xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Παρασκευή και Xαρακτηρισμός Λεπτών Υμενίων ZnN με την Μέθοδο του R.F.
Magnetron Sputtering
Β.Καμπυλαυκά a , Π. Βουλγαροπούλου b , Σ.Ντούνης b , Μ. Ανδρουλιδάκη c , M. Ružinský d , V. Šály d , P. Prokein d , Ζ.
Βισκαδουράκης c , and Η. Απεραθίτης c
a
Physics Department, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece
b Materials Science & Technology Department, University of Crete, P.O. Box 2208, 71003 Heraklion, Crete, Greece
c Microelectronics Research Group, Institute of Electronic Structure & Laser, Foundation for Research and Technology –
FORTH-Hellas, P.O. Box 1527, Heraklion 71110, Crete, Greece
d Slovak University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, Ilkovičova 3, SK-812 19
Bratislava, Slovak Republic
* alky2@otenet.gr
Η παρούσα μελέτη αφορά στην παρασκευή λεπτών υμενίων (thin films) ZnN , καθώς και στον ηλεκτρικό οπτικό και δομικό
χαρακτηρισμό τους. Τα υμένια εναποτέθηκαν με την μέθοδο του r.f. magnetron sputtering σε περιβάλλον μείγματος αερίων
Αr-Ν 2 , σε r.f. ισχύ 100Watt , και σε συνολική πίεση θαλάμου 5mTorr ή 10mTorr.
Για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε στόχος ZnN (zinc nitride) ενώ η εναπόθεση έγινε σε υπόστρωμα γυαλιού Corning 7059 ή
σε fused silica. Η ύπαρξη ατόμων και μορίων Zn και N 2 μέσα στον θάλαμο , πιστοποιήθηκε χρησιμοποιώντας
φασματοφωτόμετρο (Optical Emission Spectroscopy).Τα υμένια μετά την εναπόθεση τους υπέστησαν ανόπτηση που
πραγματοποιήθηκε σε ροή N 2 σε σύστημα RTA (Rapid Thermal Annealing, Jipelec FAV4).Ορισμένα από τα δείγματα
οξειδώθηκαν για δύο ώρες σε φούρνο ροής Ο 2 και θερμοκρασίας 800ºC. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων μετρήθηκαν
βάση του φαινόμενου Hall με την τεχνική των τεσσάρων επαφών Van der Pauw. Οι οπτικές ιδιότητες εξετάστηκαν
καταγράφοντας την Transmittance των υμενίων στο UV-NIR φάσμα (Varian , Cary 50) και την φασματοφωταύγεια τους(PL,
photoluminescence) χρησιμοποιώντας λέιζερ He-Cd (CW325nm) .Το πάχος των δειγμάτων μετρήθηκε με το προφιλόμετρο
a-step100 Tencor.
Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν τόσο αμέσως μετά την εναπόθεση τους όσο και μετά από τις διεργασίες της
ανόπτησης και της οξείδωσης.
Τα υμένια ZnN που εναποτέθηκαν με 100% Ar σε πίεση θαλάμου 5mTorr είχαν μεγαλύτερο ρυθμό εναπόθεσης
από εκείνα που παρασκευάσθηκαν σε πίεση 10mTorr εξαιτίας της μικρότερης κινητικής ενέργειας του πλάσματος. Επίσης
όταν αυξήθηκε το ποσοστό N 2 στο πλάσμα , τότε μειώθηκε αισθητά και ο ρυθμός εναπόθεσης.
Στο σχήμα 1. φαίνονται οι καμπύλες του ρυθμού εναπόθεσης σε συνάρτηση με το ποσοστό αζώτου που εισήλθε στον
θάλαμο.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων που παρασκευάσθηκαν με 100%Ar έδειξαν αντίσταση της τάξης 10 -1 -10 -2
Ωcm και συγκέντρωση φορέων 10 19 -10 20 cm -3 το οποίο έρχεται σε συμφωνία με παρόμοιες μελέτες για το ZnN [2,4,9]
Αντίθετα, όλα τα δείγματα που εναποτέθηκαν με μείγμα Ar και N 2 στον θάλαμο, είχαν πολύ μεγάλη τιμή αντίστασης
(kΩcm). Στο Σχήμα 2. φαίνονται οι διαφορές των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των δειγμάτων μετά την διεργασία της ανόπτησης
σε περιβάλλον N 2 .Η αντίσταση των δειγμάτων φαίνεται να βελτιώνεται μόνο σε θερμοκρασίες ανόπτησης έως 300ºC. Για
υψηλότερες τιμές θερμοκρασίας η αγωγιμότητα των δειγμάτων μειώνεται και η συγκέντρωση των φορέων μειώνεται .
Ωστόσο η αλλαγή του τύπου αγωγιμότητας από n σε p τύπου παρατηρήθηκε μόνο μετά από οξείδωση των υμενίων ZnN.
Η transmittance των υμενίων αυξήθηκε με την αύξηση του N 2 στον θάλαμο του sputtering. Τα δείγματα που
παρασκευάσθηκαν με 100% Ar ήταν αδιαφανή σε σχέση με αυτά που εναποτέθηκαν με χρήση N 2 .Στο σχήμα 3.
παρουσιάζεται η βελτίωση της διαπερατότητας των υμενίων και στις δύο συνολικές πιέσεις του θαλάμου (5&10mTorr).
Παρατηρήσαμε βελτίωση της transmittance και μετά από την οξείδωση των δειγμάτων μέσα σε φούρνο θερμοκρασίας 400ºC
και 550ºC το οποίο παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.
Συμπερασματικά αναφέρουμε ότι τα λεπτά υμένια ZnN παρουσιάζουν μεγάλες τιμές διαπερατότητας αν κατά την
εναπόθεση χρησιμοποιηθεί μαζί με το Ar και αέριο άζωτο. Η αγωγιμότητα τους είναι χαμηλή αλλά φαίνεται να βελτιώνεται
μετά από ανόπτηση στους 300ºC. Τέλος , η οξείδωση των δειγμάτων αύξησε κατά πολύ την αρχική τους διαπερατότητα και
μετέτρεψε την αγωγιμότητα ορισμένων δειγμάτων από n σε p τύπου.
16