N ion-implantation-induced defects in ZnO studied with a slow positron beam

低エネルギー陽電子ビームによる窒素イオン注入した酸化亜鉛中の格子欠陥の研究

Chen, Z. Q.; 関口 隆史*; Yuan, X. L.*; 前川 雅樹; 河裾 厚男

Chen, Z. Q.; Sekiguchi, Takashi*; Yuan, X. L.*; Maekawa, Masaki; Kawasuso, Atsuo

高純度酸化亜鉛に対して、50keVから380keVの窒素イオンを10/cmから10/cm注入した。陽電子消滅測定から、注入層の損傷が検出された。原子空孔型欠陥の濃度は、注入量とともに増加することが見いだされた。損傷の焼鈍過程は二つの段階からなることがわかった。前者は、原子空孔集合体の形成とその消失、後者は、原子空孔と窒素イオンの複合体形成と消失である。全ての検出可能な損傷は1200Cまでの焼鈍によって消失することがわかった。発光測定から、注入によって生じた損傷が非発光中心として作用し、紫外発光強度を抑制することが明らかになった。陽電子測定で見られた損傷の消失と紫外発光の回復はよく一致していることが明らかになった。窒素イオンはp型不純物の候補と考えられているが、ホール効果測定の結果、焼鈍後の試料の伝導型はn型であった。

Undoped ZnO single crystals were implanted with multiple energy N ions ranging from 50 to 380 keV with dose from 10/cm to 10/cm. Positron annihilation measurements show that vacancy defects are introduced in the implanted layers. The concentration of the vacancy defects increases with increasing ion dose. Annealing behavior of the defects can be divided into four stages, which correspond to the formation and recovery of large vacancy clusters, formation and disappearance of vacancy-impurity complexes, respectively. All the implantation induced defects are removed by annealing at 1200C. Cathodoluminescence measurements show that the ion implantation induced defects act as nonradiative recombination centers to suppress the ultraviolet emission. After annealing, these defects disappear gradually and the ultraviolet emission reappears, which coincides with positron annihilation measurement. The Hall measurements reveal that after N-implantation, the ZnO layer still shows n-type conductivity.