Dopaje aniónico (F-,N3-) de películas delgadas de ZnO: efecto sobre sus propiedades ópticas y electrónicas

Abstract

RESUMEN: En este trabajo de investigación se presenta la preparación y caracterización de películas de óxido de zinc (ZnO) dopadas por aniones, usando dos métodos de depósito de películas: ZnO dopado con flúor (FZO) por el método sol-gel spincoating y ZnO dopado con nitrógeno (ZnO:N) por el método de sputtering reactivo. Se demuestra la incorporación del dopante aniónico (F- o N3-), según sea el caso, mediante el análisis de las propiedades estructurales, ópticas y eléctricas. Finalmente, se evaluó el desempeño de las películas ZnO:N aplicadas como transistores. Se realizó la preparación de las películas FZO (sol-gel spin-coating) a partir de acetato de zinc como fuente de Zn, fluoruro de amonio como precursor del F, monoetanolamina (MEA) como estabilizador, y se emplearon 3 diferentes solventes (etanol, isopropanol y 2-metoxietanol). Se varió en 0, 5, 10 y 15 %at el contenido de F en las películas FZO. Para la preparación de las películas de ZnO:N (sputtering reactivo) se partió de un target de Zn metálico, y como gases reactivos se emplearon O2 y N2. Para controlar la cantidad de nitrógeno (N) incorporado en la estructura del ZnO se varió la potencia del sputtering de 40 a 200 W, las relaciones de los gases (N2:O2) en 10:1, 4:1 y 1:1. Y finalmente, se ajustaron los flujos másicos de N2 y O2 con el fin de optimizar las propiedades ópticas y eléctricas. En los resultados mostrados en DRX y TEM, se observó un desplazamiento del plano (002) y un cambio en la distancia interplanar de 0.26 a 0.27 nm en las películas FZO en función de la concentración de flúor empleado. Por análisis de XPS se obtuvo la banda de valencia y se calculó el diagrama de bandas para las películas FZO. Se encontró que en las películas FZO con 15 %at de F el nivel de Fermi se mueve hacia la banda de valencia, lo que sugiere que a estas condiciones las películas de FZO se comportan como un semiconductor degenerado. En las películas ZnO:N las condiciones en las que se controló la incorporación de N fue a 180 W con flujo de O2 = 2 sccm, variando el flujo de N2 de 40 a 80 sccm. En estas condiciones se obtuvo control de la concentración de portadores de carga que variaron de 1016 a 1019 cm-3 y control en la resistividad que varió de 102 a 10-1 Ω·cm. Las películas de ZnO:N que exhibieron el mejor desempeño como aplicación en transistores fueron las depositadas a 150 W con flujo de O2 = 1 sccm y flujo de N2 = 10 sccm. Las cuales presentaron las siguientes propiedades eléctricas: concentración de portadores de carga = 1.5×1015 cm-3 y resistividad eléctrica = 2×103 Ω·cm. ABSTRACT: This research paper presents the preparation and characterization of anion-doped zinc oxide (ZnO) films, using two film deposition methods: fluorinated doped ZnO (FZO) by the sol-gel spincoating and ZnO doped with nitrogen (ZnO: N) by the method of reactive sputtering. The incorporation of the anionic dopant (F- or N3-) is demonstrated, as the case may be, by analyzing the structural, optical and electrical properties. Finally, the performance of ZnO: N films applied as transistors was evaluated. FZO (sol-gel spin-coating) films were prepared from zinc acetate as a source of Zn, ammonium fluoride as a precursor to F, monoethanolamine (MEA) as a stabilizer, and 3 different solvents (ethanol were used , isopropanol and 2-methoxyethanol). The content of F in FZO films was varied by 0, 5, 10 and 15% at. For the preparation of ZnO: N films (reactive sputtering), a metal Zn target was used, and O2 and N2 were used as reactive gases. To control the amount of nitrogen (N) incorporated in the ZnO structure, the sputtering power was varied from 40 to 200 W, the gas ratios (N2: O2) in 10: 1, 4: 1 and 1: 1. And finally, the mass flows of N2 and O2 were adjusted in order to optimize the optical and electrical properties. In the results shown in DRX and TEM, a plane shift (002) and a change in the interplanar distance of 0.26 to 0.27 nm were observed in the FZO films as a function of the fluorine concentration used. The valence band was obtained by XPS analysis and the band diagram for the FZO films was calculated. It was found that in FZO films with 15% at F the Fermi level moves towards the valence band, suggesting that under these conditions FZO films behave like a degenerated semiconductor. In the ZnO: N films the conditions under which the incorporation of N was controlled was at 180 W with flow of O2 = 2 sccm, varying the flow of N2 from 40 to 80 sccm. Under these conditions control of the concentration of load carriers was obtained that varied from 1016 to 1019 cm-3 and control in the resistivity that varied from 102 to 10-1 Ω · cm. The ZnO: N films that exhibited the best performance as an application in transistors were those deposited at 150 W with O2 flow = 1 sccm and N2 flow = 10 sccm. Which presented the following electrical properties: concentration of charge carriers = 1.5 × 1015 cm-3 and electrical resistivity = 2 × 103 Ω · cm.