Resistividad eléctrica y Efecto Hall en películas delgadas de ZnO depositadas por evaporación reactiva

Hall effect and electrical resistivity of ZnO thin films deposited by reactive evaporation

La investigación del presente trabajo muestra que el parámetro de mayor influencia sobre la figura de mérito de películas delgadas de ZnO depositadas por el método de evaporación reactiva, es el contenido de oxigeno en la cámara de preparación. Se establece que la mejor figura de mérito está definida en términos de resistividad y de transmitancia espectral, con contenido de oxígeno correspondiente a una presión parcial de 0.3 mbar. La muestras presentan simultáneamente alta transmisión (>80%) y conductividad (>10³W^-1cm^-1) adecuadas para ser usadas como contacto eléctrico transparente en celdas solares. El especial énfasis esta dedicado a la determinación de la resistividad eléctrica y concentración de portadores de carga a través del método de van der Pauw.

INTRODUCCIÓN

El óxido de zinc (ZnO) es un material semiconductor tipo n que presenta muy buenas propiedades ópticas, eléctricas y piezoeléctricas; éstas hacen que este material sea utilizado en la fabricación de múltiples dispositivos electrónicos, optoelectrónicos, mecánicos y fotovoltaicos [1,2]. Pertenece a grupo II-IV con estructura tipo wurzite y puede depositarse en forma de película delgada por diferentes técnicas [3,4], y como resultado, se presentan ópticamente transparentes en el espectro visible y eléctricamente conductoras.

En este trabajo se hace énfasis en la utilización de este material depositado por el método de evaporación reactiva (en atmósfera de oxígeno) como contacto eléctrico transparente de celdas solares, ya que depositado en forma de película delgada presenta alta transmitancia (80% - 90%) y altas conductividades eléctricas (mayores de 103 (cm)^-1). El uso del ZnO como contacto transparente conduce a un aumento significativo de la fotocorriente generada en la celda solar y por consiguiente en la eficiencia de conversión del dispositivo. En particular se estudia el efecto de la presión parcial de oxígeno sobre las propiedades eléctricas del ZnO a través de medidas de transmitancia espectral, efecto Hall y de la resistividad eléctrica.

EXPERIMENTAL

Las películas delgadas de ZnO fueron depositadas a temperatura ambiente en sustrato  de  vidrio  tipo soda-lime a través de una reacción química entre el Zinc ionizado y el oxigeno: Zn⁺-1e  + O^- + 1e → ZnO. Inicialmente, en la cámara de deposición la presión es de alrededor 1x10^-3 mbar y secuencialmente, se introduce el oxigeno en la cámara hasta presurizarla, en donde es utilizado un control electrónico, permitiendo crecer películas delgadas de ZnO manteniendo el vacío.  El zinc  es suministrado por evaporación, utilizando una celda Knudsen, tal como lo ilustra la Figura 1, la ionización de especies reactantes es obtenida a través de una descarga eléctrica.

Primero, nosotros encontramos condiciones de preparación para el crecimiento de películas de ZnO presentando simultáneamente alta conductividad y alta transmitancia en la región del espectro visible. En la Tabla 1 se encuentran los parámetros de películas de ZnO transparentes y conductoras.

Las medidas de transmitancia se realizaron  usando el Perkin Elmer Spectrophotometer. La concentración de carga y la movilidad Hall son calculadas a través de medidas de coeficiente Hall y conductividad eléctrica usando un equipo basado en Keithley Hall Effect Card model 7065.