. The scanning electron microscope images of sample cross-section show dense structure with columnar growth features. The X-ray diffraction patterns indicate semi-amorphous structure, explaining very low photoluminescence intensity. Optical transmittance measurements reveal significant changes in optical properties upon different amount of nitrogen doping. The resistance measurements in 30–90 $$^\circ$$C temperature range of ZnO:N thin films demonstrate similar to semiconductor behaviour and show resistance change up to 50%.

Keywords: reactive magnetron sputtering, nitrogen doped zinc oxide, p-type ZnO thin films, LED

ZnO:N PLĖVELIŲ SINTEZĖ REAKTYVIUOJU PASTOVIOS SROVĖS MAGNETRONINIU NUSODINIMU
S. Burinskas^a, J. Dudonis^a, D. Milčius^a,b, M. Karaliūnas^c, E. Kuokštis^c
aKauno technologijos universiteto Fizikos katedra, Kaunas, Lietuva
^bLietuvos energetikos instituto Vandenilio energijos technologijų centras, Lietuva
^cVilniaus universiteto Puslaidininkių fizikos katedra ir Taikomųjų mokslų institutas, Vilnius, Lietuva

Cinko oksidas (ZnO) laikomas viena iš perspektyvių medžiagų, siekiant sukurti p–n vienalytės sandūros šviestukus, dėl plataus (3,37 eV) draustinio energijų tarpo, santykinai pigių ZnO padėklų prieinamumo ir epitaksijos žemoje temperatūroje galimybės. Nors n tipo priemaišų įterpimas į ZnO vyksta gana lengvai, iki šiol nerasta patikimo būdo įterpti p tipo priemaišas. Perspektyviausiu akceptoriaus kandidatu beveik vieningai pripažįstamas azotas, kadangi dėl labai panašaus joninio spindulio gali ZnO gardelėje lengvai pakeisti deguonį.
Cinko oksido su azoto priemaiša (ZnO:N) sintezei atlikti gali būti naudojama daugelis metodikų. Dažniausiai literatūroje yra sutinkami metalinis-organinis cheminis nusodinimas iš garų fazės, reaktyvinis garinimas impulsiniu lazeriu, radiodažnio arba nuolatinės srovės magnetroninis nusodinimas. Skirtingų autorių gautų ZnO:N plėvelių savybės gana smarkiai skiriasi, galbūt dėl skirtingų formavimo technologijų bei naudojamų padėklų įvairovės. Patikimos informacijos stoka skatina atlikti papildomus ZnO:N sintezės bei savybių tyrimus.
Šiame darbe ZnO:N plėvelių nusodinimui buvo pasirinktas reaktyvusis nuolatinės srovės magnetroninis metodas, kadangi jis yra gana lengvai įgyvendinamas, pasižymi gana dideliais nusodinimo greičiais ir leidžia plačiame intervale keisti junginio stechiometriją. Pagrindinis tokio metodo panaudojimo sunkumas – sudėtinga reaktyviųjų dujų dalinio slėgio ir tuo pačiu sudaromo junginio stechiometrijos priklausomybė nuo įvairių technologinių parametrų.
Nusodintų plėvelių morfologija buvo ištirta rastriniu elektroniniu mikroskopu FEI Quanta 200F. Kristalinei struktūrai nustatyti buvo panaudotas Rentgeno difraktometras Bruker AXS D8 Advance su monochromatine Cu K$$_{\alpha}$ spinduliuote. Elektrinės savybės išmatuotos dviejų zondų metodu. Optinis plėvelių skaidris buvo išmatuotas UV-VIS spektrofotometru Spectronic GENESYS 8. Fotoliuminsecencijos tyrimai buvo atlikti kambario ir 8 K temperatūroje, žadinant nanosekundinio YAG:Nd lazerio 4-os harmonikos spinduliuote.
Tyrimų rezultatai rodo įvykusį azoto įmaišymą į ZnO. Rentgeno spindulių difrakcijos analizė parodė prastos kokybės pusiau amorfinę kristalinę ZnO:N plėvelių struktūrą. Plačios Rentgeno difrakcijos spektrų linijos priskirtinos heksagoninės struktūros ZnO, o bandiniuose su dideliu N₂ kiekiu Zn₃N₂ priskiriamų smailių neaptikta. Optinio skaidrumo matavimai ir draustinio energijos tarpo nustatymas patvirtino draustinio tarpo mažėjimą nuo 3,12 iki 1,56 eV, mažinant deguonies dalinį slėgį auginimo metu nuo 2,2·10⁻² iki 1,1·10⁻² Pa. Daug N₂ turinčios plėvelės yra mažai skaidrios regimai šviesai, turi mažą elektrinę varžą (0,61 cm) ir pasižymi neigiamu šiluminės varžos koeficientu, būdingu puslaidininkiams. Fotoliuminescencijos (FL) spektrų matavimai parodė menkas plėvelių spindulines savybes ir patvirtino prastą ZnO:N plėvelių struktūros kokybę. Žemos temperatūros fotoliuminescencijos spektrai yra būdingi ZnO epitaksiniams sluoksniams su dominuojančia D⁰X spektrine linija, tačiau pasižymi santykinai intensyvia A⁰X linija ties 3,314 eV, kuri priskiriama azoto sukurtoms seklioms akceptorinėms priemaišoms cinko okside.