İndiyum Kalay Oksit İnce Filmlerin Optoelektronik Özelliklerinin İyileştirilmesi

Abstract

Oda sıcaklığında biriktirilen indiyum kalay oksit (ITO) filmler amorf yapıya sahiptir. Bu filmler herhangi bir kristal yapıya sahip değillerdir ve yüksek oranda yapısal hata içermektedirler. Amorf yapıda indiyum ve kalay arasındaki yer değiştirme reaksiyonu meydana gelmediği için taşıyıcı yoğunluğu ve taşıyıcı hareketliliği de oldukça düşük düzeyde kalmaktadır. Kristal yapının mevcut olmaması nedeniyle yasak enerji aralığı (Eg) değeri de düşük düzeydedir. Ayrıca yapıda yüksek miktarda oksijene doymamış alt oksit fazları bulunmaktadır ve bunlar da filmin geçirgenliğini ve iletkenliğini azaltmaktadır. Tavlama işlemi ile film yapısında kristallenme meydana gelmekte, yapısal hatalar azalmakta, amorf yapıda zayıf bağlı indiyum-oksijen bağlarının kırılması sonucu ilave oksijen boşlukları oluşmakta ve bunların sonucunda taşıyıcı yoğunluğu ve taşıyıcı hareketliliği artmaktadır. Ayrıca tavlama işlemi sonucu gerçekleşen tane büyümesi ile optik saçılmalara yol açarak filmin geçirgenliğini azaltan tane sınırlarının miktarı azalmakta ve bunun sonucu filmin optik özellikleri gelişmektedir. Bunlara ek olarak, tavlama ile film yapısındaki kararsız oksit fazlarının stokiyometrik oranda oksidasyonu gerçekleşmekte; filmin geçirgenliği ve iletkenliği artmaktadır. Bu çalışmada öncelikle dc magnetron sıçratma tekniğiyle oksijensiz ortamda ITO filmler biriktirilmiştir. Filmlere çeşitli sıcaklık ve süre koşullarında tavlama işlemleri yapıldığında, film geçirgenliği önemli oranda artmakta ve yüzey direnci hızla azalmaktadır. En ideal geçirgenlik-direnç kombinasyonuna, 300 ºC sıcaklıkta 140 dakika süreyle yapılan tavlama işlemi sonucunda ulaşılmıştır. Filmin %84 geçirgenliğe ve 16 ohm/kare yüzey direncine sahip olduğu belirlenmiştir.

Indium tin oxide (ITO) films deposited in room temperature have amorphous structure. These films do not have any crystal structure. They have large amount of structural defects. In amorphous ITO, Sn+4 does not substitute for In+3, so that too low free carrier density and mobility can be obtained. Optical band gap (Eg) is also at low level which means low optical transmittance. Furthermore, the film structure contains a huge amount of sub-oxide phases which decrease the transparency and conductivity of the film. Film crystallization takes place after a post-annealing process, so that structural defects decrease. As the result of the relaxation of distorted In-O bonds in the amorphous phase, the creation of oxygen vacancies which increase the carrier density and the carrier mobility occur. In addition, grain growth which takes place during post-annealing leads to decrease the number of grain boundaries; thus the optical properties of the film improve. Moreover, stochiometric oxidation of unstable oxide phases in the film happens by annealing process which causes an increase on film transparency and conductivity. In this study, ITO films are deposited without using oxygen atmosphere by dc magnetron sputerring technique. These films are annealed under various temperatures and durations after deposition. After annealing processes, film transmission in the visible region considerably increases and the film resistivity rapidly decreases. Ideal combination of transmittance and resistivity is obtained for the film annealed at 300 ºC and 140 minutes conditions. The film has got 84% transmittance in the visible region and 16 ohm/square surface resistivity.