CC BY
39
УДК 620.193:539.216.2:546.47-31
ПРОЗРАЧНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ НА ОСНОВЕ ZnO: ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА, УСЛОВИЙ СИНТЕЗА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ
А.Ш. Асваров, А.Х. Абдусв, А. К. Ахмедов
Представлены результаты сравнительных исследований характеристик прозрачных проводящих слоев на основе ZnO, легированного галлием, (GZO) и алюминием (AZO), полученных методом dc магнетронного распыления, керамических мишеней при различных темпера,тура,х подложки (Гsub)- Особое внимание было уделено изучению стабильности электрических характеристик слоев при воздействии тем,пера,туры и влажности.
Ключевые слова: оксид цинка, легирование, магнетронное распыление, тонкие пленки. стабильность.
С повышением Tsub наблюдалось улучшение кристаллической структуры слоев AZO и GZO, сопровождаемое уменьшением удельного сопротивления (р) и увеличением оптического пропускания (T%). При Tsub > 250 °С слои имели р < 4 х 10_4П-см и T% > 90%. Показано, что в слоях AZO кислородные вакансии играют важную роль в электропроводности как для низких, так и для высоких температур синтеза слоев, тогда как в случае слоев GZO с повышением температуры синтеза наблюдается значительное улучшение стабильности удельного сопротивления.
Одной из причин значительной активизации работ в области прикладных исследований тонких пленок на основе оксида цинка является поиск альтернативы дорогостоящим прозрачным электродам на основе ¡пгОз-БпОг (ITO). Высокая электрическая проводимость, оптическая прозрачность в широком диапазоне и устойчивость к воздействию водородной плазмы слоев ZnO. легированных элементами третьей группы (В. Al. Ga. In), делают их перспективными для использования в качестве прозрачных электродов в различных оптоэлектронньтх устройствах.
Институт физики им. Х.И. Амирханова Дагестанского научного центра РАН; ул. Ярагского, 94, Махачкала, 367003, Россия; e-mail: [email protected]
Среди многочисленных методов синтеза, метод магнетронного распыления керамических митттеней является наиболее предпочтительным способом формирования прозрачных электродов на основе ZnO. что обусловлено высокой производительностью данного метода и коммерческой целесообразностью использования уже имеющегося у производителей типового оборудования. Однако недостатками слоев ZnO. синтезированных магнетронньтм распылением, являются структурное несовершенство слоев и их низкая термостабильность и слабая химстойкость.
В настоящей работе представлены результаты исследования характеристик слоев на основе ZnO. легированного галлием (GZO) и алюминием (AZO). полученных методом dc магнетронного распыления керамических митттеней при различных температурах подложки (Tsub). Для синтеза слоев GZO использовались керамические мишени GZO с содержанием Ga от 2 до 6 ат.%;, изготовленные по разработанной авторами технологии ill. В качестве объекта сравнения был выбран материал AZO (уровень легирования 3 ат.%;). как наиболее исследованный на сегодняшний день материал для прозрачных электродов на основе ZnO (например. [2. 3]). Особое внимание было уделено изучению стабильности электрических характеристик слоев к воздействию температуры и влажности.
Исследование зависимости электрических характеристик слоев GZO от Tsub и содержания галлия показали, что с увеличением Tsub наблюдается как уменьшение удельного сопротивления, так и то. что минимум удельного сопротивления достигается при меньших концентрациях галлия (для Tsub < 150 °С при 6 at.% Ga, а для Tsub > 250 °С при 3 ат.% Ga). Принимая во внимание соотношение "цена/качество" (дороговизна Ga и высокое удельное сопротивление (р > 10_3П-см) слоев GZO при низких значениях Tsub для любого уровня легирования), дальнейшие исследования были проведены для слоев GZO с содержанием галлия < 3 ат.%.
Сравнение слоев GZO и AZO, синтезированных при идентичных условиях распыления митттеней с одинаковым содержанием примеси (3 ат.%). не выявило существенных различий в их структурных, электрических и оптических свойствах. Для обоих видов слоев с преимущественной ориентацией (OOOl)ZnO с увеличением Tsub наблюдалось улучшение кристаллического совершенства, сопровождаемое уменьшением удельного сопротивления и ростом оптического пропускания (T%) слоев AZO и GZO. При Tsub > 250 °С слои AZO и GZO характеризовались средним размером зерен ~35 нм, р< 4 х 10"4П-см и T% > 90%.
Однако данные исследования стабильности электрического сопротивления слоев толщиной 300 нм (табл. 1). свидетельствуют о том. что в пленках КЪО кислородные вакансии играют важную роль в электропроводности как для низких, так и для высоких Т8иь, тогда как в случае слоев СЪО с повышением Т8иь наблюдается значительное улучшение стабильности удельного сопротивления. Это можно объяснить лучшей эффективностью встраивания атомов ва в узлы решетки 2пО за счет меньшей электроотрицательности (1.13), чем у атома А1 (1.18), и более близкого атомного радиуса ва к атомному радиусу Ъ\\.
Таблица 1
Относительное изменение электросопротивления пленок, (Др/р0) х 100%
Тип воздействия Тип пленки/температура подложки
AZO/ 50 °С AZO/ 250 °С GZO/ 50 °С GZO/ 250 °С
Отжиг на воздухе (Т0тж = 250 °С, ¿отж = 1 час) 60.1% 8.5% 62.5% 5.5%
Отжиг в вакууме (Т0тж = 250 °С, = 1 час) 15.2% 11.1% 14.8% 0%
Отжиг на воздухе (Т0тж = 350 °С, = 1 час) > 104% 1844% 826% 123%
Быстрый отжиг на воздухе (ТМах = 360 °С, ^отж = )* 550% 150% 610% 29.7%
Относительная влажность 85%, Т = 85 °С, Ь = 1000 часов 242%; 11.9% 35.2% 4.9%
* Нагрев со скоростью 10 °С/мин до температуры 360 °С.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (Госконтракт X 02.552.11.7071) и РФФИ (Грант X 07-08-00321).
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. X. Абдуев, А. К. Ахмедов, А. Ш. Асваров, И. К. Камилов. Патент РФ X RU 2280015 от 20.02.2004, заявка РСТ X PCT/RU2006/000433 от 16.08.2005; A.Ivh. Abduev, А.К. Akhmedov, A.Sh. Asvarov, and I.К. Kamilov. US Patent Application US0283802A1 (2008 г.).
[2] М. Chen, Z.L. Pei, X. Wang, et al., J. Vac. Sei. Teclmol. A 19(3), 963 (2001).
[3] S.H. Park, S.E. Park, and J.C. Lee, J. Korean Phys. Soc. 54(3), 1344 (2009).
По материалам 3 Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 20 ноября 2009 г.
