[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究通过调节沉积参数——射频功率、压力和基底温度，实现了对射频磁控溅射ZnO和Al:ZnO薄膜中载流子浓度与电阻率的系统性调控。作者在250 °C下实现了Al:ZnO薄膜的低电阻率3.8 × 10⁻⁴ Ω·cm，以及ZnO薄膜的3.7 × 10⁻² Ω·cm电阻率，电子迁移率最高达30 cm²·V⁻¹·s⁻¹，凸显其在光电器件应用中优化的电子稳定性。

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.

研究动机与目标

• 系统调控射频磁控溅射ZnO和Al:ZnO薄膜中的载流子浓度与电阻率，以提升其光电器件性能。
• 确定实现低电阻率与高电子迁移率的最优沉积参数——射频功率、压力和基底温度。
• 评估在玻璃和硅基底上沉积的ZnO与Al:ZnO薄膜的电子与光学稳定性。
• 关联沉积温度与光致发光行为，特别是带边发射（NBE）与深能级发射（DLE）峰的关系。
• 实现可扩展的透明导电氧化物制备工艺，其电子特性可调，适用于器件集成。

提出的方法

• 采用射频磁控溅射法在不同基底温度（25–400 °C）下于玻璃和硅基底上沉积ZnO和Al:ZnO薄膜。
• 系统调节射频功率、腔室压力和基底温度，以控制薄膜化学计量比与缺陷浓度。
• 采用四探针法与霍尔测量法测定电阻率与载流子迁移率。
• 利用光致发光（PL）光谱分析带边发射（NBE）与深能级发射（DLE）特性随沉积温度的变化。
• 采用X射线衍射与卢瑟福背散射谱学分析薄膜结晶质量与铝掺杂水平。
• 对玻璃基底上沉积的薄膜进行电学与光学透射率测量，评估其透明性与导电性。

实验结果

研究问题

• RQ1 射频功率、压力与基底温度的变化如何影响射频溅射ZnO与Al:ZnO薄膜的载流子浓度与电阻率？
• RQ2 在ZnO与Al:ZnO薄膜中，实现最低电阻率与最高电子迁移率的最优沉积温度是多少？
• RQ3 沉积温度如何影响光致发光光谱，特别是带边发射（NBE）与深能级发射（DLE）峰的特性？
• RQ4 在不同温度下沉积的ZnO与Al:ZnO薄膜中，电子参数（电阻率、迁移率）的稳定性如何？
• RQ5 ZnO与Al:ZnO的电学与光学性能在多大程度上可调控，以适用于透明导电氧化物应用？

主要发现

• 在250 °C沉积温度下，成功制备出电阻率最低达3.8 × 10⁻⁴ Ω·cm的Al:ZnO薄膜。
• 在250 °C下，ZnO薄膜表现出3.7 × 10⁻² Ω·cm的电阻率与30 cm²·V⁻¹·s⁻¹的电子迁移率，表明其具有优异的电子质量。
• 带边发射（NBE）光致发光峰强度随沉积温度升高至250 °C而增强，表明结晶质量提高且缺陷密度降低。
• 深能级发射（DLE）强度随沉积温度升高而降低，表明非辐射复合中心减少。
• 薄膜在不同基底温度下表现出可接受的电子参数稳定性，支持其在器件中的应用。
• Al:ZnO与ZnO薄膜在玻璃基底上的透光率在整个可见光谱范围内保持较高，证实其作为透明导电氧化物的适用性。