Auswirkungen der Doppelschichtdicke auf die morphologischen, optischen und elektrischen Eigenschaften von Al2O3/ZnO-Nanolaminaten

Hintergrund

Nanolaminat ist eine Verbundstruktur, die aus verschiedenen Stapelsequenzen verschiedener Materialien gebildet wird, und die Schichtdicke liegt im Allgemeinen im Nanometerbereich [1, 2, 3, 4]. Diese mehrschichtige Struktur kann dem Nanolaminat einzigartige Eigenschaften verleihen, und diese Eigenschaften hängen von denen der konstituierenden Materialien ab oder können besser sein als diese [5,6,7]. In den letzten Jahren wurde damit begonnen, neuartige Materialien basierend auf der Struktur von Nanolaminaten für Energiespeicher [8], innovative optische Elemente [9] und temperaturempfindliche Substrate für Biosensoren [10] zu verwenden. Kürzlich haben Viter et al. untersucht zur Abstimmung struktureller Eigenschaften und zur Verbesserung der elektronischen und optischen Eigenschaften von 1D-PAN (Polyacrylnitril) ZnO/Al₂ O₃ Nanolaminate, die Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Sensoren und Biosensoren ermöglichen [11]. Baitimirova et al. untersuchten auch die Abstimmung struktureller und optischer Eigenschaften von Graphen/ZnO-Nanolaminaten, die in optischen, bio- und chemischen Sensoren Anwendung finden könnten [12].

Als einer der vielversprechendsten Kandidaten für transparente leitfähige Oxidmaterialien (TCO) bietet der Al-dotierte ZnO-Film (AZO) viele Vorteile, wie z. B. reichlich Ressourcen, niedrige Kosten, Ungiftigkeit und gute Stabilität im Wasserstoffplasma. In allgemeinen Untersuchungen ist die Kontrolle des Al-Dotierungsniveaus eine gängige Methode, um das optische und elektrische Verhalten von AZO-Materialien zu verbessern und zu modifizieren [13, 14], was entscheidend für die Funktionalisierung und Abstimmbarkeit von TCO-basierten Bauelementen ist [15, 16]. Nur wenige Berichte beziehen sich jedoch auf die Leistungsmodulation von AZO durch Veränderung der Strukturen von Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate, die im Halbleiterherstellungsprozess einfacher und effektiver sind.

Die Atomic Layer Deposition (ALD)-Technik eignet sich zur Herstellung von Nanolaminatstrukturen für verschiedene Zwecke und Anwendungen [17,18,19]. Diese Technik basiert auf selbstlimitierenden chemischen Oberflächenreaktionen mit ausgezeichnetem Abscheidungseffekt, wodurch die Dicke einzelner Nanoschichten für den Verbundstapel gut kontrolliert werden kann. Darüber hinaus kann zwischen verschiedenen Unterschichten eine gute Nukleation und Haftung durch die Gestaltung der Oberflächenreaktionen realisiert werden. Daher können durch die ALD-Technik hochwertige Nanolaminate mit einheitlicher und glatter Oberfläche realisiert werden, und auch die Dicke kann genau gesteuert werden.

In dieser Arbeit, Al₂ O₃ und ZnO-Materialien wurden verwendet, um die Nanolaminatstrukturen zu realisieren, um die einstellbaren Eigenschaften von AZO durch Ändern der Doppelschichtdicke von Al₂ . zu untersuchen O₃ /ZnO-Nanolaminate. Wir untersuchen ihre morphologischen, optischen und elektrischen Eigenschaften. Der Wachstumsmechanismus von Nanolaminaten und das Eindringen von Al in die ZnO-Schicht werden vorgeschlagen und diskutiert. Mit abnehmender Doppelschicht Al₂ O₃ /ZnO-Dicke in den Nanolaminaten wird die Blauverschiebung der Bandlücke beobachtet und anhand des Burstein-Moss (BM)-Effekts, des Quanten-Confinement-Effekts und der charakteristischen Entwicklung der Nanolaminate diskutiert. Die abstimmbaren elektrischen Eigenschaften werden unter Verwendung eines auf dem Hall-Effekt basierenden Messsystems aufgedeckt. Es gibt wertvolle Hinweise und Ideen, dass transparente Leiter und hochohmige Schichten durch Variieren der Doppelschichtdicke in den Nanolaminaten erreicht werden können.

Methoden

Synthese von Nanolaminaten durch ALD

Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate auf Basis von Al₂ O₃ -ZnO-Doppelschichtstapel wurden auf SiO₂ . abgeschieden /Si- und Quarzsubstrate durch ALD-Technik. Während des Abscheidungsverfahrens betrug die Reaktortemperatur (PICOSUN) 150 °C. Die Vorläufer für Zn, Al und O waren Diethylzink [DEZ; Zn(C₂ H₅ )₂ ], Trimethylaluminium [TMA; Al (CH₃ )₃ ] und entionisiertes Wasser (H₂ O) bzw. Das Vorläufer-Träger- und Spülgas war hochreiner Stickstoff (N₂ , Durchflussmenge 50 sccm). Es wurde verwendet, um Vorläufer in die Kammer zu befördern und die unnötigen Produkte aus der Kammer zu bringen.

Um das Al₂ . wachsen zu lassen O₃ Schichten, die TMA und H₂ O wurden alternativ durch TMA-H₂ . in die Reaktorkammer gebracht O Zyklen (TMA/Exposition/N₂ /H₂ O/Belichtung/N₂ ) mit einer Pulszeit von 0,03/3/15/0,03/5/15 s. Die Oberflächenreaktionen von ALD Al₂ O₃ Schichten können durch zwei selbstlimitierende Reaktionen wie folgt definiert werden [20]:

wobei die Sternchen die Oberflächenart angeben. Für ZnO-Schichten gilt:DEZ-H₂ O-Zyklen von ZnO waren die gleichen wie bei TMA-H₂ O. Die Oberflächenreaktionen von ALD-ZnO-Schichten sind gegeben durch [20]

wobei die Sternchen auch die Oberflächenart angeben. Das Strukturdiagramm von ALD Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate ist in Abb. 1 dargestellt. Bei allen Nanolaminaten war die Grenzfläche zum Substrat Al₂ . O₃ , während ZnO die oberste Schicht an der Oberfläche von Nanolaminaten war. Die Doppelschicht besteht aus zwei einzelnen Schichten, d. h. Al₂ O₃ und ZnO, mit der gleichen Dicke. Um die gleichen Dicken der gesamten Nanolaminate zu gewährleisten, wurde die Anzahl der Doppelschichten mit der Abnahme der Doppelschichtdicke erhöht. Daher wurden fünf Arten von Proben hergestellt, die als 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm), 10 (5/5 nm), 25 (2/2 nm) und 50 (1/1 nm) bezeichnet wurden. . Die Details finden Sie in Tabelle 1. Beachten Sie, dass die Parameter in Tabelle 1 Erfahrungswerte sind, die aus unseren Vorversuchen zusammengefasst sind.

Das Strukturdiagramm des Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate

Charakterisierung

Die morphologische Charakterisierung von Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate wurde durch Transmissionselektronenmikroskop (TEM; FEI Tecnai G2 F20) und Rasterkraftmikroskopie (AFM; Bruker Dimension Icon VT-1000, Santa Barbara, CA) durchgeführt. Die Dicke, die optischen Konstanten und die Bandlückeninformationen wurden durch spektroskopische Ellipsometrie (SE; J.A. Woollam, Inc., M2000X-FB-300XTF) im Wellenlängenbereich von 200–1000 nm unter einem Einfallswinkel von 65 ° bestimmt. Die optische Transmission von Nanolaminaten wurde auch im Wellenlängenbereich von 200–1000 nm mit einem Dual-Beam-Spektrophotometer (Shimadzu UV-3600) untersucht. Ein Hall-Effekt-Messsystem (Ecopia HMS3000) wurde verwendet, um die elektrischen Eigenschaften der Proben mit einer Vierpunktsonde zu erhalten.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologische Eigenschaften

Nanolaminate mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken aufgewachsen auf SiO₂ /Si-Substrate wurden an Querschnitten mit TEM gemessen. In Abb. 2 sind drei veranschaulichende Beispiele für Nanolaminate mit einer Doppelschichtdicke von 50, 10 und 2 nm gezeigt, einschließlich der stark vergrößerten Bilder von 50- und 10 nm-Proben. Zwischen Al₂ . sind klare Grenzen zu erkennen O₃ und ZnO-Schichten, und die Dicke der gesamten Nanolaminate ist angegeben. Mit Hilfe von Röntgenbeugungsmessungen (Bruker D8 ADVANCE) im Vorfeld (hier nicht angegeben) finden wir keine charakteristischen Peaks von Al₂ O₃ und ZnO, und daher weisen alle gewachsenen Nanolaminate einen amorphen Zustand auf. Diese Aussage kann durch die stark vergrößerten TEM-Bilder bestätigt werden. Obwohl Al₂ O₃ /ZnO 2 (25/25 nm) Proben haben die dickste Doppelschicht in dieser Arbeit, der Kristallisationsprozess existiert in ihnen nicht.

TEM-Bilder von Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken:a 50 nm, b 10 nm und c 2 nm. Und Bilder mit hoher Vergrößerung:d 50 nm und e 10 nm

Wie an anderer Stelle berichtet [6, 21], ist das Al₂ O₃ Schicht in Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate, die durch das ALD-Verfahren hergestellt werden, befinden sich immer in der amorphen Phase und können das ZnO-Kristallwachstum blockieren, da das ZnO gezwungen wird, auf dem Al₂ . erneut zu nukleieren O₃ Oberfläche. Der Kristallisationsprozess ultradünner Schichten ist sehr komplex, und viele Faktoren sollten berücksichtigt werden, wie die Grenzflächenenergien, die Dicke der Schichten, der Schmelzpunkt des Systems und die Kristallisationstemperatur des amorphen Bulk [6, 22]. Viteret al. entdeckt, dass Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate mit einer Doppelschichtdicke von 20 nm (Verhältnis 1:1) sind amorph und führen dieses Ergebnis auf die minimale Dicke zurück, die erforderlich ist, um eine Kristallisation zu ermöglichen [22]. López et al. fanden ein ähnliches Phänomen und dachten, dass sowohl der Puls als auch die Spüldauer des Wachstumsvorgangs zu kurz waren, um ihren Filmen genügend Zeit zu geben, um eine gewisse Ordnung und einige kristalline Phasen zu erzeugen [23]. In der Zwischenzeit beträgt der Bohrsche Radius von ZnO als Volumen 23 Å [4]. Al₂ O₃ /ZnO 25 (2/2 nm) und Al₂ O₃ /ZnO 50 (1/1 nm) Nanolaminate haben ZnO-Dicken kleiner als der Bohrsche Radius; daher sollte der Quanteneinschlusseffekt berücksichtigt werden. Insbesondere für halbleitende Unterschichten ZnO wird angenommen, dass dieser Effekt eine dramatische Änderung des dielektrischen Verhaltens bewirken kann [21] und wir werden dies im folgenden Inhalt diskutieren.

Um die Oberflächenmorphologien der Nanolaminate zu untersuchen, wird AFM-Messung für die auf SiO₂ . abgeschiedenen Proben angewendet /Si-Substrate und die 3D-Ergebnisse sind in Abb. 3 gezeigt. Es ist zu beobachten, dass die hügelförmigen Merkmale auf der Probenoberfläche dominiert werden und die Oberflächenhöhe mit geringerer Doppelschichtdicke abnimmt. Proben mit geringen Doppelschichtdicken, d. h. Al₂ O₃ /ZnO 25 (2/2 nm) und Al₂ O₃ /ZnO 50 (1/1 nm), zeigen glatte Oberfläche mit unbedeutender Oberflächenrauheit. Der quadratische Mittelwert der Rauheit R _q jedes Nanolaminats wird aus AFM-Daten geschätzt und liegt ungefähr im Bereich von 0,81 bis 1,30 nm. Darüber hinaus ist die Beziehung zwischen der Doppelschichtdicke und R _q wird in Abb. 4 gezeigt. Zuerst werden die Werte von R _q zeigen ein lineares Verhalten gegenüber der Zunahme der Doppelschichtdicke, dann bleibt sie stabil, wenn die Doppelschichtdicke auf einen bestimmten Wert ansteigt, wie dies bei anderen Studien der Fall ist [23, 24]. Die Al₂ O₃ in dieser Arbeit befindet sich in der amorphen Phase unter den oben genannten Wachstumsbedingungen, was auch in unserem vorherigen Bericht nachgewiesen wurde [25]. Das amorphe Al₂ O₃ Schicht ist sehr glatt und passt sich der Topographie der darunter liegenden ZnO-Schichten an [26]. Wie oben erwähnt, aufgrund des zwischengeschalteten Al₂ O₃ Schicht wird folglich das Kristallwachstum von ZnO unterbrochen. Durch die Beschränkung der Größe der ZnO-Nanokristalle wird das zwischengelagerte Al₂ O₃ Schichten verhindern das Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate durch Aufrauen [24]. Dieser sanfte Effekt hat nachweislich wenig mit dem Al₂ . zu tun O₃ Schichtdicke und bezieht sich nur auf die Anzahl der zwischengelagerten Al₂ O₃ Schichten [24]. Daher wird mit abnehmender Doppelschichtdicke mehr Al₂ O₃ Schichten wurden in die Nanolaminate eingefügt, um die Rauheit zu glätten, was dazu führt, dass die Nanolaminate glatter sind. Wenn die Doppelschichtdicke auf einen bestimmten Wert ansteigt, ist dieser glatte Effekt nicht mehr offensichtlich.

AFM-3D-Bilder von Nanolaminaten mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken:a 2 (25/25 nm), b 5 (10/10 nm), c 10 (5/5 nm), d 25 (2/2 nm) und e 50 (1/1 nm)

Oberflächenrauheit von Nanolaminaten mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken

Optische Eigenschaften

Durch eine SE-Messung [17, 27, 28], die auf der Aufzeichnung und Berechnung der Änderung eines reflektierten linear polarisierten Lichts von der Oberfläche von Proben basiert, können die optischen Konstanten und die Schichtdicke von Nanolaminaten aus den Rohdaten abgeleitet werden. Um genauere Details zu erhalten, wurden die auf SiO₂ . gewachsenen Nanolaminate /Si-Substrate werden wegen ihrer Lichtundurchlässigkeit bei SE-Messungen als Prüfobjekt gewählt. Nach der Rohdatenerfassung wird ein mehrschichtiges Modell konstruiert, das ein semi-infinites Si-Substrat, SiO₂ ., enthält Schicht und AZO-Schicht, wie in Abb. 5 gezeigt. Die Nanolaminate, d. h. die AZO-Schicht im Modell, werden als Ganzes als angepasst betrachtet. Die Oxidationsschicht des Si-Substrats beträgt etwa 330 nm und wird ohne Anpassung direkt in das Modell eingesetzt. Darüber hinaus wird in diesem optischen Modell keine Bruggeman-Effektive-Medien-Approximation eingeführt, da die Oberflächenrauhigkeiten der Proben auf der Grundlage der AFM-Ergebnisse vernachlässigbar sind. Aufgrund dieses optischen Modells wird das Forouhi-Bloomer (FB) Dispersionsmodell verwendet, um die Ellipsometrie-Spektren anzupassen (Ψ und Δ im Bereich von 200–1000 nm) der Nanolaminate [29, 30]. Die endgültige Dicke und die optischen Eigenschaften werden angepasst und bewertet, um den folgenden quadratischen Mittelwertfehler (RMSE) zu minimieren:

Optisches Modell von Proben, die auf SiO₂ . gezüchtet wurden /Si-Substrat für die SE-Analyse

Hier, N , M , exp und cal repräsentieren die Anzahl der Datenpunkte in den Spektren, die Anzahl der variablen Parameter im Modell, die experimentellen Daten bzw. die berechneten Daten.

Die angepassten Dicken von Nanolaminaten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Sie liegen sehr nahe an den Werten aus TEM-Messungen, was die Genauigkeit des Anpassungsprozesses anzeigt. Der Anpassungsfehler RMSE ist ebenfalls in Tabelle 2 angegeben, und der Wert liegt im zulässigen Bereich, was die Zuverlässigkeit der Anpassungsergebnisse demonstriert. Die Dicken von Probe 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) und 10 (5/5 nm) zeigen einen glatten Trend, und die kleinen Schwankungen resultieren aus unterschiedlichen Graden chemischer ALD-Oberflächenreaktionen. Im Gegensatz dazu nehmen die Dicken der Proben 25 (2/2 nm) und 50 (1/1 nm) mit abnehmender Doppelschichtdicke offensichtlich ab. Daraus folgt, dass die Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate zeigen unterschiedliche Dicken bei geringer Doppelschichtdicke, selbst wenn die Zyklenzahl im Abscheidungsprozess gleich bleibt. Tabelle 3 fasst die Wachstumsraten von Al₂ . zusammen O₃ und ZnO-Unterschichten (Dickenverhältnis 1:1) unter Verwendung der in Tabelle 2 aufgeführten Dicken. Die Werte steigen zunächst an und sättigen sich schließlich, wenn die Zyklen in den Unterschichten zunehmen. Die Variation der Filmdicke und Wachstumsrate kann aus der Grenzflächenreaktion zwischen Al₂ . resultieren O₃ und ZnO-Schichten, die im folgenden Inhalt eingeführt werden, und Proben mit geringerer Doppelschichtdicke werden stärker betroffen sein. Karvonenet al. gaben eine ähnliche Erklärung und führten die Variation der Wachstumsrate auf das TMA-Ätzen von ZnO während der Al₂ . zurück O₃ Wachstum [7]. Elamet al. festgestellt, dass die Wachstumsraten von Al₂ O₃ und ZnO nehmen mit der Anzahl der ALD-Zyklen zu [24]. Sie kamen zu dem Schluss, dass die reduzierte Wachstumsrate der frühen ALD-Zyklen aus dem Nukleationsprozess resultieren könnte, der beim Übergang von Al₂ . auftritt O₃ zu ZnO und von ZnO zu Al₂ O₃ . Erst wenn neue Kristalle gebildet werden, erreicht die Wachstumsrate den stationären Wert.

Die optischen Konstanten von Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate sind in Abb. 6 dargestellt. Sie zeigt verschiedene Brechungsindizes n und Extinktionskoeffizient k mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken. Abbildung 6a beschreibt die Brechungsindex-Dispersionsspektren der Nanolaminate mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken. Die Werte von n nehmen mit Abnahme der Doppelschichtdicke im Bereich von 50 bis 2 nm aufgrund der Wachstumsänderung und der Al-Eindringung allmählich ab [21, 31]. Die n (λ ) charakteristisch für ZnO kann für Nanolaminate mit Doppelschichtdicken von 50, 20 und 10 nm beobachtet werden. Und diese Linienform degeneriert langsam und verschwindet, wenn die Doppelschichtdicke unter 4 nm liegt. Folglich ist die n (λ ) verhalten sich tendenziell wie Al₂ O₃ wie die gezeigte Probe 50 (1/1 nm). Die k Dispersionsspektren sind in Abb. 6b zu finden. Unterschiedliche Kurven repräsentieren unterschiedliche Proben mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken. Im Bereich von 430–1000 nm sind die Extinktionskoeffizienten ungefähr gleich 0, d. h. die Nanolaminate sind in diesem Wellenlängenbereich fast transparent. Währenddessen tritt an der Absorptionskante mit abnehmender Doppelschichtdicke eine Blauverschiebung auf. Der Verschiebungsabstand der Probe 25 (2/2 nm) und 50 (1/1 nm) ist größer, sodass sich die Absorptionskante allmählich aus dem Spektralbereich herausbewegt und die Eigenschaften von Al₂ . aufweist O₃ . Insgesamt übertragen sich die Eigenschaften der optischen Konstanten von ZnO auf Al₂ O₃ . Die beobachteten Veränderungen von n und k könnte durch zwei physikalische Phänomene bestimmt werden. Einerseits sind sie vom Quanten-Confinement-Effekt betroffen. Wir können sehen, dass die Proben 25 (2/2 nm) und 50 (1/1 nm) eine Unterschichtdicke haben, die kleiner ist als der Bohrsche Radius von massivem ZnO, sodass sich ihr dielektrisches Verhalten dramatischer ändert als bei den anderen Proben. Andererseits beruht es auf dem Wachstumsmechanismus, der zum Eindringen von Al in ZnO-Schichten führt [22, 24]. Gemäß dem Wachstumsmechanismus kann die Substitutionsreaktion von Zn mit Al an der Grenzfläche zwischen ZnO und Al₂ . auftreten O₃ Schichten:

wobei ZnO-OH und Al (C₂ H₅ )₃ sind die Substanz an der Oberfläche und die Gasphase entsprechend. Aufgrund dieser Grenzflächenreaktion kann eine Al-Dotierung in ZnO-Schichten erfolgen und der ZnO-Anteil in Nanolaminaten kann verringert werden. Daher wird mit der Abnahme der Doppelschichtdicke die Grenzfläche zwischen ZnO und Al₂ O₃ Schichten nimmt zu und der Anteil von ZnO in den Nanolaminaten nimmt entsprechend ab. Dies kann durch die in Abb. 2d gezeigten TEM-Bilder mit hoher Vergrößerung überprüft werden, z. Wenn die Doppelschichtdicke abnimmt, werden die Grenzen zwischen Al₂ O₃ und ZnO-Schichten werden breiter und verschwommener. Dadurch werden die Eigenschaften ganzer Nanolaminate auf die von Al₂ . übertragen O₃ .

Die optischen Konstanten von auf SiO₂ . gewachsenen Nanolaminaten /Si-Substrat. a Der Brechungsindex n . b Der Extinktionskoeffizient k

Zum besseren Verständnis der Blauverschiebung der Absorptionskante wird die Tauc-Extrapolation angewendet, um die Bandlückeninformationen der Nanolaminate mit einer Doppelschichtdicke von 50, 20 und 10 nm auszuwerten. Zur Bewertung der Bandlückenenergien wurden Extinktionskoeffizienten der Nanolaminate verwendet. Extinktion, Bandlückenenergie und Absorptionskoeffizienten werden gemäß den folgenden Formeln zugeordnet [32]:

wobei α ist der optische Absorptionskoeffizient, A ist eine Konstante und E _g ist die optische Bandlückenenergie. Auf Basis von Gl. (7) und (8), ein Diagramm von (αhν ) ² vs. hν wurde wie in Abb. 7 gezeigt hergestellt. Der Wert der Bandlückenenergie E _g kann grafisch bestimmt werden durch x Achse und die lineare Anpassung im linearen Teil der Absorptionskante, die in der Nebenfigur von Fig. 7 bereitgestellt ist. Die Bandlückeninformationen der Proben 25 (2/2 nm) und 50 (1/1 nm) werden in Fig.  nicht offenbart . 7, da der lineare Teil der Absorptionskante den aus den Spektren des Extinktionskoeffizienten abgeleiteten Spektralbereich überschreitet, was zu ungenauen Ergebnissen führen kann. Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass die Bandlückenenergie von Nanolaminat mit abnehmender Doppelschichtdicke einen wachsenden Trend aufweist, der durch den BM-Effekt interpretiert werden könnte [33,34,35]. Zwischengelagertes Al ³⁺ tritt an die Stelle von Zn ²⁺ in der Schnittstelle von Al₂ O₃ /ZnO-Schichten und liefert ein zusätzliches Elektron. In Nanolaminaten erhöht sich also die Konzentration freier Ladungsträger, wodurch sich die Bandlückenenergie in einen höheren Energiebereich bewegt. Die folgende Gleichung kann diesen Effekt genau beschreiben [35]:

wobei ΔE _g ^BM und E _g ⁰ stellen die Zunahme der Bandlücke dar, die durch den BM-Effekt und die intrinsische verbotene Bandbreite verursacht wird, während h , m _e ^* , und n _e sind die konstante effektive Elektronenmasse der Plank im Leitungsband bzw. die Elektronenträgerdichte.

Bewertete optische Bandlücke von Nanolaminaten mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken

Abbildung 8 zeigt die Transmissions- und Absorptionsspektren der gesamten Gruppe. Es zeigt sich, dass sich scharfe Absorptionskanten im Bereich von 200 bis 400 nm befinden, nämlich im ultravioletten Bereich. Wichtig ist, dass sich die Absorptionskanten mit abnehmender Doppelschichtdicke zu kürzeren Wellenlängen (Blauverschiebung) bewegen, und dieser Trend liegt genau in der Nähe früherer Ergebnisse, die aus SE-Messungen berechnet wurden. Diese Blauverschiebung ist auf den BM-Effekt zurückzuführen, der die Bandlücke vergrößert. Die Blauverschiebung ist jedoch nicht sukzessive, denn in den Nanolaminaten von 25 (2/2 nm) und 50 (1/1 nm) wird der Quanteneinschlusseffekt dominant und die Grenzflächenreaktion verstärkt sich, wodurch die Nanolaminate die Eigenschaften von . aufweisen Al₂ O₃ schrittweise. An diesem Punkt ist die Blauverschiebung der Gesamtbeitrag des BM-Effekts, des Quanteneinschlusseffekts und der charakteristischen Entwicklung von Nanolaminaten. Das heißt, diese drei Faktoren bewirken die enorme Verschiebung der Absorptionskante. Insgesamt kann die Absorptionskante durch die Doppelschichtdicke im ultravioletten Bereich (200–400 nm) moduliert werden. Dementsprechend kann er als Ultraviolett-Detektor eingesetzt werden. Außerdem sind alle Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate zeigen eine Transmission von über 90% im sichtbaren und nahen Infrarotbereich, zusammen mit einer scharfen Absorptionsbandkante. Der Transmissionsgrad zeigt hier einen nahezu ähnlichen Wert und Trend wie bei vielen anderen TCO-Materialien [36], was eine Anwendung als TCO-Material ermöglicht.

a Transmission und b Absorptionsspektren von Nanolaminaten, die auf Quarzsubstraten mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken gewachsen sind

Elektrische Eigenschaften

Die Hall-Effekt-Messung wird durchgeführt, um die Analysen mit den elektrischen Eigenschaften des Al₂ . zu korrelieren O₃ /ZnO-Nanolaminate. Auf Quarzsubstraten hergestellte Nanolaminate werden als Testproben ausgewählt, um die räumliche Verteilung des spezifischen Widerstands zu entfernen, und Abb. 9 zeigt die Testergebnisse. Zu Beginn ändern sich die Ladungsträgerkonzentration und der spezifische Widerstand kaum und bleiben bei etwa 10 ¹⁹ cm ⁻³ und 10 ⁻² Ω cm bzw. Mit abnehmender Doppelschichtdicke sinkt die Ladungsträgerkonzentration stark und der spezifische Widerstand nimmt ebenfalls zu. Es kann durch die Grenzflächenreaktion von Al₂ . interpretiert werden O₃ /ZnO-Schichten, was zu der charakteristischen Entwicklung von Nanolaminaten führt. Die Nanolaminate zeigen Isolationseigenschaften von Al₂ O₃ allmählich und realisieren die Einstellbarkeit des spezifischen Widerstands durch Ändern ihrer Doppelschichtdicke. Darüber hinaus betragen die Werte der Trägerkonzentration der Nanolaminate 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) und 10 (5/5 nm) 4,99 × 10 ¹⁹ , 5,26 × 10 ¹⁹ , und 8,91 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , bzw. Es zeigt ein langsames Wachstum gemäß der Erklärung der Bandgap-Ergebnisse und die Werte entsprechen ungefähr denen von TCO-Materialien aus den Ergebnissen anderer Berichte [25, 37]. Somit besitzen diese drei Arten von Nanolaminaten nicht nur eine günstige elektrische Leitfähigkeit, sondern auch eine ausgezeichnete Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Es ist wichtig für Al₂ O₃ /ZnO-Nanolaminate eine Rolle im Bereich der transparenten Leiter spielen. Die Proben 25 (2/2 nm) und 50 (1/1 nm) weisen Isolationseigenschaften auf und realisieren die Abstimmbarkeit des spezifischen Widerstands, der als hochohmige Schicht in Halbleiterbauelementen verwendet werden kann.

Ladungsträgerkonzentration und spezifischer Widerstand von auf Quarzsubstrat gewachsenen Nanolaminaten mit unterschiedlichen Doppelschichtdicken

Schlussfolgerungen

Wir haben die morphologischen, optischen und elektrischen Eigenschaften von Al₂ . untersucht O₃ /ZnO-Nanolaminate unter verschiedenen Doppelschichtdicken im Bereich von 2 bis 50 nm. Die klaren Schichtgrenzen und die geringe Oberflächenrauheit zeigen hochwertige Morphologien von Nanolaminaten, die mit dem ALD-Verfahren hergestellt wurden. Mit der Abnahme der Doppelschichtdicke eingefügtes Al₂ O₃ Schichten in Nanolaminaten beginnen die Rauheit zu begrenzen, was dazu führt, dass die Nanolaminate glatter werden. Wenn die Doppelschichtdicke einen bestimmten Wert erreicht, kann diese Rauheitsbegrenzung ignoriert werden. Die Dicke, optische Konstanten und Bandlückeninformationen von Nanolaminaten wurden aus der SE-Analyse extrahiert. Mit abnehmender Doppelschichtdicke weist die Absorptionskante des Extinktionskoeffizienten eine Blauverschiebung auf, und die optischen Bandlückenenergien zeigen einen wachsenden Trend, da der BM-Effekt, der Quanteneinschlusseffekt und die charakteristische Entwicklung von Nanolaminaten einen signifikanten Einfluss darauf haben. Diese Blauverschiebung tritt auch in den Transmissions- und Absorptionsspektren mit hoher Transmission über 90% im sichtbaren und nahen Infrarotbereich auf. Darüber hinaus zeigen die elektrischen Eigenschaften durch Variieren der Doppelschichtdicke auch zwei Arten von Eigenschaften, und die Modulation der Eigenschaften wird realisiert. Die Nanolaminate 2 (25/25 nm), 5 (10/10 nm) und 10 (5/5 nm) weisen eine hohe Trägerkonzentration über 10 ¹⁹ . auf cm ⁻³ , die als transparentes leitfähiges Material aufgebracht werden können. Außerdem können die Nanolaminate 25 (2/2 nm) und 50 (1/1 nm), die einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen, als hochresistive Schicht im Halbleiterherstellungsprozess verwendet werden.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

ALD:

Atomlagenabscheidung

AZO:

Al-dotiertes ZnO

BM:

Burstein-Moos

DEZ:

Diethylzink

FB:

Forouhi-Bloomer

RMSE:

Root-Mean-Square-Fehler

SE:

Spektroskopische Ellipsometrie

TCO:

Transparentes leitfähiges Oxid

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

TMA:

Trimethylaluminium