Структура и электрические свойства тонких пленок (ZnO/SiO2)25

Рис. 3. Температурные зависимости удельного электрического

Зная значения радиуса локализации электрона и ве-

сопротивления тонких пленок (ZnO/SiO2)25, представленные

личины B, по формуле (2) можно оценить значения эф-

в

координатах

ln(ρ) ∝ f (T ^−1^/^4)

(a)

и ln(ρ) ∝ f (1/T ) (b)

фективной плотности состояний на уровне Ферми g (EF).

(числами показаны значения толщины бислоя hbl ).

Физика и техника полупроводников, 2019, том 53, вып. 11

Структура и электрические свойства тонких пленок (ZnO/SiO2)25	1509

Таблица 1. Параметры тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ с разной толщиной бислоя h_bl , вычисленные из модели прыжковой проводимости по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми в температурном интервале от 80 до 250 K

hbl, нм	B , K	g(EF), эВ^−1 · см^−3	R (200 K), нм
8.21	(44.253)^4	4.97 · 10^20	2.03
8.94	(28.380)^4	2.94 · 10^21	1.3
9.56	(21.438)^4	9.03 · 10^21	0.98

Таблица 2. Значения энергии активации электрической про-водимости W для тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ в диапазоне температур 250−300 K

hbl , нм	W, эВ
7.53	0.110 ± 0.020
8.21	0.053 ± 0.008
9.56	0.040 ± 0.007
8.94	0.032 ± 0.005

ным состояниям из результатов обработки рис. 3, a приведены в табл. 1.

Результаты оценок, представленные в табл. 1, пока-зывают, что с увеличением толщины бислоя плотность электронных состояний на уровне Ферми растет. Такой результат, вероятно, связан с тем, что по мере роста толщины бислоя толщина прослоек ZnO, по которым главным образом осуществляется электроперенос, рас-тет, а толщина прослоек SiO₂ — падает. Другим важным результатом проведенных оценок является тот факт, что полученные значения средней длины прыжка в два−три раза меньше значений толщины монослоя ZnO, что под-тверждает справедливость применения формулы (1) для трехмерного прыжкового электропереноса. Следователь-но, определяющий вклад в электрическую проводимость тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ вносят прослойки окиси цинка и интерфейс между слоями.

Экспериментальные зависимости электрического сопротивления в температурном интервале 250−300 K имеют линейные зависимости в координатах ln(ρ) ∝ f (1000/T ) (рис. 3, b). Для описания темпе-ратурных зависимостей электрической проводимости

• 
  этом интервале воспользуемся моделью термоакти-вированной проводимости, тогда, согласно [13], для электросопротивления должно выполняться равенство:
  

ρ = ρ0 exp	− kBT			,	(5)
		W

где W — энергия активации электрической проводимо-сти. Применяя формулу (5), из рис. 3, b оценим значения энергии активации электрической проводимости. Резуль-таты проведенных оценок приведены в табл. 2.

Полученные выше результаты W соответствуют уров-ням межузельных атомов Zn, являющихся мелкими

донорами в пленках ZnO [15]. Таким образом, прово-димость тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ при температурах, близких к комнатной, можно считать примесной, опре-деляемой примесными уровнями прослоек окиси цинка.
3.3. Влияние термообработки на структуру

• 
  электрические свойства пленок (ZnO/SiO₂)₂₅
  

Для установления влияния термообработки на структуру и электрические свойства тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ были изучены температурные зависимости удельного электрического сопротивления в диапазоне температур от комнатной до 600^◦C в вакууме с дав-лением остаточных газов P = 5 · 10⁻⁴ Торр. На рис. 4 показана температурная зависимость удельного электри-ческого сопротивления тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ с толщиной бислоя h_bl = 7.65 и 9.56 нм (кривые 1 и 2 соответственно) при нагреве до 600^◦C и последующем охлаждении. При нагреве выше комнатной температуры удельное электрическое сопротивление исследованных образцов уменьшается, достигая минимального значения при температуре ∼ 300^◦C. Выше ∼ 300^◦C электриче-ское сопротивление образца начинает увеличиваться, при этом наиболее интенсивное увеличение электриче-ского сопротивления наблюдается при 580^◦C для пленок с толщиной h_bl = 7.65 нм и при 530^◦C для образца

• 
  h_bl = 9.56 нм. Зависимости ρ(T ), измеренные при охлаждении, имеют положительный ТКС, характерный для полупроводниковых материалов, при этом значение
  

удельного электрического сопротивления тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ с толщиной бислоя h_bl = 9.56 нм (кри-вая 2) стало больше значения удельного электрического сопротивления тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ с толщиной бислоя h_bl = 7.65 нм (кривая 1).

	10^2
·cm	10^1		1
W	10^0
,r	2

10^–1

₁₀–2

0	100	200	300	400	500	600
			T, °C

Рис. 4. Зависимости удельного электрического сопротивления тонких пленок (ZnO/SiO₂)₂₅ с различной толщиной бислоя h_bl от температуры, измеренные в вакууме P = 5 · 10⁻⁴ Торр (1 — h_bl = 7.65 нм, 2 — h_bl = 9.56 нм).

Физика и техника полупроводников, 2019, том 53, вып. 11

1510 М.Н. Волочаев, Ю.Е. Калинин, М.А. Каширин, В.А. Макагонов, С.Ю. Панков, В.В. Бассараб

	10^5		T = 600°C	A
counts	10^3
	10^3		T = 500°C
Intensity,	10^5
	10^5		T = 400°C
	10^3
	10	5	T = 200°C
	10^3

	1	2	3		4	5	6	7
			4		2Q, deg
			SiO
			2
		(100)Zn	Zn	(112)Zn	(002)ZnO	(101)ZnO
			(100)ZnO(211)
		4		4
		SiO		SiO
	3000	2		2
								B
							T = 600°C
counts	1000
	3000						T = 500°C
Intensity,	1000
	4000						T = 400°C
	2000
	4000
	2000						T = 200°C
	0	25	30		35		40	45

2Q, deg