Электрические свойства пленок оксида цинка легированных редкоземельными элементами Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Доклады БГУИР

2011 № 6 (60) УДК 538.956:538.935:539.1.04

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА ЛЕГИРОВАННЫХ

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

ВВ. МАЛЮТИНА-БРОНСКАЯ, В.Б. ЗАЛЕССКИЙ, ТР. ЛЕОНОВА

Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси пр. Независимости, 68, Минск, 220072, Беларусь

Поступила в редакцию 29 июня 2011

Представлены результаты исследований вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик структур А1-№^п0:Ег(Еи)^. Пленки 2п0, легированные редкоземельными элементами Ей и Ег, получены методом реактивного магнетронного распыления цинковой мишени на кремний. Данные пленки имеют структуру плотной упаковки нано- и микрокристаллитов с размерами порядка 100-300 нм. Установлено, что доминирующим механизмом переноса носителей заряда в структуре является ток, ограниченный пространственным зарядом. Концентрация локальных центров, полученная из анализа вольт-фарадных характеристик, составляет 1018 см-3 для структур 2пО:Еи/р^ и 1018-1019 см -3 для структур 2пО:Ег /п^.

Ключевые слова: 2п0, магнетронное распыление, редкоземельные элементы, вольт-фарадные характеристики, вольт-амперные характеристики.

Введение

Оксид цинка ^п0) является полупроводниковым материалом, который наиболее интенсивно изучается в настоящее время. Будучи прозрачным в широкой области спектра, 2п0 обладает высокой стойкостью к облучению и относительно дешев, что делает его привлекательным для применения в микроэлектронике [1, 2]. Одним из достоинств этого широкозонного полупроводника ^ = 3,4эВ при Т = 300К) является энергия связи экситона равная 60 мэВ. Этот параметр более высокий, чем для твердотельных бинарных полупроводников, таких как GaN - 25мэВ и ZnSe - 20мэВ. Большая энергия связи экситонов 2п0 и его сплавов является хорошим параметром для создания излучающих устройств и фотоприемников на основе Zn0.

Для получения оксида цинка используются различные методы: молекулярно-лучевая эпитаксия, осаждение из газовой фазы, импульсное лазерное напыление, электрохимическое осаждение [3-8]. Технология реактивного магнетронного распыления представляет собой относительно простой, дешевый и контролируемый метод для осаждения кристаллических пленочных покрытий Zn0 высокого оптического качества [9].

Особый интерес вызывает также интеграция Zn0 с кремниевой технологией, позволяющая совмещать уникальные функциональные возможности этих материалов при создании фотопреобразователей на кремниевых подложках [10] и, в частности, в тонкопленочных солнечных элементах [11].

На фотоэлектрические и люминесцентные свойства Zn0, как и других полупроводниковых материалов, оказывают влияние глубокие центры, связанные как с собственными дефектами, так и с примесями. Эти обстоятельства заставляют исследователей проводить поиск простых, но эффективных методов, позволяющих идентифицировать структуру и физико-химическую природу этих центров. Таким образом, получение и исследование электрофизических характеристик систем на основе Zn0 является актуальной задачей при разработке ряда интегрируемых твердотельных оптоэлектронных устройств с прогнозируемыми оптическими и проводящими свойствами.

В данной работе представлены результаты исследований статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) и высокочастотных вольт-фарадных характеристик (ВФХ) структур металл-окисел-полупроводник (МОП), где в качестве окисла выступают пленки ZnO, легированные редкоземельными металлами (РЗМ) Бг и Ей, полученные методом реактивного магнетрон-ного распыления мишени.

Экспериментальная часть

Пленки легированного ZnO формировались методом реактивного магнетронного распыления из цинковой мешени с добавками солей Ег и Ей. Соотношение содержания цинка и РЗМ выбиралось таким образом, чтобы осаждаемая ZnO пленка содержала 0,7 ат.% - 1 ат.% Ег. Распыление производилось в среде аргона с добавлением 20% кислорода. В качестве подложек использовались КЭФ-0,5 и КДБ-1. После синтеза проводились термические отжиги на воздухе в температурном диапазоне 300°С - 900°С.

Морфология анализировались с помощью сканирующей электронной микроскопии (установка JEOL 6400). Измерения ВФХ при частотах 500 кГц и 1 МГц, а также ВАХ производились на измерителе иммитанса Е7-20 при комнатной температуре при освещении лампой накаливания и без освещения. МОП-структуры формировались напылением №-А1 контактов через биметаллические маски круглой формы, площадями 0,2 мм2 и 1 мм2.

Результаты и их обсуждение

Изображения сканирующей электронной микроскопии поперечного сечения пленок ZnO, легированных РЗМ, представлены на рис. 1. Как видно из рисунка, пленки ZnO, легированные Ег, представляют собой плотно упакованные структуры с практически гладкой поверхностью и размерами зерен ~ 0,1 мкм - 0,15 мкм. В то же время для пленок ZnO, легированных Ей, характерны большие зерна с размерами в области ~ 0,1 мкм - 0,3 мкм, что сравнимо с толщиной пленки. Таким образом методом магнетронного напыления получены качественные полупроводниковые слои оксида цинка без пористости, с плотной упаковкой кристаллитов.

При исследовании электрических свойств системы ZnO/Si обычно рассматриваются как гетероструктуры, поскольку оксид цинка является прямозонным полупроводником я-типа. Однако пленки ZnO обладают шириной запрещенной зоны более 3 эВ, и в структурах с более узкозонным монокристаллическим кремнием могут вести себя как диэлектрики.

В нашем случае ВФХ структур ZnO/Si, легированные РЗМ, и измеренные при частотах 7=500 кГц и7= 1 МГц, представляют собой кривые, типичные для классических МОП-структур с базой (рис. 2,а) и (рис. 2,6).

а б

Рис. 1. Изображения сканирующей электронной микроскопии поперечного сечения образцов ZnO:Eu (а) ZnO:Eг (б) на кремниевой подложке

Измеренные ВФХ систем ZnO/Si имеют ряд особенностей: емкость обогащения зависит от частоты тестового сигнала и интенсивности освещения; на зависимостях в области обеднения наблюдается особенность в виде максимума. Величина этого максимума зависит от интенсивности освещения и от частоты тестового сигнала.

Для системы ZnO:Eг/Si при освещении лампой накаливания величина максимума увеличивается, и вся ВФХ сдвигается влево. Для системы ZnO:Eu/Si данный эффект не выражен.

Максимумы в районе модуляции емкости на ВФХ могут появиться в случае наличия глубоких дискретных поверхностных состояний [12]. Если частота достаточно высока, то глубокий дискретный уровень не успевает перезарядиться за период колебания и на ВФХ наблюдается ступенька - участок смещений с неизменной емкостью. Если же заполнение уровня успевает за период колебания существенно измениться, то емкость МОП-структуры изменяется и при большой концентрации глубоких центров может возрасти вплоть до емкости диэлектрика.

___1

-о—2

-ь-4

%

% %

о и, V

О 6

иу

а б

Рис. 2. Вольт-фарадные характеристики структур 2пО:Еи /р^ (а), отожженных при Т=400 °С, и 2пО:Ег /п^ (б), отожженных при Т=900°С

Концентрацию ловушечных центров границы раздела в области обеднения можно рассчитать по линейной области зависимости С2(1/У), используя соотношение

2 1

N1 = -

q -е-е0 d (С_2)/ dV

В области обеднения при и > 0 для структур 2пО:Ег и и < 0 для структур 2пО:Еи/ р-& в координатах С2(1/У) ВФХ описывается несколькими прямыми линиями, что свидетельствует о неоднородном распределении заряженных локальных центров по толщине пленки 2пО. Из наклона зависимостей С2(1/У) (рис. 3) была вычислена концентрация локальных центров Были получены следующие значения: N = 1018см-3 для структур 2пО:Ешр^1 и N =1018 -1019 см -3для структур 2пО:Ег /п^1.

Электрические свойства оксидов металлов в значительной степени определяются дефектностью кристаллической решетки. Оксид цинка, в отличие от классических полупроводников (кремний, германий), обладает трудноконтролируемым составом точечных дефектов кристаллической структуры и остаточных примесей, что приводит к появлению в их запрещенной зоне богатого спектра электронных состояний. Значительный вклад в проводимость оксидного материала вносят поверхностная и межзеренная электропроводности. Как следствие проводимость оксидов металлов становится структурно-чувствительным свойством. Исходя из вышесказанного, проявление максимума в области обеднения ВФХ можно связать со всей совокупностью глубоких центров, в том числе центрами излучательной рекомбинации (ионами Ег и Ей в матрице ¿пО).

Рис. 3. Зависимость С- (V) структур 2пО:Еи /р^, отожженных при Т=400 °С (1) и 2пО:Ег /п^,

отожженных при Т=900 °С (2)

Поскольку толщины пленок 2пО порядка 300 нм, то можно предположить, что основными физическими механизмами переноса носителей заряда в твердых телах являются токи,