Sputtered tin oxide and titanium oxide thin films as alternative transparent conductive oxides

  • Gesputterte Zinnoxid- und Titanoxid-Dünnschichten als alternative transparent leitfähige Oxide

Boltz, Janika; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011, 2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von transparenten und leitfähigen Oxidschichten. Als alternative Materialien zum herkömmlich eingesetzten Indiumzinnoxid sind Antimon-dotiertes Zinnoxid und Niob-dotiertes Titanoxid untersucht worden. Zinnoxid gehört zu den weichen Oxiden, hingegen Titanoxid zu den harten Oxiden. Zinnoxid weist mehrere Oxidformen auf im Gegensatz zum Titanoxid, das in der oxidischen Form nur in TiO2 auftritt. In stöchiometrischer Form sind beide Oxide, SnO2 und TiO2, Isolatoren. Um leitfähige Oxide zu erzielen, werden Sauerstofffehlstellen, Metall-Ionen auf Zwischengitterplätzen oder Fremdatome für die Dotierung benötigt, die freie Ladungsträger erzeugen. Die mit Antimon-dotierten Zinnoxid- und mit Niob-dotierten Titanoxid-Schichten wurden mittels reaktiver Gleichstrom-Magnetron Sputter-Deposition (dc MS) von metallischen Kathoden hergestellt. Neben den Prozessparametern wurde die Dotierung der Schichten über den Einsatz verschiedener Konzentrationen in der Kathode variiert. Die Oxidschichten sind elektrisch, optisch und strukturell untersucht worden, um den Einfluss der Prozessbedingungen und der Dotierung auf die Schichten zu prüfen. Nach der Herstellung der Oxidschichten wurde mittels einer Wärme-Nachbehandlung die Möglichkeit der Optimierung der Schichteigenschaften untersucht. Für die Herstellung von leitfähigen und transparenten Zinnoxidschichten ist der Sauerstoffgehalt im Arbeitsgas die entscheidende Größe. Der Einbau von Antimon als Dotierung im Zinnoxid hat eine untergeordnete Bedeutung für die elektrischen, optischen und strukturellen Schichteigenschaften. In einem schmalen Bereich vom Sauerstoffgehalt im Arbeitsgas werden hochtransparente und leitfähige Zinnoxid-Schichten hergestellt. In dieser Arbeit ist der geringste minimale spezifische Widerstand 2,9 mOhm cm von undotierten Zinnoxid-Schichten ohne weitere Wärme-Nachbehandlung. Das Minimum im spezifischen Widerstand ist verknüpft mit dem Übergang zu kristallinen Schichten mit der Stöchiometrie von SnO2. Bei höherem Sauerstoffgehalt im Arbeitsgas haben die Schichten einen höheren Widerstand aufgrund von einem Sauerstoffüberschuss in den Schichten. Nach einer anschließenden Wärme-Nachbehandlung der Schichten wird der Bereich der Prozessbedingungen für die Herstellung von transparent leitfähigen Zinnoxidschichten vergrößert, der spezifische Widerstand sinkt deutlich ab für Temperaturen bis 300°C. Bestes Ergebnis war der spezifische Widerstand von einer undotierten Zinnoxid-Schicht mit 1,15 mOhm cm nach Wärme-Nachbehandlung bei 300°C. Bei höherer Temperatur steigt der spezifische Widerstand wieder an, aufgrund von mechanischen Verspannungen und Mikroverspannungen. Für die Herstellung von transparent leitfähigen Titanoxidschichten ist eine reduzierende Atmosphäre während des Nachheizens der Schichten notwendig, um einen niedrigen spezifischen Widerstand zu erzielen. Beste Resultate zeigen amorphe Titanoxidschichten, die bei einem erhöhten Arbeitsdruck von 1,5 Pa gesputtert wurden und beim nachträglichen Heizen in Vakuum in der anatasen TiO2 Struktur kristallisieren. Der geringste spezifische Widerstand, in dieser Studie erzielt, beträgt 671 mOhm cm nach Heizen der Titanoxidschicht in Vakuum. Der Einbau von Niob als Dotiermaterial in das Titanoxid ist unerlässlich für einen geringen spezifischen Widerstand.

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