Анотація до роботи:

Ковтун Н. А. Структура, оптичні і електричні властивості легованих плівок оксиду цинку, виготовлених методами магнетронного розпилення. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 01.04.07 - Фізика твердого тіла. Науково-технічний центр електрофізичної обробки НАН України, м. Харків, 2005 р.

Показано, що отримання оптимальних оптоелектричних властивостей для плівок ZnO:In та ZnО:Al, отриманих реактивним магнетронним розпиленням на постійному струмі, відбувається завдяки різним фізичним механізмам, що пов’язано з різними атомарними радіусами алюмінію та індію. Встановлено, що при високочастотному нереактивному магнетронному розпиленні при збільшенні робочого тиску спостерігається нетрадиційна зміна фізичних закономірностей впливу товщини плівок ZnО:Al на значення концентрації основних носіїв заряду. Уточнені та обґрунтовані фізичні механізми впливу на оптоелектричні властивості плівок ZnО:Al концентрації легуючої фази у складі мішені при нереактивному магнетронному розпиленні і потужності магнетрона при високочастотному розпиленні.

1. Визначенні фізичні механізми і закономірності впливу технологічних параметрів різних видів магнетронного розпилу на критерії якості легованих шарів оксиду цинку, що дозволило розробити фізичні основи оптимізації фізико-технологічних умов різних видів магнетронного розпилення для одержання легованих шарів оксиду цинку з високими коефіцієнтами якості.

2. При реактивному магнетронному розпиленні на постійному струмі отримання оптимальних оптоелектричних властивостей плівок ZnО:In, здійснюється при температурі більше 350 ⁰С і швидкості напуску аргонно-кисневої суміші V_(Ar+O)=24 cм³/c в процесі осадження, ці параметри і забезпечують формування в матриці фази оксиду цинку когерентно сполучених із нею фрагментів фази Zn₃In₂O₆.

3. Внаслідок більш низького іонного радіуса алюмінію в порівнянні з індієм формування фази Zn₃Al₂O₆ призводить до зниження концентрації основних носіїв заряду в плівках ZnО:Al. Тому при реактивному магнетронному розпиленні на постійному струмі необхідно усунути можливість утворення фази упорядкування, для цього температура підкладки повинна бути вищою за 300 ⁰С, що забезпечує максимальну розчинність алюмінію в підгратці цинку при мінімізації концентрації власних точкових дефектів.

4. Оптимальна концентрація легуючої фази Al₂O₃, яка складає 2.5 ат.% у складі мішені ZnO:Al₂O₃, при нереактивному магнетронному розпиленні на постійному струмі визначається двома конкуруючими фізичними механізмами: одночасним зростанням концентрації атомів алюмінію в електрично активному і електрично неактивному стані. Останній спочатку викликає зниження рухливості основних носіїв заряду за рахунок зросту мікродеформацїї, а потім - за рахунок формування фази Al₂O₃, що викликає зниження розмірів областей когерентного розсіювання. При цьому експериментально показано, що співвідношення між атомами алюмінію в електрично активному і не активному стані визначається не тільки складом мішені, а і температурою осадження, оптимальне значення якої становить 500 ⁰С.

5. Зростання потужності магнетрону при одержанні шарів ZnО:Al високочастотним магнетронним розпиленням, з одного боку, призводить до збільшення розмірів області когерентного розсіювання і зниження ступеня розсіювання текстури, а з іншого, - збільшує концентрацію власних точкових дефектів. Співвідношення ступеню впливу цих двох фізичних механізмів на коефіцієнт якості і визначає оптимальну потужність магнетрону яка для використовуваної досліджуваної установки складала 200 Вт, оскільки перший зумовлює зростання рухливості основних носіїв заряду, а другий - зменшення не тільки рухливості, а і коефіцієнту пропускання.

6. Збільшення товщини шару ZnО:Al при високочастотному нереактивному магнетронному розпиленні призводить до росту коефіцієнту якості за рахунок збільшення рухливості і концентрації основних носіїв заряду тільки при низьких значеннях робочого тиску аргону до 10^-4 Па. З збільшенням робочого тиску до 2*10^-3 Па зростання товщини шару ZnО:Al від 0.3 мкм до 1мкм призводить до зниження цих електричних параметрів, що зумовлено появою в шарах другої текстури в напрямку [101].

7. Шляхом ідентифікації фізичних механізмів впливу технологічних параметрів різних видів магнетронного розпилення на структуру, оптичні й електричні властивості плівок ZnО:Al і ZnО:In проведена оптимізація фізико-технологічних умов їх одержання. У результаті методами реактивного і нереактивного магнетронного розпилення на постійному струмі отримані шари оксиду цинку з коефіцієнтом якості, що відповідає світовим аналогам - Ф_ZnО:In=1.3*10^-2 Ом^-1, Ф_ZnО:Al=9.3*10^-2 Ом^-1 і Ф_ZnО:Al=3.4*10^-2 Ом^-1 відповідно, а нереактивним високочастотним магнетронним розпиленням - із його рекордним значенням Ф_ZnО:Al=1.4*10^-1Ом^-1.

8. Оптимізовані режими магнетронного розпилення були реалізовані при отримані плівок ZnО:Al при створенні конструкції фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії системи Mo/CuInSe₂/CdS/ZnO/ZnO:Al, з коефіцієнтом корисної дії 16 %, та плівкових фотодіодів та фототранзисторів.

Публікації автора:

1. Бойко Б.T., Хрипунов Г.С., Копач В.Р., Ковтун Н.А. Электрические и оптические свойства поликристаллических пленок ZnO:Al, полученных методом магнетронного распыления. // Вопросы атомной науки и техники. Харьков:-1999. -№ 2 (10). - С. 75-78.

2. Бойко Б.Т., Хрипунов Г.С., Ковтун Н.А. Электрические и оптические свойства поликристаллических слоев ITO, полученных методом магнетронного распыления при комнатной температуре подложки. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Сборник научных трудов. Тематический выпуск: “Физические аспекты современных технологий”.- Харьков: НТУ «ХПИ» – 2000. – Вып. 103. – С. 16-19.

3. Ковтун Н.А. Влияние температуры подложки на электрические и оптические свойства поликристаллических пленок ZnO:Al, полученных методом реактивного высокочастотного магнетронного распыления. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. // Сборник научных трудов. Тематический выпуск: “Автоматика и приборостроение”.- Харьков: НТУ «ХПИ» – 2001. – Вып. 4. – С. 112-113.

4. Бойко Б.T., Хрипунов Г.С., Ковтун Н.А., Черніков А.И. Дослідження електричних та оптичних властивостей полікристалічних шарів ZnO:In, отриманих методом реактивного магнетронного розпилення.// Фізика і хімія твердого тіла. – 2001. – Т. 2, № 2 – С. 189-194.

5. Boyko B. Т., Kovtun N. А., Panchekha P.A., Khrypunov G.S. The investigations of the structure, electrical and optical properties ZnO doping films, obtained by reactive magnetron sputtering method. // Functional Materials. -2001. - Vol. 8. - N4. – p.653 – 658.

6. Ковтун Н.А. Дослідження властивостей полікристалічних плівок ZnO, легованих Al, отриманих методом нереактивного магнетронного розпилення.// Фізика і хімія твердого тіла. – 2004. – Т. 5, № 3 – С. 401-405.

7. Klochko N.P., Kopach V.R., Rjabchun A.A., Khrypunov G.S., Kovtun N.A. Relation between deposition conditions and composition of electrodeposited Cu-In-Se thin films // Functional Materials.-1998.- Vol.5.- N1.-p.48-51

8. Klochko N.P., Volkova N.D., Kopach V.R., Kovtun N.A. Investigation of electrodeposition kinetics of ZnSe films. Functional Materials. -2001.- Vol.8.- N4. -p. 668 – 672.