Выявление ключевых факторов, ограничивающих перенос заряда в ультратонких аморфных Sn-допированных In₂O₃ пленках с высокой Холловской подвижностью

Аннотация

Мы демонстрируем, что массовая плотность и размерные эффекты являются первичными факторами, ограничивающими перенос заряда в ультратонких аморфных Sn-допированных In₂O₃ (a-ITO) пленках. a-ITO слои с толщинами (t) от 5 до 50 нм осаждались на нещелочном стекле реактивным плазменным осаждением (RPD) без намеренного подогрева подложки. Для пленок толще 10 нм Холловская подвижность (µ_H) превышала 50 см² В⁻¹ с⁻¹, в то время как 5-нм пленка сохраняла µ_H выше 40 см² В⁻¹ с⁻¹. Рентгеновская рефлектометрия (XRR) раскрыла, что массовая плотность (d_m) управляет переносом заряда: d_m ≈ 7,2 г см⁻³ для t > 10 нм, против 6,6–6,8 г см⁻³ для t < 10 нм. Мы предоставляем количественный инсайт в размерный эффект для пленок тоньше 10 нм, показывая, что отношение t к среднему свободному пути электронов (λ) контролирует µ_H.

Введение

Sn-допированный оксид индия (ITO) остается эталонным прозрачным проводящим оксидом (TCO) для фотоэлектрических и оптоэлектронных устройств. In₂O₃ кристаллизует в биксибитной решетке (пространственная группа Ia-3), обладающей угловым совместным InO₆ октаэдрами, которые облегчают высокую подвижность носителей через существенное перекрытие 5s/5p орбиталей. Недавние исследования достигли Холловских подвижностей > 100 см² В⁻¹ с⁻¹ в водородированных или Ce-допированных In₂O₃ поликристаллических пленках, расширяя прозрачное окно в ближний инфракрасный.

Типичные TCO слои превышают 50 нм толщины для поддержания низкого поверхностного сопротивления, однако ультратонкие TCO (t < 50 нм) привлекательны для антирефлекторных покрытий, но страдают от увеличенного сопротивления. Ранние отчеты о очень тонких аморфных ITO (a-ITO) пленках показывали резкое снижение µ_H ниже 20 нм, с критическими толщинами около 4 нм для спуттерированных и импульсно-лазерных осаждений (PLD).

Перенос заряда в вырожденных поликристаллических ITO приписывался зерновым границам и внутризерновым центрам (фононы, ионизированные и нейтральные примеси). В противоположность, a-ITO лишен зерновых границ; его перенос управляется случайной In-O сетью с коротко-дальним порядком. Хотя дефектные модели применялись к a-IZO и кристаллическому In₂O₃, систематического исследования, связывающего массовую плотность, структурные особенности и перенос в очень тонких a-ITO, не было.

Здесь мы используем реактивное плазменное осаждение (RPD) с дуговой разрядкой постоянного тока, высокопроизводительную технологию осаждения на больших площадях, для изготовления равномерных a-ITO пленок до 5 нм. RPD позволяет надежную оценку переносимых свойств в ультратонких пленках, прокладывая путь к высоко-подвижным TCO.

Метод

a-ITO пленки выращивались на стекле Corning Eagle XG методом RPD (Sumitomo Heavy Industries). Плазма, генерируемая электро-позитивным Ar⁺ источником (пушка Урамото), аблировала спеканную мишень In₂O₃ (5 масс.% SnO₂, 4,6 ат.% Sn). Потоки Ar составляли 25 сccm (камера) и 40 сccm (пушка). Потоки кислорода (OFR) 20 или 30 сccm использовались; подложки поддерживались ниже 70 °C. Давление роста было 0,3 Па и типичная скорость осаждения 3,6 нм с⁻¹. Толщина пленки (t) настраивалась регулировкой скорости перемещения подложки.

Выявление ключевых факторов, ограничивающих перенос заряда в ультратонких аморфных Sn-допированных In₂O₃ пленках с высокой Холловской подвижностью

Рентгеновская дифракция (XRD) и рентгеновская рефлектометрия (XRR) выполнялись на дифрактометре Rigaku ATX-G (Cu-Kα, λ = 0,15405 нм). XRR данные давали толщину пленки и массовую плотность (d_m) через двухслойную модель (пленка + шероховатый интерфейс). Значения шероховатости (r_s, r_i) ≈ 1 нм. Штусерное профилирование (Dektak 6M) подтверждало толщины. Электрические свойства измерялись при комнатной температуре используя геометрию ван дер Пау (Nanometrics HL5500PC).

RPD — массово-производственная техника с <± 5% равномерностью и воспроизводимостью для толщины и переносимых свойств, обеспечивающая высокую надежность одноточечных измерений.

Результаты и обсуждение

Массовая плотность a-ITO пленок

Все XRD паттерны были аморфными, подтверждая a-фазу. XRR кривые подгонялись двухслойной модели с отличным согласием (Рис. 2). Таблица 1 приводит t, d_m, r_s и r_i; толщины совпадали с штусерными измерениями. Рисунок 3 показывает d_m в зависимости от t: пленки > 10 нм имеют d_m ≈ 7,2 г см⁻³ (значение объема), в то время как t < 7 нм пленки демонстрируют резкое падение до 6,6–6,8 г см⁻³, независимо от OFR.

Переносимые свойства

Рисунок 4 представляет удельное сопротивление (ρ), концентрацию носителей (n_e) и µ_H для пленок, выращенных при 20 и 30 сccm. При заданном t, n_e выше для 20 сccm, в то время как µ_H ниже, указывая на ионизированное примесное рассеяние как ключевой фактор. Для t < 30 нм µ_H увеличивается с n_e, предполагая дополнительный размер-связанный механизм.

Спуттерирование и PLD исследования сообщают о критической толщине ~ 4 нм, где 3D коалесценция островков неполна, приводящая к крутому падению µ_H. В противовес, наши RPD пленки показывают < 30% уменьшение µ_H при 5 нм относительно > 10 нм пленок, указывая на 2D режим роста, смягчающий размер-индуцированное рассеяние.

Доминирующие факторы, определяющие µ_H: массовая плотность и средний свободный путь

Рисунок 5 раскрывает сильную положительную корреляцию (R = 0,73) между µ_H и d_m для обоих OFR. Моделирование гразинг-инцидент рентгеновского рассеяния предполагает, что a-In₂O₃ содержит больше угловых совместных In-O-In связей, чем кристаллический In₂O₃. В ультратонких a-ITO дополнительные кислородные вакансии (V_add) способствуют переходу от реберных совместных к угловым совместным полиэдрам, увеличивая In-In расстояния и уменьшая орбитальное перекрытие, тем самым локализуя носители и снижая n_e и µ_H.

Для t < 10 нм мы также изучили средний свободный путь электронов (λ). Используя λ = µ_h/(2e) (3n_e/π)¹ᐟ³, мы обнаружили, что λ резко возрастает до 10 нм и затем плато. Построение µ_H в зависимости от t/λ (Рис. 7b) показывает явный перелом при t/λ ≈ 2, т.е. t ≈ 10 нм. Это указывает на то, что когда λ приближается к t, поверхностное и интерфейсное рассеяние становятся доминирующими, дополнительно ограничивая µ_H в самых тонких пленках.

Заключение

Мы успешно изготовили ультратонкие a-ITO пленки (t < 50 нм) на стекле с Холловскими подвижностями превышающими 40 см² В⁻¹ с⁻¹, используя высокоскоростную 2D-ростовую способность RPD. Доминирующее ограничение переноса заряда — массовая плотность пленки, отражающая долю угловых совместных In-O полиэдров внутри реберной совместной сети. Для пленок тоньше 10 нм перенос дополнительно ограничивается отношением толщины пленки к среднему свободному пути электронов, подчеркивая важность поверхностного и интерфейсного рассеяния. Будущая работа будет фокусироваться на выяснении кристаллографической эволюции a-ITO в зависимости от толщины для руководства проектированием следующего поколения высоко-подвижных TCO.