ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОТЖИГА НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТОНКИХ ПЛЁНОК ZnO:GA, ОСАЖДЁННЫХ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

EFFECT OF PULSED LASER ANNEALING ON THE ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF THIN ZNO:GA FILMS DEPOSITED AT ROOM TEMPERATURE

Karpenko Victoria Sergeevna

Student, Faculty of Cybersecurity and Management, Volga State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

Zhukov Sergey Vadimovich

Scientific supervisor, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Volga State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

Импульсный лазерный отжиг (ИЛО) KrF-лазером (248 нм, 25 нс) при 160 мДж/см² снижает удельное сопротивление плёнок ZnO:Ga (~250 нм), осаждённых при комнатной температуре, с 1,4·10⁻³ до 3,1·10⁻⁴ Ом·см — как печной отжиг при 400 °С, но без нагрева подложки выше 80 °С. Эффект обусловлен улучшением структуры и активацией донорных центров галлия.

ABSTRACT

Pulsed laser annealing (PLA) with a KrF laser (248 nm, 25 ns) at 160 mJ/cm² reduces the resistivity of ZnO:Ga films (~250 nm) deposited at room temperature from 1.4·10⁻³ to 3.1·10⁻⁴ Ω·cm, comparable to furnace annealing at 400 °C but without heating the substrate above 80 °C. The effect is due to improved structure and activation of gallium donor centers.

Ключевые слова: ZnO:Ga; тонкие плёнки; импульсный лазерный отжиг; электропроводность; прозрачные проводящие оксиды.

Keywords: ZnO:Ga; thin films; pulsed laser annealing; electrical conductivity; transparent conductive oxides.

Введение

ZnO:Ga (GZO) — перспективная замена ITO [1, с. 61]. Плёнки, осаждённые при комнатной температуре, имеют повышенное сопротивление из-за дефектов и неактивированной примеси, а печной отжиг (300–500 °C) несовместим с полимерными подложками. Альтернатива — импульсный лазерный отжиг (ИЛО): энергия поглощается в тонком приповерхностном слое за наносекунды, подложка не успевает нагреться. Данных о влиянии плотности энергии ИЛО на проводимость GZO, осаждённого при комнатной температуре, недостаточно — это определяет актуальность работы.

Цель — установить зависимость сопротивления плёнок ZnO:Ga от плотности энергии ИЛО и сравнить с печным отжигом.

Методика эксперимента

Плёнки ZnO:Ga толщиной 250 ± 15 нм осаждались магнетронным распылением на постоянном токе на стекло и кремний (КЭФ-4,5) при температуре не выше 60 °C; мишень — ZnO с 3 мас. % Ga₂O₃, аргон 0,4 Па, мощность 120 Вт.

ИЛО — KrF-лазер (λ = 248 нм, τ = 25 нс, 10 Гц, 100 импульсов), плотность энергии 80–200 мДж/см² с шагом 40 мДж/см²; температура подложки не выше 80 °C. Для сравнения часть образцов отжигалась в печи при 400 °C, 60 мин.

Сопротивление — четырёхзондовым методом (Keithley 2400), структура — РФА (ДРОН-7), морфология — АСМ (Solver P47), пропускание — спектрофотометр, 400–800 нм.

Результаты и их обсуждение

Сопротивление неотожжённой плёнки — 1,4·10⁻³ Ом·см; при ИЛО оно падает до минимума 3,1·10⁻⁴ Ом·см при 160 мДж/см², а при 200 мДж/см² растёт до 4,8·10⁻⁴ из-за дефектов и частичного испарения при превышении порога абляции.

По данным РФА, после ИЛО при 160 мДж/см² области когерентного рассеяния растут с 11 до 24 нм, что снижает рассеяние носителей на межзёренных границах [2, с. 215]; локальный нагрев активирует галлий как донор [3, с. 377], концентрация носителей растёт с 4,1·10¹⁹ до 9,7·10¹⁹ см⁻³. Оптимальный режим даёт 3,1·10⁻⁴ Ом·см — как печной отжиг при 400 °C, но без нагрева подложки выше 80 °C.

Заключение

ИЛО KrF-лазером (248 нм, 25 нс) снижает сопротивление плёнок ZnO:Ga, осаждённых при комнатной температуре, с 1,4·10⁻³ до 3,1·10⁻⁴ Ом·см при 160 мДж/см² за счёт роста кристаллитов (11 → 24 нм) и активации донорных центров галлия. Результат сопоставим с печным отжигом при 400 °C, но не требует нагрева подложки выше 80 °C.

Список литературы:

1. Дмитриев А.В. Прозрачные проводящие оксиды: материалы и технологии: учеб. пособие. – М.: Физматлит, 2018. – 256 с.
2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.: Физматлит, 2015. – 416 с.
3. Щербаков И.А., Иванов П.П. Дефекты и проводимость в оксидных полупроводниках // Успехи физических наук. – 2020. – Т. 190, № 3. – С. 325⁠–⁠340.