Electrophysical studies of ITO films.pdf Введение В настоящее время характеристики современных приборов микро- и наноэлектроники в значительной степени определяются низкоразмерными свойствами полупроводниковых материалов. В отличие от традиционных полупроводниковых материалов оксиды переходных металлов обладают более широким спектром электрофизических свойств, например сочетанием высокой электропроводности и высокого коэффициента пропускания в видимой части спектра. С учетом этого все большую значимость приобретает новое направление развития электроники, базирующееся не на основе кремния, а на основе оксидных полупроводниковых материалов, - прозрачная электроника [1-3]. В связи с этим изучение электрофизических свойств прозрачных проводящих оксидов металлов является актуальной задачей. Наиболее используемый на данный момент в электронике материал такого класса - тонкие пленки оксида индия, легированного оловом (Indium Tin Oxide, ITO). Оксид индия относится к вырожденным полупроводникам n-типа [4] с широкой запрещенной зоной (от 3.6 до 4.3 эВ) при ширине зоны вырождения (3-5)kT. Наличие высокой концентрации электронов проводимости в пленках ITO обусловлено отклонением их состава от стехиометрии [5]. Электроны проводимости в таких пленках доставляются из донорных состояний, связанных с кислородными вакансиями или избытком ионов металла [3]. Относительно низкая энергия образования обычных прозрачных проводящих оксидов способствует большому дефициту кислорода даже в условиях равновесного роста [6]. Формула оксида индия в таком случае может быть записана как In2O3-x(V)x, где V - дважды заряженная вакансия кислорода донорного типа, поставляющая в зону проводимости два свободных электрона. Значения параметра x обычно менее 0.01 [7]. Концентрация свободных носителей заряда составляет 1019-1020 см-3. Повысить концентрацию электронов проводимости ITO-пленок удается путем их легирования четырехвалентным оловом, замещающим ионы In3+, и кислородными вакансиями, образованными во время роста пленок или в результате высокотемпературного отжига, проводимого после осаждения пленок, что приводит к образованию соединения In2-ySnyO3-2y-x(V)x. В результате такого легирования концентрация свободных носителей заряда возрастает до 1021 см-3, а их подвижность составляет от 10 до 30 см2/(Вс) [5]. В связи с наличием двух одновременно взаимодействующих механизмов электропроводности вопросом, требующим своего решения, является детальное исследование механизмов проводимости и электрофизических свойств тонких пленок ITO. Экспериментальная часть Изготовление образцов Экспериментальные образцы тонких пленок ITO для исследований напылялись на диэлектрических подложках методом реактивного магнетронного распыления мишени из сплава In(90 %)/Sn(10 %) в смеси газов O2 и Ar по технологии, апробированной нами ранее и описанной в [8]. Для более детального исследования электрофизических свойств пленок ITO и происходящих в них физических процессов синтез образцов производился в рабочей газовой смеси с соотношениями O2/Ar, при которых формируются оптически прозрачные пленки с низким удельным сопротивлением [9]: 13 % О2 + 87 % Ar с последующим отжигом образцов в атмосфере воздуха при температуре 600 ºС в течение 20 мин (далее технология № 1); 16 % О2 + 84 % Ar с последующим отжигом образцов в атмосфере N2 при температуре 600 ºС в течение 20 мин (далее технология № 2). Методы экспериментального исследования Измерение сопротивления осуществляли четырехзондовым методом. Электронно-кинетичес¬кие характеристики носителей зарядов (концентрация и подвижность) определяли путем проведения холловских измерений. Механизмы электропроводности оценивали по результатам анализа температурных зависимостей электропроводности образцов пленок ITO. Методики измерений указанных величин приведены в [10]. Результаты исследования удельного сопротивления и электронно-кинетических характеристик носителей заряда пленок ITO, осажденных в указанных режимах методом магнетронного рас¬пыления, приведены в таблице. Результаты исследования влияния условий получения на электрофизические характеристики пленок ITO Электрофизические характеристики Технология напыления пленок ITO № 1 № 2 Без отжига ρV, Ом•см 2.5•10-3 > 8.0 n, см-3 5.08•1019 - μ, см2/(В•с) 1.9 - После отжига ρV, Ом•см 2.0•10-4 1.5•10-4 n, см-3 9.09•1019 3.4•1019 μ, см2/(В•с) 14.4 57.7 Анализ электронно-кинетических характеристик носителей заряда пленок ITO показал, что высокотемпературный отжиг пленок ITO приводит к увеличению электропроводности пленок, что обусловлено увеличением одновременно как концентрации свободных носителей заряда, так и их подвижности. Увеличение концентрации свободных носителей, вероятнее всего, связано с тем, что в результате высокотемпературного отжига происходит активация примесных атомов SnIV, замещающих атомы InIII в узлах кристаллической решетки ITO, что хорошо согласуется с результатами, приведенными в [11, 12]. Одновременно происходит диффузия атомов кислорода, внедренных между узлами кристаллической решетки или расположенных на границах зерен, из объема пленки ITO в атмосферу. На наш взгляд, образующиеся кислородные вакансии и замещение трехвалентного индия на атомы четырехвалентного олова в узлах кристаллической решетки выступают в качестве доноров электронов, увеличивая их концентрацию. Увеличение подвижности носителей заряда, вероятно, происходит за счет процессов кристаллизации пленок в процессе отжига [12]. Это подтверждается исследованием фазового состава пленок ITO до и после отжига методом рентгенофазового анализа, результаты которого представлены на рис. 1. Анализ полученной рентгенограммы показал, что в процессе отжига пленок ITO происходит частичное образование кристаллической структуры в объеме пленки, однако большую часть пленки продолжает составлять аморфная фаза. При этом ориентация плоскостей отражения (222) преобладает и соответствует плотноупакованной плоскости [111], в направлении которой происходит наиболее интенсивный рост кристаллов. Рис. 1. Рентгенограмма пленок ITO до и после отжига По результатам исследований меньшим удельным сопротивлением обладают образцы, напыленные по технологии № 2 с последующим высокотемпературным отжигом в среде N2. На рис. 2 приведен спектр пропускания пленок ITO, изготовленных по этой технологии. При изучении механизмов электропроводности наиболее удобным методом является исследование температурной зависимости электропроводности, которая у полупроводников определяется температурной зависимостью как концентрации носителей заряда, так и их подвижности. Рис. 2. Спектр пропускания образцов пленок ITO, напыленных по технологии № 2 Теоретически для собственного полупроводника в координатах lnσ - f(1/T) эта зависимость является прямой линией с углом наклона, тангенс которого пропорционален ΔE0 / 2k [13]. В примесном полупроводнике зависимость lnσ - f(1/T) - более сложная. При низких температурах концентрация носителей заряда определяется интенсивностью процесса ионизации примесей, а μ ~ T 3/2. При высоких температурах большая часть носителей заряда получается за счет генерации пар, а μ ~ T -3/2. Таким образом, на зависимости lnσ - f(1/T) для примесного полупроводника просматриваются следующие участки. Для низких температур хорошо выделяется участок примесной электропроводности, показывающий ее рост с увеличением температуры. После того как примеси ионизированы, электропроводность может несколько уменьшаться за счет падения подвижности носителей. При дальнейшем увеличении температуры электропроводность примесного полупроводника увеличивается за счет собственной электропроводности. Измерения температурной зависимости электропроводности производили в диапазоне температур от 300 до 550 К при частоте 1 кГц и (рис. 3). Рис. 3. Температурная зависимость электропроводности пленок ITO без высокотемпературного отжига (а) и после проведения отжига (б) На построенных зависимостях электропроводности исследуемых пленок ITO от температуры можно выделить следующие характерные участки. В диапазоне от 300 до 430 К при увеличении температуры электропроводность экспериментальных образцов монотонно возрастает за счет ионизации примесных атомов Sn независимо от проведения высокотемпературного отжига. Рассчитанные на этом участке значения энергии активации для образцов пленок ITO без высокотемпературного отжига и с отжигом составили 0.0212 и 0.0017 эВ соответственно. Снижение энергии активации проводимости на порядок после проведения высокотемпературного отжига пленок указывает на уменьшение ширины энергетического зазора между зоной проводимости и валентной зоной, по всей видимости за счет образования в запрещенной зоне материала примесных уровней [14]. Это, в свою очередь, указывает на то, что в результате проведения высокотемпературного отжига примесь в пленках ITO становиться полностью электрически активной. При дальнейшем увеличении температуры нагрева исследуемых образцов изменение их электропроводности происходит не одинаково, что указывает на различие в доминирующих механизмах электропроводности. Электропроводность образцов, не подвергавшихся отжигу после напыления, с увеличением температуры выше 450 К продолжает возрастать (рис. 3, а). Очевидно, после напыления пленок ITO не вся примесь в них является активированной, и активация легирующей примеси происходит лишь при проведении высокотемпературного отжига, что и ведет к росту концентрации электронов проводимости. Электропроводность пленок, подверженных высокотемпературному отжигу после напыления, с увеличением температуры выше 450 К значительно снижается (рис. 3, б). Вероятно, это связано с истощением образующихся при синтезе пленок ITO примесных уровней, когда концентрация носителей заряда не увеличивается, а подвижность носителей продолжает падать, что указывает на металлический тип электропроводности. Выводы В результате исследования электрофизических свойств пленок ITO, напыленных методом реактивного магнетронного распыления, показано, что проведение отжига пленок при температуре 600 ºС сразу после напыления способствует значительному увеличению их электропроводности за счет увеличения подвижности носителей заряда и их концентрации. Выявлено, что в результате проведения отжига при температуре 600 ºС примесь в пленках ITO полностью становиться электрически активной, что приводит к смене механизма электропроводности от полупроводникового к металлическому. Переход к металлическому механизму электропроводности пленок ITO после их высокотемпературного отжига подтверждается изменением характера температурной зависимости электропроводности, а также снижением на порядок энергии активации проводимости. Установлено, что наилучшим сочетанием низкого удельного сопротивления и высокой оптической прозрачности обладают пленки ITO, полученные по технологии № 2 (распыление мишени In(90 %)Sn(10 %) в среде рабочей газовой смеси О2(16 %)/Ar(84 %)) с последующим отжигом в атмосфере N2 при 600 ºС в течение 20 мин: ρV = 1.5•10-4 Ом•см, n = 3.4•1019, μ = 57.7 см2/(В•с), пропускание в видимой области более 80 %.

Скачать электронную версию публикации