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1、文章编号:100027032(2004)0320317203范德堡方法在ZnO薄膜测试中的应用朱俊杰1,刘磁辉1,林碧霞1,2,谢家纯1,傅竹西1,23(11中国科学技术大学物理系;21中国科学院结构分析重点实验室,安徽合肥230026)摘要:近年来,随着对宽禁带半导体材料,氧化锌薄膜研究的快速发展,对其电学性质的研究也显得尤为重要。主要介绍范德堡方法在ZnO薄膜电学性质测量中的应用,并对初步测量结果作简要的讨论。关键词:范德堡方法;ZnO膜薄;欧姆接触;霍尔效应中图分类号:O47213文献标识码:A其中d为样品厚度,f
2、为范德堡因子,是比值1引言ΠR的函数。RAB,CDBC,ADZnO是一种宽禁带半导体材料,在室温下的禁带宽度为3137eV,具有广泛的用途,如:表面声波导器件,透明导电膜以及压电材料等。而且由于其晶格常数和GaN相似,故还是GaN很好的衬底。自1996年,第一篇关于ZnO的紫外发光的报道发表后1,ZnO更是成为一种新型的紫外发光材料,使人们对ZnO薄膜的研究进入了一个新的高潮。然而为了开发ZnO基的光电产品,对其电学性质的研究显得必不可少。霍尔效应,作为一种电学性质的测量,成为了研究的重要手段。而对于这种薄膜样品的测量,
3、范德堡方法2是最为合适的。到目前为止,还很少有用范德堡方法测量ZnO薄膜电学性质的具体报道。本文将从我们所做的工作出发,具体介绍范德堡方法在ZnO薄膜测量中的应用,并对测量结果作相应的讨论。图1范德堡法测量示意图Fig.1SchemeofVanderPauwfour2contacttechnique.测量霍尔系数时,在一对不相邻的电极通上电流,并在垂直样品方向上加一磁场,在另一对不相邻的电极上测量电压的变化,由此得到霍尔系数及其载流子浓度。dΔVBD1RH=n=BIRqACH2范德堡方法原理范德堡方法可以用来测量任意形状
4、的厚度均其中d为样品厚度,B为磁场强度,q为电子电荷。由电阻率和霍尔系数的测量,同时还可以得到电子的霍尔迁移率μ:匀的薄膜样品。在样品侧边制作四个对称的电极,如图1所示。测电阻率时,依次在一对相邻的电极通电流,另一对电极之间测电位差,得到电阻R,代入公式得到电阻率ρ。RAB,CD=VCDΠIAB,RBC,DA=VDAΠIBCμ=RHρ.3实验测试所用n2ZnO薄膜样品,是在玻璃衬底上,由直流溅射方法制备而得。具体生长条件可参见文献3,4,所测薄膜厚度~200nm。测量中,采用了一种银的合金作为电极,简单πdRAB,CD+
5、RBC,DARAB,CDρ=ln2f2RBC,DA收稿日期:2003203218;修订日期:2003205212基金项目:国家自然科学基金(10174072,5014206);国家自然科学基金重点项目(90201038)资助项目作者简介:朱俊杰(1979-),男,江苏人,博士,主要从事氧化锌光电信息功能材料的研究。3:通讯联系人;E2mail:fuzx@ustc.edu.cn,Tel:(0551)3606004发光学报第25卷318而又方便地解决了金属电极与半导体之间的欧姆接触;同时,在经过一个高低温的变化过程中,仍能保
6、持良好的接触,为测量的准确性提供了有力的保证。四个电极,采用直接点焊的方法,粘在四个角的表面,其任意两电极之间的I2V特性曲线,如图2(b)所示。4结果与讨论利用此方法,测得该样品在室温下的载流子浓度为1104×1017cm-3;电阻率为2125Ω·cm;迁移率为2617cm2ΠV·s。同时,我们还测量了变温下(77~373K)的电阻率与温度关系曲线,如图3所示。图3ZnO薄膜电阻率与温度关系曲线Fig.3TemperaturedependenceofDCresistivityforZnOpreparedbyDCsput
7、ter.从图3中,发现溅射制备的ZnO薄膜,在室温(280K)以上时,满足热激发理论,σ=σ0exp(-EaΠKT),并得到激活能Ea=01035eV;而在室温以下,其电阻率随温度变化与常规样品出现分歧,可能是由于杂质离子在晶界势垒中的漂移所导致。图2电极间I2V特性曲线,(a)AlΠn2ZnO接触;合金电极Πn2ZnO接触(b)Ag5结论Fig.2(a)I2VcurvesforAlohmiccontactsonn2ZnO;(b)I2VcurvesforAgalloyohmiccontactsonn2ZnO.由图2,可以
8、明显看到Ag合金与n2ZnO之间构成了很好的欧姆接触,同时由比较可以发现,其接触电阻比传统的Al电极要小得多。此外,此合金电极在低温下仍能与ZnO薄膜保持很好的欧姆接触,克服了Al电极不耐低温的弱点。范德堡方法是测量半导体材料,尤其是薄膜材料电学性质的一种非常有效的方法。利用此方法,并结合我们研制出的Ag合金技术,方