اندازه گیری خواص الکتریکی لایه های نازک

لایه های نازک کاربردهای بیشماری دارند، لایه های سخت و ضد سایش نظیر TiN به دلیل خواص مکانیکی خوبی که دارند مورد استفاده قرار می گیرند، لایه های ضد بازتاب MgF2، لایه های فلزی بازتابنده نور، فیلتر های نوری تداخلی و لایه های cermet جاذب نور خورشید به دلیل خواص اپتیکی مورد توجه هستند، لایه هایی مثل Cr یا حتی گرافن برای ممانعت از اکسید شدن سطح کاربرد هایی پیدا کرده اند، و البته شاید بزرگ ترین کاربرد لایه های نازک استفاده آنها در افزاره های الکترونیکی و اپتو الکترونیکی است. نمایشگر های LCD و LED از شیشه هایی استفاده می کنند حاوی لایه ای از ماده اکسیدی شفاف رسانا (ITO) که به عنوان الکترود روبرو استفاده می شود. در دیود های نورتاب (LED)، چند لایه ای هایی از مواد نیم رسانا نظیر InGaN وظیفه تبدیل انرژی الکترون ها به فوتون را به عهده دارند. در سلول های خورشیدی لایه های نیم رسانا نظیر CIGS یا مواد پروسکایتی جدید CH3NH3PbI3 نور را جذب می کنند و باعث انباشتگی الکترون ها و حفره ها در دو تراز انرژی متفاوت می شوند و این باعث تولید ولتاژ می شود. در پوشش های ضد الکترواستاتیک لایه های خیلی نازکی از مواد نیم رسانا باعث تخلیه بارهای روی سطح می شوند.

در پژوهش های دانشگاهی و صنعتی در حوزه لایه های نازک، آنالیز های متداول لایه ها شامل مورفولوژی (SEM)، فازهای کریستالی (XRD/Raman) یا خواص نوری (UV-Vis-FTIR) است. آنچه اغلب فراموش می شود (به خصوص در کشور ما) اندازه گیری خواص الکتریکی لایه هاست. منظور از خواص الکتریکی، مقاومت سطحی (Sheet Resistance) یا مقاومت ویژه، n یا p بودن نیم رسانا، چگالی حامل ها (الکترون ها یا حفره های آزاد) و موبیلیته حامل هاست. این ویژگی ها به طور مستقیم روشن می کنند که لایه ساخته شده در آزمایشگاه برای کاربرد مورد نظر، مثلا سلول خورشیدی یا LED یا لایه شفاف رسانا مناسب است یا نه. اغلب این اندازه گیری ها به طور هم زمان در یک چیدمان اثر هال اندازه گیری می شود. از چهار راس یک نمونه کوچک مربعی چهار اتصال گرفته می شود (Van der Pauw setup) و با عبور جریان از دو اتصال و اندازه گیری ولتاژ دو اتصال دیگر پارامترها محاسبه می شوند. اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد، صرفا می توان مقاومت سطحی را اندازه گرفت (۴- Point Probe). بیشتر اطلاعات زمانی بدست می آید که میدان مغناطیسی هم حضور داشته باشد.

hall

در حضور میدان مغناطیسی از مرتبه چند دهم تسلا، حامل های اکثریت در لایه نیم رسانا در حین عبور جریان منحرف می شوند و تولید ولتاژ بسیار ضعیفی به نام ولتاژ هال می کنند. مقدار و علامت این ولتاژ تعیین کننده بسیاری از پارامترهای الکتریکی ماده است. اندازه گیری ولتاژ هال نیاز مند تکنیک های الکترونیکی خاصی است تا بتوان سیگنال را از نویز و بایاس های مزاحم جدا کرد. اندازه گیری اثر هال برای لایه های با مقاومت کم (فلزها، اکسیدهای شفاف، مواد نیمه رسانا با دوپینگ بالا، نیمه رساناهای دمای بالا، نیمه رساناهای مغناطیسی رقیق) ساده تر است. برای این مواد می توان از یک چیدمان DC استفاده کرد که میدان مغناطیسی ثابتی به ماده اعمال می شود. اغلب دستگاه های اندازه گیری هال DC هستند.

اشکال اندازه گیری DC مشکلات نویز و offset است. ولتاژ هال با میدان مغناطیسی(B) ، جریان (I) و ضریب هال (RH) متناسب است و بطور معکوس به ضخامت وابسته (t) است. اگر اتصال ها کاملا متقارن باشند، ولتاژ هال اندازه گیری شده با خاموش کردن میدان مغناطیسی صفر می شود. ولی در عمل، ولتاژ اندازه گیری شده (Vm) شامل یک اختلاف ولتاژ (V0, misalignment voltage) و یک ولتاژ ترموالکتریکی(VTE, thermal electric voltage) می باشد. حذف این اثرات مزاحم در چیدمان DC مشکل است. محدودیت دستگاه های DC اخیرا خود را خیلی بیشتر نشان داده است: گستره وسیعی از مواد نیم رسانای جدید معرفی شده اند که مقاومت خیلی زیادی دارند و عملا با روش DC نمی توان آنها را بررسی کرد.

این مواد جدید شامل مواد نیم رسانای آلی (پلیمر ها یا مولکول های کوچک)، نانوساختار ها یا میکروساختارها، لایه های اکسیدی رسانای حفره یا الکترون (مثلا TiO2 یا NiO)، مواد پروسکایتی جدید (مثلا CH3NH3PbI3)، سیلیکون آمورف و میکرو کریستالی، CIGS، GaAs و بسیاری دیگر از نیم رساناهایی است که اخیرا در کاربردهای مختلف به خصوص سلول های خورشیدی استفاده می شوند. برای این مواد نه تنها ولتاژ offset قابل ملاحظه است، بلکه نویز های مربوط به مقاومت زیاد لایه و نویز اتصالات غیر اهمی هم مهم است.

در فناوری AC (که شریف سولار نیز در دستگاه خود بکار برده است HSR-24AC) تغییرات میدان مغناطیسی این امکان را ایجاد می کند که بتوان سیگنالی که صرفا ناشی از میدان مغناطیسی است (ولتاژ هال) را از میان مجموعه ای از ولتاژ های offset، نویز و ترموالکتریک استخراج و اندازه گیری کرد. آنچه به اجمال صورت می گیرد تکنیک های Lock-in است که با دانستن فرکانس و فاز تغییرات میدان مغناطیسی فیلتر هایی ایجاد می شود که عوامل غیر مرتبط با میدان را حذف کند. روش AC البته در طراحی دارای چالش های زیادی است. یکی از این چالش ها القاء مغناطیسی و جریان های ادی (Eddy current) است که به دلیل میدان مغناطیسی متغیر ممکن است ایجاد شوند. جریان های ادی، نویز قابل ملاحظه ای ایجاد می کنند. به علاوه تغییر میدان های مغناطیسی از مرتبه چند دهم تسلا ساده نیست. کویل های مغناطیسی به شدت در مقابل تغییر در جریان مقاومت می کنند. این مشکلات به هر صورت قابل حل هستند و با حل آنها امکان اندازه گیری خواص الکتریکی مواد نیم رسانای جدید که غالب پژوهش های جاری آزمایشگاه های تحقیقاتی را شامل می شود ممکن می کند.