Im vorliegenden Beitrag wird die spektroskopische Infrarot- ellipsometrie (IRSE) als neuartige Untersuchungsmethode zur Bestimmung der Eigenschaften freier Ladungsträger in ZnO-Filmen vorgestellt. Im Gegensatz zu elektrischen Hall- effektmessungen haben optische Methoden den Vorteil, dass sie kontakt- und zerstörungsfrei arbeiten. Darüber hinaus erlaubt die spektroskopische Ellipsometrie (SE) den Nachweis von Inhomogenitäten und Anisotropien von Ladungsträgereigenschaften und die Untersuchung von Teilschichten in Heterostrukturen. Die SE bestimmt die Änderung des Polarisationszustands bei Reflexion (oder Transmission) an einer Probe. Über eine Linienformanalyse unter Zuhilfenahme von modell-dielektrischen Funktionen werden die dielektrischen Funktionen und Dicken von Dünnfilmen bestimmt und relevante Parameter quantifi- ziert. Im infraroten Spektralbereich dominieren die Beiträge der Gitterschwingungen (Phononen) und freien Ladungs- träger (Plasmonen).
In Abb. 1asind Spektren des ellipsometrischen Parameters Ψfür Ga-dotierte ZnO-Filme mit unterschiedlichen Ladungs- trägerkonzentrationen auf Saphir gezeigt. Beiträge der Phononen der ZnO-Filme und des Saphirsubstrates sind erkennbar, zum Beispiel bei ω~600 cm-1beziehungsweise 500 cm-1und 650 cm-1. Mit zunehmenden Ladungsträ- gerdichten werden diese Strukturen abgeschirmt und
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M. Schubert H. v. Wenckstern M. Lorenz M. Grundmann Universität Leipzig
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Optische Bestimmung der
Eigenschaften freier Ladungs-
träger in ZnO-Dünnfilmen
mittels spektroskopischer
Infrarotellipsometrie
schwächer. Der Vergleich der Ladungsträgerdichten aus der IRSE-Analyse mit Halleffekt-Ergebnissen ergab eine sehr gute quantitative Übereinstimmung (Abb. 1b). Die opti- schen Beweglichkeiten aus der IRSE-Analyse und die Hall- Beweglichkeiten stimmten qualitativ überein. Quantitative Unterschiede haben Ihre Ursachen in unterschiedlichen Streumechanismen, die in den beiden Experimenten domi- nieren. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die optischen Beweglichkeiten anisotrop sind. Die optische Beweglichkeit senkrecht zur [0001]-Richtung ist hier stets größer als die
optische Beweglichkeit in der [0001]-Richtung. 35
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Abbildung 1a Abbildung 1b
n = 3.9*10+19cm-3
ZnO:Ga/Saphir
ZnO:Ga
(0.1% Ga2O3im Target)
ZnO:Ga
(0.5 % Ga2O3im Target) 400 600 800 1000 1200 1400
1E-4 1E-3 0.01 0.1 1E-19
1E-18
1E-19
1E-18 60
45 30 15 0
ω [cm-1]
p(O2) [mbar]
n [cm-3]n [cm-3]
Ψ[°]
n = 6.3*10+18cm-3
n = 1.8*10+18cm-3
n = 8.3*10+17cm-3
Gemessene (gestrichelt) und modellierte (durchgezogen) IRSE-Spektren von Ga- dotierten ZnO-Filmen mit unterschiedli- chen Ladungsträgerdichten
Ladungsträgerdichten bestimmt mit IRSE (Dreiecke) und Halleffekt (Kreise) in Abhän- gigkeit vom Sauerstoffpartialdruck während der Abscheidung für Ga-dotierte ZnO-Filme
In Abb. 2sind die Ellipsometriespektren eines Cu-dotierten ZnO-Films auf Saphir gezeigt. Die IRSE-Analyse unter An- nahme einer homogenen Schicht konnte nicht gleichzeitig die Beiträge der Phononen bei ω~600 cm-1und der Plas- monen zwischen ω~700 cm-1und ω~900 cm-1anpassen (Abb. 2a). Die Ursache dafür ist eine inhomogene Verteilung der Ladungsträger. Unter Annahme von zwei Teilschichten mit unterschiedlichen Ladungsträgerbeiträgen (Teilschicht
#1: n = 8 x 1018cm-3, µopt = 20 cm2/Vs; Teilschicht #2:
Ladungsträgerdichte unterhalb des IRSE-Detektionsvermö- gens von n~1-5 x 1017cm-3) ließen sich die experimentellen Daten anpassen (Abb. 2b). Alle hier untersuchten ZnO-Filme wurden mit PLD auf Saphirsubstraten abgeschieden.
Literatur
[1] M. Schubert, Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures (Springer, Berlin, 2004).
[2] N. Ashkenov et al., J. Appl. Phys. 93, 126 (2003).
[3] C. Bundesmann, Dissertation (Universität Leipzig), eingereicht 2005.
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Abbildung 2a, 2b Gemessene (gestrichelt) und modellierte (durch- gezogen) IRSE-Spektren eines Cu-dotierten ZnO- Films. Die modellierten Daten wurden unter Annahme einer einzel- nen, homogenen Schicht (a) beziehungsweise zwei Teilschichten #1 und #2 mit unterschied- lichen Ladungträgerbei- trägen (b) erhalten.
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ZnO:Cu#2 ZnO:Cu
ZnO:Cu#1 α-Al2O3 α-Al2O3
2a) 2b)
400 600 800 1000 1200 60
45
30
15
60
45
30
15
ω [cm-1]
400 600 800 1000 1200 ω [cm-1]
Ψ[°]
Ψ[°]
