Effect of Aluminum (Al: 0, 1, 2 and 3 wt.%) Doping on Electrical Properties of ZnO:Al/p-Si Heterojunction for Optoelectronic Applications

Abstract

У цій статті розглядаються електричні властивості різних типів діодів. Тонкі плівки ZnO чистого та легованого Al різної концентрації (Al: 1, 2 та 3 мас. %) були нанесені золь-гелевим методом на підкладку p-Si для формування гетеропереходів. Цинк ацетат дегідрат, гексагідрат алюмінію хлорид, етанол і етаноламін використовували як вихідний матеріал, домішка, розчинник і стабілізатор відповідно. Процес нанесення покриття зануренням із сушінням повторювали 6 разів для отримання багатошарових плівок. Морфологічні та електричні властивості тонких плівок як функцію концентрації Al були досліджені за допомогою атомно-силової мікроскопії (АСМ) і вимірювань струму-напруги (I-V) при кімнатній температурі. АСМ-зображення показали, що розміри зерен і шорсткість поверхні збільшуються зі збільшенням концентрації Al. ВАХ діодів показали високі та низькі струми при прямому та зворотному зміщенні відповідно. Коефіцієнт ідеальності (n), коефіцієнт випрямлення (RR) і висота бар’єру (BH) коливаються в діапазоні від 1,97 до 8,34, 0,84 до 5958 і 0,80 до 0,86 еВ для різних концентрацій легування Al відповідно. Ці дослідження показали відсутність монотонної поведінки розрахованих параметрів при зміні концентрацій домішок Al. Найкращі електричні характеристики отримано для зразка n-ZnO: 2 % Al/p-Si, з коефіцієнтом ідеальності 1,97 еВ, зворотним струмом насичення 1,69∙10 – 8 А, коефіцієнтом випрямлення 5958 при ± 2 Вт, а висота бар'єру становила 0,85 еВ.

In this paper, the electrical properties different diodes were reported. Pure and Al-doped ZnO thin films of different concentrations (Al: 1, 2 and 3 wt.%) were deposited by sol-gel dip-coating onto p-Si substrate to form heterojunctions. Zinc acetate dehydrate, Hexahydrate aluminum chloride, ethanol and ethanolamine were used as a starting material, doping, solvent and stabilizer, respectively. The dip-coating process with drying was repeated 6 times to obtain multilayer films. The morphological and electrical properties of the thin films as a function of Al concentration have been investigated using atomic force microscopy (AFM) and current-voltage (I-V) measurements at room temperature. AFM images revealed that grain sizes and surface roughness increase with increasing Al concentration. I-V characteristics of the diodes exhibited high and low currents under forward and reverse bias, respectively. The ideality factors (n), rectification ratio (RR) and barrier heights (BH) were found to range from 1.97 to 8.34, 0.84 to 5958 and 0.80 to 0.86 eV for different Al doping concentrations, respectively. These findings showed no monotonic behaviour of the calculated parameters with varying Al doping concentrations. The best electrical characteristic was obtained for the sample n-ZnO: 2 % Al/p-Si, with an ideality factor of 1.97 eV, reversesaturation current of 1.69∙10 – 8 A, rectification ratio of 5958 at ± 2 V, and barrier height of 0.85 eV.