范德堡方法在zno薄膜測試中的應(yīng)用

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1、文章編號:100027032(2004)0320317203范德堡方法在ZnO薄膜測試中的應(yīng)用朱俊杰1,劉磁輝1,林碧霞1,2,謝家純1,傅竹西1,23(11中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系;21中國科學(xué)院結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230026)摘要:近年來,隨著對寬禁帶半導(dǎo)體材料,氧化鋅薄膜研究的快速發(fā)展,對其電學(xué)性質(zhì)的研究也顯得尤為重要。主要介紹范德堡方法在ZnO薄膜電學(xué)性質(zhì)測量中的應(yīng)用,并對初步測量結(jié)果作簡要的討論。關(guān)鍵詞:范德堡方法;ZnO膜薄;歐姆接觸;霍爾效應(yīng)中圖分類號:O47213文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A其中d為樣品厚度,f

2、為范德堡因子,是比值1引言ΠR的函數(shù)。RAB,CDBC,ADZnO是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料,在室溫下的禁帶寬度為3137eV,具有廣泛的用途,如:表面聲波導(dǎo)器件,透明導(dǎo)電膜以及壓電材料等。而且由于其晶格常數(shù)和GaN相似,故還是GaN很好的襯底。自1996年,第一篇關(guān)于ZnO的紫外發(fā)光的報(bào)道發(fā)表后1,ZnO更是成為一種新型的紫外發(fā)光材料,使人們對ZnO薄膜的研究進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。然而為了開發(fā)ZnO基的光電產(chǎn)品,對其電學(xué)性質(zhì)的研究顯得必不可少。霍爾效應(yīng),作為一種電學(xué)性質(zhì)的測量,成為了研究的重要手段。而對于這種薄膜樣品的測量,

3、范德堡方法2是最為合適的。到目前為止,還很少有用范德堡方法測量ZnO薄膜電學(xué)性質(zhì)的具體報(bào)道。本文將從我們所做的工作出發(fā),具體介紹范德堡方法在ZnO薄膜測量中的應(yīng)用,并對測量結(jié)果作相應(yīng)的討論。圖1范德堡法測量示意圖Fig.1SchemeofVanderPauwfour2contacttechnique.測量霍爾系數(shù)時(shí),在一對不相鄰的電極通上電流,并在垂直樣品方向上加一磁場,在另一對不相鄰的電極上測量電壓的變化,由此得到霍爾系數(shù)及其載流子濃度。dΔVBD1RH=n=BIRqACH2范德堡方法原理范德堡方法可以用來測量任意形狀

4、的厚度均其中d為樣品厚度,B為磁場強(qiáng)度,q為電子電荷。由電阻率和霍爾系數(shù)的測量,同時(shí)還可以得到電子的霍爾遷移率μ:勻的薄膜樣品。在樣品側(cè)邊制作四個(gè)對稱的電極,如圖1所示。測電阻率時(shí),依次在一對相鄰的電極通電流,另一對電極之間測電位差,得到電阻R,代入公式得到電阻率ρ。RAB,CD=VCDΠIAB,RBC,DA=VDAΠIBCμ=RHρ.3實(shí)驗(yàn)測試所用n2ZnO薄膜樣品,是在玻璃襯底上,由直流濺射方法制備而得。具體生長條件可參見文獻(xiàn)3,4,所測薄膜厚度～200nm。測量中,采用了一種銀的合金作為電極,簡單πdRAB,CD+

5、RBC,DARAB,CDρ=ln2f2RBC,DA收稿日期:2003203218;修訂日期:2003205212基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(10174072,5014206);國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(90201038)資助項(xiàng)目作者簡介:朱俊杰(1979-),男,江蘇人,博士,主要從事氧化鋅光電信息功能材料的研究。3:通訊聯(lián)系人;E2mail:fuzx@ustc.edu.cn,Tel:(0551)3606004發(fā)光學(xué)報(bào)第25卷318而又方便地解決了金屬電極與半導(dǎo)體之間的歐姆接觸;同時(shí),在經(jīng)過一個(gè)高低溫的變化過程中,仍能保

6、持良好的接觸,為測量的準(zhǔn)確性提供了有力的保證。四個(gè)電極,采用直接點(diǎn)焊的方法,粘在四個(gè)角的表面,其任意兩電極之間的I2V特性曲線,如圖2(b)所示。4結(jié)果與討論利用此方法,測得該樣品在室溫下的載流子濃度為1104×1017cm-3;電阻率為2125Ω·cm;遷移率為2617cm2ΠV·s。同時(shí),我們還測量了變溫下(77～373K)的電阻率與溫度關(guān)系曲線,如圖3所示。圖3ZnO薄膜電阻率與溫度關(guān)系曲線Fig.3TemperaturedependenceofDCresistivityforZnOpreparedbyDCsput

7、ter.從圖3中,發(fā)現(xiàn)濺射制備的ZnO薄膜,在室溫(280K)以上時(shí),滿足熱激發(fā)理論,σ=σ0exp(-EaΠKT),并得到激活能Ea=01035eV;而在室溫以下,其電阻率隨溫度變化與常規(guī)樣品出現(xiàn)分歧,可能是由于雜質(zhì)離子在晶界勢壘中的漂移所導(dǎo)致。圖2電極間I2V特性曲線,(a)AlΠn2ZnO接觸;合金電極Πn2ZnO接觸(b)Ag5結(jié)論Fig.2(a)I2VcurvesforAlohmiccontactsonn2ZnO;(b)I2VcurvesforAgalloyohmiccontactsonn2ZnO.由圖2,可以

8、明顯看到Ag合金與n2ZnO之間構(gòu)成了很好的歐姆接觸,同時(shí)由比較可以發(fā)現(xiàn),其接觸電阻比傳統(tǒng)的Al電極要小得多。此外,此合金電極在低溫下仍能與ZnO薄膜保持很好的歐姆接觸,克服了Al電極不耐低溫的弱點(diǎn)。范德堡方法是測量半導(dǎo)體材料,尤其是薄膜材料電學(xué)性質(zhì)的一種非常有效的方法。利用此方法,并結(jié)合我們研制出的Ag合金技術(shù),方