РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ, ОПТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА
2.1. Обоснование выбора методов получения и исследования слоев оксида цинка
Анализ литературных данных, проведенный в разделе 1, показал, что наиболее перспективными методами для широкомасштабного промышленного получения слоев оксида цинка являются методы магнетронного распыления. Это обусловлено тем, что эти методы позволяют: распылять различные сплавы, соединения и механические смеси, осуществлять контроль и обеспечивать долговременную стабильность технологического процесса, получать однородные слои на большой площади, минимизировать производственные затраты, путем варьирования технологических параметров воспроизводимо получать слои с заданными оптическими и электрическими свойствами, получать высококачественные слои без нагрева подложки, автоматизировать технологический процесс и сделать его непрерывным.
Оптоэлектрические свойства слоев, которые обуславливаются кристаллической и энергетической структурой зависят от физико-технологических условий конденсации слоев, среди которых основным являются скорость роста и условия кристаллизации. Эти физические параметры, в свою очередь, зависят от таких технологических условий магнетронного распыления, как мощность магнетрона, рабочее давление аргона, скорость откачки, расстояние между подложкой и мишенью, вида магнетронного распыления и температуры подложки. Поэтому, изменяя один с указанных технологических параметров, в широких интервалах при зафиксированных других, возможно, проанализировать изменение оптоелектричних свойств и параметров структуры, определить физические механизмы, позволяющие получить слои оксида цинка с высокими значениями критерия качества.
К настоящему моменту слои оксида цинка приборного качества получены методами реактивного и нереактивного магнетронного распыления на постоянном токе и нереактивного высокочастотного распыления. Каждый из трех типов магнетронного распыления обладает специфическими технологическими особенностями, которые обуславливают его преимущество при изготовлении слоев оксида цинка для конкретного изделия оптоэлектроники [97, 98]. Например, если необходимо получать слои оксида цинка без нагрева подложки, наиболее подходящим методом является высокочастотное нереактивное магнетронное распыления. Самым экономичным методом по технической реализации является реактивное магнетронное распыления на постоянном токе, наиболее простым с точки зрения технической реализации является нереактивное магнетронное распыление на постоянном токе. Поэтому в работе получение слоев оксида цинка осуществлялось реактивным и нереактивным магнетронным распылением на постоянном токе и нереактивным высокочастотным магнетронным распылением.
Так как основной целью работы является создание физических основ промышленных технологий получения прозрачных и проводящих слоев оксида цинка методами магнетронного распыления, то для решения этой задачи был выбран такой комплекс методик анализа их кристаллической структуры, оптических и электрических свойств, который может быть достаточно просто реализован в условиях заводской лаборатории при адаптации выявленных физических закономерностей к реальным условиям промышленного производства.
Идентификация кристаллической структуры и исследование фазового анализа препарированных слоев проводились традиционным рентгенодифрактометрическим методом. Этот метод позволяет наиболее точно и в полном объеме проводить структурные исследования интересующих объектов. Аналитическая обработка экспериментальных данных позволяет
определять широкий спектр структурных параметров.
При исследовании электрических свойств осажденных слоев были применены такие методы, как четырехзондовый (для измерения поверхностного электросопротивления пленок) и метод э.д.с. Холла (для определения концентрации и подвижности основных носителей заряда). Данные методы хорошо апробированы на практике и позволяют исследовать поликристаллические слои с высокой достоверностью.
Оптические свойства пленок оксида цинка при их использовании в качестве прозрачных электродов вполне могут быть аттестованы путем аналитической обработки спектральных зависимостей коэффициента пропускания слоев. Для исследования оптических свойств слоев применялся двухканальный метод, что позволило исключить влияние стеклянной подложки на результаты измерения.
2.2. Методики магнетронного распыления слоев оксида цинка
2.2.1. Осаждение слоев ZnO:Al и ZnO:In методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе
Слои ZnO:In (Al) осаждались на подложки из оптического стекла путем магнетронного распыления на постоянном токе мишеней, содержащих 98 ат % Zn и 2 ат % In (Al), а также мишеней Zn, не содержащих легирующей примеси. Мощности магнетрона составляла 400 Вт. В качестве распылительного устройства был использован планарный магнетрон с кольцевым зазором между магнитами, диаметр которого составлял 15 см. Схема магнетрона для осаждения тонких пленок представлена на рис. 2.1. Длина разрядного промежутка, представляющего собой зазор между магнетроном и подложкой, составляла 3.5 см. Встроенные в катод магниты создавали над поверхностью катода магнитное поле, которое практически исключало возможность бомбардировки растущей на кварцевой стеклянной подложки пленки ZnO высоко-энергетичными электронами [99]. Температура подложки (Тп) варьировалась от 2000С до 400 0С. Исходное остаточное давление в вакуумной камере (Р0), которое создавалось турбомолекулярным насосом, составляло 3*10-7Па, рабочее давление P в процессе распыления мишени варьировалось в диапазоне значений (4.0 - 6.8)?10-4 Па за счет изменения скорости натекания аргонно-кислородной смеси (VAr+O) и чистого аргона (VAr) в вакуумную камеру, при фиксированной скорости откачки.
2.2.2. Осаждение слоев ZnO:Al методом нереактивного магнетронного распыления на постоянном токе
Пр