[논문 리뷰] Systematic control of carrier concentration and resisitivity in RF sputtered Zinc oxide thin films

Navid M. S. Jahed, Siva Sivoththaman|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 18.

ZnO doping and properties참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 RF 스퍼터링 조건—RF 전력, 압력, 기질 온도를 조절하여 ZnO 및 Al:ZnO 박막에서 운반체 농도와 저항률을 체계적으로 제어함을 보여준다. 저자들은 250 °C에서 Al:ZnO에서 3.8 × 10⁻⁴ Ω·cm, ZnO에서 3.7 × 10⁻² Ω·cm의 낮은 저항률을 달성하였으며, 전자 이동도는 30 cm²·V⁻¹·s⁻¹에 도달하여 광전기 응용 분야에서 최적화된 전자적 안정성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• RF 스퍼터링 ZnO 및 Al:ZnO 박막에서 운반체 농도와 저항률을 체계적으로 제어하여 광전기 성능을 향상시키기.
• 낮은 저항률과 높은 전자 이동도를 달성하기 위한 최적의 증착 조건—RF 전력, 압력, 기질 온도를 규명하기.
• 유리 및 실리콘 기질에 증착된 ZnO 및 Al:ZnO 박막의 전자적 및 광학적 안정성을 평가하기.
• 증착 온도와 박막의 광발광 행동, 특히 밴드 간변이(영역) 발광(NBE) 및 깊은 수준의 발광(DLE) 피크 간의 상관관계를 규명하기.
• 장치 통합을 위한 전도성 산화물의 스케일러블 제조를 가능하게 하여 전자적 특성을 조절 가능한 박막을 개발하기.

제안 방법

• 기질 온도를 25–400 °C 범위에서 변화시켜 유리 및 실리콘 기질에 ZnO 및 Al:ZnO 박막을 RF 마그네퍼트론 스퍼터링으로 증착하였다.
• 박막의 스토이히오메트리 및 결함 농도를 제어하기 위해 RF 전력, 챔버 압력, 기질 온도 등의 증착 조건을 체계적으로 변화시켰다.
• 저항률과 운반체 이동도를 측정하기 위해 4점 프로브 및 홀 측정법을 사용하였다.
• 증착 온도에 따른 근접 밴드 간변이(영역) 발광(NBE) 및 깊은 수준의 발광(DLE) 특성을 분석하기 위해 광발광(PL) 분광법을 사용하였다.
• 결정성 및 알루미늄 도핑 농도 평가를 위해 X선 회절 및 러더포드 반사 분석법을 사용하였다.
• 투과성과 도전성 평가를 위해 유리 기질에 증착된 박막에 전기적 및 광학적 투과 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RF 전력, 압력, 기질 온도의 변화가 RF 스퍼터링 ZnO 및 Al:ZnO 박막의 운반체 농도와 저항률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 ZnO 및 Al:ZnO 박막에서 가장 낮은 저항률과 가장 높은 전자 이동도를 달성하기 위한 최적의 증착 온도는 무엇인가?
• RQ3 증착 온도가 ZnO 및 Al:ZnO 박막의 광발광 스펙트럼, 특히 근접 밴드 간변이(영역) 발광(NBE) 및 깊은 수준의 발광(DLE) 피크에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다른 온도에서 증착된 ZnO 및 Al:ZnO 박막에서 전자적 매개변수(저항률, 이동도)의 안정성은 어떠한가?
• RQ5 ZnO 및 Al:ZnO의 전기적 및 광학적 특성은 투명 전도 산화물 응용을 위해 어느 정도 조절 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 250 °C에서 증착된 Al:ZnO 박막에서 저항률이 최저 3.8 × 10⁻⁴ Ω·cm에 도달하였다.
• 250 °C에서 ZnO 박막은 저항률 3.7 × 10⁻² Ω·cm 및 전자 이동도 30 cm²·V⁻¹·s⁻¹를 나타내어 높은 전자적 품질을 보였다.
• 근접 밴드 간변이(영역) 발광(NBE) 피크 강도는 증착 온도가 250 °C까지 상승함에 따라 증가하여 결정성 향상과 결함 농도 감소를 시사하였다.
• 깊은 수준의 발광(DLE) 강도는 증착 온도 상승에 따라 감소하여 비복사 재결합 중심이 감소함을 나타내었다.
• 다양한 기질 온도에서 전자적 매개변수에 대한 안정성이 양호하여 장치 응용에 적합함을 입증하였다.
• 유리 기질에 증착된 Al:ZnO 및 ZnO 박막의 투과도는 가시광선 영역에서 높게 유지되어 투명 전도 산화물로서의 적합성을 확인하였다.