Пленки А20, полученные магнетронным распылением

Прозрачные и проводящие алюминиевые, легированные пленки оксида цинка были подготовлены методом ЯБ реактивного магнетронного распыления при различных температурах подложки [143]. Было установлено, что все пленки были ровными и гладкими с осью с предпочтительной ориентацией перпендикулярно к основанию. Самые низкие сопротивления, полученные в этом исследовании, были 4,16* 10-4 Ом см для пленок на подложке с температурой 250 °С. При расчете длинб свободного пробега электронов примесные ионы считаются доминирующим фактором для снижения теплопроводности.

Вид сверху на комбинаторную систему распыления с тремя высокочастотными магнетронными распылительными устройствами и нагреваемым держателем подложек [143]

Рис. 4.27. Вид сверху на комбинаторную систему распыления с тремя высокочастотными магнетронными распылительными устройствами и нагреваемым держателем подложек [143]

Система распыления, разработанная для получения оксида (рис. 4.30), состоит из трех источников высокочастотного магнетронного распыления и подогреваемого держателя подложки. Центральная пушка производит основной материал (например, 2пО) и две пушки со стороны вводят примеси с пространственным градиентом концентрации в зависимости от положения пушки. Одна из уникальных особенностей системы в том, что нагреватель подложек как устройство может быть удален и пленки могут быть отожжены при мониторинге ключевых параметров, таких как оптическая прозрачность. Это обеспечивает мощный инструмент для выяснения температурно-зависимых фазовых пространств, например, для новых материалов.

Хотя могут быть применены маски, на сегодняшний день использование градиентных концентраций присущей геометрии системы представляется достаточным. Системы 2п0, легированного А1 и X, предложены для /?-типа прозрачных проводников. Это было продемонстровано на 1М-легированных ZnO /7-типа. Допирование перспективно, если возможен интерес для приложений.

Результаты измерений оптического пропускания показывают хорошую прозрачность в видимом диапазоне длин волн для пленок, выращенных на подложке с температурой выше 200 °С.

ТЕМ-планарное изображение и электронная дифракция А20- пленок, нанесенных при различной температуре подложки

Рис. 4.28. ТЕМ-планарное изображение и электронная дифракция А20- пленок, нанесенных при различной температуре подложки: а) окружающей среды; Ъ) 200 °С; с) 300 °С [144]

Среди процессов, используемых для подготовки пленок 2пО:А1, магнетронное распыление считается самым подходящим способом из-за легкости, с которой параметры осаждения можно контролировать. Параметры магнетронного распыления, включающие парциальное давление кислорода, мощности распыления, температуру подложки и т. д., очевидно, могут повлиять на электронные и оптические свойства пленок А20. Были изучены структурные характеристики, электронные и оптические свойства тонких пленок А20 по отношению к кислородному давлению [144]. Торнтон [145] в исследовании тонких пленок распыленного металла пришел к выводу, что микроструктура пленок будет находиться под большим воздействием температуры осаждения. В соответствии с этой точкой зрения Минами [146] установил, что мобильность Холла и проводимость КБ магнетроннораспыленных А20-пленок повышаются с увеличением температуры подложки до 250 °С. Снижение сопротивления для пленок при более высокой температуре подложки было следствием испарения цинка из А20-пленок.

Для анализа влияния температуры субстрата (7Д на морфологию зерен были сделаны туннельная микроскопия ТЕМ (вид сверху) и избирательная микрофотография дифракционной области пленок, показанные на рис. 4.28.

Изображение светлого поля показывает в AZO-пленках поли- нанокристаллическую структуру с размером зерна от 20 до 30 нм, когда подложка не нагревается. При повышении температуры подложки роста размеров зерна и повышения кристалличности не наблюдалось.

Дифракционная картина показывает, что осажденные AZO-пленки обладают гексагональной структурой и допирование А1 не вызывает различимых эффектов дифракции электронов. Хотя Зибер [148] сообщил о наличии вторичной шпинельной фазы ZnAlO на границах зерен, на поперечном сечении ТЕМ не обнаружено иной фазы, кроме ZnO.

Ван-дер-Пау и другие [147] указали, что температура мишени (Тт) ZnO должна быть 1400 К вместо 2 250 К, и, следовательно, модель структуры Торнтона считается действительной для распыления пленок ZnO. Предполагается, что точка плавления AZO похожа на объемный ZnO. Происходит уменьшение AZO пика (0002) пленок при высоких температурах подложки в области перехода структуры Торнтона в зону, где модель столбчатых зерен изменяет свою структуру. Кроме того, небольшое отклонение в пике (0002) от обычного положения было найдено, когда подложки не нагревались, что указывает на некоторые остаточные напряжения внутри пленки.

На рис. 4.29 показана зависимость электрических свойств от температуры подложки для тонких пленок AZO, нанесенных на стеклянные подложки Coming 1737. Минимальное значение сопротивления 4,1610-4 Омсм было получено при температуре подложки 250 °С.

Проводимость обусловлена совокупным вкладом концентрации носителей и подвижности доноров (Холла), но они оказывают противоположное влияние, ведущее к результату, представленному на рис. 4.29. Снижение сопротивления с увеличением температуры подложки в пределах 25-250 °С обусловлено улучшением кристалличности пленки, в то время как сильная сегрегация А1203 на границах зерен в пленках увеличивает сопротивление при температуре выше 250 °С.

Избыток А1, включенного в пленки, не способствует электронной проводимости, но, наоборот, он может выступать в качестве рассеивающих центров, которые вызывают увеличение сопротивления.

Минами [149] показал, что в легированных пленках ZnO с концентрацией носителей 102°-1021 см-3 подвижность в основном преобладает в ионизированно-рассеянной примеси. К подобным выводам пришли и другие исследователи в отношении различных материальных систем Cdln204 и тонких пленок ITO. Но так как механизм рассеяния является очень сложным, мы не можем полностью исключить и другие механизмы.

Снижение проводимости при высоких температурах подложки связано с увеличением хемосорбированного кислорода в результате электронных ловушек. Подобный пик расширения был обнаружен в тонких пленках 8п02 [150].

Сопротивление (р), концентрация носителей (,п) и мобильность (р) для тонких пленок AZO как функции температуры подложки [151]

Рис. 4.29. Сопротивление (р), концентрация носителей (,п) и мобильность (р) для тонких пленок AZO как функции температуры подложки [151]

Оптическое пропускание и отражение тонких пленок AZO определяли на спектрофотометре в пределах длин волн от 350 до 850 нм. Предварительное распыление ионов Аг использовалось для очистки поверхности от физически адсорбционных поверхностных загрязнений в течение 3 мин. Для измерений AZO-пленки, нанесенные на стеклянные подложки, были облучены под перпендикулярным углом падения относительно воздуха. Отражение измерялось при 45° к абсолютному отражению.

На рис. 4.30 показан спектр пропускания пленок, осажденных при различных температурах подложки на стекло Coming 1737. Все пленки с температурой подложки выше 200 °С продемонстрировали прозрачность выше 80 % в диапазоне видимого спектра, но были и пленки с низким коэффициентом пропускания, это пленки, которые наносились на ненагретую подложку. Это может быть связано с малой подвижностью адатомов на пленке с низкой температурой подложки, что приводит к морфологии пленки, состоящей из конических кристаллитов, разделенных пустотами в результате нарушения связи между зернами. При этом было получено плохое пропускание.

Оптический коэффициент поглощения пленок был рассчитан по пропусканию и отражению:

где Т и R- пропускание и отражение пленок; d - толщина пленки.

Оптическая запрещенная зона пленок Eopt может быть определена по коэффициенту поглощения пленок с использованием соотношения для параболических групп:

где hv - энергия фотона; N= 2 для прямого разрешенного перехода и ad является константой.

Энергетическая зона, показанная на рис. 4.31, была получена путем экстраполяции линейной части края поглощения кривой по приведенной выше формуле.

Измерения оптического пропускания пленок, нанесенных при различных температурах подложки [151]

Рис. 4.30. Измерения оптического пропускания пленок, нанесенных при различных температурах подложки [151]

Оптическая запрещенная зона пленок, нанесенных при различных температурах подложки [151]

Рис. 4.31. Оптическая запрещенная зона пленок, нанесенных при различных температурах подложки [151]

А20-пленки, нанесенные при 250 °С, показывают большую оптическую запрещенную зону, соответствующую самым высоким концентрациям носителей. Это связано с эффектом Бурштейн - Мосса, который обуславливает фиолетовое смещение края поглощения вырожденного полупроводника с увеличением концентрации носителей. Оптическая запрещенная зона пленок, осажденных при других условиях, не показала существенных сдвигов на аналогичных уровнях концентрации носителей.

Все тонкие пленки AZO продемонстрировали с-ориентацию, с ровной и гладкой поверхностью с шероховатостью RMS менее 12,08 нм. Самые низкие сопротивления (4,16-10-4 см) и лучшая кристалличность были получены при температуре подложки 250 °С, поскольку пленки в этих ус- ловиях имеют наибольшую концентрацию носителей (1,48-10 см ). Все пленки с температурой подложки выше 200 °С показывают пропускание выше 80 % с оптической запрещенной зоны в пределах от 3,2 до 3,5 эВ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >