[論文レビュー] Systematic control of carrier concentration and resisitivity in RF sputtered Zinc oxide thin films

Navid M. S. Jahed, Siva Sivoththaman|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2014

ZnO doping and properties参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、RFスパッタリング法を用いて、RF出力、圧力、基板温度を調整することで、ZnOおよびAl:ZnO薄膜におけるキャリア濃度および抵抗率の体系的制御を実証した。著者らは、250 °CでAl:ZnOで3.8 × 10⁻⁴ Ω·cm、ZnOで3.7 × 10⁻² Ω·cmの低抵抗率を達成し、電子移動度は30 cm²·V⁻¹·s⁻¹に達した。これは、光エレクトロニクス応用における最適化された電子的安定性を示している。

ABSTRACT

RF sputtered ZnO and Al:ZnO films are attractive transparent conductive oxides for fabrication of opto-electronic devices. In this paper we present efforts to control carrier concentration and mobility of ZnO/Al:ZnO thin films by controlling deposition parameters (RF power, pressure and substrate temperature. Al:ZnO thin film with resistivity as low as $ρ$ = $3.8 imes 10^{-4}$ $Ω$.cm at deposition temperature of 250°C has been achieved. Zinc oxide thin film with low resistivity of $ρ$ = $3.7 imes 10^{-2}$ $Ω$.cm and high electron mobility of $30$ $\mathrm{cm^{-2}V^{-1}s^{-1}}$ at deposition temperature of 250°C with acceptable electronic parameters stability has been obtained.Light transmission of Al:ZnO and ZnO samples deposited on glass at different substrate temperature has been studied. Investigation were made to assess the effect of deposition temperature on the photoluminescence spectra (PL) of ZnO/Al:ZnO sputtered on silicon and glass substrate. The evolution of near band edge (NBE) and deep level emission (DLE) photoluminescence peaks with deposition temperature in ZnO/Al:ZnO sputtered on Silicon and glass substrate have been studied.

研究の動機と目的

• RFスパッタリング法で作成されたZnOおよびAl:ZnO薄膜におけるキャリア濃度および抵抗率の体系的制御を目的とし、光エレクトロニクス性能の向上を図ること。
• 低抵抗率および高電子移動度を達成するための最適な堆積パラメータ（RF出力、圧力、基板温度）を同定すること。
• ガラスおよびシリコン基板上に堆積されたZnOおよびAl:ZnO薄膜の電子的および光学的安定性を評価すること。
• 堆積温度と光励起分光特性（特にバンドギャップ端（NBE）および深レベル発光（DLE）ピーク）の相関関係を明らかにすること。
• デバイス統合に適した、電子的特性をチューニング可能な透明導電酸化物のスケーラブルな製造を可能とすること。

提案手法

• ガラスおよびシリコン基板上に、変動する基板温度（25–400 °C）でZnOおよびAl:ZnO薄膜をRFマグネトロンスパッタリング法で堆積した。
• 膜の化学 stoichiometry および欠陥濃度を制御するために、RF出力、チャンバー圧力、基板温度を体系的に変更した。
• 抵抗率およびキャリア移動度の測定には、フォアポイントプローブおよびホール測定法を用いた。
• 堆積温度に応じたバンドギャップ端（NBE）および深レベル発光（DLE）特性の分析には、光励起分光法（PL）を用いた。
• 膜の結晶性およびアルミニウムドーピング濃度の評価には、X線回折およびラザフォードバックスクattering分光法を用いた。
• 透明性および導電性の評価のために、ガラス基板上に堆積した膜について電気的および光学的透過測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RF出力、圧力、および基板温度の変動が、RFスパッタリング法で作成されたZnOおよびAl:ZnO薄膜のキャリア濃度および抵抗率にどのように影響するか？
• RQ2 ZnOおよびAl:ZnO薄膜で最低抵抗率および最高電子移動度を達成するための最適な堆積温度は何か？
• RQ3 堆積温度がZnOおよびAl:ZnO薄膜の光励起分光スペクトルに与える影響、特にバンドギャップ端（NBE）および深レベル発光（DLE）ピークにどのように影響するか？
• RQ4 異なる温度で堆積されたZnOおよびAl:ZnO薄膜における電子的パラメータ（抵抗率、移動度）の安定性はいかがなっているか？
• RQ5 ZnOおよびAl:ZnOの電気的および光学的特性を、透明導電酸化物応用に適応させるためにどの程度チューニング可能か？

主な発見

• 250 °Cの堆積温度で、抵抗率が3.8 × 10⁻⁴ Ω·cmにまで低下したAl:ZnO薄膜が達成された。
• 250 °CでZnO薄膜は抵抗率3.7 × 10⁻² Ω·cm、電子移動度30 cm²·V⁻¹·s⁻¹を示し、優れた電子的品質を示した。
• バンドギャップ端（NBE）の光励起分光ピーク強度は、250 °Cまで堆積温度上昇に伴い増加し、結晶性の向上および欠陥密度の低減を示唆した。
• 深レベル発光（DLE）強度は堆積温度上昇に伴い減少し、非放射的再結合中心の減少を示した。
• 異なる基板温度で堆積された膜は、電子的パラメータに著しい安定性を示し、デバイス応用への適用可能性を支持した。
• ガラス基板上に堆積したAl:ZnOおよびZnO薄膜の透過率は可視光域全体で高く維持され、透明導電酸化物としての適性を確認した。