CC BY
21УДК 621.382.001 М.К.Гусейханов, Т.А.Гуйдалаева
Влияние термообработки на поверхностные и контактные свойства оксида цинка
Дагестанский государственныйуниверситет;taiysiy@yandex.ru.
В работе исследованы изменения поверхностных свойств пленок оксида цинка и контактных свойств систем металл-оксид цинка при их термообработке в вакууме и на воздухе при различных температурах. Установленыпредполагаемые причины обнаруженных закономерностей.
Ключевые слова: оксид цинка, поверхностное и контактное сопротивления, высота барьера, морфология поверхности, контакт металл-оксид цинка, отжиг.
Разработка технологии изготовления и исследованиесвойств контактов металла с полупроводниковыми соединениями АПВУ1 актуальны как с точки зрения изучения разнообразных объемных и поверхностных свойств этих соединений, так и для оценки возможностей создания приборов на основе этих однотипных по проводимости, но интересных по многообразию свойств полупроводников.
Эпитаксиальные монокристаллические пленки оксида цинка были выращены на ориентированных пластинах из Л12О3 методом химического транспорта, изложенным в работе [1]. В зависимости от условий получения концентрация носителей заряда менялась в интервале 2-10 - 6-10 см- , подвижность их - 50-160 м /В-с, толщина пленок составляла 200мкм. Измерение удельного сопротивления пленок(р) проводили четы-рехзондовым методом, удельного контактного сопротивления (рс) - четырехполоско-вым методом. Высоту барьера на контакте определяли экстраполяцией тока на экспоненциальном участке прямой ветви (ВАХ) к нулевому смещению[2,3].
Нами исследовались прижимные контакты из Р^ W, WC, Мо и контакты из Ag, Л1, №, Sn, 1п, полученные термическим напылением в вакууме (р=103Па). Вид ВАХ прижимных контактов определяется силой давления на контакт и состоянием поверхности ZnO, на нее слабо влияла природа прижимаемого металла. С увеличением давления на контакт токи в прямом и обратном направлениях увеличиваются так, что коэффициент выпрямления и высота барьера уменьшаются, а при большом давлении ВАХ становится линейной. Напыленные контакты имели выпрямляющие ВАХ с высотой барьера на контакте, равной 0,3-0,5 эВ. Высота барьера слабо зависела от работы выхода электрона из металла и определялась сродством металла к кислороду[2]. Выпрямляющие свойства напыленных и прижимных контактов Ме^пО ухудшались при помещении в вакуум и при прогреве их там при температуре выше 2000С. Исследованиями было установлено, что при прогреве в вакууме поверхностное сопротивление пленок оксида цинка также уменьшается (рис. 1).
рс, Омм
200
400
600 ^отж/С
Рис.1. Зависимость удельного сопротивления пленок 2п0 от температуры термообработки: «*» - время 30 мин, «о» - время 10 мин, «+» - с предварительной термообработкой на воздухе;
х - без предварительной термообработки
Уменьшение удельного сопротивления (р) начинается при 2000С, а резкое снижение происходит при температурах выше 500 С. Термообработка пленок 2п0 в вакууме приводит к десорбции кислорода с поверхности пленки [4] и соответственно, к увеличению в приповерхностном слое сверхстехиометрического 2п+, который в 2п0 является донором с малой энергией активации[5].Уменьшение поверхностного сопротивления слоев 2п0 при отжиге напыленных контактов в вакууме приводит к уменьшению переходных контактных сопротивлений. Если напыление металла проводить на предварительно нагретую в вакууме до 5000С поверхность 2п0, то получаются контакты с малой высотой барьера или омические контакты.
После длительного пребывания на воздухе выпрямляющие свойства прижимных контактов, предварительно нагретых в вакууме, восстанавливались. С повышением температуры термообработки слоев 2п0 на воздухе поверхностное сопротивление пленок и удельное переходное сопротивление контактов увеличивается (рис.1). Температуры резкого роста удельного поверхностного сопротивления (р) 2п0 при отжиге на воздухе и уменьшения р при отжиге в вакууме совпадают (Т=5000С), что объясняется одним механизмом, ответственным за эти изменения.
При термообработке пленок на воздухе происходит хемосорбция кислорода на поверхность 2п0 [5, 6] и соединение его со сверхстехиометрическим (межузельным) цинком 2п+, который при этих температурах (Т> 450 0С) диффундирует к поверхности пленки. Сначала кислород адсорбируется в виде О2-, а при нагревании переходит в форму О- [5], которая имеет мелкий уровень и сильнее уменьшает поверхностную проводимость, так как он является в оксиде цинка акцептором. Это приводит к изгибу энергетических зон и образованию на 2п0 поверхностного барьера до нанесения металла, который и определяет свойства поверхностно-барьерных структур. Считая, что лимитирующим фактором здесь являются самодиффузия цинка с поверхности оксида цинка по сравнению с окислением его на поверхности пленки, по изменению поверхностного сопротивления пленок 2п0 с отжигом (рис. 1) установили энергию активации,
используя соотношение р=р0ехр (— А Ea|kT). Это соответствует энергии активации самодиффузии межузельных ионов Zn+ через окисел [7].
а) б)
ж) з)
Рис.2. АСМ - изображения морфологии поверхности экспериментальных образцов. а), б) пленки ZnO без отжига, в) отжиг в вакууме в течение 10 мин.7=3000С,г) отжиг на воздухе в течение 10 мин. 7=3000С, д) отжиг в вакууме в течение 10 мин.7=4000С,е) отжиг на воздухе в течение 10 мин. 7=4000С, ж) отжиг в вакууме в течение 10 мин.7=5000С, з) отжиг на воздухе в
течение 10 мин. 7=5000С
Были сняты морфологии поверхности пленок оксида цинка, отожженных в вакууме при разных температурахв течение 10 минут на атомно-силовом микроскопе (АСМ). Из рис.2(а,д,ж) видно, что пленки, отожженные в вакууме, имеют похожую морфологию, характерную поверхности оксида цинка, с которой произошла десорбция кислорода. Они имеют несовершенную и не гладкую поверхность. Причем чем выше температура отжига, тем выше неоднородность поверхности. На рис.2(г,е,з) видно, что при отжиге на воздухе адсорбция кислорода на поверхность оксида цинка улучшает морфологию поверхности. Они становятся гладкими и совершенными.
Таким образом, данные по исследованию морфологии поверхности оксида цинка на АСМ подтверждают результаты по исследованию электрофизических поверхностных и контактных свойств пленок оксида цинка, подвергнутых термообработке в вакууме и на воздухе.
Проведенные нами исследования показали, что вид ВАХ и высота барьера напыленных контактов также зависят от состояния поверхности оксида цинка перед нанесением металла и сродства металла к кислороду. Для формирования выпрямляющего контакта перед напылением металла с малым сродством к кислороду (Ag, Au, Pt) необходимо осуществить предварительный отжиг ZnO на воздухе при температурах 600-700°С в течение 20-30 минут. При нанесении металла на неотожженную поверхность ZnO формируются контакты с малой высотой барьера[8].
Высота барьеров напыленных контактов также повышается при термообработке готовых структур на воздухе. На рис.3 приведена зависимость высоты барьера и вида ВАХ контакта Ag-ZnO, полученного на пленке, прогретой перед нанесением металла до температуры 600°С, от температуры последующей термообработки на воздухе. С повышением температуры термообработки от 400 до 8000С высота барьера увеличивается от 0,45 до 0,6 эВ, одновременно повышается дифференциальное сопротивление контакта. Исследования показали, что с повышением температуры термообработки увеличивается сопротивление и глубина высокоомного приповерхностного слоя на пленке оксида цинка, что приводит к соответствующему увеличению контактного со-
противления. Дальнейший отжиг этих же пленок и контактов в вакууме приводит к уменьшению поверхностного сопротивления оксида цинка и контактного сопротивления системы 1п - 2пО(рис.4).
Фе,зБ 0.5 а) 1_ 1 1 ' ~ * Лет 2. 10 190 ¡1 1
0.4 30 60 1
-1.2 400 600 -0.2 ГПЗК, С -0.4 40 20 I /Г 6
6 ^ 0.2 -2 0.4 0.6 и,в
(2- 1) -4
У -6
Рис.3. Зависимость ВАХ контакта Ag-ZnO от температуры термообработки на воздухе (тя. = 60001 - после напыления, 2 - Т = 400° С; 3 - 5000С; 4 - 6000С; 5 -7000С;
\ 10аа / 7 отж
6-8000С;а)зависимость высоты барьера контакта Ag-ZnO от температуры термообработки
Это подтверждает отмеченный нами механизм формирования поверхностно-барьерной структуры на оксиде цинка. На наличие поверхностных состояний, соответствующих адсорбированному кислороду, указывает частотная зависимость емкости контактовМе - ZnO. При повышении частоты переменного сигнала от 1 до 10 кГц емкость контакта уменьшается в 2 с лишним раза. Это, по-видимому, обусловлено разной скоростью перезаполнения поверхностных состояний на ZnO. Вольт-амперные характеристики контактов Ме - ZnO с повышением температуры термообработки от линейного вида переходят к экспоненциальному и затем к степенному. Контакт Аи - ZnO, полученный после отжига при температуре выше 7000С, имеет вольт-амперные характеристики, состоящие из нескольких участков (рис.5). При напряжениях, меньших 0,4 В, ВАХ в основном подчиняется закону Ома. В интервале напряжений от 0,4 до 1 В происходит переход омического участка в область, где справедлив закон Мотта [9].
Эта область характеризуется прохождением токов, ограниченных объемным зарядом (ТООЗ) при наличии мелких ловушек одного типа. ВАХ описывается обычно без-ловушечным квадратичным законом Мотта-Генри и имеет вид:
J = 9 0£Ц , (1)
8 Ь3
N
где 0 =_; Ь - расстояние между контактами; Ц - подвижность электронов;
£ • N.
8 - статическая диэлектрическая проницаемость полупроводника, N1 - концентрация ловушек.
График, изображающий зависимость тока от напряжения в двойном логарифмическом масштабе (рис. 5), объясняется [10] заполнением моноэнергетических уровней прилипания, образованных адсорбированным кислородом. С повышением температуры термообработки концентрация уровней повышается, что приводит к увеличению поверхностного сопротивления оксида цинка. Соответственно повышается и удельное переходное сопротивление контактной системы In - ZnO (рис. 4).
Pc, Ом м2
1С?
10
10
10"
10
--вакуу
-возд ;х
L-
200
400
600 готж °с
Рис.4.Зависимость контактногосопротивления от температуры отжига ZnO
и системы In-ZnO
j,A/civi
10
10
10
/
Л
/
/
ю * 10°
Рис.5. Вольт-амперная характеристика контакта Аи-2п0,отожженной на воздухе
при температуре 8000С
Заметим, что, тем не менее, поверхностное и контактное сопротивления не доходят до первоначального состояния. Видимо, часть кислорода связывается с атомами цинка и остается на поверхности оксида цинка, увеличивая поверхностное сопротивление полупроводника.
Литература
1. Рабаданов Р.А.,СемилетовС.А., Шаихов Д.А. Анализ условий осаждения ориентированных пленок окиси цинка из газовой фазы//Сборник "Прикладная физики твердого тела". - Махачкала, 1972. - С.82-87.
2.Гусейханов М.К. Гетероструктуры на основе широкозонных полупроводников. -Махачкала: Деловой мир, 2007. - 194с.
3.Гусейханов М.К., Гуйдалаева Т.А. Удельное переходное сопротивление металлических контактов к оксиду цинка //Вестник ДГУ.- 2013.- Вып. 1. -С. 36-39.
4.Кирьяшкина З.И., Свердлова A.M., Прохожева М.В. Исследование ВАХ пленочных структур Me-ZnO-Me/Сб. "Физика полупроводников и полупроводниковая электроника". Вып. 2. - Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1968. - С. 57-61.
5.Морисон С.Г. Химическая физика поверхности твердого тела. - М.: Энергия, 1980. -488 с.
6. Верещагин И.К. Электролюминесценция кристаллов. - M.: Наука, 1974. - С. 280.
7.Болтакс В.И. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках. - М.: Наука, 1972. -С. 418.
8.Гусейханов М.К., Гуйдалаева Т.А. Омические контакты к оксиду цинка //Вестник ДГУ.- 2012.- Вып.6. -С. 41-44.
9.Киселев В.Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. - М.: Наука, 1970. - С. 400.
10. Poll J.L. Physics of semiconductors. - New-York: McGraw-Hill Book, 1964. - Р. 270.
Поступила в редакцию 15 ноября 2013 г.
Heat Effect on Zinc Oxide Surface and Contact Behavior
Guseikhanov M.K., Guidalaeva T.A. Dagestan State University; taiysiy@yandex.ru
The research studies into the modifications of zinc oxide surface behavior as well as metal/ zinc oxide systems' surface behavior under vacuum heating and heating at different temperatures. The causes of the discovered consistent patterns are established.
Keywords: zinc oxide, surface and contact resistance, barrier height, surface morphology, metal/zinc oxide contact, temper
ReceivedNovember 15,2013
