Efectos del espesor de la bicapa en las propiedades morfológicas, ópticas y eléctricas de los nanolaminados de Al2O3 / ZnO

Modelo óptico de muestras cultivadas en SiO ₂ / Sustrato de Si para análisis SE

Aquí, N , M , exp y cal representan el número de puntos de datos en los espectros, el número de parámetros variables en el modelo, los datos experimentales y los datos calculados, respectivamente.

Los espesores ajustados de los nanolaminados se muestran en la Tabla 2. Están muy cerca de los valores obtenidos de las mediciones de TEM, lo que indica la precisión del proceso de ajuste. El error de ajuste RMSE también se revela en la Tabla 2, y el valor está dentro de lo permitido, lo que demuestra la confiabilidad de los resultados de ajuste. Los espesores de la muestra 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) y 10 (5/5 nm) muestran una tendencia suave, y la pequeña fluctuación resulta de diversos grados de reacciones químicas superficiales de ALD. Por el contrario, los espesores de la muestra 25 (2/2 nm) y 50 (1/1 nm) disminuyen obviamente al disminuir el espesor de la bicapa. De ello se deduce que el Al ₂ O ₃ / Los nanolaminados de ZnO muestran espesores diferentes con espesores de bicapa bajos, incluso si el número de ciclos permanece igual en el proceso de deposición. La Tabla 3 resume las tasas de crecimiento de Al ₂ O ₃ y subcapas de ZnO (relación de espesor 1:1) utilizando los espesores enumerados en la Tabla 2. Los valores aumentan al principio y se saturan finalmente cuando aumentan los ciclos en las subcapas. La variación en el espesor de la película y la tasa de crecimiento puede resultar de la reacción interfacial entre Al ₂ O ₃ y capas de ZnO que se introducirán en el siguiente contenido, y las muestras con menor espesor de bicapa se verán más afectadas. Karvonen y col. dieron una explicación similar, y atribuyeron la variación en la tasa de crecimiento al grabado con TMA de ZnO durante el Al ₂ O ₃ crecimiento [7]. Elam y col. encontró que las tasas de crecimiento de Al ₂ O ₃ y el ZnO aumenta con el número de ciclos de ALD [24]. Concluyeron que la tasa de crecimiento reducida de los ciclos tempranos de ALD puede resultar del proceso de nucleación que ocurre al hacer la transición de Al ₂ O ₃ a ZnO y de ZnO a Al ₂ O ₃ . Solo cuando se forman nuevos cristales, la tasa de crecimiento alcanza el valor de estado estable.

Las constantes ópticas de Al ₂ O ₃ / Los nanolaminados de ZnO se ilustran en la Fig. 6. Muestra varios índices de refracción n y coeficiente de extinción k con diferentes espesores de bicapa. La figura 6a describe los espectros de dispersión del índice de refracción de los nanolaminados con diferentes espesores de bicapa. Los valores de n disminuyen gradualmente con la disminución del espesor de la bicapa en el rango de 50 a 2 nm debido al cambio de crecimiento y la penetración de Al [21, 31]. El n ( λ ) La característica de ZnO se puede observar para nanolaminados con espesores de bicapa de 50, 20 y 10 nm. Y esta forma de línea se degenera lentamente y desaparece cuando el grosor de la bicapa es inferior a 4 nm. En consecuencia, el n ( λ ) las características tienden a comportarse como Al ₂ O ₃ como se muestra en la muestra 50 (1/1 nm). El k Los espectros de dispersión se pueden encontrar en la Fig. 6b. Diferentes curvas representan diferentes muestras con varios espesores de bicapa. En la región de 430-1000 nm, los coeficientes de extinción son aproximadamente iguales a 0, es decir, los nanolaminados son casi transparentes en esa región de longitud de onda. Mientras tanto, se produce un cambio de azul en el borde de absorción con un espesor de bicapa decreciente. La distancia de desplazamiento de la muestra 25 (2/2 nm) y 50 (1/1 nm) es mayor, por lo que el borde de absorción se mueve gradualmente fuera de la región espectral y presenta las características de Al ₂ O ₃ . En conjunto, las características de las constantes ópticas se transfieren de ZnO a Al ₂ O ₃ . Los cambios observados de n y k podría estar determinado por dos fenómenos físicos. Por un lado, se ven afectados por el efecto de confinamiento cuántico. Podemos ver que las muestras 25 (2/2 nm) y 50 (1/1 nm) tienen espesores de subcapa más pequeños que el radio de Bohr del ZnO a granel, por lo que sus comportamientos dieléctricos cambian más dramáticamente que las otras muestras. Por otro lado, se basa en el mecanismo de crecimiento que conduce a la penetración de Al en las capas de ZnO [22, 24]. Según el mecanismo de crecimiento, la reacción de sustitución de Zn con Al puede ocurrir en la interfaz entre ZnO y Al ₂ O ₃ capas:

donde ZnO-OH y Al (C ₂ H ₅ ) ₃ son la sustancia en la superficie y la fase gaseosa, respectivamente. Debido a esta reacción interfacial, puede ocurrir el dopado de Al en capas de ZnO y se puede reducir la proporción de ZnO en nanolaminados. Por lo tanto, con la disminución del espesor de la bicapa, la interfaz entre ZnO y Al ₂ O ₃ capas aumenta, y la proporción de ZnO en los nanolaminados disminuye en consecuencia. Esto puede verificarse mediante las imágenes TEM de gran aumento que se muestran en la Fig. 2d, e. Cuando el grosor de la bicapa disminuye, los límites entre Al ₂ O ₃ y las capas de ZnO se vuelven más anchas y borrosas. Convierte la característica de las transferencias de nanolaminados enteros a la de Al ₂ O ₃ .

Las constantes ópticas de los nanolaminados cultivados en SiO ₂ / Sustrato de Si. un El índice de refracción n . b El coeficiente de extinción k

Para comprender mejor el desplazamiento al azul del borde de absorción, se aplica la extrapolación de Tauc para evaluar la información de la banda prohibida de los nanolaminados con un espesor de bicapa de 50, 20 y 10 nm. Para evaluar las energías de banda prohibida, se utilizaron coeficientes de extinción de los nanolaminados. Los coeficientes de extinción, banda prohibida y absorción se asocian de acuerdo con las siguientes fórmulas [32]:

$$ {\ left (\ alpha h \ upsilon \ right)} ^ 2 =A \ left (E- {E} _g \ right) $$ (7) $$ \ alpha =\ frac {4 k \ pi} { \ lambda} $$ (8)

donde α es el coeficiente de absorción óptica, A es una constante y E _g es la energía de banda prohibida óptica. Sobre la base de las Ecs. (7) y (8), una gráfica de ( αhν ) ² frente a hν se ha realizado como se demuestra en la Fig. 7. El valor de la energía de banda prohibida E _g se puede determinar gráficamente por x eje y el ajuste lineal en la parte lineal del borde de absorción, que se proporciona en la figura insertada de la Fig. 7. La información de la banda prohibida de las muestras 25 (2/2 nm) y 50 (1/1 nm) no se revela en la Fig. .7, porque la parte lineal del borde de absorción excede el rango espectral desarrollado a partir del espectro del coeficiente de extinción, lo que podría dar lugar a resultados inexactos. En la Fig. 7, se puede ver que la energía de banda prohibida del nanolaminado muestra una tendencia creciente con la disminución del espesor de la bicapa, lo que podría interpretarse por el efecto BM [33,34,35]. Interpuesto Al ³⁺ ocupa el lugar de Zn ²⁺ en la interfaz de Al ₂ O ₃ / Capas de ZnO y proporciona un electrón extra. Entonces, en los nanolaminados, la concentración de portadores libres aumenta, lo que hace que la energía de la banda prohibida se mueva a una región de mayor energía. La siguiente ecuación puede describir este efecto exactamente [35]:

$$ {E} _g ={E} _g ^ 0 + \ varDelta {E} _g ^ {\ mathrm {BM}} ={E} _g ^ 0 + \ frac {h ^ 2} {8 {m} _e ^ {\ ast}} {\ left (\ frac {3} {\ pi} \ right)} ^ {2/3} {n} _e ^ {2/3} $$ (9)

donde Δ E _g ^BM y E _g ⁰ representan el incremento de la banda prohibida causado por el efecto BM y el ancho de banda prohibido intrínseco, mientras que h , m _e ^* y n _e son la masa de electrones efectiva y constante de Plank en la banda de conducción y la densidad del portador de electrones, respectivamente.

Bandgap óptico evaluado de nanolaminados con diferentes espesores de bicapa

La Figura 8 muestra los espectros de transmitancia y absorbancia de todo el grupo. Se puede encontrar que los bordes de absorción agudos se encuentran en la región de 200 a 400 nm, es decir, la región ultravioleta. Es importante destacar que los bordes de absorción se mueven a la longitud de onda más corta (desplazamiento al azul) con un espesor de bicapa decreciente, y esta tendencia está exactamente cerca de los resultados previos calculados a partir de la medición de SE. Este cambio de azul se debe al efecto BM que hace que aumente la banda prohibida. Sin embargo, el desplazamiento al azul no es sucesivo, porque en los nanolaminados de 25 (2/2 nm) y 50 (1/1 nm), el efecto de confinamiento cuántico se vuelve dominante y la reacción interfacial se intensifica lo que hace que los nanolaminados muestren las características de Al ₂ O ₃ gradualmente. En este punto, el desplazamiento azul es la contribución total del efecto BM, el efecto de confinamiento cuántico y la evolución característica de los nanolaminados. Es decir, estos tres factores provocan el enorme desplazamiento del borde de absorción. En conjunto, el borde de absorción puede ser modulado por el grosor de la bicapa en la región ultravioleta (200–400 nm). Según esto, se puede aplicar como detector ultravioleta. Además, todos los Al ₂ O ₃ / Los nanolaminados de ZnO muestran una transmitancia superior al 90% en la región visible y del infrarrojo cercano, junto con un borde de banda de absorción nítido. La transmitancia aquí muestra un valor y una tendencia casi similares a los de muchos otros materiales TCO [36], lo que hace posible su aplicación como material TCO.

un Transmitancia y b espectros de absorbancia de nanolaminados cultivados en sustratos de cuarzo con diferentes espesores de bicapa

Propiedades eléctricas

La medición del efecto Hall se realiza para correlacionar los análisis con las propiedades eléctricas del Al ₂ O ₃ / Nanolaminados de ZnO. Los nanolaminados preparados sobre sustratos de cuarzo se seleccionan como muestras de prueba para eliminar la distribución de resistividad espacial, y la Fig. 9 muestra los resultados de la prueba. Al principio, la concentración del portador y la resistividad muestran pocos cambios y se mantienen alrededor de 10 ¹⁹ cm ⁻³ y 10 ⁻² Ω cm, respectivamente. Con la disminución del espesor de la bicapa, la concentración de portador cae bruscamente y la resistividad también aumenta. Puede ser interpretado por la reacción interfacial de Al ₂ O ₃ / Capas de ZnO que dan como resultado la evolución característica de los nanolaminados. Los nanolaminados muestran la característica de aislamiento de Al ₂ O ₃ gradualmente y darse cuenta de la sintonía de la resistividad cambiando el grosor de la bicapa. Además, los valores de la concentración de portador de nanolaminados 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) y 10 (5/5 nm) son 4,99 × 10 ¹⁹ , 5,26 × 10 ¹⁹ y 8,91 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , respectivamente. Muestra un crecimiento lento de acuerdo con la explicación de los resultados de la banda prohibida, y los valores aproximadamente iguales a los de los materiales de TCO de los resultados de otros informes [25, 37]. Por lo tanto, estos tres tipos de nanolaminados poseen no solo una conductividad eléctrica favorable, sino también una excelente transmitancia de luz en la región visible y del infrarrojo cercano. Es vital para Al ₂ O ₃ / Nanolaminados de ZnO para desempeñar un papel en el campo de los conductores transparentes. Las muestras 25 (2/2 nm) y 50 (1/1 nm) presentan características de aislamiento y realizan la sintonización de resistividad, que se puede aplicar como capa de alta resistividad en dispositivos semiconductores.

Concentración de portadores y resistividad de nanolaminados cultivados en sustrato de cuarzo con diferentes espesores de bicapa

Conclusiones

Hemos investigado las propiedades morfológicas, ópticas y eléctricas del Al ₂ O ₃ / Nanolaminados de ZnO entre varios espesores de bicapa que van desde 2 a 50 nm. Los límites de capa claros y la baja rugosidad de la superficie muestran morfologías de alta calidad de nanolaminados preparados por el método ALD. Con la disminución del grosor de la bicapa, insertó Al ₂ O ₃ Las capas de los nanolaminados comienzan a limitar la rugosidad, lo que hace que los nanolaminados sean más lisos. Cuando el espesor de la bicapa alcanza un cierto valor, esta limitación de rugosidad puede ignorarse. El espesor, las constantes ópticas y la información de la banda prohibida de los nanolaminados se han extraído del análisis SE. Con la disminución del espesor de la bicapa, el borde de absorción del coeficiente de extinción tiene un desplazamiento azul, y las energías de banda prohibida óptica muestran una tendencia creciente, debido a que el efecto BM, el efecto de confinamiento cuántico y la evolución característica de los nanolaminados tienen una influencia significativa sobre ellos. Este cambio de azul también ocurre en los espectros de transmisión y absorbancia con alta transmitancia más allá del 90% en la región visible e infrarroja cercana. Además, al variar el espesor de la bicapa, las propiedades eléctricas también muestran dos tipos de características, y se realiza la modulación de características. Los nanolaminados 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) y 10 (5/5 nm) muestran una alta concentración de portadores por encima de 10 ¹⁹ cm ⁻³ , que se puede aplicar como material conductor transparente. Y también, los nanolaminados 25 (2/2 nm) y 50 (1/1 nm) que poseen alta resistividad se pueden utilizar como capa de alta resistividad en el proceso de fabricación de semiconductores.

Abreviaturas

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

ALD:

Deposición de la capa atómica

AZO:

ZnO dopado con Al

BM:

Burstein-Moss

DEZ:

Dietilzinc

FB:

Forouhi-Bloomer

RMSE:

Error de raíz cuadrada media

SE:

Elipsometría espectroscópica

TCO:

Óxido conductor transparente

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

TMA:

Trimetilaluminio

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