Formation and annealing of dislocation loops induced by nitrogen implantation of ZnO

Although zinc oxide is a promising material for the fabrication of short wavelength optoelectronic devices, p-type doping is a step that remains challenging for the realization of diodes. Out of equilibrium methods such as ion implantation are expected to dope ZnO successfully provided that the non-radiative defects introduced by implantation can be annealed out. In this study, ZnO substrates are implanted with nitrogen ions, and the extended defects induced by implantation are studied by transmission electron microscopy and X-ray diffraction (XRD), before and after annealing at 900^{\circ}C. Before annealing, these defects are identified to be dislocation loops lying either in basal planes in high N concentration regions, or in prismatic planes in low N concentration regions, together with linear dislocations. An uniaxial deformation of 0.4% along the c axis, caused by the predominant basal loops, is measured by XRD in the implanted layer. After annealing, prismatic loops disappear while the density of basal loops decreases and their diameter increases. Moreover, dislocation loops disappear completely from the sub-surface region. XRD measurements show a residual deformation of only 0.05% in the implanted and annealed layer. The fact that basal loops are favoured against prismatic ones at high N concentration or high temperature is attributed to a lower stacking fault energy in these conditions. The coalescence of loops and their disappearance in the sub-surface region are ascribed to point defect diffusion. Finally, the electrical and optical properties of nitrogen-implanted ZnO are correlated with the observed structural features.Comment: 8 page

Zinc oxide optical spectroscpy

Ce travail porte sur l'étude des propriétés optiques de l'oxyde de zinc (ZnO), matériau semi-conducteur à grand gap. La technique de caractérisation principale de ce travail est la spectroscopie par photoluminescence, technique non destructive permettant d'obtenir des informations relatives à la structure électronique d'un matériau. Après avoir présenté les propriétés du ZnO, de ses alliages, et rappelé quelques principes de base associés à la luminescence des matériaux semi-conducteurs., nous comparerons dans un premier temps les propriétés optiques de différents types de ZnO monocristallin, selon leur mode d'élaboration : matériaux massifs de différentes origines, couches épitaxiées et nanofils. Ces comparaisons ainsi que l'étude des effets sur les spectres de photoluminescence des traitements tels que recuit et passivation nous permettront d'avancer différentes hypothèses quant à l'origine de la luminescence visible dans ce matériau grand gap, sujet encore controversé dans la littérature. Dans un deuxième temps, nous présenterons notre contribution à l'étude du dopage p du matériau, qui est encore aujourd'hui le verrou pour l'obtention de diodes électroluminescentes à base de ZnO. Nous examinerons le problème du dopage intrinsèque de type n et de la compensation, préalable indispensable avant d'aborder le dopage de type p. Le dopage p est traité ici principalement au travers des études optiques d'échantillons implantés et recuits. Plusieurs variantes liées à l'implantation d'azote seront présentées et l'obtention de paires donneur accepteurs clairement mise en évidence pour des conditions de recuit optimisées. La nature des accepteurs présents est discutée par référence aux travaux antérieurs. .We have studied the optical properties of Zinc Oxide (ZnO), a wide band gap semiconductor material. The main characterization technique used in this work is the photoluminescence spectroscopy, a non destructive technique which gives information about the electronic structure of the material. After presenting the properties of ZnO, its alloys, and reminding some basic principles relative to the luminescence in semiconductor materials, we will compare the optical properties of ZnO single-crystals from different growth methods: bulk material from different origins, epitaxial layers and nanowires. These comparisons and the effects of different treatments (annealing, passivation...) on the PL spectra unable us to emit hypothesis about the origin of the visible luminescence, which is a controversial subject in the literature. Secondly, we will present our contribution to the study of the p doping of ZnO, which is indispensable for device applications based on the p–n junction. We will take a look at the n type intrinsic doping problem before examining the p type doping. We investigate here p type doping through optical studies of implanted and annealed samples. We present here some variants of nitrogen implantation and the presence of donor acceptor pairs has been proven, leading to the optimization of the annealing conditions. Nature of the acceptors is discussed with the literature

Spectroscopie optique de l'oxyde de zinc

We have studied the optical properties of Zinc Oxide (ZnO), a wide band gap semiconductor material. The main characterization technique used in this work is the photoluminescence spectroscopy, a non destructive technique which gives information about the electronic structure of the material. After presenting the properties of ZnO, its alloys, and reminding some basic principles relative to the luminescence in semiconductor materials, we will compare the optical properties of ZnO single-crystals from different growth methods: bulk material from different origins, epitaxial layers and nanowires. These comparisons and the effects of different treatments (annealing, passivation...) on the PL spectra unable us to emit hypothesis about the origin of the visible luminescence, which is a controversial subject in the literature. Secondly, we will present our contribution to the study of the p doping of ZnO, which is indispensable for device applications based on the p–n junction. We will take a look at the n type intrinsic doping problem before examining the p type doping. We investigate here p type doping through optical studies of implanted and annealed samples. We present here some variants of nitrogen implantation and the presence of donor acceptor pairs has been proven, leading to the optimization of the annealing conditions. Nature of the acceptors is discussed with the literature.Ce travail porte sur l'étude des propriétés optiques de l'oxyde de zinc (ZnO), matériau semi-conducteur à grand gap. La technique de caractérisation principale de ce travail est la spectroscopie par photoluminescence, technique non destructive permettant d'obtenir des informations relatives à la structure électronique d'un matériau. Après avoir présenté les propriétés du ZnO, de ses alliages, et rappelé quelques principes de base associés à la luminescence des matériaux semi-conducteurs., nous comparerons dans un premier temps les propriétés optiques de différents types de ZnO monocristallin, selon leur mode d'élaboration : matériaux massifs de différentes origines, couches épitaxiées et nanofils. Ces comparaisons ainsi que l'étude des effets sur les spectres de photoluminescence des traitements tels que recuit et passivation nous permettront d'avancer différentes hypothèses quant à l'origine de la luminescence visible dans ce matériau grand gap, sujet encore controversé dans la littérature. Dans un deuxième temps, nous présenterons notre contribution à l'étude du dopage p du matériau, qui est encore aujourd'hui le verrou pour l'obtention de diodes électroluminescentes à base de ZnO. Nous examinerons le problème du dopage intrinsèque de type n et de la compensation, préalable indispensable avant d'aborder le dopage de type p. Le dopage p est traité ici principalement au travers des études optiques d'échantillons implantés et recuits. Plusieurs variantes liées à l'implantation d'azote seront présentées et l'obtention de paires donneur accepteurs clairement mise en évidence pour des conditions de recuit optimisées. La nature des accepteurs présents est discutée par référence aux travaux antérieurs.

Spectroscopie optique de l'oxyde de zinc

Ce travail porte sur l'étude des propriétés optiques de l'oxyde de zinc (ZnO), matériau semi-conducteur à grand gap. La technique de caractérisation principale de ce travail est la spectroscopie par photoluminescence, technique non destructive permettant d'obtenir des informations relatives à la structure électronique d'un matériau. Après avoir présenté les propriétés du ZnO, de ses alliages, et rappelé quelques principes de base associés à la luminescence des matériaux semi-conducteurs., nous comparerons dans un premier temps les propriétés optiques de différents types de ZnO monocristallin, selon leur mode d'élaboration : matériaux massifs de différentes origines, couches épitaxiées et nanofils. Ces comparaisons ainsi que l'étude des effets sur les spectres de photoluminescence des traitements tels que recuit et passivation nous permettront d'avancer différentes hypothèses quant à l'origine de la luminescence visible dans ce matériau grand gap, sujet encore controversé dans la littérature. Dans un deuxième temps, nous présenterons notre contribution à l'étude du dopage p du matériau, qui est encore aujourd'hui le verrou pour l'obtention de diodes électroluminescentes à base de ZnO. Nous examinerons le problème du dopage intrinsèque de type n et de la compensation, préalable indispensable avant d'aborder le dopage de type p. Le dopage p est traité ici principalement au travers des études optiques d'échantillons implantés et recuits. Plusieurs variantes liées à l'implantation d'azote seront présentées et l'obtention de paires donneur accepteurs clairement mise en évidence pour des conditions de recuit optimisées. La nature des accepteurs présents est discutée par référence aux travaux antérieurs. .We have studied the optical properties of Zinc Oxide (ZnO), a wide band gap semiconductor material. The main characterization technique used in this work is the photoluminescence spectroscopy, a non destructive technique which gives information about the electronic structure of the material. After presenting the properties of ZnO, its alloys, and reminding some basic principles relative to the luminescence in semiconductor materials, we will compare the optical properties of ZnO single-crystals from different growth methods: bulk material from different origins, epitaxial layers and nanowires. These comparisons and the effects of different treatments (annealing, passivation...) on the PL spectra unable us to emit hypothesis about the origin of the visible luminescence, which is a controversial subject in the literature. Secondly, we will present our contribution to the study of the p doping of ZnO, which is indispensable for device applications based on the p n junction. We will take a look at the n type intrinsic doping problem before examining the p type doping. We investigate here p type doping through optical studies of implanted and annealed samples. We present here some variants of nitrogen implantation and the presence of donor acceptor pairs has been proven, leading to the optimization of the annealing conditions. Nature of the acceptors is discussed with the literature.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF