بخشی از مقاله
چکیده
لایههاي نازك ITO با ضخامتهاي مختلف 130-620nm بر روي زیرلایههاي شیشه نازك به شیوه کندوپاش RF و با استفاده از هدف سرامیکی لایه نشانی شده و سپس در دماي 400˚C در محیط خلأ پخت شدهاند. ساختار کریستالی، مشخصههاي الکتریکی و اپتیکی نمونههاي ITO توسط آنالیزهاي XRD، سیستم اندازه گیري مقاومت چهار ترمینالی و طیف UV/VIS/IR مورد بررسی قرار گرفته است.
با بررسی نتایج حاصل از آنالیزهاي انجام شده با افزایش ضخامت لایه، درصد عبوري میانگین در طیف مرئی کاسته و مقاومت الکتریکی نیز کاهش مییابد. در مقابل، با بررسی طیف XRD لایهاي که داراي ضخامت 620 nm است، قلههاي بهینه - 222 - و - 400 - نشان دهنده توازن شفافیت و هدایت الکتریکی میباشند.
مقدمه
لایههاي نازك اکسید ایندیم آلاییده شده با قلع - ITO - به دلیل داشتن خواص شفافیت نوري مناسب در ناحیه مرئی - >%80 - و مقاومت الکتریکی بسیار پایین - ~10-4Ωcm - بطور همزمان، موارد استفاده فراوانی در ساخت انواع صفحه نمایشگرهاي تخت 1]و[2 و افزارههاي فتوولتایی [3] دارند. اکسید ایندیم - In2O3 - با آلاییده شدن توسط اتمهاي ناخالصی قلع به نیمرساناي تبهگن نوع n تبدیل شده که آن را ITO مینامند و باند ممنوعه نوري آن 3/75eV میباشد.
خواص لایههاي نازك ITO به شدت متأثر از شرایط لایه نشانی نظیر دماي زیرلایه، فشار جزئی اکسیژن، فاصله بین هدف و زیرلایه و نوع زیرلایه میباشد. مقالات بسیاري وجود دارد که رابطه بین این پارامترها در آنها گزارش شده است. همچنین بسیاري از محققین تأثیر ضخامت را بر روي خواص ITO مطالعه طیف عبور نوري لایههاي کردهاند؛
براي مثال خواص لایههاي ITO را که با ضخامت 40-870nm به روش لایه نشانی توسط لیزر پالسی - PLD - انجام شده بود، در [4] گزارش شده است. همچنین تأثیر ضخامت لایه بر روي خواص فیزیکی لایههاي ITO که به شیوه کندوپاش DC در دماي پایین زیرلایه - 80˚C - لایه نشانی شده بودند نیز در [5] گزارش شده است.
در این مقاله به بررسی تأثیر ضخامت بر روي خواص اپتیکی، الکتریکی و ساختار کریستالی این لایهها پرداخته شده است. در انجام این آزمایشات، لایههاي ITO به روش کندوپاش RF بر روي زیرلایههاي شیشه نازك لایه نشانی شده و سپس در دماي 400˚C در محیط خلاء پخت شدهاند.
نحوه انجام آزمایش
در این مقاله، از زیرلایههاي شیشههاي نازك - Corning - به ضخامت تقریبی150 میکرومتر جهت لایه نشانی استفاده شده است. قبل از لایه نشانی، زیرلایهها توسط محلول شیمیایی RCA - آب DI، آمونیاك و پراکسید هیدروژن به نسبت - 1:1:5 تمیز شده- اند. از سیستم کندوپاش RF و هدف سرامیکی ITO %90wt. In2O3 - و - %10wt. SnO2 براي لایه نشانی استفاده شده است.
پس از رسیدن فشار محفظه به میزان 6×10-6Torr و با کنترل آهنگ ورود گاز، فشار در حدود 2/6×10-2Torr ثابت نگه داشته میشود. لایه نشانی لایههايITO در حضور پلاسماي آرگن - خلوص - %99/999 با توان 280 وات با ضخامتهاي مختلف130، 310، 420 و 620nm با تغییر زمان لایه نشانی از 20 دقیقه تا 100 دقیقه با آهنگ ثابت لایه نشانی 64 Å/min بدست آمده است. ضخامت این لایهها توسط دستگاه alpha-step - Dektak500 - اندازه گیري شده است. پخت لایه نیز در دماي 400˚C در محیط خلأ پس از انجام لایه نشانی به مدت 2h صورت گرفته است.
به منظور بررسی خواص این لایهها، مقاومت الکتریکی آنها توسط سیستم اندازه گیري چهار پروبی اندازه گیري و ساختار کریستالی و خواص اپتیکی آنها توسط آنالیزهاي XRD و UV/VIS/IR - Varian Cary 500 - مورد بررسی قرار گرفته است.
لایههاي نازك
بررسی خواص لایههاي ITO منحنی تغییرات مقاومت الکتریکی لایههاي ITO بر حسب ضخامت لایهها قبل و بعد از پخت نمونهها در شکل1 نشان داده شده است. با توجه به این نمودار، پس از پخت در دماي 400˚C مقاومت الکتریکی لایهها کاهش یافته و این کاهش مقاومت براي لایههاي ITO با ضخامتهاي متفاوت تقریباً نسبت مشابهی دارد.
همانطور که در این نمودار مشاهده میشود، لایه به ضخامت 420nm کمترین مقاومت الکتریکی را دارا میباشد. به این ترتیب با افزایش ضخامت لایههاي ITO تا حدود 420nm مقاومت کاهش پیدا کرده و سپس با افزایش ضخامت تا 620nm افزایش مییابد.
شکل :1 نمودار نغییرات لگاریتمی مقاومت الکتریکی بر حسب ضخامت لایهها قبل و بعد از پخت نمونهها
شکلITO 2 را که با ضخامتهاي
متفاوت بر روي شیشه لایه نشانی شده و در دماي 400˚C در خلأ پخت شدهاند را بر حسب طول موج نشان میدهد. با توجه به نتایج حاصله از طیف عبوري لایههاي ITO با ضخامتهاي متفاوت، مشاهده میشود که درصد عبور نور با افزایش ضخامت لایهها تا 420nmکاهش پیدا میکند. که به دلیل افزایش پراکندگی نوري از مسیرهاي نوري و افزایش غلظت حاملها در لایه میباشد
افزایش غلظت حاملها، باعث کاهش عبور نوري لایههاي ITO در طول موجهاي بلندتر میشود .[8] چگالی زیاد حاملهاي آزاد لایههاي ضخیم، به بزرگتر شدن اندازه کریستالی که با افزایش ضخامت همراه است، مربوط شده و منجر به کاهش تعداد مراکز به دام اندازي اتمهاي دهنده در مرز دانهها و دررفتگیها میشود
از اینرو، افزایش مقاومت مشاهده شده براي لایه ضخیمتر ممکن است ناشی از تأثیر افزایش پراکندگی حاصل از ناخالصیهاي یونیزه بر روي حاملهاي آزاد باشد. همچنین این افزایش مقاومت ممکن است به دلیل وجود بیش از اندازه سوراخ و عیوب در لایه- ها نیز باشد، که به دلیل افزایش زمان لایه نشانی ایجاد شده اما پخت باعث کاهش اندك عیوب موجود در لایههاشده است.
شکل: 2 نمودار درصد عبور نوري بر حسب ضخامتهاي مختلف . ITO
تغییر مکان لبه جذب نیز در طول موجهاي کوتاهتر براي لایه- هاي با ضخامت مختلف ITO مشاهده میشود که این تغییر مکان ناشی از انتقال Burstein-Moss است. میانگین عبور نوري این لایهها در ناحیه قابل دید -800 nm - - 400 براي لایههایی به ضخامت 130، 310، 420 و 620 nm که در دماي 400˚C در محیط خلأ پخت شدهاند، به ترتیب %84، %83، %77/5 و %79 میباشد.
شکل3 طیف XRD مربوط به لایههايITO فوق است. با توجه
به این شکل، مشاهده میشود که تمامی لایهها با ضخامتهاي متفاوت پلی کریستال هستند. براي چنین ضخامتهایی که لایههاي ITO به صورت پلیکریستالی هستند، معمولاً حداقل مقدار مقاومت بدست میآید، این در حالی است که مقاومت لایههاي ضخیمتر افزایش پیدا میکند
شکل: 3 طیف XRD مربوط به لایههاي ITO با ضخامتهاي مختلف و پخت شده در دماي .400˚C
همانطور که در شکل3 مشاهده میشود، لایهاي با ضخامت 130nm تنها داراي قله - 222 - میباشد، با افزایش ضخامت به تدریج قله - 400 - ظاهر شده و در ضخامت 620nm شدت این قله به حداکتر میرسد. لایههاي بهینه ITO داراي شفافیت مناسب و مقاومت الکتریکی پایین است. از اینرو میبایست که بین دو قله - 222 - و - 400 - موازنه بر قرار شود، که چنین حالتی در ضخامت 620nm رخ داده است.
به منظور بررسی تأثیر ضخامت بر روي مشخصههاي ساختاري لایههاي نازك ITO، ثابت شبکه - a - و اندازه دانهها - D - با استفاده از طیف XRD محاسبه شده است. ثابت شبکه با استفاده از رابطه - 1 - قابل محاسبه میباشد.
جدول: 1 مشخصههاي ساختاري لایههاي ITO با ضخامتهاي مختلف پخته شده در دماي 400˚C
