Low-temperature electrical conductivity and optical absorption edge of ZnO films prepared by chemical vapour deposition

Abstract

The optical and electrical properties of c-axis-oriented ZnO films prepared by chemical vapour deposition (CVD) in oxygen atmosphere containing water vapour are investigated. The minimum dc resistivity gives 2.20 Ω cm at a film formation temperature of 550°C. The temperature dependence of electrical conductivity for the films indicates the band conduction obeying Arrhenius plots for temperatures between 170 and 297 K, which involves thermionic and thermal field emissions over grain boundaries in the films. The donor levels, Ed, produced by interstitial Zn atoms are between 0.02 and 0.20 eV. It is found that the variable-range hopping conduction occurs in the films at temperatures lower than about 170 K. The films are transparent in the visible range and have sharp ultraviolet absorption edges at 380 nm wavelength. The optical band gap energy of the films lies in a range of 3.19 to 3.23 eV. From the analysis of the Urbach tail at the absorption edge the width of the tail of localized states Ee = 0.09 to 0.10 eV is obtained. It is concluded that the localized levels are situated in a range Ee extending from near the edge of the conduction band into the band gap. Les propriété optiques et électriques des couches ZnO orientées à axe c et préparées par CVD dans l'atmosphère oxygène contenant la vapeur d'eau sont étudiées. La résistivité à c.c. minimale de 2.20 Ω cm est donnée pour une température de 550°C de la formation de couche. La dépendence de température de la conductivité électrique des couches indique la conduction due à bande qui obéi aux traces Arrhenius de 170 à 290 K de température, et qui implique les émissions thermoionique et au champ thermique à travers des frontières de borne. Les niveaux de donneur, Ed, produit par les atomes Zn interstitiels sont entre 0.02 et 0.20 eV. Il see trouve que la conduction due à “variable-range hopping” a lieu dans les couches aux températures inférieures à 170 K. Les couches sont transparentes dans le domaine visible et ont les bords tranchants d'absorption ultraviolette à une longeure d'onde 380 nm. L'interstice de bande optique d'énergie des couches a une portée de 3.19 à 3.23 eV. A partir de l'analyse du bout d'Urbach au bord d'absorption, on obtient une largeur du bout pour les états localisés Ee = 0.09 à 0.10 eV. On conclut que les niveaux localisés se situent dans l'étendue de ceux-ci due à la bande aux impuretés à tout au-dessous du bord de la bande à conduction.