Interaction of nitrogen with vacancy defects in N-implanted ZnO studied using a slow positron beam

O/Nイオンを共注入した酸化亜鉛における空孔型欠陥の消失と半絶縁層の形成

Chen, Z. Q.; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 鈴木 良一*; 大平 俊行*

Chen, Z. Q.; Maekawa, Masaki; Kawasuso, Atsuo; Suzuki, Ryoichi*; Odaira, Toshiyuki*

N, Oイオンを酸化亜鉛結晶に注入、あるいは共注入した。これにより空孔集合体が導入されることが陽電子消滅法により示された。800Cでアニールを行うと、Nイオン注入によって発生した空孔集合体はその一部が消失するに留まるのに対し、酸素イオン注入の場合には全量が消失する。これは、窒素と空孔集合体の間には強い相互作用があることを示している。空孔欠陥を検出限界以下とするためには1250Cでの高温アニールが必要である。さらに、窒素はアクセプタとして作用すると思われたが、実際にはn型の伝導型を示すことがホール測定により示された。一方、O/Nイオンの共注入ではほとんどの空孔集合体が800Cで消失する。これは窒素-酸素複合体の形成のために酸素が窒素を捕獲し、空孔集合体の消失が促進されるためであると考えられる。これはO/Nイオン共注入により、非常によく補償された半絶縁層を形成できることを示している。

Zinc oxide crystals were implanted with N, O, and co-implanted with O/N ions. Positron annihilation measurements show the introduction of vacancy clusters upon implantation. In the N-implanted sample, these vacancy clusters are only partially annealed at 800C as compared to their full recovery in the O-implanted sample, suggesting a strong interaction between nitrogen and vacancy clusters. At 1000-1100C, nitrogen also forms stable complexes with thermally generated vacancies. To remove all the detectable vacancy defects, a high temperature annealing at 1250C is needed. Furthermore, Hall measurements of this sample show n-type conductivity though nitrogen is expected as acceptors. On the contrary, in the O/N co-implanted sample, most vacancy clusters disappear at 800C. Probably oxygen scavenges nitrogen to form N-O complexes and hence enhance the annealing of vacancy clusters. A highly compensated semi-insulating layer is formed in the co-implanted sample.