Закономірності впливу умов осадження, легування та термічного відпалу на структурні, оптичні та електричні властивості плівок оксиду цинку

6. Досліджено вплив термічного відпалу на властивості плівок ZnO:Ga (1 %). Виявлено ефект різкого спаду електричного опору плівок при відпалі при температурі 800 єС, що пояснюється переводом домішки галію в електроактивний стан. Експериментально показано, що швидкий термічний відпал в атмосфері кисню на протязі 35 сек. дає змогу зменшити питомий електричний опір плівок на два порядки до с ? 2Ч10^-4 Омсм. На основі отриманих даних запропоновано метод швидкого термічного відпалу для модифікації електричних та структурних властивостей плівок ZnO:Ga.

Список публікацій за темою дисертації

1. Храновський В. Д. Структурні та оптичні властивості плівок оксиду цинку, одержаних хімічним осадженням з парової фази, магнетронним напиленням, і реактивним термічним випаровуванням / В. Д. Храновський, В. А. Карпіна, В. Й. Лазоренко, Г. В. Лашкарьов, І. В. Блонський, В. А. Батурін // Науковий вісник Чернівецького Університету: Фізика. Електроніка. - 2005. -№ 237. - С. 53-59.

2. Храновський В. Д. Особливості структури та морфології плівок ZnO:Ga, осаджених на монокристалічних та аморфних підкладках / В. Д. Храновський, Л. І. Копилова, В. Й. Лазоренко, Г. В. Лашкарьов, В. А. Карпіна // Фізика і хімія твердого тіла. - 2005. - Т.6, №3. - С. 406-413.

3. Храновський В. Д. Керування структурою та розміром зерен у наноструктурованих плівках оксиду цинку / В. Д. Храновський, В. Й Лазоренко, Г. Лашкарьов, А. Євтушенко, М. Бугайова, О. Т. Будников // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2006. - T. 4, № 4. - С. 877-891.

4. Khranovskyy V. D. Study of annealing influence on electrical and morphological properties of ZnO:Ga thin films / V. Khranovskyy, U. Grossner, V. Lazorenko, G. Lashkarev, B. G. Svensson, R. Yakimova // Phys. Stat. Sol. (c). - 2006. - V. 3, № 4. - P. 780-784.

5. Khranovskyy V. D. Structural and morphological properties of ZnO:Ga thin films / V. Khranovskyy, U. Grossner, O. Nilsen, V. Lazorenko, G.V. Lashkarev, B. G. Svensson, R. Yakimova // Thin Solid Films. - 2006. - V. 515. - P. 472-476.

6. Khranovskyy V. D. PEMOCVD of ZnO thin films, doped by Ga and some of their properties / V. Khranovskyy, U. Grossner, V. Lazorenko, G. Lashkarev, B.G. Svensson, R. Yakimova // Superlattices and Microstructures. - 2007. - V. 39. - P. 275-281.

7. Khranovskyy V. D. Improvement of ZnO thin film properties by application of ZnO buffer layers / V. Khranovskyy, R. Minikayev, S. Trushkin, G. Lashkarev, V.l Lazorenko, U. Grossner, W. Paszkowicz, A. Suchocki, B. G. Svensson and Rositza Yakimova // Journal of Crystal Growth. - 2007. - V. 308. - P. 93-98.

8. Khranovskyy V. D. Conductivity increase of ZnO:Ga films by rapid thermal annealing / V. Khranovskyy, U. Grossner, V. Lazorenko, G. Lashkarev, B. G Svensson, R. Yakimova // Superlattices and Microstructures. - 2007. - V. 42. - P. 379-386.

9. Khranovskyy V. D. Investigation of ZnO as a perspective material for photonics / V. Khranovskyy, G. R. Yazdi, G. Lashkarev, A. Ulyashin and R. Yakimova // Physica Status Solidi A. - 2008. - V. 205. - P. 144-149.

Анотація

Храновський В. Д. Закономірності впливу умов осадження, легування та термічного відпалу на структурні, оптичні та електричні властивості плівок оксиду цинку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, 2009.

В роботі досліджено властивості полікристалічних плівок ZnO, осаджених методом PEMOCVD в діапазоні температур 200 ч 500 єС. Виявлено підвищення структурної досконалості плівок - покращення текстури вздовж осі с та розміру зерен із збільшенням температури та присутність поліхроматичного спектру люмінесценції. Показано, що використання гомоепітаксійного буферного шару ZnO призводить до покращення структурної досконалості плівок - зростання ступеню текстури, збільшення розміру зерен та зменшення напруг у плівці. Продемонстровано термічну дифузію водню із підкладки в ZnO в процесі росту плівки.

Виявлено, що плівки ZnO, вирощені при 350 єС на SiN_x:H/Si виявляють інтенсивну монохроматичну краєву емісію в ультрафіолетовому діапазоні спектру (л ? 380 нм). Вплив водню пояснюється пасивацією дефектів ZnO, відповідальних за глибокорівневу люмінесценцію.

Продемонстровано, що легування Ga приводить до зменшення питомого електричного опору плівок ZnO (с?10^-2 ч 10^-4 Омсм), при високій степені їх прозорості (Т > 90%) в діапазоні спектру 400 ч 800 нм. Виявлено, що легування Ga (1 %, при Т_п=250 єС) приводить до збільшення концентрації електронів 5,2Ч10¹⁹ см^-3 при їх рухливості 3,4 см²/В·с та супроводжується покращенням текстури плівок вздовж осі с.

Показано, що наступне збільшення концентрації Ga (3ч10 %) приводить до зміни переважної орієнтації кристалітів у плівці від (002) до (101), зменшенню розміру зерен та згладженню поверхні. При збільшенні концентрації Ga в ZnO продемонстровано эффект Бурштейна - Мосса.

Виявлено, що температура 800 єС сприяє активації електронейтральних атомів Ga в ZnO в процесі термічного відпалу. Показано можливість зменшення с плівок від 3,5Ч10^-2 до 2Ч10^-4 Омсм методом швидкого термічного відпалу.

Ключові слова: плівки ZnO, структурна досконалість, вплив водню, УФ люмінесценція, прозорі провідні плівки на основі ZnO:Ga, термічний відпал.

Аннотация

Храновский В. Д. Закономерности влияния условий осаждения, легирования и термического отжига на структурные, оптические и электрические свойства пленок оксида цинка. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт проблем материаловедения им. И. М. Францевича НАН Украины, Киев, 2009.

В работе исследованы закономерности влияния условий осаждения, особенностей легирования и послеростового термического отжига на структурные, оптические и электрические свойства поликристаллических пленок ZnO. Пленки выращивались методом химического осаждения из паровой фазы, усиленного плазменным разрядом при использовании металлорганических исходных реагентов (PEMOCVD) в диапазоне температур подложки 200 ч 500 єС. С увеличением температуры подложки обнаружено повышение структурного совершенства пленок - улучшение текстуры вдоль оси с, увеличение размера зерен одновременно с уменьшением шероховатости поверхности пленок. Показано, что пленкам ZnO, осажденным в данном интервале температур подложки свойственный полихроматический спектр люминесценции: продемонстрировано сосуществование узкого пика краевой люминесценции в ультрафиолетовом диапазоне (л ? 380 нм) вследствие межзонной рекомбинации и широкой полосы дефектной люминесценции в видимом диапазоне спектра (л = 450 ч 650 нм).

Установлено, что минимальная интенсивность дефектной люминесценции наблюдается в пленках, осажденных при температуре подложки 350 єС. Исследовано влияние гомоепитаксиального буферного слоя ZnO на свойства пленок: показано, что применение низкотемпературного буферного слоя ZnO приводит к улучшению структурного совершенства пленок - увеличению степени текстуры вдоль оси с, размера зерен и уменьшению напряжений в пленке. Исследовано поведение водорода в ZnO и продемонстрировано термическую диффузию водорода из подложки в пленку ZnO в процессе роста. Обнаружено, что пленки, выращенные при температуре подложки 350 єС на положках SiN_x:H/Si, обладают наилучшими люминесцентными свойствами - проявляют интенсивную монохроматическую краевую эмиссию в ультрафиолетовом диапазоне спектра (? 380 нм).

Исследовано латеральное и вертикальное распределение краевой люминесценции в пленках ZnO/SiN_x:H/Si: продемонстрировано однородность монохроматичности и интенсивности люминесценции. Влияние водорода на спектр излучения ZnO объясняется пассивацией водородом дефектов, ответственных за глубокоуровневую люминесценцию. Исследованы свойства пленок ZnO, легированных Ga (1 ч 10%): обнаружено, что легирование галлием приводит к снижению электрического сопротивления пленок (с ? 10^-2 ч 10^-4 Омсм) при высокой степени их прозрачности (Т > 90%) в диапазоне спектра л =400 ч 800 нм для толщины пленок ? 350 нм. Обнаружено, что снижение сопротивления пленок при легировании галлием (1 % при 250 єС) происходит за счет увеличения концентрации электронов в пленке до 5,2Ч10¹⁹ см^-3 при их подвижности 3,4 см²/В·с, что сопровождается повышением степени текстуры пленок вдоль оси с.

Показано, что последующее увеличение концентрации галлия (3 ч 10 %) приводит к изменению преимущественной ориентации кристаллитов в пленке от (002) до (101), уменьшению размера зерен и сглаживанию поверхности. Эффект уменьшения электрического сопротивления коррелирует с концентрацией галлия и сопровождается коротковолновым сдвигом края собственного поглощения с увеличением концентрации электронов (эффект Бурштейна-Мосса). Исследовано влияние изохронного и резкого термического отжига на свойства пленок ZnO:Ga (1 %). Обнаружено, что температура 800 єС способствует активации электронейтральных атомов галлия в ZnO в процессе термического отжига. Продемонстрировано возможность уменьшения удельного электрического сопротивления пленок ZnO от 3,5Ч10^-2 до 2Ч10^-4 Омсм методом резкого термического отжига.

Ключевые слова: пленки ZnO, структурное совершенство, влияние водорода, УФ люминесценция, прозрачные проводящие пленки ZnO:Ga, термический отжиг.

Abstract

Khranovskyy V. D. Regularities of the deposition parameters, doping and thermal annealing influence on the structural, optical and electrical properties of zinc oxide films. - Manuscript.

Thesis for a Ph.D. degree by speciality 01.04.07 - solid state physics. - I. M. Frantsevich Institute for Problems of Material Science of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2009.

The thesis is devoted to the investigation of the properties of the polycrystalline ZnO films, deposited by PEMOCVD at temperature range 200 ч 500 °C. The improvement of the films structural properties via increase of the films texture along c-axis and grain size enlargement were observed with the increase of the deposition temperature; however, the films possessed the polychromatic luminescence spectra.

At application of the homoepitaxial ZnO buffer layer the structural quality improves via texture increase, grain size enlargement and decrease of the biaxial strain in the ZnO film. The thermal diffusion of the hydrogen from the substrate into growing ZnO films is demonstrated. It is revealed, that films, deposited at 350 °C on SiN_x:H/Si, demonstrate the most intense monochromatic near band edge emission in the ultraviolet range of spectra. (?380 nm).

The hydrogen effect on the luminescence properties of ZnO is explained by hydrogen passivation of the deep level defects, responsible for the defect luminescence. Gallium doping of the ZnO films results in the gradual decrease of the electrical resistivity of the ZnO films (с?10^-2 ч 10^-4 Оhmсm) at their high optical transmittance within visible range 400 ч 800 nm (Т > 90%). Gallium doping (1 wt. % at substrate temperature 250 °C) causes the increase of carriers concentration to 5,2Ч10¹⁹ сm^-3 at their mobility 3,4 сm²/V·s and is assisted by c-axis texture increase.

The further gallium concentration increase (3 - 10 wt.%) results in the change of the films preferential orientation from (002) to (101), decrease of the grain size and films surface smoothing. The Burshtain - Moss effect is demonstrated with the increase of the Ga concentration. It is revealed that the annealing temperature as high as 800 °C is favorable for activation of the electrically neutral Ga atoms in ZnO films. The possibility to decrease the resistivity of ZnO:Ga films from 3,5Ч10^-2 to 2Ч10^-4 Ohmcm is demonstrated by application the rapid thermal annealing.

Keywords: ZnO films, structural quality, hydrogen effect, UV luminescence, transparentconductive oxide based on ZnO:Ga, thermal annealing.

Размещено на Allbest.ru