PL219948B1 - Nanokrystaliczna warstwa ZnIrSiO oraz sposób wytwarzania tej warstwy - Google Patents
Nanokrystaliczna warstwa ZnIrSiO oraz sposób wytwarzania tej warstwyInfo
- Publication number
- PL219948B1 PL219948B1 PL396936A PL39693611A PL219948B1 PL 219948 B1 PL219948 B1 PL 219948B1 PL 396936 A PL396936 A PL 396936A PL 39693611 A PL39693611 A PL 39693611A PL 219948 B1 PL219948 B1 PL 219948B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- layer
- znirsio
- layers
- transparent
- target
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 10
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 10
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 6
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VVTSZOCINPYFDP-UHFFFAOYSA-N [O].[Ar] Chemical compound [O].[Ar] VVTSZOCINPYFDP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 2
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229910052566 spinel group Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 4
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 2
- 238000001004 secondary ion mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N Trichloroethylene Chemical group ClC=C(Cl)Cl XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910007669 ZnRh2O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 argon ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 229910000428 cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000002173 high-resolution transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000002707 nanocrystalline material Substances 0.000 description 1
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003450 rhodium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest przezroczysta nanokrystaliczna półprzewodnikowa warstwa ZnIrSiO o przewodnictwie typu p i sposób wytwarzania tej warstwy.
Najbardziej perspektywicznym polem zastosowań półprzewodników szerokoprzerwowych o dużej transmisji optycznej w obszarze widzialnym i podczerwieni są przezroczyste przyrządy elektroniczne na elastycznych podłożach. Wykorzystanie giętkich polimerowych lub szklanych podłoży narzuca jednak bardzo istotny wymóg technologiczny odnośnie maksymalnej temperatury, w jakiej można wykonywać procesy osadzania poszczególnych warstw półprzewodnikowych w takich przyrządach. Dla podłoży najbardziej termoodpornych temperatura ta nie powinna być wyższa niż 350°C. [Myeon-CheonChoi i inni, Prog. Polym. Sci. 33, 581 (2008)].
Istnieje cała klasa materiałów półprzewodnikowych, które mogą być hodowane w niskich temperaturach i wykazują właściwości odpowiednie do konstrukcji przezroczystych przyrządów. Są to amorficzne półprzewodniki tlenkowe typu n oparte o ZnO jak np. InGaZnO. Jednakże zasadniczą przeszkodą dla realizacji pełnego potencjału przezroczystej elektroniki jest trudność w uzyskaniu materiałów o przewodnictwie typu p, a w szczególności brak materiałów, które mogłyby być wytwarzane w odpowiednio niskich temperaturach.
W ostatnich latach, w poszukiwaniu odpowiedniego półprzewodnika szerokoprzerwowego typu n, uwaga badawcza koncentruje się na wykorzystaniu materiałów tlenkowych na bazie ZnO o strukturze spinelu. Z publikacji H. Mizoguchi [Appl. Phys. Lett. 80, 1207 (2002)] i z publikacji H. K. Kim [J. Appl.
Phys. 95, 7387 (2004)] znane są krystaliczne warstwy spineli ZnRh2O4 i ZnCO2O4, które wykazują samoistne przewodnictwo dziurowe. Przewodnictwo i szerokość przerwy energetycznej w warstwie -1 -1
ZnRh2O4 wynosi 0.7 Scm- i 2.1 eV, a w warstwie ZnCO2O4 - ok. 1 Scm- i 2.6 eV.
Z publikacji S. E. Dali [J. Mater. Sci. Lett. 18, 915 (1999)] znana jest technologia wytwarzania monokrystalicznych spineli, w której jako materiały wyjściowe wykorzystuje się tlenek cynku i tlenek rodu lub kobaltu w postaci proszków. Tlenki te podawane są najpierw wielogodzinnemu mieszaniu w młynach kulowych a następnie są prasowane i zgrzewane w wysokich temperaturach. Otrzymane w ten sposób spieki kruszy się na drobnoziarnisty proszek i poddaje ponownej obróbce od młynów kulowych do zgrzewania. Po kilku, czy kilkunastu takich cyklach uzyskuje się w miarę jednorodny spiek, który w wyniku wygrzania w temperaturach 1000-1300°C, monokrystalizuje pozwalając na uzyskanie spinelu
Z publikacji M. Dekkers [Appl. Phys. Lett. 90, 021903 (2007)], S. Narushima [Adv. Mater. 15,
1409 (2003)] i H. K. Kim [J. Appl. Phys. 95, 7387 (2004)] znane są rozwiązania alternatywne dla monokrystalicznych spineli, a mianowicie materiały w postaci cienkich warstw o podobnym składzie, ale strukturalnie polikrystaliczne bądź amorficzne. Warstwy te wytwarza się na drodze ablacji laserowej bądź rozpylania katodowego.
W opisanych sposobach, materiał wyjściowy stanowią polikrystaliczne spinele, spieki tlenków odpowiednich metali, bądź przy zastosowaniu metody jednoczesnego reaktywnego rozpylania katodowego czyste metale. W publikacjach tych pokazano, że dla określonych parametrów procesu osadzania, zarówno warstwy polikrystaliczne jak i amorficzne charakteryzują się podobnie jak kryształy objętościowe, przewodnictwem typu p.
Z rozprawy doktorskiej Transparent Conducting Oxides on Polymeric Substrates by Pulsed Laser Deposition [Dekkers, Jan Matthijn (2007) thesis http://purl.utwente.nl/publications/57879] znane są obliczenia teoretyczne, które wskazują, że samoistne przewodnictwo typu p wykazują trzy spinele
ZnM2O4 gdzie M = Co, Rh, Ir. Natomiast wyniki doświadczaln e zamieszczone w tej pracy wskazu-1 ją na to, ze spinel ZnIr2O4 ma przewodnictwo typu p ok. 3 Scm-1 i największą przerwę energetyczną ok. 3 eV, spełniającą wymagania przezroczystej elektroniki. Należy w tym miejscu podkreślić, że w znanych i stosowanych materiałach o składzie spineli na bazie ZnO podstawowym problemem jest
21 -3 bardzo wysoka koncentracja swobodnych nośników ładunku (1020-1021 cm-3), co sprawia, że materiały te nie mogą być wykorzystanie w konstrukcji aktywnych obszarów przyrządów półprzewodnikowych, a jedynie jako przezroczyste warstwy przewodzące.
Celem wynalazku jest opracowanie składu przeznaczonej dla przezroczystej elektroniki warstwy półprzewodnikowej o przewodnictwie typu p i przerwie energetycznej większej niż 3 eV, oraz sposobu wytwarzania takiej warstwy.
PL 219 948 B1
Warstwę według wynalazku stanowi nanokrystaliczna warstwa ZnIrSiO, w której zawartość krzemu wynosi 25-35% at., zawartość tlenu wynosi 55-65% at., zaś proporcja atomowa irydu do cynku wynosi 2.5-3.5.
Sposób wytwarzania przezroczystej warstwy ZnIrSiO według wynalazku polega na tym, że najpierw z targetów jednoskładnikowych Zn, Ir, Si sporządza się metodą rozpylania katodowego target złożony. Target złożony ma postać wielowarstwowej struktury, która zawiera co najmniej jedną sekwencję warstw Ir/Zn/Si/lr, o takiej grubości poszczególnych warstw że jego skład atomowy po ujednorodnieniu, czyli dwustopniowym wygrzewaniu, najpierw w temperaturze 300°C przez co najmniej 30 min. a następnie w temperaturze < 400°C również przez co najmniej 30 min przy przepływie gazu obojętnego, korzystnie w atmosferze argonu, bądź w próżni wynosi 50 ± 5% lr, 25 ± 2,5% Zn, 25 ± 2,5% Si, a jego sumaryczna grubość jest większa niż 5 μm. Następnie z takiego targetu, za pomocą reaktywnego rozpylania katodowego w atmosferze argonowo-tlenowej, osadza się na podłożu przezroczystym, korzystnie kwarcowym lub szafirowym warstwę ZnIrSiO.
Otrzymana warstwa jest warstwą nanokrystalicznego materiału ZnIrSiO typu p, charakteryzuje się przerwą energetyczną powyżej 3 eV, obniżoną koncentracją swobodnych nośników ładunku i podwyższoną ich ruchliwością. Tak dobre parametry warstwy uzyskano dzięki wprowadzeniu do podstawowego składu warstwy ZnIr2O4 czwartego składnika w postaci krzemu.
Sposób wytwarzania warstwy według wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wytwarzania warstwy ZnIrSiO na podłożu kwarcowym i szafirowym.
W przykładzie, jako metody osadzania warstwy użyto stałoprądowego reaktywnego rozpylania katodowego w atmosferze argonu z tlenem. Najpierw na drodze rozpylania katodowego stałoprądowego z targetów jednoskładnikowych Zn, Ir i Si, o czystości 5N wykonano specjalny target IrZnSi. W tym celu, na krążku metalowym o średnicy 75 mm (standardowa średnica targetu w urządzeniu do rozpylania katodowego) osadzano strukturę wielowarstwową złożoną z 40 sekwencji warstw Ir/Zn/Si/lr o łącznej grubości 10 μm. Następnie osadzoną strukturę wygrzewano dwustopniowo, najpierw w temperaturze 300°C przez 30 min, a następnie w temperaturze 400°C również przez 30 min. Obydwa wygrzewania prowadzono w przepływie argonu.
Na podstawie wyników pomiarów profili składu metodą spektrometrii masowej jonów wtórnych (SIMS) stwierdzono, że taka procedura zapewnia otrzymanie jednorodnego targetu IrZnSi.
Następnie przystąpiono do osadzania właściwej warstwy nanokrystalicznej ZnIrSiO. W przykładzie, jako podłoży do osadzania tej warstwy użyto płytek kwarcowych i szafirowych. Najpierw powierzchnię podłoży oczyszczano przez zanurzenie kolejno we wrzącym trójchloroetylenie, acetonie i etanolu. W przypadku podłoży szafirowych, powierzchnię dodatkowo stabilizowano w atmosferze tlenu w 800°C przez 15 min.
Przed procesem osadzania cienkiej warstwy ZnIrSiO komorę próżniową stanowiska do rozpylania katodowego odpompowywano do ciśnienia poniżej 5x10-6 mbar, a następnie odświeżano powierzchnię targetu rozpylając go jonami argonu przez 10 min. Całkowite ciśnienie w trakcie procesu
-3 2 rozpylania katodowego wynosiło 8x10-3 mbar, gęstość mocy -2,85 W/cm2, zaś atmosfera gazowa zawierała 50% argonu i 50% tlenu. Warstwę osadzano na niegrzanych podłożach.
W wyniku tak prowadzonego procesu wytworzono zarówno na podłożu kwarcowym jak i na szafirowym warstwy o grubości 150 nm, które wykazywały przewodnictwo typu p, były przezroczyste i miały strukturę rentgenowsko amorficzną. Pomiary SIMS wykazały, że warstwy te są głębokościowe, jednorodne. Badania metodą rozpraszania Rutherforda jonów He2+ o energii 2 MeV pozwoliły precyzyjnie określić zawartość atomową poszczególnych pierwiastków w ZnIrSiO: 3% Zn, 8% Ir, 33% Si, 56% O.
Badania mikrostruktury warstw metodą wysokorozdzielczej transmisyjnej mikroskopii elektronowej pozwoliły stwierdzić, że wytworzone warstwy składają się z nanokrystalitów o rozmiarach 2-3 nm osadzonych w amorficznej osnowie.
Pomiary efektu Halla w konfiguracji van der Pauwa wykazały, że warstwy ZnIrSiO charakteryzują się przewodnictwem σ = 1,7 Scm-1 koncentracją dziur p = 5x1018 cm-3 i ruchliwością μ = 2 cm2/Vs. Transmisja warstw osadzonych na podłożach kwarcowych, określona z pomiarów elipsometrycznych, wynosiła T = 70% w całym zakresie widzialnym, a wyznaczona szerokość przerwy energetycznej - Eg = 3,17 eV.
Przedstawione powyżej wyniki charakteryzacji strukturalnej, elektrycznej i optycznej warstw ZnIrSiO świadczą o tym, że wytworzone cienkie warstwy charakteryzują się właściwościami predestynującymi je do zastosowań w konstrukcji przyrządów przeznaczonych dla przezroczystej elektroniki.
Claims (2)
- Zastrzeżenia patentowe1. Przezroczysta warstwa półprzewodnikowa ZnIrSiO, znamienna tym, że jest warstwą nanokrystaliczną, w której krzem stanowi od 25 do 35% at., tlen od 55 do 65% at., natomiast proporcja atomowa irydu do cynku wynosi 2,5-3,5.
- 2. Sposób wytwarzania przezroczystej warstwy półprzewodnikowej ZnIrSiO metodą osadzania fizycznego z fazy gazowej, znamienny tym, że najpierw z targetów jednoskładnikowych Zn, Ir, Si sporządza się metodą rozpylania katodowego target złożony w postaci wielowarstwowej struktury zawierającej co najmniej jedną sekwencję warstw Ir/Zn/Si/lr, o takiej grubości poszczególnych warstw, że skład atomowy targetu po ujednorodnieniu, czyli dwustopniowym wygrzewaniu, najpierw w temperaturze 300°C przez co najmniej 30 min. a następnie w temperaturze < 400°C również przez co najmniej 30 min, które prowadzi się przy przepływie gazu obojętnego, korzystnie argonu bądź w próżni, wynosi 50 ± 5% lr, 25 ± 2,5% Zn, 25 ± 2,5% Si, a sumaryczna jego grubość jest większa niż 5 μm, następnie z takiego targetu, za pomocą reaktywnego rozpylania katodowego w atmosferze argonowotlenowej, osadza się na podłożu przezroczystym, korzystnie kwarcowym lub szafirowym, warstwę ZnIrSiO.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL396936A PL219948B1 (pl) | 2011-11-09 | 2011-11-09 | Nanokrystaliczna warstwa ZnIrSiO oraz sposób wytwarzania tej warstwy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL396936A PL219948B1 (pl) | 2011-11-09 | 2011-11-09 | Nanokrystaliczna warstwa ZnIrSiO oraz sposób wytwarzania tej warstwy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL396936A1 PL396936A1 (pl) | 2013-05-13 |
| PL219948B1 true PL219948B1 (pl) | 2015-08-31 |
Family
ID=48522630
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL396936A PL219948B1 (pl) | 2011-11-09 | 2011-11-09 | Nanokrystaliczna warstwa ZnIrSiO oraz sposób wytwarzania tej warstwy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL219948B1 (pl) |
-
2011
- 2011-11-09 PL PL396936A patent/PL219948B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL396936A1 (pl) | 2013-05-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fan et al. | α-Cu2Se thermoelectric thin films prepared by copper sputtering into selenium precursor layers | |
| Gupta et al. | Preparation and characterization of highly conducting and transparent Al doped CdO thin films by pulsed laser deposition | |
| Liu et al. | Investigation of high temperature electrical insulation property of MgO ceramic films and the influence of annealing process | |
| Kudo et al. | Anisotropic analysis of nanocrystalline bismuth telluride thin films treated by homogeneous electron beam irradiation | |
| He et al. | Enhancement of thermoelectric performance of N-type Bi2Te3 based thin films via in situ annealing during magnetron sputtering | |
| KR100819621B1 (ko) | 산화물 소결체, 산화물 투명 도전막 및 그 제조방법 | |
| Lennon et al. | Effects of annealing in a partially reducing atmosphere on sputtered Al-doped ZnO thin films | |
| CN101956158A (zh) | 稀土掺杂Bi2Te3基热电薄膜材料的制备方法 | |
| Ullah et al. | Continuous large area few layers MoS2 films by pulsed laser deposition and effect of annealing in sulfur environment | |
| Igamov et al. | Investigation of optical and electrophysical properties of Mn4Si7 coatings of different thickness | |
| Zhao et al. | Protective properties of magnetron-sputtered Ti coating on CoSb3 thermoelectric material | |
| Li et al. | Characteristics of Ni-doped ZnO: Al films grown on glass by direct current magnetron co-sputtering | |
| JP5387247B2 (ja) | 導電性酸化物 | |
| CN101645464B (zh) | 具有双向整流特性的铽锰氧p-n异质结及其制备方法 | |
| PL219948B1 (pl) | Nanokrystaliczna warstwa ZnIrSiO oraz sposób wytwarzania tej warstwy | |
| Cornett et al. | Pulsed laser deposition and annealing of Bi2− xSbxTe3 thin films for p-type thermoelectric elements | |
| JP2007246318A (ja) | 酸化物焼結体、その製造方法、酸化物透明導電膜の製造方法、および酸化物透明導電膜 | |
| CN101280414A (zh) | ZnO:Bi光电薄膜及其制备方法 | |
| Zhao et al. | Protective properties of YSZ/Ti film deposited on CoSb3 thermoelectric material | |
| Qi | Cluster-assembled cobalt doped ZnO nanostructured film prepared by low energy cluster beam deposition | |
| Potera et al. | Optical properties of ZnCoO layers obtained by PLD method | |
| Zhao et al. | Protective properties of various coatings on CoSb3 thermoelectric material | |
| RU2756135C1 (ru) | Технология создания магнитоуправляемого мемристора на основе нанотрубок диоксида титана | |
| Fang et al. | Effects of growth temperature on Mg-doped ZnO films fabricated by pulsed-laser deposition | |
| Skaria | Studies on Copper Indium based Oxide Transparent Semiconducting Thin Films. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LICE | Declarations of willingness to grant licence |
Effective date: 20150108 |