THE IMPACT OF THE PHOTON PROCESSING AND TEMPERATURE ON THE CONDUCTIVITY OF In 2O 3 FILMS PRODUED WITH AUTOWAVE OXIDATION

全文:

In2O3 является прямым широкозонным полупро водником с шириной запрещенной зоны ~ 3.7 эВ [1]. ловедения исследования влияния температуры и фо- Благодаря своим свойствам пропускать видимый свет тооблучения на сопротивления In2O3 пленок, полуи проводить электрический ток, оксид индия находит ченных различными методами. широкое применение в различных приложениях и В данной работе представлены результаты исследоустройствах. Тонкие пленки In2O3 используются в вания комплексного воздействия температуры и фотонгазовой сенсорике, тонкопленочных прозрачных ной обработки (спектральный диапазон 0.2-0.7 мкм) на транзисторах, плоских дисплеях, электрохромных сопротивления пленок оксида индия, полученных устройствах, солнечных элементах и т. д. [2]. Легиро- автоволновым окислением [5]. Представлены исслеванные оловом In2O3 пленки используются в конст- дования релаксации электрического сопротивления. рукционных материалах космических аппаратов для Образцы и методика эксперимента. Пленки окснижения уровня радиационной электризации [3]. сида индия получены реакцией автоволнового окис- В настоящее время развиваются низкотемператур- ления, которая исследовалась нами ранее [5]. В каченые и простые методы получения In2O3 пленок [4; 5]. стве подложек были использованы покровное стекло, Среди этих методов предлагается способ получения кварц и монокристалл MgO, которые предварительно металлооксидных пленок в режиме горения, который химически очищались. Толщина пленки измерялась с проходит при температурах ниже 200 °С [4]. помощью режима «cross-section» сканирующего элек- В ряде работ было показано влияния ультрафиоле- тронного микроскопа Hitachi S55°°. тового (УФ) облучения на сопротивление пленок ок- Спектрофотометр Shimadzu UV-3600 был исполь-сида индия [6]. В результате УФ облучения происхо- зован для определения оптической запрещенной зоны дит резкое уменьшение сопротивления пленок оксида пленок оксида индия. Для этой цели мы изготовили индия. После прекращения облучения, происходит пленку оксида на кварцевой подложке. Кварцевая медленное восстановление сопротивления. Количест- подложка использовалась для того, чтобы избежать венное изменение сопротивления пленок In2O3 при дополнительного поглощения в УФ диапазоне. Оптиоблучении УФ светом сильно зависит от структуры и ческую ширину запрещенной зоны определяли анало-морфологии самой пленки [6; 7]. гичным образом, как описано в работе [8]. В качестве источника света использовалась ртутная газоразрядная лампа сверхвысокого давления (Nikon mercury super high pressure lamp 100 w). Спектральное распределение излучения и мощность лампы измерялись спектрометром фирмы Ocean Optics HR 4000 и измерителем мощности Coherent FieldMax2-to, соответственно. Измерение сопротивления образцов проводилось стандартным четырехзондовым методом. Термостат фирмы Specac был использован при измерении сопротивления пленки оксида индия в диапазоне температур 25-100 оС и для поддержания заданной температуры во время облучения светом. Экспериментальные результаты и обсуждение. На рис. 1 показано поперечное сечение пленки оксида индия на подложке MgO. Из рис. 1 видно, что толщина пленки составляет ~ 300 нм. Для пленок оксида индия, полученных автоволновым окислением, оптическая ширина запрещенной зоны была ~ 3.5 эВ (см. рис. 2). Рис. 1. Изображение поперечного сечения пленки оксида индия, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа і» I Z.IS 2-f 2.7S і J.25 ЗЛ Х75 -1 -U3 4.S -1.75 J Phtrton cncrg\(*Vl Рис. 2. Зависимость квадрата коэффициента поглощения от энергии падающего фотона для пленки оксида индия На рис. 3 представлено спектральное распределение излучения ртутной газоразрядной лампы. Спектр излучения имеет типичные пики для паров ртути. Мощность излучения лампы составляла ~ 0.223 Ватт/см2 в месте расположения образца. Из рисунка 4 видно, что сопротивление R пленки незначительно меняется (~ 10 %) от температуры в диапазоне 25-1000С, где R0 - сопротивление пленки оксида индия, измеренного при комнатной температуре в отсутствии освещения. Wavelength, nm Рис. 3. Спектр ртутной газоразрядной лампы сверхвысокого давления, используемой для облучения пленок оксида индия Temperature, QC Рис. 4. Температурная зависимость электрического сопротивления пленки оксида индия в отсутствии освещения Зависимость сопротивления пленки оксида индия от времени облучения светом и релаксация сопротивления при выключении лампы представлена на рис. 5. При включении лампы происходит резкое уменьшение сопротивления пленки на 52 %, предположительно, из-за генерации свободных носителей заряда и/или увеличении подвижности электронов за счет десорбции ионов кислорода с межзеренных границ [9]. После прекращения облучения наблюдалось ре-лаксакция сопротивления пленки оксида индия со скоростью 15 Ом/сек первые 30 секунд и 7 Ом/сек в последующее время. В настоящее время существует несколько представлений о влиянии света на электрические свойства оксида индия [9]: генерация электронно - дырочных пар, десорбция кислородных адсорбатов, фотовосстановление (в английских источниках «photoreduction»). Ширина запрещенной зоны пленок оксида индия, в зависимости от способа приготовления, может иметь значение от 3.5 эВ (355 нм) до 4 эВ (310 нм) [10], что сопоставимо с полученной нами величиной равной 105 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 3.5 эВ. Поэтому, для перехода электрона с валентной зоны в зону проводимости, необходимо облучать пленки оксида индия светом с длиной волны < 355 нм. В спектре ртутной газоразрядной лампы (см. рис. 3) длины волн < 355 нм имеют малую интенсивность на уровне фона. Однако, большое количество поверхностных дефектов и межзеренных границ приводят к модификации зонной структуры оксида индия. Следовательно, переход электрона возможен и при энергиях света меньших, чем энергия запрещенной зоны [9; 11]. В результате данного перехода может образоваться электронно-дырочная пара. Однако при выключении лампы мы не наблюдали резкого скачка в увеличение сопротивления пленки. LijjtJit on О 100 200 300 -100 500 600 700 Time, s Рис. 5. Изменение сопротивления пленки оксида индия во время фотооблучения при температуре подложки, 0С: 1 - 25; 2 - 40; 3 - 80; 4 - 100 Десорбция кислородных адсорбатов с поверхности пленки проводящих прозрачных оксидов во время облучения светом может увеличить подвижность носителей заряда и, следовательно, повысить проводимость пленки [12]. Данное влияние света на проводимость пленки оксида индия в нашем случае возможно, но оно не является доминирующем. Механизм фотовосстановления заключается в том, что фотообразованная дырка рекомбинирует со связанным электроном в связи In - O. Это вызывает разрушение химической In - O связи, освобождение атома кислорода и его миграцию к поверхности пленки, где два атома кислорода образовывают молекулу O2, и происходит ее десорбция с поверхности. В конечном итоге в кристаллической структуре появляются дополнительные кислородные вакансии, которые являются источниками электрической проводимости в пленках оксида индия [13]. Поэтому мы предполагаем, что в наших исследованиях фотовосстановление является доминирующим механизмом влияния света на проводимость пленок оксида индия. Полученные результаты в данной работе могут быть использованы в технологиях изготовления тонкопленочных покрытий для обеспечения надежного функционирования космических аппаратов в условиях воздействия факторов космического пространства. Пленки оксида индия были синтезированы авто-волновой реакцией окисления. Оптическая ширина запрещенной зоны составляла ~ 3.5 эВ. Электрическое сопротивление пленок In2O3 слабо менялось (~ 10 %) в диапазоне температур 25-100 0С. Показано, что при облучении светом происходит резкое уменьшение электрического сопротивления (на 52 %) пленок оксида индия. При увеличении температуры во время облучения происходит уменьшение изменения сопротивления. После прекращения облучения пленки происходит релаксация сопротивления с двумя скоростями ~ 15 Ом/сек первые 30 секунд и ~ 7 Ом/сек в последующее время. Температура не влияла на скорости релаксации сопротивления. Подтверждается предположение о генерации дополнительных носителей заряда за счет механизма фотовосстановления. Результаты исследования эффекта фотооблучения могут быть использованы в технологиях изготовления тонкопленочных покрытий для обеспечения надежного функционирования космических аппаратов.

作者简介

I. Tambasov

Kirenskiy Institute of Physics of the SB RAS

Email: tambasov_igor@mail.ru
50, building 38 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia

I. Nemtsev

Krasnoyarsk Scientific Center of the SB RAS; Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

50 Akademgorodok Krasnoyarsk, 660036, Russia; 31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

D. Savranskiy

Siberian Federal University

79 Svobodnyy prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia

A. Matsynin

Kirenskiy Institute of Physics of the SB RAS

50, building 38 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia

E. Ezhikova

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

参考

补充文件