Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 9, стр. 1297-1299

В настоящее время в качестве материалов приборов прозрачной электроники активно изучаются и используются как простые полупроводниковые оксиды металлов, например, In₂O₃, ZnO, SnO₂ [1], так и многослойные структуры, содержащие два и более слоев различных оксидных полупроводников [2, 3]. Свойства таких структур можно регулировать термической обработкой в различных средах [4–6]. Целью данной работы было изучение влияния термической обработки в вакууме на структуру и электрические свойства многослойных пленок (In₂O₃/SnO₂)₆₉.

Образцы (In₂O₃/SnO₂)₆₉ были получены послойным осаждением In₂O₃ и SnO₂ в атмосфере аргона с чистотой 99.998% при давлении 7 ⋅ 10^–4 Торр методом ионно-лучевого напыления [7, 8] на подложки из монокристаллического кремния и ситалла при комнатной температуре. Для получения различных толщин слоев In₂O₃ и SnO₂ в ходе единого процесса напыления между мишенями и вращающейся подложкой были установлены V-образные экраны. Число оборотов подложки задавало количество бислоев In₂O₃/SnO₂ (69 шт.), толщина которых изменялась в диапазоне от 1.8 до 4.9 нм [8].

Структуру образцов до и после термообработки исследовали методом рентгеноструктурного фазового анализа на дифрактометре Bruker D2 Phaser (${{\lambda }_{{{\text{Cu}}{{K}_{{{\alpha 1}}}}}}}$ = 1.54 Å) с применением программного обеспечения DIFFRAC.EVA 3.0 с базой данных ICDD PDF Release 2012. Зависимости электросопротивления от температуры были измерены двухзондовым методом на постоянном токе при помощи универсального цифрового мультиметра В7-78/1. Относительная погрешность измерения электрического сопротивления не превышала 2%. Термообработку проводили при температурах от комнатной до 600°С в вакууме с давлением остаточных газов P_ОСТ = 5 ⋅ 10^–2 Торр в течение 30 мин.

Как было установлено нами ранее [8], в исходных образцах с увеличением толщины бислоя происходит переход от двухфазной пленки островковых слоев SnO₂ и In₂O₃ к многослойной структуре, состоящей из аморфных слоев SnO₂ и In₂O₃. Термическая обработка при температурах выше 400°С приводит к разрушению слоистой структуры пленки, что отражается в исчезновении дифракционных максимумов на картинах малоугловой дифракции (рис. 1a). При температурах термообработки выше 500°С начинается процесс кристаллизации фазы In₂O₃ (рис. 1б). Фазы кристаллического SnO₂ даже при термической обработке при 600°С обнаружено не было, что свидетельствует о том, что SnO₂ находится в аморфном состоянии. Оценка среднего размера кристаллитов In₂O₃ дала значение ~39 нм, что значительно превышает толщину бислоя.

Рис. 1.

Дифрактограммы тонких пленок (In₂O₃/SnO₂)₆₉ c толщиной бислоя h_bl = 2.9 нм в исходном состоянии и после термообработки.

Для изучения влияния термообработки на электросопротивление были выбраны образцы с толщиной бислоя h_bl = 1.2 нм, соответствующие состоянию, когда сплошные слои еще не сформировались, и с толщиной h_bl = 4.6 нм, когда формирование сплошных слоев уже произошло [8].

Для образца h_bl = 1.2 нм температурный коэффициент сопротивления (ТКС) при нагреве отрицателен во всем исследуемом диапазоне температур. Для образца h_bl = 4.6 нм наблюдается немотонность зависимости ρ(T) при нагреве: уменьшение ρ с ростом температуры от комнатной до 450°С, последующим незначительным ростом в диапазоне 450–580°С и резким уменьшением при T = 580°С. При охлаждении все зависимости ρ(T) имеют положительный ТКС.

Обнаруженные зависимости можно объяснить следующим образом. В исходном состоянии тонкая пленка (In₂O₃/SnO₂)₆₉ состоит из чередующихся слоев In₂O₃ и SnO₂, имеющих аморфную структуру. Соединение SnO₂ в аморфном состоянии имеет величину ρ на несколько порядков выше, чем соединение In₂O₃. Когда толщина пленки небольшая, квазинепрерывные прослойки не формируются, и проводимость осуществляется через области с различным фазовым составом (In₂O₃ и SnO₂). В этом случае многослойная структура имеет высокое удельное электрическое сопротивление и отрицательное значение ТКС, обусловленное более высокоомной фазой SnO₂. Когда происходит формирование квазинепрерывных слоев, на ρ влияют слои, имеющие наименьшее сопротивление (прослойки In₂O₃). Так как In₂O₃ является вырожденным полупроводником, на зависимости ρ(T) пленки с толщиной h_bl = 4.6 нм в диапазоне температур от 450 до 580°С наблюдается положительный ТКС. При отжиге до 600°С фаза In₂O₃ кристаллизуется разрушая многослойность, что сопровождается снижением электросопротивления. При этом наличие положительного ТКС на зависимостях ρ(T) при охлаждении для всех образцов говорит о вырождении полупроводниковой фазы In₂O₃ за счет возрастания роли мелких дефектов, которые в кристаллическом состоянии оксида индия определяют положение уровня Ферми полупроводника [7].

Таким образом, изучено влияние термообработки в вакууме на структуру и электрические свойства системы (In₂O₃/SnO₂)₆₉. Установлено, что полученные структуры являются термически стабильными до температуры термообработки Т_отж < 400°С. Увеличение температуры термообработки выше 400°С приводит к кристаллизации аморфной фазы для всех значений толщин бислоя и разрушению слоистой структуры при толщинах h_bl > 2.5 нм. Отжиг до 600°С приводит к смене знака ТКС с отрицательного на положительный.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 19-48-360010-р_а).

Рис. 2.

Зависимости удельного электрического сопротивления от температуры, для образцов (In₂O₃/SnO₂)₆₉: 1 – 1.2; 2 – 4.6 нм.