열 ALD 공정과 현장 O2를 결합한 새로운 슈퍼사이클 원자층 증착(ALD) 공정 플라즈마 처리는 고도로 조정 가능한 전기적 특성을 가진 ZnO 박막을 증착하기 위해 이 작업에서 제시됩니다. 둘 다 O2 플라즈마 시간과 슈퍼사이클의 열 ALD 사이클 수는 외부 도핑 없이 최대 6자리까지 필름 저항과 캐리어 농도의 미세 조정을 달성하도록 조정될 수 있습니다. 수소 결함의 농도는 ZnO 필름의 전기적 특성을 조정하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 믿어집니다. 켈빈 프로브 힘 현미경 결과는 분명히 다른 ZnO 필름에서 페르미 준위의 이동을 보여주고 캐리어 농도의 변화와 잘 연관되어 있습니다. 여기에 보고된 이 신뢰할 수 있고 강력한 기술은 이 방법을 사용하여 다양한 응용 분야에서 제어된 속성을 가진 ZnO 필름을 생산할 수 있는 능력을 분명히 나타냅니다.
<섹션 데이터-제목="배경">미래 자료로 정의되면 , 산화아연(ZnO)은 우수한 광학적 및 전기적 특성으로 인해 반세기 넘게 과학계의 관심을 끌었다[1]. 최근 투명 전도성 산화물 산업의 급속한 성장으로 평판 디스플레이, 터치 스크린, 저방사 코팅, 박막 태양 전지 등의 투명 전극으로 응용이 더욱 부활했습니다[2, 3]. 또한 ZnO는 발광 다이오드, 광 검출기 및 전력 장치를 포함한 전자 장치에서 수많은 응용 분야를 발견했습니다[4, 5]. 이러한 다양한 유형의 응용 분야에서는 다양한 전기적 매개변수를 갖는 ZnO 필름이 필요하며 일부 응용 분야에서는 다양한 전기적 특성을 가진 다층 ZnO 필름이 필요합니다[6]. 예를 들어, 완전히 통합된 투명 전자 장치를 구현하기 위해 투명 저항성 랜덤 액세스 메모리(TRRAM)를 개발하기 위한 많은 노력이 있었습니다[7, 8]. 가장 유망한 후보 중 하나로 ZnO 기반 TRRAM은 고저항 ZnO 필름을 활성 스위칭 층으로 사용하는 반면, 전도성이 높은 ZnO 필름은 투명 전극 역할을 하는 것이 이상적으로 요구됩니다[8,9,10]. 따라서 ZnO 필름의 저항 및 캐리어 농도와 같은 전기적 특성을 제어하는 기능은 핵심 요구 사항입니다. 도핑은 일반적으로 특성 수정이 필요할 때 사용되며 ZnO 필름 특성을 변경하기 위해 다양한 도펀트가 적용되었습니다[11,12,13]. 그러나 도핑은 항상 복잡하고 2차 상 형성으로 이어질 수 있습니다[14]. 따라서 단일 증착 공정으로 도핑되지 않은 ZnO의 전기적 특성을 조절하는 것이 유리할 수 있습니다.
ALD(Atomic Layer Deposition)는 박막 두께를 나노미터 수준까지 훌륭하게 제어하고 대형 기판에 균일하게 고품질 ZnO를 형성하기 위해 널리 사용되는 기술이 되었습니다[15, 16]. ZnO의 성장 온도는 일반적으로 200°C 미만이므로 유리 및 플라스틱을 포함한 다양한 기판과 호환됩니다. ALD ZnO는 일반적으로 Zn 전구체로 디에틸아연(DEZ)을 사용하고 산소 전구체로 수증기(열) 또는 산소 플라즈마(플라즈마 강화)를 사용하여 성장합니다. 열 ALD 공정에서 도핑되지 않은 ZnO 필름 특성을 조정하는 지배적인 방법은 성장 온도를 변경하는 것입니다[17, 18]. 이것은 고전도성 필름의 증착을 가능하게 하지만 낮은 캐리어 농도로 고품질 ZnO 필름을 얻기가 어렵습니다. 낮은 캐리어 농도의 ZnO가 필요한 경우 플라즈마 강화 ALD를 사용하는 것이 좋습니다[19, 20]. 우리는 최근에 서로 다른 O2를 사용하여 저항률과 캐리어 농도를 최대 3차까지 조정할 수 있는 단일 플라즈마 강화 ALD 공정을 사용하여 ZnO를 조정할 수 있는 능력을 보고했습니다. 플라즈마 시간 [21]. 그러나 플라즈마 강화 ALD는 짧은 O2 플라즈마 시간은 필요한 캐리어 농도를 달성하기 위해 적용되며, 이는 대형 기판에서 균일하지 못한 결과를 초래할 수 있습니다. 따라서 자체 제한 창 내에서 조정 가능한 ALD 프로세스가 필요합니다.
ZnO 전기적 특성을 조정하는 기능 외에도 이러한 특성을 결정하는 것도 여전히 어려운 일입니다. 홀 효과 측정은 ZnO 박막의 전기적 특성을 측정하는 데 가장 널리 사용되는 기술입니다. 그러나 오역이 발생하기 쉬우며 도핑의 실제 원인을 명확하게 파악하는데 어려움이 있다[1]. KPFM(Kelvin Probe Force Microscopy)은 반도체 재료 및 장치의 나노 규모 구조, 동적 및 전기적 특성을 특성화하는 데 광범위하게 사용되는 비파괴 표면 기술입니다[22, 23]. 접점 전위차(V)를 직접 측정하여 CPD ), 즉 팁과 샘플의 일 함수의 차이를 통해 밴드갭 내에서 페르미 레벨 위치에 영향을 미치기 때문에 재료 도펀트 유형, 캐리어 농도 및 저항에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 그러나 ZnO 특성을 KPFM 결과와 연관시키는 작업은 거의 보고되지 않았으며 우리가 아는 한 ALD 성장 ZnO 필름을 기반으로 한 작업은 없습니다[24,25,26].
이 연구에서 우리는 도핑되지 않은 ZnO의 전기적 특성 조정을 위한 새로운 슈퍼사이클 ALD 공정을 제안합니다. 열 ALD 공정과 현장 O2 결합 플라즈마 처리, 이 프로세스는 ZnO 막 저항과 캐리어 농도의 광범위하면서도 세련된 조정을 허용합니다. 더 중요한 것은 ZnO 필름의 페르미 준위 이동을 KPFM으로 직접 측정하고 ZnO 전기적 특성을 특성화하는 데 사용할 수 있다는 것입니다.
모든 ZnO 박막은 DEZ(diethylzinc) 전구체를 사용하여 OIPT FlexAl ALD 시스템에서 준비되었습니다. ALD 프로세스의 각 수퍼사이클은 m으로 구성됩니다. 열 ALD 프로세스의 주기(DEZ 및 H2 O) 및 하나의 O2 그림 1a에서 설명한 것처럼 플라즈마 단계. 열 ALD 공정 내에서 DEZ 증기는 처음에 챔버에 도입된 다음 아르곤 흐름에 의해 퍼지되고 H2 O 증기가 연속적으로 도입된 다음 아르곤이 퍼지되었습니다. 분 후 열 ALD 프로세스 주기, O2 플라즈마 단계는 제자리 플라즈마 처리 단계로 추가되었습니다. O2 플라즈마 단계는 O2를 사용하여 설정되었습니다. 60sccm의 유량, 300W의 RF 전력, 15mTorr의 압력. 두 열 ALD 수치(m ) 및 O2 플라즈마 시간(t 3 )은 ZnO 필름 특성 제어에 사용되었습니다. ALD 프로세스의 한 성장 슈퍼사이클에 대한 구체적인 세부정보는 추가 파일 1:표 S1에 나와 있습니다. 모든 ZnO 필름은 SiO2에 증착되었습니다. -190°C의 고정 온도에서 코팅된 Si 기판(1cm x 1cm), 모든 필름 두께는 40nm로 예상되었습니다.
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아 제안된 슈퍼사이클 ALD 공정의 1회 성장 슈퍼사이클의 그림. ㄴ O2의 함수로서의 ZnO 성장률 고정 열 주기(m)가 있는 슈퍼사이클 ALD의 플라즈마 시간 =1) 플라즈마 강화 ALD 프로세스 점선 곡선은 눈의 안내선입니다. ㄷ 열처리 주기 m에 따른 ZnO 성장률 및 선형 피팅 고정 O2 플라즈마 시간(t 3 =1 및 8 초)
증착된 ZnO 필름의 두께와 광학 상수는 타원 측정법(VASE, J.A. Woollam Co. M-2000)으로 측정하고 Tauc-Lorentz(TL) 모델에 맞추었습니다. 전기적 특성은 0.5T의 자기장 하에서 실온에서 홀 측정(Nanometrics HL5500PC)에 의해 측정되었습니다. 모든 단일 측정 전에 각 구리 프로브와 샘플 사이에 선형 접촉이 얻어지도록 각별한 주의를 기울였습니다. X선 회절(XRD) 패턴은 방목 입사(θ 1 =1°) 9kW Cu-K가 있는 Rigaku Smartlab 회절계 사용 α 원천. X선 광전자 분광법(XPS) 데이터는 Al-K가 있는 Thermo Scientific Theta Probe System을 사용하여 얻었습니다. α 방사선(광자 에너지 =1486.6 eV). 필요한 경우 이온 스퍼터링 건을 사용하여 표면 오염을 제거했습니다. Zn 2p , O 1s 및 C 1s 스펙트럼을 수집했습니다. 모든 데이터는 C 1s을 참조했습니다. 284.6eV의 결합 에너지가 할당된 피크입니다. KPFM 측정은 공진 주파수가 65kHz인 Nanosensor ATEC Pt-Ir 코팅 팁을 사용하여 Nanonics CV2000에서 수행되었습니다. 표면 오염 물질의 영향을 줄이기 위해 진공 챔버에서 샘플을 꺼낸 직후에 측정을 수행했습니다.
제안된 슈퍼사이클 ALD 프로세스는 m으로 구성된 하나의 슈퍼사이클과 함께 그림 1a에 나와 있습니다. 열 ALD 프로세스의 주기(DEZ 및 H2 O) 및 하나의 O2 플라즈마 단계(O2 혈장). 자세한 내용은 "방법" 섹션에 있습니다. 그림 1b는 m일 때 슈퍼사이클 ALD 공정에서 ZnO 성장률을 비교합니다. =1 및 O2의 함수로서의 기존 플라즈마 강화 ALD 프로세스 플라즈마 시간. 플라즈마 강화 ALD 프로세스(빨간색)의 성장률은 O2에 민감한 것으로 밝혀졌습니다. ca에서 증가함에 따라 플라즈마. 플라즈마 시간이 2초에서 4초로 변경되는 1.4 ~ 1.7Å/사이클. 그런 다음 ca 수준에서 포화됩니다. 더 긴 플라즈마 시간에서 1.7Å/주기. 더 짧은 O2에서의 불포화 성장률 플라즈마 시간은 프로세스의 산소 결핍에 기인합니다. 이것은 때때로 높은 전도성을 갖는 ZnO 필름을 얻기 위해 선호되지만, 자체 제한적이지 않으며 전체 기판에 걸쳐 불량한 균일성을 초래할 수 있습니다. 반면 성장률은 ca에서 안정적인 것으로 나타났다. 1.69Å/수퍼사이클 슈퍼사이클 ALD 공정(검정색) 및 열 ALD 공정에 가깝습니다(t 3 =0 초) 적용된 플라즈마 시간에 관계없이 또한, 열 주기의 증가 m 고정된 플라즈마 시간을 가진 하나의 슈퍼사이클에서 그림 1c와 같이 성장률의 선형 증가로 이어집니다. 피팅된 기울기는 O2가 다른 두 성장 모두에 대해 1.67로 계산됩니다. 플라즈마 시간은 열 ALD 공정의 성장률에도 가깝습니다. 이것은 우리의 슈퍼사이클 ALD에서 ZnO의 성장이 열적 ALD 공정과 후속 O2에 의해 지배됨을 시사합니다. 플라즈마 단계는 단순한 치료 역할을 합니다.
슈퍼사이클 ALD 공정에 의해 성장된 모든 ZnO 필름(m =1) 육각형 wurtzite 구조에서 결정화되고 O2에 관계없이 피크 강도의 유사한 분포를 나타냅니다. 그림 2a와 같이 플라즈마 시간. 피크 (0 0 2)와 (1 0 1) 사이의 이론적인 강도 비율 0.44(결정자의 무작위 배향에 대해 JCPDS-34-1451에서 계산)와 비교하여, 이 필름은 ㄷ -축은 2와 5 사이의 (0 0 2) 및 (1 0 1) 피크 강도 비율로 필름의 우수한 결정질 품질을 나타냅니다. (0 0 2) 대 (1 0 1) 피크 비율의 약간의 증가는 O2가 증가함에 따라 관찰됩니다. 플라즈마 시간(추가 파일 1:그림 S1 참조). 이것은 더 긴 플라즈마에 노출될 때 더 높은 정도의 선호하는 방향을 제안합니다. 유사한 행동도 보고되었습니다[27, 28]. 그러나 우리 작업에서 강도비의 변화는 다른 작업에 비해 다소 미미하다는 점을 지적할 가치가 있다. 이것은 고품질 ZnO 필름을 생산하기 위한 슈퍼사이클 ALD 공정의 안정성을 추가로 시사합니다. 평균 입자 크기는 Scherrer 공식[29]에 기초하여 추정되었으며 약 11nm, ZnO 입자 크기가 O2의 영향을 거의 받지 않음을 나타냅니다. 플라즈마 시간. 다양한 열 ALD 사이클(m ) 고정 O2 그림 2b와 같이 플라즈마 시간(1초)
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a를 사용한 슈퍼사이클 ALD 공정으로 성장된 ZnO 필름의 XRD 패턴 다른 O2 고정 열 주기의 플라즈마 시간(m =1) 및 b 고정 O2의 다양한 열 사이클 플라즈마 시간(t 3 =1 초)
결정성 외에도 초순환 ALD 성장 ZnO 필름의 광학 특성은 분광 타원 측정법(SE)을 사용하여 연구되었습니다. 광학 상수(n 그리고 k )는 ZnO 필름을 피팅하는 데 일반적으로 사용되는 Tauc-Lorentz 모델에 의해 타원 측정 결과에서 추출할 수 있습니다[28, 30, 31]. 유사한 결정도와 유사하게 다른 O2로 증착된 ZnO 필름의 광학적 특성 추가 파일 1:그림 S2에 표시된 것처럼 플라즈마 시간과 열 주기도 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 이것은 결정도의 변화가 항상 광학적 특성의 변화와 관련이 있다는 보고된 연구와 일치합니다[28, 32]. ZnO 필름의 형태학적 특성은 AFM에 의해 특징지어집니다. 모든 필름은 ca. 0.3 및 0.8nm(추가 파일 1:그림 S3).
슈퍼사이클 ALD 공정에 의해 성장된 ZnO 필름의 전기적 특성은 홀 효과 시스템에 의해 조사됩니다. 모든 영화는 n -형 반도체이며 저항은 ca에서 증가합니다. 10 −3 ~ 10 3 O2 증가 시 Ω cm 플라즈마 시간 및 고정 열 주기(m =1) 그림 3a와 같이. 이것은 ca에서 운반체 농도의 감소와 관련이 있습니다. 10 21 ~ 10 15 cm −3 O2로 플라즈마 시간은 0초에서 8초로 증가합니다(그림 3b). 반대로, 모든 ZnO 필름의 전자 이동도는 다소 일정한 것으로 밝혀졌습니다(ca. 3.0 ± 1.0 cm 2 /V s) 및 플라즈마 지속 시간의 영향을 받지 않습니다. 자세한 수행 메커니즘은 아래 섹션에서 자세히 설명합니다. 우리가 이전에 보고한 플라즈마 강화 ALD 공정과 비교하여[21], 슈퍼사이클 ALD 공정에서 저항 조정의 크기가 5차 이상으로 더욱 향상되었습니다. 또한 이 제안된 ALD 프로세스는 열 주기(m ) O2를 수정하는 동안 하나의 수퍼 사이클에서 플라즈마 시간(t 3 ). 이것은 t의 경우에 특히 유용합니다. 3 =1 초 ALD 장비의 한계로 인해 플라즈마 시간을 더 줄여 튜닝을 달성할 수 없는 경우. 그림 3a, b의 열린 점은 서로 다른 열 주기(m =2, 3, 5) t일 때 3 =1 s(오차 막대는 점 안에 있음) 열 주기가 많을수록 캐리어 농도가 더 높은 저항막이 감소한다는 것을 관찰할 수 있습니다. 이것은 10 −3 범위 내에서 3개의 추가 저항을 제공합니다. ~ 10 1 Ωcm.
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아 다른 O2에서 성장한 ZnO 필름의 전기 저항 고정 열 주기 m의 플라즈마 시간 (실선 점) 및 고정 O2의 다양한 열 주기 슈퍼사이클 ALD 공정에 의한 플라즈마 시간(열린 점). ㄴ 다른 O2에서 성장한 ZnO 필름의 캐리어 농도(파란색) 고정 열 주기(실선 점)가 있는 플라즈마 시간 및 고정 O2가 있는 다른 열 주기 플라즈마 시간(열린 점). 다른 O2에서 성장한 ZnO 필름의 이동성(녹색) 고정 열 주기의 플라즈마 시간
저항이 변화하는 ZnO 필름의 페르미 레벨 위치에 대한 통찰력을 얻기 위해 KPFM 측정을 수행했습니다. 접점 전위차 V를 측정합니다. CPD 전도성 팁과 다음과 같이 정의되는 샘플 사이:
$$ {V}_{\mathrm{CPD}}=\frac{\phi_{\mathrm{tip}}-{\phi}_{\mathrm{샘플}}}{q} $$ (1)여기서 q 는 전자 전하이고 ϕ 팁 및 ϕ 샘플 는 각각 팁과 샘플의 일 함수입니다. 두 개의 다른 재료가 전기적으로 접촉하면 페르미 준위가 전자 전류 흐름을 통해 정렬되어 결과적으로 추가 파일 1:그림 S4와 같이 팁과 샘플 사이에 접촉 전위차를 유도합니다. KPFM의 자세한 작동 원리는 추가 파일 1에 나와 있습니다. 다른 O2에서 슈퍼사이클 ALD 공정으로 성장한 ZnO 필름의 접촉 전위차 고정 열 주기의 플라즈마 시간(m =1) 그림 4에 나와 있습니다. 각 V CPD 이미지가 균일하고 비교적 매끄럽고 평균 V에 상당한 차이가 있는 것으로 보입니다. CPD 값을 관찰할 수 있습니다(그림 4f 참조). 팁 작업 기능 ϕ 팁 모든 측정에 대해 일정하게 유지됩니다. V의 실질적인 차이 CPD 따라서 다른 ZnO 필름 내에서 페르미 레벨 이동의 결과입니다. ca의 총 이동. 0과 8s O2로 성장된 ZnO 필름 사이에서 0.32 eV가 얻어집니다. ZnO 밴드갭에 비해 상당한 플라즈마 시간(추가 파일 1:그림 S2c에 표시된 바와 같이 이 작업에서 SE 결과를 기반으로 하는 약 3.22 eV). 다른 열 사이클에서 성장한 ZnO 필름의 경우(m =2, 3, 5) 고정 O2에서 플라즈마 시간(t 3 =1 s), 다른 V CPD 값도 그림 4f와 같이 감지되었습니다. 이 영화의 2차원 KPFM 이미지는 추가 파일 1:그림 S5에서 찾을 수 있습니다. 이것은 전자-정공 균형의 변화가 ZnO 캐리어 농도에 상당한 영향을 미칠 수 있는 필름 전체에서 발생함을 의미합니다.
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아 –이 2차원 접촉 전위차 V CPD O2가 있는 슈퍼사이클 ALD 성장 ZnO 필름의 표면 전위 측정 이미지 플라즈마 시간(t 3 ) 0~8초 및 고정 열 주기(m =1). 에 평균 V CPD 다양한 O2 값 플라즈마 시간(실선) 및 열 주기(열린 점)
페르미 준위와 캐리어 농도 사이의 관계를 조사하기 위해 Maragliano et al.에서 제안한 전자 에너지 모델을 채택했습니다. 접촉 전위차 V를 연관시키기 위해 CPD 재료의 도핑 농도와 함께 [26]. 효과적인 기증자 농도 가정 n D 고유 캐리어 농도보다 훨씬 높으면 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
$$ {n}_{\mathrm{D}}\approx {N}_{\mathrm{C}}\exp \left(\frac{q{V}_{\mathrm{C}\mathrm{PD} }-{\phi}_{\mathrm{tip}}+\chi }{K_BT}\right) $$ (2)여기서 N C 상태의 유효 밀도, χ 반도체의 전자 친화력, K 나 는 볼츠만 상수이고 T 온도입니다. 상태의 유효 밀도 값 N C , 팁 작업 함수 ϕ 팁 , 전자 친화도 χ 이 값이 모든 측정에서 동일하기 때문에 다른 ZnO 필름의 상대 캐리어 농도 차이를 계산할 수 있습니다. 따라서 O2의 0으로 성장한 필름 사이의 캐리어 농도 비율은 주어진 ZnO 필름에 대한 플라즈마 시간은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
$$ \frac{n_0}{n_x}=\exp \left(\frac{V_{\mathrm{CPD}0}-{V}_{\mathrm{CPD}x}}{K_BT/q}\right) $$ (3)n 0 그리고 n x 는 0 및 x로 성장된 ZnO 필름의 캐리어 농도입니다. O2의 초 각각 플라즈마 시간 및 V CPD0 및 V CPDx 대응하는 접촉 전위차입니다. 계산된 캐리어 농도 비율은 O2의 함수로 그림 5에 표시됩니다. 플라즈마 시간. 농도 비율은 O2가 길수록 증가하도록 계산됩니다. 플라즈마 시간(빨간색). 더 중요한 것은 증가 추세가 홀 효과 측정 결과(검정색)에서 얻은 값과 잘 일치한다는 것입니다. 다른 열 사이클(m =2, 3, 5) 고정 O2에서 플라즈마 시간(t 3 =1 초). 이것은 분명히 ZnO 필름 페르미 준위의 이동이 캐리어 농도 수준과 직접적으로 관련되어 있음을 시사합니다.
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다양한 O2로 성장된 ZnO 박막 사이의 캐리어 농도 비율의 홀 효과 및 KPFM 측정 결과 플라즈마 시간(실선) 및 열 주기(열린 점)
X선 광전자 분광법(XPS) 측정은 슈퍼사이클 ALD 성장 ZnO 필름의 결합 및 화학적 상태를 연구하여 전도 메커니즘에 대해 밝히기 위해 수행되었습니다. O 1s의 화학적 상태 가우스 피팅 후에 두 개의 피크를 식별할 수 있는 그림 6에 나와 있습니다. 더 낮은 에너지 피크(A)는 ca에 위치합니다. 530.3 eV는 O 2− 로 제안됩니다. 육각형 Zn 2+ 의 wurtzite 구조에 있는 이온 이온 [33,34,35]. ca에서 더 높은 결합 에너지 성분의 할당. 532.2(B)는 문헌[33,34,35,36,37,38]에 대해 논쟁의 여지가 있습니다. 그러나 ZnO 필름의 수산기(즉, Zn-OH)[33, 37, 38, 39]와 관련이 있다고 널리 보고되어 있습니다. 따라서 우리는 잠정적으로 OB Zn-OH 결합에 그림 6에서 관찰된 피크. 한편, 산소 결손 관련 피크는 ca. 531.2 eV[35]는 이 작업에서 관찰되지 않습니다. 열 ALD 공정에 의해 성장된 ZnO 필름(t 3 =0 s) 지배적인 OB를 나타냅니다. XPS 스펙트럼의 피크(그림 6a). 이는 이 막에 다량의 수소 관련 불순물이 존재함을 의미한다. 이러한 높은 수준의 결함은 자체 도핑 메커니즘으로 작용하여 높은 캐리어 농도를 유발합니다. 추가 O2 플라즈마 단계(t 3 ) 불순물을 줄이고 OB 피크 강도는 O2가 길수록 감소합니다. 플라즈마 시간(그림 6f). 더 많은 열 사이클이 OB의 증가로 이어지는 다양한 열 사이클에서 성장한 ZnO 필름에 대해서도 유사한 경향이 관찰되었습니다. 그림 6f 및 추가 파일 1에 표시된 피크 강도:그림 S6.
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아 –이 XPS 스펙트럼과 O 1s의 가우스 피팅 O2가 있는 슈퍼사이클 ALD 성장 ZnO 필름의 영역 플라즈마 시간(t 3 ) 0~8초 및 고정 열 주기(m =1). 에 수소 관련 OB의 비율 다양한 O2로 성장한 ZnO 필름의 피크 플라즈마 시간(실선) 및 열 주기(열린 점)
고유한 n의 기원 -ZnO 필름의 유형 전도성은 여전히 논란의 여지가 있습니다. 기존의 지혜는 이 전도도를 자연적 결함(즉, 산소 결손 및 Zn 간극)으로 돌렸지만[18, 40,41,42,43,44], 최근의 첫 번째 원리 계산[45]에 의해 도전을 받았습니다. 산소 결핍은 또한 많은 연구에서 이들이 얕은 공여자보다 깊고 n에서 높은 형성 에너지를 가지고 있음을 시사하는 것처럼 높은 농도 수준에 기여하지 않을 것입니다. -유형 ZnO(따라서 형태와 다름) [41,42,43,44]. 또한, 산소 결핍 관련 O 1s 피크는 그림 6에 표시된 XPS 데이터에서도 관찰되지 않습니다. Zn 간극은 얕은 공여체이지만 높은 형성 에너지를 갖고 더 빠른 확산기이므로 안정적이지 않을 것으로 제안되었습니다[41]. Zn 2p의 XPS 스펙트럼 3/2 다양한 O2를 갖는 슈퍼사이클 ALD 성장 ZnO 필름의 상태 플라즈마 시간은 그림 7에 나와 있습니다. 모든 스펙트럼은 ca. Zn 2+ 에 기인할 수 있는 1021.5 eV ZnO의 결합 [6, 34, 46]. 그러나 약간 더 높은 결합 에너지[6, 47]에서 Zn 간극 성분이 모든 스펙트럼에서 관찰되는 것은 아닙니다. 이것은 ZnO 필름 전도도에 대한 Zn 틈새의 영향도 이 연구에서 배제될 수 있음을 시사합니다.
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아 –이 XPS 스펙트럼 및 Zn 2p의 가우스 피팅 3/2 O2가 있는 슈퍼사이클 ALD 성장 ZnO 필름의 영역 플라즈마 시간(t 3 ) 0 ~ 8초 및 고정 열 주기(m =1)
최근 수소 관련 불순물/결함이 n -ZnO의 유형 전도도 [33, 48]. ZnO에 수소 결합이 존재한다는 증거는 Janotti et al. [48], 그리고 이러한 결합은 고농도로 통합될 수 있고 얕은 공여체로 작용할 수 있다고 제안되었습니다[49,50,51]. 실제로 수소는 전구체와 H2 모두로 슈퍼사이클 ALD 공정에 존재합니다. O는 수소를 포함하고 열 ALD 단계에서 1/2 주기마다 Zn-OH 결합이 생성됩니다. 이것은 또한 수산기 관련 O 1s의 관찰에 의해 뒷받침됩니다. XPS 스펙트럼의 피크(그림 6 참조). ZnO 막 저항률과 캐리어 밀도는 그림 8에서 이 피크의 비율에 대해 표시됩니다. 이러한 수소 불순물의 높은 비율은 높은 캐리어 농도를 유도하여 낮은 저항률로 이어집니다. 후속 O2 각 슈퍼사이클 내의 플라즈마 단계는 수소 결합을 효과적으로 제거하여 캐리어 농도를 감소시킵니다. 이것은 캐리어 농도의 감소와 저항의 증가를 동반합니다. ALD 및 CVD 공정 모두에서 동일한 동작이 보고되었습니다[33, 52].
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하이드록실 그룹 관련 OB의 함수로서의 전기 저항 및 캐리어 농도 피크 비율(점선은 눈의 가이드)
열 ALD 공정과 현장 O2를 결합한 슈퍼사이클 ALD 공정을 사용하여 고도로 조정 가능한 전기적 특성을 가진 도핑되지 않은 ZnO 필름의 증착이 보고되었습니다. 플라즈마 처리. O2를 조정하여 필름 저항 및 캐리어 농도에 대한 5배 이상의 크기 조정을 달성했습니다. 플라즈마 시간. 속성의 미세 조정은 슈퍼 사이클에서 열 ALD 사이클 수를 변경하여 실현할 수도 있습니다. 이러한 전기적 특성의 조정은 막의 수소 결함 농도의 변화와 관련이 있는 것으로 여겨집니다. 이것은 Kelvin 프로브 힘 현미경에 의해 밝혀진 바와 같이 ZnO 필름 내에서 페르미 레벨의 이동을 직접적으로 유발합니다. 간단한 전자 에너지 모델을 채택하여 페르미 레벨 이동에서 계산된 캐리어 농도가 홀 효과 측정 결과와 잘 일치함을 보여줍니다. 여기에 보고된 이 신뢰할 수 있고 강력한 기술은 이 방법을 사용하여 다양한 응용 분야에서 제어된 속성을 가진 ZnO 필름을 생산할 수 있는 능력을 분명히 나타냅니다.
원자층 증착
디에틸아연
켈빈 프로브 힘 현미경
X선 광전자 분광법
X선 회절
나노물질
초록 3 펄스 오존(O3)이 있거나 없는 사파이어 기판에 원자층 증착(ALD) 성장 ZnO 박막의 특성 ) 산화제 전구체 및 증착 후 열 어닐링(TA)으로 조사됩니다. ZnO 에피층의 증착 온도와 두께는 각각 180°C 및 85 nm입니다. 증착 후 열처리는 산소 분위기(O2 ) 1시간 동안 강산화제 O3 성장하는 ZnO의 증착 후 TA, 고유 변형률 및 응력은 각각 매우 낮은 배경 전자 농도(9.4 × 1015)로 0.49% 및 2.22 GPa로 감소 cm−3 ). 이것은 통합된 광발광(PL) 스펙트럼의 열 소광 분석에서 열 활
초록 Nb 도핑된 SrSnO3 (SSNO) 박막은 LaAlO3에서 에피택셜 성장되었습니다. (001) 다양한 산소 압력 및 기판 온도 하에서 펄스 레이저 증착을 사용하는 단결정 기판. 필름의 결정 구조, 전기적 및 광학적 특성을 자세히 조사했습니다. X-선 회절 결과는 에피택셜 특성을 유지하면서 산소 압력이 증가함에 따라 필름의 셀 부피가 점진적으로 감소함을 보여줍니다. X선 광전자 분광법 분석으로 Nb5+ 확인 SSNO 필름의 산화 상태. 홀 효과 측정이 수행되었으며 780°C 기판 온도에서 0.2 Pa에서 제조된 필름은 31.
