CC BY
174
УДК 621.373.8.002
EX. Замбург, А.В. Михайличенко, В.В. Пташник
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЁНОК ZnO И VOX, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ*
Исследовано нанесение пленок оксидов ванадия и цинка в модуле импульсного лазерного осаждения (ИЛО) многофункционального сверхвысоковакуумного комплекса НАНОФАБ НТК-9. Изучалось влияние температуры подложки на электрофизические параметры пленок оксидов ванадия и цинка. Исследования морфологии поверхности пленок ZnO и VOx в себя: исследование шероховатости поверхности, объема зерен, перепада высот. Для пленок ZnO получены температурные зависимости концентрации и подвижности , . VOx
зависимости удельного сопротивления и ТКС. Также показана возможность получения VOx .
VOx -
противлением и ТКС.
Нанотехнологии; импульсное лазерное осаждение; оксид цинка; оксид ванадия.
E.G. Zamburg, A.V. Mikhaylichenko, V.V. Ptashnik ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF ZnO AND VOX FILMS PRODUCED BY PULSED LASER DEPOSITION
Deposition of Vanadium and Zinc oxides films at Pulse Laser Deposition (PLD) module on UHV multipurpose nanotechnological complex of NANOFAB NTF-9 was researched. The fluency of substrate temperature on electrophysical properties of Vanadium and Zinc oxides was researched. ZnO and VOx surface morphology researching consists of: surface roughness researching, grains volume, Zmax-Zmin. Temperature dependence of concentration, mobility and resistivity was given for ZnO thin films. Temperature dependence of resistivity and temperature coefficient of resistance was given for VOx thin films. Also shown the possibility of making VOx thin films with constant grain volume in the large temperature region. It is possibly to produce VOx thin film with given resistivity and temperature coefficient of resistance values by changing substrate temperature.
Nanotechnologies; pulse laser deposition; zinc oxide; vanadium oxide.
Одним из наиболее перспективных методов получения наноструктурирован-ных пленок оксидов является метод импульсного лазерного осаждения (ИЛО), реализованный в одном из модулей сверхвысоковакуумного многофункционального нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 [1]. В ходе ИЛО происходит распыление мишени в вакууме импульсами лазера и осаждение материала мишени на подложку. Достоинствами этого метода является простота реализации, высокая скорость напыления, одинаково хорошее испарение всех химических элементов, содержащихся в мишени [2]. При испарении мишеней при определенных условиях можно получить пленку необходимого стехиометрического состава [2].
Важными технологическими параметрами являются: расстояние от мишени , ,
* Работа выполнена при поддержке государственным контрактом № 14.740.11.0520 от 1 октября 2010 г., заключенным в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
поверхности мишени, температура подложки. При распространении факела от мишени в сторону подложки происходит резкое уменьшение температуры факела. Это позволяет компонентам факела взаимодействовать с атомами рабочего газа и образовывать с ним соединения на поверхности подложки, где температура подложки может оказывать влияние на эти процессы.
Оксид цинка благодаря интересному сочетанию физических и химических свойств (высокой температуры плавления и теплопроводности, фоточувствительности, пьезо- и пироэффекта, адсорбции газов на поверхности) применяется для создания светоизлучающих диодов, лазеров ультрафиолетовой области спек, , , , -, акусто-, микро-, наноэлектроники, спинтроники и нанос истемной техники [3].
Зависимость электрофизических параметров оксида цинка от условий получения и различных внешних факторов, в частности, адсорбционно-десорбционных ,
пленок. В частности, удельная электропроводность пленок оксида цинка может изменяться в достаточно широких пределах, что связано с нестехиометричностью соединения и вариацией содержания примесей в пленке [4-6]. Избыток цинка в кристаллической решетке обусловливает наличие собственных дефектов типа междоузельных атомов цинка или вакансий кислорода, которые являются донорами, способными к двойной ионизации, а их концентрация определяет величину электропроводности оксида цинка [7].
Оксид ванадия вызывает интерес благодаря наличию фазового перехода при нагреве, изменяющего его электрофизические параметры. На основе этого свойства оксид ванадия используется для создания неохлаждаемых болометрических фотоприемников ИК-диапазона [4].
, - , образовывать несколько оксидов, которые сложны в изготовлении как в объемном, так и в пленочном исполнении. У некоторых оксидов ванадия, среди которых наиболее хорошо изучены V2O3 и VO2, обнаружена температурно-индуцированная
, -вым переходом из полупроводящего (низкотемпературная фаза) в металлическое (высокотемпературная фаза) состояние [8], что приводит к значительным измене. VO2
место в интервале температур 50-70 °С, при этом изменения удельного сопротивления и оптических свойств сильно зависят от условий изготовления, образующейся кристаллической структуры и стехиометрии [9].
Экспериментальные исследования проводились с использованием модуля импульсного лазерного осаждения нанотехнологического комплекса НАНОБАБ НТК-9 (ЗАО “Нанотехнология - МДТ”, Россия), для исследований морфологии поверхности пленок использовались Зондовая нанолаборатория NTEGRA Vita (ЗАО “Нанотехнология - МДТ”, Россия) и растровый электронный микроскоп с ионной колонной Nova Nanolab 600 (FEI Company, Нидерланды), измерения электрических параметров проводились с помощью системы измерений эффекта Холла HMS-3000 (EcopiaCorp., Корея).
Камера модуля импульсного лазерного осаждения откачивалась с помощью турбомолекулярного насоса до давления 1х10"6 Topp. Осаждение ZnO и V0xnp0B0flwi0Cb на подложки поликора и кремния размером 1х1 см. Для распыления использовались мишени оксида цинка (ZnO) чистотой 99,99 % и оксида ванадия (V2O5) чистотой 99,999 % фирмы SCI Engineered Materials. Плотность
энергии лазерного излучения на поверхности мишеней составляла 2 Дж/см2, длина волны лазерного излучения 248 нм, длительность импульса 20 не. Количество импульсов при напылении плёнок ZnO составило 50000, VOx - 35000, частота следования импульсов 10 Гц. Расстояние “мишень-подаожка” составляло 115 мм. Пленки осаждались в атмосфере O2 при давлении 1х10-3 Topp для ZnO, 3х10-2 Topp для VOx. Температура подложки изменялась от 25 0С до 650 0С.
На рис. 1 представлены результаты АСМ-исследований морфологии поверхности, которые показывают поликристаллическую структуру пленок ZnO и VOx. Зависимости основных морфологических параметров пленок от температуры подложки при ИЛО представлены на рис. 2, 3.
В зависимости от температуры осаждения происходили следующие изменения морфологии пленок оксидов: шероховатость пленок ZnO изменялась от 0,7 нм до 1,6 нм, перепад высот от 7,8 нм до 12,6 нм; у пленок VOx происходило увеличение шероховатости на кремнии с 1 нм до 10 нм, на поликоре шероховатость прак-. VOx
на кремниевых подложках, на подложках из поликора объем зерен оставался не.
nm 8 &
2 О
пт 100
80
60
40
20 0
б
Рис. 1. АСМ-шображенш морфологии пленок: а - ZnO; б - VOx на подложке из поликора
%
а
100
1Е-7-: ---- КреМНИЙ
--- Поликор
1Е-8Н-----1-1---1-1---'-1----1-1---'-1----1-1-----1-1
0 100 200 300 400 600 600 700
т (О)
б
Рис. 2. Зависимость шероховатости поверхности (а) и объема зерен (б) пленок VOx от температуры подложки при ИЛО
Результаты исследований электрических параметров пленок ZnO и VOx представлены на рис. 4, 5.
Анализ показывает, что при возрастании температуры подложки при ИЛО уменьшается концентрация носителей заряда и увеличивается подвижность носителей и удельное сопротивление пленки ZnO. Это может быть объяснено уменьшением концентрации собственных дефектов в кристаллической структуре пленки ZnO, .
В пленках VOxnpn повышении температуры формирования наблюдается уменьшение удельного сопротивления с 106 до 10 Ом хм и ТКС с 0,45 до 0,20 %/К. Это объясняется влиянием температуры подложки на процессы взаимодействия компонентов факела с рабочим газом на поверхности подложки и, следовательно, образованием оксидов ванадия с различным содержанием кислорода.
Температура (°С) б
Рис. 3. Зависимость шероховатости {а) и перепада высот (б) поверхности пленок ZnO от температуры подложки при ИЛО
Таким образом, при формировании тонких пленок УОх методом ИЛО получаются образцы с поликристаллической структурой, с увеличивающейся шероховатостью при увеличении температуры подложки. При использовании подложек из поликора возможно получение пленок с постоянным объемом зерен в широком . -вать пленки с заданными удельным сопротивлением и ТКС. В свою очередь, при осаждении 7пО на стеклянные подложки возможно получать пленки с низкой шероховатостью и низким удельным сопротивлением в широком диапазоне темпера.
прозрачных проводящих покрытий для систем оптоэлектроники, изготовления сенсорных элементов МЭМС, фотоэлектрических преобразователей, гетерострук-турных солнечных элементов.
а
28
26
12 ______I______«_____I_____«_____I ■ I_______________I_____I—
100 200 300 400 500
Температура (*С)
Температура { В
Рис. 4. Зависимости концентрации (а), подвижности (б) носителей заряда и удельного сопротивления (в) пленок ZnO от температуры подложки при ИЛО
б
Рис. 5.Зависимость удельного сопротивления (а), ТКС (б)тенок УОхот температуры подлодки при НЛО
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Коно тев Б.Г., Агеев (ХА. Элионные зондовые нанотехно логин для микро и наносистем-ной техники // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 12 (89). - C. 165-175.
2. Акопьян В. Сверхпроводимость: методы получения высокотемпературных сверхпроводников / Паринов И., Chang S. // Наука техника. - 2010. - № 2 (200).
3. Лотин А А., Новодворский О А., Хайдуков ЕВ., Рочева В. В., Храмова ОД., Панченко В.Я., Ветцель К., Трумпажка Н., Щербачев КД. Эпитаксиальный рост и свойства пленок MgxZn1-xO, получаемых методом лазерно-плюменного осаждения // Физика и техника полупроводников. - 2010. - Вып. 2. - Т. 44.- С. 260.
4. Рогальский А. ИК детекторы: Пер. с английского / Под ред. А.В. Войцеховского.
- Новосибирск: Наука, 2003.
5. Тутов ЕА., Тума ФА., Кукуев В.Н. Механизмы токопереноса в структуре Al/ZnO/Si. Конденсированные среды и межфазные границы. - 2006. - № 4 (8). - С. 334.
6. Агеев O.A., Замбург ET. Выращивание наноструктурированных пленок оксида цинка в модуле импульсного лазерного осаждения нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (тезисы) // Сборник тезисов докладов Всероссийской молодежной школы-семинара «Нанотехнологии и инновации - 2009». - C. 20.
7. Аге ев O.A., Замбург ET., Михайличенко A.B., Пташник В.В. Исследование влияния режимов импульсного лазерного осаждения на электрофизические свойства пленок ZnO ( ) // - -дежной школы-семинара «Нанотехнологии - 2010». - Ч. 2. - С. 31.
8. Киффер Р., Браун X. Ванадий, ниобий, тантал: Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1968.
- 312 .
9. Зеров В.Ю. Пленки VOx с улучшенными болометрическими характеристиками для
- / . . , . . , . . . // -зики. - 2001. - Вып. 9. - Т. 27. - С. 57-63.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор A.C. Кужаров.
Замбург Евгений Геннадьевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: zamburg@gmail.com.
347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2.
Тел.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Михайличенко Александр Валерьевич E-mail: alexandrVM@bk.ru.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Пташник Виталий Витальевич
E-mail: angellite2006@gmail.com.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Zamburg Evgeniy Genad’evich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: zamburg@gmail.com.
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
Mikhaylichenko Alexandr Valer’evich
E-mail: alexandrVM@bk.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
Ptashnik Vitaliy Vital’evich
E-mail: angellite2006@gmail.com.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
УДК 621.373.8.002
В.Н. Джуплин, А.В. Михайличенко, Д.И. Чередниченко
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗООБРАЗОВАИИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПЛЕНОК ОКСИДА ВАНАДИЯ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО
ОСАЖДЕНИЯ
Исследовано нанесение пленок оксидов ванадия методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Проведен сравнительный анализ морфологии поверхности и удельного сопротивления пленок оксида ванадия, полученных методом ИЛО и окислением чистого ванадия в атмосфере кислорода. Установлено, что при температуре абляции оксиды вана-
