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Study of ion beam induced defects in ZnO by using slow positron beam

陽電子ビームによるイオン注入ZnO中の格子欠陥の研究

Chen, Z. Q.; 前川 雅樹; 山本 春也; 関口 隆史*; 河裾 厚男

Chen, Z. Q.; Maekawa, Masaki; Yamamoto, Shunya; Sekiguchi, Takashi*; Kawasuso, Atsuo

無添加酸化亜鉛(ZnO)に対して、アルミ及び窒素イオンの個別イオン注入とアルミ窒素の共注入を行い、表層に生成する注入欠陥の回復過程を低エネルギー陽電子ビームによって調べた。アルミイオン注入後の空孔型欠陥は、二段階のアニールで消失することが見いだされた。第一段階では寸法の大きな原子空孔集合体が形成されるが、第二段階でそれらは完全に除去される。このことから注入層は非晶質化していると考えられる。一方、窒素イオン注入と共注入した場合では、アルミイオン注入では見られない高温の回復段階が見いだされた。これは、窒素と原子空孔の相互作用によるものと考えられる。ホール測定の結果、注入されたアルミイオンは、ほぼ全量が電気的に活性な状態にあることがわかったが、窒素イオン注入または共注入の場合には電気的活性化が抑制されることが明らかになった。

Undoped ZnO crystals were implanted with Al$$^+$$, N$$^+$$ and Al$$^+$$/N$$^+$$ respectively. The implantation induced defects and their recovery were studied using a variable energy slow positron beam. Vacancy clusters are introduced in all the implanted samples. The annealing of the defects in Al$$^+$$-implanted sample shows two stages, which might be due to the agglomeration of vacancy clusters and their recovery, respectively. Large voids are also observed when the Al$$^+$$ dose is higher than 10$$^{14}$$ cm$$^{-2}$$, which suggest amorphization of ZnO. However, for both the N$$^+$$-implanted and the Al$$^+$$/N$$^+$$ co-implanted sample, the annealing behavior of the defects shows four stages. The last two stages might be related with the formation and recovery of nitrogen related defect complexes. Hall measurements show a strong n-type conductive layer after Al$$^+$$ implantation and annealing, suggesting that all the Al$$^+$$ ions are activated. However, for the N$$^{+}$$-implanted and Al$$^+$$/N$$^+$$ co-implanted ZnO, the implanted layer still shows n-type conductivity. The possible reason is discussed.

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