Từ các điều kiện tối ưu để tổng hợp màng mỏng ZnO:(In, N) dẫn điện loại p được khảo sát ở trên, chúng tôi tiến hành phủ lớp p ZnO:(In, N) lên đế Si loại n để khảo sát đặc tính chỉnh lưu của tiếp xúc p-n, qua đó có thể đánh giá chất lượng của màng và bước đầu nghiên cứu ứng dụng màng loại p trong chế tạo diode quang.
Điều kiện chế tạo màng như sau: áp suất phún xạ: 10-3torr; dòng phún xạ: ρ n 3.0.10+19 2.5.10+19 2.0.10+19 1.5.10+19 1.0.10+19 0.5.10+19 0.0.10+00
Hình 4.20 Ảnh hưởng của tỷ lệ khí N2/(N2+Ar) đến điện trở suất (ρ) và nồng độ hạt tải (n) của các màng ZnO:(In, N).
Đ iệ n t rở s u ất ( Ω .c m ) Tỷ lệ khí N2/(N2+Ar) (%) N ồn g đ ộ h ạt t ải ( cm -3 )
trí trực giao so với bề mặt bia, h= 3.5 cm, x=2.5cm; thời gian phún thay đổi từ 10-13 phút để màng có cùng bề dày khoảng 700nm; đế Si loại n: điện trở suất ρ< 0.02 Ω.cm, bề dày 180-220 μm; tỷ lệ khí N2/(N2+Ar) thay đổi ở các giá trị: 30% (T146-S) và 40% (T148-S).
Màng sau khi được chế tạo, được phủ điện cực keo bạc và tiến hành đo đặc trưng I-V cho kết quả như hình 4.21 và hình 4.22.
Hình 4.21 Đường đặc trưng I-V của màng T146-S.
Ag
Ag
n-Si P-ZnO:(In, N)
Hình 4.22 Đường đặc trưng I-V của màng T148-S.
Từ hình 4.21 và hình 4.22 cho thấy các các mẫu chế tạo tiếp xúc dị thể p- ZnO:(In, N)/n-Si đều thể hiện đặc tính chỉnh lưu của diode. Mẫu T146-S có điện áp ngưỡng khoảng ~0.8V và khi điện áp >0.8V dòng chỉnh lưu tăng từ 0.25- 4.5mA tuy nhiên ở mẫu T148-S dòng chỉnh lưu lớn hơn (khoảng 4.9mA và điện áp ngưỡng khoảng ~1V). So sánh đường đặc trưng I-V mẫu của T146-S và T148-S ta thấy mẫu T148-S có đặc tính dòng chỉnh lưu tốt hơn mẫu T146-S. Điều này cũng phù hợp với kết quả đo Hall vì màng ZnO:(In, N) ở tỷ lệ khí 40% thể hiện tính chất dẫn điện loại p tốt hơn màng được tổng hợp ở tỷ lệ 30% (bảng 4.8).
Kết quả này cũng được kiểm chứng lại bằng việc khảo sát đặc trưng I-V trên cùng lớp p-ZnO:(In, N) và kết quả cũng cho thấy màng T148-S dẫn điện tốt hơn màng T146-S (hình 4.23).
Hình 4.23 Đường đặc trưng I-V của mẫu T146-S và T148-S.
Như vậy, chúng tôi đã chế tạọ được tiếp xúc dị thể p-ZnO:(In, N)/Si-n và khảo sát đặc trưng I-V các mẫu thể hiện đặc tính chỉnh lưu tương đối tốt. Kết quả
Ag Ag
n-Si P-ZnO:(In, N)
nghiên cứu này chứng tỏ rằng, các màng ZnO đồng pha tạp In và nitơ được chế tạo thể hiện tính chất dẫn điện loại p tốt.
CHƯƠNG 5:
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong công trình này, chúng tôi đã chế tạo thành công màng bán dẫn đồng pha tạp loại p – ZnO:(In,N). Việc nghiên cứu của chúng tôi được tiến hành song song cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm:
Về phần lý thuyết, chúng tôi đã nêu được một cách khái quát về vật liệu ZnO, nêu được một số cơ chế về đơn pha tạp và đồng pha tạp để được bán dẫn loại p ổn định. Trong đó, chúng tôi đã nêu bật được ý nghĩa của việc đồng pha tạp ZnO: (In, N) dựa trên ý tưởng của T.Yamamoto – đó là ảnh hưởng của năng lượng Madelung. Chúng tôi đã phân tích được rõ ràng tác động của năng lượng Madelung lên sự hình thành màng bán dẫn loại p đồng pha tạp.
Về phần thực nghiệm, chúng tôi chế tạo bia gốm và tổng hợp được màng ZnO:(In, N) bằng phương pháp phún xạ magnetron DC. Chúng tôi đã thu được các kết quả thực nghiệm như sau:
- Tạo được bia gốm ZnO thuần và bia gốm ZnO:In với hàm lượng pha tạp từ 1-3% khối lượng, các bia tạo ra đều có độ kết khối tốt, độ dẫn điện rất tốt phù hợp cho quá trình tạo màng bằng phương pháp phún xạ magnetron DC của chúng tôi.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tạp chất In lên cấu trúc tính chất điện và tính chất quang của màng, chúng tôi sử dụng điều kiện tạo màng như nhiệt độ đế T=3000C, P=3mTorr, I=0.35A, V=520V, t=15 phút, x=2.5cm, h=3.5cm, N2/ (N2+Ar)=50%. Nồng độ tạp chất In được thay đổi từ 0- 3% khối lượng. Kết quả đạt được cho thấy nồng độ tạp 2% tạp In là tối ưu nhất. Màng được tạo ở nồng độ tạp này có điện trở suất ρ=0.0974 Ω.cm, nồng độ hạt tải n=2.266.1019 cm-3 và có độ truyền qua trên 85%. Chúng tôi xác định được nồng độ tạp In trong màng là 1.58 % at từ phân tích EDS và nồng độ tạp của nitơ là 20% từ phân tích RBS.
- Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đế lên cấu trúc, tính chất điện và tính chất quang của màng. Chúng tôi đã tạo màng trong điều kiện: P=3mTorr, I=0.35A, V=520V, t=10-17 phút, x=2.5cm, h=3.5cm, 2% tạp In, N2/(N2+Ar)=50%. Nhiệt độ đế được khảo sát trong khoảng 200OC đến 350OC. Kết quả đạt được cho thấy nhiệt độ đế T=3000C là tối ưu nhất. Màng được tạo trong điều kiện này có điện trở suất ρ=0,0974 Ω.cm, nồng độ hạt tải n=2.8 66.1019 cm-3 và độ truyền qua trên 85% .
- Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ khí N2/(N2+Ar) lên tính chất điện và tính chất quang của màng, chúng tôi sử dụng điều kiện nhiệt độ đế T=3000C, bia gốm IZO với 2% tạp In, tiến hành tạo màng trong điều kiện P=3mTorr, I=0.35A, V=520V, t=10-15 phút, x=2.5cm, h=3.5cm. Kết quả đạt được cho thấy tỉ lệ khí N2/ (N2+Ar) =40% là tối ưu nhất. Màng được tạo ở tỉ lệ khí này có điện trở suất ρ=0.0299 (Ω.cm), nồng độ hạt tải n=2.275.10+19 (cm-3), độ truyền qua trên 85%.
- Chúng tôi chế tạo thành công tiếp xúc dị thể p-ZnO:(In, N)/Si-n, khảo sát đặc trưng I-V, cho thấy các màng đồng pha tạp thể hiện tính chỉnh lưu tốt. Các mẫu được tổng hợp từ các điều kiện như P=3mTorr, I=0.35A, V=520V, t=10-13 phút, x=2.5cm, h=3.5cm, tỉ lệ khí N2/(N2+Ar) =30-40%. Kết quả này cho thấy màng loại p chúng tôi tổng hợp được là rất tốt.
- Các màng chúng tôi thu được có tính dẫn điện loại p, điện trở khá thấp và đặc biệt là nồng độ hạt tải cao, cùng với tính chất quang tốt. Kết quả này là rất tốt nếu so sánh với kết quả đạt được của chúng tôi trước đây cũng như so sánh với kết quả của các tác giả nước ngoài (bảng 1 phần phụ lục).
Hướng phát triển đề tài
Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này, chúng tôi đề nghị hướng phát triển đề tài như sau:
- Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của công suất phún xạ lên tính chất của màng, khảo sát tỷ lệ khí nitơ ở các mức độ nhỏ hơn.
- Khảo sát tính ổn định của màng theo thời gian.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt lên tính chất của màng.
- Tiếp tục nghiên cứu vấn đề tiếp xúc p-n dị thể để nâng cao đặc tính chỉnh lưu.
1. Đào Anh Tuấn, Nguyễn Vũ Ty, Hồ Văn Bình, Dương Ái Phương, Lê Văn Hiếu, Dương Anh Quang, Lê Vũ Tuấn Hùng, “ Ảnh hưởng của nồng độ tạp indium lên tính chất điện quang của màng bán dẫn loại n-ZnO:In và loại p-ZnO:(In, N) chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron DC”, Hội nghị Khoa học lần thứ 7, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp. HCM – 2010.
2. Hồ Văn Bình, Đào Anh Tuấn, Dương Ái Phương, Lê Văn Hiếu, Dương Anh Quan, Lê Vũ Tuấn Hùng, “ Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp indium lên tính chất điện quang của màng ZnO:(In, N) loại p chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron DC”, Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VII, Hà Nôi – 8/11/2010.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1] Tạ Thị Kiều Hạnh (2010), Nghiên cứu chế tạo màng mỏng trong suốt dẫn điện loại p bằng phương pháp phún xạ magnetron, Luận văn Thạc sĩ Vật Lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[2] Trương Kim Hiếu, (2007), "Bài giảng vật lý quang bán dẫn 2", đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[3] Phạm Huỳnh Trung Hiếu (2009), XPS – X-ray Photoelectron Spectroscopy - phổ quang điện tử tia X, Khóa luận tốt nghiệp, đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[4] Đặng Hữu Phúc (2009), Chế tạo màng ZnO:Al bằng phương pháp sol-gel, Khóa luận tốt nghiệp đại học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh.
[5] Phạm Thu Phương (2009), Nghiên cứu chế tạo màng ZnO pha tạp N bằng phương pháp phún xạ magnetron dc, Khóa luận tốt nghiệp đại học, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[6] Dương Anh Quang (2010), Nghiên cứu chế tạo màng mỏng trong suốt dẫn điện loại p bằng phương pháp phún xạ magnetron, Luận văn Thạc sĩ Vật Lý,trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[7] Lê Quẹo (2010), Nghiên cứu chế tạo màng ZnO pha tạp In bằng phương pháp phún xạ magnetron dc, Luận văn thạc sĩ vật lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[8] Nguyễn Đức Thịnh, (2009), Chế tạo màng vonfram oxit bằng phương pháp phún xạ phản ứng magnetron dc không cân bằng từ bia kim loại, Luận văn thạc sĩ Vật Lý, trường đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh.
[9] Hồ Như Thủy (2010), chế tạo tiếp xúc p-ZnO:Cu/n-Si, Khóa luận tốt nghiệp đại học, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[10] Lê Trấn (2009), Nghiên cứu chế tạo màng gương nóng truyền qua bằng phương pháp phún xạ magnetron dc, Luận án tiến sĩ Vật Lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.6
[11] Công Đinh Trường (2009), Chế tạo màng quang xúc tác TiN, Luận văn thạc sĩ vật lý, trường đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh.
[12] Trần Cao Vinh (2007), Tạo màng dẫn điện trong suốt bằng phương pháp phún xạ magnetron dc, Đề tài cấp bộ, trường đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh.8
(2008), Codoped (AlN) and monodoped (Al) ZnO thin films grown by RF sputtering, Applied Surface Science, 255, pp. 2026–2029.
[14] J.M. Bian, X.M. Li, X.D. Gao, W.D. Yu, L.D. Chen. (2004), Deposition and electrical properties of N–In codoped p-type ZnO films by ultrasonic spray pyrolysis, Applied Physic Letter, 84(4), p.p. 541-544.
[15] Jiming Bian, Xiaomin Li, Lidong Chen, Qin Yao. (2004), Properties of undoped n-type ZnO film and N–In codoped p-type ZnO film deposited by ultrasonic spray pyrolysis, Chemical Physics Letters, 393, pp. 256–259.
[16] Ruiqin Ding, Huiqun Zhu and Qingguang Zeng. (2008), Fabrication of p-type ZnO thin films via magnetron sputtering and phosphorus diffusion, Vacuum, 82, pp. 510–513.
[17] B.Dogget, S. Chakrabarti, R. O’Haire, A. Meaney, E. McGlynn, M.O. Henry and J.P. Mosnier. (2007), Electrical characterisation of phosphorus- doped ZnO thin films grown by pulsed laser deposition, Superlattices and Microstructures, 42 (1-6), pp. 74–78.
[18] N. Gopalakrishnana, B.C. Shinb, H.S. Limb, T. Balasubramaniana, Y.S. Yub. (2006), Codoping in ZnO using GaN by pulsed laser deposition, Journal of Crystal Growth, 294, pp. 273–277.
[19] Dae-Kue Hwang, Hyun-Sik Kim, Jae-Hong Lim, Jin-Yong Oh,Jin-Ho Yang, and Seong-Ju Parka. (2005), Study of the photoluminescence of phosphorus-doped p-type ZnO thin films grown by radio-frequency magnetron sputtering, Applied physics letters, 86(15), pp. 151917-151920.
[20] Iwata, K.Fons, P.Yamada, A.Matsubara (2000), Nitrogen-Induced Defects in ZnO: N Grown on Sapphire Substrate by Gas Source MBE, Journal of Crystal Growth, 209, pp. 526-531.-20.
[21] Chennupati Jagadish and Stephen Pearton. (2006), Zinc oxide bulk, thin film and nanostructures, Elsevier, chapter 2, pp. 21-42.
[22] Su Jianfeng, Tang Chunjuan, N. Qiang, W. changqing, F. Zhuxi. (2010),
Variation of Nacceptor energy induced by Al-N codoping in ZnO films, Journal of Alloys and Compounds, 500 (1), pp. 5-8.
[23] Hu-Jie Jin, Min-Jong Song, Choon-Bae Park. (2009), A novel phenomenon: p-Type ZnO:Al thin films deposited on n-Si substrate, Physica B, 404 (8-11), pp. 1097–1101.
[24] H. Kim, C.M. Gilmore, J.S. Horwitz, A. Pique, H. Murata, G.P. Kushto, R. Schlaf, Z.H. Kafafi, D.B. Chrisey (2000), Transparent conducting aluminum- doped zinc oxide thin films for organic light-emitting devices, Appl. Phys. Lett, 76, pp. 259-262.
[25] H. Kim, A. Piqué, J. S. Horwitz, H. Murata, Z. H. Kafafi, C. M. Gilmore, D.B. Chrisey. (2000), Effect of aluminum doping on zinc oxide thin films grown by pulsed laser deposition for organic light-emitting devices, Thin Solid Films, 377-378, pp. 798-802.
[26] Kyoung-Kook Kim, Hyun-Sik Kim, Dae-Kue Hwang, Jae-Hong Lim, and Seong-Ju Park. (2003), Realization of p-type ZnO thin films via phosphorus doping and thermal activation of the dopant, Applied physics letters, 83 (1-36). [27] Ing-Chi Leu, Shih-Min Chou, Min-Hsiung Hon. (2008), Synthesis of p- type Al–N codoped ZnO films using N2O as a reactive gas by RF magnetron sputtering, Applied Surface Science, 255, pp. 2958–2962.
[28] Sonny Xiao-zhe Li, (2000), Nitrogen Doped Zinc Oxide Thin Film, University of California, Berkeley.
[29] Xiaomin Li, Canyun Zhang Jiming Bian, Weidong Yu, Xiangdong Gao. (2004), Structural and electrical properties of nitrogen and aluminum codoped p-type ZnO films, Solid State Communications, 132, pp. 75–78.
[30] Xiaonan Li, Sally E. Asher, Helio R. Moutinho, Joseph M. Luther, S.B. Zhang, Su Huai Wei, Timothy.J. Cuotts. (2005), p-Type ZnO Thin Films Grown by MOCVD, Prepared for the 31st IEEE Photovoltaics Specialists Conference and Exhibition Lake Buena Vista, Florida January 3–7.
[31] H.W.Liang, Y.M.Lu, D.Z. chen, Y.C. Liu, J.F. Fan, J.Y. Zhang, XQ. Fan. (2005), P-type ZnO thin films prepared by plasma molecular beam epitaxy using radical NO, Applied Physics, 202(6), pp. 1060-1065.
[32] S.S. Lin, J.G. Lu, H.P. He, X.Q. Gu, L.X. Chen, J.Y Huang, B.H. Zhao. (2008), p-type behavior in Na-doped ZnO films and ZnO homojunction light-
[33] D.C. Look, D.C Reynolds, C.W.Litton, R.L. Jones, D.B. Eason and G.Cantwell. (2002), Characterization of homoepitaxial p-type ZnO grown by molecular beam epitaxy, Apply Physics Letters, 81(10), pp. 1830-1832.
[34] Jianguo Lu, Qunian Liang, Yinzhu Zhang1, Zhizhen Ye1and Shizuo Fujita. (2007), Improved p-type conductivity and acceptor states in N-doped ZnO thin films, Appl. Phys. 40, pp. 3177–318.
[35] Jianguo Lu, Yinzhu Zhang, Zhizhen Ye, Lei Wang, Binghui Zhao, Jinhyun Huang. (2003), p-type ZnO films deposited by DC reactive magnetron sputtering at different ammonia concentrations, Materials Letters , 57, pp. 3311 –3314.
[36] M. Manninen. (1986), Spherical clusters of simple metals: Madelung energies and structures, Solid State Communications, 59, pp.281-284.
[37] K. Minegishi, Y. Koiwai, K. Kikuchi. (1997), Gowth of p-tpye zinc oxide film by Chemical Vapor Depostion, Jpn.J.Apply Physic ,36, pp. L1453-L1455. [38] Hongen Nian, Sung Hong Hahn, Kee-Kahb Koo, Eun Woo Shin and Eui
Jung Kim. (2009), Sol - gel derived N doped ZnO thin films, Material Letters, 63 (26), pp. 2246 - 2248.
[39] P. Nunes, E. Fortunato, R. Martins (2001), Influence of the post-treatment on the properties of ZnO thin films, Thin Solid Films, 383(1-2), pp. 277-280. [40] Xinhua Pan, Zhizhen Ye, Jiesheng Li, Xiuquan Gu, Yujia Zeng , Haiping He,Liping Zhu, Yong Che. (2006), Fabrication of Sb-doped p-type ZnO thin films by pulsed laser deposition, Applied Surface Science, 253, pp. 5067–5069. [41] Duong Anh Quang, Le Vu Tuan Hung, The impact of nitrogen and temperature substrate on the optical and electrical properties of p-type ZnO: (In,N) thin film by the sputtering magnetron dc, The 1st Academic Conference on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia – Laos – Vietnam 23-27 March 2010. Vientiane, Lao PDR.
[42] K.T. Ramakrishna, H. Gopalaswamy, P.J. Reddy (2000), Effect of gallium incorporation on the physical properties of ZnO films grown by spray pyrolysis, Juornal Crystal Growth, 210(4), pp. 516-520.
films,University of Florida.
[44] A.P. Roth, J.B. Webb, D.F. Williams. (1981), Absorption edge shift in ZnO thin films at high carrier densities, Solid State Commun. 39 (12), pp. 1269- 1271.
[45] Y.R. Ryu, S. Zhu, D.C. Look, J.M. Wrobel, H.M. Jeong, and H.W. White. (2000), Synthesic of p- type ZnO films, J. Crystal Growth, 216 (1-4), pp. 330- 334.
[46] K.Tamura, T.Makino, A.Tsukazaki, M.Sumiya, T.Furumochi, M.Lippma, C. H. Chia, Y. Segawa, H. Koinuma and M. Kawasaki. (2003), Donor–acceptor pair luminescence in nitrogen-doped ZnO films grown on lattice-matched ScAlMgO4 (0001) substrates, Solip State Communications, 127(4), pp. 256-269. [47] A. Tsukazaki, H. Saito, K. Tamura,M. Ohtani, H. Koinuma,M. Sumiya, S. Fuke, T. Fukumura, M. Kawasaki(2002), Systematic examination of carrier polarity in composition spread ZnO thin films codoped with Ga and N, Appl. Phys. Lett, 81(2), pp. 235-237.
[48] Jinzhong Wang, Vincent Sallet, François Jomard, Ana M. Botelho do Rego ,Elangovan Elamurugu, Rodrigo Martinsa, Elvira Fortunato. (2007), Influence of the reactive N2 gas flow on the properties of rf-sputtered ZnO thin films, Thin Solid Films, 512(24), pp. 8784-8780.
[49] Jinzhong Wang, Vincent Sallet, François Jomard, Ana M. Botelho do Rego ,Elangovan Elamurugu, Rodrigo Martinsa, Elvira Fortunato. (2007), Influence of substrate temperature on N-doped ZnO films deposited by RF magnetron sputtering, Thin Solid Film, 515, pp. 8785–8788.
[50] Q.P. Wang, Z. Sun, J. Du, P. Zhao, X.H. Wu, X.J. Zhang. (2007),
Structural and optical properties of P-Ga codoping ZnO thin films deposited by magnetron sputtering, Optical Materials, 29, pp. 1358–1361.
[51] Kai Wang, (2008), Transparent Oxide Semiconductors: Fabrication, Properties, and Applications, Waterloo, Ontario, Canada.
,Elangovan Elamurugu, Rodrigo Martinsa, Elvira Fortunato. (2008), Effect of annealing on the properties of N-doped ZnO films deposited by RF magnetron sputtering, Applied Surface Science, 254, 7178–7182.
[53] Su.Huai Wei, J. Li, and Y. Yan. (2008), Design of Shallow p-type dopants in ZnO, the 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference San Diego, California.
[54] Zhang Xiaodan, Zhang Xiaodan, Fan Hongbing, Zhao Ying, Sun Jian, Wei