Исследование электрофизических свойств тонких пленок и гетероструктур на основе оксида цинка с легирующими добавками соединений редкоземельных элементов и элементов третьей группы

Abstract

Объектом исследования являются порошки на основе ZnO с легирующими добавками соединений РЗЭ и элементов 3 группы, сформированные из них распыляемые мишени, а также синтезированные импульсным лазерным осаждением из указанных мишеней тонкие пленки. Цель работы – исследовать процессы получения, микроструктуру, электрофизические и оптические свойства сформированных керамических мишеней и полученных из них тонких пленок. В процессе работы проведен анализ и исследованы свойства исходных материалов, определены оптимальные режимы формования и термообработки распыляемых мишеней. Исследованы микроструктуры и физико-механические свойства распыляемых керамических мишеней из оксида цинка с легирующими добавками различных соединений в зависимости от режимов обработки и состава материала. С использованием СЭМ исследованы морфология поверхности и особенности микро-структуры тонких пленок на основе ZnO с легирующими добавками различных соединений, сформированных на кремниевых подложках ориентации (111). Установлено, что с увеличением количества лазерных импульсов от 2-3 до 12-14 в процессе распыления керамической мишени толщина формируемого покрытия возрастала от 300 до 800 нм. Состав получаемых тонких пленок соответствовал составу исходной керамической мишени. Поверхность полученных тонких пленок имела микрорельеф с характерным размером 30-50 нм, а микроструктура тонких пленок представляла собой прорастающие столбчатые кристаллы в направлении, перпендикулярном плоскости кремниевой подложки. Методом АСМ исследованы топография поверхности и микроструктура тонких пленок на основе ZnO с легирующими добавками соединений РЗЭ. Показано, что при формировании покрытия имеет значение как количество лазерных импульсов, так и угол наклона пучка лазерной плазмы по отношению к нормали к подложке. При количестве импульсов 2-3 зеренная структура не успевала сформироваться, поверхность подложки покрывали кластеры диаметром 20 нм, что выявлялось только в режиме латеральных сил «Torsion». Увеличение количества импульсов до 12-14 позволило сформировать поликристаллическую пленку с явно выраженной зеренной структурой. Установлено, что при содержании кислорода в Ar/O2 газовой смеси 5 мл/мин ( расход рабочего газа 60 мл/мин) спектры пропускания для тонких пленок ZnO, ZnO +1% Y2O3 и ZnO + 4%Y2O3 практически совпадали. Максимум пропускания около 90% наблюдался при длине волны около 500нм, что соответствовало зеленой области спектра. В интервале длин волн от 800 до 2700 нм пропускание составляло 80-86%. Увеличение содержания кислорода в рабочей газовой смеси до 25 мл/мин приводило к падению пропускания до 70% при 800нм, особенно выраженное для состава ZnO +1% Y2O3. Исследованы электрофизические свойства тонких пленок оксида цинка, полученных на подложках кремния и стекла в зависимости от технологических режимов напыления, при легировании их оксидами и фторидами РЗЭ. Установлены закономерности влияния расстояния мишень-подложка, температуры подложки, плотности энергии лазерного излучения на удельное сопротивление наноструктурированных пленок ZnO, полученных методом ИЛО. Обнаружено, что при увеличении температуры отжига от 300 °С до 1600 °С происходило увеличение удельного сопротивления в диапазоне от (3±0,9) ·10-3 Ом·см до (6,51±1,44) ·103 Ом·см. Изучены вольт-амперные(ВА) и вольт-фарадные характеристики(ВФХ) тонких пленок оксида цинка, полученных на подложках кремния в зависимости от технологических режимов напыления, при легировании их оксидами и фторидами РЗЭ. Установлено, что все типы гетероструктур обладали выпрямительными свойствами; чем меньше угол напыления пленки на подложку кремния, тем меньше сопротивление гетероструктуры и тем больше угол наклона ВАХ. Свет практически не влиял на прямую ветвь ВАХ, но заметно изменял обратные токи. У исследуемых гетероструктур отсутствовало напряжение холостого хода. Это может быть обусловлено тем, что через границу раздела кремния и пленки оксида цинка затруднено перемещение носителей зарядов, возможно, из-за наличия островков естественного окисла, что затрудняло разделение фотогенерированных носителей зарядов. Чувствительность обратных токов к излучению указывала на то, что данные образцы можно использовать как фотодиоды. Показано, что преобладающим механизмом протекания тока для гетероструктур n-(ZnO + (1 %)YF3) / p-Si, напыленных под углом 90 °, является эмиссия Шоттки; для гетероструктур n-(ZnO + (1 %) YF3)/ p-Si, напыленных под углом 30 °, и гетероструктур n-[ZnO + SnO2] / p-Si – токи, ограниченные пространственным зарядом. Исследованы ВФХ исследуемых гетероструктур. Максимум емкости приходился на область отрицательных напряжений, что соответствовало p-типу проводимости кремния. По ВФХ оценена диэлектрическая проницаемость пленок ZnO при 500 кГц: ZnO + 1 % YF3 ε = 7,8 и ZnO + SnO2 ε = 6,8 (по справочным данным εZnO = 8,5). Установлена связь оптических и электрических характеристик тонких пленок на основе оксида цинка с технологическими режимами их получения и легирующими добавками оксидов иттрия. Проведены исследования влияния параметров процесса нанесения на стехиометрический состав, электрофизические и оптические свойства пленок на основе ZnO. Показано, что при распылении мишени стехиометрического состава в нанесенных пленках наблюдается недостаток кислорода. Даже при распылении мишени в среде чистого O2 стехиометрический индекс нанесенных пленок не превышал 0,98. Уменьшение содержания кислорода в нанесенных пленках сопровождалось резким уменьшением удельного сопротивления до 35 - 40 Ом · м, уменьшением оптической ширины запрещенной зоны и сдвигом края оптического пропускания. Все изменения оптических и электрических свойств пленок на основе ZnO можно объяснить изменением концентрации и подвижности свободных носителей в пленке. Показано, что увеличение парциального давления кислорода в атмосфере в процессе роста приводит к снижению собственных дефектов в тонких пленках. Установлено, что средний коэффициент пропускания в видимой области спектра находился на уровне 0.8-0.85. Положение пиков пропускания зависело от оптической толщины наносимых слоев. Даже при распылении в среде Ar формировались оптически прозрачные слои. Установлено, что край оптического пропускания на уровне 0,5 находился на длине волны 395 нм. При увеличении содержания кислорода в смеси газов Ar/O2 кривые оптического пропускания сдвигались в коротковолновую область спектра. Обнаружено, что оптическая ширина запрещенной зоны тонких пленок оксида цинка изменялась от 3,215 до 3,265 эВ при увеличении содержания кислорода в смеси газов Ar/O2. Расширение запрещенной зоны при увеличении концентрации кислорода в процессе нанесения может быть связано с увеличением концентрации носителей заряда и сдвигом Бурштейна-Мосса. Изучены перспективы дальнейшего развития исследований и определены наиболее перспективные области практического использования полученных результатов.