CC BY
16УДК 621.315.592
Свойства контактов в системе металл - оксид цинка М.К. Гусейханов, Р.А. Рабаданов, Т.А. Гуйдалаева, И.Ш. Алиев
Дагестанский государственный университет, e-mail: taiysiy@yandex.ru
Проведен анализ известных механизмов формирования поверхностно-барьерных структур на оксиде цинка. Исследована зависимость поверхностных и контактных свойств оксида цинка от температуры термообработки на воздухе и в вакууме. Установлено, что в зависимости от характера обработки поверхности оксида цинка контакты становятся выпрямляющими или омическими. Показано, что основным фактором, определяющим свойства контактов к оксиду цинка, является состояние поверхности полупроводника. Изучено влияние влажности на свойства этих контактов.
Ключевые слова: оксид цинка, выпрямляющий, омический, полупроводник, анализ, контакты.
The analysis of the knovn mechanism of surfase-barrier formation on the zinc oxide has been carrud ont. The dependence of surfase and contact properties of zinc oxide on thermal treatment in air and in vacuum has been investgated. It is establish had that dip ending on the character of surfase treatment of zinc oxde the contacts beeome rectigying or omical. It is shown that the main factor, determining the properties of contactas to zinc oxide is the state of the surfase of semiconductors. The influence of humidity on the properties of these contacts has been studied.
Keywords: zinc oxide, rectigying, omical, semiconductor, analysis, the contacts.
Исследование контактов металла с полупроводниковыми соединениями AIIBVI актуальны как для изучения разнообразных поверхностных свойств этих соединений, так и для оценки возможностей создания приборов на основе этих однотипных по проводимости, но обладающих разнообразными свойствами полупроводников [1]. Среди них большой интерес представляет оксид цинка. Исследования механизма формирования поверхностно-барьерных структур на основе оксида цинка в литературе встречаются не так часто.
Известно, что для полупроводников с преобладанием в кристаллах ионной связи высота барьера на контакте металла с полупроводником описывается теорией Шоттки. Для ZnO, хотя ионность связи атомов составляет 64 %, имеющиеся в литературе экспериментальные данные противоречивы. В работах [2, 3] при исследовании контактов Au, Pt c ZnO, нанесенных на сколотые в вакууме монокристаллы ZnO, установлено, что высота барьеров этих контактов описывается теорией Шоттки. Вместе с тем высоты барьеров контактов, созданных металлами Au, Pt, Pd, Ag к ZnO, измеренные разными авторами [2-5], существенно не различаются (Фь = 0.65 эВ), хотя работы выхода электрона из этих металлов разные. Металлы с высоким сродством к кислороду (Al, Sn, In, Ti и др.) создают с ZnO омические контакты или контакты с малой высотой барьера независимо от работы выхода электрона из этих металлов.
Образование поверхностного барьера на ZnO в работах [5-7] связывают с существованием поверхностного обедненного слоя на полупроводнике, возникающего в результате адсорбции кислорода. Но этот механизм не до-
казан целенаправленными исследованиями. Это побудило нас провести исследования свойств контактов металл - оксид цинка для уточнения механизма формирования контактов Ме-2п0. Эпитаксиальные пленки 2п0 были выращены на пластинах Л1203 методом химического транспорта. На этих пленках были созданы прижимные контакты из П, ШС, Ш, Мо и контакты из Л§, 8п, Л1, N1, 1п, полученные термическим напылением в вакууме (р = 10-3Па). Концентрация носителей заряда в пленках оксида цинка в зависимости от условий получения изменялась от 2-1016 до 6-1017см-3, а по-
2 _^ _^
движность носителей заряда от 50 до 120 см В •с . Высоту барьера на контакте определяли экстраполяцией тока на экспоненциальном участке вольт-амперной характеристики к нулевому смещению. Измерение удельного сопротивления пленок проводили четырехзондовым методом, а удельное контактное сопротивление - четырехполосковым методом [10].
Исследование вольт-амперных характеристик прижимных контактов показало, что их вид зависит от величины давления прижима и не зависит от природы прижимаемого металла. Увеличение давления прижима уменьшает коэффициент выпрямления, при сильном прижиме вольт-амперная характеристика контактов становится линейной.
Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления пленок оксида цинка от температуры термообработки: 1.1 - термообработка на воздухе, • - время30 мин, о -10 мин; 2.2 - термообработка в вакууме, + - предварительная термообработка на воздухе, х - без предварительной термообработки
Рис. 2. Зависимость удельного переходного сопротивления контакта (1п - N1) -2п0 от температуры термообработки: 1 - термообработка на воздухе; 2 - термообработка в вакууме
Напыленные контакты имеют выпрямляющие вольт-амперные характеристики с высотой барьера на контакте 0,3-0,5 эВ. Высота барьера не зависит от работы выхода электрона из металла, а зависит от сродства металла к кислороду. Выпрямляющие свойства контактов ухудшаются при помещении образца в вакуум, и при прогреве его там при температуре выше 200 0С вольт-амперная характеристика становится линейной. Установлено, что при
прогреве в вакууме поверхностное сопротивление пленок оксида цинка уменьшается (рис. 1). После длительного пребывания на воздухе выпрямляющие свойства контактов восстанавливаются. С отжигом пленок в среде кислорода высота барьера и дифференциальное сопротивление контактов повышаются (рис. 2). При этом повышается и поверхностное сопротивление оксида цинка. Уменьшение удельного сопротивления начинается при 200 0С, а резкое уменьшение происходит при температурах выше 500 0С (рис. 1).
Термообработка пленок в вакууме приводит к десорбции кислорода с поверхности и увеличению в приповерхностном слое сверхстехиометриче-ского Zn+ , который служит в оксиде цинка донором (ЛEa = 0,05 эВ). Наличие на поверхности пленок слоя с избыточной концентрацией носителей заряда способствует формированию омического контакта типа Ме-п+-п с контактным сопротивлением, равным 2-10 0м •см . Зависимость контактного сопротивления от концентрации носителей заряда и температуры подтверждает наличие туннельного механизма переноса тока в омических контактах.
Высота барьера напыленных контактов повышается при термообработке пленок окиси цинка в среде кислорода. На рис. 3 приведена зависимость высоты барьера и вольт-амперной характеристики контакта Ag-ZnO, полученного на пленке, прогретой перед нанесением металла до температуры 600 0С, от температуры последующей термообработки.
Рис. 3. Зависимость ВАХ контакта Ag-ZnO от температуры термообработки на воздухе (Тпред = 600 0С): 1-после напыления, 2 - То™ = 400 0С, 3-500, 4-600, 5-700, 6-800; а) зависимость высоты барьера контакта Ag-ZnO от температуры термообработки
С повышением температуры термообработки от 400 до 800 0С высота барьера увеличивается от 0,45 до 0,6 эВ, одновременно повышается дифференциальное сопротивление контакта. Предполагается, что с повышением температуры увеличиваются сопротивление и глубина высокоомного приповерхностного слоя на пленке ZnO, что приводит к соответствующим изменениям свойств контакта. Вольт-амперная характеристика контактов при повышении температуры термообработки от линейного вида переходит к экспоненциальному и затем к степенному.
Проведенные нами исследования показали, что высота барьера и дифференциальное сопротивление контактов металл - оксид цинка уменьшаются при повышении влажности окружающей среды. С повышением температуры при данной влажности окружающей среды ток в прямом направлении через контакт и время реагирования на влажность уменьшаются. Предполагается, что это связано с уменьшением высоты барьера на контакте металл-оксид цинка при адсорбции на нее полярных радикалов ОН- молекул воды.
Проведенные исследования показали, что на поверхности оксида цинка вследствие адсорбции кислорода образуется изгиб энергетических зон, и этот поверхностный барьер определяет свойства контактов системы металл - оксид цинка.
Литература
1. Физика и химия соединений AnBIV / Под ред. С.А. Медведева. - М.: Мир, 1970. - 394 с.
2. Mead С.А. Surface barriers ZnSe and ZnO // Physics Letters. 1965. V. 18. № 3. - P. 218.
3. Robert K. and Mead C.A. Surface barriers on Zinc oxide // J. Appl. Physics. 1970. V. 41. № 9. - P. 3795.
4. Robert K. Surface Swank properties of compound // Physical Review.
1967. V. 153. № 3. - P. 884-889.
5.Верещагин И.К. Электролюминесценция кристаллов. - M.: Наука, 1974. - 280 c.
6. Кирьяшкина З.И., Свердлова А.М., Прохожева М.В. Исследование ВАХ пленочных структур Me-ZnO-Me // Физика полупроводников и полупроводниковая электроника. - Саратов: Изд-во Саратовского университета,
1968, В. 2. - С. 57-61.
7. Meanare K., Menard A.G. Surface barriers on Zinc oxide // Physics State Solid. 1969. № 32. - P. 159-162.
8. Рабаданов Р.А., Семилетов С.А., Магомедов З.А. Структура и свойства монокристаллических слоев ZnO // ФТТ. 1970. № 12. - С. 1431.
9. Полупроводники / Под ред. Хеннея Н.Б. - М.: ИЛ, 1962. - С. 269-279.
10. Гусейханов М.К., Мадоян С.Г. Измерение удельных переходных сопротивлений омических контактов к тонким слоям полупроводников // Изв. вузов СССР. Физика.1976. № 6. - C. 80-83.
