Investigación

 

Fabrication and characterization of ZnO:Zn(n⁺)/Porous-Silicon/Si(p) heterojunctions for white light emitting diodes

 

M.A. Vásquez-A^a, G. Romero-Paredes^b, J.A. Andraca-Adame^c and R. Peña-Sierra^b,*

 

^a Department of Electronics, INAOE, 72840 Puebla, PUE, México.

^b Department of Electrical Engineering, Solid State Electronic Section (SEES), Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, México D.F. Phone (55) 5747377, Fax (55) 57473879.

^c Centro de Nanociencias y Micro y Nanotecnologías del Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional "Adolfo López Mateos" calle Luis Enrique Erro S/N, Zacatenco, 07738 México D.F.

 

Received 28 September 2015;
accepted 16 October 2015

 

Abstract

The fabrication and characterization of electroluminescent ZnO:Zn(n⁺)/Porous Silicon/Si(p) heterojunctions is presented. Highly conductive ZnO films (ZnO:Zn(n⁺)) were produced by applying a temperature annealing at 400°C by 5 min to the ZnO/Zn/ZnO arrange formed by DC sputtering, and the Porous Silicon (PS) films were prepared on p-type (100) Si wafers by anodic etching. The ZnO:Zn(n⁺)/PS/Si(p) heterojunction is accomplished by applying a brief temperature annealing stage to the entire ZnO/Zn/ZnO/PS/Si structure to preserve the PS luminescent characteristics. The ZnO:Zn(n⁺) films were characterized by X-ray diffraction and Hall-van der Pauw measurements. The PS and ZnO:Zn(n⁺) films were also studied by photoluminescence (PL) measurements. The current-voltage characteristics of the heterojunctions showed well defined rectifying behavior with a turn-on voltage of 1.5 V and ideality factor of 5.4. The high ideality factor is explained by the presence of electron tunneling transport aided by energy levels related to the defects at the heterojunction interface and into the PS film. The saturation current and the series resistance of the heterostructure were 4 x 10^-7 A/cm² and 16 Ω-cm², respectively. White color electroluminescence is easily observed at the naked eye when excited with square wave pulses of 8 V and 1 KHz.

Keywords: Porous Silicon; ZnO:Zn(n⁺) films; porous silicon-heterostructures; electrical characterization; electroluminescence.

 

Resumen

Se reportan los resultados de la fabricación y caracterización de heterouniones ZnO:Zn(n⁺)/Silicio Poroso/Si(p). Las películas conductivas de ZnO (ZnO:Zn(n⁺)) se obtuvieron aplicando un breve tratamiento térmico a 400°C por 5 min al arreglo ZnO/Zn/ZnO formado por DC sputtering, y las películas de Silicio Poroso (PS) se obtuvieron por anodizacion electroquímica de obleas de silicio tipo-p con orientacion (100). La preparation de las heterouniones de ZnO:Zn(n⁺)/PS/Si(p) se hizo aplicando el tratamiento termico a la estructura completa de ZnO/Zn/ZnO/PS/Si para conservar las propiedades luminiscentes del PS. Las características de las películas de ZnO:Zn se determinaron por Difraccion de Rayos X y por mediciones electricas con el metodo de Hall-van der Pauw. Las películas de SP y ZnO:Zn(n⁺) se caracterizaron tambien por mediciones de fotoluminiscencia. Las características corriente-voltaje de las heterouniones presentan buen comportamiento rectificante, con voltaje de encendido de 1.5 V y factor de idealidad de 5.4. El factor de idealidad indica que el transporte de carga esta controlado por el mecanismo de corriente tmiel auxiliado por estados de defecto situados en la interface y en la película de PS. Los valores de la corriente de saturation y la resistencia serie fueron de 4 x 10^-7 A/cm² y 16 Ω-cm², respectivamente. Se produce electroluminiscencia observable a simple vista de color blanco, cuando las heteroestructuras se polarizan con una señal pulsada de 8V de amplitud y frecuencia de 1 KHz.

Palabras clave: Silicio poroso; películas de ZnO:Zn(n⁺); heteroestructuras de silicio poroso; caracterización electrica; electroluminiscencia.

 

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Acknowledgments

We want to acknowledge to M. Sc. Miguel Galvan Arellano and M. Sc. Adolfo Tavira Fuentes for his valuable support in the I-V and X-ray diffraction measurements, respectively.

Part of this work was supported by the Instituto de Ciencias y Tecnología del Distrito Federal under the contact "Proyecto ICyT-DF 326/11".

 

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