Morphological characterization and electronic transport properties of aluminum-doped zinc-oxide films prepared by dc sputtering

Abstract

Momenteel is er een vernieuwde interesse in de ontwikkeling van transparante geleidende oxiden (TCO’s). Op basis van hun lage weerstand (10-4cm) en hoge doorlaatbaarheid van zichtbaar licht (85%) zijn deze materialen van bijzonder belang voor de industrie wegens hun gebruik in bijvoorbeeld zonnecellen, LCD-schermen en smart windows. Voor de meeste toepassingen is indium tin oxide (ITO) het standaard n-type halfgeleidende TCO materiaal. Echter, de beperkte voorraad en de zeldzaamheid van indium maken van ITO een duur materiaal. Bovendien is bewezen dat indium een toxisch metaal is, zowel voor het milieu als voor de mens. Daarom is in deze thesis gewerkt aan een veelbelovende vervanger van ITO, namelijk aluminium gedoteerd zinkoxide (AZO). De voordelen van AZO ten opzichte van ITO zijn legio. In de eerste plaats is de kostprijs een stuk lager, vooral de prijs van indium, welke $ 750 per killogram bedraagt, weegt zwaar door. Voor AZO echter, zijn er geen dure basis materialen nodig. Ook is de winning van indium volledig afhankelijk van de mijnbouw van zink. Op dit moment is AZO één van de mogelijke vervangende materialen die de opto-elektronisch eigenschappen van ITO evenaren. De resistiviteitswaarden zijn laag genoeg (104v_cm) en ook de transparantie evenaart die van ITO met een minimum van 85% over het zichtbare lichtspectrum. Om dunne films te groeien met deze optimale eigenschappen is de depositiemethode van groot belang. Met dc-sputteren, d.w.z. koudkathodenverstuiving in een zelfstandige gasontlading onder gelijkstroom, is het mogelijk om AZO films te groeien van hoge kwaliteit. Ook heeft sputteren de voorkeur bij de industriële fabricatie van dunne films omwille van de mogelijkheid grote oppervlakken te coaten. Er zijn echter nog een aantal open vragen over het effect van zuurstof en het optimale Al-doteringsniveau van deze films.

Currently, there is a renewed and substantial interest in transparent conductive oxides (TCO’s). These materials are of special interest to the industry because of their use in e.g. photovoltaic devices, LCD screens and smart windows, based on their low resistivity (10-4cm) and high transmittance for visible light (85%). At the moment indium tin oxide (ITO) is the standard n-type semiconductor for most applications demanding a TCO. However, limited resources of indium metal make it scarce and expensive. Moreover, it has been proven that indium is a toxic material both for the environment and for human beings. Therefore, this work reports on a promising replacement of ITO, namely aluminum doped zinc oxide (AZO). The advantages of AZO over ITO are, first of all, the cost. Especially the price of indium, which costs 750 $ for 1 kg is a large part of the costs of ITO. AZO, compared to ITO, does not contain any costly raw materials. Also, the mining of indium is completely dependent on the mining of Zn. This is because indium is a byproduct from Zn mining. For the time being, AZO is one of the few possible replacement materials that can match the optoelectronic properties of ITO. The resistivity values are low enough (10−4·cm) to be commercially valid as ITO alternative. Also, the transparency of ITO is matched by the values of AZO, which can exceed the technically defined minimum level of 85% for visible light. To grow thin films with these optimal properties, the choice of deposition method is of significant importance. With dc-sputtering, it is possible to grow high quality AZO films, with a low level of trace impurities. Also, dc-sputtering is the preferred deposition method in industrial fabrication of thin films, which can facilitate implementation of AZO films in the production process. However, there are still some open questions on the effect of oxygen and of the optimal Al-doping level of these films.