Многокомпонентные металлооксиды на основе ZnO и SnO2 для использования в тонкопленочных прозрачных транзисторах Белоусов Сергей Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Электрофизические свойства оксида цинка (ZnO), оксида олова (SnO2), станната цинка (Zn2SnO4) и применение их в тонкопленочных прозрачных транзисторах 8

1.1 Основные электрофизические свойства оксида цинка 8

1.1.1 Применение оксида цинка в электронике 8

1.1.2 Кристаллическая структура оксида цинка 9

1.1.3 Зонная структура ZnO

1.2 Применение оксида цинка в TTFT 14

1.3 Основные электрофизические свойства диоксида олова (SnO2)

1.3.1 Применение диоксида олова в электронике 27

1.3.2 Кристаллическая структура диоксида олова 29

1.3.3 Зонная структура диоксида олова

1.4 Применение диоксида олова в TTFT 32

1.5 Основные электрофизические свойства станната цинка

1.5.1 Применение станната цинка в электронике 37

1.5.2 Кристаллическая структура станната цинка

1.6 Применение Zn2SnO4 в TTFT 41

1.7 Подзатворные диэлектрики на основе TiO2 применяемые в TTFT 47

Выводы к главе 1 49

Глава 2. Методика эксперимента 51

2.1 Методы изготовления тонких металлооксидных пленок 51

2.1.1 Ионно-лучевой метод напыления пленок 51

2.1.2 Метод магнетронного распыления пленок

2.2 Метод рентгеновского микроанализа 55

2.3 Оптические методы исследования параметров металлооксидов 56

2.4 Методика измерения толщин металлооксидных пленок 60

2.5 Методика измерения электрических параметров 63

2.5.1 Четырехзондовый метод определения удельного сопротивления 63

2.5.2 Метод Ван-дер-Пау для измерения удельного сопротивления 67

2.5.3 Измерение подвижности и концентрации методом эффекта Холла 68

Выводы к главе 2 70

Глава 3. Исследование характеристик многокомпонентных металлооксидов применяемых в тонкопленочных прозрачных транзисторах 71

3.1 Прозрачные проводящие материалы для применений в TTFT 71

3.2 Исследование электрофизических свойств пленок ITO 72

3.3 Электрофизические свойства TiO2 + SiO2 74

3.3.1 Измерение вольт-фарадных характеристик пленок TiO2 + SiO2 77

3.4 Исследование электрофизических свойств пленок Zn2SnO4 80

3.4.1 Электрофизические свойства пленок (SnO2)x(ZnO)1-x партии №1279 81

3.4.2 Электрофизические свойства пленок Zn2SnO4 партии №1377 91

Выводы к главе 3 99

Глава 4. Разработка макетного образца тонкопленочного прозрачного транзистора на основе ZTO 100

4.1 Конструкция TTFT на основе ZTO 100

4.2 Маски для напыления структур 102

4.3 Исследование оптических свойств двухслойных структур ITO – TiO2 105

4.4 Исследование электрических свойств двухслойных структур ITO – TiO2 108

4.5 Применение теневых масок для напыления канала ZTO 110

4.6 Исследование оптических свойств трехслойных структур ITO – TiO2 – ZTO 112

Выводы к главе 4 113

Основные результаты и выводы 114

Список литературы 115

• Применение оксида цинка в TTFT
• Оптические методы исследования параметров металлооксидов
• Электрофизические свойства пленок (SnO2)x(ZnO)1-x партии №1279
• Исследование оптических свойств двухслойных структур ITO – TiO2

Введение к работе

Актуальность темы. К концу XX века появилась возможность изготовления прозрачных дисплеев, так как уже были разработаны достаточно стабильные органические светоизлучающие диоды (OLED). В связи с этим возникла необходимость разработки прозрачного транзистора. Первый прозрачный транзистор был сделан в США в 2003 году. Традиционный электронный компонент – транзистор обрёл необычные свойства, что позволило открыть дорогу новым его применениям.

Прозрачные материалы, которые проводят электричество, известны с сороковых годов прошлого века. Они нашли применение в ЖК-дисплеях, солнечных батареях, ветровых стеклах автомобилей и пр. Но появление прозрачных транзисторов открыло значительно больший простор для разработки информационных систем будущего. Тонкопленочные прозрачные транзисторы (TTFT) в настоящее время являются одной из наиболее перспективных тем для исследований в области прозрачной электроники. Исследованиями по данной тематике заняты такие известные компании, как Canon, JDI, Samsung и LG. Ведутся активные разработки металлооксидных материалов применяемых в TTFT, совершенствуются конструкции и улучшаются характеристики устройств. TTFT применяются при разработке нового поколения прозрачных электронных приборов, однако ещё имеется ряд нерешенных проблем, связанных с дороговизной материалов, недостаточной прозрачностью и нестабильностью параметров, поэтому выбранная тема настоящего исследования является актуальной.

Целью работы является разработка многокомпонентных металлооксид-ных материалов с заданными свойствами таких, как TiO₂ + SiO₂ и ZnO + SnO₂, в качестве элементов конструкции тонкопленочных прозрачных транзисторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить оптимальный состав металлооксидных пленок TiO₂ + SiO₂
для изготовления прозрачного подзатворного диэлектрика TTFT.

2. Оценить возможность использования аморфных пленок ZnSnO₃ и
Zn₂SnO₄ в качестве прозрачных проводящих элементов TTFT (затвора, истока и
стока), а также в качестве канала.

3. Отработать технологию напыления двухслойных структур: затвор (ITO)
– диэлектрик (TiO₂) и трехслойных структур: затвор (ITO) – диэлектрик (TiO₂)
– канал (ZTO) и исследовать их оптические свойства.

4. При магнетронном распылении ZTO оценить возможность использова
ния теневых масок для изготовления TTFT.

5. Разработать макетный образец TTFT на основе ZTO.
Объекты исследования:

1. Пленки TiO₂ + SiO₂ с различным содержанием кремния: 2, 4 и 8 ат. %.

2. Аморфные металлооксидные пленки ZnSnO₃ и Zn₂SnO₄.

3. Двухслойные структуры ITO - TiO₂ (затвор - диэлектрик) и трехслойные структуры ITO - TiO₂ - ZTO (затвор - диэлектрик - канал).

Научная новизна результатов работы:

4. Установлено, что пленка TiO₂ + SiO₂ толщиной 180 нм с содержанием кремния 8 ат. % обладает диэлектрической проницаемостью е = 17,4, обеспечивает удельную емкость C_g = 0,86 мФ/м² и может быть использована в качестве подзатворного диэлектрика TTFT.

5. Полученные при соотношениях оксидов ZnO к SnO₂ как 1:1 и 2:1 аморфные пленки ZnSnO₃ и Zn₂SnO₄ обладают высокой электропроводностью и прозрачностью и не требуют дополнительных термообработок для стабилизации параметров.

6. Установлено, что различное содержание кремния (2, 4 и 8 ат. %) в пленке диэлектрика не оказывает заметного влияния на оптические свойства двухслойных структур (ITO - TiO₂) и трехслойных структур (ITO - TiO₂ -ZTO).

Практическая значимость:

7. Металлооксидные пленки TiO₂ + SiO₂ могут применяться в качестве прозрачного подзатворного диэлектрика TTFT, в конденсаторах и в качестве защитных покрытий.

8. Установлено, что пленка ZTO c соотношение оксидов ZnO к SnO₂ как 1:1 (ZnSnO₃) может быть применена для изготовления прозрачного канала TTFT, а пленка с соотношение оксидов ZnO к SnO₂ как 2:1 (Zn₂SnO₄) - для изготовления прозрачных проводящих областей: истока, стока и затвора TTFT. Также пленки могут применяться в качестве просветляющих покрытий.

9. Технологические режимы напыления двухслойных структур: затвор (ITO) - диэлектрик (TiO₂) и трехслойных структур: затвор - диэлектрик - канал (ZTO) могут быть использованы при производстве изделий прозрачной электроники.

10. Изготовленные теневые маски могут применяться для напыления элементов конструкции TTFT, с длиной канала превышающей 200 мкм.

Достоверность результатов.

Результаты измерений характеристик тонких пленок получены на сертифицированном оборудовании кафедр полупроводниковой электроники и нано-электроники и физики твердого тела ФГБОУ ВО «ВГТУ», кафедры материаловедения и индустрии наносистем ФГБОУ ВО «ВГУ» и АО «ВЗПП-Микрон». При измерении электрофизических параметров тонких пленок металооксидов показана воспроизводимость характеристик от образца к образцу, а ряд результатов совпадает с литературными данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

11. Наиболее подходящим для подзатворного диэлектрика прозрачного тонкопленочного транзистора из пленок TiO₂ + SiO₂ с содержанием кремния 2, 4 и 8 ат. % является состав TiO₂ + 8 ат. % Si, обеспечивающий удельную емкость C_g = 0,86 мФ/м² при толщине 180 нм.

12. При соотношении оксидов ZnO к SnO₂ как 1:1 образуется аморфная пленка ZnSnO₃, электрофизические свойства которой позволяют использовать её в качестве канала тонкопленочного прозрачного транзистора.

13. При соотношении оксидов ZnO к SnO₂ как 2:1 образуется аморфная пленка Zn₂SnO₄, электрофизические свойства которой позволяют применять её для изготовления истока, стока и затвора прозрачного тонкопленочного транзи-стора (п = 910¹⁷ см-³; _м = 18 см²/(Вс)).

14. Двухслойные структуры ITO - TiO₂ и трехслойные ITO - TiO₂ - ZTO по своим оптическим свойствам подходят для изготовления элементов конструкции прозрачного тонкопленочного транзистора.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, магистрантов и студентов (Воронеж, ФГБОУ ВО «ВГТУ», 2014-2017 гг.); на 1-ой Международной научно-практической конференции «Антропоцентрические науки: инновационный взгляд на образование и развитие личности» (Воронеж, ФГБОУ ВО «ВГТУ», 2014 г.); на XXIII-ой международной научной конференции «Релаксационные явления в твёрдых телах» (Воронеж, 2015 г.) и на всероссийской научной конференции «Системы обеспечения техносферной безопасности» (Таганрог, ЮФУ, 2016 г.).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК, и патент РФ на полезную модель.

В совместных работах автор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении эксперимента, в обсуждении полученных результатов и подготовке работ к печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 182 наименований. Работа изложена на 134 страницах, содержит 12 таблиц и 67 рисунков.

Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания министерства науки и образования РФ (грант № 3.574.2014/K) на выполнение научно-исследовательской работы в сфере научной деятельности.

Применение оксида цинка в TTFT

Прозрачные проводящие материалы (TCO – transparent conductive oxides) известны с сороковых годов 20 века. Благодаря своей высокой прозрачности и хорошей проводимости, данные материалы нашли применение в производстве жидкокристаллических дисплеев, индикаторных панелей датчиков и устройств контроля, солнечных элементов, встроенных электронных устройств ветровых стёкл автомобилей и пр. Но изобретение тонкопленочных прозрачных транзисторов (TTFT – transparent thin-film transistor) позволило значительно расширить простор для новых разработок прозрачной микро- и наноэлектроники в современном мире.

Прозрачные тонкопленочные транзисторы (TTFT) можно рассматривать как класс полевых транзисторов, где основной упор делается на обработку больших площадей и низкие температуры, в то время как полевые транзисторы на основе оксидов металлов (MOSFET – МОП-транзистор) в основном сконцентрированы на высокой производительности за счет значительно более высоких температур обработки [34]. В МОП-транзисторах чаще всего используется кремниевая пластина, действующая в качестве подложки и полупроводника, тогда как в TTFT используется подложка изолятора (стекло, сапфир и др.), которая не является активным элементом устройства. Кроме того, режим работы также различается между полевым МОП-транзистором и TTFT. В то время как работа первого основана на инверсии, работа TTFT основана на насыщении.

В зависимости от расположения слоев обычно рассматриваются четыре наиболее типичные структуры TTFT [34]. Слои могут располагаться либо в ступенчатом порядке, либо иметь компланарную структуру (независимо от того, находятся ли сток/исток и затвор на одной или на разных сторонах полупроводника). В зависимости от положения затвора различают структуры с верхним расположением затвора и с нижним затвором. Наиболее типичные структуры TTFT представлены на рисунке 1.3.

Каждая из этих структур имеет свои преимущества и недостатки, а с точки зрения изготовления выбор одной из них зависит от процессов осаждения, температуры последующей обработки и количества литографических масок. Например, ступенчатые структуры с нижним расположением затвора обычно используются в тех случаях, когда диэлектрический слой требует высокой температуры обработки, в то время как копланарные структуры с верхним расположением затвора являются общими для высокотемпературных полупроводников, таких как поли-Si [34].

В 2003 году Masuda и др. изготовили первый прозрачный транзистор TTFT с использованием оксида цинка в качестве канала [35]. Слои ZnO осаждали, используя импульсное лазерное напыление при 450 С при давлении кислорода 3 мTorr. В качестве подложек использовали пластины кремния и стекло, рисунок 1.4. Напыленный металлооксид имел концентрацию носителей заряда менее 51016 см-3. Двухслойный диэлектрик затвора, состоящий из слоя SiO2 и слоя SiNx, оказался довольно эффективным для подавления токов утечки и обеспечения успешного функционирования тонкопленочного прозрачного транзистора на основе ZnO (ZnOTFT).

Отношение тока включения прибора к току в выключенном состоянии (Ion/Ioff) для ZnOTFT изготовленного на Si-пластинах было более 105, а оптический коэффициент пропускания ZnOTFT, изготовленного на стекле, составлял более 80 %. Для верхних электродов стока и истока был выбран индий, так как работа выхода стока и истока должна быть небольшой, чтобы обеспечить хороший омический контакт с полупроводником n-типа. Поскольку индий очень мягкий, он практически не оказывал нагрузки на канал ZnO. Размер индиевого электрода составлял 2 мм 1 мм.

Hoffman и др. также в 2003 году изготовили TTFT ступенчатой структуры на основе оксида цинка с нижним расположением затвора [36]. Материал канала ZnO толщиной 100 нм синтезирован с помощью ионно-лучевого распыления.

Затвор, исток и сток изготовлен из ITO (оксид индия-олова). Подзатворный диэлектрик состоял из ATO (оксида алюминия-титана). Изготовленные тонкопленочные транзисторы на основе оксида цинка обладали оптической прозрачностью, включая подложку, 75 % в видимой части спектра. Отношение тока включения/выключения Ion/Ioff этих устройств было 107. Пороговые напряжения и подвижность материала канала приборов, составили от 10 до 20 В и от 0,3 до 2,5 см2/(Вс), соответственно. Воздействие окружающего света практически не оказывало заметного влияния на ток стока. Напротив, облучение интенсивным ультрафиолетовым излучением приводило к стойкой фотопроводимости, связанной с созданием электронно-дырочных пар ультрафиолетовыми фотонами с энергиями, превышающими ширину запрещенной зоны ZnO. Светочувствительность уменьшалась за счет уменьшения толщины слоя канала ZnO [36]. Перспективным применением прозрачных TFT на основе ZnO является их использование в качестве селективных транзисторов в каждом пикселе жидкокристаллического дисплея с активной матрицей.

В 2004 году Hoffman и др. продолжили свою работу над ZnOTFT с нижним расположением затвора [37]. В этот раз материал канала был синтезирован высокочастотным распылением из оксидной мишени. В качестве подложек использовали термически окисленный кремний. При оценке электрических характеристик приборов особое внимание было уделено измерению и интерпретации подвижности транзисторных каналов. Подвижность ZnO-канала TTFT имела значительное отклонение от идеальной модели TTFT. Методология измерения подвижности была соответственно переделана, чтобы обеспечить понимание работы устройства. Hoffman и др. разработали и предложили два вида подвижности материала канала в качестве инструмента в описании неидеальных TTFT: среднюю подвижность как функцию от напряжения затвор-исток, AVG (VGS) и добавочную подвижность как функцию от напряжения затвор-исток, INC (VGS). Эти показатели подвижности используются для характеристики TTFT-сигналов на основе ZnO. Измеренное значение подвижности INC в работе [37] достигало 25 см2/(Вс), что существенно больше подвижности ZnO-канала TTFT по сравнению с ранее сообщаемыми данными для таких устройств.

Для TTFT транзисторов значение средней подвижности AVG как правило меньше значения добавочной подвижности INC из-за преобладания захвата носителей ловушками [38]. Средняя подвижность AVG является усредненной подвижностью всех носителей заряда в материале канала, включая носители, не вносящие вклад в ток стока, хотя они и захватываются ловушками. Но, для классического полевого MOSFET-транзистора, наоборот, значение добавочной подвижности INC обычно меньше значения средней подвижности AVG [38]. Такое может наблюдаться вследствие того, что захват носителей заряда ловушками слабо оказывает влияние на работу MOSFET-транзистора по сравнению с влиянием рассеивания носителей заряда на границах зерен.

Далее в 2005 году появились работы, в которых исследовались ZnOTFT, изготовленные высокочастотным распылением и не требующие дальнейшего отжига [39, 40]. Интересно отметить, что авторы этих работ успешно применяли различные параметры осаждения слоев оксида цинка: высокое давление / малая мощность в [39] и низкое давление / высокая мощность в [40]. В этих работах в качестве подзатворного диэлектрика использовался оксид алюминия, изготовленный методом физического осаждения из паровой фазы с испарением электронным пучком, и буферный слой из композита: оксид алюминия - оксид титана. Показано, что электрические свойства TFT на основе ZnO сильно зависят от парциального давления кислорода в распыляемой среде. В работах были продемонстрированы ZnOTFT с подвижностью, достигающей 50 см2/(Вс). Кроме того, были продемонстрированы ZnOTFT с нижним расположением затвора на гибких полиимидных подложках [39]. Все пленки были синтезированы при комнатной температуре. Устройство, изготовленное в работе [40] было синтезировано послойно, имело ITO затвор, диэлектрик Si2N2O (оксинитрид кремния), канал из оксида Zn и исток и сток из ZnO легированного галлием. Это был первый прозрачный тонкопленочный транзистор на основе оксида цинка, изготовленный полностью при комнатной температуре и не требующий дальнейшей обработки. Прозрачность TTFT составила 84 % и подвижность носителей 70 см2/(Вс).

Оптические методы исследования параметров металлооксидов

Оптические методы исследования параметров металлооксидов являются бесконтактными и неразрушающими. Самым распространённым видом оптических исследований является измерение оптического коэффициента пропускания. Исследования высокой точности не представляют больших сложностей, а результаты могут быть легко объяснены. Оборудование для измерения коэффициента оптического пропускания выпускается в РФ такими фирмами как АО «ЛОМО» (г. Санкт-Петербург) и ЗАО «Спектроскопические системы» (г. Москва). Измерения коэффициента пропускания в данной работе были проведены на спектрофотометре второй фирмы СПЕКС ССП-715-М.

Спектрофотометр СПЕКС ССП-715-М предназначен для исследования оптического коэффициента пропускания жидких и твердых образцов в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Оптическая схема двухлучевая с полосой пропускания 1,8 нм. Спектральный диапазон измерений 190 – 1100 нм. Диапазон измерений оптического коэффициента пропускания 0,1 – 100,0 %. Спектрофотометр может применяться для решения различных задач, включающих в себя получение спектров и их обработку, качественный и количественный анализ [154].

Принцип действия спектрофотометра СПЕКС ССП-715-М основан на спектрально-избирательном поглощении света, проходящего через твердые или жидкие образцы. Спектрофотометр представляет собой стационарный настольный моноблочный прибор, включающий в себя электронную часть, механическую и оптическую (рисунок 2.4). Галоген-вольфрамовая и дейтериевая лампы используются в качестве источников излучения в приборе. Дифракционная решетка, фильтры и детектор точечного типа составляют систему регистрации оптического излучения.

Погрешность измерений оптических величин составляет ± 0,3 % T. Повторяемость оптических измерений в пределах ± 0,2 % T. Прибор имеет три скорости сканирования – высокая, средняя и низкая.

Управление работой спектрофотометра СПЕКС ССП-715-М осуществляется с помощью микроконтроллера и клавиатуры на панели управления. Обработка результатов измерений производится с помощью операционной системы встроенного программного обеспечения, которое устанавливается во внутреннюю память микроконтроллера.

На панели управления прибора расположен дисплей, на который могут выводиться результаты измерений, различные параметры, связанные с конкретным режимом измерения. Также спектрофотометр обладает возможностью управления с персонального компьютера с использованием внешнего программного обеспечения (ПО) «УФ-ВИД СПЕКС». Прикладная программа позволяет расширить возможности прибора при обработке результатов, делает работу с прибором более удобной в плане визуализации процесса измерения [154].

При работе прибора оптическое излучение от источника фокусируется и попадает на монохроматор. Коллимирующее зеркало перенаправляет луч света на дифракционную решетку, которая закреплена на стержне шагового двигателя.

Дифракционная решетка в зависимости от длины волны из немонохроматического света выделяет спектральные составляющие. Пройдя через монохроматор, световой поток разделяется на два луча, один из которых в кюветном отделении идёт на эталонный канал (кювету с эталонным образцом), а другой на кювету с исследуемым образцом. Детектор излучения прибора СПЕКС

ССП-715-М представляет собой кремниевый фотодиод, который преобразует поток излучения в электрический сигнал. Далее происходит обработка электрического сигнала и вывод результата на дисплей приборной панели [155].

В результате измерений на спектрофотометре СПЕКС ССП-715-М были получены спектры пропускания исследуемых образцов, но для определения характеристик зонной структуры полупроводника необходимо проводить анализ спектра поглощения, поэтому существует методика, по которой из коэффициента пропускания, полученного экспериментально, вычисляют коэффициент поглощения [156].

Коэффициент пропускания T это отношение интенсивности оптического излучения, которое прошло через образец IT к интенсивности падающего на него оптического излучения I0:

Если произведение ad велико, то вторым членом в знаменателе можно пренебречь и тогда, пропускание можно вычислить так

Без учёта коэффициента отражения R, интенсивность света, прошедшего через образец толщиной d, определяется по закону Бугера – Ламберта – Бера

Тогда коэффициент поглощения а может быть определен по формуле

Таким образом, используя данную формулу, можно получить спектр поглощения образца в зависимости от длины волны. Но для дальнейшего анализа нужно получить спектр поглощения в зависимости от энергии. Зная длину волны, можно воспользоваться следующей формулой вычисления энергии [157]

Электрофизические свойства пленок (SnO2)x(ZnO)1-x партии №1279

Измерение толщин пленок (SnO2)x(ZnO)1-x партии №1279 проводилось на микроинтерферометре МИИ-4. Образцы предварительно очистили этиловым спиртом, высушили на воздухе и корундом сделали на них царапины. Результаты измерений толщин пленок партии №1279 представлены в таблице 3.4.

Средняя толщина синтезированных пленок (SnO2)x(ZnO)1-x составляет 2,9 ± 0,1 мкм, следовательно, средняя скорость роста пленок не превышала 10 нм/мин.

Методом энергодисперсионного анализа вторичных электронов на приборе JEOL JXA-840 провели рентгеновский микроанализ образцов (SnO2)x(ZnO)1-x. Режим измерения: ускоряющее напряжение 10 – 15 кэВ, диаметр пучка 1 мкм. Точность определения состава 0,1 ат. %. Распределение элементного состава атомов Zn, Sn и O в образцах (SnO2)x(ZnO)1-x №1 – 10 приведено в таблице 3.5, и наглядно на рисунке 3.9.

Анализ элементного состава синтезированных пленок показал, что распределение элементов Sn и Zn по всем образцам составило от 16,5 до 1 ат. % для олова и от 27,2 до 48,6 ат. % для Zn [168].

Таким образом, был изготовлен набор образцов (SnO2)x(ZnO)1-x со значениями x от 0,03 до 0,5. Свежеприготовленные пленки имели светло-коричневый цвет. Степень кристаллизации образцов и их фазовый состав контролировались методом рентгеновской дифракции на спектрометре D2 Phaser (Bruker). По данным рентгенофазового анализа все напыленные пленки имели аморфную структуру [173].

Для дальнейших исследований из набора синтезированных образцов были выбраны образцы №2 и №5 с содержанием цинка 27,2 ат. % (№2) и 40,7 ат. % (№5) и содержанием олова 14,9 ат. % (№2) и 10 ат. % (№5). Количество атомов цинка и олова в пленке №2 соответствует количеству оксидов ZnO и SnO2 в соотношении примерно 1:1 (51 % : 45 %), обозначим этот образец как ZTO1 (ZnSnO3). Количество атомов Zn и Sn в образце №5 соответствует количеству оксидов ZnO и SnO2 в соотношении примерно 2:1 (70 % : 30 %), обозначим этот образец как ZTO2 (Zn2SnO4). Толщина данных образцов практически одинакова и составляет 3 мкм.

Концентрация и подвижность носителей зарядов измерялась методом эффекта Холла в постоянном магнитном поле 0,63 Тл. Концентрация электронов в свежеприготовленных пленках составила для образца ZTO1 n = 61016 см-3, а для образца ZTO2 n = 91017 см-3. Подвижность свободных носителей зарядов для образца ZTO1 составила = 7 см2/(Вс) и для образца ZTO2 – =18 см2/(Вс). Таким образом, аморфные пленки (SnO2)x(ZnO)1-x для x = 0,3; 0,5 – образцы ZTO1 и ZTO2 характеризуются сравнительно высокими значениями концентрации и подвижности электронов. Электрические свойства пленки ZTO1 позволяют применять её в качестве материала для канала полевого тонкопленочного транзистора. Пленка ZTO2 по своим характеристикам подходит для применений в качестве прозрачных токопроводящих покрытий [173].

Сканирование поверхности на атомно-силовом микроскопе FemtoScan – 001 позволило получить представление о микрорельефе исследуемых тонких пленок. Визуализация проводилась средствами компьютерной графики в виде 2D изображений. Аморфные пленки, как правило, имеют небольшую шероховатость поверхности, что подтверждает анализ микрорельефа пленки ZTO2, представленный на рисунке 3.10. Шероховатость поверхности пленки не превышает 5 нм. Погрешность при измерениях достигала 2,5 %.

Для кристаллизации пленок ZTO1 и ZTO2 их подвергали температурной обработке при 580 С в течение 6 часов. Температура отжига была выбрана с учетом температуры кристаллизации станната цинка (575 С) [174] и ограничений связанных с размягчением подложек из стекла. После отжига рельеф поверхности пленки ZTO2 изменился, что подтверждается рисунком 3.11. Шероховатость поверхности пленки увеличилась до 12 нм и возросла плотность дефектов.

После отжига провели контроль степени кристаллизации образцов ZTO1 и ZTO2 и их фазовый состав методом рентгеновской дифракции XRD на установке D2 Phaser (Bruker). Рентгеновские спектры образцов ZTO1 и ZTO2 представлены на рисунках 3.12 и 3.13, соответственно. Пленка ZTO1 после отжига ещё полностью не кристаллизовалась и находится в аморфном состоянии с небольшим присутствием кристаллической фазы Zn2SnO4. А образец ZTO2 содержит кристаллическую фазу Zn2SnO4 с интенсивными рефлексами от плоскостей (311) и (622). Таким образом, можно сделать вывод, что для получения преобладающей фазы Zn2SnO4 необходимо выбирать соотношение оксидов ZnO к SnO2 как 2:1 [175, 176].

Фаза Zn2SnO4 характеризуется достаточно низкими значениями удельного сопротивления [175] и может быть использована в аморфном виде для изготовления проводящих элементов тонкопленочного прозрачного транзистора.

После отжига образцы ZTO1 и ZTO2 посветлели и стали более прозрачными, что подтверждается спектрами пропускания на рисунках 3.14 и 3.15.

Из спектрального расположения интерференционных максимумов на спектрах пропускания вычислили средние значения коэффициентов преломления и диэлектрической проницаемости пленок ZTO1 и ZTO2 в видимом диапазоне.

Для расчета использовалась зависимость коэффициента пропускания T от длины волны , которую применяют при замерах параметров эпитаксиальных слоев оптическими методами [157].

Так как при снятии спектров пропускания свет падает по нормали к образцу, то угол падения = 0, и, следовательно, sin2 = 0. Тогда выразив показатель преломления n из формулы (3.2), и учитывая, что пленки Zn2SnO4 не обладают магнитными свойствами, получим следующее выражение для вычисления коэффициента преломления по известной толщине [157]:

Результаты расчета средних значений коэффициентов преломления и диэлектрической проницаемости пленок ZTOi и ZT02 в видимом диапазоне по спектрам пропускания до и после отжига представлены в таблице 3.6.

Как видно из таблицы 3.6, после отжига значения коэффициентов преломления и диэлектрической проницаемости образцов ZTOi и ZT02 изменились не значительно.

Перестроение спектров пропускания в спектры поглощения для прямых оптических переходов в координатах (ahv)2 = f(hv) приведено на рисунке 3.16.

Зависимости (ahv)2 от энергии световых квантов позволяют оценить величину ширины запрещенной зоны. Из рисунка 3.16 находим, что ширина запрещенной зоны пленки ZTOi составляет около 3,4 эВ, а для пленки ZTO2 -около 3,2 эВ, что хорошо согласуется с данными, представленными в работе [103]. Экспериментально найденные значения ширины запрещенной зоны меньше по сравнению с монокристаллом (3,7 эВ) возможно вследствие избытка вакансий кислорода и большой дефектности.

Удельное сопротивление пленок ZTOi и ZTO2 после отжига сильно увеличилось и составило около 60 Омм [173]. Температурные зависимости слоевой проводимости пленок представлены на рисунке 3.17.

Исследование оптических свойств двухслойных структур ITO – TiO2

Первым экспериментальным этапом в разработке макетного образца тонкопленочного прозрачного транзистора является напыление диэлектрика TiO2 + SiO2 на высоко проводящую пленку затвора ITO. Тонкие диэлектрические пленки TiO2 + SiO2 с различным содержанием кремния (2, 4 и 8 ат. %) были распылены на установке магнетронного напыления Covap II на стеклянные подложки покрытые ITO. Образцы с пленками ITO закреплялись в специальных алюминиевых кассетах, таким образом, чтобы небольшая часть пленки ITO оставалась без напыления диэлектрика. В дальнейшем этот участок пленки ITO будет применен для создания контактов к затвору транзистора. Напыление проводилось в одном процессе с напылением на чистые стеклянные подложки. Таким образом, были получены три образца двухслойных структур «затвор – диэлектрик», отличающиеся между собой составом диэлектрических пленок TiO2 + 2, 4 и 8 ат. % Si. Оптические свойства двухслойных структур исследовались на двухлучевом спектрофотометре СПЕКС ССП-715-М.

Для сравнения в одной системе координат приведены спектры пропускания, как двухслойных структур, так и спектры пленок их составляющих. На рисунке 4.6 представлены спектры пропускания для состава диэлектрика TiO2 + 2 ат. % Si.

Пропускание двухслойной структуры ITO – TiO2 + 2 ат. % Si немного ниже, чем пропускание пленок, составляющих ее. Коэффициент пропускания в видимом диапазоне составляет 70 – 85 %. На рисунке 4.7 представлены спектры пропускания для состава TiO2 + 4 ат. % Si.

Пропускание двухслойной структуры «затвор – диэлектрик» для состава TiO2 + 4 % ат. Si ниже на 10 – 15 %, чем пропускание пленок, составляющих данную структуру. Коэффициент пропускания структуры ITO – TiO2+4 ат. % Si в видимом диапазоне составляет 60 – 85 %.

На рисунке 4.8 представлены спектры пропускания для состава TiO2 + 8 ат. % Si. Пропускание структуры всего на 5 – 10 % меньше пропускания пленок ITO и TiO2 + 8 ат. % Si, и составляет в видимом диапазоне спектра 70 – 85 %.

Для наглядного сравнения коэффициента пропускания всех двухслойных структур ITOiO2 построим спектры их пропускания в одних координатных осях, рисунок 4.9. Пропускание всех двухслойных структур «затвор – диэлектрик» практически одинаково в видимом диапазоне электромагнитного спектра и составляет 70 – 85 %. Можно сделать вывод, что на оптические свойства двухслойных структур ITOiO2 различное содержание кремния (2, 4 и 8 ат. %) заметного влияния не оказывает. Однако, как было установлено ранее в пункте 3.2.1 данной работы, по электрическим свойствам наиболее подходящим для применения TiO2 + 8 ат. % Si.