Особенности локализации примеси Al, Ga и In в слоях на основе ZnO
А.К. Ахмедов1, А.Ш. Асваров2, Э.К. Мурлиев1, З.В. Шомахов3
1 Институт физики им. Х.И. Амирханова – обособленное подразделение ФГБУН «Дагестанский федеральный исследовательский центр Российской академии наук»
2 Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ «Курчатовский институт»
3 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.575
Оригинальная статья
Аннотация: Снижение стоимости используемых материалов и технологий формирования функциональных слоев является одной из актуальнейших задач интенсивно развивающейся индустрии прозрачной электроники. В этом ключе особый интерес представляют магнетронные слои на основе легированного оксида цинка, рассматриваемые в качестве реальной альтернативы слоям на основе более дорогого оксида индия при формировании прозрачных электродов в различных оптоэлектронных приложениях. Однако выбор оптимальных составов слоев и режимов их синтеза для каждого конкретного приложения осложняется недостатком систематизированных сравнительных данных по этим системам, полученных в идентичных условиях. В данной работе в идентичных условиях методом магнетронного распыления были получены слои ZnO, легированного Al, Ga и In на уровне от 1 до 20 ат.%. Исследована зависимость структуры и электрическиххарактеристик слоев оксида цинка от уровня внесения легирующей примеси и температуры осаждения. Установлено, что ключевыми факторами, определяющими поведение примеси в матрице оксида цинка, являются ее химическая активность, растворимость в матрице оксида цинка, ионный радиус легирующего металла в данной координации, а также электрические характеристики самостоятельных оксидных фаз легирующих металлов, образующихся на границах зерен.
Ключевые слова: тонкая пленка, магнетронное распыление, прозрачный электрод, оксид цинка, легирование, транспорт носителей, микроструктура, граница зерен
- Ахмедов Ахмед Кадиевич – к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Центра высоких технологий, Институт физики им. Х.И. Амирханова – обособленное подразделение ФГБУН «Дагестанский федеральный исследовательский центр Российской академии наук»
- Асваров Абил Шамсудинович – к.ф.-м.н., старший научный сотрудник лаборатории роста тонких пленок и неорганических наноструктур, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ «Курчатовский институт»
- Мурлиев Эльдар Камильевич – младший научный сотрудник Центра высоких технологий, Институт физики им. Х.И. Амирханова – обособленное подразделение ФГБУН «Дагестанский федеральный исследовательский центр Российской академии наук»
- Шомахов Замир Валериевич – к.ф.-м.н., директор института искусственного интеллекта и цифровых технологий, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
Ссылка на статью:
Ахмедов, А.К. Особенности локализации примеси Al, Ga и In в слоях на основе ZnO / А.К. Ахмедов, А.Ш. Асваров, Э.К. Мурлиев, З.В. Шомахов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 575-583. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.575.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Liu, H. Transparent conducting oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices / H. Liu, V. Avrutin, N. Izyumskaya, Ü. Özgür, H. Morkoç // Superlattices and Microstructures. – 2010. – V. 48. – I. 5. – P. 458-484. DOI: 10.1016/j.spmi.2010.08.011.
2. Minami, T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes / T. Minami // Semiconductors Science and Technology. – 2005. – V. 20. – № 4. – P. S35-S44. DOI: 10.1088/0268-1242/20/4/004.
3. Stadler, A. Transparent conducting oxides – an up-to-date overview / A. Stadler // Materials. – 2012. – V. 5. – I. 4. – P. 661-683. DOI: 10.3390/ma5040661.
4. Liu, Y. ZnO-based transparent conductive thin films: doping, performance, and processing / Y. Liu, Y. Li, H. Zeng // Journal of Nanomaterials. – 2013. – V. 2013. – Art. Id 196521. – 9 p. DOI: 10.1155/2013/196521.
5. Bikowski, A. Analytical model of electron transport in polycrystalline, degenerately doped ZnO films / A. Bikowski, K. Ellmer // Journal of Applied Physics. – 2014. – V. 116. – I. 14. – P. 143704-1-143704-11. DOI: 10.1063/1.4896839.
6. Akhmedov, A.K. A multi-position drum-type assembly for simulaneos film deposition at different temperatures in a single sputter cycle – application to ITO thin films / A.K. Akhmedov, A. Sh. Asvarov, A.E. Muslimov, V.M. Kanevsky // Coatings. – 2020. – V. 10. – I. 11. – Art. № 1076. – 9 p. DOI: 10.3390/coatings10111076.
7. Serier, H. Al-doped ZnO powdered materials: Al solubility limit and IR absorption properties / H. Serier, M. Gaudon, M. Ménétrier // Solid State Sciences. – 2009. – V. 11. – I. 7. – P. 1192-1197. DOI: 10.1016/j.solidstatesciences.2009.03.007.
8. Shirouzu, K. Distribution and solubility limit of Al in Al2O3-doped ZnO sintered body / K. Shirouzu, T. Ohkusa, M. Hotta, N. Enomoto, J. Hojo // Journal of the Ceramic Society of Japan. – 2007. – V. 115. – I. 1340. – P. 254-258. DOI:10.2109/jcersj.115.254.
9. Mickan, M. Effect of substrate temperature on the deposition of Al-doped ZnO thin films using high power impulse magnetron sputtering / M. Mickan, U. Helmersson, D. Horwat // Surface and Coatings Technology. – 2018. – V. 347. – P. 245-251. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.04.089.
10. Lalanne, M. Preparation and characterization of the defect–conductivity relationship of Ga-doped ZnO thin films deposited by nonreactive radio-frequency–magnetron sputtering / M. Lalanne, J.M. Soon, A. Barnabe et al. // Journal of Materials Research. – 2010. – V. 25. – I. 12. – P. 2407. DOI: 10.1557/jmr.2010.0300.
11. Wang, R. High conductivity in gallium-doped zinc oxide powders / R. Wang, A.W. Sleight, D. Cleary // Chemistry of Materials. – 1996. – V. 8. – I. 2. – P. 433-439. DOI:10.1021/cm950372k.
12. Yoon, M.H. Solid solubility limits of Ga and Al in ZnO / M.H. Yoon, S.H. Lee, H.L. Parket al. // Journal of Materials Science Letters. – 2002. – V. 21. – I. 21. – P. 1703-1704. DOI: 10.1023/A:1020841213266.
13. Lu, Zh.-L. Structural and electrical properties of single crystalline Ga-doped ZnO thin films grown by molecular beam epitaxy / Zh.-L. Lu, W.-Q. Zou, M.-X. Xu et al. // Chinese Physics Letters. – 2009. – V. 26. – № 11. – Art. № 116102. – 4 p. DOI: 10.1088/0256-307X/26/11/116102.
14. Martins, R. Electron transport and optical characteristics in amorphous indium zinc oxide films / R. Martins, P. Almeida, P. Barquinha et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2006. – V. 352. – I. 9-20. – P. 1471-1474. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2006.02.009.