CC BY
12УДК 544.03
Влияние толщины и числа слоев на оптические и электрофизические свойства периодической структуры на основе Си^пО:Са
Д.Г.Громов, А.С.Шулятьев, Е.Н.Редичев, А.Т.Берестов Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Исследованы оптические и электрофизические свойства многослойных периодических структур на основе Си/2пО^а с различным количеством периодов N в зависимости от толщины слоев металла и оксида. Установлено, что интегральный коэффициент пропускания структуры (Си^п0^а)^ с толщиной каждого слоя Си, равной 9 нм с увеличением числа периодов затухает медленнее, чем аналогичная структура с толщиной каждого слоя металла, равной 5 нм. При этом периодические структуры (Си/2пО^а)^ с п = 2-5 обладают достаточно низким поверхностным сопротивлением (~ 5-2 Ом/П).
Ключевые слова: периодические многослойные структуры, прозрачность, удельное сопротивление, дифракция.
Проводящие покрытия, прозрачные в видимой области спектра, используются в конструкциях солнечных элементов и плоских дисплеев. Прозрачные электроды в оп-тоэлектронных устройствах должны иметь высокую прозрачность, низкое удельное сопротивление, высокую отражательную способность в инфракрасной области и поглощать свет в микроволновой области [1]. Традиционно для этих целей используется проводящий оксид индия с добавкой оксида олова 1п203^п (ITO), который имеет коэффициент пропускания порядка 80% в широком спектральном диапазоне. Однако в связи с высоким спросом в электронной промышленности и трудностями увеличения производства ГТ0 дорожает и, вероятно, станет дефицитным.
Перспективным материалом для замены 1ТО является прозрачный широкозонный полупроводник - оксид цинка 2п0. Легирование 2п0 галлием делает его хорошо проводящим электрический ток. Галлий является донором, и его атомы создают мелкие примесные уровни в оксиде цинка.
По сравнению с ГГО 2п0 имеет более высокую прозрачность, нетоксичную природу, сырье для его производства более распространено [2], но его удельное сопротивление заметно больше.
Данную проблему можно решить, используя многослойные периодические структуры. В работе [3] на примере структуры А§/М§Б2 показано, что в диапазоне длин волн 400-700 нм коэффициент пропускания 20-периодной структуры А§/М§Б2 с суммарной толщиной серебра порядка 200 нм составляет около 30%. В то же время пленка чистого серебра такой же толщины имеет коэффициент пропускания лишь ~ 2% видимого излучения. Однако у такой структуры отсутствует вертикальная электропроводность.
В [4] показано влияние толщин слоев металла и оксида на спектры пропускания и поверхностное сопротивление периодической структуры Си/1п203^п с вертикальной проводимостью. В работах [5-8] описаны структуры 1Т0/А§ЛТ0, ГГО/СиЛТО и ГГ0/А§/ ГТ0/А§ЛТ0, которые имеют высокую прозрачность и электропроводность.
© Д.Г.Громов, А.С.Шулятьев, Е.Н.Редичев, А.Т.Берестов, 2011
В настоящей работе исследованы оптические и электрофизические свойства многослойных периодических структур металл/оксид, в которых в качестве металла выбрана медь, а в качестве оксида - оксид цинка. Достоинство меди - доступность и дешевизна, при этом ее удельное сопротивление составляет 1,7 мкОмсм (у серебра 1,5 мкОмсм).
Многослойные периодичные структуры (Cu/ZnO:Ga)•N, где N - число периодов, формировались на стеклянных подложках в едином вакуумном цикле магнетронным последовательным распылением мишени ^ в среде Ar и мишени ZnO:Ga в среде Ar. Для изучения оптических свойств материалов и структур использовался спектрофотометр «СФ-2000», работающий в диапазоне длин волн от 200 до 1100 нм, и спектральный эллипсометрический комплекс «Эллипс- 1881А». Поверхностное сопротивление исследуемых пленок измерялось четырехзондовым методом на ИУС-4.
Обнаружено, что толщина слоя ZnO оказывает влияние на спектральное положение пика пропускания структуры (Cu/ZnO)•2. Подобный эффект наблюдался и для структуры (Cu/ITO)•2 [4].
На рис.1 представлена зависимость положения пика пропускания 2-периодной структуры (Cu/ZnO)•2 с фиксированной толщиной слоя меди от толщины слоя оксида. Область II на рисунке является участком практически линейной зависимости положения интерференционного пика пропускания от толщины диэлектрика. Изменения в положении пика пропускания в данной области характеризуются условием интерференции [3]:
кп = 1 q -
1
2) 2''
г 950
где q = 1, 2, 3,...; к - толщина пленки, п - показатель преломления.
В области I, которая ограничивается толщинами ZnO менее 100 нм, пик пропускания соответствует постоянной длине волны ~ 600 нм. При этом с уменьшением толщины оксида наблюдается снижение интенсивности пика коэффициента пропускания. Действие многослойных интерференционных фильтров основано на многократных отражениях от границ раздела периодически повторяющихся слоев с различной диэлектрической проницаемостью. Периодичная структура металл/оксид является аналогом такого интерференционного фильтра, для реализации которого необходимо, чтобы
слой металла характеризовался одновременно высокими коэффициентами пропускания и отражения. Однако у меди при длинах волн меньше 620 нм коэффициент отражения начинает резко снижаться, вызывая уменьшение эффекта интерференции. Поэтому оказывается невозможным смещать интерференционный пик в область длин волн меньше 600 нм.
Отметим, что в периодической структуре (^/ГГО)^ пик пропускания начинает смещаться (т.е. начало области II) при толщине оксида ~ 70 нм, в структуре (Cu/ZnO)•2 - при толщине ~ 100 нм. При этом тангенс угла наклона прямой на участке II в обоих случаях одинаковый в пределах погрешности эксперимента, что указывает на близость значений показате-
800
о
ЕЪ С
~ 650
I
ч о
500
о /
I II
/о
250
50 100 150 200
Толщина одинарного слоя Zr\0, нм
Рис.1. Изменение положения интерференционного пика на спектре пропускания в зависимости от толщины слоя оксида 2-периодной структуры (Cu/ZnO)•2
Влияние толщины и числа слоев...
ля преломления 1Т0 и 2п0. Согласно справочным данным в рассматриваемом диапазоне длин волн показатель преломления 1Т0 порядка 1,8, 2п0 порядка 2,0. Исследование методом эллипсометрии наносимых слоев 2п0 показало, что их показатель преломления в диапазоне длин волн 350-1050 нм меняется от 2,0 до 2,3 нм. Таким образом, причина начала сдвига интерференционного пика с большей толщины для 2п0, чем для 1Т0 непонятна. С одной стороны, это может быть связано с ошибкой экспериментальных измерений и последующей аппроксимацией экспериментальных данных, с другой - возможно, это связано с большим вкладом «фэновской» компоненты поглощения света на свободных носителях в 1Т0, чем в 2п0, имеющем более низкий уровень легирования.
Установлено, что положение интерференционного пика для структуры (Си/2п0)-2 оказывается зависимым и от толщины слоя меди, что наблюдалось и для структуры (СиЛТ0)-2 [4].
На рис.2 приведены спектры пропускания структур (Си/2п0^а)-2 с различными толщинами слоев меди. Как видно из рисунка, смещение пика пропускания наблюдается в диапазоне толщин меди 5-9 нм, при увеличении толщины слоя металла происходит «перекачка» пропускающей способности структуры с пика для длины волны ~ 550 нм на пик для длины волны ~ 870 нм. Отметим, что для толщин слоев меди больше 9 нм форма спектра пропускания перестает меняться и происходит снижение прозрачности структуры, обусловленное усилением поглощения слоями меди из-за увеличения их толщины. Таким образом, с точки зрения получения максимально прозрачной структуры толщину металла необходимо оптимизировать, так как при слишком малых толщинах отражательная способность слоя низкая и интерференция отсутствует, а при слишком больших - велико поглощение слоя.
В структуре (Си/2п0)2 максимальное пропускание с использованием эффекта интерференции достигнуто при толщине слоя меди, равной 9 нм. В случае использования ГТ0 оптимальная толщина меди несколько ниже -7,5 нм [4]. Как следствие, по интегральной прозрачности многослойная структура с 2п0 несколько уступает структуре с ГТ0. Очевидно, это различие обусловлено осцилляцией показателей преломления и поглощения в зависимости от толщины тонкой пленки металла, которая приводит к осцилляциям фазового сдвига волны в металле [9].
На рис.3 представлены спектры пропускания медной пленки толщиной 37,5 нм и структуры (Си/2п0^а)-5 с толщиной слоев меди по 9 нм и толщиной слоев 2п0^а по 130 нм. Несмотря на то что в 5 -периодной структуре суммарная толщина металла равна толщине медной пленки, максимальное пропускание у
Рис.2. Спектры пропускания структур (Си/2п0:ва)-2 с различными толщинами слоев меди и толщиной слоев оксида 130 нм
Рис.3. Спектры пропускания структуры (Си/2п0:ва)-5 (толщина слоев меди 9 нм, слоев оксида 130 нм) и слоя чистой меди толщиной 37,5 нм
Рис.4. Зависимость поверхностного удельного сопротивления толщины слоя чистой меди (о) и от суммарной толщины слоев меди для периодической структуры (Сц^пС)^ с толщиной отдельного слоя меди 9 нм и оксида 1300 нм: □ - неотожженная; Д - отожженная
периодической структуры (Cu/ZnO:Ga)•5 составляет 18%, в то время как у меди всего 3%. Однако для структуры (Cu/ITO)•5 с толщиной слоев металла 7,5 нм и толщиной слоя оксида 120 нм максимальное пропускание составляет 45% [4].
Кривые изменения поверхностного сопротивления в зависимости от суммарной толщины металла для чистой меди и периодической структуры (Cu/ZnO:Ga)•# приведены на рис.4. Отметим, что при равенстве суммарной толщины меди поверхностное сопротивление много-периодной структуры практически соответствует поверхностному сопротивлению пленки чистой меди и составляет около 2-5 Ом/П. Отжиг в вакууме при постоянной температуре многопериодной структуры позволяет уменьшить поверхностное сопротивление примерно в 1,5 раза, при этом интегральная прозрачность увеличивается. Таким образом, поверхностное сопротивление структуры (Cu/ZnO:Ga)# заметно (в 2-5 раз) ниже, чем значения, полученные для структур ггоадгщ ITO/Cu/ITO и ITO/Ag/ITO/Ag/ITO [5-8].
На рис.5 показано изменение интегральной степени пропускания чистого металла и периодической структуры (Cu/ZnO:Ga)•# от толщины слоя меди. В случае периодической структуры суммарная толщина меди возрастает за счет увеличения количества периодов, т.е. слоев меди между слоями оксида. Интегральная степень пропускания определяется как отношение площади спектра пропускания исследуемого слоя к площади спектра пропускания стеклянной подложки. Наиболее медленное снижение прозрачности с увеличением суммарной толщины меди наблюдается в периодической структуре (Cu/ZnO:Ga)•# с оптимальной толщиной медного слоя 9 нм, что свидетельствует о важности эффекта интерференции в прозрачность рассматриваемых периодических структур.
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы. За счет многократных отражений и интерференционного «усиления» структура (Cu/ZnO:Ga)•5 имеет коэффициент пропускания в 6 раз выше, чем слой меди эквивалентной толщины. При этом поверхностные сопротивления такой структуры и эквивалентного слоя меди оказываются приблизительно равными (около 2-3 Ом/П). Изменяя толщину оксидного слоя, можно управлять спектром пропускания периодической структуры в диапазоне длин волн, где металл имеет высокий коэффициент отражения. Несмотря на различие в удельных сопротивлениях ZnO:Ga и ITO, поверхностные сопротивления периодических структур (Cu/ZnO:Ga)•# и (Cu/ГГO)•# с оптимальными толщинами слоев оказываются практически одинаковыми. Однако по прозрачности (Cu/ZnO:Ga)•# несколько уступает структуре (Cu/ГTO)•Ж
30 60 90
Суммарная толщина слоя Си, нм
Рис.5. Зависимость интегрального коэффициента пропускания от суммарной толщины слоя металла: □ Си (9 нм)^пй (100 нм); V Си (4,8 нм)^пй (50 нм); Д - Сд
Влияние толщины и числа слоев.
Полученные результаты указывают на перспективность применения периодических структур металл/оксид для формирования прозрачных электродов оптоэлектрон-ных приборов (солнечных батарей, светодиодов, плоских дисплеев и т.п.).
Выражаем благодарность профессору, доктору физико-математических наук Ильичеву Э.А. за конструктивную дискуссию.
Литература
1. Structural, electrical, and optical properties of transparent conductive oxide ZnO:Al films prepared by dc magnetron reactive sputtering / M.Chen, Z.L.Pei, X.Wang et al. // J. Vac. Sci. Technol. - 2001. - Vol. 19. -P. 963-971.
2. Minami T., Suzuki S., Miyata T. Transparent conducting impurity-co-doped ZnO:Al thin films prepared by magnetron sputtering // Thin Solid Films. - 2001. - Vol. 398. - P. 53-58.
3. Transparent, metallo-dielectric, one-dimensional, photonic band-gap structures / M.Scalora, M.J.Bloemer, A.S.Pethel et al. // J. Appl. Phys. - 1998. - Vol. 83, № 5. - P. 2377-22383.
4. Громов Д.Г., Редичев Е.Н., Гаврилов С.А. Оптические и электрофизические свойства периодических структур Cu/In2O3:Sn // Изв. вузов. Элетроника. - 2004. - № 2. - C. 34-37.
5. Kim T.H., Kim C.H., Kim S.K. et al. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2010. - Vol. 532. - P. 112/[528]-118/[534],
6. Choia K.H., Kima J.Y., Leeb Y.S., Kim H.J. // Thin Solid Films. - 1999. - Vol. 341. - P. 152-155.
7. JungS.K., Sohn S.H. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2009. - Vol. 513. - P. 301-310.
8. Comparative investigation of transparent ITO/Ag/ITO and ITO/Cu/ITO electrodes grown be dual-target DC sputtering for organic Photovoltaics / Park Y., Park H., Jeong J. et al. // J. of The Electrochemical Society. -2009. - Vol. 156, № 7. - P. H588-H594.
9. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. - М.: МГУ, 1994. - 352 с.
Статья поступила 31 января 2011 г.
Громов Дмитрий Геннадьевич - доктор технических наук, заведующий кафедрой материалов и процессов твердотельной электроники (МПТЭ) МИЭТ. Область научных интересов: тонкие пленки, их получение и свойства, материалы и процессы формирования наноструктур, твердофазное взаимодействие, процессы травления, разработка новых систем металлизации кремниевых СБИС. E-mail: gromadima@gmail.com
Шулятьев Алексей Сергеевич - магистрант факультета электроники и компьютерных технологий МИЭТ. Область научных интересов: физика и технология тонких пленок, материалы и процессы формирования наноструктур.
Редичев Евгений Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры МПТЭ МИЭТ. Область научных интересов: тонкие пленки, их получение и свойства, материалы и процессы формирования наноструктур.
Берестов Александр Тихонович - кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики МИЭТ. Область научных интересов: фазовые превращения, критические явления.
