Μελέτη των οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων υμενίων και διατάξεων ημιαγωγών από οξείδιο του ψευδαργύρου

Abstract

Zinc-oxide (ZnO) is an n-type semiconductor with many applications, attracting a lot of research interest. Its electrical properties are largely affected by the intrinsic and impurity related defects. Two major technological problems, even today, are the high quality reliable p-type ZnO growth and the difficulty in understanding the electrical behavior of the defects. The incorporation of hydrogen (H) in ZnO has been used for the enhancement of the electrical conductivity, but there are limited works regarding the interpretation of the exact behavior of H. Since p-n junctions are hard to fabricate, ZnO Schottky contacts have been widely used in many electronic applications. However, there are no reported works on Schottky contacts characterization fabricated on hydrogenated ZnO films (ZnO:H) and the influence of incorporated H on their characteristics. The aim of the present PHD thesis is the complete investigation of the structural, optical and electrical properties of ZnO:Η films for different amounts of incorporated hydrogen, as well as the electrical behavior of palladium (Pd) and gold (Au) Schottky contacts on these films. We studied the properties of non-hydrogenated or hydrogenated ZnO films, grown by DC-magnetron sputtering at low temperature (30, 100 0C) and for different DC-power (60-140 W). H was incorporated in different amounts in ZnO films (H concentration per vol. [Η2] = 0 %, 20 %, 33.3 %, 50 % and 66.6 %), by varying the H flow rate in the Ar/H sputtering gas. The microstructure of the films was examined via ΤΕΜ and XRD measurements, which showed that ΖnO and ZnO:H films are polycrystalline, with preferred crystallites’ orientation parallel to the c axis, perpendicular to the substrate. There is a crystallinity improvement in the films with increasing [H2] up to 33.3 % per vol. and degradation of the crystal quality for [H2]>33.3 %. The average optical transmittance Tr,av of the samples exceeds 84 % (60-100 W). The variation of the electrical resistivity ρ with the DC power is mainly due to the mobility (μ) variation, while ρ reduction at 100 0C is due to the significantly larger carrier concentration n, probably because of the increased concentration of oxygen vacancies (VO). The resistivity decreases constantly with incorporated hydrogen and reaches its lowest value (2.22∙10−2 Ω∙cm) when [H2] = 33.3%. For the investigation of deep level carrier traps we performed DLTS measurements via Au and Pd Schottky contacts. Two electron traps, A and B, were detected in Au contacts at the films with [Η2]=0 or 33.3 %, with respective activation energies of 0.29 and 0.21 eV, which attributed to intrinsic defects. The incorporation of H in the ZnO film reduces the traps’ concentration significantly and the interaction of A with H is probably due to the formation of H-VO complexes (HOs). In Pd contacts two more electron traps (C and D) were detected, with respective activation energies of 0.47 and 0.54 eV. Trap C is attributed to surface defects, while trap D is an extended defect that possibly contains VO. The 33.3 % samples have the lowest overall traps concentration. We fabricated Pd Schottky contacts on ZnO films of two different thicknesses, but the differences in electrical characteristics are too small, and the carrier transport mechanisms are the same. There is correlation between the films’ and the Schottky diodes’ quality, so that the better results were obtained in the diodes on the films with [H2] = 33.3 %, where thermionic emission is the dominant carrier transport process. The large values of η (1.41 for Au and 1.29 for Pd diodes), are attributed to the lateral fluctuations of the barrier height, that are described by a Gaussian distribution model. Applying this model at the 0 %, 20 %, 50 % and 66.6 % H2 diodes we didn’t confirm our experimental results and the domination of trap-assisted current transport mechanisms is most likely. Space-charge limited current (SCLC), controlled by traps, is dominant in high forward voltages. The ionized donors’ concentration ND increases constantly with increasing [H2], that is related to the constant increase of electron concentration n in the ZnO:H layers, and appears to agree with our suggestion that H acts as a donor in ZnO.

Το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) είναι ημιαγωγός n-τύπου, με πλήθος εφαρμογών και παρουσιάζει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον. Οι ηλεκτρικές του ιδιότητες καθορίζονται κυρίως από τις ενδογενείς και τις σχετιζόμενες με προσμίξεις ατέλειες. Δύο από τα κύρια προβλήματα που υφίστανται είναι η αδυναμία παρασκευής αξιόπιστου και σταθερού p-τύπου ZnO και η κατανόηση της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των ατελειών. Με στόχο τη βελτίωση της αγωγιμότητας του ZnO, τελευταία έχει χρησιμοποιηθεί η ενσωμάτωση υδρογόνου (Η). Για την ερμηνεία της συμπεριφοράς του υπάρχει περιορισμένος αριθμός εργασιών. Δεδομένης της αδυναμίας κατασκευής p-n επαφής, οι δίοδοι Schottky από ZnO αποτελούν μία από τις ετεροδομές που χρησιμοποιούνται σε πολλές ηλεκτρονικές εφαρμογές. Δεν υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία μελέτες διόδων Schottky σε υδρογονωμένα υμένια ZnO (ZnO:H), και για το πώς επηρεάζει το Η τα χαρακτηριστικά τους. Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η πλήρης μελέτη των δομικών, οπτικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων υμενίων ZnO:Η με διαφορετική περιεκτικότητα σε Η, και της ηλεκτρικής συμπεριφοράς διατάξεων Schottky από παλλάδιο (Pd) και χρυσό (Au) στα υμένια αυτά. Διερευνήθηκαν οι ιδιότητες υμενίων ZnO με και χωρίς Η, που αναπτύχθηκαν με DC-magnetron sputtering σε χαμηλή θερμοκρασία (30, 1000C) και διαφορετική ισχύ (60-140 W). Η εισαγωγή Η στα υμένια ZnO έγινε σε διαφορετικές ποσότητες (κατ’όγκο συγκέντρωση [Η2]=0%, 20%, 33,3%, 50% και 66,6%), μεταβάλλοντας το μίγμα των αερίων Ar/H2 κατά την απόθεση. Η μικροδομή των υμενίων εξετάστηκε μέσω μετρήσεων ΤΕΜ και XRD, που έδειξαν ότι τα υμένια ΖnO και ZnO:H είναι πολυκρυσταλλικά, με προτιμητέο προσανατολισμό κόκκων παράλληλο στον άξονα c, κάθετα στο υπόστρωμα. Παρατηρείται βελτίωση της κρυσταλλικότητας για αύξηση της [Η2] μέχρι 33,3 %, και υποβάθμισή της για [Η2]>33,3 %. Η μέση οπτική διαπερατότητα Tr,av των δειγμάτων είναι >84 % (για ισχύ 60-100 W). Η μεταβολή της ειδικής αντίστασης ρ με την ισχύ οφείλεται κύρια στη μεταβολή της ευκινησίας μ, ενώ η μείωση της ρ στους 100 0C στη σημαντικά μεγαλύτερη συγκέντρωση φορέων n, πιθανότατα λόγω αυξημένης συγκέντρωσης κενών οξυγόνου (VO). Η ρ μειώνεται συνεχώς με την ενσωμάτωση Η στα υμένια μέχρι [Η2]=33,3 %, όπου ελαχιστοποιείται (2,22∙10-2 Ω∙cm). Για τη διερεύνηση παγίδων ηλεκτρικών φορέων στα υμένια πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις DLTS μέσω επαφών Schottky από Au ή Pd. Στις επαφές Au στα υμένια με [Η2]=0 ή 33,3% ανιχνεύθηκαν 2 παγίδες ηλεκτρονίων, Α και Β, με αντίστοιχες ενέργειες ενεργοποίησης 0,29 και 0,21 eV, που αποδίδονται σε ενδογενείς ατέλειες. Η ενσωμάτωση Η στο ZnO μειώνει σημαντικά τη συγκέντρωση των παγίδων και η αλληλεπίδραση της Α με το Η, οφείλεται πιθανόν στο σχηματισμό συμπλεγμάτων H-VO (HO). Στις επαφές Pd ανιχνεύθηκαν 2 επιπλέον παγίδες ηλεκτρονίων (C και D), με αντίστοιχες ενέργειες ενεργοποίησης 0,47 και 0,54 eV. Η C αποδίδεται σε επιφανειακές ατέλειες, ενώ η D είναι μία εκτεταμένη ατέλεια που περιέχει VO. Τη μικρότερη «συνολική» συγκέντρωση παγίδων έχουν τα δείγματα 33,3 %.Κατασκευάσθηκαν δίοδοι Schottky Pd/ZnO σε υμένια διαφορετικού πάχους, αλλά οι διαφορές στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους είναι πολύ μικρές και οι μηχανισμοί μεταφοράς φορέων ίδιοι. Σε συσχέτιση με τις ιδιότητες των υμενίων, τα καλύτερα χαρακτηριστικά επιτεύχθηκαν στις διόδους Au και Pd με 33,3 % Η, όπου κυριαρχεί η θερμιονική εκπομπή. Ο σχετικά μεγάλος η (1,41 του Au και 1,29 του Pd), αποδίδεται στις πλευρικές διακυμάνσεις του ύψους φράγματος, που περιγράφονται με ένα μοντέλο κατανομής Gauss. Το μοντέλο αυτό δεν επιβεβαιώνει τα πειραματικά αποτελέσματα στις διόδους 0%, 20%, 50% και 66,6%, όπου είναι περισσότερο πιθανή η κυριαρχία μηχανισμών μεταφοράς φορέων που υποβοηθούνται παρουσία παγίδων. Στις υψηλές ορθές τάσεις κυριαρχεί ο μηχανισμός περιορισμού του ρεύματος από τα φορτία χώρου (SCLC), ελεγχόμενος από παγίδες. Η συγκέντρωση ιονισμένων προσμίξεων δοτών ND αυξάνει σταθερά με αύξηση της [Η2], σε συσχέτιση με τη συνεχή αύξηση της συγκέντρωσης φορέων n στα στρώματα ZnO:H, και συμφωνεί με την πρότασή μας ότι το Η δρα ως δότης στο ZnO.