проведено аналіз відомих механізмів формування поверхнево-бар'єрних структур на оксиді цинку. Досліджено залежність поверхневих і контактних властивостей оксиду цинку від температури термообробки на повітрі і в вакуумі. Встановлено, що в залежності від характеру обробки поверхні оксиду цинку контакти стають випрямляють або омічними. Показано, що основним чинником, що визначає властивості контактів до оксиду цинку, є стан поверхні напівпровідника. Вивчено вплив вологості на властивості цих контактів.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Гусейханов Магомедбаг Кагіровіч, Рабаданов Рабадан Абдулкадировіч, Гуйдалаева Таїсія Абакаровна


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.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Природні науки

    Наукова стаття на тему 'Контактні процеси в системі метал-оксид цинку'

    Текст наукової роботи на тему «Контактні процеси в системі метал-оксид цинку»

    ?УДК 621.315.592

    КОНТАКТНІ ПРОЦЕСИ В СИСТЕМІ МЕТАЛ-ОКСИД ЦИНКУ © 2011 р М.К. Гусейханов, Р.А. Рабаданов, Т.А. Гуйдалаева

    Дагестанський державний університет, Dagestan State University,

    вул. Гаджиєва, 43а, м Махачкала, 367025, Gadzhiev St., 43a, Makhachkala, 367025,

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Проведено аналіз відомих механізмів формування поверхнево-бар'єрних структур на оксиді цинку. Досліджено залежність поверхневих і контактних властивостей оксиду цинку від температури термообробки на повітрі і в вакуумі. Встановлено, що в залежності від характеру обробки поверхні оксиду цинку контакти стають випрямляють або омічними. Показано, що

    основним фактором, що визначає властивості контактів до оксиду цинку, є стан поверхні напівпровідника. Вивчено вплив вологості на властивості цих контактів.

    Ключові слова: оксид цинку, випрямляють і омические контакти, напівпровідник, аналіз, контакти.

    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 and omical contacts, semiconductors, analysis, contacts.

    Дослідження контактів металу з напівпровідниковими сполуками АПВ ^ актуально як з точки зору вивчення різноманітних поверхневих властивостей цих сполук, так і для оцінки можливостей створення приладів на основі цих однотипних за провідності, але цікавих по різноманіттю властивостей напівпровідників [1]. Серед них великий інтерес представляє і оксид цинку. Однак дослідження механізму формування поверхнево-бар'єрних структур на основі оксиду цинку в відомій нам літературі недостатні.

    Відомо, що для напівпровідників з переважанням в кристалах іонної зв'язку висота бар'єру на контакті металу з напівпровідником описується теорією Шотткі. Для ZnO, хоча ионности зв'язку атомів становить 64%, наявні в літературі експериментальні дані суперечливі. У роботах [2, 3] при дослідженні контактів Au, Pt c ZnO, нанесених на сколені в вакуумі монокристали ZnO, встановлено, що висота бар'єрів цих контактів описується теорією Шотткі. Разом з тим висоти бар'єрів контактів, створених металами з Au, Pt, Pd, Ag, до ZnO, виміряні різними авторами [2-5], істотно не відрізняються (Фь = 0,65 еВ), хоча роботи виходу електрона з цих металів різні . Метали з високою спорідненістю до кисню (А1, Sn, 1п, Т і ін.) Створюють з ZnO омические контакти або контакти з малою висотою бар'єру незалежно від роботи виходу електрона з цих металів.

    В роботі [6] досліджено вплив точкових дефектів (У0 - вакансій кисню) на поверхні 2По (Юто) на процес формування бар'єрів Шотткі Аі ^ пО. Дефекти з контрольованою поверхневої концентрацією отримані обробкою в вакуумі поверхні ZnO. Для такої обробки застосовувалися нагрів до високих температур, опромінення УФ-світлом при 400 К, витримка в атмосфері СО. Для всіх металів величина концентрації дефектів не впливала на характеристики бар'єру Шотткі. На цій підставі автори даної роботи вважають, що формування бар'єру Ме - 2по (шо) більшою мірою визначається взаємодією металу з оксидом цинку на мікроскопічному рівні, ніж наявністю точкових поверхневих дефектів.

    Таким чином, в роботах [3, 4] при дослідженні контактів Аі, Pt з ZnO, нанесених на сколені в вакуумі монокристали ZnO, встановлено, що висота бар'єрів цих контактів описується теорією Шотткі. Разом з тим висоти бар'єрів контактів Аі, Р1, Pd, Ag до 2п0 у різних авторів [2-11] істотно

    не відрізняються фь = 0,65 + 0,5 еВ, хоча роботи виходу металів різні. Метали з відносно малою

    електронегативні (з високою спорідненістю до кисню) - А1, Sn, 1п, Т та інші - дають з ZnO омические контакти або контакти з малою висотою бар'єру незалежно від роботи виходу електрона з металу (рис. 1).

    ФВП, еВ

    0,8! : I j! /

    1! 1 f. /

    0; 6 i! t -f - /

    / i

    0,4 J

    I i I

    0 / f; j

    1

    0 T до Ш / 4 * w! Pt

    56 1л Hp М W

    48

    Фт, ЕВ

    Мал. 1. Залежність висоти бар'єру контакту Ме - 2По від роботи виходу з металу

    Є також роботи, в яких утворення поверхневого бар'єру на ZnO пов'язують не з природою має контакт матеріалу, а з наявністю на його поверхні збідненого шару, що виникає в результаті адсорбції кисню і парів води. До таких можна віднести роботу [12], присвячену дослідженню електролюмінесценції контакту Ag-ZnO. Його отримали короткочасним відпалом на повітрі срібної пасти, нанесеною на ділянки поверхні кристала. Висота бар'єру контакту Ag-ZnO, визначена за прямої гілки вольтамперної характеристики (ВАХ), склала Фь = 0,3 еВ, тобто виявилася набагато менше виміряної в роботі [13] на Сколотом в вакуумі монокристалле ZnO, де Фь = 0,7 еВ. У прямому напрямку (мінус) джерела на ZnO електролюмінесцентн випромінювання не спостерігалося. У зворотному напрямку струм слабо збільшується до Vобр = 3-4 В, а потім починає швидко рости, при цьому з'являється світіння.

    Освіта поверхневого бар'єру на ZnO в роботах [5, 7, 8] пов'язують з існуванням поверхневого збідненого шару на напівпровіднику, що виникає в результаті адсорбції кисню. Але цей механізм не доведений цілеспрямованими дослідженнями. Це спонукало нас провести дослідження властивостей контактів метал-оксид цинку для уточнення механізму формування контактів Ме ^ пО. Епі-таксіальние плівки ZnO були вирощені на пластинах А12О3 методом хімічного транспорту. На цих

    плівках були створені притискні контакти з Р1, "С, Мо і контакти з Ag, 8п, А1, N1, 1п, отримані термічним напиленням у вакуумі (р = 103 Па). Концентрація носіїв заряду в плівках оксиду цинку в залежності від умов отримання змінювалася від 2-1016 до 6-1017см-3, а їх рухливість - від 50 до 120 см ^ В- ^ з-1. Висоту бар'єру на контакті визначали екстраполяцією струму на експоненційному ділянці ВАХ до нульового зміщення. Вимірювання питомого опору плівок проводили чотирьохзондовим методом, а питомий контактний опір - четирехполосковим методом [11].

    Дослідження ВАХ притискних контактів показало, що їх вигляд залежить від величини тиску притиску і не залежить від природи притискають металу. Збільшення тиску притиску зменшує коефіцієнт випрямлення, при сильному притиску ВАХ контактів стає лінійної.

    Напилені контакти мають випрямляють ВАХ з висотою бар'єру на контакті 0,3-0,5 еВ. Висота бар'єру не залежить від роботи виходу електрона з металу і залежить від спорідненості металу до кисню. Випрямляючі властивості контактів погіршуються при приміщенні зразка в вакуум, і при прогріванні його там при температурі вище 200 ° С ВАХ стає лінійної. Встановлено, що при прогріванні в вакуумі поверхневий опір плівок оксиду цинку зменшується (рис. 2). Після тривалого перебування на повітрі випрямляють властивості контактів відновлюються. З відпалом плівок в середовищі кисню висота бар'єру і диференціальне опір контактів підвищуються (рис. 3). При цьому підвищується і поверхневий опір оксиду цинку. Зменшення питомої опору починається при 200 ° С, а різке зменшення відбувається при температурах вище 500 ° С (рис. 2).

    Термообробка плівок в вакуумі призводить до десорбції кисню з поверхні і збільшення в при поверхневому шарі сверхстехіометріческого 2п +, який служить в оксиді цинку донором (АБА = 0,05 еВ).

    Р>

    Ом-см2

    Рк

    Ом-см2

    102

    101

    100

    10-1

    200

    400

    600 тотже., ° С

    Мал. 2. Залежність питомої опору плівок оксиду цинку від температури термообробки: 11 '-термообработка на повітрі, • - час 30 хв, про-10 хв; 22 - термообробка в вакуумі, + - попередня термообробка на повітрі; х - без попередньої термообробки

    102

    10 "

    10-

    10-

    200

    400

    600 тотже., ° С

    Мал. 3. Залежність питомої перехідного опору контакту (1п-№) -7пО від температури термообробки: 1-термічна обробка на повітрі; 2 термообробка в вакуумі

    Наявність на поверхні плівок шару з надлишковою концентрацією носіїв заряду сприяє формуванню омічного контакту типу Ме-п + -п з контактним опором рівним 2-10-2 Ом • см. Залежність контактного опору від концентрації носіїв заряду і температури підтверджує наявність тунельного механізму перенесення струму в омічних контактах.

    Висота бар'єру напилених контактів підвищується при термообробці плівок окису цинку в середовищі кисню. На рис. 4 приведена залежність висоти бар'єру і ВАХ контакту Ag-ZnO, отриманого на плівці, прогрітій перед нанесенням металу до температури 600 ° С, від температури наступної термообробки.

    З підвищенням температури термообробки від 400 до 800 ° С висота бар'єру збільшується від 0,45 до 0,6 еВ, одночасно підвищується диференціальне опір контакту. Передбачається, що з підвищенням температури збільшується опір і глибина високоомного приповерхневого шару на плівці ZnO, що призводить до відповідних змін властивостей контакту. При підвищенні температури термообробки ВАХ контактів від лінійного виду переходить до експоненціального і потім до степеневим.

    З підвищенням температури навколишнього середовища від 70 до 90 ° С висота бар'єру контакту Ag-ZnO зменшується від 0,56 до 0,45 еВ (рис. 5), і при температурах вище 150 ° С контакт стає омічним. При зменшенні температури характеристика знову стає випрямляє, і з часом відновлюються початкові властивості. Ці зміни пояснюються десорбцией кисню з поверхні оксиду цинку при підвищенні температури і подальшої адсорбцією його при зменшенні температури зразка.

    Таким чином, висоти бар'єрів контактів Ме-ZnO, виготовлених на повітрі, визначаються властивостями збідненого шару. Такий шар завжди присутній на поверхні кристалів, він з'являється в результаті адсорбції кисню. Цей висновок під-

    2

    підтверджується наступними спостереженнями. Величина коефіцієнта випрямлення на контакті Ме-2По слабо залежить від матеріалу притискного контакту, сильний притиск усуває випрямлення. У контактів, поміщених в вакуум, збільшуються зворотні струми, зменшуються електролюмінісцентні світіння. Більш помітний цей ефект при прогріванні зразків у вакуумі до 200-300 ° С (при цій температурі з поверхні 2іО помітно десорбуються кисень) і при опроміненні ультрафіолетовим світлом. При затемненні зразка зворотні струми повільно зменшуються (зниження бар'єру при фотодесорбціі і підвищення його при абсорбції молекул О2). Контакти, отримані напиленням Ag в вакуумі, завжди мали гіршими випрямними властивостями, ніж контакти, отримані на повітрі хімічним і електролітичним осадженням срібла.

    Мал. 4. Залежність ВАХ контакту Ag-ZnO від температури термообробки на повітрі (Тпред = 600 ° С): 1 - після нпиленія; 2 - той самий = 400 ° С; 3 - 500; 4 - 600; 5 - 700; 6 - 800; а - залежність висоти бар'єру контакту Ag-ZnO від температури термообробки

    Мал. 5. Залежність висоти бар'єру контакту Лg - .По від температури навколишнього середовища

    На основі досліджень був запропонований спосіб створення випрямляють контактів до оксиду цинку. Запропонований спосіб виготовлення контакту полягає в наступному:

    Надійшла в редакцію_

    а) в попередньому відпалі ZnO на повітрі при 600-700 ° С протягом 20-30 хв;

    б) напиленні металу у вакуумі «10-3 Па на поверхню ZnO з температурою 150-200 ° С;

    в) подальшому відпалі контакту Me-ZnO на повітрі при температурі 600-700 ° С протягом 20-30 хв.

    Контакти Me-ZnO, виготовлені за такою технологією, для різних металів мали різну висоту в інтервалі 0,3-0,6 еВ, і вона зменшувалася з підвищенням температури навколишнього середовища, вологості і т.д.

    Проведені нами дослідження показали, що висота бар'єру і диференціальне опір контактів метал-оксид цинку зменшуються при підвищенні вологості навколишнього середовища. З підвищенням температури при даній вологості навколишнього середовища ток в прямому напрямку через контакт і час реагування на вологість зменшуються. Передбачається, що це пов'язано зі зменшенням висоти бар'єру на контакті метал-оксид цинку при адсорбції на неї полярних радикалів ОН молекул води.

    Проведені дослідження показали, що на поверхні оксиду цинку внаслідок адсорбції кисню утворюється вигин енергетичних зон, і цей поверхневий бар'єр визначає властивості контактів системи метал-оксид цинку.

    література

    1. Фізика і хімія сполук AIIBIV / під ред. С.А. мед-

    Ведев. М., 1970. 394 с.

    2. Mead С.А. Surface barriers ZnSe and ZnO // Physics Let-

    ters. 1965. Vol. 18, № 3. P. 218.

    3. Robert K., Mead C.A. Surface barriers on Zinc oxide // J.

    Appl. Physics. 1970. Vol. 41, № 9. P. 3795.

    4. Robert K. Surface Swank properties of compound // Physi-

    cal Review. 1967. Vol. 153, № 3. P. 884-889.

    5. Верещагін І.К. Електролюмінесценція кристалів. M.,

    1974. 280 c.

    6. Gopel W.E., Brillson L.J., Bruker C.F. Surfase point de-

    fects and Schottky barriers formation on ZnO (1010) // J. Vac. Sci. and Techn. 1980. Vol. 17, № 5. Р. 894-898.

    7. Кірьяшкіна З.І., Свердлова А.М., Прохожева М.В. Іс-

    слідування ВАХ плівкових структур Me-ZnO-Me // Фізика напівпровідників і напівпровідникова електроніка. M., 1968. В. 2. С. 57-61.

    8. Meanare K., Menard A.G. Surface barriers on Zinc oxide

    // Physics State Solid. 1969. Vol. 32. P. 159-K. 162.

    9. Рабаданов Р.А., Семілєтов С.А., Магомедов З.А. Струк-

    туру і властивості монокристалічних шарів ZnO // ФТТ. 1970. № 12. С. 1431.

    10. Напівпровідники / під ред. Н.Б. Хенне. М., 1962.

    С. 269-279.

    11. Гусейханов М.К., Мадоян С.Г. Вимірювання питомих пе-

    реходних опорів омических контактів до тонким верствам напівпровідників // Изв. вузів СРСР. Фізика. 1976. № 6. C. 80-83.

    12. Морісон С.Г. Хімічна фізика поверхні твердо-

    го тіла. М., 1980. 488 с.

    13. Eisele K., Shulz M. Metal-semiconductor junctions related

    to deposition of thin films // J. Vac. 1977. Vol. 27, № 3. Р. 118-188.

    25 червня 2010 р.


    Ключові слова: ОКСИД ЦИНКУ / випрямляють і омические контакти / напівпровідник / аналіз / контакти / Zinc oxide / rectigying and omical contacts / Semiconductors / analysis / Contacts

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити