eng
Выпуск #6/2023
А.Х.Абдуев, А.Ш.Асваров, А.К.Ахмедов, Э.К.Мурлиев
АНАЛИЗ МЕТОДОВ СИНТЕЗА АМОРФНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ZnO ДЛЯ УСТРОЙСТВ ПРОЗРАЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
АНАЛИЗ МЕТОДОВ СИНТЕЗА АМОРФНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ ZnO ДЛЯ УСТРОЙСТВ ПРОЗРАЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Просмотры: 755
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.362.368
Проанализированы процессы магнетронного синтеза нанокристаллических и аморфных слоев на основе оксида цинка. Изучено влияние легирующих компонентов и уровня легирования на степень аморфизации слоев. Рассмотрено влияние водорода в составе атмосферы на структурное совершенство синтезируемых слоев. Показана зависимость структуры слоев ZnO–SnO2 от соотношения компонентов в распыляемых мишенях. Обсуждены механизмы формирования аморфных слоев на основе ZnO при магнетронных методах синтеза.
Проанализированы процессы магнетронного синтеза нанокристаллических и аморфных слоев на основе оксида цинка. Изучено влияние легирующих компонентов и уровня легирования на степень аморфизации слоев. Рассмотрено влияние водорода в составе атмосферы на структурное совершенство синтезируемых слоев. Показана зависимость структуры слоев ZnO–SnO2 от соотношения компонентов в распыляемых мишенях. Обсуждены механизмы формирования аморфных слоев на основе ZnO при магнетронных методах синтеза.
Теги: amorphization deposition doping magnetron sputtering thin film zno аморфизация магнетронное распыление напыление примесь тонкая пленка
АНАЛИЗ МЕТОДОВ СИНТЕЗА аморфных ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ на основе ZnO ДЛЯ УСТРОЙСТВ ПРОЗРАЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
А.Х.Абдуев1, доц., к.ф.-м.н., ORCID: 0000-0002-3948-1206 / a_abduev@mail.ru
А.Ш.Асваров2, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0001-6426-5006
А.К.Ахмедов2, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-9466-9842
Э.К.Мурлиев2, мл. науч. сотр., ORCID: 0009-0009-7742-8527
Аннотация. Проанализированы процессы магнетронного синтеза нанокристаллических и аморфных слоев на основе оксида цинка. Изучено влияние легирующих компонентов и уровня легирования на степень аморфизации слоев. Рассмотрено влияние водорода в составе атмосферы на структурное совершенство синтезируемых слоев. Показана зависимость структуры слоев ZnO–SnO2 от соотношения компонентов в распыляемых мишенях. Обсуждены механизмы формирования аморфных слоев на основе ZnO при магнетронных методах синтеза.
Ключевые слова: ZnO, тонкая пленка, напыление, аморфизация, магнетронное распыление, примесь
Для цитирования: А.Х. Абдуев, А.Ш. Асваров, А.К. Ахмедов, Э.К. Мурлиев. Анализ методов синтеза аморфных функциональных слоев на основе ZnO для устройств прозрачной электроники. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 6. С. 362–368. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.362.368
Received: 6.09.2023 | Accepted: 13.09.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.362.368
ВВЕДЕНИЕ
Стремительный рост объемов и номенклатуры различных приложений в индустрии прозрачной электроники предполагает поиск новых перспективных материалов и технологий их синтеза. Исследования последних десятилетий показывают явный тренд к переходу от монокристаллической кремниевой электроники к широкому использованию в качестве базового материала различных поликристаллических и аморфных оксидных композиций [1]. Значимой вехой в этом направлении явилось создание канала активноматричных тонкопленочных транзисторов на основе сложной аморфной оксидной системы In-Ga-Zn-O (a-IGZO) [2].
Причины вытеснения кремниевых функциональных слоев из прозрачной электроники различны. Прежде всего, это связано с тем, что кремний – непрозрачный материал. В то же время подвижность носителей в альтернативных аморфных оксидных материалах a-IGZO (около 10 см2 В–1 с–1) на порядок выше, чем у в слоях на основе аморфного гидрогенизированного кремния (менее 1 см2 В–1 с–1).
Внедрение слоев на основе системы a-IGZO в ЖК индустрию привело к активизации работ, направленных на дальнейшее улучшение их электрических и оптических характеристик. Так, в [3] сообщается о значительном росте полевой подвижности носителей заряда в сложной аморфной оксидной системе IGZTO (In-Ga-Zn-Sn-O). Значительному росту интереса к аморфным оксидным системам способствовало также появление и интенсивное развитие нового направления в прозрачной электронике – гибкой электроники на полимерных носителях [4], для которой формулируются и новые дополнительные требования к используемым материалам и технологиям. В частности, применение полимерных материалов предполагает существенное снижение температур синтеза и постобработок функциональных слоев с сохранением их высоких электрических и оптических характеристик. Одним из возможных путей решения задачи низкотемпературного синтеза функциональных слоев с высокими характеристиками является создание нового класса функциональных покрытий на основе многослойных структур с модулированным легированием по толщине [5]. При этом существенно возрастают требования к морфологии и структуре единичных слоев. Единичные слои должны иметь плотную однородную аморфную структуру с минимальным рельефом, а используемые технологии должны обеспечивать раннюю коалесценцию слоев и формирование плотных беспористых межслоевых интерфейсов.
Настоящая работа посвящена анализу литературных данных и результатов, полученных авторами при исследовании механизмов формирования аморфных оксидных слоев различными методами осаждения.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Слои ZnO:Al
В [6] исследовано влияние уровня содержания легирующей примеси на морфологию и структуру слоев ZnO : Al. Авторы показали, что с ростом содержания алюминия до 8,6 ат. % растет толщина формирующегося на подложке нанокристаллического подслоя, способствующего снижению рельефа поверхности слоев и аморфизации их структуры (рис.1).
Нами были исследованы структурные трансформации в слоях ZnO : Al, синтезированных методом спрей-пиролиза [7]. Было показано, что увеличение содержания алюминия в слоях до 10 ат. % приводит к аморфизации структуры. В выдвинутой модели аморфизации предполагается, что атомы алюминия, находясь в ряду активности металлов значительно левее цинка, не встраиваются в решетку ZnO, а локализуясь на поверхности зерен ZnO, создают новые центры кристаллизации, увеличивая удельную поверхность межзеренных границ (рис.2).
Влияние водорода в составе рабочего газа на структуру слоев ZnO
В работе [8] было изучено влияние уровня содержания водорода в составе рабочего газа на структуру слоев ZnO : Ga, синтезированных методом dc магнетронного распыления (рис.3).
Показано, что увеличение содержания водорода в камере до 15% приводит к существенному уменьшению размеров зерен с 24 до 3 нм и росту стабильности электрических характеристик в слоях, синтезируемых при комнатной температуре. Можно полагать, что снижение размеров зерен в слоях, синтезированных в среде водорода обусловлено формированием новых водородных центров кристаллизации.
Нами также были выполнены исследования процессов магнетронного синтеза слоев ZnO : Ga в атмосфере Ar и Ar-H2 в широком диапазоне температур подложек [9]. В табл.1 приведены сравнительные данные рентгеноструктурных исследований слоев, синтезированных при различных температурах в различных атмосферах.
Слои, синтезированные в среде Ar-H2 при температуре 50 °С, имеют размеры зерен около 2 нм, что близко к результатам, полученным в [8]. В то же время размеры зерен в слоях, синтезированных в атмосфере чистого аргона существенно выше – около 13 нм. Мы полагаем, что при низких температурах синтеза водород, адсорбируясь на поверхности роста, формирует новые центры кристаллизации, уменьшая размер зерен. При увеличении температуры синтеза до 200 °С и более размеры зерен в слоях, синтезированных в аргоне и смеси Ar-H2 становятся близкими, что может быть связано с десорбцией водорода с поверхности роста и как следствие снижением его влияния на процессы синтеза слоев.
Композитные слои ZnO–SnO2
Другим относительно простым методом низкотемпературного синтеза гладких однородных аморфных оксидных слоев является метод осаждения в кинетическом режиме, реализующийся при магнетронном распылении композиционных оксидных мишеней, состоящих из равных или близких мольных долей компонентов с минимальной взаимной растворимостью. Нами были исследованы механизмы формирования, морфология и структура слоев ZnO–SnO2, синтезированных при комнатной температуре путем магнетронного распыления мишеней с различным соотношением компонент [10]. Рентгеноструктурные исследования показали, что в интервале содержания оксида олова от 34 до 50 мол. % наблюдается аморфизация слоев (рис.4).
На рис.5 представлена микрофотография скола низкотемпературной пленки ZTO, синтезированной при магнетронном распылении мишени ZnO–SnO2 (50/50). Можно видеть, что пленка имеет гладкую морфологию без видимых признаков структурирования.
ВЫВОДЫ
В работе продемонстрированы возможные пути низкотемпературного формирования функциональных аморфных слоев на основе оксида цинка для устройств гибкой прозрачной электроники новых поколений.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работы выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-19-00157) с привлечением оборудования Аналитического центра коллективного пользования ДФИЦ РАН.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Transparent Electronics; From Synthesis to Applications. Ed. by A. Facchetti and T. J. Marks / John Wiley & Sons, 2010, 470 p.
Nomura K., Ohta H., Takagi A., Kamiya T., Hirano M., Hosono H. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors, Nature, 2004. Vol. 432. PP. 488–492.
Yang T., Kuo D., Tang K. n-type Sn substitution in amorphous IGZO film by sol-gel method: A promoter of hall mobility up to 65 cm2/Vs, Journal of Non-Crystalline Solids, 2021. Vol. 553. P. 120503.
Flexible Electronics: Materials and Applications. Ed. by W.S. Wong and A. Salleo. Flexible Electronics: Materials and Applications / Springer Science & Business Media, 2009, 462 p.
Transparent Conductive Zinc Oxide. Basics and Applications in Thin Film Solar Cells. Ed. by K. Ellmer A. Klein B. Rech. / Springer Science & Business Media, 2007. 446 p.
Sieber I., Wanderka N., Urban I., Dörfel I., Schierhorn E., Fenske F., Fuhs W. Electron microscopic characterization of reactively sputtered ZnO films with different Al-doping levels, Thin Solid Films, 1988. Vol. 330(2). P. 108.
Абдуев А.Х., Асваров А.Ш., Ахмедов А.К., Зобов Е.М., Георгобиани А.Н., Шахшаев Ш.О. Влияние алюминия на механизм роста слоев ZnO:Al // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2004. № 2. C.34–41.
Song P.K., Watanabe M., Kon M., Mitsui A., Shigesato Y. Electrical and optical properties of gallium-doped zinc oxide films deposited by dc magnetron sputtering, Thin Solid Films, 2002. Vol. 411. P. 82.
Абдуев А.Х., Ахмедов А.К., Мурлиев Э.К., Асваров А.Ш. Магнетронный синтез тонких слоев ZnO в среде, содержащей водород. Труды XXVIII Научно-технической конференция "Вакуумная наука и техника", Судак, 16–21 cентября 2021 г. С. 182–186.
Абдуев А.Х., Ахмедов А.К., Асваров А.Ш. Исследование процессов синтеза слоев в системе ZnO–SnO2 / Журнал нано- и электронной физики. 2018. Т. 10, № 6. C. 06020.
А.Х.Абдуев1, доц., к.ф.-м.н., ORCID: 0000-0002-3948-1206 / a_abduev@mail.ru
А.Ш.Асваров2, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0001-6426-5006
А.К.Ахмедов2, к.ф.-м.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0002-9466-9842
Э.К.Мурлиев2, мл. науч. сотр., ORCID: 0009-0009-7742-8527
Аннотация. Проанализированы процессы магнетронного синтеза нанокристаллических и аморфных слоев на основе оксида цинка. Изучено влияние легирующих компонентов и уровня легирования на степень аморфизации слоев. Рассмотрено влияние водорода в составе атмосферы на структурное совершенство синтезируемых слоев. Показана зависимость структуры слоев ZnO–SnO2 от соотношения компонентов в распыляемых мишенях. Обсуждены механизмы формирования аморфных слоев на основе ZnO при магнетронных методах синтеза.
Ключевые слова: ZnO, тонкая пленка, напыление, аморфизация, магнетронное распыление, примесь
Для цитирования: А.Х. Абдуев, А.Ш. Асваров, А.К. Ахмедов, Э.К. Мурлиев. Анализ методов синтеза аморфных функциональных слоев на основе ZnO для устройств прозрачной электроники. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 6. С. 362–368. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.362.368
Received: 6.09.2023 | Accepted: 13.09.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.6.362.368
ВВЕДЕНИЕ
Стремительный рост объемов и номенклатуры различных приложений в индустрии прозрачной электроники предполагает поиск новых перспективных материалов и технологий их синтеза. Исследования последних десятилетий показывают явный тренд к переходу от монокристаллической кремниевой электроники к широкому использованию в качестве базового материала различных поликристаллических и аморфных оксидных композиций [1]. Значимой вехой в этом направлении явилось создание канала активноматричных тонкопленочных транзисторов на основе сложной аморфной оксидной системы In-Ga-Zn-O (a-IGZO) [2].
Причины вытеснения кремниевых функциональных слоев из прозрачной электроники различны. Прежде всего, это связано с тем, что кремний – непрозрачный материал. В то же время подвижность носителей в альтернативных аморфных оксидных материалах a-IGZO (около 10 см2 В–1 с–1) на порядок выше, чем у в слоях на основе аморфного гидрогенизированного кремния (менее 1 см2 В–1 с–1).
Внедрение слоев на основе системы a-IGZO в ЖК индустрию привело к активизации работ, направленных на дальнейшее улучшение их электрических и оптических характеристик. Так, в [3] сообщается о значительном росте полевой подвижности носителей заряда в сложной аморфной оксидной системе IGZTO (In-Ga-Zn-Sn-O). Значительному росту интереса к аморфным оксидным системам способствовало также появление и интенсивное развитие нового направления в прозрачной электронике – гибкой электроники на полимерных носителях [4], для которой формулируются и новые дополнительные требования к используемым материалам и технологиям. В частности, применение полимерных материалов предполагает существенное снижение температур синтеза и постобработок функциональных слоев с сохранением их высоких электрических и оптических характеристик. Одним из возможных путей решения задачи низкотемпературного синтеза функциональных слоев с высокими характеристиками является создание нового класса функциональных покрытий на основе многослойных структур с модулированным легированием по толщине [5]. При этом существенно возрастают требования к морфологии и структуре единичных слоев. Единичные слои должны иметь плотную однородную аморфную структуру с минимальным рельефом, а используемые технологии должны обеспечивать раннюю коалесценцию слоев и формирование плотных беспористых межслоевых интерфейсов.
Настоящая работа посвящена анализу литературных данных и результатов, полученных авторами при исследовании механизмов формирования аморфных оксидных слоев различными методами осаждения.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Слои ZnO:Al
В [6] исследовано влияние уровня содержания легирующей примеси на морфологию и структуру слоев ZnO : Al. Авторы показали, что с ростом содержания алюминия до 8,6 ат. % растет толщина формирующегося на подложке нанокристаллического подслоя, способствующего снижению рельефа поверхности слоев и аморфизации их структуры (рис.1).
Нами были исследованы структурные трансформации в слоях ZnO : Al, синтезированных методом спрей-пиролиза [7]. Было показано, что увеличение содержания алюминия в слоях до 10 ат. % приводит к аморфизации структуры. В выдвинутой модели аморфизации предполагается, что атомы алюминия, находясь в ряду активности металлов значительно левее цинка, не встраиваются в решетку ZnO, а локализуясь на поверхности зерен ZnO, создают новые центры кристаллизации, увеличивая удельную поверхность межзеренных границ (рис.2).
Влияние водорода в составе рабочего газа на структуру слоев ZnO
В работе [8] было изучено влияние уровня содержания водорода в составе рабочего газа на структуру слоев ZnO : Ga, синтезированных методом dc магнетронного распыления (рис.3).
Показано, что увеличение содержания водорода в камере до 15% приводит к существенному уменьшению размеров зерен с 24 до 3 нм и росту стабильности электрических характеристик в слоях, синтезируемых при комнатной температуре. Можно полагать, что снижение размеров зерен в слоях, синтезированных в среде водорода обусловлено формированием новых водородных центров кристаллизации.
Нами также были выполнены исследования процессов магнетронного синтеза слоев ZnO : Ga в атмосфере Ar и Ar-H2 в широком диапазоне температур подложек [9]. В табл.1 приведены сравнительные данные рентгеноструктурных исследований слоев, синтезированных при различных температурах в различных атмосферах.
Слои, синтезированные в среде Ar-H2 при температуре 50 °С, имеют размеры зерен около 2 нм, что близко к результатам, полученным в [8]. В то же время размеры зерен в слоях, синтезированных в атмосфере чистого аргона существенно выше – около 13 нм. Мы полагаем, что при низких температурах синтеза водород, адсорбируясь на поверхности роста, формирует новые центры кристаллизации, уменьшая размер зерен. При увеличении температуры синтеза до 200 °С и более размеры зерен в слоях, синтезированных в аргоне и смеси Ar-H2 становятся близкими, что может быть связано с десорбцией водорода с поверхности роста и как следствие снижением его влияния на процессы синтеза слоев.
Композитные слои ZnO–SnO2
Другим относительно простым методом низкотемпературного синтеза гладких однородных аморфных оксидных слоев является метод осаждения в кинетическом режиме, реализующийся при магнетронном распылении композиционных оксидных мишеней, состоящих из равных или близких мольных долей компонентов с минимальной взаимной растворимостью. Нами были исследованы механизмы формирования, морфология и структура слоев ZnO–SnO2, синтезированных при комнатной температуре путем магнетронного распыления мишеней с различным соотношением компонент [10]. Рентгеноструктурные исследования показали, что в интервале содержания оксида олова от 34 до 50 мол. % наблюдается аморфизация слоев (рис.4).
На рис.5 представлена микрофотография скола низкотемпературной пленки ZTO, синтезированной при магнетронном распылении мишени ZnO–SnO2 (50/50). Можно видеть, что пленка имеет гладкую морфологию без видимых признаков структурирования.
ВЫВОДЫ
В работе продемонстрированы возможные пути низкотемпературного формирования функциональных аморфных слоев на основе оксида цинка для устройств гибкой прозрачной электроники новых поколений.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работы выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-19-00157) с привлечением оборудования Аналитического центра коллективного пользования ДФИЦ РАН.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Transparent Electronics; From Synthesis to Applications. Ed. by A. Facchetti and T. J. Marks / John Wiley & Sons, 2010, 470 p.
Nomura K., Ohta H., Takagi A., Kamiya T., Hirano M., Hosono H. Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors, Nature, 2004. Vol. 432. PP. 488–492.
Yang T., Kuo D., Tang K. n-type Sn substitution in amorphous IGZO film by sol-gel method: A promoter of hall mobility up to 65 cm2/Vs, Journal of Non-Crystalline Solids, 2021. Vol. 553. P. 120503.
Flexible Electronics: Materials and Applications. Ed. by W.S. Wong and A. Salleo. Flexible Electronics: Materials and Applications / Springer Science & Business Media, 2009, 462 p.
Transparent Conductive Zinc Oxide. Basics and Applications in Thin Film Solar Cells. Ed. by K. Ellmer A. Klein B. Rech. / Springer Science & Business Media, 2007. 446 p.
Sieber I., Wanderka N., Urban I., Dörfel I., Schierhorn E., Fenske F., Fuhs W. Electron microscopic characterization of reactively sputtered ZnO films with different Al-doping levels, Thin Solid Films, 1988. Vol. 330(2). P. 108.
Абдуев А.Х., Асваров А.Ш., Ахмедов А.К., Зобов Е.М., Георгобиани А.Н., Шахшаев Ш.О. Влияние алюминия на механизм роста слоев ZnO:Al // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2004. № 2. C.34–41.
Song P.K., Watanabe M., Kon M., Mitsui A., Shigesato Y. Electrical and optical properties of gallium-doped zinc oxide films deposited by dc magnetron sputtering, Thin Solid Films, 2002. Vol. 411. P. 82.
Абдуев А.Х., Ахмедов А.К., Мурлиев Э.К., Асваров А.Ш. Магнетронный синтез тонких слоев ZnO в среде, содержащей водород. Труды XXVIII Научно-технической конференция "Вакуумная наука и техника", Судак, 16–21 cентября 2021 г. С. 182–186.
Абдуев А.Х., Ахмедов А.К., Асваров А.Ш. Исследование процессов синтеза слоев в системе ZnO–SnO2 / Журнал нано- и электронной физики. 2018. Т. 10, № 6. C. 06020.
Отзывы читателей
