Способ формирования прозрачных проводящих слоев Российский патент 2024 года по МПК C23C14/08 C23C14/24 C23C14/35 

Изобретение относится к области магнетронного осаждения тонкопленочных прозрачных проводящих слоев на основе широкозонных оксидных материалов и направлено на увеличение их проводимости путем снижения рассеяния свободных носителей заряда на донорных центрах.

Проводимость прозрачных проводящих слоев, определяемая как σ=е n μ, где е - заряд электрона, а n и μ - концентрация и подвижность свободных носителей заряда имеет ограничения, связанные с тем, что с ростом концентрации свободных носителей выше некоторого предельного значения снижается их подвижность в следствие увеличения рассеяния на донорных центрах (J.R. Bellingham, W.A. Phillips, and С.J. Adkins, Intrinsic Performance Limits in Transparent Conducting Oxides, J. Mater. Sci. Lett., 11, pp. 263-265, Nov. 1992). Одним из возможных способов устранения этих ограничений является физическое разделение донорных центров, являющихся источником свободных носителей заряда и путей их транспортировки методом замены однородной пленки многослойной тонкопленочной структурой, состоящей из чередующихся ультратонких (2+5 нм) слоев с высокой концентрацией свободных носителей заряда и слоев с высокой их подвижностью (J.J. Robbins, С.A. Wolden, High mobility oxides: Engineered structures to overcome intrinsic performance limitations of transparent conducting oxides., Applied Physics Letters, Vol. 83, No 19, pp. 3933-3935, Nov. 2003). При этом для снижения рассеяния ключевое значение имеют качество единичных слоев и межслоевых интерфейсов, в частности необходимо обеспечить минимизацию дефектов в слоях и хорошее согласование решеток прилегающих слоев.

1. Известен способ получения прозрачных электродов путем формирования их в виде трехслойной структуры, состоящей из ультратонкого слоя проводящего металла, заключенного между двумя прозрачными оксидными слоями, в которой проводимость обеспечивается металлическим слоем, а оптимизированные оксидные слои обеспечивают увеличение оптического пропускания в видимом диапазоне (US Patent 5667853А «Multilayer conductive film, and transparent electrode substrate and liquid crystal device using the same». Однако прозрачность таких структур пока ниже прозрачности чисто оксидных слоев, а проблемы с травлением ограничивают область их применения формированием сплошного фронтального электрода.

2. Известен способ получения многослойных прозрачных проводящих структур, содержащих адгезионный слой, перколяционную сеть металлических нанонитей и слой прозрачного проводящего полимера, обеспечивающий однородность электрических характеристик по поверхности структуры (FR 2977712 A1 «Multilayer conductive transparent electrode and method for Manufacturing the same». К недостаткам таких структур также можно отнести низкое оптическое пропускание и сложность проведения фотолитографии высокого разрешениям.

Наиболее близким к предлагаемому является способ создания тонкопленочных периодических структур в системе In₂О₃/SnO₂, основанный на последовательном осаждении слоев основного оксида и легирующей примеси, при котором по толщине слоя формируются области с различным содержанием легирующей примеси, однако из-за роста рассеяния на границах разнородных слоев сопротивление осажденных периодических структур было выше сопротивления единичных слоев ITO осажденных в идентичных условиях (Т. Suzuki, Т. Yamazaki, and Н. Oda, J. Mater. Sci. 23, 3026 (1988).

В предлагаемом решении разделение областей с высокой концентрацией свободных электронов и областей высокой их подвижностью происходит в единой ионной оксидной системе InО₃ - ZnO путем программируемого периодического изменения содержания кислорода в составе рабочего газа в процессе вч- магнетронного распыления. В результате формируется модулированная по толщине пленка, состоящая из чередующихся областей с высокой и низкой концентрацией кислородных вакансий. При этом многослойная модулированная структура на основе единого материала, ввиду отсутствия гетерограниц между единичными слоями, свободна от проблем, связанных с возникновением напряжений несоответствия.

В качестве примера исполнения были синтезированы многослойные модулированные структуры при магнетронном распылении композиционной керамической мишени IZO на основе оксида индия с добавлением 10 весовых процентов оксида цинка (In₂O₃ (90 вес. %) + ZnO (10 вес. %)). Экспериментально были установлены режимы синтеза, при которых достигаются максимальные значения концентрации и подвижности носителей заряда в единичных слоях. Затем были определены оптимальные толщины единичных слоев, соответствующие минимальному удельному сопротивлению модулированной структуры. Оптимальная архитектура тонкопленочной структуры представляет собой 67 пар слоев, сформированных путем чередования слоев с расчетной толщиной около 4 нм, осажденных в атмосфере чистого аргона, со слоями толщиной 2 нм, осажденных в атмосфере газовой смеси Ar/O₂ в соотношении 99.6/0.4.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики единичных слоев и оптимизированной модулированной структуры.

Таблица 1

Сравниваемые характеристики Архитектура слоев Одиночный слой, синтезированный в чистом аргоне Одиночный слой, синтезированный в газовой смеси: Ar/O₂ (99.6/0.4) Оптимизированная модулированная структура: 67 пар слоев (2 нм/4 нм) Толщина, нм 404 395 402 Поверхн. сопротивление, R_пов. (Ом/квадрат) 8.33 14.05 7.20 Удельное сопротивление, ρ × 10^-4 (Ом⋅см) 3.37 5.55 2.89 Подвижность, μ, см²/(В⋅с) 26.30 39.18 38.90 Концентрация, n, ×10²⁰ см^-3 7.14 2.87 5.58 Среднее оптич. пропускание в диапазоне (400 нм ÷ 750 нм), Т_ср, (%) 79.1 84.2 83.8 Коэффициент качества, FOM = T_ср¹⁰/R_пов., Ом^-1 11.5 × 10^-3 12.75 × 10^-3 23.72 × 10^-3

Из данных, приведенных в таблице, видно, что оптимальная архитектура тонкопленочной структуры обеспечивает сохранение высокой подвижности носителей заряда (μ = 38.90 см²/(В⋅с)), характерной для слоев, синтезированных в атмосфере газовой смеси аргона и кислорода в соотношении 99.6/0.4, при относительно высокой их концентрации (n = 5.58 × 10²⁰ см^-3), близкой к значению, достигнутому в слоях, синтезированных в атмосфере чистого аргона. При этом коэффициент качества, определяемый как FOM = T_ср¹⁰/R_пов., в оптимизированной тонкопленочной периодической структуре вырос почти вдвое по отношению к значению этого параметра в одиночных слоях, что определяет их высокий прикладной потенциал.

Изобретение относится к способу формирования прозрачных проводящих слоев на основе оксида индия, легированного цинком. Проводят магнетронное распыление композиционной мишени, состоящей из оксида индия и оксида цинка, и осаждение распыленного материала на подложку с формированием сплошной пленки. В процессе распыления периодически изменяют содержание кислорода в составе рабочего газа, при этом осаждение проводят на подложку, нагретую до температуры не более 100 °С. Обеспечивается формирование модулированной по толщине пленки, состоящей из чередующихся областей с высокой и низкой концентрацией кислородных вакансий. При этом многослойная модулированная структура на основе единого материала, ввиду отсутствия гетерограниц между единичными слоями, свободна от проблем, связанных с возникновением напряжений несоответствия. 1 табл., 1 пр.

Способ формирования прозрачных проводящих слоев на основе оксида индия, легированного цинком, включающий магнетронное распыление композиционной мишени, состоящей из оксида индия и оксида цинка, осаждение распыленного материала на подложку с формированием сплошной пленки, отличающийся тем, что в процессе распыления периодически изменяют содержание кислорода в составе рабочего газа, при этом осаждение проводят на подложку, нагретую до температуры не более 100 °С.