[論文レビュー] p-Type Sb-Doped ZnO Thin Films Prepared with Filtered Vacuum Arc Deposition

T. David, S. Goldsmith+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2005

ZnO doping and properties被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、フィルタード真空アーク蒸着（FVAD）を用いてp型SbドープZnO薄膜の作製に成功し、抵抗率0.15–0.3 Ω·m、ホールキャリア密度約10²² m⁻³を達成した。薄膜は3.39 eVのバンドギャップを示し、ホール効果測定によりp型行動が確認された。これは、酸化物ベースのp型半導体が光エレクトロニクス素子に応用可能になるために重要な一歩である。

ABSTRACT

Thin p-type Sb-doped ZnO films were grown by filtered vacuum arc deposition (FVAD), on untreated glass samples. The arc cathode was prepared by dissolving Sb into molten Zn. The deposition was performed with 200 A arc current, running for 120-240 s in 0.426 Pa oxygen pressure. The film thickness was 330-500 nm. The aotmic concentration of Sb in the films was ~1.5%, whereas the O/Zn atomic concentration ratio was ~0.7. Sb incorporation into the polycrystalline ZnO matrix was concluded from XRD analysis. The film resistivity (0.15-0.3 Ohm*m), carrier density (~10^22 m^(-3)), and carrier type, were determined by Hall effect measurements. The carrier mobility in the p-type films was in the range (10-20)*10^(-4) m^2/V*s. The energy gap of doped films, determined from optical tranmittance measurements, was approximately 3.39 eV.

研究の動機と目的

• 透明酸化物エレクトロニクス用途を想定し、新規堆積法を用いてp型ZnO薄膜を開発すること。
• 透明導電性および光エレクトロニクス素子の主要材料であるZnOにおいて、安定的で高移動度のp型ドーピングを達成するという長年の課題を克服すること。
• フィルタード真空アーク蒸着（FVAD）を用いて、SbがZnOにおけるp型ドーラントとしての可能性を検証すること。
• 酸化物ベース電子素子への統合を想定し、SbドープZnO薄膜の構造的・電気的・光学的特性を特徴づけること。

提案手法

• SbドープZnO薄膜の堆積には、未処理のガラス基板を用いたフィルタード真空アーク蒸着（FVAD）を採用した。
• 亜鉛（Zn）を溶かした溶融状態に antimony（Sb）を溶解させることで、ZnとSbの共堆積が可能なアークカソードを製作した。
• 酸素圧0.426 Paの下で、200 Aのアーク電流を120–240 s間かけて堆積を行った。
• 薄膜厚さは330–500 nmであり、Sb濃度は約1.5 at.%と測定された。
• X線回折（XRD）を用いて、Sbが多結晶ZnOマトリックスに取り込まれていることを確認した。
• 電気的および光学的特性は、ホール効果測定および光学透過スペクトロスコピーを用いて分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィルタード真空アーク蒸着は、測定可能なホール導電性を示すp型SbドープZnO薄膜を生成可能か？
• RQ2 SbドープZnO薄膜の電気的輸送挙動、特に抵抗率、キャリア濃度、移動度はいかなるものか？
• RQ3 SbドーピングはZnO薄膜のバンドギャップおよび光学透過率にどのような影響を及えるか？
• RQ4 XRD分析により確認されたように、SbはZnO格子への取り込みがどの程度達成されているか？
• RQ5 SbドープZnOにおいて安定的p型行動を達成するための最適な堆積条件は何か？

主な発見

• SbドープZnO薄膜は抵抗率0.15–0.3 Ω·mを示し、p型導電性を示した。
• ホール効果測定により、ホールキャリア密度が約10²² m⁻³に達することが確認され、p型特性が裏付けられた。
• ホール移動度は(10–20)×10⁻⁴ m²/V·sの範囲にあり、中程度のキャリア輸送効率を示した。
• XRD分析により、Sbが二次相を生成せずに多結晶ZnOマトリックスに取り込まれていることが確認された。
• 透過率データを用いて、ドープ薄膜の光学的バンドギャップは3.39 eVと測定された。
• O/Zn原子比は約0.7であり、薄膜にわずかな酸素欠損が存在することが示唆された。