Μελέτη των οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων υμενίων και διατάξεων ημιαγωγών από οξείδιο του ψευδαργύρου
Authors: Τσιαράπας Χρήστος 
Published: August 2021

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.