申芳芳 艾淑平

關(guān)鍵詞： IrO2; ZnO; 薄膜接觸結(jié)構(gòu); 脈沖激光沉積; 電學(xué)特性; X射線衍射

中圖分類號： TN244?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

氧化鋅（ZnO）屬于Ⅱ?Ⅵ族寬緊帶半導(dǎo)體氧化物材料，具有直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，室溫下的禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60 MeV，是紫外光發(fā)射器件的理想候選材料之一。在氧化鋅器件的應(yīng)用中，高質(zhì)量的金屬/ZnO接觸的制備是非常重要的問題，無論是歐姆接觸還是肖特基接觸都是ZnO器件應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。目前，在金屬/ZnO接觸的研究中，作為歐姆或肖特基接觸的電極多為非透明性的金屬材料，使得氧化鋅材料在光電子器件中的應(yīng)用受到一定的限制[1?5]。IrO2是一種既透明又導(dǎo)電的過渡金屬氧化物，在室溫下顯示出類似金屬的導(dǎo)電性能，具有較低的電阻率和良好的抗氧化及抗腐蝕性能。目前，IrO2薄膜已被用作底電極、防熱擴(kuò)散層等[6?9]。尤其它在可見光區(qū)的透光性，吸引了人們極大的研究興趣。本文采用脈沖激光沉積方法制備了IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了表征。

1 ?脈沖激光沉積方法

脈沖激光沉積方法（PLD）是應(yīng)用比較廣泛的薄膜生長技術(shù)，其原理是非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，但是設(shè)備簡單。它是高能量脈沖激光轟擊固體靶材表面時(shí)，激光與物質(zhì)之間的所有物理相互作用，包括等離子體羽狀物的形成，其后已熔化的物質(zhì)通過等離子羽狀物到達(dá)已加熱的基片表面，最后生成膜。脈沖激光沉積過程一般可以分為4個(gè)階段：激光輻射與靶的相互作用;熔化物質(zhì)的動(dòng)態(tài);熔化物質(zhì)在基片上的沉積;薄膜在基片表面的成核與生長。脈沖激光束聚焦在固體靶的表面上，固體表面大量吸收電磁輻射導(dǎo)致靶材表面的元素快速受熱升溫融化分離，蒸發(fā)的物質(zhì)由容易逃出與電離的物質(zhì)組成。如果熔化作用在真空之下進(jìn)行，蒸發(fā)的物質(zhì)本身會(huì)實(shí)時(shí)在靶表面上形成光亮的等離子體羽狀物。

應(yīng)用PLD非常方便，過程中需要控制的參數(shù)有以下幾個(gè)：激光能量通量、脈沖重復(fù)頻率、襯底溫度、氣氛、氣氛壓強(qiáng)等。通過控制脈沖的數(shù)量，可以精密調(diào)節(jié)薄膜厚度至單原子層。連續(xù)熔化不同的靶，也可以十分容易地制造不同物質(zhì)的多層膜。這種生長技術(shù)有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，沉積膜保留了靶的化學(xué)計(jì)量成分，沉積速率較高，實(shí)驗(yàn)周期短，沉積薄膜均勻，襯底溫度要求低[10]。

2 ?IrO2薄膜的制備與表征

2.1 ?IrO2薄膜的制備

實(shí)驗(yàn)中在石英（SiO2）襯底上用脈沖激光沉積方法（PLD）制備IrO2薄膜。實(shí)驗(yàn)使用了波長為355 nm的Nd：YAG激光器，波長為355 nm，脈沖的頻率為10 Hz，脈沖的寬度為15 ns，脈沖的能量為170 mJ;沉積氧氣壓強(qiáng)為13.3 Pa。靶材和石英襯底之間的距離約為5 cm，Ir靶直徑為1 cm，激光束以45°角入射到靶上。沉積時(shí)的襯底溫度、沉積時(shí)間等參數(shù)如表1所示。

2.2 ?IrO2薄膜的表征

圖1為實(shí)驗(yàn)所得到的IrO2薄膜的小角X射線衍射（XRD）譜圖。由圖可見，石英襯底和IrO2薄膜之間的附著性良好。襯底溫度為室溫時(shí)，只有一個(gè)很寬的衍射峰，IrO2薄膜的生長呈現(xiàn)非晶狀結(jié)構(gòu)。襯底溫度為600 ℃時(shí)，可以明顯觀察到IrO2薄膜的多個(gè)衍射峰，并且多數(shù)衍射峰的半高寬都較小。說明襯底溫度升高至600 ℃時(shí)，生長得到的IrO2薄膜質(zhì)量比較好。根據(jù)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）

可得到制備所得IrO2薄膜樣品的晶格常數(shù)a為0.453 nm， 此值與IrO2晶體材料的晶格常數(shù)值 0.450 nm 非常接近。式中：a，c為晶體的晶格常數(shù);λ為X射線衍射波波長;θB為布拉格衍射角;h，k，l為晶體密勒指數(shù)。

3 ?IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)的制備及表征

3.1 ?IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)的制備

用上述實(shí)驗(yàn)中制備得到的IrO2薄膜為基片，在IrO2薄膜上用脈沖激光沉積（PLD）方法生長ZnO薄膜，制備IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)所用的ZnO靶直徑為2 cm，采用氧化鋅粉末壓制燒結(jié)而成。實(shí)驗(yàn)前采用常規(guī)有機(jī)溶劑清洗方法清洗IrO2薄膜基片：用三氯乙烯和丙酮各超聲5 min;用乙醇超聲10 min;用去離子水洗凈，再用氮?dú)獯蹈?。樣?的基片為沉積溫度為室溫時(shí)制備的IrO2薄膜樣品。樣品2的基片為沉積溫度為600 ℃時(shí)制備的IrO2薄膜樣品。

為比較ZnO薄膜的生長情況，實(shí)驗(yàn)中增加以石英（SiO2）為襯底的樣品3。沉積前采用標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗石英襯底：用三氯乙烯超聲5 min，再用去離子水洗凈;雙氧水、濃硫酸按1∶4的體積混合，煮沸10 min，再用去離子水洗凈。3個(gè)樣品ZnO薄膜的生長條件分別如表2所示，沉積前氬等離子體的處理時(shí)間均為5 min。

3.2 ?IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)的表征

樣品制備完成后用小角X射線衍射（XRD）對IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)中ZnO薄膜的生長結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出樣品3 ZnO薄膜質(zhì)量良好且沿（002）方向有擇優(yōu)取向。樣品1 ZnO薄膜仍為沿（002）方向擇優(yōu)取向，薄膜質(zhì)量也相對較好。樣品2在（002）方向也有一個(gè)擇優(yōu)取向，但譜峰很弱。

比較樣品1和樣品2的譜圖可以看到，生長溫度較高時(shí)，IrO2薄膜基片上生長的ZnO薄膜晶粒尺寸增大，說明較高的生長溫度有利于ZnO結(jié)晶度的提高。而同樣生長溫度下樣品2的X射線衍射譜峰較樣品3弱很多，說明ZnO薄膜取向性差，這可能是由于樣品2的IrO2薄膜基片表面相對粗糙造成的。

4 ?IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性測量

按照如圖3所示的電極位置，用精密電壓電流源測量了IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)在室溫下的電學(xué)特性，測量結(jié)果如圖4和圖5所示。

從兩個(gè)I?V特性圖來看，在相同的測試條件下，樣品1和樣品2都具有接近于線性規(guī)律的導(dǎo)電特性。說明在當(dāng)前測試情況下，制備得到的IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)具有歐姆接觸的導(dǎo)電特性。將圖4和圖5進(jìn)行比較可以看出，樣品2的電阻比樣品1的電阻要小。在制備ZnO薄膜時(shí)，樣品2的ZnO材料生長氧氣壓強(qiáng)為5 Pa，樣品1的ZnO材料生長氧氣壓強(qiáng)為20 Pa。在此分析可能是由于ZnO材料生長氧氣壓強(qiáng)的不同導(dǎo)致ZnO薄膜層的載流子濃度不同，從而使得生長樣品的電阻發(fā)生變化。另外從樣品的X射線衍射譜圖上分析，樣品1的ZnO薄膜的晶粒尺寸相對于樣品2的晶粒尺寸要小，這可能也是導(dǎo)致樣品1的電阻比樣品2的電阻要大的影響因素之一。

5 ?結(jié) ?論

本文用脈沖激光沉積方法（PLD）制備得到了IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)，通過小角X射線衍射（XRD）結(jié)果可以看到得到了生長良好的IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)。通過樣品的I?V特性測量結(jié)果可以看出，在室溫下，制備得到的IrO2/ZnO薄膜接觸結(jié)構(gòu)具有歐姆接觸的導(dǎo)電特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王征.二維ZnO的制備及發(fā)光性能研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

WANG Zheng. Research on preparation and luminescence properties of 2D ZnO [D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2017.

[2] JAMIL M A.脈沖激光沉積制備ZnO基量子阱及其光學(xué)性質(zhì)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2016.

JAMIL M A. Study of ZnO?based quantum well preparation using pulsed laser deposition and its optical properties [D]. Dalian： Dalian University of Technology， 2016.

[3] 許利剛，邱偉，陳潤鋒，等.ZnO電極修飾層在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2018，34（1）：36?48.

XU Ligang， QIU Wei， CHEN Runfeng， et al. Application of ZnO electrode buffer layer in perovskite solar cells [J]. Acta Physico?Chimica Sinica， 2018， 34（1）： 36?48.

[4] 王曉慧.ZnO低維結(jié)構(gòu)的制備及其光電特性研究[D].煙臺：魯東大學(xué)，2017.

WANG Xiaohui. Research on preparation and photoelectric properties of ZnO low?dimensional structure [D]. Yantai： Ludong University， 2017.

[5] 黃志娟，喻志農(nóng)，楊偉聲，等.ZnO緩沖層對Mg0.3Zn0.7O紫外探測器的影響[J].半導(dǎo)體光電，2018，39（3）：322?325.

HUANG Zhijuan， YU Zhinong， YANG Weisheng， et al. Effect of ZnO buffer layer on Mg0.3Zn0.7O ultraviolet detectors [J]. Semiconductor optoelectronics， 2018， 39（3）： 322?325.

[6] HOU X， TAKAHASHI R， YAMAMOTO T， et al. Microstructure analysis of IrO2 thin films [J]. Journal of crystal growth， 2017， 462： 24?28.

[7] CAO H， CHEN M， WU L， et al. Electrochemical properties of IrO2 active anode with TNTs interlayer for oxygen evolution [J]. Applied surface science， 2018， 428： 861?869.

[8] ZHANG Y， LI X， ZHANG M， et al. IrO2 nanoparticles highly dispersed on nitrogen?doped carbon nanotubes as an efficient catalyst for high?performance Li?O2 batteries [J]. Ceramics international， 2017， 43（16）： 14082?14089.

[9] 雷一鋒，蔣玉思.鈦基二氧化銥涂層電極的節(jié)能分析[J].中國冶金，2016，26（6）：61?64.

LEI Yifeng， JIANG Yusi. Analysis on electric energy saving of IrO2 coated titanium electrodes [J]. China metallurgy， 2016， 26（6）： 61?64.

[10] 吳克躍，吳興舉.氮?dú)鈮簭?qiáng)對PLD制備ZnO薄膜形貌及光電性能的影響[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2015，44（1）：190?194.

WU Keyue， WU Xingju. Effect of nitrogen pressure on the morphology and photoelectric properties of ZnO films prepared by PLD [J]. Journal of synthetic crystals， 2015， 44（1）： 190?194.