パルスレーザー堆積によって堆積されたNbドープSrSnO3エピタキシャル膜の電気的および光学的特性

背景

透明導電性酸化物（TCO）は、電気抵抗率が低く、光学的透明度が高い優れた材料です。 2つの重要な機能の組み合わせにより、TCOは、 pn などのオプトエレクトロニクスデバイスの幅広いアプリケーションに適した重要な材料になります。 接合部、電界効果トランジスタ、および太陽電池[1,2,3,4,5,6,7]。典型的なTCO材料として、SnドープIn ₂ O ₃ 可視スペクトル領域で90％以上の高い透過率と1×10 ⁴ の優れた導電率により、広く使用されています。 S / cm [8]。 AlドープZnO [9、10]およびSbドープSnO ₂ を含む他のよく知られたTCO [11]も興味深いです。これらのかなり高性能な導電特性は、伝導帯が非局在化した金属 s で構成されている特殊な電子構造と相関しています。 軌道、低電子有効質量と高分散につながります。特定の材料では、有効質量が低く、分散が大きいと、導電率が高くなる可能性があります。ただし、これらの二元酸化物には、熱的および化学的不安定性などの独自の制限があり、酸化物電子アプリケーションの動作に劣化の問題が発生します。したがって、二元酸化物の弱点を補うために満足のいく性能を備えた代替材料を見つけるための多くの努力があります。ペロブスカイト構造の材料は、超伝導[12]、多鉄性[13]、超巨大磁気抵抗[14]などの優れた物理的特性を示すことが発見されています。従来のバイナリTCOと比較して、構造安定性が高く、化学修飾の柔軟性が高いため、物理的特性が向上したり、新しい機能の実現に貢献したりする可能性があります。

アルカリ土類スズ酸塩 A SnO ₃ （ A =Ca、Sr、およびBa）は、それらの興味深い誘電特性と、熱的に安定したコンデンサなどの用途のために非常に興味深いものです[15、16、17]。最近、これらのペロブスカイトは、高い光学的透明性と高いキャリア移動度という独自の特徴に基づく新しいTCOフィルムとしても大きな注目を集めています[18、19、20、21、22]。それらの価電子帯は主にO2 p で構成されています 軌道と伝導帯は主にSn5 s によってもたらされます フェルミ準位より上に位置する軌道で、バンドギャップが広くなっています[23]。電子の有効質量が小さいため、 A の電気伝導率は良好です。 SnO ₃ 反結合性 s で伝導帯のエッジを与えるSnのサイズが大きいことに起因する可能性があります 文字[23]。 A の中で SnO ₃ 、SrSnO ₃ （SSO）は、4.1 eVのバンドギャップで半導体の振る舞いを示し、格子定数が a の斜方晶構造を持っています。 =5.708Å、 b =5.703Å、および c =8.065Å[24]。純粋なSSOフィルムは導電性ではありません。 SSO膜の導電性をさらに向上させるために、SrサイトのLa [25]やSnサイトのTa [26]など、AサイトまたはBサイトを置き換えることによってSSOフィルムをドープしてキャリアを生成する多くの元素が選択されています。適切なドーピング元素と適切なドーパント濃度を選択することは、高性能のTCO膜と、最適化された成長条件を得るために重要です。高原子価状態のNb ⁵⁺ の恩恵を受けて、材料システムでより多くのキャリアが生成される傾向があるため、Nb元素はTCO膜の一部を置き換えるために採用されることがよくあります。 陽イオン。実際、Nbイオンを導入することによって生成される高密度のキャリアは、実験および第一原理計算の結果に従って実証されています。たとえば、NbをドープしたTiO ₂ フィルムは、2×10 ^-4 という低い室温抵​​抗率を示しました。 Ωcm[27]、およびNbドープZnO膜は、8.95×10 ^-4 の最低抵抗率を示しました。 Ωcm[28]。固有の物理学と基礎科学の観点から、Nb ⁵⁺ のイオン半径が類似しているためにSnイオンがNbに置換されるため、NbドナーはSSOの伝導帯に1つの電子を提供します。 （0.64Å）およびSn ⁴⁺ （0.69Å）、電子ドープSSOフィルムの導電率が向上します。一方、TCO膜の物理的特性は、膜成長中のさまざまな堆積酸素圧力と温度の下でも調整できます。 BaSnO ₃ の輸送性能 （BSO）[29]、LaNiO ₃ [30]、およびSrTiO ₃ 膜[31]、およびGdドープZnO膜の磁気的挙動[32、33]は、酸素圧に対して感度を示すことが以前に報告されました。 LaドープSSO膜とNdドープBSO膜も、電気的特性と堆積温度の間に顕著な相関関係を示しました[20、34]。物理的性能をより適切に制御し、調査用の高品質の薄膜を取得するには、これらの重要な堆積条件が薄膜に与える影響を研究することが非常に重要です。ただし、以前のレポートでは、SSO薄膜の構造的、光学的、および電気的特性に対する酸素圧と基板温度の影響については非常に限られています。したがって、この作業のこの側面に焦点を当てます。一連のNbドープSSOフィルムは、パルスレーザー堆積（PLD）によって製造されました。フィルムの透過率測定に影響を与えないように、LaAlO ₃ 5.5 eVの広いバンドギャップを持つ単結晶基板を使用して、薄膜を堆積しました。成長中の酸素圧は1×10 ^-3 から変化します 〜20 Pa、基板温度は660〜820°C。フィルムの構造、電気的、光学的特性を詳細に調査しました。

メソッド

Sr（Sn _0.95 Nb _0.05 ）O ₃ （SSNO）ターゲットは、高純度のSrCO ₃ を使用した固相反応によって製造されました。 、SnO ₂ 、およびNb ₂ O ₅ 最終焼結温度を1520℃で10時間維持した原料として。 LaAlO ₃ 上に2つのグループのエピタキシャルSSNO薄膜（AおよびB）を成長させました。 （001）[LAO（001）] 248nmのKrFエキシマレーザーを使用して3Hzの繰り返し率でSSNOターゲットをアブレーションするPLDによる基板。ターゲットの回転面のレーザーエネルギー密度は約1.8J / cm ² でした。 、および基板からターゲットまでの距離は55mmに保たれました。グループAのサンプルは、最初に、酸素圧を1×10 ^-3 から変化させて抵抗率を最適化するために準備されました。 基板温度を780°Cで一定に保ちながら、20Paまで。次に、最適化された酸素圧に基づいて、グループBの膜を660〜820°Cのさまざまな基板温度で堆積し、最適な成長条件をさらに調査しました。純酸素を流す前は、チャンバーのベース圧力は1×10 ^-4 でした。 Pa。堆積後、すべての膜をその場で15分間アニールした後、同じ酸素環境で冷却しました。フィルム構造は、Cu K αを使用した回折計EmpyreanPANalyticalからの高解像度X線回折（XRD）を使用して特徴付けられました。 ₁ ソース（λ =1.5406Å）。面内および面外回折2 θ -ω スキャンとφ エピタキシャル成長を決定するためにスキャンを実行した。 ω フィルムの結晶化度を確認するためにスキャンを実行し、逆格子空間マッピング（RSM）を使用してひずみ状態を調査しました。膜の成長速度はX線反射率を使用して推定され、各堆積膜の厚さは230nmに制御されました。 X線光電子分光法（XPS、Thermo、escalab 250XI）を使用して、元素の原子価状態を分析しました。ホール効果測定は、EcopiaHMS-3000システムでファンデルパウジオメトリを使用して室温で実行されました。フィルムの抵抗率の温度依存性の曲線は、Keithley 2400ソースメーターを使用した標準的な4端子法を使用して、300〜30Kの温度範囲で得られました。 200〜1800 nmの波長範囲の光透過率は、UV-vis分光計（Lambda 950、Perkin Elmer、USA）によって測定されました。

結果と考察

図1aおよびbは、2 θを示しています。 -ω それぞれ（002）および（101）方向に沿ってLAO（001）単結晶基板上に成長したさまざまな酸素圧でのSSNO膜の線形スキャン。基板温度を780°Cに保ち、グループAのフィルムを1×10 ^-3 で製造しました。 、0.03、0.2、5、および20Pa。 （002）と（101）の反射ピークのみが観察され、フィルムに他の不純物相がないことを示しています。それは、広範囲のXRD 2 θによってさらに証明することができます。 -ω 図S1に示すように、代表として20Paおよび780°Cで作成されたフィルムのスキャン。構造特性に対するNbドーパントの影響を調査するために、同じ成長条件でのSSO膜のXRD結果も図S1に示します。 （00 l ）SSNOフィルムのピークはより高い2 θに移動します SSOフィルムの角度と比較した角度。これは、Nb ⁵⁺ のイオン半径の違いに起因する可能性があります。 （0.64Å）およびSn ⁴⁺ （0.69Å）。グループAの堆積酸素圧が低下すると、回折ピークはより低い2 θに移動します。 角度が徐々に大きくなり、格子定数とセルの体積が増加します。図1cは、グループAのSSNOフィルムの（002）ピークから得られたロッキングカーブを示しています。酸素圧の関数としての半値全幅（FWHM）を図1cの挿入図に示します。酸素圧が1×10 ^-3 から増加するにつれて 20 Paに達すると、FWHM値は1.08°から0.17°に減少します。これは、20Paで作成されたフィルムが最高の結晶化度を持っていることを示しています。 SSNO膜の核形成、結晶化、および成長には、より多くの酸素が有益であることに注意してください。同様の現象が、酸素欠乏SSOフィルムとZnOフィルムで報告されています[35、36]。図1dおよびeは、他の位相なしで（002）および（101）反射に沿って配向されたグループBのSSNOフィルムを示しています。これらのサンプルは、基板温度660、700、740、780、および820°Cで0.2Paで堆積されました。 XRD φ 回折面を​​ψとして設定することにより、LAO基板に関するSSNOフィルムの面内配向を調査するためにスキャンが実行されました。 =45°。図1fに示すように、隣接する2つのピーク間に90°の間隔で780°Cおよび0.2 Paで製造された膜の4倍の反射ピークが、LAO基板と同じ角度で発生し、SSNO膜がエピタキシャル成長したことを示しています。キューブオンキューブ配向のLAO（001）基板上。

XRD2 θ -ω a に沿ったLAO（001）基板上のSSNOフィルムのスキャンパターン （002）および b （101）異なる酸素圧での配向。 c XRD ω -フィルムの（002）ピークで取られたロッキングカーブ。挿入図は、酸素圧を1×10 ^-3 から変化させた場合のFWHMの結果を示しています。 20Paまで。 d および e 2 θです -ω それぞれ（002）面と（101）面に沿ったさまざまな基板温度でのフィルムのスキャン。 f φ 0.2 Paおよび780°Cで堆積されたSSNO膜と、（101）反射の周りのLAO基板のスキャン

さまざまな酸素圧下で堆積された膜の面内および面外の格子定数は、図1aおよびbの（002）および（101）回折ピークを使用して計算できます。図2aに示すように、セルの体積と格子定数は、酸素圧が1×10 ^-3 から増加するにつれて同じ減少傾向を示します。 これらの堆積サンプルの3つのパラメータの計算値を表1に示します。堆積酸素圧による格子定数の変化は、他の酸素欠乏ペロブスカイト膜でも観察されており[29、35]、酸素空孔の存在に起因します。実際、AカチオンとBカチオン（この場合はSrとSnまたはNb）の間に強いクーロン反発が存在し、この相互作用は、高密度の正に帯電した酸素空孔によって強化されます[29、37]。堆積酸素圧を下げると、面内格子定数は面外格子定数よりも変化が少なくなります。これは、膜の成長プロセスに関連しています。同様の現象は、酸素欠乏BSOフィルムにも見られます[29]。図2bは、さまざまな酸素圧のフィルムから得られた非対称（\（\ overline {1} \）03）反射のRSM結果を示しています。 SSNOフィルムとLAO基板からの回折スポットのみを観察できます。フィルムと基板の間のかなりの格子不整合のために、フィルムがほぼ完全に緩和されていることがはっきりとわかる。格子不整合の値は、酸素圧を20から1×10 ^-3 まで変化させた場合、7.04、7.07、7.12、7.13、7.15％と評価されます。 Pa。一方、フィルムのスポットと基板の間の距離が大きくなり、SSNOフィルムの格子定数が大きくなることを意味します。さらに、酸素圧を下げることにより、SSNO膜の反射スポットは分散し、強度が弱くなります。これは、XRD ωから収集された結果とよく一致しています。 -上記のロッキングカーブ。格子定数 a 、 b 、および c SSNOフィルムまたはLAO基板の割合は、 Q を使用して推定することもできます。 _x ^* および Q _y ^* 値（ a =b = −λ / 2 Q _x ^* および c = 3 λ/ 2 Q _y ^* ）。 RSMから計算された格子定数は2 θからの格子定数と一致していることがわかります。 -ω 線形スキャン。さまざまな基板温度で0.2Paで堆積された膜の（\（\ overline {1} \）03）面でのRSMの結果も図S2に示されています。フィルムスポットはほぼ同じ位置で観察され、これらのフィルムの格子定数が類似していることを示しています。

a 酸素圧を1×10 ^-3 から増加させた場合の、面内および面外の格子定数とセル体積の変化 20Paまで。 b SSNO / LAOヘテロ構造から収集された（1̅03）反射のXRDRSM

図3に示すように、XPSを使用して、さまざまな酸素圧下で780°Cで成長させた膜の化学元素の原子価状態を調査しました。すべての結合エネルギーは、C 1 s を較正することによって修正されました。 284.6eVでピーク。図3aは、Sr 3 d のダブレットを示しています。 調査したすべてのサンプルで、ピーク分離が1.8eVのスペクトル。 135.05±0.10eVおよび133.25±0.10eVの結合エネルギーをSr3 d に割り当てることができます。 _3/2 およびSr3 d _5/2 それぞれ、Sr ²⁺ を示す線 堆積膜中のイオン[38]。 Sn 3 d のXPSデータ 状態を図3bに示します。 NISTデータベースに基づいて、Sn 3 d の結合エネルギー _5/2 Sn ⁰ で 、Sn ²⁺ 、およびSn ⁴⁺ 州はそれぞれおよそ485.0、485.9、および486.6eVに位置しています。 20、5、および0.2 Paで調製されたサンプルの場合、Sn 3 d の2つのライン _3/2 およびSn3 d _5/2 は、スピン軌道相互作用が8.4eVで494.68と486.27eVに位置することがわかり、Sn ⁴⁺ のみを示唆しています。 これらの映画の状態。ただし、酸素圧を1×10 ^-3 に下げると Pa、Sn 3 d ピークは、494.59および486.18 eVの位置で、より低い結合エネルギーに向かってわずかにシフトし、Sn ⁴⁺ からの部分的な変換を示しています。 Sn ²⁺ へ 。この結果は、Sn ²⁺ のイオン半径としてのサンプルの格子定数の有意な変化を説明するのにも役立ちます。 （1.12Å）はSn ⁴⁺ よりも大きい （0.69Å）、結果として、格子の拡大に対する促進効果。 Snの同様の原子価遷移現象は、TaドープSSO膜[26]およびLaドープBSO膜[39]でも観察できます。図3cは、Nb 3 d を示しています。 ダブレットのあるスペクトルは、Nb 3 d からの遷移に対応します。 _3/2 およびNb3 d _5/2 2.7eVで区切られています。 Nb 3 d の結合エネルギーがわかります。 _3/2 およびNb3 d _5/2 0.2〜20 Paのサンプルでは約210.10および207.40eVで表示されますが、1×10 ^-3 では209.77および207.07eVに減少します。 Pa。この結果は、NbイオンがSSNOフィルムで+5状態で提示されていることを確認しています[40、41、42]。 Nb 3 d の結合エネルギーのわずかな減少 高真空下で調製されたサンプルのシグナルは、Nbイオン周辺の化学環境の変化が原因である可能性があります。図3dは、非対称O 1 s を示しています。 SSNOフィルムの信号。すべてのデータは、ガウス-ローレンツ関数を使用して3つの混合曲線に分割できます。 529.94±0.15eVの最低結合エネルギーにある1つのピークは格子酸素に対応し、531.48±0.15eVと532.50±0.15eVのより高い結合エネルギーを持つ他の2つのピークはO ^{2-> それぞれ酸素空孔領域と緩く結合した酸素に位置するイオン[29、43]。低、中、高結合エネルギーのピークの下にある積分領域は、O _A として示されます。 、O _B 、およびO _C 。次に、[O _B を計算することにより、各フィルムの相対酸素空孔濃度を定量化します。 /（O _A + O _B ）]。図3dのデータから得られたこの比率の値は、酸素圧を1×10 -3 から増加させた場合、47.5、19.8、16.0、および15.1％です。 20 Paまで。これは、SSNO膜の酸素圧が低下すると、酸素空孔の濃度が徐々に増加することを示しています。}

（ a のXPSスペクトル ）Sr 3 d 、（ b ）Sn 3 d 、（ c ）Nb 3 d 、および（ d ）O 1 s さまざまな酸素圧のSSNOフィルムから得られた

SSNO膜の輸送特性に対する酸素圧と堆積温度の影響を理解するために、ホール効果測定を実行してキャリア濃度（ n ）、ホールモビリティ（μ ）、および電気抵抗率（ρ ）図4に示すように室温で。1×10 ^-3 のサンプル Paは約100MΩの高い抵抗率を持っていると測定され（図示せず）、他のフィルムはすべて n を示しました -タイプの伝導。図4aからわかるように、キャリア濃度は6.03×10 ¹⁹ に増加します。 / cm ³ 酸素圧を20から0.2Paに下げます。SSNO膜の主要な電荷キャリアとしての電子は、酸素空孔とSnサイトのNbによる置換の両方からのイオン化によって生成されます。 Nb濃度は、Nb 3 d の下の面積を比較することにより、XPS測定から推定できます。 およびSn3 d ピークと感度係数による補正。 Nb /（Sn + Nb）の原子比は、0.2、5、および20 Paで成長した膜の場合、それぞれ0.061、0.064、および0.071と計算されます。酸素圧の増加に伴うこのドーパント濃度の増加は、GdをドープしたZnO薄膜でも見られます[44]。計算されたNb濃度は、SSNOフィルムの公称ドーピング含有量よりもわずかに大きくなっています。これは、半定量的なXPS分析が原因である可能性があります。一方、酸素圧を0.2 Paに下げると、XPSの結果からわかるように、相対的な酸素空孔濃度は徐々に増加します。したがって、酸素空孔の数の増加によって提供されるより多くのキャリア、およびドーピング濃度の変動は、より高いキャリア濃度の原因を説明する可能性があります。酸素圧の変化に伴う（002）ピークのピーク位置のシフトも、ドーパント濃度の偏差に関連している可能性があることに注意する必要があります。電子移動度は、キャリア濃度の同じ傾向で変化し、3.31 cm ² の最大値を示します。 / Vs at 0.2 Pa。酸素圧の増加に伴う移動度の低下は、フェルミ準位がギャップの中心に向かってシフトすることに起因し、伝導帯の端の下にある散乱中心の効果が高まります[45]。 ρの関係を考慮して =1 / neμ （ここで e は電子電荷です）、0.2 Paで観察された31.3mΩcmの最低の室温抵抗率は、この堆積酸素圧での最大のキャリア濃度と電子移動度の結果です。ただし、酸素圧を0.03 Paに下げると、1×10 ^-3 になります。 Pa、かなりの酸素欠陥がSSNO膜で生成されます。これは、無秩序な構造、結晶化度の低さ（図1cの挿入図を参照）を持ち、電子の局在化に有利です[46]。さらに、XPS分析は、Sn ²⁺ の電荷不均化を示しています。 およびSn ⁴⁺ 1×10 ^-3 のサンプルで Paは、キャリア濃度の増加をさらにブロックし、導電率を抑制します[41]。その結果、輸送性能の大幅な低下は、1×10 ^-3 のサンプルから得られます。 Pa。同様の変動傾向がZnO膜[47]およびBSO膜[48]でも観察されています。さらに、堆積酸素圧力を0.2 Paに設定して、図4bに示すように、膜の導電性能の基板温度への依存性を調査しました。明らかに、キャリア密度は、温度が660から780°Cに上昇するにつれて最初は徐々に増加し、6.03×10 ¹⁹ の値で780°Cに堆積したサンプルで最大値に達します。 / cm ³ 。抵抗率はキャリア濃度とは逆の傾向を示し、これらのフィルムの導電率は主にキャリア濃度によって決定されることを示しています。 31.3mΩcmの最低の室温抵抗率は780°Cで得られます。ホールの移動度は、抵抗率とほぼ同じ堆積温度の関係があることが観察されています。したがって、SSNO膜の導電率は基板温度によっても調整できることがわかります。

（ a の関数としてのSSNOフィルムの抵抗率、キャリア濃度、および移動度 ）酸素圧20〜0.03 Paおよび（ b ）室温で測定した660〜820°Cの基板温度

図5aおよびbは、30〜300Kの温度範囲内でさまざまな条件下で成長したSSNO膜の温度依存抵抗率曲線を示しています。0.03Paで堆積した膜の場合、抵抗率は温度の低下とともに増加します（dρ / dT <0）、これは半導体挙動の特徴です。伝導メカニズムを理解するために、温度依存抵抗率の詳細な分析を実施しました。図5aの下の挿入図に示すように、In ρの間には線形関係が存在します。 および T ^-1/4 、可変範囲ホッピングが支配的な伝導メカニズムであることを示唆している[49]。基板温度780°Cで0.2Paで堆積された膜のみが、157 Kで金属-半導体遷移（MST）を示すことがわかります。MST温度を超える金属挙動は、縮退バンドの形成に起因する可能性があります。システムに導入された高密度のキャリアに対して、低温での半導体の振る舞いは、無秩序による電子の局在化によって説明することができます[50、51]。同様のMST動​​作は、TaドープSSO [26]および酸素欠乏BSOフィルム[29]でも見られます。このフィルムの輸送メカニズムの詳細については、電子フェルミ波長λの場合に、無秩序物質の伝導率のモデルを使用できます。 _F =[2 π /（3 π ² n ） ^1/3 ]と平均自由行程 l =（ h / ρne ² λ _F ）同等になる[50、52、53]。低温では、λ _F および l 同等であると推定されます。したがって、抵抗率の半古典的ボルツマン方程式は、次の関係[54,55,56]で説明されているように、実験データに適合するように考慮されます。

さまざまな酸素圧（ a ）で成長したSSNO膜の抵抗率の温度依存性 ）およびさまざまな基板温度（ b ）。 a の上部の挿入図 は、ρとIn T の対応する線形フィットの結果を示しています。 、下の挿入図In ρ および T ^-1/4 。 b のはめ込み ρ間の線形関係でもあります およびIn T

ここで、σ ₀ は残留導電率、 a ₁ T 項は弱い局在化に対応し、 a ₂ T ^1/2 e について説明します ⁻ - e ⁻ 3D映画の相互作用。用語 bT ² 高温での散乱の寄与についての詳細な説明のために含まれています。図5aの実験データを通る濃い灰色の実線は、式（1）がρの優れたフィッティング結果を与えることを示しています。 （ T ）。フィッティング結果の値はσです。 ₀ =28.0mΩ ^-1 cm ^-1 、 a ₁ =−0.02mΩ ⁻¹ cm ^-1 K ^-1 、 a ₂ =0.65mΩ ^-1 cm ^-1 K ^−1/2 、および b =9.19×10 ⁻⁹ mΩcmK ⁻² 、 それぞれ。 a のように、電子間の相互作用が主に低温での抵抗率への寄与に関与していると結論付けることができます。 ₁ a よりはるかに小さい ₂ 。酸素圧を5および20Paに上げると、SSNO膜の抵抗値は徐々に増加し、測定された温度範囲全体で半導体の挙動が支配的になります。図5aの上の挿入図に示されているように、ρの良好な線形関係 - T 2つのサンプルの曲線を観察できます。これは、対応するメカニズムが2次元の弱い局在化[57]であることを示しています。これは、システムの欠陥に対する伝導電子の量子干渉によって本質的に引き起こされます。一部の電子伝導経路での非弾性散乱を考慮すると、干渉効果は t でのみ存在します。 < t ₁ t の特定の点から1つの電子が拡散し始めたとき =0。ここでは、 t ₁ 非弾性散乱時間です。図5bのさまざまな基板温度のサンプルはすべて、30〜300°Kの温度範囲で半導体の動作を示します。温度依存の抵抗率は、最初は660〜780°Cに低下し、次に820°Cに上昇することがはっきりとわかります。酸素圧は0.2Paに固定されています。図5bの挿入図に示すように、ρ間の線形関係 およびIn T 660、700、740、および820°Cのサンプルの場合も、弱い局在化メカニズムを示しています[58、59]。

1×10 ^-3 で堆積されたSSNO膜の、200〜1800nmの波長範囲の透過スペクトル -20Paと660-820°Cでそれぞれ図6aとbに示されています。基板が部分的な光を吸収する可能性はありますが、さまざまな酸素圧と堆積温度でのフィルムの光学的透明度は、600〜1800nmのスペクトル範囲で70％以上です。フィルムは、太陽電池でのTCOアプリケーションに必要な近赤外領域まで高い透過率を示します。この特性は、ほとんどのTCOフィルムの吸収による近赤外領域の透過率の低下とは異なります[20、60]。さらに、それらはまた、近紫外線領域にある基本的な吸収端を有することが観察されている。図6aから、780°Cで堆積したSSNO膜の吸収端は、酸素圧が20から1×10 ^-3 に低下すると、より短い波長にシフトすることがわかります。 挿入図でより明確に示されているように、Pa。しかし、酸素圧を0.2 Paに固定すると、図6bに示すように、さまざまな基板温度で成長した膜の吸収端がほぼ重なり、堆積温度がSSNO膜の光学特性を明らかに変調しないことを示しています。バンドギャップ E _g フィルムの数は、次の式から推定できます。

（ a で製造されたSSNOフィルムの光透過率 ）異なる酸素圧と（ b ）200〜1800nmの波長範囲で異なる基板温度。 （αのプロット h ν ） ^1/2 対 h ν および（αh ν ） ² 対 h ν さまざまな酸素圧のフィルムの場合をそれぞれ図6cとdに示します。図6dの挿入図は、酸素圧を1×10 ^-3 から変化させることによる直接的および間接的なバンドギャップエネルギーの変化を示しています。 〜20 Pa

ここでα 吸収係数hνを表します は光子エネルギー、 n =間接バンドギャップの場合は1/2、直接バンドギャップの場合は2、 A は電子正孔移動度に関連する定数であり、 E _g は伝導帯の下部と価電子帯の上部の間の分離です。ここで、α αの関係を使用して計算できます =（1 / d ）In（1 / T ）、ここで d 膜厚と T を表します は透過率です。図6cおよびdは、（αhνのプロットを示しています。 ） ^1/2 および（αhν ） ² 対hν それぞれ異なる酸素圧で780°Cで堆積されたサンプルの場合。バンドギャップは、曲線の線形部分をαに外挿することで取得できます。 =0。重要なことに、バンドギャップは、図6dの挿入図に示されているように、酸素圧が間接ギャップの場合は4.35から4.90 eVに、直接ギャップの場合は4.82から5.29eVに減少するにつれて増加すると評価されます。酸素圧を20から0.2Paまで変化させると、キャリア濃度の増加に伴うSSNO膜のバンドギャップの広がりは、 n の伝導帯のフェルミ準位の上昇に関連します。 Burstein-Moss効果と呼ばれるタイプの半導体[61、62]。伝導帯の低エネルギー準位は伝導電子によって満たされるため、より高いエネルギーの光子のみが吸収され、バンドギャップが拡大します[63]。より低い酸素圧で堆積されたサンプルの場合、バンドギャップがさらに増加するのは、この膜にかなりの酸素空孔が生成されるためです[35]。

結論

要約すると、エピタキシャルNbドープSrSnO ₃ 異なる酸素圧と基板温度下の薄膜は、PLDを使用してLAO（001）基板上に製造されました。フィルム構造は、2 θを含む高解像度X線回折を使用して詳細に特徴付けられました。 -ω スキャン、φ スキャン、ω ロッキングカーブ、およびRSMをスキャンします。 XPS分析により、Nb ⁵⁺ SSNOフィルムに存在します。ホール効果測定が実行され、0.2 Paおよび780°Cで堆積されたサンプルは、3.31 cm ² の移動度で、31.3mΩcmの最低の室温抵抗率を持っています。 / Vsおよびキャリア濃度6.03×10 ¹⁹ / cm ³ 。この膜の温度依存抵抗率は、金属-半導体遷移を示しています。これは、電子-電子相互作用に基づいて説明されています。ただし、他の条件で成長した膜はすべて半導体挙動を示し、可変範囲ホッピングまたは2次元の弱い局在化モデルを使用して分析できます。 600〜1800 nmの波長範囲で、フィルムの70％を超える高い光透過率が観察されます。酸素圧が異なるフィルムの場合、バンドギャップの変動はバースタイン-モスシフトと酸素空孔に起因します。 SSNO膜は、酸素蒸着圧力を変えるだけで、絶縁体と導体の間で柔軟に調整できます。このような特性は、電界効果トランジスタや、絶縁誘電体電極と導電性電極の両方で構成されるその他の電子デバイスで使用できます。

データと資料の可用性

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略語

TCO：

透明導電性酸化物

MST：

金属-半導体転移

FWHM：

半値全幅