IrO2/ZnO薄膜接触结构的制备及电学特性研究

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关键词： IrO2; ZnO; 薄膜接触结构; 脉冲激光沉积; 电学特性; X射线衍射

中图分类号： TN244⁃34                       文献标识码： A                         文章编号： 1004⁃373X（2018）24⁃0032⁃03

Research on preparation and electrical properties of IrO2/ZnO thin film contact structure

SHEN Fangfang， AI Shuping

（Department of Basic Science， Jilin Jianzhu University， Changchun 130118， China）

Abstract： The preparation of the high?quality metal/ZnO contact is very crucial in ZnO device applications. At present， most of electrode roles are nontransparent materials in the metal/ZnO contact research， which makes the ZnO material application in optoelectronic devices limited to a certain extent. IrO2， as a transparent and conductive metallic oxide， has a low resistivity and good chemical stability， whose thin film has been used as the bottom electrode and heat⁃proof diffusion layer. The pulsed laser deposition （PLD） method is adopted in this paper to prepare the IrO2/ZnO thin film contact structure which is represented by means of the small angle X ray diffraction （XRD）. The electrical properties of the structure are measured. The experimental results show that the well⁃grown IrO2/ZnO thin film contact structure is obtained， which has an Ohmic contact conduction property at room temperature.

Keywords： IrO2; ZnO; thin film contact structure; PLD; electrical property; XRD

氧化锌（ZnO）属于Ⅱ⁃Ⅵ族宽紧带半导体氧化物材料，具有直接带隙的能带结构，室温下的禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能高达60 MeV，是紫外光发射器件的理想候选材料之一。在氧化锌器件的应用中，高质量的金属/ZnO接触的制备是非常重要的问题，无论是欧姆接触还是肖特基接触都是ZnO器件应用的前提和基础。目前，在金属/ZnO接触的研究中，作为欧姆或肖特基接触的电极多为非透明性的金属材料，使得氧化锌材料在光电子器件中的应用受到一定的限制[1⁃5]。IrO2是一种既透明又导电的过渡金属氧化物，在室温下显示出类似金属的导电性能，具有较低的电阻率和良好的抗氧化及抗腐蚀性能。目前，IrO2薄膜已被用作底电极、防热扩散层等[6⁃9]。尤其它在可见光区的透光性，吸引了人们极大的研究兴趣。本文采用脉冲激光沉积方法制备了IrO2/ZnO薄膜接触结构，并对其进行了表征。

1  脉冲激光沉积方法

脉冲激光沉积方法（PLD）是应用比较广泛的薄膜生长技术，其原理是非常复杂的物理现象，但是设备简单。它是高能量脉冲激光轰击固体靶材表面时，激光与物质之间的所有物理相互作用，包括等离子体羽状物的形成，其后已熔化的物质通过等离子羽状物到达已加热的基片表面，最后生成膜。脉冲激光沉积过程一般可以分为4个阶段：激光辐射与靶的相互作用;熔化物质的动态;熔化物质在基片上的沉积;薄膜在基片表面的成核与生长。脉冲激光束聚焦在固体靶的表面上，固体表面大量吸收电磁辐射导致靶材表面的元素快速受热升温融化分离，蒸发的物质由容易逃出与电离的物质组成。如果熔化作用在真空之下进行，蒸发的物质本身会实时在靶表面上形成光亮的等离子体羽状物。

应用PLD非常方便，过程中需要控制的参数有以下几个：激光能量通量、脉冲重复频率、衬底温度、气氛、气氛压强等。通过控制脉冲的数量，可以精密调节薄膜厚度至单原子层。连续熔化不同的靶，也可以十分容易地制造不同物质的多层膜。这种生长技术有很多独特的优点，沉积膜保留了靶的化学计量成分，沉积速率较高，实验周期短，沉积薄膜均匀，衬底温度要求低[10]。

2  IrO2薄膜的制备与表征

2.1  IrO2薄膜的制备

实验中在石英（SiO2）衬底上用脉冲激光沉积方法（PLD）制备IrO2薄膜。实验使用了波长为355 nm的Nd：YAG激光器，波长为355 nm，脉冲的频率为10 Hz，脉冲的宽度为15 ns，脉冲的能量为170 mJ;沉积氧气压强为13.3 Pa。靶材和石英衬底之间的距离约为5 cm，Ir靶直径为1 cm，激光束以45°角入射到靶上。沉积时的衬底温度、沉积时间等参数如表1所示。

2.2  IrO2薄膜的表征

图1为实验所得到的IrO2薄膜的小角X射线衍射（XRD）谱图。由图可见，石英衬底和IrO2薄膜之间的附着性良好。衬底温度为室温时，只有一个很宽的衍射峰，IrO2薄膜的生长呈现非晶状结构。衬底温度为600 ℃时，可以明显观察到IrO2薄膜的多个衍射峰，并且多数衍射峰的半高宽都较小。说明衬底温度升高至600 ℃时，生长得到的IrO2薄膜质量比较好。根据IrO2薄膜的衍射峰，利用公式：

[a=λ2sin θB4h2+hk+k23+l2ca2]  （1）

以及

[c=λ2sin θB43ac2h2+hk+k2+l2]     （2）

可得到制备所得IrO2薄膜样品的晶格常数a为0.453 nm， 此值与IrO2晶体材料的晶格常数值 0.450 nm 非常接近。式中：a，c为晶体的晶格常数;λ为X射线衍射波波长;θB为布拉格衍射角;h，k，l为晶体密勒指数。

3  IrO2/ZnO薄膜接触结构的制备及表征

3.1  IrO2/ZnO薄膜接触结构的制备

用上述实验中制备得到的IrO2薄膜为基片，在IrO2薄膜上用脉冲激光沉积（PLD）方法生长ZnO薄膜，制备IrO2/ZnO薄膜接触结构。实验所用的ZnO靶直径为2 cm，采用氧化锌粉末压制烧结而成。实验前采用常规有机溶剂清洗方法清洗IrO2薄膜基片：用三氯乙烯和丙酮各超声5 min;用乙醇超声10 min;用去离子水洗净，再用氮气吹干。样品1的基片为沉积温度为室温时制备的IrO2薄膜样品。样品2的基片为沉积温度为600 ℃时制备的IrO2薄膜样品。

为比较ZnO薄膜的生长情况，实验中增加以石英（SiO2）为衬底的样品3。沉积前采用标准清洗方法清洗石英衬底：用三氯乙烯超声5 min，再用去离子水洗净;双氧水、浓硫酸按1∶4的体积混合，煮沸10 min，再用去离子水洗净。3个样品ZnO薄膜的生长条件分别如表2所示，沉积前氩等离子体的处理时间均为5 min。

3.2  IrO2/ZnO薄膜接触结构的表征

样品制备完成后用小角X射线衍射（XRD）对IrO2/ZnO薄膜接触结构中ZnO薄膜的生长结构进行表征，结果如图2所示。从图2中可以看出样品3 ZnO薄膜质量良好且沿（002）方向有择优取向。样品1 ZnO薄膜仍为沿（002）方向择优取向，薄膜质量也相对较好。样品2在（002）方向也有一个择优取向，但谱峰很弱。

比较样品1和样品2的谱图可以看到，生长温度较高时，IrO2薄膜基片上生长的ZnO薄膜晶粒尺寸增大，说明较高的生长温度有利于ZnO结晶度的提高。而同样生长温度下样品2的X射线衍射谱峰较样品3弱很多，说明ZnO薄膜取向性差，这可能是由于样品2的IrO2薄膜基片表面相对粗糙造成的。

4  IrO2/ZnO薄膜接觸结构的电学特性测量

按照如图3所示的电极位置，用精密电压电流源测量了IrO2/ZnO薄膜接触结构在室温下的电学特性，测量结果如图4和图5所示。

从两个I⁃V特性图来看，在相同的测试条件下，样品1和样品2都具有接近于线性规律的导电特性。说明在当前测试情况下，制备得到的IrO2/ZnO薄膜接触结构具有欧姆接触的导电特性。将图4和图5进行比较可以看出，样品2的电阻比样品1的电阻要小。在制备ZnO薄膜时，样品2的ZnO材料生长氧气压强为5 Pa，样品1的ZnO材料生长氧气压强为20 Pa。在此分析可能是由于ZnO材料生长氧气压强的不同导致ZnO薄膜层的载流子浓度不同，从而使得生长样品的电阻发生变化。另外从样品的X射线衍射谱图上分析，样品1的ZnO薄膜的晶粒尺寸相对于样品2的晶粒尺寸要小，这可能也是导致样品1的电阻比样品2的电阻要大的影响因素之一。

5  结  论

本文用脉冲激光沉积方法（PLD）制备得到了IrO2/ZnO薄膜接触结构，通过小角X射线衍射（XRD）结果可以看到得到了生长良好的IrO2/ZnO薄膜接触结构。通过样品的I⁃V特性测量结果可以看出，在室温下，制备得到的IrO2/ZnO薄膜接触结构具有欧姆接触的导电特性。

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