Плазмохимический синтез и исследование морфологии тонких пленок системы IGZO

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В настоящей работе впервые для получения тонких пленок состава InGaZnO (IGZO) различной стехиометрии, морфологии и фазового состава использовался метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD). Пленки синтезировались с помощью установки, подробно описанной нами в работах [1–5]. Исходными веществами являлись элементарные высокочистые In, Ga и Zn, газами-носителями Ar и H2, а в качестве плазмообразующего газа использовали смесь (Ar–H2–O2). Процесс плазмохимического синтеза был изучен методом оптической эмиссионной диагностики. Предложены механизмы плазмохимического процесса. Методом энергодисперсионного рентгеновского микроанализа был определен химический соcтав образцов. Полученные образцы были также исследованы методами сканирующей электронной (СЭМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и оптической профилометрии. По измерениям эффекта Холла были определены электрические свойства полученных пленок – тип, подвижность и концентрация носителей.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. А. Мочалов

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского; Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Email: slapovskaya@unn.ru
Россия, Нижний Новгород ; Нижний Новгород

С. В. Телегин

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: slapovskaya@unn.ru
Россия, Нижний Новгород

Е. А. Слаповская

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Автор, ответственный за переписку.
Email: slapovskaya@unn.ru
Россия, Нижний Новгород

А. В. Князев

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: slapovskaya@unn.ru
Россия, Нижний Новгород

Список литературы

  1. Мочалов Л.А., Чурбанов М.Ф., Вельмужов А.П., Лобанов А.С., Корнев Р.А., Сенников Г.П. Получение стекол в системе Ge–S–I методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы // Оптические материалы № 46, С. 310-313
  2. Мочалов Л., Логунов А., Маркин А., Китнис А., Воротынцев В. Характеристики пленок халькогенидов на основе Te зависят от параметров процесса PECVD // Оптическая и квантовая электроника № 52, С. 1–12.
  3. Мочалов Л.А., Лобанов А.С., Нежданов А.В., Костров А.В., Воротынцев В.М. Получение стекол Ge–S–I и Ge–Sb–S–I методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы // Журнал некристаллических твердых веществ № 423, С. 76-80.
  4. Пиртон, Мочалов Л., Логунов А., Кудряшов М., Прохоров И., Сазанова Т., Юнин П., Пряхина В., Воротунцев И., Малышев В.. Гетероэпитаксиальный рост тонких пленок Ga2O3 различного фазового состава при окислении Ga в водородно-кислородной плазме // Journal of Solid State Science and Technology Т. 10. № 7., 073002.
  5. Мочалов Л., Дорош Д., Коханович М., Логунов А., Летнянчик А., Старостин Н., Зеленцов С., Бореман Г., Воротынцев В.. Оптическая эмиссионная спектроскопия плазменного осаждения пленок сульфида свинца // Спектрохимия, часть А: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия № 241, 118629.
  6. Murat A., Adler A.U., Mason T.O., Medvedeva J.E. Carrier generation in multicomponent wide-bandgap oxides: InGaZnO4. // J Am Chem Soc. 2013. V. 135. № 15. P. 5685–5692. https://doi.org/10.1021/ja311955g
  7. Lee, Chul Hee, Kim, Tae Hyung, Lee, Seung Min, Bae, Jeong Wun, Kim, Kyong Nam, Yeom, Geun Young. Properties of IGZO Film Deposited by Ar/O2 Inductively Coupled Plasma Assisted DC Magnetron Sputtering // Science of Advanced Materials. V. 7. № 9. P. 118–1192. https://doi.org/х10.1166/sam.2017.2886
  8. Kosuke Takenaka et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2023. 62 SL1018. https://doi.org/10.35848/1347-4065/acdb7e
  9. Amusan A., Etor D., Electrical Characterization of InGaZnO-Based Thin Film Transistor Fabricated by Three-Mask Process // FUOYE Journal of Engineering and Technology (FUOYEJET). 2023. V. 8. № 3. P. 294–299. https://doi.org/10.46792/fuoyejet.v8i3.1038
  10. Sanal K.C., Majeesh M., Jayaraj M.K. Growth of IGZO thin films and fabrication of transparent thin film transistor by RF magnetron sputtering, Proc. SPIE 8818, Nanostructured Thin Films VI, 881814 (19 September 2013). https://doi.org/10.1117/12.2023865
  11. Li Y., Zhou Y., Guo C., Zou S., Lan L., Gong Z. Noble-Metal-Free, Polarity-Switchable IGZO Schottky Barrier Diodes. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2023. V. 70. № 6. P. 3057–3063. https://doi.org/10.1109/TED.2023.3267755
  12. J. Korean Ceram. Soc. 2016;53 (1): 110-115. Publication Date (Web): 2016 January 31 (Paper). https://doi.org/10.4191/kcers.2016.53.1.110
  13. Wonjun Shin, Daehee Kwon, Minjeong Ryu, Joowon Kwon, Seongbin Hong, Yujeong Jeong, Gyuweon Jung, Jinwoo Park, Donghee Kim, Jong-Ho Lee. Effects of IGZO film thickness on H2S gas sensing performance: Response, excessive recovery, low-frequency noise, and signal-to-noise ratio. // Sensors and Actuators B: Chemical, Volume. 2021. № 344. 130148. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130148
  14. Bizak Z., Faleiros M.C., Vijjapu M.T., Yaqoob U. and Salama K.N.. Highly Sensitive Wireless NO2 Gas Sensing System. // IEEE Sensors Journal, 2023. V. 23. № 14. P. 15667–15674. https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3281270
  15. Rawat Jaisutti, Jaeyoung Kim, Sung Kyu Park, and Yong-Hoon Kim. Low-Temperature Photochemically Activated Amorphous Indium-Gallium-Zinc Oxide for Highly Stable Room-Temperature Gas Sensors. // ACS Applied Materials & Interfaces . 2016. V. 8. № 31. P. 20192–20199. https://doi.org/10.1021/acsami.6b05724
  16. Fangzhou Li, You Meng, Ruoting Dong, SenPo Yip, Changyong Lan, Xiaolin Kang, Fengyun Wang, Kwok Sum Chan, and Johnny C. Ho. High-Performance Transparent Ultraviolet Photodetectors Based on InGaZnO Superlattice Nanowire Arrays. // ACS Nano. 2019. V. 13. № 10. P. 12042–12051. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06311
  17. Kishore R., Vishwakarma K. and Datta A. Spectral Response of Solar Blind M-S-M Photodetector With InGaZnO Film Sputter Deposited in Diluted Oxygen Ambience. // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2023. V. 59. № 4. P. 1–7. Art no. 4000107. https://doi.org/10.1109/JQE.2023.3278263
  18. Huang W.-C., Tseng Z.-C., Hsueh W.-J., Liao S.-Y. and Huang C.-Y. X-Ray Detectors Based on Amorphous InGaZnO Thin Films. // IEEE Transactions on Electron Devices, 2023. V. 7. № 7. P. 3690–3694. https://doi.org/10.1109/TED.2023.3279054
  19. Pereira M., Deuermeier J., Nogueira R., Carvalho P.A., Martins R., Fortunato E., Kiazadeh A.. 2000242, Noble-Metal-Free Memristive Devices Based on IGZO for Neuromorphic Applications. // Adv. Electron. Mater. 2020. № 6. 2000242. https://doi.org/10.1002/aelm.202000242
  20. Martins R.A., Carlos E., Deuermeier J., Pereira M.E., Martins R., Fortunato E., Kiazadeh A. Emergent solution based IGZO memristor towards neuromorphic applications. // J Mater Chem C Mater. 2020. V. 10. № 6. P. 1991–1998. https://doi.org/10.1039/d1tc05465a
  21. Tongzheng Li, Tongying Xu, Zhengyang Yao, Yanan Ding, Guoxia Liu, Fukai Shan. Highly sensitive biosensor based on IGZO thin-film transistors for detection of Parkinson's disease. // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 122. № 24. 243701. https://doi.org/10.1063/5.0151300
  22. P. G. Bahubalindruni et al. Rail-to-Rail Timing Signals Generation Using InGaZnO TFTs For Flexible X-Ray Detector. // IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2020. V. 8. P. 157–162. https://doi.org/10.1109/JEDS.2020.2971277
  23. Troughton J.G., Downs P., Price R., Atkinson D.. Densification of a-IGZO with low-temperature annealing for flexible electronics applications. // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 110. № 1. 011903. https://doi.org/10.1063/1.4973629
  24. Самарин А. Новая дисплейная технология IGZO компании Sharp // Компоненты и технологии. 8. 2013. С. 17–22.
  25. Huang S., Jin J., Kim J., Wu W., Song A. and Zhang J. IGZO Source-Gated Transistor for AMOLED Pixel Circuit. // IEEE Transactions on Electron Devices, 2023. V. 70. № 7. P. 3637–3642. https://doi.org/10.1109/TED.2023.3274501
  26. Sheng-Yao Huang et al. // 2011 Electrochem. Solid-State Lett. 14 H177. https://doi.org/10.1149/1.3534828
  27. Wonjun Shin, Daehee Kwon, Minjeong Ryu, Joowon Kwon, Seongbin Hong, Yujeong Jeong, Gyuweon Jung, Jinwoo Park, Donghee Kim, Jong-Ho Lee. Effects of IGZO film thickness on H2S gas sensing performance: Response, excessive recovery, low-frequency noise, and signal-to-noise ratio. // Sensors and Actuators B: Chemical, . 2021. V. 344. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130148
  28. Schellander Y., Winter M., Schamber M., Munkes F., Schalberger P., Kuebler H., et al. Ultraviolet photodetectors and readout based on a-IGZO semiconductor technology. // J Soc Inf Display. 2023. V. 31. № 5. P. 363–372. https://doi.org/10.1002/jsid.1202
  29. Li Y., Zhou Y., Guo C., Zou S., Lan L. and Gong Z., Noble-Metal-Free, Polarity-Switchable IGZO Schottky Barrier Diodes. // IEEE Transactions on Electron Devices, 2023. V. 70. № 6. P. 3057–3063. https://doi.org/10.1109/TED.2023.3267755
  30. Katie Stallings, Jeremy Smith, Yao Chen, Li Zeng, Binghao Wang, Gabriele Di Carlo, Michael J. Bedzyk, Antonio Facchetti, and Tobin J. // Marks ACS Applied Materials & Interfaces. 2021. V. 13. № 13. P. 15399–15408. https://doi.org/10.1021/acsami.1c00249
  31. Tongzheng Li, Tongying Xu, Zhengyang Yao, Yanan Ding, Guoxia Liu, Fukai Shan. Highly sensitive biosensor based on IGZO thin-film transistors for detection of Parkinson's disease. // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 122. № 24. P. 243701. https://doi.org/10.1063/5.0151300
  32. Zhou H.T., Li L., Chen H.Y., Guo Z., Jiao S.J., Sun W.J.. . Realization of a fast-response flexible ultraviolet photodetector employing a metal-semiconductor-metal structure InGaZnO photodiode. RSC ADVANCES. 2015. https://doi.org/10.1039/c5ra17475a
  33. Jiang D.L., Li L., Chen H.Y., Gao H., Qiao Q., Xu Z.K., Jiao S.J. Realization of unbiased photoresponse in amorphous InGaZnO ultraviolet detector via a hole-trapping process. // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. № 17. P.1171103. https://doi.org/10.1063/1.4918991
  34. Мочалов Л.А., Кудряшов М.А., Прохоров И.О., Вшивцев М.А., Кудряшова Ю.П., Слаповская Е.А., Князев А.В. Исследование плазмохимического синтеза тонких пленок Ga2O3, легированных Zn, за одну стадию в плазме // Химия высоких энергий. 2023. Т. 57. № 6. С. 509–514.
  35. Мочалов Л.А., Теллеген С.В., Слаповская Е.А. Получение и исследование свойств тонких пленок IGZO, полученных методом PECVD // Фотоника России. 2025. Т. 19. № 1. С. 1–9.
  36. Алмаев А.В., Яковлев Н.Н., Черников Е.В., Ерзакова Н.Н., Мочалов Л.А., Кудряшов М.А., Кудряшова Ю.П., Несов С.Н. Газочувствительность пленок PECVD β-Ga2O3 с большой активной поверхностью // Химия и физика материалов. 2024. Т. 320. С. 129430.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема плазмохимической установки для синтеза IGZO.

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Внешней вид плазмохимического реактора в процессе эмиссионной диагностики плазмохимического процесса синтеза IGZO.

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Индивидуальные эмиссионные спектры газов – компонентов плазмообразующей смесь.

Скачать (477KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Эмиссионный спектр плазмы смеси In–Ga–Zn–H2–O2.

Скачать (603KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Внешний вид и состав образцов пленок IGZO.

Скачать (252KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Типичная карта распределения элементов по поверхности для полученных образцов IGZO.

Скачать (1MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изображение поверхности образцов IGZO с примерным соотношением элементов: а – 2 : 1 : 2, б – 1 : 1 : 1, в – 2 : 1 : 1.

Скачать (845KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Топография поверхности образцов IGZO с примерным соотношением элементов: а – 2 : 1 : 2, б – 1 : 1 : 1, в – 2 : 1 : 1, полученная методом полуконтактной АСМ.

Скачать (733KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Дифрактограммы образцов IGZO с примерным соотношением элементов 2 : 1 : 2, 1 : 1 : 1 и 2 : 1 : 1.

Скачать (561KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025