Fabricación de heterouniones con un Óxido Conductor Transparente (TCO) y Óxido de Silicio
fuera de estequiometría (SRO)
Por
Marco Polo González Arroyo
Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de
MAESTRO EN CIENCIAS EN LA ESPECIALIDAD
DE ELECTRÓNICA
en el
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y
Electrónica Tonantzintla, Puebla
Agosto 2015
Supervisada por:
Dr. Mariano Aceves Mijares INAOE
Dr. Marco Antonio Vásquez Agustín INAOE
©INAOE 2015 Derechos Reservados
El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en
partes.
A mis padres,
Marco Polo González Lagunes y Guadalupe Arroyo Llinas.
Agradecimientos
Dr. Mariano Aceves Mijares
I.N.A.O.E.
Dr. Marco Antonio Vásquez Agustín
I.N.A.O.E.
M.C. Jesús Alarcón Salazar
I.N.A.O.E.
Personal de Apoyo del Laboratorio de Microelectrónica
I.N.A.O.E.
Dr. Ciro Falcony Guajardo
Departamento de Física del CINVESTAV
Técnico Zacarías Rivera
Departamento de Física del CINVESTAV
Dr. Ramón Peña Sierra
Departamento de Electrónica del Estado Sólido del CINVESTAV
Técnico Miguel Galván Arellano
Departamento de Electrónica del Estado Sólido del CINVESTAV
i
Resumen
En este trabajo se presenta el proceso de fabricación y caracterización de una
heterounión obtenida al depositar una película de un óxido conductor transparente
(TCO) sobre una película de óxido de silicio rico en silicio (SRO). Como TCO se
propuso usar una película de óxido de indio impurificado con zinc (IZO) u óxido de
zinc impurificado con aluminio (AZO).
Como primera etapa, se presentan los resultados de la caracterización de
películas IZO y AZO depositadas sobre sustratos de vidrio Corning mediante la técnica
de depósito RF Magnetrón Sputtering. El depósito de películas IZO se realizó usando
un blanco cerámico de IZO (In2O3:ZnO, 90:10 wt% de Kurt J. Lesker) en ambiente de
argón a temperatura ambiente. La caracterización eléctrica, óptica, estructural y
morfológica de estas películas se realizó mediante mediciones de 4 Puntas, Efecto Hall,
Transmitancia, Fotoluminiscencia, Difracción de Rayos X (XRD) y Microscopio de
Fuerza Atómica (AFM). El estudio de las películas se realizó en función de los
parámetros de depósito como potencia, presión, tiempo, flujo de oxígeno durante el
depósito y tratamientos térmicos post-depósito. Como resultado, se puede mencionar
que se encontraron las condiciones de depósito de películas IZO que permiten obtener
una resistividad del orden de 10-4 Ω-cm y un porcentaje de transmitancia máxima de
90% en la región visible. Además por mediciones de AFM, se encontró que estas
películas poseen rugosidades menores a 5 nm. De la caracterización por XRD se
encontró que las películas son amorfas al depositarlas a temperatura ambiente, pero
se vuelven cristalinas al ser sometidas a un tratamiento térmico a 450 °C
observándose además un incremento en la resistividad. De manera similar, el depósito
de películas AZO se realizó usando un blanco cerámico de AZO (ZnO:Al2O3 98:2 wt%
de Kurt J. Lesker) en ambiente de argón a temperatura ambiente. Sin embargo, las
condiciones de depósito y algunos resultados obtenidos de la caracterización de estas
películas se presentan en un apéndice debido a que no se obtuvieron las propiedades
eléctricas esperadas para la fabricación de la heterounión AZO/SRO/Si/Al.
ii
Como segunda etapa, partiendo de estudios realizados a películas de óxido de
silicio no estequiométrico reportados en la literatura por el grupo de
Microelectrónica, se decidió usar una película de SRO-30 que tiene un exceso de silicio
del 5% aproximadamente por sus excelentes propiedades fotoluminiscentes. Estas
películas se depositaron por LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) donde
el silano y el óxido nitroso fueron usados como gases de reacción. Posterior al
depósito, las películas fueron sometidas a un tratamiento térmico a 1100°C por 180
minutos en ambiente de nitrógeno con el objetivo de mejorar sus propiedades
fotoluminiscentes. Los resultados anteriores permitieron proponer una película de
espesor adecuado para la fabricación de la heterounión.
Por último, considerando las propiedades de las películas IZO y SRO (obtenido
de las etapas previas), se fabricó la heterounión IZO/SRO/Si/Al. De esta heterounión
se estudiaron sus características eléctricas y fotoluminescentes. La caracterización
eléctrica se realizó por mediciones de corriente contra voltaje (I-V) y capacitancia
contra voltaje (C-V). La caracterización óptica se realizó por mediciones de
Fotoluminiscencia. De las mediciones de I-V, se encontró que la estructura atrapa
carga eléctrica al ser polarizada con voltaje positivo observándose un corrimiento de
la curva en el cruce por 0 amperes. El análisis de estas curvas mostró que hay tres
regiones de conducción eléctrica para una curva sin atrapamiento de carga y dos
regiones de conducción para una curva con atrapamiento de carga. La caracterización
eléctrica por C-V mostró que la heterounión atrapa carga al ser polarizada
eléctricamente tanto con voltaje positivo como negativo observándose histéresis en
las curvas. La caracterización óptica por Fotoluminiscencia mostró que la película de
SRO puede ser parcialmente excitada a 330 nm debido a que la película IZO permite el
paso de cierto porcentaje de esta longitud de onda. La curva de emisión mostró que
hay una disminución en la intensidad fotoluminiscente de la heterounión entre los
400 y 460 nm debido a que el porcentaje de transmitancia de la película IZO se reduce
por efecto del tratamiento térmico a 250°C. Además se observa la aparición de la
emisión del SRO a los 710 nm en la heterounión con película IZO delgada.
iii
Í n d i c e G e n e r a l
Capítulo 1. Introducción. ....................................................................................................... 1
1.1.- Motivación. ................................................................................................................... 2
1.2.- Objetivos........................................................................................................................ 3
1.3.- Organización del Trabajo. ........................................................................................ 3
Capítulo 2. Marco Teórico ..................................................................................................... 5
2.1.- Luminiscencia en silicio cristalino. ........................................................................ 5
2.2.- Propiedades Generales del Óxido de Silicio Rico en Silicio (SRO). ............... 7
2.2.1.- Estructura. ....................................................................................................................................... 7
2.2.2.- Origen de la luminiscencia en el SRO. ............................................................................. 11
2.2.3.- Aplicaciones del Óxido de Silicio Rico en Silicio. ....................................................... 14
2.2.3.1.- Dispositivos Emisores de Luz (LED). ....................................................................... 15
2.3.- Propiedades Generales de los Óxidos Conductores Transparentes. ......... 18
2.4.-Técnicas de Depósito de Óxido de Silicio Rico en Silicio. ............................... 22
2.5.- Técnicas de Depósito de Óxidos Conductores Transparentes. ................... 22
2.6.- Técnicas de Caracterización de Películas y Heterouniones. ........................ 23
2.7.- Heterounión Propuesta: TCO/SRO/Si/Al. ......................................................... 25
Capítulo 3.- Procedimiento Experimental. .................................................................... 26
3.1.- Condiciones de depósito de las películas de SRO. ........................................... 26
3.2.- Condiciones de depósito de las películas de IZO. ............................................ 27
3.3.- Proceso de Fabricación de la Heterounión: IZO/SRO/Si/Al. ........................ 30
3.4.- Condiciones para la caracterización de las películas y heterouniones..... 34
iv
Capítulo 4.- Resultados y Discusión ................................................................................ 37
4.1.- Resultados de la Caracterización de películas de SRO. ................................. 37
a).- Elipsometría. ..................................................................................................................................... 37
b).- Fotoluminiscencia. ......................................................................................................................... 38
4.2.- Resultados de la Caracterización de las películas de IZO. ............................ 39
a).- 4 puntas. .............................................................................................................................................. 39
b).- Efecto Hall .......................................................................................................................................... 45
c).- Transmitancia. .................................................................................................................................. 54
d).- AFM. ...................................................................................................................................................... 61
e).- XRD. ....................................................................................................................................................... 62
4.3.- Caracterización de las Heterouniones fabricadas: IZO/SRO/Si/Al. ........... 65
4.3.1.- Caracterización Óptica. .......................................................................................................... 65
4.3.2.- Caracterización Eléctrica. ..................................................................................................... 68
4.3.2.1.- Mediciones de I-V. ............................................................................................................. 68
4.3.2.2.- Mediciones de C-V. ............................................................................................................ 79
Capítulo 5. Conclusiones y Trabajo Futuro ................................................................... 84
Apéndice A Condiciones de Depósito y Resultados de la Caracterización de
Películas AZO ......................................................................................................................... 87
Apéndice B Proceso de Limpieza de obleas de Silicio ................................................ 95
Apéndice C Proceso de Limpieza de vidrios y cuarzos ............................................... 97
Apéndice D Análisis de Curvas C-V .................................................................................. 98
Referencias .......................................................................................................................... 107
v
Lista de Figuras
Capítulo 2
Figura 2.1 Representación porcentual de la abundancia de elementos químicos en la
corteza terrestre. ............................................................................................................................................... 5
Figura 2.2 Estructura de diamante del silicio cristalino.20 ............................................................ 5
Figura 2.3 Representación del enlace covalente del silicio.20 ...................................................... 6
Figura 2.4 Estructura de bandas de energía del silicio.20 ............................................................... 6
Figura 2.5 Estructura del SRO.27................................................................................................................. 8
Figura 2.6 Esquema de formación de nanocristales de silicio por efecto de tratamiento
térmico.22 ............................................................................................................................................................... 8
Figura 2.7 Diagrama de bandas propuesto por Kalnitsky para SiO2 implantado con Si
bajo la aplicación de campo eléctrico mostrando la distribución de las trampas.28 ...... 10
Figura 2.8 Espectro de Fotoluminiscencia de SRO 10, 20 y 30 (a) sin tratamiento y (b)
con tratamiento térmico a 1100° C en atmosfera de N2.29 ......................................................... 11
Figura 2.9 Esquema del incremento en la banda prohibida de un semiconductor al
disminuir el tamaño de nanocristal y la densidad discreta de estados para el
nanocristal.33 .................................................................................................................................................... 13
Figura 2.10 Estructura del modelo de la región de interfaz Si-nc/SiO2.34 .......................... 14
Figura 2.11 Estructura de un dispositivo tipo MOS emisor de luz con SRO como capa
activa.43 ................................................................................................................................................................ 16
Figura 2.12 Espectro de electroluminiscencia del dispositivo mostrado en la figura
2.11.43 ................................................................................................................................................................... 16
Figura 2.13 a) Estructura de un dispositivo tipo MOS emisor de luz. b) Imagen TEM de
la capa SRO en la que se aprecia la distribución y el tamaño de los nanocristales.8 ...... 17
Figura 2.14 Espectros de electroluminiscencia del dispositivo mostrado en la figura
2.13 con una película de SRO depositado por PECVD a (a) 20W, (b) 30W, (c) 40 W y
(d) 50 W con tratamiento térmico en N2 por 2.5 y 90 minutos.8 ............................................ 17
Figura 2.15 Estructura cristalina de (a) ZnO y (b) In2O3. ............................................................ 20
Figura 2.16 Espectros de transmitancia característicos de películas (a) AZO12 y (b)
IZO57 variando algún parámetro de depósito. .................................................................................. 21
vi
Figura 2.17 Estructura de bandas de (a) ZnO y (b) In2O3.55 ...................................................... 21
Figura 2.18 Clasificación de mecanismos de conducción propuesto por Chen.82 ........... 24
Figura 2.19 Esquema de la heterounión propuesta TCO/SRO/Si/Al. ................................... 25
Capítulo 3
Figura 3.1 Sistema de depósito LPCVD (horno horizontal de pared caliente hecho de
cuarzo de 4.5” de diámetro) del INAOE. .............................................................................................. 27
Figura 3.2 Sistema de control de rotámetros para el sistema LPCVD del INAOE. .......... 27
Figura 3.3 Sistema de depósito RF Magnetrón Sputtering Alcatel A450............................. 28
Figura 3.4 Grabado de película IZO donde se observa (a) la película de SRO en las
calles y (b) medición I-V sobre patrones cuadrados en la película IZO. .............................. 33
Figura 3.5 Heterouniones IZO/SRO/Si/Al. (a) Película IZO condición 1 (60 W, 6 mTorr,
15 min, 0 sccm de O2) y (b) película IZO condición 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de
O2) de depósito. ............................................................................................................................................... 34
Capítulo 4
Figura 4.1 Espectros de emisión fotoluminiscente de películas SRO-30 tratadas
térmicamente a 1100°C por 180 minutos en ambiente de N2 excitadas a 300 nm. ....... 38
Figura 4.2 Resistencia de hoja y espesor de películas IZO en función de la potencia de
depósito............................................................................................................................................................... 40
Figura 4.3 Resistencia de hoja y espesor de películas IZO en función de la presión de
depósito............................................................................................................................................................... 41
Figura 4.4 Resistencia de hoja y espesor de películas IZO en función del tiempo de
depósito............................................................................................................................................................... 42
Figura 4.5 Resistencia de hoja y espesor de películas IZO en función del flujo de
oxígeno durante depósito. .......................................................................................................................... 43
Figura 4.6 Resistencia de hoja de películas IZO en función de la temperatura y tiempo
de tratamiento térmico en ambiente de N2. ...................................................................................... 44
Figura 4.7 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la potencia de
depósito............................................................................................................................................................... 46
Figura 4.8 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la presión de
depósito............................................................................................................................................................... 47
vii
Figura 4.9 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función del tiempo de depósito.
................................................................................................................................................................................. 48
Figura 4.10 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la temperatura y
tiempo de tratamiento térmico. .............................................................................................................. 49
Figura 4.11 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la temperatura y
tiempo de tratamiento térmico. .............................................................................................................. 50
Figura 4.12 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la temperatura y
tiempo de tratamiento térmico. .............................................................................................................. 51
Figura 4.13 Banda prohibida calculada por el modelo Moss-Burstein de películas IZO
en función de la (a) potencia, (b) presión, (c) tiempo de depósito, y temperatura de
tratamiento térmico por (d) 30 minutos y (e) 60 minutos. ....................................................... 53
Figura 4.14 Transmitancia de películas IZO en función de (a) la potencia, (b) la
presión, (c) el tiempo y (d) el flujo de oxígeno durante el depósito. ..................................... 55
Figura 4.15 Transmitancia de películas IZO en función del tiempo de tratamiento
térmico a (a) 125°C, (b) 250°C, (c) 350°C y (d) 450°C. ................................................................ 57
Figura 4.16 Banda prohibida óptica de películas IZO en función de (a) potencia, (b)
presión, (c) tiempo de depósito y temperatura de tratamiento térmico por (d) 30
minutos y (e) 60 minutos. .......................................................................................................................... 59
Figura 4.17 Comportamiento de la rugosidad de películas IZO en función de los
parámetros de depósito. ............................................................................................................................. 61
Figura 4.18 Espectros de XRD de películas IZO en función de la (a) potencia, (b)
presión y (c) tiempo de depósito. ........................................................................................................... 62
Figura 4.19 Espectros de XRD de películas IZO en función de la temperatura de
tratamiento térmico. ..................................................................................................................................... 64
Figura 4.20 Espectro de fotoluminiscencia de la película de SRO-30 con espesor de 80
nm antes y después del tratamiento térmico excitada con longitud de onda de 300 nm.
La gráfica inserta muestra la intensidad luminiscente centrada a 450 nm. ...................... 65
Figura 4.21 Espectros de emisión de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al antes y
después del tratamiento térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2. ............... 66
viii
Figura 4.22 Curvas I-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al tratadas térmicamente a
250°C por 30 minutos en ambiente de N2 y sometidas al proceso de fotolitografía de la
película IZO. ....................................................................................................................................................... 69
Figura 4.23 Curvas I-V de la heterounión con película IZO condición 2 (60 W, 6 mTorr,
15 min, 0 sccm de O2) tratada térmicamente a 250°C por 30 minutos en ambiente de
N2. ........................................................................................................................................................................... 70
Figura 4.24 Característica I-V de la heterounión con IZO con condición de depósito 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2). ..................................................................................................... 71
Figura 4.25 Curva J-V sin atrapamiento de carga de la heterounión con película IZO
con condición de depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) tratada
térmicamente a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2 obtenida de -50 a 0 V. ........ 72
Figura 4.26 Curva J-V sin atrapamiento de carga de la heterounión con película IZO
con condición de depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) tratada
térmicamente a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2 obtenida de 0 a 70 V. .......... 73
Figura 4.27 Curva J-V con atrapamiento de carga de la heterounión con película IZO
con condición de depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) tratada
térmicamente a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2 obtenida de 50 a 0 V. .......... 74
Figura 4.28 Curva J-V con atrapamiento de carga de la heterounión con película IZO
con condición de depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) tratada
térmicamente a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2 obtenida de 0 a -50 V. ........ 75
Figura 4.29 Mecanismos de conducción propuestas para películas de SRO. .................... 76
Figura 4.30 Curvas C-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al tratadas térmicamente a
250°C por 30 minutos en ambiente de N2 aplicando estrés eléctrico positivo y negativo
por un lapso de tiempo. ............................................................................................................................... 80
Figura 4.31 Curvas C-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al tratadas térmicamente a
250°C por 30 minutos en ambiente de N2 sin aplicar estrés eléctrico. ................................ 81
ix
Lista de Tablas
Capítulo 2
Tabla 2.1 Dopantes de materiales TCO.55 ........................................................................................... 19
Tabla 2.2 Propiedades de transporte de diferentes TCOs basados en óxido de indio.55
................................................................................................................................................................................. 20
Tabla 2.3 Mecanismos de Conducción en Películas Dieléctricas.83 ........................................ 24
Capítulo 3
Tabla 3.1 Condiciones de depósito para películas IZO. ................................................................ 29
Tabla 3.2 Condiciones de Tratamiento Térmico a películas IZO. ............................................ 30
Tabla 3.3 Condiciones de depósito para películas IZO para la fabricación de
heterounión IZO/SRO/Si/Al. .................................................................................................................... 32
Capítulo 4
Tabla 4.1 Resultados de espesor e índice de refracción para películas SRO-30 tratadas
térmicamente. .................................................................................................................................................. 37
1
Capítulo 1. Introducción.
En las últimas décadas, el gran desarrollo tecnológico que se ha tenido se basa
principalmente en la tecnología del silicio, ya que es posible obtener silicio cristalino
de alta pureza con bajo costo de producción para la fabricación de circuitos
integrados. Sin embargo, existen inconvenientes que impiden la integración de
propiedades ópticas y eléctricas en un mismo chip debido a que el silicio es un
semiconductor de banda prohibida indirecta y por lo tanto un pobre emisor de luz.
Como se sabe, la tecnología de procesamiento del silicio es la más desarrollada y
comparativamente la más barata. Por lo que el desarrollo de una tecnología
optoelectrónica para la fabricación de dispositivos ópticos en base a la tecnología del
silicio es muy importante porque permitiría, de manera directa, la integración de
dispositivos optoelectrónicos y micro-circuitería en Silicio.
A partir del descubrimiento de la luminiscencia en silicio poroso en 1990,1 se vio la
posibilidad de fabricar dispositivos electroluminiscentes basados en silicio. Sin
embargo, a pesar de los esfuerzos realizados, en la actualidad aún no se tiene un
dispositivo electroluminiscente de alta eficiencia. En la búsqueda por desarrollar una
metodología que permita la integración de dispositivos opto-electrónicos basados en
la tecnología MOS (Metal Óxido Semiconductor), se están investigando materiales
basados en silicio como: los oxinitruros de silicio (SiON) y el óxido de silicio fuera de
estequiometría, también conocido como óxido de silicio rico en silicio (SRO). Estos
materiales han mostrado amplias posibilidades en la fabricación de dispositivos
emisores de luz por su intensa respuesta de fotoluminiscencia a temperatura
ambiente, especialmente películas de SRO obtenido por LPCVD (Low-Pressure
Chemical Vapor Deposition) con bajo exceso de silicio (entre 5 y 7%).2 Esto ha
ocasionado que se fabriquen estructuras electroluminiscentes cuya capa activa es de
SRO.3–5 Sin embargo, aún es necesario resolver algunos problemas como: baja
intensidad de emisión electroluminiscente, corto tiempo de vida, inestabilidad y altos
2
voltajes de operación.6,7 Se ha reportado en la literatura que la eficiencia de
electroluminiscencia con una película de SRO obtenido por PECVD (Plasma-Enhanced
Chemical Vapor Deposition) es del 2.4%,8 valor aún insuficiente para aplicaciones
prácticas.
En los últimos años, incrementar la eficiencia de este tipo de estructuras ha sido
objeto de mucha investigación y para lograrlo, se han fabricado estructuras complejas
que consiste de estructuras multicapas de espesor nanométrico.4,8,9 Sin embargo, la
mayoría de estos dispositivos emplean una película de silicio policristalino como
contacto superior que reduce su eficiencia cuántica externa, al ser el silicio poli-
cristalino una película con bajo porcentaje de transmitancia en la región visible.
Los óxidos conductores transparentes (TCO, por sus siglas en inglés) han sido usados
como electrodo en varias aplicaciones como celdas solares, diodos emisores de luz
orgánicos, etc. En la literatura se pueden encontrar diversos TCOs como: películas de
ITO (Indium Tin Oxide),10 FTO (Fluorine-doped Tin Oxide),11 AZO (Aluminium-doped
Zinc Oxide),12,13 IZO (Zinc-doped Indium Oxide),14,15 entre otros. Debido a las buenas
propiedades eléctricas y ópticas que poseen, la fabricación de estructuras con SRO e
IZO o AZO resulta un tema interesante ya que estos TCOs son muy conductivos y
transparentes.16–18
1.1.- Motivación.
En la búsqueda por desarrollar tecnologías para la fabricación de dispositivos
electroluminiscentes eficientes para aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, en
este trabajo se propone fabricar y estudiar las propiedades eléctricas y ópticas de
heterouniones del tipo TCO/SRO/Si/Al proponiendo como TCO al óxido de indio
dopado con zinc (IZO) o al óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) obtenidos por RF
Sputtering. La realización de este estudio permitirá identificar y resolver los
problemas que limitan la electroluminiscencia de las estructuras que se han fabricado
con películas de SRO.
3
1.2.- Objetivos.
Objetivo General
Fabricar, estudiar y caracterizar heterouniones de óxido de indio dopado con
zinc u óxido de zinc dopado con aluminio, y óxido de silicio rico en silicio.
Objetivos Específicos
Caracterizar películas de IZO y AZO depositadas por RF Sputtering sobre
sustratos de cuarzo y vidrio. La caracterización se realizará usando las
técnicas: 4 Puntas, Transmitancia, Efecto Hall usando el método de Van der
Pauw y Difracción de Rayos X (XRD).
Caracterizar películas de SRO con 5% de silicio en exceso depositadas por
LPCVD sobre sustratos de silicio. La caracterización se realizará usando las
técnicas de: Fotoluminiscencia (FL) y Elipsometría.
Fabricar y caracterizar heterouniones TCO/SRO/Si/Al para conocer sus
propiedades eléctricas y ópticas. La caracterización se realizará usando las
técnicas: I-V, C-V y Fotoluminiscencia (FL).
1.3.- Organización del Trabajo.
En el Capítulo 2 se presenta el marco teórico sobre silicio y el origen de la
luminiscencia en materiales derivados del silicio como el óxido de silicio rico en silicio
(SRO). Se describen algunas propiedades de los óxidos conductores transparentes
(TCO); se mencionan las técnicas de depósito de películas de SRO y TCOs incluyendo
los parámetros de depósito de las técnicas utilizadas en este trabajo. También se
mencionan las técnicas de caracterización de películas y heterouniones usadas. Por
último se incluye una breve descripción de la heterounión propuesta.
En el Capítulo 3 se presentan las condiciones de depósito para las películas de SRO e
IZO, y se describe el proceso de fabricación de la heterounión propuesta. Además se
4
incluyen las condiciones utilizadas para la caracterización de las películas y
heterouniones.
En el Capítulo 4 se presentan los resultados de la caracterización de las películas SRO
e IZO por separado. Posteriormente, se presentan los resultados de la caracterización
eléctrica y óptica de las heterouniones fabricadas.
En el Capítulo 5 se presentan las Conclusiones de este trabajo de Tesis y la propuesta
de Trabajo Futuro.
5
Capítulo 2. Marco Teórico
2.1.- Luminiscencia en silicio cristalino.
El silicio es un elemento químico semiconductor situado en el grupo IV-A de la tabla
periódica de los elementos. Es el segundo elemento más abundante en la corteza
terrestre (27.7% en peso) después del oxígeno (ver figura 2.1).19
Figura 2.1 Representación porcentual de la abundancia de elementos químicos en la corteza terrestre.
Al ser un elemento tan abundante y por tener buenas propiedades eléctricas, el silicio
cristalino ha sido usado ampliamente en la fabricación de circuitos integrados. Este
elemento en fase cristalina presenta una estructura atómica de tipo diamante, donde
cada átomo de silicio está unido a otros cuatro átomos de silicio (ver figura 2.2). Este
tipo de estructura presenta un enlace de tipo covalente, es decir, cada átomo de silicio
comparte un electrón con otro átomo de silicio (ver figura 2.3).
Figura 2.2 Estructura de diamante del silicio cristalino.20
6
Figura 2.3 Representación del enlace covalente del silicio.20
La estructura de bandas de energía que presenta el silicio cristalino es de transiciones
indirectas. Como se observa en la figura 2.4, el máximo de la banda de valencia y el
mínimo de la banda de conducción no están alineados por lo que la transición entre
bandas de los electrones involucra interacciones con el cristal para que se conserve el
momento, lo que reduce la probabilidad de recombinación radiativa.20
Figura 2.4 Estructura de bandas de energía del silicio.20
Al poseer el silicio cristalino una estructura de bandas de energía indirecta, la
probabilidad de generación de fotones (recombinación de electrón-hueco) es muy
baja por la interacción de los electrones con la red cristalina (generación de fonones).
7
Por esta razón, el silicio cristalino no es un buen candidato para el desarrollo de
dispositivos emisores de luz; sin embargo, se han desarrollado alternativas para
generar fuentes luminiscentes a base de silicio como el silicio poroso (PS, por sus
siglas en inglés), nitruro de silicio rico en silicio (SRN, por sus siglas en inglés),
oxinitruro de silicio (SiON, por sus siglas en inglés), y óxido de silicio rico en silicio
(SRO, por sus siglas en inglés).
2.2.- Propiedades Generales del Óxido de Silicio Rico en Silicio (SRO).
El óxido de silicio fuera de estequiometría u óxido de silicio rico en silicio (SRO) es un
material formado por una matriz de dióxido de silicio con exceso de silicio. La fórmula
SiO2 ya no es válida y en su lugar se usa SiOx donde el valor de x depende del
contenido de oxígeno y está delimitado entre 0 y 2; si x=2 se tiene dióxido de silicio
(SiO2) y si x=0 se tiene silicio policristalino mientras que si x se encuentra entre 0 y 2
se tiene óxido de silicio fuera de estequiometría.21
Este material puede obtenerse por diferentes técnicas de depósito, por ejemplo
Óxidos Térmicos Implantados con Silicio (SITO),22,23 Depósito Químico en Fase Vapor
Asistido por Plasma (PECVD)24 y Depósito Químico en Fase Vapor a Baja Presión
(LPCVD),25,26 siendo LPCVD la técnica normalmente usada para depositarlo debido a
su excelente uniformidad, baja densidad de defectos y buena cobertura. Esta técnica
utiliza silano (SiH4) y óxido nitroso (N2O) como gases reactivos. El exceso de silicio,
denominado como Ro, se determina usando la expresión 2.1 que relaciona
directamente la presión de los gases usados.
𝑅𝑂 =𝑃(𝑁2𝑂)
𝑃(𝑆𝑖𝐻4) (2.1)
2.2.1.- Estructura.
El SRO está constituido de nanocristales de silicio (Si-nc) embebidos en una matriz
dióxido de silicio (SiO2).27 La figura 2.5 muestra un nanocristal de silicio rodeado por
8
SiO2. Los puntos verdes representan el nanocristal de Si, los puntos rojos y azules
representan la matriz de SiO2 y los puntos amarillos representan enlaces Si-O-Si
formados en la interfaz del nanocristal.
Figura 2.5 Estructura del SRO.27
La figura 2.6 muestra un modelo propuesto por T. S. Iwayama et al.22 donde se
observa el proceso de formación de nanocristales de silicio por el tratamiento térmico
al SiO2 con exceso de silicio.
Figura 2.6 Esquema de formación de nanocristales de silicio por efecto de tratamiento térmico.22
9
Este esquema de formación de nanocristales de silicio consiste en que los iones de
silicio implantados inicialmente formarán SiOx o agregados de Si. Estos agregados
actuarán como puntos de nucleación. El tratamiento térmico a alta temperatura
induce la difusión y nucleación de los átomos de Si en exceso, y tiempos prolongados
de tratamiento inducen el crecimiento de los nanocristales. Con una baja
concentración de átomos de Si en exceso debido al tiempo del tratamiento, el
crecimiento de los nanocristales se puede explicar por la Maduración de Ostwald, la
cual predice que los clusters más grandes de Si crecen al recibir exceso de Si de
clusters de Si, de menor tamaño. Como resultado, nanocristales de Si de mayor
tamaño se forman en la matriz de SiO2 dando lugar a la desaparición de clusters
pequeños o agregados de Si. Por lo tanto, el tamaño de los nanocristales de Si depende
de la concentración de átomos de Si en exceso y de la duración del tratamiento
térmico.22
El SRO es una película que presenta diferentes efectos, siendo el atrapamiento de
carga28 uno de ellos. Kalnitsky et al. encontraron un comportamiento de resistencia
dinámica negativa en estructuras SRO-implantado/Si a través de mediciones
corriente-voltaje (I-V) y lo explican con un modelo que supone que el silicio
implantado produce trampas en el SiO2. Este modelo dice que las trampas en el SiO2
pueden ser neutras, negativas o positivas si atrapan o donan un electrón. La figura 2.7
muestra el diagrama de bandas propuesto por Kalnitsky donde se observan los niveles
de trampas en el SiO2. La aplicación de un campo eléctrico provoca que los potenciales
se distorsionen y esto favorece el tuneleo de electrones entre la banda de silicio y las
trampas del óxido.
10
Figura 2.7 Diagrama de bandas propuesto por Kalnitsky para SiO2 implantado con Si bajo la aplicación
de campo eléctrico mostrando la distribución de las trampas.28
Otro efecto que se presenta en este material es la luminiscencia. El SRO adquiere
propiedades luminiscentes al ser sometido a un proceso de recocido a 1100° C en
atmosfera de nitrógeno por un periodo de 3 hrs. Estas propiedades aparecen como
consecuencia de diversos efectos como: el confinamiento cuántico (ver sección 2.2.2),
la formación de defectos de interfaz con nanocristales de Si o en el SiO2 (ver sección
2.2.2), entre otros. La figura 2.8 muestra algunos espectros de fotoluminiscencia de
diferentes SRO antes y después del tratamiento térmico.
11
Figura 2.8 Espectro de Fotoluminiscencia de SRO 10, 20 y 30 (a) sin tratamiento y (b) con tratamiento
térmico a 1100° C en atmosfera de N2.29
Como puede observarse de la figura 2.8, los SRO sin tratamiento térmico no muestran
luminiscencia notable a excepción del SRO-30, ya que éste muestra un pequeño
incremento en la región de los 400 a los 600 nm. Por otro lado, al tratar térmicamente
los diferentes SROs se observa luminiscencia notable en la región de 600 a 850 nm
con un máximo a 720 nm siendo el SRO-30 el que presenta mayor intensidad de
luminiscencia.
2.2.2.- Origen de la luminiscencia en el SRO.
Las propiedades ópticas de los Si-nc han sido tema de estudio porque ellos pueden
constituir fuentes de luz en la región visible dando lugar a aplicaciones en el área de la
optoelectrónica. Desde el descubrimiento de la emisión fotoluminiscente en silicio
poroso se han propuesto diferentes modelos que explican su origen. Dentro de los
modelos se encuentra el confinamiento cuántico y defectos de interfaz con
nanocristales de Si o en el SiO2. A continuación, se describen brevemente estos dos
modelos:
12
a) Confinamiento cuántico
El efecto de confinamiento en un sistema mecánico cuántico se puede comprender al
considerar el problema de una partícula en una caja en donde se resuelven las
funciones de onda y energía de un potencial infinito usando la ecuación de onda de
Schrödinger.30 El efecto de confinamiento cuántico se debe esencialmente a cambios
en la estructura atómica como resultado de la influencia de la escala nanométrica (de
1 a 25 nm) sobre la estructura de bandas de energía. Estos cambios en el tamaño de la
nanopartícula generan limitantes para los electrones, por lo que éstos responden
ajustando su energía. El efecto de cuantización se vuelve importante cuando la
dimensión de un semiconductor es menor o igual al radio de excitón de Bohr. Cuando
el tamaño de una partícula se aproxima al radio excitón de Bohr, el efecto de
confinamiento cuántico provoca un incremento de la energía de transición excitónica
y un corrimiento hacia el azul de la energía de la banda prohibida en la absorción y
luminiscencia.31 Para el caso que nos interesa, el radio atómico de Bohr en silicio es de
aproximadamente 5 nm lo que significa que las nanoparticulas de silicio deberán de
tener un diámetro promedio menor a 5 nm para poder observar el efecto de
confinamiento cuántico.
El efecto de confinamiento cuántico da lugar a la creación de una densidad discreta de
estados.32 Como se observa en la figura 2.9, en silicio monocristalino las bandas de
conducción y de valencia tienen una distribución continua de niveles de energía,
mientras que para los nanocristales aparecen niveles discretos de energía. Esto
cambia la estructura de banda dando un incremento en la banda prohibida. Por lo que
mientras menor sea el tamaño del cristal, mayor será la banda prohibida.
13
Figura 2.9 Esquema del incremento en la banda prohibida de un semiconductor al disminuir el tamaño
de nanocristal y la densidad discreta de estados para el nanocristal.33
b) Defectos de interfaz con nanocristales de Si o en el SiO2
Se ha reportado que la luminiscencia y atrapamiento de carga de los nanocompuestos
Si-nc/SiO2 no se debe solo a los Si-nc, sino también a defectos en el óxido. En la
literatura, se encuentra reportado que la luminiscencia se debe a diferentes defectos
como por ejemplo los defectos centros E’, centros de oxígeno no enlazado (NBOHC),34,35
silicio doble coordinado y vacancia de oxígeno neutra.35
El centro E’ es un centro de deficiencia de oxígeno, es decir una vacancia de oxígeno
con carga positiva, se denota como ≡Si−O•O≡Si+ donde (≡) representa enlaces con
tres átomos de oxígeno, (•) representa un electrón no enlazado, y (+) representa un
hueco atrapado.34 En este caso el átomo de Si cargado positivamente se mueve hacia
atrás a través del plano de su oxígeno basal y se reporta en la literatura que la banda
de emisión de este defecto está centrada en 620 nm.36 La figura 2.10 muestra un
esquema de este modelo donde se observan clústers NBOHC y un NBOHC aislado.
El centro de oxígeno no enlazado (NBOHC) es un átomo de O bajo-coordinado
enlazado a un solo átomo de Si con un electrón no enlazado en su orbital 2p, y se
denota por ≡Si−O•, donde (≡) representa enlaces con tres átomos de oxígeno y (•)
indica el electrón no enlazado.34 Este defecto ocurre como un defecto aislado con un
nivel de energía alrededor de la mitad del óxido, dando lugar a una banda de
14
absorción débil a energías de 2 y 4.8 eV (621 y 258 nm), y una banda de
fotoluminiscencia a 1.8 y 1.9 eV (689 y 653 nm).34
El silicio doble coordinado se representa por O − Si − O donde (∙∙) representa dos
electrones enlazados en el mismo orbital.35
La vacancia de oxígeno neutra se forma cuando un átomo de oxígeno se pierde y dos
átomos de silicio se unen directamente. Se denota como ≡Si-Si≡ donde (≡)
representa enlaces con tres átomos de oxígeno.35
Figura 2.10 Estructura del modelo de la región de interfaz Si-nc/SiO2.34
2.2.3.- Aplicaciones del Óxido de Silicio Rico en Silicio.
Debido a las diferentes propiedades que posee el SRO (tanto eléctricas como ópticas),
este material puede ser utilizado en diferentes aplicaciones, por ejemplo:
Fabricación de memorias no volátiles.37,38
Diseño y fabricación de guías de onda.39
Diseño y fabricación de sensores de radiación.40,41
Diseño y fabricación de dispositivos supresores de transitorios.42
Diseño y fabricación de dispositivos electroluminiscentes.8,24,43–46
15
Como en este trabajo se plantea la fabricación de una heterounión como dispositivo
emisor de luz en la que el SRO es la capa activa, en el siguiente apartado se abordarán
brevemente los avances que hasta el momento se tienen en la fabricación de este tipo
de estructuras. Es importante mencionar que las heterouniones fabricadas en este
trabajo de tesis sólo aborda la etapa de fabricación y caracterización eléctricas de las
heterouniones, sin llegar a la etapa de caracterización de éstos como dispositivos
emisores de luz.
2.2.3.1.- Dispositivos Emisores de Luz (LED).
Los dispositivos electroluminiscentes que utilizan una capa activa de SRO se les
conoce también como capacitores emisores de luz (LEC), debido a que el SRO es un
material dieléctrico con propiedades luminiscentes. De la revisión bibliográfica
realizada se encontraron dos estructuras LEC representativas y se describen
brevemente a continuación:
El primer dispositivo tipo LEC básicamente consiste de una película de silicio
policristalino dopado tipo n depositado sobre la película de SRO. El SRO se depositó
por LPCVD a 720°C sobre un sustrato de Si tipo n de baja resistividad. Como contacto
posterior, se depositó una capa de aluminio. En la figura 2.11 se muestra el esquema
de este dispositivo y además se puede observar que la capa de silicio policristalino y la
de aluminio tienen la función de electrodos. Esta estructura presentó una respuesta de
electroluminiscencia dependiente del campo eléctrico aplicado como se puede
observar en los espectros de electroluminiscencia presentados en la figura 2.12.
16
Figura 2.11 Estructura de un dispositivo tipo MOS emisor de luz con SRO como capa activa.43
Figura 2.12 Espectro de electroluminiscencia del dispositivo mostrado en la figura 2.11.43
Como se puede ver de la figura 2.12, se requiere de altos voltajes de polarización para
observar la respuesta de electroluminiscencia en este tipo de estructuras, lo que
dificulta su uso en la fabricación de dispositivos optoelectrónicos. Además al tener un
contacto superior de silicio policristalino con un bajo porcentaje de transmitancia, la
emisión electroluminiscente que se observa es muy baja. Posiblemente esto ocasiona
que se requiera de altos voltajes de polarización para observar la emisión
luminiscente del dispositivo.
El segundo dispositivo tipo LEC, al igual que el primero, consiste de una película óxido
conductor transparente (óxido de estaño dopado con indio, ITO) depositada sobre la
película de SRO. El SRO se depositó por PECVD a 200°C sobre un sustrato de Si tipo p.
17
Como contacto posterior, se depositó una capa de aluminio. En la figura 2.13a se
muestra el esquema de este dispositivo y se puede observar que las capas de ITO y de
aluminio tienen la función de electrodos. Además se muestran los nanocristales
embebidos en la película de SRO (figura 2.13b). Este tipo de estructura presenta
diferente espectro de electroluminiscencia dependiendo de la potencia usada para el
depósito del SRO como puede observarse en la figura 2.14.
Figura 2.13 a) Estructura de un dispositivo tipo MOS emisor de luz. b) Imagen TEM de la capa SRO en
la que se aprecia la distribución y el tamaño de los nanocristales.8
Figura 2.14 Espectros de electroluminiscencia del dispositivo mostrado en la figura 2.13 con una
película de SRO depositado por PECVD a (a) 20W, (b) 30W, (c) 40 W y (d) 50 W con tratamiento
térmico en N2 por 2.5 y 90 minutos.8
18
A pesar de que los óxidos conductores transparentes tienen un buen porcentaje de
transmitancia en la región visible, esta estructura fue reportada con una eficiencia
(número de fotones de salida respecto del número de electrones de entrada) del
2.4%.8 Se ha reportado que el SRO obtenido por LPCVD presenta mayor respuesta
fotoluminiscente que el obtenido por PECVD,47 pudiendo ser ésta una razón de la poca
eficiencia de esta estructura reportada.
Por lo tanto, en la búsqueda de una estructura tipo LEC que tenga una eficiencia
mayor, en este trabajo se propone utilizar un SRO-30 obtenido por LPCVD por sus
propiedades fotoluminiscentes vistas en la figura 2.8 y además porque presenta
mayor respuesta fotoluminiscente comparado al obtenido por PECVD.47 Además el
uso de un óxido conductor transparente permitirá el paso de luz en la región visible
con un alto porcentaje por lo que se propone usar óxido de indio dopado con zinc
(IZO) y óxido de zinc dopado con aluminio (AZO). Estos TCOs se pueden obtener a
bajas temperaturas de depósito con excelentes propiedades eléctricas y ópticas
comparado con el óxido de estaño dopado con indio (ITO) que requiere un
tratamiento térmico cercano a los 400°C para mejorar sus propiedades eléctricas y
ópticas. En consecuencia, la posible ventaja de fabricar este tipo de estructura es
obtener una buena respuesta luminiscente comparada con lo reportado hasta el
momento.
2.3.- Propiedades Generales de los Óxidos Conductores Transparentes.
Los óxidos conductores transparentes (TCOs) son una única clase de materiales que
exhiben transparencia óptica y conductividad electrónica simultáneamente.48–50 Éstos
son ampliamente usados en la fabricación de pantallas planas, celdas fotovoltaicas,
ventanas de baja emisividad, dispositivos electrocrómicos, sensores y electrónica
transparente.51–53 Los TCOs están formados por una parte no-metal, B, que es oxígeno
y la otra parte por metales o combinación de metales, A, dando lugar a
semiconductores compuestos, AyBz, con diferentes propiedades opto-eléctricas. Estas
19
propiedades opto-eléctricas pueden modificarse con el dopado, AyBz:D (D=dopante),
con metales, metaloides o no-metales.50 La conductividad es una de estas propiedades
opto-eléctricas y puede ser de tipo n y tipo p. Sin embargo, la mayoría de los TCOs
presentan una conductividad tipo n y solo unos pocos presentan conductividad tipo
p.54 La tabla 2.1 muestra una lista de algunos TCOs junto con los materiales con se
pueden dopar.
Tabla 2.1 Dopantes de materiales TCO.55
Material Dopante o compuesto Tipo
SnO2 Sb, F, As, Nb, Ta N
In2O3 Sn, Ge, Mo, F, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, W, Te N
ZnO Al, Ga, B, In, Y, Sc, F, V, S, Ge, Ti, Zr, Hf N
CdO In, Sn N
Ga2O3 In, Sn N
La estructura cristalina de los TCOs es otra propiedad importante debido a que ésta
afecta sus propiedades eléctricas. En la tabla 2.2 se muestran diferentes TCOs usando
al óxido de indio como base. Considerando solamente el caso de IZO, puede
observarse que el cambio de estructura amorfa a cristalina bixbyite conlleva un
cambio tanto en resistividad como en movilidad; el mismo efecto ocurre al cambiar de
estructura bixbyite a romboedro. Un aspecto importante de la estructura cristalina es
el tipo de enlace de los átomos. Gran parte de los TCOs, como óxido de estaño (SnO2),
óxido de indio (In2O3), óxido de galio (Ga2O3), y óxido de cadmio (CdO), presentan
enlace iónico55 excepto ZnO que presenta un tipo de enlace covalente.56 En la figura
2.15 se muestra la estructura cristalina de ZnO y In2O3. Como puede observarse, el
ZnO presenta una estructura hexagonal con celda unitaria tetraedral donde el átomo
Zn (punto amarillo) u O (punto gris) está en el centro y en las esquinas se encuentran
átomos de O o Zn55, y el In2O3 posee una estructura cúbica conocida como bixbyite con
celda unitaria cúbica donde el átomo de In (punto rojo) está en el centro y en 6 de las
8 esquinas se encuentran átomos de O (punto gris).55
20
Tabla 2.2 Propiedades de transporte de diferentes TCOs basados en óxido de indio.55
Resistividad
(Ω-cm)
Densidad de
portadores (cm-3)
Movilidad
(cm2/V-s) Estructura
IZO sin
calentamiento 5.96x10-4 2.02x1020 51.9 Amorfa
ITO sin
calentamiento 7.18x10-4 2.02x1020 41.4 Amorfa
IO sin
calentamiento 7.48x10-4 1.88x1020 44.5 Amorfa
IZO calentado a
350°C 4.20x10-4 4.30x1020 34.8 Bixbyite
ITO calentado
a 350°C 2.23x10-4 6.03x1020 46.4 Bixbyite
IO calentado
a 350°C 1.73x10-3 7.90x1019 46.0 Bixbyite
IZO calentado en
aire a 500°C 9.80x10-2 3.40x1018 18.7 Romboedro
a)
b)
Figura 2.15 Estructura cristalina de (a) ZnO y (b) In2O3.
La banda prohibida es otra propiedad importante de los TCOs porque determina su
transparencia en la región visible del espectro electromagnético, como se puede ver
en la figura 2.16. La mayoría de los TCOs, incluidos los mencionados anteriormente,
tienen una banda prohibida mayor a 3.0 eV,55 lo que ocasiona que su porcentaje de
transmitancia en la región visible sea mayor al 80 %. Los TCOs como SnO2, In2O3, ZnO
y Ga2O3 son de banda directa55 y tienen un porcentaje de transmitancia alto dentro de
la región visible del espectro electromagnético.48
21
a)
b)
Figura 2.16 Espectros de transmitancia característicos de películas (a) AZO12 y (b) IZO57 variando
algún parámetro de depósito.
La figura 2.17 muestra los diagramas de banda para el ZnO y el In2O3. En estas figuras
se puede ver que el ZnO tiene una banda prohibida aproximado a 3.3 eV55,56 y el In2O3
tiene una banda prohibida aproximada de 3.6 eV.55,57
a)
b)
Figura 2.17 Estructura de bandas de (a) ZnO y (b) In2O3.55
Aunque ya se mencionaron algunas propiedades de los TCOs, su baja resistividad es
una propiedad eléctrica muy importante. La resistividad que presentan los TCOs se
encuentra en el rango de 10-2 a 10-5 Ω–cm dependiendo de la técnica de depósito58–60 y
esto se debe a la alta concentración de portadores en el material.48 En consecuencia,
los TCOs permiten hacer contactos óhmicos eficientes.55 Por el contrario, presentan
movilidades relativamente bajas (<300 cm2V-1s-1)55,61,62 comparadas con otros
22
semiconductores, por ejemplo en Si la movilidad es de 1350 cm2/V-s63 y en GaAs es de
8500 cm2/V-s.63 En la tabla 2.2 se muestran las movilidades reportadas para TCOs
basados en óxido de indio, el cual fue usado en el trabajo experimental de esta tesis.
Considerando las propiedades de los TCO´s, principalmente su baja resistividad y su
alto porcentaje de transmitancia óptica, se propone en este trabajo utilizar IZO y AZO
para la fabricación de las heterouniones TCO/SRO/Si/Al. En esta heterounión el TCO
funcionará como contacto inyector transparente.
2.4.-Técnicas de Depósito de Óxido de Silicio Rico en Silicio.
El depósito de películas de óxido de silicio rico en silicio (SRO) puede lograrse a través
de diversas técnicas como Implantación Iónica de Silicio en Óxido Térmico,22,24 y por
Depósito Químico en Fase Vapor (CVD); sin embargo, CVD es un término general
utilizado para describir el proceso de depósito64 y tiene técnicas derivadas como
PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)24,47 y LPCVD (Low Pressure
Chemical Vapor Deposition)43,47,65 que son técnicas específicas para depositar
películas de SRO siendo LPCVD la técnica utilizada en este trabajo de tesis. Los
parámetros de depósito en un sistema LPCVD son:
Temperatura y tiempo de depósito.
Presión base de la cámara.
Flujo y presión del gas silano (SiH4).
Flujo y presión del gas óxido nitroso (N2O).
Temperatura y tiempo del tratamiento térmico.
2.5.- Técnicas de Depósito de Óxidos Conductores Transparentes.
El depósito de películas de óxidos conductores transparentes (TCO) puede lograrse a
través de diversas técnicas como Rocío Pirolítico,60 Depósito Químico en Fase Vapor
(CVD),66 Evaporación en Vacío,58 Depósito por Láser Pulsado (PLD)67 y Sputtering
incluyendo DC, RF y Magnetrón Sputtering12,15,59,68–70 siendo RF Magnetrón
23
Sputtering64,71,72 la técnica de depósito usada en este trabajo experimental para el
depósito de las películas de IZO y AZO. Los parámetros de depósito en un sistema RF
Magnetrón Sputtering son:
Presión base de la cámara.
Gas inerte.
Potencia aplicada.
Temperatura de calentamiento del sustrato.
Presión de depósito.
Tiempo de depósito.
Distancia del blanco al sustrato.
Flujo y presión con gases de reacción.
2.6.- Técnicas de Caracterización de Películas y Heterouniones.
En este trabajo de tesis se caracterizaron las películas (SRO, IZO y AZO) para
determinar sus propiedades eléctricas, ópticas, morfológicas y estructurales. Las
técnicas fueron Elipsometría,73,74 Fotoluminiscencia,74 Perfilometría,64 4 Puntas,64,74
Efecto Hall por Van der Pauw,74–77 Transmitancia,74 Microscopía de Fuerza Atómica
(AFM)74 y Difracción de Rayos X (XRD).78 Posteriormente, se realizaron mediciones de
Corriente-Voltaje (I-V)79,80 y Capacitancia-Voltaje (C-V)81 para la caracterización de las
heterouniones.
La medición I-V de un dispositivo proporciona una curva que puede ser analizada
para determinar los mecanismos de conducción. En el caso de este trabajo de tesis, los
dispositivos fabricados presentan una estructura tipo MOS (Metal-Óxido-
Semiconductor) por lo que los mecanismos de conducción para materiales dieléctricos
aplican. Éstos se pueden clasificar de la siguiente manera:
24
Figura 2.18 Clasificación de mecanismos de conducción propuesto por Chen.82
Las expresiones matemáticas de algunos de estos mecanismos se muestran en la tabla
2.3.
Tabla 2.3 Mecanismos de Conducción en Películas Dieléctricas.83
Mecanismo de
Conducción Expresión*
Dependencia de Voltaje y
Temperatura**
Tuneleo
Fowler-Nordheim 𝐽~𝐸2𝑒𝑥𝑝 −
4 2𝑚∗ 𝑞𝜑𝐵 3 2
3𝑞ħ𝐸 𝐽~𝑉2𝑒𝑥𝑝
−𝑏
𝑉
Emisión Poole-
Frenkel 𝐽 = 𝐸𝑒𝑥𝑝
−𝑞 𝜑𝐵 − 𝑞𝐸 𝜋𝜀
𝑘𝑇 𝐽~𝑉𝑒𝑥𝑝
𝑞 2𝑎 𝑉 − 𝜑𝐵
𝑘𝑇
Conducción
Óhmica 𝐽~𝐸𝑒𝑥𝑝
−∆𝐸𝑎𝑐
𝑘𝑇 𝐽~𝑉𝑒𝑥𝑝
−𝑐
𝑇
* φB=altura de la barrera, E=campo eléctrico, ε=permitividad del dieléctrico, m*=masa
efectiva, t=espesor del dieléctrico, ΔEac=energía de activación de los electrones y
a=*q/(4πεt)+^½.
** V=Et. Constantes positivas: b, c y d.
Por otro lado, la medición C-V de un dispositivo proporciona una curva que permite
identificar las regiones de capacitancia. En el caso de un dispositivo MOS, éste
presenta tres regiones de capacitancia que son Acumulación, Empobrecimiento e
Inversión.84 En este trabajo se propone una estructura tipo MOS por lo que al
caracterizarla se espera obtener las tres regiones de capacitancia mencionadas.
25
2.7.- Heterounión Propuesta: TCO/SRO/Si/Al.
De acuerdo a los argumentos presentados en el apartado 2.2.3.1 y las propiedades de
los TCOs, se propone la fabricación de la heterounión que se muestra en la figura 2.19.
Figura 2.19 Esquema de la heterounión propuesta TCO/SRO/Si/Al.
En base a la información que se encuentra reportada en la literatura sobre estructuras
LEC en la que se usa una película de SRO como capa activa por su respuesta de
fotoluminiscencia, en este trabajo se propone usar una película de SRO-30. En el caso
del TCO, se estudiarán las propiedades de películas IZO y AZO; básicamente se
evaluarán sus características eléctricas, ópticas y estructurales debido a que la
película de SRO ya ha sido ampliamente estudiada. Inicialmente se propone usar un
espesor de película IZO o AZO alrededor de 200 a 400 nm. Como sustrato se usará una
oblea de silicio tipo p de baja resistividad y como contacto posterior se depositará una
película de aluminio de 600 nm de espesor.
Por lo tanto, este trabajo se enfoca principalmente en: estudiar las propiedades del
SRO-30 para obtener una película con una respuesta luminiscente adecuada, estudiar
las propiedades de películas IZO y AZO, fabricar heterouniones como la que se mostró
en la figura 2.19 y caracterizar eléctricamente (mediciones de I-V y C-V) dispositivos
de las heterouniones fabricadas.
26
Capítulo 3.- Procedimiento Experimental.
En este capítulo se presentan las condiciones de depósito que se utilizaron para
obtener películas de SRO e IZO; sin embargo, las condiciones de depósito de películas
AZO se muestran en el apéndice A. Además se presenta el proceso de fabricación de
las heterouniones de IZO/SRO/Si/Al y las condiciones para la caracterización de las
películas y heterouniones.
3.1.- Condiciones de depósito de las películas de SRO.
Las películas de SRO se depositaron sobre obleas de silicio cristalino tipo p de 4”, con
orientación (100) y resistividad de 0.1-1.4 Ω-cm en un sistema LPCVD (ver figura 3.1).
Las obleas fueron cortadas en cuatro partes y marcadas para someterlos a un proceso
de limpieza CMOS (ver apéndice B). La relación RO se logró al variar las presiones de
los flujos de gases SiH4 y N2O de acuerdo a la fórmula 2.1 a través de un sistema de
control de rotámetros (ver figura 3.2). Para la película con Ro=30 (SRO-30), los flujos
de gases N2O y SiH4 fueron 2.5 slpm y 1.9 slpm, respectivamente, y las presiones
parciales que se alcanzaron con estos flujos fueron 1.3 Torr y 1.5 Torr para N2O y SiH4,
respectivamente. Se estableció un factor de ajuste de 33 en la fórmula 2.1 debido a las
características que presenta el tanque de SiH4.
Habiendo establecido las condiciones para el depósito de SRO-30, se realizaron tres
depósitos variando el tiempo (14, 19 y 24 minutos) para obtener diferentes espesores.
Posterior al depósito, las películas fueron sometidas a un tratamiento térmico a
1100°C por 180 minutos en ambiente de N2 para que adquirieran propiedades
fotoluminiscentes.
27
Figura 3.1 Sistema de depósito LPCVD (horno horizontal de pared caliente hecho de cuarzo de 4.5” de
diámetro) del INAOE.
Figura 3.2 Sistema de control de rotámetros para el sistema LPCVD del INAOE.
3.2.- Condiciones de depósito de las películas de IZO.
Las películas de IZO se depositaron por RF Magnetrón Sputtering con un equipo
marca Alcatel modelo A 450 (ver figura 3.3). Este sistema permite usar sustratos
aislantes, semiconductores o metálicos con calentamiento (porta-sustratos 1) o sin
calentamiento (porta-sustratos 2, 3 y 4) durante los procesos. El sistema cuenta con
tres cátodos de 4” (100 mm) con sistema de enfriamiento, una fuente de RF con
capacidad de 600 W y, opcional, una fuente de DC. El sistema cuenta con una bomba
mecánica y una bomba turbomolecular para alcanzar alto nivel de vacío. Este sistema
28
cuenta con cuatro líneas de gases: una línea para argón (gas de sputtering), dos líneas
para nitrógeno y una línea para oxígeno.85
Figura 3.3 Sistema de depósito RF Magnetrón Sputtering Alcatel A450.
Los sustratos utilizados para depositar películas IZO fueron vidrios portaobjetos
Corning 2947 de 2.5x7.5 cm y cuarzo de 2x2 cm. Previo al depósito, los sustratos
fueron limpiados a través de un desengrasado estándar (ver apéndice C).
El depósito de películas IZO se realizó utilizando un blanco (marca Kurt J. Lesker) de
composición 90% In2O3 y 10% ZnO, una presión base de 5x10-6 mbar (3.75x10-6 Torr)
y un flujo de Ar de 5 sccm. Las condiciones usadas para el depósito de las películas IZO
se describen en la tabla 3.1:
29
Tabla 3.1 Condiciones de depósito para películas IZO.
Grupo Potencia
[W]
Presión
[mTorr]
Tiempo
[minutos] Temperatura
Flujo de O2
[sccm]
1
30
6 20 Ambiente 0 60
80
100
2 60
1
20 Ambiente 0 6
8
10
3 60 6
6
Ambiente 0
15
20
30
45
4 60 6 20 Ambiente 0
5 60 6 20 Ambiente
0
0.17
0.18
0.19
0.20
0.25
0.5
1
2
30
El Grupo 4 de películas se depositó sobre cuarzo para someter las muestras a
tratamientos térmicos descritos en la tabla 3.2:
Tabla 3.2 Condiciones de Tratamiento Térmico a películas IZO.
Grupo Temperatura de Tratamiento
[°C]
Tiempo de Tratamiento
[minutos]
4-1 100
30
45
60
4-2 250
15
30
45
60
4-3 350
15
30
45
60
4-4 450
15
30
45
60
3.3.- Proceso de Fabricación de la Heterounión: IZO/SRO/Si/Al.
De acuerdo a los resultados obtenidos de la caracterización de películas SRO e IZO, se
realizó el siguiente proceso de fabricación de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al. Las
etapas de este proceso son:
(1) Depósito de SRO sobre sustrato de Si,
(2) Depósito de aluminio en la parte posterior de la oblea de Si,
(3) Depósito de IZO sobre la película de SRO y
(4) Fotolitografía de la película de IZO.
31
Cada una de estas etapas se describe a continuación:
(1) Depósito de SRO sobre sustrato de Si
Una oblea de silicio cristalino tipo P con orientación (100) y de baja resistividad (0.1-
1.4 Ω-cm) de 4” se cortó en cuatro partes y estos pedazos se sometieron a un proceso
de limpieza CMOS (ver apéndice B). Posteriormente, se depositó una película de SRO-
30 (5% de silicio en exceso) con las condiciones siguientes: flujo de silano (SH4) de 2.6
slpm y óxido nitroso (N2O) de 5.1 slpm, con presiones de 0.97 Torr y 0.88 Torr,
respectivamente. La presión total (presión de depósito) del horno con ambos gases
dentro de la cámara fue de 1.5 Torr. El horno se mantuvo a una temperatura de
depósito de 720°C, y el tiempo de depósito se fijó a 19 minutos para obtener un
espesor aproximado de 70 nm. Una vez que finalizó el proceso de depósito de SRO-30,
las películas fueron sometidas a un tratamiento térmico a 1100°C por 180 minutos en
ambiente de nitrógeno (N2) con flujo máximo determinado por rotámetro.
(2) Depósito de aluminio en la parte posterior de la oblea de Si
El proceso de depósito de aluminio se realizó en tres etapas: eliminación de óxido en
cara no pulida, evaporación de aluminio y tratamiento térmico (aleación). La
eliminación del óxido en la cara no pulida consistió en aplicar solución 7:1 con un
cotonete y tallar suavemente hasta observar hidrofobia en la superficie de la oblea
(cara no pulida). Después las obleas se sumergieron en agua desionizada y se
enjuagaron dos veces.
La evaporación de aluminio se realizó bajo un vacío de 7x10-5 mbar. El espesor de la
película metálica fue de 600 nm aproximadamente. Una vez que se terminó el proceso
de depósito de Al, a las muestras se les realizó un tratamiento térmico a 460°C en
ambiente de N2 por 30 minutos para crear la aleación aluminio-silicio y lograr un buen
contacto óhmico.
32
(3) Depósito de IZO sobre la película de SRO
De acuerdo a los resultados de la caracterización de películas IZO, se establecieron dos
condiciones de depósito en base a las buenas propiedades eléctricas y ópticas
obtenidas. Estas condiciones se listan en la Tabla 3.3.
Tabla 3.3 Condiciones de depósito para películas IZO para la fabricación de heterounión
IZO/SRO/Si/Al.
Potencia Presión Tiempo Temperatura Flujo Ar Flujo O2
1 60 W 6 mTorr 15 min Ambiente 5 sccm 0 sccm
2 60 W 8 mTorr 30 min Ambiente 5 sccm 0 sccm
Una vez que se realizó el depósito de la película de IZO sobre la película de SRO, a las
heterouniones se les realizó un tratamiento térmico a 250°C en ambiente de N2 por 30
minutos para mejorar el contacto entre la película de IZO y el SRO. La temperatura del
tratamiento térmico se eligió de tal manera que las propiedades eléctricas y ópticas de
la película IZO no se degraden.
(4) Fotolitografía de la película de IZO.
La fotolitografía consistió en un proceso desarrollado en el laboratorio de
Microelectrónica del INAOE usando la resina AZ 1512 HS. El proceso se describe a
continuación:
(1) Se coloca la muestra en el spinner y se aplica resina con gotero; después se hace
girar la muestra a una velocidad de 4000 rpm.
(2) Se realiza un tratamiento térmico a 90°C por 30 segundos.
(3) Se deja enfriar la muestra por 2 minutos.
(4) Se expone la resina por 14.5 segundos a 4.80 mW/cm2 usando una mascarilla de
patrones cuadrados con número de identificación 917. El área de los cuadros es de
0.015625 cm2.
(5) Se revela la resina en 13 segundos usando el revelador AZ 726 MIF.
(6) Se realiza un tratamiento térmico a 85°C por 5 minutos para fortalecer la resina
antes de realizar el proceso de grabado de IZO.
33
El proceso de grabado consistió en sumergir las obleas con los patrones cuadrados en
la resina en una solución para transferir los patrones a la película IZO. La solución de
grabado fue ácido clorhídrico diluido en agua desionizada en proporción de 14 mL y
190 mL respectivamente. La velocidad de grabado promedio fue de 154 nm/min.
Finalizado el grabado, se sumergieron las obleas en acetona para remover la resina, se
enjuagaron dos veces en Agua DI y se secaron en la máquina centrífuga. En la figura
3.4a se muestra una imagen obtenida en el microscopio ortoplano del laboratorio
donde se verificó el grabado de la película IZO. En esta imagen se muestran
únicamente las calles debido a que los cuadros son muy grandes para enfocarlos. En la
figura 3.4b se muestra la película IZO grabada durante el proceso de medición I-V.
a)
b)
Figura 3.4 Grabado de película IZO donde se observa (a) la película de SRO en las calles y (b) medición
I-V sobre patrones cuadrados en la película IZO.
Por lo tanto, con este proceso de fabricación se obtuvieron dos heterouniones y se
muestran en la figura 3.5:
34
Figura 3.5 Heterouniones IZO/SRO/Si/Al. (a) Película IZO condición 1 (60 W, 6 mTorr, 15 min, 0 sccm
de O2) y (b) película IZO condición 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) de depósito.
Una vez que se terminó el proceso de fabricación de las heterouniones, éstas se
caracterizaron para conocer sus propiedades ópticas y eléctricas.
3.4.- Condiciones para la caracterización de las películas y heterouniones.
Medición del espesor e índice de refracción.
Las películas de SRO se caracterizaron por elipsometría con un elipsómetro nulo
Gaertner L117 (láser de He-Ne con longitud de onda de 638.2 nm) para determinar el
espesor (t) e índice de refracción (η).
A las películas IZO y AZO se les grabaron escalones y se caracterizaron usando un
perfilómetro KLA Tencor P7.
35
Mediciones de Fotoluminiscencia y Transmitancia óptica
Las películas de SRO se caracterizaron por fotoluminiscencia usando un
espectrofluorómetro modelo Fluoromax-3 Jobin Ybon controlado por computadora.
Las condiciones en pruebas de emisión para películas de SRO fueron: longitud de onda
de excitación de 300 nm y un barrido de 370 nm a 1000 nm en el detector; y para
excitación fueron longitud de onda de emisión de 720 nm y un barrido de 200 nm a
400 nm en la fuente.
Las películas IZO y AZO se caracterizaron por transmitancia óptica usando un equipo
Perkin Elmer Lambda 3b haciendo un barrido desde 190 nm hasta 900 nm.
Mediciones de resistencia de hoja y Efecto Hall por Van der Pauw
La resistencia de hoja de las películas IZO y AZO fue medida usando una fuente
Keithley 2400 SourceMeter junto con un sistema de 4 puntas de la marca KS (Kuliche
& Soffa Industries, Inc.) modelo 3007. La corriente aplicada fue de 4.532 mA para
películas IZO y 4.532 µA para películas AZO.
La resistividad, concentración de portadores, movilidad de Hall y tipo de portador de
las películas IZO fueron obtenidos utilizando un equipo integrado por sistemas de
medición controlados por computadora; estos sistemas son Aussmeter MG-3D marca
Walker Laboratory, Power Supply Current Control Walker, Voltmetro Keithley Modelo
System DMM 196, Programable Current Source 224 Keithley y Picoamperimeter
Autoranging 485 Keithley y un Switch System 7001 Keithley. Las muestras fueron
cortadas en cuadros con un área de 1 cm2 y se verificó el contacto óhmico con un
trazador de curvas antes de realizar la medición.
Caracterización superficial y estructural
La morfología superficial de las películas IZO se caracterizó por microscopía de fuerza
atómica (AFM) usando un sistema Nanosurf easyScan. Las mediciones se realizaron en
modo Tapping con una punta de alta resolución en escalas de 8 x 8 um, 4 x 4 um y 2 x
2 um. Las imágenes de AFM fueron analizadas mediante el software SPIP (Scanning
Probe Image Processor) para determinar la rugosidad promedio.
36
La caracterización por Difracción de Rayos X (XRD) de películas IZO se llevó a cabo en
un difractómetro Bruker D8 con una fuente de radiación de rayos-X de Cu Kα
(λ=1.5406Å). Se realizó un barrido de 2θ en una escala de 10° a 65° en pasos de 0.04°.
Mediciones eléctricas
La medición I-V de las heterouniones se realizó con una fuente Keithley 2400
SourceMeter controlada por computadora con una interfaz elaborada en LabView. El
rango de voltaje aplicado se configuró de 60 V a -60 V con un valor de corriente de
protección a 5 mA.
La medición C-V de las heterouniones se realizó con una fuente Keithley 4200-SCS
Semiconductor Characterization System. El rango de voltaje de DC se configuró de 30
V a -30 V, una señal de AC con amplitud de 30 mV rms con una frecuencia de 100 kHz
y configuración de corriente en autorango.
37
Capítulo 4.- Resultados y Discusión
En este capítulo se presentan los resultados de la caracterización de películas de SRO
e IZO; sin embargo, los resultados obtenidos de la caracterización de películas AZO se
muestran en el Apéndice A. Además se presentan los resultados de la caracterización
óptica y eléctrica de las heterouniones de IZO/SRO/Si/Al.
4.1.- Resultados de la Caracterización de películas de SRO.
a).- Elipsometría.
En la tabla 4.1 se muestran los espesores e índices de refracción obtenidos por
elipsometría de películas SRO-30 tratadas térmicamente a 1100°C por 180 minutos en
ambiente de N2.
Tabla 4.1 Resultados de espesor e índice de refracción para películas SRO-30 tratadas térmicamente.
Tiempo de depósito [min] Espesor promedio [nm] Índice de refracción promedio
14 53 1.470
19 66 1.476
24 90 1.484
Como se puede observar en la tabla al aumentar el tiempo de depósito se obtiene un
espesor mayor de película SRO-30. Además se nota que un incremento en el espesor
de película SRO-30 también incrementa el índice de refracción. Este comportamiento
del índice de refracción ya ha sido observado y reportado por A. A. González
Fernández et al.43 y A. Akarapu et al.,86 y se atribuye a la composición o
estequiometría87–89 y densidad/porosidad de la película.90–92 Además, a través de
mediciones de FTIR, Akarapu et al. muestran que hay un corrimiento del número de
onda que corresponde a la vibración de estiramento asimétrica de Si-O-Si
(asymmetric stretching) hacia números de onda mayores,86 y esto puede relacionarse
con el incremento del índice de refracción.
38
b).- Fotoluminiscencia.
En la figura 4.1 se presentan los espectros de emisión de películas SRO-30 tratadas
térmicamente a 1100°C por 180 minutos en ambiente de N2.
400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
20k
40k
60k
80k
100k
120k
140k
160k
Emisión
=710 nm
Inte
nsi
dad
fo
tolu
min
isce
nte
, (u
.a.)
Longitud de onda de emisión, (nm)
Películas de SRO-30
Espesor:
53 nm
66 nm
90 nm
Excitación
=300 nm
200 300 4000
100k
200k
Longitud de onda de
excitación, (nm)
Figura 4.1 Espectros de emisión fotoluminiscente de películas SRO-30 tratadas térmicamente a 1100°C
por 180 minutos en ambiente de N2 excitadas a 300 nm.
Estos espectros de emisión fueron obtenidos excitando las películas de SRO con una
longitud de onda de 300 nm ya que es la longitud de onda óptima de acuerdo al
espectro de excitación inserto en la figura. Este espectro de excitación se obtuvo
fijando el detector a 710 nm porque es la longitud de onda que presenta el máximo de
emisión de las películas, como se puede ver en los espectros de emisión
fotoluminiscente.
En la figura 4.1 se observa que hay dos picos de emisión de las películas de SRO-30,
uno centrado a 420 nm y el otro centrado a 710 nm. La emisión observada en estas
películas se puede atribuir a defectos o estados de oxidación,26 ya que es posible que
39
durante el tratamiento térmico los defectos se aglomeran formando centros de
emisión,26 por ejemplo, emisiones localizadas a 460 nm y 650 nm se relacionan con
centros de deficiencia de oxígeno en el SiO2 (Si-ODC) y enlaces de oxigeno no
enlazados (NBOHC),35 respectivamente.
Se puede observar también que la emisión centrada a 710 nm aumenta su intensidad
conforme el espesor de la película incrementa, como se esperaba. En base a este
resultado, se propuso utilizar una película de SRO-30 con un espesor que, primero
permita obtener la mayor emisión posible pero a la vez permita el uso de bajos
voltajes de operación, es decir, hay un compromiso directo entre el espesor de la
película de SRO y la intensidad del campo eléctrico que se requiere para polarizar las
estructuras, por lo que se llegó a la conclusión de que un espesor de 70 nm sería
adecuado para la fabricación de la heterounión propuesta.
4.2.- Resultados de la Caracterización de las películas de IZO.
a).- 4 puntas.
En esta sección se presenta el resultado de la caracterización por 4 puntas sobre
películas IZO en función de los parámetros de depósito: potencia, presión, tiempo,
flujo de oxígeno y tratamiento térmico posterior al depósito.
La figura 4.2 presenta el comportamiento de la resistencia de hoja y el espesor de las
películas de IZO al variar la potencia de depósito.
40
20 40 60 80 100
5
10
15
20
25
30
35
40
20 40 60 80 10080
160
240
320
400
Res
iste
nci
a d
e h
oja
, (/
cu
adro
)
Potencia de depósito, (Watts)
Esp
eso
r, (
nm
)
Potencia de depósito, (Watts)
Figura 4.2 Resistencia de hoja y espesor de películas IZO en función de la potencia de depósito.
Se puede observar que la resistencia de hoja disminuye conforme se incrementa la
potencia de depósito. En el inserto de la figura, se puede ver que con el incremento de
la potencia de depósito aumenta el espesor de la película; esto ocurre porque el
plasma se vuelve más denso (mayor concentración de iones de Argón) provocando
una mayor erosión del blanco (mayor desprendimiento de átomos del blanco)
aumentando el espesor de película. Esto permite señalar que hay una relación
inversamente proporcional entre la resistencia de hoja y el espesor de película
descrita por la expresión matemática 4.1.
En la figura 4.3 se puede observar el comportamiento de la resistencia de hoja y el
espesor de la película IZO teniendo como variable la presión de depósito.
41
0 2 4 6 8 10
14
16
18
20
22
0 2 4 6 8 10160
200
240
280
Res
iste
nci
a d
e h
oja
, (/
cu
adro
)
Presión de depósito, (mTorr)
Esp
eso
r, (
nm
)
Presión de depósito, (mTorr)
Figura 4.3 Resistencia de hoja y espesor de películas IZO en función de la presión de depósito.
De esta figura se puede notar que la resistencia de hoja promedio se mantiene en 15 ±
1 Ω/cuadro en la región de presión de 1 a 8 mTorr. Sin embargo, aún y cuando el
tiempo de depósito es el mismo para este grupo de muestras, el espesor de las
películas varía de 175 nm a 240 nm aproximadamente, es decir, se tiene una Δt=65
nm que indica que a pesar de que la delta es grande la resistencia de hoja no varía
mucho (solo 2 Ω/cuadro). Cuando se incrementa la presión de 8 mTorr a 10 mTorr, se
incrementa la resistencia de hoja y esto permite decidir el usar una presión de
depósito baja puesto que se desea obtener películas de IZO con resistencias de hoja
bajas. Este comportamiento de la resistencia de hoja coincide con el comportamiento
de la resistividad en películas IZO obtenida por Efecto Hall (figura 4.8) donde se
muestra que la resistividad se mantiene baja de 1 a 8 mTorr y aumenta en 10 mTorr.
De este grupo de resultados (figuras 4.2 y 4.3), se puede concluir que con una potencia
de 60 W y 6 mTorr de presión de depósito se puede obtener una buena razón de
depósito que permita controlar el espesor de las películas de IZO y además obtener
42
bajas resistividades. Estas condiciones se consideraron para realizar el siguiente
grupo de muestras en el que se obtiene el comportamiento de la resistencia de hoja en
función del tiempo de depósito, figura 4.4.
0 10 20 30 40 50
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 400
100
200
300
400
500
600
Condiciones:
60 W
6 mTorr
Res
iste
nci
a d
e h
oja
, (
/cu
adro
)
Tiempo de depósito, (min)
Esp
eso
r, (
nm
)Tiempo de depósito, (min)
Figura 4.4 Resistencia de hoja y espesor de películas IZO en función del tiempo de depósito.
De la figura 4.4, se puede observar que la resistencia de hoja disminuye mientras que
el espesor aumenta conforme se incrementa el tiempo de depósito. Con las
condiciones de depósito usadas para este grupo de películas (60 W y 6mTorr) se
obtiene una razón de depósito de 11.6 nm/min promedio, la cual parece adecuada
para el depósito de las películas que se usarán para la fabricación de las
heterouniones. Al igual que los resultados obtenidos al variar la potencia de depósito,
como se mostró en la figura 4.2, es posible señalar que hay una relación inversamente
proporcional entre la resistencia de hoja y el espesor de la película que obedece a la
siguiente relación:74
𝑅𝑠ℎ =𝜌
𝑡 (4.1)
43
donde Rsh es la resistencia de hoja, ρ es la resistividad y t es el espesor de película.
Debido a los diversos reportes57,93,94 que se encuentran en la literatura, la
incorporación de oxígeno durante el depósito de películas IZO puede mejorar las
propiedades ópticas y eléctricas de las películas. En este trabajo se realizó el
experimento para determinar el flujo de oxígeno adecuado para reducir la resistividad
de estas películas (ver figura 4.5).
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
10
100
1k
10k
100k
1M
10M
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0120
160
200
240
280
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
Res
iste
nci
a d
e h
oja
, (
/cu
adro
)
Flujo de O2, (sccm)
Esp
eso
r, (
nm
)
Flujo de O2, (sccm)
Figura 4.5 Resistencia de hoja y espesor de películas IZO en función del flujo de oxígeno durante
depósito.
Como resultado, se encontró que la resistencia de hoja incrementa abruptamente al
permitir el paso de un pequeño flujo de oxígeno durante el depósito, como se puede
ver en la figura 4.5. Además se observa que la resistencia presenta una región de
saturación a partir de 0.5 sccm de O2, esto se debe principalmente a que el
instrumento de medición (4 puntas) se satura por la alta resistencia de la película.
Este incremento drástico en la resistencia de hoja se atribuye a que la resistividad del
44
material aumenta al incorporarse oxígeno durante el depósito y se justifica con la
reducción de la concentración de vacancias de oxígeno que son las encargadas de
proporcionar dos electrones para la conducción.57 Además se observa que el espesor
de la película disminuye conforme aumenta el flujo de O2 debiéndose a la reducción de
la densidad del plasma de argón por el incremento de la razón de flujos de
oxígeno/argón en la cámara.68,95 Como resultado de este experimento conviene
realizar el depósito de las películas IZO sin la incorporación de oxígeno durante el
depósito.
Para estudiar el comportamiento de la resistencia de hoja de las películas IZO por
efecto del tratamiento térmico y la duración de éste, un grupo de películas
(condiciones de depósito 60 W, 6 mTorr y 20 minutos) se depositó sobre sustratos de
cuarzo. Los resultados de la caracterización de estas películas se muestran en la figura
4.6. Esta actividad es importante para determinar una temperatura y tiempo de
tratamiento térmico al que será sometida la heterounión fabricada con la finalidad de
mejorar la unión entre los materiales IZO y SRO.
0 10 20 30 40 50 60
0
20
40
60
80
100
120
T.T. a 450°C
T.T. a 250°C
T.T. a 350°C
Res
iste
nci
a d
e h
oja
, (
/cu
adro
)
Tiempo de Tratamiento Térmico, (min)
T.T. a 125°C
Depósito
a T.A.
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
Figura 4.6 Resistencia de hoja de películas IZO en función de la temperatura y tiempo de tratamiento
térmico en ambiente de N2.
45
Se puede observar que para temperaturas hasta 250°C el efecto es despreciable, sin
embargo, para temperaturas de 350 °C y mayores la resistencia aumenta
drásticamente. A 125°C no hay un cambio significativo en la resistencia de hoja
respecto de la película depositada a temperatura ambiente. Al incrementar la
temperatura a 250°C se observa un ligero incremento, y al aumentar la temperatura a
350°C y 450°C se observa que el incremento es de 3 veces y 7 veces, respectivamente,
todo esto respecto de la muestra sin tratamiento térmico. Este comportamiento se
justifica por el aumento en la resistividad en las películas (ver sección Efecto Hall,
figura 4.10).
b).- Efecto Hall
En esta sección se muestran los resultados de la caracterización por Efecto Hall de las
películas IZO en función de los parámetros de depósito, que son: potencia (figura 4.7),
presión (figura 4.8), tiempo (figura 4.9), y tiempo y temperatura de tratamiento
térmico (figuras 4.10, 4.11 y 4.12). Además de los resultados que se muestran en las
siguientes figuras de esta sección, se encontró que las películas son de conductividad
tipo n, es decir, presentan un exceso de electrones que son responsables de la baja
resistividad en las películas de IZO.
La figura 4.7 muestra el comportamiento de la resistividad, movilidad Hall y
concentración de portadores para películas IZO en función de la potencia de depósito.
46
20 40 60 80 100
2
3
4
5
6
7
8 Resistividad
Res
isti
vid
ad, x
10
-4 (
-cm
)
Potencia de depósito, (Watts)
20
24
28
32
36
40
44
48 Movilidad Hall
Mo
vil
idad
Hal
l, (c
m2/V
-s)
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5 Concentración de
portadores
Co
nce
ntr
ació
n d
e p
ort
ado
res,
x1
02
0 (
cm-3
)
Figura 4.7 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la potencia de depósito.
Se puede observar que la variación de la resistividad se encuentra en el rango de 3 a
6x10-4 Ω-cm y la movilidad también presenta un rango de variación que va desde 24 a
44 cm2/V-s sin mostrar una tendencia. Sin embargo, la densidad de portadores
muestra un incremento desde 3.6x1020 hasta 5x1020 cm-3 a medida que la potencia
incrementa. Este incremento en la densidad de portadores se debe al incremento de
enlaces (reducción de enlaces sueltos, dangling bonds) en la película debido a la alta
energía adquirida por los átomos expulsados del blanco;96 este incremento en la
densidad de portadores justifica la ligera reducción en la resistividad obtenida entre
30 y 100 W. Este resultado de la resistividad concuerda con lo obtenido por
mediciones de 4 puntas al variar la potencia de depósito ya que la resistividad
promedio es de 3.65x10-4 Ω-cm y la obtenida por Efecto Hall es de 4.08x10-4 Ω-cm
teniendo una diferencia de 0.43 x10-4 Ω-cm entre ambas técnicas de medición.
La figura 4.8 muestra los resultados obtenidos de las mediciones Hall usando el
método de Van der Pauw al variar la presión de depósito.
47
0 2 4 6 8 10
2
3
4
5
6
7
8 Resistividad
Res
isti
vid
ad, x
10
-4 (
-cm
)
Presión de depósito, (mTorr)
20
24
28
32
36
40
44
48 Movilidad Hall
Mo
vil
idad
Hal
l, (c
m2/V
-s)
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5 Concentración de
portadores
Co
nce
ntr
ació
n d
e p
ort
ado
res,
x1
02
0 (
cm-3
)
Figura 4.8 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la presión de depósito.
Se observa que hay una tendencia en los tres parámetros obtenidos. La variación de la
resistividad se encuentra en el orden de 10-4 Ω-cm y la de la concentración de
portadores en el orden de 1020 cm-3 al igual que en el caso anterior. Para la movilidad
se tiene una variación en el orden de 32 a 44 cm2/V-s. La resistividad muestra una
variación pequeña en la región de 1 a 8 mTorr, pero se incrementa al incrementar la
presión a 10 mTorr, y se puede notar que este comportamiento concuerda con los
resultados obtenidos por 4 puntas. Por el contrario, la movilidad Hall y concentración
de portadores se reducen, excepto por la concentración de portadores obtenida a 1
mTorr. Por lo tanto, el aumento en la resistividad está asociado directamente a la
reducción de la movilidad y de la concentración de portadores. La reducción de la
movilidad y concentración de portadores se debe a que al realizar depósitos a altas
presiones (mayor presencia de gas en la cámara de depósito) los iones de argón
pierden energía por colisiones con átomos del gas lo que deja que los átomos del
48
blanco tenga una muy baja movilidad durante la adsorción provocando que se
segreguen en la película y no contribuyan eléctricamente.97
Como se mencionó en la sección de 4 Puntas y de los resultados obtenidos en la
figuras 4.7 y 4.8, se fijaron las condiciones de depósito 60 W de potencia y 6 mTorr de
presión para conocer el efecto del tiempo de depósito en las propiedades eléctricas de
las películas obtenidas, figura 4.9.
0 10 20 30 40 50
2
3
4
5
6
7
8 Resistividad
Res
isti
vid
ad, x
10
-4 (
-cm
)
Tiempo de depósito, (min)
20
24
28
32
36
40
44
48 Movilidad Hall
Mo
vil
idad
Hal
l, (c
m2/V
-s)
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5 Concentración de
portadores
Co
nce
ntr
ació
n d
e p
ort
ado
res,
x1
02
0 (
cm-3
)
Condiciones: 60 W, 6 mTorr
Figura 4.9 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función del tiempo de depósito.
Como se puede observar, al igual que en las figuras 4.7 y 4.8, la variación de la
resistividad se encuentra en el orden 10-4 Ω-cm y la concentración de portadores en el
orden de 1020 cm-3. La resistividad se incrementa ligeramente conforme se aumenta el
tiempo de depósito al igual que la movilidad Hall; este comportamiento en la
movilidad Hall indica que los portadores se desplazan fácilmente en películas gruesas
porque existe una menor concentración de ellos por lo que al haber menos la
resistividad de la película aumenta. Haciendo referencia al incremento en la densidad
49
de portadores al incrementar la potencia de depósito, la reducción en la densidad de
portadores al variar el tiempo de depósito se puede atribuir a que al trabajar a una
potencia relativamente baja existe una densidad alta de enlaces sueltos (dangling
bonds) que incrementa conforme el espesor de película crece por lo que habrá menos
portadores en películas gruesas.
Las películas IZO con incorporación de flujo de O2 durante el depósito no se
estudiaron por Efecto Hall porque son muy resistivas y no es posible hacer este tipo
de medición por limitaciones del instrumento de medición.
Al grupo de muestras sometido a los diferentes tratamientos térmicos (variando
tiempo y temperatura del tratamiento térmico) también se les realizó mediciones de
Efecto Hall por el método de Van der Pauw. Los resultados obtenidos del
comportamiento de la resistividad, movilidad y densidad de portadores se muestran
en las siguientes figuras: 4.10, 4.11 y 4.12.
0 10 20 30 40 50 60
0
5
10
15
20
25
30
35
T.T a 125°C
T.T a 350°C
T.T a 250°C
Res
isti
vid
ad, x
10
-4 (
-cm
)
Tiempo de Tratamiento Térmico, (min)
T.T a 450°CDepósito
a T.A.
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
Figura 4.10 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la temperatura y tiempo de
tratamiento térmico.
50
En la figura 4.10 se observa como la resistividad aumenta al incrementar la
temperatura del tratamiento térmico. El valor de la resistividad inicia con un valor en
el orden de 3x10-4 Ω-cm y se incrementa hasta aproximadamente 27x10-4 Ω-cm, lo que
significa que se pierde un orden de magnitud (2.7x10-3 Ω-cm). Además se observa que
el tiempo de tratamiento térmico influye poco en el cambio de la resistividad.
0 10 20 30 40 50 60
40
44
48
52
56
60
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
T.T. a 125°C
T.T. a 250°C
T.T. a 350°C
Mo
vil
idad
Hal
l, (c
m2/V
-s)
Tiempo de Tratamiento Térmico, (min)
T.T. a 450°C
Depósito
a T.A.
Figura 4.11 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la temperatura y tiempo de
tratamiento térmico.
En el caso de la movilidad, se observa que ésta aumenta conforme aumenta la
temperatura del tratamiento térmico de 44 hasta 57 cm2/V-s. A una temperatura de
tratamiento térmico de 125°C, la movilidad Hall se conserva casi constante conforme
el tiempo aumenta. Cuando la temperatura se incrementa a 250°C, la movilidad Hall
aumenta cerca de los 50 cm2/V-s a 30 minutos y 56 cm2/V-s a los 60 minutos. Cuando
la temperatura se incrementa a 350°C la movilidad aumenta hasta 58 cm2/V-s a 30
minutos de tratamiento térmico pero disminuye a 450°C a 57 cm2/V-s. El aumento en
51
la movilidad al incrementar la temperatura se puede atribuir a que existe un
reacomodo de los átomos permitiendo que los portadores puedan moverse
libremente en la matriz amorfa (figura 4.20), pero a 450°C se tiene fase cristalina
(figura 4.20) provocando que se tenga una reducción en la movilidad.
0 10 20 30 40 50 60
1019
1020
1021
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
T.T a 450°C
T.T a 250°C
T.T a 350°C
Co
nce
ntr
ació
n d
e p
ort
ado
res,
(cm
-3)
Tiempo de Tratamiento Térmico, (min)
T.T a 125°C
Depósito
a T.A.
Figura 4.12 Medición de Efecto Hall de películas IZO en función de la temperatura y tiempo de
tratamiento térmico.
Como se puede observar en la figura 4.12, la concentración de portadores se reduce
por el incremento de la temperatura de tratamiento térmico. Con una temperatura de
125°C la concentración de portadores se mantiene constante respecto de la
concentración de una película depositada a temperatura ambiente. Conforme se
incrementa la temperatura, la concentración disminuye hasta alcanzar un valor
aproximado de 4x1019 cm-3 a los 450°C. Además se puede observar que el tiempo de
tratamiento no afecta significativamente en el cambio de la concentración de
portadores. Este comportamiento de la concentración de portadores se puede atribuir
52
a que se inicia el proceso de cristalización en las películas como se puede observar en
la sección XRD (figura 4.20).
Por lo tanto, la resistividad de las películas al ser sometidas a tratamientos térmicos
aumenta porque la concentración de portadores se reduce, lo cual permite que los
portadores restantes se puedan mover fácilmente (incremento en la movilidad) hasta
el punto donde se alcanza la formación de una fase cristalina (figura 4.20) donde se
observa una reducción en la movilidad Hall.
La banda prohibida de las películas puede ser estimado a través de un modelo
propuesto por E. Burstein y T. S. Moss, el cual explica que las variaciones en la banda
prohibida de un semiconductor están relacionadas directamente con las variaciones
de la concentración de portadores en la película. 98,99 Este modelo es:100
𝐸𝑔𝑜𝑝𝑡 = 𝐸𝑔𝑖𝑛𝑡 + 𝛥𝐸𝐵𝑀 − 𝛥𝐸𝐸𝑋 (4.2)
donde Egint es la banda prohibida intrínseca del semiconductor (consultar sección 2.3
para el caso de In2O3), ΔEBM es el incremento de la banda prohibida y ΔEEX es la
reducción de la banda prohibida. El término de incremento de la banda prohibida está
expresado como:
𝛥𝐸𝐵𝑀 =ħ2
2𝑚𝑣𝑐∗ 𝑒
3𝜋2𝑁𝑒 23
1
𝑚𝑣𝑐∗ =
1
𝑚𝑒∗ +
1
𝑚ℎ∗
(4.3)
donde m*vc es la masa efectiva reducida, m*e es la masa efectiva del electrón y m*h es la
masa efectiva del hueco en In2O3. El término de reducción de la banda prohibida está
expresado como:
𝛥𝐸𝐸𝑋 =𝑒
2𝜋𝜀 3𝜋𝑁𝑒
13 (4.4)
53
donde ħ=1.05459x10-34 J-s es la constante de Planck reducida, e=1.6x10-19 C es la carga
del electrón, m*e=0.3me es la masa efectiva del electrón para In2O3,101,102 me=9.11x10-31
kg es la masa del electrón, ε es la permitividad del In2O3 y está dada por εs*ε0, εs=9 es la
constante dieléctrica del In2O3,103 y ε0=8.85x10-14 F/cm es la permitividad del vacío.
Con este modelo se calculó la banda prohibida de las películas IZO en función de la
concentración de portadores de las variables: potencia, presión, tiempo de depósito, y
temperatura de tratamiento térmico por 30 y 60 minutos, ver figura 4.13.
20 40 60 80 100
3.5
3.6
3.7
3.8
10 20 30 40 0 150 300 4500 150 300 4502 4 6 8 10
(a)
Ban
da
pro
hib
ida,
(eV
)
Potencia de
depósito, (Watts)
(c)
Tiempo de
depósito, (min)
Condiciones:
60 W
6 mTorr
Condiciones:
60 W
6 mTorr
20 min
Condiciones:
60 W
6 mTorr
20 min
(e)
Temperatura de
T.T. por 60 min,
(°C)
(d)
Temperatura de
T.T. por 30 min,
(°C)
(b)
Presión de
depósito, (mTorr)
Figura 4.13 Banda prohibida calculada por el modelo Moss-Burstein de películas IZO en función de la
(a) potencia, (b) presión, (c) tiempo de depósito, y temperatura de tratamiento térmico por (d) 30
minutos y (e) 60 minutos.
Se puede observar que la aproximación de la banda prohibida usando el modelo
matemático Moss-Burstein nos proporciona una banda que varía desde 3.75 hasta
3.825 eV indicando un incremento cuando se incrementa la potencia de depósito
(figura 4.13a); el incremento de la presión de depósito (figura 4.13b) a partir de 6
mTorr indica que la banda se reduce desde 3.8 hasta 3.7 eV aproximadamente; por
otro lado, el incremento del tiempo de depósito (figura 4.13c) muestra una reducción
54
desde 3.85 hasta 3.75 eV y el incremento de la temperatura de tratamiento térmico
(figuras 4.13d y e) muestra una variación desde 3.8 hasta 3.5 eV, ambos casos indican
una reducción de la banda prohibida.
c).- Transmitancia.
En esta sección se presentan los resultados de la caracterización de la Transmitancia
óptica de películas IZO en función de la potencia, presión, tiempo, flujo de oxígeno
durante el depósito (ver figura 4.14), y del tratamiento térmico (ver figura 4.15).
55
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
60
80
100
30 Watts (t=104.62 nm)
60 Watts (t=173.49 nm)
80 Watts (t=387.60 nm)
100 Watts (t=396.92 nm)
1 mTorr (t=233.85 nm)
6 mTorr (t=173.49 nm)
8 mTorr (t=238.28 nm)
10 mTorr (t=283.29 nm)
(d)
(b)
Tra
nsm
itan
cia,
(%
)
6 min (t=56.80 nm)
15 min (t=136.06 nm)
20 min (t=176.49 nm)
30 min (t=384.01 nm)
45 min (t=615.76 nm)
Condiciones: 60 W, 6 mTorr
(c)
(a)
0 sccm (t=173.49 nm)
0.20 sccm (t=234.41 nm)
1.00 sccm (t=140.82 nm)
2.00 sccm (t=135.67 nm)
Longitud de onda, (nm)
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
Figura 4.14 Transmitancia de películas IZO en función de (a) la potencia, (b) la presión, (c) el tiempo y
(d) el flujo de oxígeno durante el depósito.
56
En estos grupos de espectros de transmitancia se puede observar que todos presentan
un porcentaje mayor al 80% a cualquier longitud de onda desde los 400 nm hasta los
900 nm observándose algunas oscilaciones por efecto de interferencia debido al
espesor de las películas.
En el caso de las películas donde se varió la potencia y el tiempo de depósito se genera
un corrimiento de los espectros hacia la derecha reduciendo la región de
transmitancia debido al incremento del espesor como se puede observar en las figuras
4.14a y 4.14c; por el contrario, los espectros de transmitancia de películas con flujo de
oxígeno durante el depósito muestran corrimiento hacia la izquierda ya que el espesor
disminuye al aumentar el flujo durante el depósito respecto de la película con 0.2
sccm de O2, ver figura 4.14d. Por lo que estos corrimientos se pueden relacionar con el
aumento o reducción de la absorbancia en las películas ya que el coeficiente de
absorción está relacionado con el espesor de la película como se puede ver en la
ecuación 4.6.
Para los espectros de transmitancia obtenidos de películas donde se varió la presión
de depósito (figura 4.14b) se observa que no hay corrimiento ya que la variación del
espesor (Δt=65 nm) no están significativa.
Otro aspecto que puede observarse es el cambio en la pendiente de los espectros en la
región de 300 a 400 nm para películas IZO con oxígeno incorporado durante el
depósito (figura4.14d). Este cambio en la pendiente se relaciona con la modificación
de la banda prohibida óptica de las películas como se mostrará en la figura 4.22.
La figura 4.15 muestran los espectros de transmitancia de películas IZO que fueron
sometidas a tratamientos térmicos a 125°C, 250°C, 350°C y 450°C.
57
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
60
80
100
(a)
(d)
Depósito a T.A.
T.T. a 125°C por 30 min
T.T. a 125°C por 60 min
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
(b)
(c)
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
Depósito a T.A.
T.T. a 250°C por 30 min
T.T. a 250°C por 60 min
Tra
nsm
itan
cia,
(%
)
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
Depósito a T.A.
T.T. a 350°C por 30 min
T.T. a 350°C por 60 min
Condiciones: 60 W, 6 mTorr, 20 min
Depósito a T.A.
T.T. a 450°C por 30 min
T.T. a 450°C por 60 min
Longitud de onda, (nm)
Figura 4.15 Transmitancia de películas IZO en función del tiempo de tratamiento térmico a (a) 125°C,
(b) 250°C, (c) 350°C y (d) 450°C.
58
En estos grupos de espectros se puede observar que la transmitancia de las películas
presenta un porcentaje mayor al 80% desde los 400 nm hasta los 900 nm. Además se
puede observar que la temperatura y el tiempo de tratamiento térmico afectan la
región de transmitancia y las franjas de interferencia. A 125°C (figura 4.15a) no hay
un cambio significativo en los espectros de películas tratadas térmicamente respecto
de una película depositada a temperatura ambiente. A 250°C (figura 4.15b) se observa
que la región de transmitancia se reduce sin afectar las franjas de interferencia
respecto del espectro de la película depositada a temperatura ambiente. A 350°C y
450°C (figuras 4.15c y 4.15d) se observa que la reducción de la región de
transmitancia es mayor afectando las franjas de interferencia conforme aumenta el
tiempo de tratamiento térmico. Este comportamiento de la transmitancia se relaciona
con el cambio de estructura de las películas ya que pasan de fase amorfa a fase
cristalina como se puede ver en la figura 4.20 y se refleja en el cambio de la banda
prohibida (figuras 4.13c y 4.17).
A partir de los espectros de transmitancia de las películas IZO se realizó la estimación
de la banda prohibida óptica de las películas. Ésta fue calculada usando el modelo de
Tauc:104
𝛼ℎ𝜈 = 𝐴 ℎ𝜈 − 𝐸𝑔 𝑛
(4.5)
donde α es el coeficiente de absorción, A es una constante de proporcionalidad,105 hv
es la energía del fotón y el exponente es n=1/2 para material de banda directa y n=2
para material de banda indirecta.105,106 Sin embargo, es necesario conocer el
coeficiente de absorción de las películas para utilizar el modelo de Tauc; éste fue
calculado usando el siguiente modelo matemático:107
𝛼 = −𝑙𝑛 𝑇 100%
𝑡 (4.6)
donde T es la transmitancia porcentual y t es el espesor de la película expresado en
cm.
59
En la figura 4.16 se presenta el comportamiento de la banda prohibida óptica de las
películas IZO en función de la potencia, presión, tiempo de depósito y temperatura de
tratamiento térmico por 30 y 60 minutos.
20 40 60 80 100
3.5
3.6
3.7
3.8
10 20 30 400 2 4 6 8 10 0 150 300 4500 150 300 450
(b)(a)
Ban
da
Pro
hib
ida
Óp
tica
, (eV
)
Potencia de
depósito, (Watts)
(c)
Condiciones:
60 W
6 mTorr
20 min
Condiciones:
60 W
6 mTorr
20 min
Tiempo de
depósito, (min)
Condiciones:
60 W
6 mTorr
Presión de
depósito, (mTorr)
Temperatura de
T.T. por 30 min,
(°C)
(d) (e)
Temperatura de
T.T. por 60 min,
(°C)
Figura 4.16 Banda prohibida óptica de películas IZO en función de (a) potencia, (b) presión, (c) tiempo
de depósito y temperatura de tratamiento térmico por (d) 30 minutos y (e) 60 minutos.
Esta gráfica muestra que se tiene una banda prohibida promedio de 3.65 eV con
tendencia a reducirse al incrementar la potencia de depósito y esto se puede
relacionar con el corrimiento hacia la derecha de los espectros de transmitancia
(figura 4.14a), es decir, aumento de la región de absorción. Sin embargo, la banda
prohibida obtenida por el modelo Moss-Burstein (figura 4.13a) tiene un promedio de
3.8 eV con tendencia a incrementarse lo cual es opuesto a lo obtenido por
Transmitancia, por lo que esta aproximación no es adecuada cuando se varía la
potencia de depósito. En el caso de la variación de presión, se observa que la banda
prohibida óptica se mantiene alrededor de 3.65 eV desde 1 mTorr hasta 10 mTorr y
esto se atribuye a que no hubo un cambio considerable en la región de absorción
como se puede ver en la figura 4.14b, pero la aproximación por el modelo Moss-
Burstein indica que hay una reducción de la banda a partir de los 6 mTorr (figura
60
4.13b). Al igual que en el caso de la variación de la potencia, el incremento del tiempo
de depósito muestra una reducción de la banda prohibida desde 3.7 eV
aproximadamente hasta 3.57 eV (figura 4.16c) dando una reducción total de 0.13 eV
justificándose por el corrimiento hacia la derecha de los espectros (incremento de la
región de absorción, ver figura 4.14c), además esta tendencia se observa en el
resultado obtenido por el modelo Moss-Burstein pero la variación ocurre desde 3.85
hasta 3.75 eV obteniendo una variación de 0.1 eV comparable con lo obtenido por el
modelo de Tauc. En esta figura no se incluye la variación del flujo de oxígeno ya que no
se puede comparar el resultado por Tauc con lo que se obtendría por el modelo Moss-
Burstein debido a que no se pudo realizar la medición de Efecto Hall por limitaciones
del instrumento; sin embargo, la estimación a través del modelo de Tauc mostró una
variación desde 3.65 eV a 0 sccm de O2 hasta 3.4 eV promedio (ΔEg=0.25 eV) al
incorporar flujo de oxígeno desde 0.17 hasta 2 sccm de O2.
En el caso del tratamiento térmico (figura 4.16d y e), la banda prohibida óptica se
reduce gradualmente conforme se aumenta la temperatura. Además se puede notar
que incrementar el tiempo del tratamiento térmico no afecta significativamente la
banda ya que se aproximan los valores a 30 y 60 minutos. Esta reducción en la banda
prohibida óptica de las películas tratadas térmicamente se relaciona con el
corrimiento de los espectros de transmitancia (incremento de la región de absorción,
figura 4.15) respecto de la película depositada a temperatura ambiente. Además,
tomando en consideración el modelo Moss-Burstein sobre la concentración de
portadores de este grupo de películas, la banda prohibida obtenida varía desde 3.81
eV hasta 3.51 indicando una reducción parecido a lo obtenido por el método de Tauc.
En conclusión se puede apreciar que la aproximación de la banda prohibida obtenida
por el modelo de Moss-Burstein y el modelo de Tauc coinciden en tres (tiempo de
depósito, temperatura de tratamiento térmico por 30 y 60 minutos) de los cinco
experimentos lo cual indica que los modelos son adecuados para estimar el
comportamiento de la banda. En el caso de la potencia y presión de depósito se puede
considerar un promedio de los valores obtenidos en cada modelo y con esto indicar la
61
variación que existe entre ellos; en el caso de la potencia se tiene una variación de
0.15 eV y para la presión de depósito se tiene una variación 0.1 eV.
d).- AFM.
En esta sección se presentan los resultados de la caracterización por Microscopía de
Fuerza Atómica de películas IZO. En la figura 4.17 se muestra el comportamiento de la
rugosidad promedio de estas películas bajo la influencia de variar la potencia, presión
y tiempo de depósito, y flujo de oxígeno durante el depósito.
10 20 30 4020 40 60 80 100
0
1
2
3
2 4 6 8 0.0 0.3 0.6 0.9
(c)
Condiciones:
60 W
6 mTorr
20 min
Tiempo de
depósito, (min)
Condiciones:
60 W
6 mTorr
(b)
Ru
gosi
dad
Pro
med
io, (
nm
)
Potencia de
depósito, (W)
(a)
Presión de
depósito, (mTorr)
(d)
Flujo de
O2, (sccm)
Figura 4.17 Comportamiento de la rugosidad de películas IZO en función de los parámetros de
depósito.
Se observa que la variación de potencia de 30 W a 80 W no muestra una tendencia
clara en el comportamiento de la rugosidad; sin embargo, la variación de la presión
muestra un incremento de la rugosidad desde 1 mTorr hasta 8 mTorr. Al igual que al
variar la potencia, la variación del tiempo de depósito muestra una variación de la
rugosidad entre 1 y 1.75 nm pero no exhibe una tendencia clara. Al variar el flujo de
oxígeno, la variación de la rugosidad no muestra una tendencia clara aunque la
62
rugosidad es mayor comparada con el tiempo de depósito porque la variación va
desde 0.5 nm hasta 2.5 nm aproximadamente. Es notable que las rugosidades
obtenidas se encuentran por debajo de 3 nanómetros y este resultado es comparable
con otros reportados.18,57,108
e).- XRD.
En esta sección se presentan los resultados de la caracterización por Difracción de
Rayos X de películas IZO. En la figura 4.18 se muestran los espectros de XRD de
películas IZO donde se varió la potencia, presión y tiempo de depósito.
10 20 30 40 50 60
30 Watts
60 Watts
80 Watts
100 Watts
Inte
nsi
dad
dif
ract
ada,
(u
.a.)
1 mTorr
6 mTorr
8 mTorr
10 mTorr
Condiciones:
60 Watts
6 mTorr
(c)
(b)
(a)
Ángulo del haz difractado, 2 (°)
20 minutos
45 minutos
Figura 4.18 Espectros de XRD de películas IZO en función de la (a) potencia, (b) presión y (c) tiempo de
depósito.
63
De este grupo de espectros de XRD se puede señalar que las películas no muestran
picos de difracción característicos para la estructura cristalina de IZO. Es evidente
notar que la forma que presentan los espectros se atribuye al sustrato de vidrio
comparándose con lo reportado por S. Kim et al.15 y con el resultado obtenido de la
caracterización por XRD de un sustrato de cuarzo y de películas IZO depositadas sobre
cuarzo (figura 4.19) que fueron sometidas a tratamientos térmicos.
Se puede observar la formación de un pico que va desde los 30° a 35°
aproximadamente que puede indicar la presencia de película IZO,109 ya que su
incremento en intensidad se puede relacionar con el espesor de la película como en el
caso de las películas depositadas a 100 y 30 watts (figura 4.18a); otro ejemplo se
puede ver en el caso donde se varió el tiempo de depósito de 45 y 20 minutos (figura
4.18c).
En la figura 4.19 se presentan los espectros de XRD de películas IZO donde se varió la
temperatura de tratamiento térmico.
64
10 20 30 40 50 60
61
.50
°
51
.66
°
35
.94
°
30
.96
°
21
.72
°
(62
2)
(44
0)
(40
0)
(21
1)
Inte
nsi
dad
dif
ract
ada,
(u
.a.)
Ángulo del haz difractado, 2 (°)
(22
2)
Depósito a T.A.
Sustrato (Cuarzo)
T.T. a 450°C
T.T. a 350°C
T.T. a 250°C
T.T. a 125°C
Referencia
In2O
3 cúbica
Condiciones: 60 W,
6 mTorr, 20 min
Figura 4.19 Espectros de XRD de películas IZO en función de la temperatura de tratamiento térmico.
En este grupo de espectros se observa claramente que la forma que presentan los
espectros de XRD está relacionada con la forma del espectro de cuarzo, así como se
observó en los espectros anteriores. Es evidente que las películas depositadas a
temperatura ambiente y las tratadas térmicamente a 125°C, 250°C y 350°C no
presentan picos de difracción como los que presenta la película tratada a 450°C. Esta
película muestra cinco picos de difracción distinguibles que coinciden con la
referencia de In2O3 (PDF No. 00-006-0416) para una estructura cúbica que comúnmente
se le conoce como bixbyite.67,103 Además se puede observar que el pico a 30.96° es el
más intenso e indica la orientación preferencial (222) sobre la que se forman los
cristales.
65
De los resultados de XRD presentados se puede concluir que las películas con
variación de potencia, presión, tiempo de depósito y tratadas térmicamente hasta
350°C presentan fase amorfa,15,58 y que la película tratada térmicamente a 450°C
presenta fase cristalina que corresponde a la estructura bixbyite.67,103
4.3.- Caracterización de las Heterouniones fabricadas: IZO/SRO/Si/Al.
En esta sección se presentan y analizan los resultados de la caracterización óptica y
eléctrica de las heterouniones fabricadas.
4.3.1.- Caracterización Óptica.
Durante el proceso de fabricación de las heterouniones, la película de SRO-30
depositada sobre una muestra piloto se caracterizó por Elipsometría y
Fotoluminiscencia. Como resultado de la medición por Elipsometría se obtuvo un
espesor promedio de 80.12 ± 3.92 nm y un índice de refracción promedio de 1.448 ±
0.085. En la figura 4.20 se presenta el espectro de emisión de la película SRO-30 antes
y después del tratamiento térmico a 1100°C por 180 minutos en ambiente N2.
400 500 600 700 800 900 1000
0
25k
50k
75k
100k
125k
150k
400 450 5000
2k
4k
6k
Inte
nsi
dad
fo
tolu
min
isce
nte
, (u
.a.)
Longitud de onda de emisión, (nm)
Película de SRO-30
sin T.T.
con T.T. a 1100°C
por 180 min en N2
Excitación
=300 nm
Longitud de onda de emisión, (nm)
Figura 4.20 Espectro de fotoluminiscencia de la película de SRO-30 con espesor de 80 nm antes y
después del tratamiento térmico excitada con longitud de onda de 300 nm. La gráfica inserta muestra la
intensidad luminiscente centrada a 450 nm.
66
Esta caracterización se realizó para verificar la reproducibilidad de los resultados
mostrados en la sección 4.1b (Fotoluminiscencia de películas SRO). Como se puede
observar en esta figura el espectro de emisión es similar a los obtenidos en la figura
4.1. Por lo que se comprueba que se tiene una película de SRO-30 con una emisión
centrada en 710 nm y una intensidad con valor máximo dentro de lo esperado.
Recordando el procedimiento de fabricación de las heterouniones, una vez que se
corroboró la obtención de la película de SRO-30 con las características esperadas,
sobre ésta se depositó la película de IZO (dos condiciones de depósito diferentes para
fabricar dos heterouniones). Una vez que se realizó el depósito de las películas de IZO
sobre la película de SRO-30, las heterouniones resultantes se caracterizaron por
mediciones de fotoluminiscencia. En la figura 4.21 se presentan los espectros de
emisión de las heterouniones antes y después del tratamiento térmico a 250°C por 30
minutos en ambiente de N2.
400 500 600 700 800 900 1000
0
2k
4k
6k
8k
10k
Excitación
=330nm
Inte
nsi
dad
fo
tolu
min
isce
nte
, (u
.a.)
Longitud de onda de emisión, (nm)
Heterounión con IZO (60W, 6 mTorr, 15 min, 0 sccm O2):
sin T.T.
con T.T. a 250°C por 30 min en N2
Figura 4.21 Espectros de emisión de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al antes y después del tratamiento
térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2.
67
En esta figura los espectros fueron obtenidos excitando las heterouniones con una
longitud de onda de 330 nm para alcanzar la película de SRO debido a que la película
IZO absorbe toda la excitación de 300 nm como se pudo observar en los espectros de
transmitancia, ver figura 4.14c. En la figura 4.21 se presenta la emisión de la
heterounión con película IZO con condición de depósito 1 (60 W, 6 mTorr, 15 min, 0
sccm de O2) porque permite el paso de un 17% aproximadamente de la excitación a
330 nm y la heterounión con película IZO con condición de depósito 2 (60 W, 8 mTorr,
30 min, 0 sccm de O2) no lo permite. En esta figura se puede observar que la emisión
obtenida en la heterounión se ve ligeramente atenuada por el cambio en la
transmitancia de la película IZO tratada térmicamente a 250°C (figura 4.15b) respecto
de la emisión de la heterounión antes del tratamiento térmico. En estos espectros se
logra identificar 3 picos de emisión centrados a 400, 450 y 710 nm.
Las emisiones centradas a 450 y 710 nm se pueden relacionar con defectos o estados
de oxidación,26 como se mencionó en la sección 4.1b, atribuyendo las emisiones a
centros de deficiencia de oxígeno relacionado con Si (Si-ODC) (460 nm) y NBOHC (650
nm),35 respectivamente. Sin embargo, en el espectro de la figura 4.20 (SRO sin película
IZO) no se observa una emisión intensa a 450 nm por lo que la emisión puede
atribuirse a la película de IZO debido a que su composición contiene un 10% de ZnO el
cual puede ser el causante de la emisión a esta longitud de onda ya que está reportado
que vacancias de oxígeno pueden ser las responsables de la emisión azul debido a que
las vacancias producen niveles de defectos donadores que tienen un intervalo de
energía aproximado a 2.8 eV (~443 nm) desde el nivel donador hasta la banda de
valencia.110–112 Por otro lado, la emisión centrada a 400 nm se puede atribuir a
transiciones entre niveles de defectos en el ZnO, que son las transiciones desde niveles
energéticos debidos a átomos de Zinc intersticiales o desde la banda de conducción
hasta niveles energéticos debidos a vacancias de Zinc113 teniendo un intervalo de
energía aproximado de 3.01 a 3.06 eV (~405 a 412 nm).
68
4.3.2.- Caracterización Eléctrica.
En esta sección se presentan los resultados de la caracterización por I-V y C-V de los
dispositivos de las heterouniones fabricadas considerando básicamente a la película
de IZO como un conductor (metal) ya que es semiconductor degenerado, y se dejará
para un trabajo posterior el estudio considerando los efectos de un semiconductor.
4.3.2.1.- Mediciones de I-V.
En la figura 4.22 se presentan las curvas I-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al con
tratamiento térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2 y sometidas al
proceso de fotolitografía de la película IZO.
69
10-13
10-12
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
-60 -40 -20 0 20 40 6010
-13
10-12
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
(b)
Secuencia de polarización:
1: 0 a 15 V
2: 15 a -15 V
3: -15 a 0 V
4: 0 a -30 V
5: -30 a 30 V
6: 30 a 0 V
7: 0 a 45 V
8: 45 a -45 V
9: -45 a 0 V
10: 0 a -55 V
Heterounión con IZO condición 1
(60 W, 6 mTorr, 15 min, 0 sccm O2)
(a)
|Co
rrie
nte
|, (
A)
Voltaje, (V)
Secuencia de polarización:
1: 0 a 10 V
2: 10 a -10 V
3: -10 a 30 V
4: 30 a -30 V
5: -30 a 50 V
6: 50 a -50 V
7: -50 a 70 V
Heterounión con IZO condición 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2)
Figura 4.22 Curvas I-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al tratadas térmicamente a 250°C por 30
minutos en ambiente de N2 y sometidas al proceso de fotolitografía de la película IZO.
En esta figura se muestran las curvas I-V típicas en escala semilogarítmica de los
dispositivos medidos en ambas heterouniones. Se puede observar que en ambas
heterouniones se presenta el mismo comportamiento. La caracterización de los
dispositivos se realizó haciendo barridos de voltaje hasta el punto en que éstos se
dañaban. Lo que se puede señalar del comportamiento en las curvas I-V es que el
mínimo de la corriente se desplaza hacia la derecha o a la izquierda dependiendo del
70
barrido aplicado en la medición. Este desplazamiento del mínimo de la corriente se
puede atribuir al atrapamiento de carga en las heterouniones que se comprobará por
mediciones de C-V. En la figura 4.23 se ilustra este comportamiento tomando como
referencia dos curvas de la medición en la heterounión con película IZO con condición
de depósito 2.
-60 -40 -20 0 20 40 6010
-13
10-12
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Heterounión con IZO condición 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2)
6: 50 a -50 V 7: -50 a 70 V
|Co
rrie
nte
|, (
A)
Voltaje, (V)
Figura 4.23 Curvas I-V de la heterounión con película IZO condición 2 (60 W, 6 mTorr, 15 min, 0 sccm
de O2) tratada térmicamente a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2.
En esta figura se muestran dos secuencias de polarización, en el primer caso se inicia
el barrido con un voltaje de +50 V hasta alcanzar -50 V y con esto se puede observar
que el mínimo de la corriente se desplaza hasta 23 V aproximadamente. Sin embargo,
cuando la secuencia de polarización inicia con un voltaje de -50 V y termina con un
voltaje de +70 V el mínimo de la corriente se desplaza hacia la izquierda hasta cerca
de -1 V. Este comportamiento del desplazamiento del mínimo de la corriente permite
señalar que las heterouniones presentan atrapamiento de carga que puede localizarse
tanto en el volumen de la película SRO como en la interfaz de las películas. Con esto se
puede indicar que la heterounión atrapa carga cuando el mínimo de la corriente se
71
desplaza a la región de voltaje positivo al aplicar un voltaje positivo alto (> 50 V) y
libera la carga cuando el mínimo se encuentra cerca de 0 V al aplicar un voltaje
negativo alto (< -50 V). Es importante señalar que la magnitud del desplazamiento del
mínimo de la corriente depende de la magnitud del voltaje positivo o negativo
aplicado como se puede apreciar en la figura 4.23. Durante la caracterización de las
heterouniones se observó destellos en los dispositivos al aplicar voltajes menores a -
50 V indicando la destrucción del dispositivo además de obtener niveles de corriente
altos aplicando bajos voltajes en mediciones posteriores observándose inclusive la
desaparición del atrapamiento de carga. En la figura 4.24 se presenta la característica
I-V de la heterounión con película IZO de la condición de depósito 2 (60 W, 8 mTorr,
30 min, 0 sccm de O2) para ilustrar el efecto del atrapamiento de carga.
-40 -20 0 20 40
-900
-600
-300
0
300
600
900
I
Corriente, (pA)
Voltaje, (V)
Secuencia de Polarización:
6: 50 a -50 V
7: -50 a 70 V
II
III IV
Figura 4.24 Característica I-V de la heterounión con IZO con condición de depósito 2 (60 W, 8 mTorr,
30 min, 0 sccm O2).
En la figura 4.24 se muestra el plano I-V de la heterounión donde se observan los
cuadrantes de operación y se identifica que opera en los cuadrantes I, III y IV; por lo
que se concluye que tiene el comportamiento de un componente pasivo en los
cuadrantes I y III, y componente activo en el cuadrante IV, es decir, presenta
72
comportamiento de una fuente de potencia. Con base a las curvas I-V de la figura 4.23
y 4.24, se presentan los resultados de los ajustes de los mecanismos de conducción en
las figuras 4.25 a 4.28 separadas por cuadrantes.
1 10 100
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
125k 1.25M 12.5M
Región 2
|Campo Eléctrico|, (V/cm)
7: -50 a 0 V
|Den
sid
ad d
e C
orr
ien
te|,
(A
/cm
2)
|Voltaje|, (V)
Región 1
Figura 4.25 Curva J-V sin atrapamiento de carga de la heterounión con película IZO con condición de
depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) tratada térmicamente a 250°C por 30 minutos en
ambiente de N2 obtenida de -50 a 0 V.
En la figura 4.25 se muestra la curva J-V en escala logarítmica medida de -50 a 0 V. Se
puede observar que hay dos regiones de conducción en la heterounión. En la región 1
se obtuvo ajuste con el modelo de Emisión Poole-Frenkel con una altura de barrera de
0.62 eV, y en la región 2 se obtuvo Emisión Poole-Frenkel con una altura de barrera de
1.58 eV y también Tuneleo Fowler-Nordheim.
73
1 10 10010
-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
125k 1.25M 12.5M
Región 3Región 2
Campo Eléctrico, (V/cm)
7: 0 a 70 V
Den
sid
ad d
e C
orr
ien
te, (
A/c
m2)
Voltaje, (V)
Región 1
Figura 4.26 Curva J-V sin atrapamiento de carga de la heterounión con película IZO con condición de
depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) tratada térmicamente a 250°C por 30 minutos en
ambiente de N2 obtenida de 0 a 70 V.
En la figura 4.26 se muestra la curva J-V en escala logarítmica medida de 0 a 70 V. Se
puede observar que hay tres regiones de conducción en la heterounión. En la región 1
se obtuvo ajuste con el modelo de Conducción Óhmica, en la región 2 se obtuvo
Emisión Poole-Frenkel con una altura de barrera de 0.61 eV, y en la región 3 se obtuvo
Emisión Poole-Frenkel con una altura de barrera de 1.25 eV y también Tuneleo
Fowler-Nordheim.
74
1 10 10010
-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
125k 1.25M 12.5M
Campo Eléctrico, (V/cm)
Región 3
Región 2 6: 50 a 0 V
|Den
sid
ad d
e C
orr
ien
te|,
(A
/cm
2)
Voltaje, (V)
Región 1
Figura 4.27 Curva J-V con atrapamiento de carga de la heterounión con película IZO con condición de
depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) tratada térmicamente a 250°C por 30 minutos en
ambiente de N2 obtenida de 50 a 0 V.
En la figura 4.27 se muestra la curva J-V en escala logarítmica medida de 50 a 0 V. Se
puede observar que hay tres regiones de conducción en la heterounión. En la región 1
se identificó que la heterounión presenta un comportamiento de fuente de potencia,
en la región 2 se obtuvo Emisión Poole-Frenkel con una altura de barrera de 1.15 eV, y
en la región 3 se obtuvo Emisión Poole-Frenkel con una altura de barrera de 1.38 eV y
Tuneleo Fowler-Nordheim.
75
1 10 10010
-8
10-7
10-6
10-5
10-4
125k 1.25M 12.5M
0 4 8 12 16 202.1x10
-8
2.2x10-8
2.3x10-8
2.4x10-8
2.5x10-8
0 500k 1M 2M 2M 3M
Región 3Región 2
|Campo Eléctrico|, (V/cm)
6: 0 a -50 V
|Den
sid
ad d
e C
orr
ien
te|,
(A
/cm
2)
|Voltaje|, (V)
Región 1
|Campo Eléctrico|, (V/cm)
|Den
sid
ad d
e C
orr
ien
te|,
(A
/cm
2)
|Voltaje|, (V)
Figura 4.28 Curva J-V con atrapamiento de carga de la heterounión con película IZO con condición de
depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) tratada térmicamente a 250°C por 30 minutos en
ambiente de N2 obtenida de 0 a -50 V.
En la figura 4.28 se muestra la curva J-V en escala logarítmica medida de 0 a -50 V. Se
puede observar que hay tres regiones de conducción en la heterounión. En la región 1
se obtuvo una relación lineal con una pendiente de 1.44x10-10, en la región 2 se obtuvo
Emisión Poole-Frenkel con una altura de barrera de 0.59 eV, y en la región 3 se obtuvo
Emisión Poole-Frenkel con una altura de barrera de 1.29 eV y Tuneleo Fowler-
Nordheim.
Los estudios de películas de Óxido de Silicio no Estequiométrico (SRO) que se han
realizado hasta el momento proponen que el transporte de carga se atribuye a los
mecanismos de Tuneleo Fowler-Nordheim, Tuneleo asistido por Trampas y Emisión
Poole-Frenkel.24,114 El Tuneleo Fowler-Nordheim se ha propuesto para SROs que
contienen nanocristales o islas de silicio donde los electrones pueden tunelear por
76
efecto del campo eléctrico entre los nanocristales o islas de silicio a través de una
barrera de potencial con forma triangular.114,115 Por otro lado, la Emisión Poole-
Frenkel se ha propuesta también en SROs con nanocristales debido a que los
nanocristales a temperatura ambiente se pueden considerar como trampas que
capturan y emiten electrones.114 En la figura 4.29 se presentan los mecanismos de
conducción mencionados anteriormente.
Figura 4.29 Mecanismos de conducción propuestas para películas de SRO.
Por lo tanto, en base a todo el análisis realizado a las curvas J-V de la heterounión
mediante ajustes matemáticos y teniendo en cuenta que el SRO-30 es rico en trampas
77
(consultar sección 4.3.2.2. Mediciones de C-V) y carente de nanocristales,26 se
concluye que el mecanismo de conducción dominante es Emisión Poole-Frenkel. La
teoría del mecanismo explica que los electrones localizados en trampas pueden saltar
a la banda de conducción del dieléctrico por efecto del campo eléctrico y la energía
adquirida por excitación térmica.82
Sin embargo, de los ajustes realizados también se observa que la corriente tiene un
comportamiento regido por el mecanismo de Conducción Limitada por Carga Espacial
(SCLC). De acuerdo a la teoría del mecanismo SCLC,82 la identificación de una región
triangular en la curva J-V indica la presencia de éste y debe estar sujeta por la ley de
Ohm (J~V), corriente limitada por trampas llenas (JFTL~V2), y la ley de Child (JFTL~V2)
después del incremento abrupto en la corriente; sin embargo, la ley de Child no se
logra observar debido a que los dispositivos se destruyen debido al alto campo
eléctrico ya que a 60 V se observa que hay otro incremento abrupto en la corriente
(figura 4.23) lo que indica que la corriente no está siendo limitada por la carga
espacial, pero si se logra obtener las relaciones J~V en la curva y esto se puede
identificar en el barrido de 0 a 70 V (figura 4.26). La teoría del mecanismo SCLC indica
que la corriente generada durante la aplicación de bajos voltajes se debe a que los
electrones que circulan a través del dieléctrico son generados térmicamente desde
estados en la banda prohibida (ley de Ohm, J~V) debido a que la inyección de
electrones por aplicación del campo eléctrico es muy baja, pero simultáneamente
ocurre un llenado de las trampas en el dieléctrico. Ya que las trampas han sido
llenadas, actúa el comportamiento de corriente limitada por trampas llenas (J~V2)
porque la concentración de electrones inyectados aumenta en el dieléctrico al estar las
trampas llenas incrementando el nivel de Fermi cerca de la banda de conducción.
Cuando esta condición se cumple, los electrones libres provocan un incremento
abrupto en la corriente que circula por el dieléctrico.82
Con base a todo lo descrito anteriormente, las trampas en el SRO deben cargarse
gradualmente durante la Conducción Óhmica (partiendo del principio de operación
del mecanismo SCLC) para que aparezca el mecanismo de Emisión Poole-Frenkel. En
el barrido de voltaje desde -50 a 70 V se observa que la corriente desciende con una
78
pendiente muy alta (figura 4.25 región 2) donde además se identificó la participación
del Tuneleo Fowler-Nordheim, y esto puede significar que debido al alto campo
eléctrico los electrones tienen la suficiente energía para tunelear a través de las
trampas en el SRO en vez de saltar entre ellas; posteriormente al alcanzar la región 1
(figura 4.25) que tiene una relación J~V2 hasta 0 V aproximadamente la Emisión
Poole-Frenkel explica adecuadamente la conducción porque a temperatura ambiente
los electrones pueden saltar de trampa en trampa. Después del cruce por 0 V se
alcanza la región de comportamiento óhmico (figura 4.26 región 1) desde 0 hasta 6V
hasta el punto donde la corriente tiene un comportamiento que obedece la relación de
J~V2 en la región 2 (figura 4.26) donde actúa la Emisión Poole-Frenkel y finalmente se
alcanza la región 3 con una pendiente muy alta en la corriente que incluye la
participación del Tuneleo Fowler-Nordheim. Cabe mencionar que la Emisión Poole-
Frenkel se observó a campos eléctricos >1.875 MV/cm (figuras 4.26 a 4.28 regiones 2
y 3) excepto en la figura 4.25 región 1 ocurre desde campo eléctrico bajo (>125
kV/cm), y el Tuneleo Fowler-Nordheim se observa únicamente a campos eléctricos
altos (>5 MV/cm).
Partiendo de la condición con una corriente alta por la alta concentración de
electrones en el dieléctrico (tomando como base el principio de operación del
mecanismo SCLC), se inicia el barrido de voltaje de 50 a -50 V. Se observa que la
corriente desciende con una pendiente muy alta donde actúan los mecanismos de
Emisión Poole-Frenkel y Tuneleo Fowler-Nordheim hasta alcanzar un campo eléctrico
< 5 MV/cm (región 3 figura 4.27), después la pendiente de la curva de corriente se
reduce ligeramente donde desaparece el Tuneleo Fowler-Nordheim dejando
solamente la Emisión Poole-Frenkel hasta el punto de 23 V. Debido a que la alta
corriente fue generada por la alta concentración de electrones en el dieléctrico, se
observa que el barrido desde 23 V hasta 0 V la corriente cambia de signo indicando
que la heterounión se comporta como un componente activo, es decir, entrega
corriente. La corriente entregada por la heterounión varía desde 1.5x10-9 A/cm2 a 23
V hasta 2.1x10-8 A/cm2 a 0 V aproximadamente. Después de este comportamiento, al
iniciar el barrido con voltaje negativo se observa un comportamiento tipo óhmico
79
(región 1 figura 4.28) desde -1 hasta -18 V que tiene una pendiente de 1.44x10-10 lo
que indica que gradualmente las trampas se vuelven a llenar porque posteriormente
la corriente presenta un cambio con relación J~V2 hasta los -30 V aproximadamente
indicando que las trampas ya han sido llenadas y la conducción se da por la Emisión
Poole-Frenkel hasta que finalmente se observa que la corriente disminuye
abruptamente por la aplicación de voltajes < -30 V. El comportamiento de la corriente
en esta región de 0 a -50 V tiene un comportamiento parecido al observado en la
figura 4.26 indicando que se tiene un comportamiento tipo óhmico y posteriormente
la Emisión Poole-Frenkel (regiones 2 y 3) y Tuneleo Fowler-Nordheim (región 3).
En conclusión, se identificó que el mecanismo de conducción principal es la Emisión
Poole-Frenkel con participación del Tuneleo Fowler-Nordheim. La Emisión Poole-
Frenkel explica adecuadamente la conducción eléctrica ya que las mediciones se
realizaron a temperatura ambiente lo cual aumenta la probabilidad de que los
electrones salten de trampa en trampa.82 Por otro lado, el Tuneleo Fowler-Nordheim
ocurre porque se tiene un campo eléctrico alto que provoca un doblamiento de la
banda de tal forma que los electrones pueden cruzar a través de una barrera
triangular82 lo que significaría que los electrones pueden tunelear de trampa en
trampa.
4.3.2.2.- Mediciones de C-V.
Tomando como base los resultados de la caracterización I-V de las heterouniones, se
realizaron mediciones C-V para conocer el comportamiento de la capacitancia y
determinar la densidad de trampas en el SRO-30. Las heterouniones se midieron en el
siguiente orden: (1) sin aplicar estrés eléctrico, (2) aplicar estrés eléctrico positivo y
(3) aplicar estrés eléctrico negativo.
En la figura 4.30 se presentan las curvas C-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al con
tratamiento térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2 aplicando un estrés
eléctrico positivo y negativo por un lapso de tiempo variable. En las gráficas se
muestra la histéresis ocasionada por la diferencia del voltaje de banda plana.
80
100
200
300
400
500
600
700
800
-30 -20 -10 0 10 20 300
100
200
300
400
500
600
700
800
(b)
Heterounión con IZO condición 1
(60 W, 6 mTorr, 15 min, 0 sccm O2)
Estrés positivo
(+30 V) por:
60 seg (D1)
180 seg (D2)
300 seg (D3)
Estrés negativo
(-30 V) por:
60 seg (D1)
180 seg (D2)
300 seg (D3)
Cap
acit
anci
a, (
pF
)
(a)
Heterounión con IZO condición 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2)
Voltaje, (V)
Estrés negativo
(-30 V) por:
60 seg (D1)
180 seg (D2)
300 seg (D3)
Estrés positivo
(+30 V) por:
60 seg (D1)
180 seg (D2)
300 seg (D3)
Figura 4.30 Curvas C-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al tratadas térmicamente a 250°C por 30
minutos en ambiente de N2 aplicando estrés eléctrico positivo y negativo por un lapso de tiempo.
En esta figura se observa que las heterouniones al ser estresadas eléctricamente
durante la medición C-V muestran una región de histéresis que indica una variación
del voltaje de banda plana. Esta variación del voltaje de banda plana, de acuerdo a la
teoría, se debe a las cargas fijas en la superficie de la interfaz dieléctrico-
semiconductor y cargas espaciales (iones móviles y trampas).83 En el caso de películas
de SRO, el transporte de carga se da entre trampas en el volumen del dieléctrico28 por
lo que se asume que la variación del voltaje de banda plana se debe únicamente a las
81
trampas. Con base en el hecho anterior, se estimó la variación del voltaje de banda
plana y la densidad de trampas en el volumen de la película SRO-30 obteniendo del
análisis un valor de ΔVFB=19.52 V y TFCv=7.02x1017cm-3 respectivamente (consultar
Apéndice D).
En la figura 4.31 se presentan las curvas C-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al
tratadas térmicamente a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2 sin aplicar estrés
eléctrico. El barrido de voltaje se realizó de Inversión hacia Acumulación en todos los
dispositivos.
100
200
300
400
500
600
700
800
-30 -20 -10 0 10 20 300
100
200
300
400
500
600
700
800
Heterounión con IZO condición 1
(60 W, 6 mTorr, 15 min, 0 sccm O2)
Sin estrés eléctrico:
D1
D2
D3
(a)
(b)
Heterounión con IZO condición 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2)
Sin estrés eléctrico:
D1
D2
D3
Cap
acit
anci
a, (
pF
)
Voltaje, (V)
Figura 4.31 Curvas C-V de las heterouniones IZO/SRO/Si/Al tratadas térmicamente a 250°C por 30
minutos en ambiente de N2 sin aplicar estrés eléctrico.
82
En esta figura se observa que las heterouniones al no ser estresadas eléctricamente
presentan variaciones en la capacitancia de Acumulación e Inversión. Este efecto es
más notorio en la heterounión con película IZO de la condición de depósito 2 (60 W, 8
mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) ya que la mayoría de los dispositivos medidos
mostraron este comportamiento (figura 4.31b). Tomando como base que la
conducción en la heterounión ocurre por efecto de las trampas y que se estimó su
densidad con un valor del orden de 1017 cm-3, al iniciar la medición en la región de
Inversión (figura 4.30b) se observa que la capacitancia obtenida es menor debido al
empobrecimiento profundo. Está documentado116 que este efecto ocurre porque la
frecuencia de la rampa de voltaje aplicado es alta en relación a la velocidad de la
generación de pares electrón-hueco por lo que la región de donadores ionizados se
incrementa para compensar la carga en el electrodo; sin embargo, en el caso de la
heterounión es posible que los electrones localizados en la superficie del silicio tipo p
se desplacen hacia las trampas en el SRO provocando que no se forme la región de
inversión lo que genera un incremento en la región de donadores ionizados y esto se
debe posiblemente a que las trampas en la película de SRO se encuentran vacías
después del proceso de fabricación.
Partiendo de lo establecido anteriormente, cuando se alcanza la región de
Acumulación (aglomeración de huecos en el silicio) los electrones en el IZO se deben
acumular y formar una capa en la superficie cercana a la interfaz IZO-SRO pero éstos
interactúan con las trampas en el SRO provocando que haya una disminución en la
capacitancia. Después que las trampas han sido llenadas, la capacitancia en
Acumulación se incrementa cerca de los 730 pF (ver figura 4.31b). Por esta razón en
las curvas C-V de las heterouniones medidas con estrés eléctrico ya no se observan
variaciones en la capacitancia. En analogía a las variaciones que se presentan en la
capacitancia de las heterouniones fabricadas, está reportado117 que en heterouniones
con monocapa de SRO con Ro=10 y electrodo de aluminio, la capacitancia presenta
saltos (reducción y restablecimiento) debido a la interacción de los electrones con los
nanocristales embebidos en la matriz de SiO2; la reducción en la capacitancia ocurre
83
cuando los electrones son inyectados en los nanocristales vacíos y se restablece
cuando los electrones no pueden inyectarse en los nanocristales cargados.
Haciendo comparación entre ambas heterouniones, se observa que este
comportamiento de la capacitancia se presenta en su mayoría en la heterounión con
película IZO de la condición de depósito 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) ya
que entre ambas heterouniones lo único que cambia es la condición de depósito de la
película IZO. Partiendo de esto, se puede deducir que las propiedades de la película
IZO ocasionan que este efecto en la capacitancia se presente. En las figuras 4.8 y 4.9 se
puede observar que si se deposita una película de IZO con una presión de 6 mTorr
respecto de una de 8 mTorr, la concentración y movilidad de los portadores es mayor
en la de 6 mTorr que en la de 8 mTorr, además si se deposita con un tiempo de 15 min
la concentración de portadores es mayor respecto de la de 30 minutos. En base a esto,
se puede concluir que en la heterounión con película IZO de la condición de depósito 1
(60 W, 6 mTorr, 15 min, 0 sccm de O2) no se presentan variaciones en la capacitancia
porque la concentración de portadores y su movilidad es mayor que en la heterounión
con película IZO de la condición 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) debido a que
hay suficientes electrones con una movilidad que les permite responder rápido a la
frecuencia de la rampa de voltaje aplicado compensando las variaciones ocasionadas
por la interacción con las trampas en el SRO.
En conclusión, se puede decir que ambas heterouniones presentan el mismo efecto de
atrapamiento de carga con una variación del voltaje de banda plana aproximado entre
ellas (figura 4.30) a pesar de que las propiedades eléctricas en la película IZO no son
las mismas.
84
Capítulo 5. Conclusiones y Trabajo Futuro
Conclusiones
Se logró el depósito y caracterización de películas SRO-30 (5% de exceso de silicio)
obteniendo de este estudio una película con un espesor adecuado para fabricar la
heterounión IZO/SRO/Si/Al.
Se logró el depósito y caracterización de películas IZO (óxido de indio dopado con
zinc) obteniendo de este estudio películas con una resistividad en el orden de 10-4 Ω-
cm y una transmitancia mayor al 80% en la región visible del espectro
electromagnético. Además, estas propiedades eléctricas y ópticas se pueden obtener a
temperatura ambiente de depósito usando un sistema RF Magnetrón Sputtering.
Se logró el depósito y caracterización de películas AZO (óxido de zinc dopado con
aluminio) obteniendo de este estudio películas con una resistividad en el orden de
10-1 Ω-cm y una transmitancia mayor igual al 85% en la región visible del espectro
electromagnético, inclusive mayor que la transmitancia en películas IZO. Sin embargo,
esta resistividad es alta comparada con lo reportado actualmente (10-3 Ω-cm ó 10-4 Ω-
cm) siendo esta la razón por la que no se utilizó para fabricar dispositivos
AZO/SRO/Si/Al.
En base al estudio de películas SRO-30 e IZO, se logró la fabricación y caracterización
de dispositivos de la heterounión IZO/SRO/Si/Al utilizando dos condiciones de
depósito de película IZO. La medición I-V mostró que las heterouniones atrapan carga
al ser polarizadas con voltaje positivo observando un corrimiento del mínimo de la
corriente hasta 23 V. Además se observó destrucción del electrodo IZO durante la
medición obteniendo niveles altos de corrientes junto con la desaparición del
atrapamiento de carga. El atrapamiento de carga de las heterouniones fue
comprobado por mediciones de C-V al observar histéresis en las curvas y con esto se
85
estimó la densidad de trampas en el volumen del SRO con un valor en el orden de 1017
cm-3 y una diferencia del voltaje de banda plana de 19.52 V aplicando un estrés
eléctrico de ±30 V durante la medición.
Mediante ajustes matemáticos a las curvas I-V con y sin atrapamiento de carga, se
determinaron los mecanismos de conducción que rigen en este tipo de heterounión.
Éstos son Conducción Óhmica, Emisión Poole-Frenkel y Tuneleo Fowler-Nordheim
donde la Emisión Poole-Frenkel es la principal. Se identificó que el mecanismo de
Conducción Óhmica ocurre a campos eléctricos bajos, la Emisión Poole-Frenkel a
campos eléctricos intermedios y altos, y el Tuneleo Fowler-Nordheim a campos
eléctricos altos.
Haciendo referencia al proceso de fabricación de las heterouniones, se considera que
ambas presentan las mismas condiciones que son una película de SRO-30 con la mejor
propiedad luminiscente y una película IZO con una resistividad de 10-4 Ω-cm y
transmitancia mayor al 80% con un tratamiento térmico a 250°C por 30 minutos en
ambiente de N2. Sin embargo, la heterounión 1 (IZO de 60 W, 6 mTorr, 15 min, 0 sccm
O2) presenta menor tolerancia al manejo de corriente ya que el electrodo de IZO se
destruye a un nivel bajo de voltaje comparado con la heterounión 2 (IZO de 60 W, 8
mTorr, 30 min, 0 sccm O2). Además la heterounión 1 mostró emisiones
fotoluminiscentes a 400, 450 y 710 nm debido a las propiedades ópticas de la película
IZO, por el contrario, la heterounión 2 no fue excitada ópticamente debido al alto
espesor de la película IZO.
En base a los resultados de la caracterización eléctrica y óptica de las heterouniones,
se considera que ambas no son aplicables para fabricar dispositivos
electroluminiscentes ya que no mostraron emisión visible durante la medición I-V a
pesar de que presentan emisión por excitación óptica como se mencionó
anteriormente. El atrapamiento de carga observado durante la medición I-V y C-V es
una propiedad de la película SRO lo que la vuelve un candidato para la fabricación de
memorias no volátiles. Estas heterouniones pueden utilizarse para estudiar los
86
mecanismos de inyección y relajación de carga, y posiblemente fabricar dispositivos
IZO/SRO/SiO2/Si/Al para conocer sus propiedades como memoria no volátil de
compuerta flotante. La aplicabilidad de las heterouniones como celda fotovoltaica
debe verificarse mediante la adecuada medición I-V bajo iluminación con simulador
solar. En la literatura se puede encontrar estudios enfocados a mejorar la eficiencia de
las celdas fotovoltaicas al incorporar una película de SRO ya que ésta tiene la
propiedad óptica de absorber radiación UV reemitiendo la energía absorbida como luz
roja ofreciendo un incremento en la eficiencia de conversión energética de celdas
fotovoltaicas basadas en silicio debido a que tienen una gran respuesta en el rango
espectral de los 500 a 1000 nm.
Trabajo Futuro
Con el objeto de obtener electroluminiscencia en heterouniones IZO/SRO/Si/Al, se
propone:
Fabricar dispositivos con espesores menores de película de SRO-30 para ser
operados con bajos voltajes y evitar la destrucción de la película de IZO.
Fabricar dispositivos usando una película de SRO con mayor exceso de silicio
(Ro < 30) para aumentar la conductividad de la película y reducir los voltajes
de operación.
Fabricar dispositivos de heterouniones IZO/Capa Inyectora/SRO/Si/Al para
mejorar la inyección de portadores de carga en la película de SRO.
Fabricar dispositivos de heterouniones AZO/SRO/Si/Al para determinar la
aplicabilidad de la película de AZO como electrodo sobre la película de SRO ya
que no se ha reportado en la literatura.
Caracterizar las heterouniones fabricadas por mediciones I-V bajo iluminación de un
simulador solar para determinar su aplicabilidad como celda fotovoltaica.
Estudiar los mecanismos de inyección y relajación de carga en heterouniones
IZO/SRO/Si/Al para determinar su aplicación como memoria no volátil y en base al
estudio proponer una estructura que cumpla esta función.
87
Apéndice A Condiciones de Depósito y Resultados de la
Caracterización de Películas AZO
Las películas de AZO fueron depositadas por la técnica RF Magnetrón Sputtering con
un equipo marca Alcatel modelo A 450 (ver figura 3.9), mismo que se usó para
depositar las películas de IZO. Como sustratos se usó vidrios portaobjetos Corning
2947 de 2.5x7.5 cm. Previo al depósito, los sustratos fueron limpiados a través de un
desengrasado estándar (ver Apéndice C).
El depósito de películas AZO se realizó utilizando un blanco (marca Kurt J. Lesker) de
composición 98% ZnO y 2% Al2O3, una presión base de 5x10-6 mbar (3.75x10-6 Torr) y
un flujo de Ar de 5 sccm. Las condiciones usadas para el depósito de las películas AZO
se describen en la siguiente tabla:
Tabla A.1 Condiciones de depósito para películas AZO.
Grupo Potencia
[W]
Presión
[mTorr]
Tiempo
[minutos] Temperatura
Flujo de O2
[sccm]
1
10
6 20 Ambiente 0
20
30
60
80
100
250
450
2
30
20 20 Ambiente 0
60
100
150
250
450
3
60
35 20 Ambiente 0 100
150
88
4 30
1
20 Ambiente 0 6
20
5 30 6
10
Ambiente 0 20
30
45
1a
30
6 20 Ambiente 0 60
80
100
2a 30
20 20 Ambiente 0 60
Los Grupos 1a y 2a se sometieron a tratamientos térmicos descritos en la siguiente
tabla:
Tabla A.2 Condiciones de Tratamiento Térmico a películas AZO.
Grupo Temperatura de Tratamiento
[°C]
Tiempo de Tratamiento
[minutos]
1a 250 30
60
2a-1 250 30
60
2a-2 400 30
60
Cabe señalar que no se pudo utilizar el calefactor del equipo Sputtering Alcatel A 450
debido a que se encontraba fuera de servicio, por tal razón se realizaron los
tratamientos térmicos en ambiente de N2.
A continuación se presentan los resultados de la caracterización de estas películas. La
caracterización se realizó por 4 Puntas y Transmitancia para conocer sus propiedades
eléctricas y ópticas. Sin embargo, por cuestiones de tiempo sólo se caracterizaron
algunos grupos de muestras para determinar si se obtenían las propiedades
89
reportadas en la literatura especializada (resistividad en el orden de 10-3 o 10-4 Ω-cm
y transmitancia mayor al 80%).12,13,118–120
En la figura A.1 se presentan los resultados de la caracterización por 4 Puntas de las
películas AZO donde se varió la potencia, presión y tiempo de depósito.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
103
104
105
106
107
108
109
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
103
104
105
106
0 3 6 9 12 15 18 2110
4
105
106
107
108
5 10 15 20 25 30 35 40 45 5010
4
105
106
107
108
(c)
(b)
(d)
Potencia, (Watts)
Depósito T.A.
T.T. a 250°C por 30 min
T.T. a 250°C por 60 min
(a)
Potencia, (Watts)
Depósito T.A.
T.T. a 250°C por 30 min
T.T. a 250°C por 60 min
T.T. a 400°C por 30 min
T.T. a 400°C por 60 min
Depósito T.A.
Res
iste
nci
a d
e h
oja
, Rsh
(
/sq
)
Presión de depósito, (mTorr)
Depósito T.A.
Tiempo de depósito, (minutos)
Condiciones: 6 mTorr, 20 min
Condiciones: 20 mTorr, 20 min
Condiciones: 30 W, 20 min
Condiciones: 30 W, 6 mTorr
Figura A.1 Resistencia de hoja de películas AZO en función de la (a, d) potencia sin y con tratamiento
térmico a 250 y 400°C por 30 y 60 minutos en ambiente deN2, (b) presión y (c) tiempo de depósito.
90
En la figura A.1 se puede observar que la resistencia de hoja para todas las películas
AZO varía del orden de 108 a 103 Ω/□ mostrando que se tiene una resistencia muy alta
comparada con la obtenida en películas IZO (>100 Ω/□). En la figura A.1a se puede
observar que fijando la presión a 6 mTorr, 20 minutos y temperatura ambiente de
depósito, la resistencia de hoja no presenta una tendencia clara ya que parte de 105
Ω/□ aumentando hasta 108 Ω/□ a 100 W y después disminuye hasta 104 Ω/□ al
incrementar la potencia a 450 W. Las películas depositadas a 30, 60, 80 y 100 W se
sometieron a tratamiento térmico a 250°C por 30 y 60 minutos en ambiente de N 2
para determinar el efecto del tratamiento térmico en la resistencia porque las
películas depositadas a 250 y 450 W mostraron opacidad a simple vista. Se puede
observar que la resistencia de hoja disminuye ligeramente hasta alcanzar 4x104 Ω/□
para la película depositada a 60 W, 6 mTorr, 20 minutos con tratamiento térmico a
250°C por 60 minutos.
En base al resultado de la resistencia de hoja obtenida en la figura A.1a, se escogió 30
W, 20 minutos y temperatura ambiente para conocer el efecto de la presión de
depósito en la resistencia de hoja, ver figura A.1b. En esta figura se puede observar
que la resistencia de hoja disminuye desde 108 a 105 Ω/□ aproximadamente. El
resultado muestra que hay una posible tendencia de reducir la resistencia de hoja al
incrementar la presión de depósito sin considerar el punto a 6 mTorr.
En base al resultado de la resistencia de hoja obtenida en la figura A.1a, se escogió 30
W, 6 mTorr y temperatura ambiente para conocer el efecto del tiempo de depósito en
la resistencia de hoja, ver figura A.1c. En esta figura se puede observar que la
resistencia de hoja disminuye desde 108 hasta 105 Ω/□ en 20 minutos manteniéndose
constante hasta los 45 minutos. Esto indica que la resistencia no se reduce por
incrementar el espesor de película.
En consecuencia de los resultados obtenidos hasta este punto, se optó por realizar
depósitos a 20 mTorr, 20 minutos y temperatura ambiente para conocer el efecto de
la potencia de depósito, figura A.1d. En la figura se puede observar que la resistencia
de hoja se reduce desde 105 hasta 103 Ω/□ conforme aumenta la potencia de depósito
desde 30 W hasta 450 W. En comparación con los depósitos a 6 mTorr, 20 minutos y
temperatura ambiente, se puede observar que hay una ligera reducción, un orden de
91
magnitud, en las películas depositadas a 60, 250 y 450 W. De este grupo de películas
se escogieron las depositadas a 30 y 60 W para ser sometidas a tratamiento térmico
porque las depositadas a 250 y 450 W mostraron opacidad a simple vista. En la figura
se puede observar que la resistencia de hoja para la película depositada a 30 W se
reduce en comparación con la depositada a 60 W para tratamientos térmicos a 250°C
por 30 y 60 minutos en ambiente de N2. Sin embargo, al incrementar la temperatura
del tratamiento térmico se observa que la resistencia de hoja se empieza a
incrementar indicando que no es una temperatura adecuada.
Tomando como base todos estos resultados, se obtuvo la resistividad de las películas
donde se varió la potencia de depósito a una presión de 6 y 20 mTorr con un tiempo
de depósito de 20 minutos.
En la figura A.2 se presenta el comportamiento de la resistividad obtenida por 4
Puntas de las películas AZO donde se varió la potencia de depósito.
10-2
10-1
100
101
102
103
104
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 50010
-2
10-1
100
101
(a)
(b)
Res
isti
vid
ad, (
-cm
)
Potencia, (Watts)
Depósito T.A.
T.T. a 250°C por 30 min
T.T. a 250°C por 60 min
Condiciones: 6 mTorr, 20 min
Condiciones: 20 mTorr, 20 min
Depósito T.A.
T.T. a 250°C (30 min)
T.T. a 250°C (60 min)
T.T. a 400°C (30 min)
T.T. a 400°C (60 min)
Figura A.2 Resistividad de películas AZO en función de la (a, b) potencia sin y con tratamiento térmico
a 250 y 400°C por 30 y 60 minutos en ambiente de N2.
92
En la figura A.2 se puede observar que la resistividad de las películas AZO varía del
orden de 103 a 10-1 Ω/□ lo cual muestra que se tiene una resistividad muy alta
comparada con la obtenida en películas IZO (orden de 10-4 Ω-cm). En la figura A.2a se
puede observar que la resistividad varía desde 103 hasta 7x10-1 Ω-cm fijando la
presión a 6 mTorr, 20 minutos y temperatura ambiente de depósito, y no presenta una
tendencia clara como se observó en la resistencia de hoja. Se observa que la menor
resistividad obtenida para estas películas se encuentra en 7x10-1 Ω-cm depositada a
60 W, 6 mTorr, 20 minutos a temperatura ambiente con tratamiento térmico a 250°C
por 60 minutos en ambiente de N2.
En la figura A.2b se puede observar que la resistividad varía desde 100 hasta 10-1 Ω-
cm. Se observa que la resistividad obtenida a temperatura ambiente varía entre 6 y
8x10-1 Ω-cm desde 30 hasta 250 W y se reduce a 9x10-2 Ω-cm a 450 W. Como las
películas depositadas a 250 y 450 W mostraron opacidad, no fueron sometidas al
tratamiento térmico. Con esto se observa que la resistividad de la película depositada
a 30 W, 20 mTorr, 20 minutos a temperatura ambiente con tratamiento térmico a
250°C por 30 y 60 minutos en ambiente de N2 mostró una resistividad de 2x10-1 Ω-cm.
En la figura A.3 se presentan los resultados de la caracterización por Transmitancia
óptica de las películas AZO donde se varió la potencia, presión y tiempo de depósito.
93
0
20
40
60
80
100
200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100(c)
(b)
(d)
10 W 80 W
20 W 100 W
30 W 250 W
60 W 450 W
Condiciones: 6 mTorr, 20 min
(a)
30 W
60 W
250 W
450 W
Longitud de onda, (nm)
Condiciones: 20 mTorr, 20 min
Tra
nsm
itan
cia,
(%
)
1 mTorr
6 mTorr
20 mTorr
Condiciones: 30 W, 20 min
10 min
20 min
30 min
45 min
Condiciones: 30 W, 6 mTorr
Figura A.3 Transmitancia de películas AZO en función de la (a, b) potencia, (c) presión y (d) tiempo de
depósito depositadas a temperatura ambiente.
En estos grupos de espectros de transmitancia se puede observar que presentan un
porcentaje mayor al 80% a cualquier longitud de onda desde los 400 nm hasta los 900
nm viéndose afectado por el espesor de las películas.
94
En el caso de las películas donde se varió la potencia y el tiempo de depósito se genera
un corrimiento de los espectros hacia la derecha reduciendo la región de
transmitancia y modificación del porcentaje debido al incremento del espesor (en
analogía como sucedió con películas IZO) como se puede observar en las figuras A.3a,
c y d; por el contrario, los espectros de transmitancia de películas con variación de la
presión durante el depósito muestran corrimiento hacia la izquierda ya que es posible
que el espesor disminuye conforme aumenta la presión de depósito, ver figura A.3b.
Por lo que estos corrimientos de los espectros se pueden relacionar con el aumento o
reducción de la absorbancia en las películas ya que el coeficiente de absorción está
relacionado con el espesor de la película como se mostró en el estudio de películas IZO
en la ecuación 4.6.
En conclusión, se depositaron y caracterizaron películas AZO, y se obtuvo del estudio
una película con una resistividad del orden de 2x10-1 Ω-cm y una transmitancia mayor
al 80% con condiciones de depósito de 30 W, 20 mTorr, 20 minutos a temperatura
ambiente con tratamiento térmico a 250°C por 30 o 60 minutos en ambiente de N2.
95
Apéndice B Proceso de Limpieza de obleas de Silicio
El proceso de limpieza de las obleas de silicio utilizado en el laboratorio de
Microelectrónica del INAOE consiste en:
1. Desengrasado
a) Limpiar obleas en tricloroetileno (TCE) por 10 minutos en vibrador
ultrasónico.
b) Limpiar obleas en acetona por 10 minutos en vibrador ultrasónico.
c) Enjuagar en agua desionizada dos veces.
2. Limpieza RCA
a) Llenar los vasos de precipitados designados para RCA1 y RCA2 con 183.5 ml y
191.8 ml de agua desionizada respectivamente, y calentar entre 75°C y 80°C.
b) Verter 30.6 ml de hidróxido de amonia (NH4OH) y después 46 ml de peróxido
de hidrógeno (H2O2) en el vaso de RCA1 ya que se alcanzó la temperatura.
c) Sumergir las obleas por 17 minutos en la solución RCA1.
d) Sumergir las obleas en agua desionizada y realizar un enjuague.
e) Verter 41 ml de H2O2 y 27.4 ml de ácido clorhídrico (HCl) en el vaso RCA2 ya
que se alcanzó la temperatura.
f) Sumergir las obleas por 17 minutos en la solución RCA2.
g) Sumergir las obleas en agua desionizada y realizar dos enjuagues.
h) Secar las obleas por 3 minutos en la máquina centrífuga.
3. Eliminación de Óxido
a) Verter ácido fluorhídrico (HF) y agua desionizada en un vaso de precipitados
de plástico designado para HF en una proporción de 1 a 7 y sumergir las obleas
por 10 segundos.
b) Sumergir en agua desionizada y realizar dos enjuagues.
96
4. Enjuague en Super Q y Secado
a) Introducir las obleas en sistema Super Q para eliminar residuos químicos hasta
alcanzar una resistividad entre 10 y 18 MΩ-cm.
b) Secar las obleas en la máquina centrífuga.
97
Apéndice C Proceso de Limpieza de vidrios y cuarzos
El proceso de limpieza de vidrios y cuarzos utilizado en el laboratorio de
Microelectrónica del INAOE consiste en:
1. Sumergir los sustratos por 10 minutos en tricloroetileno (TCE) dentro del
vibrador ultrasónico.
2. Sumergir los sustratos por 10 minutos en acetona dentro del vibrador
ultrasónico.
3. Realizar 2 enjuagues con agua desionizada.
4. Sumergir los sustratos en metanol.
5. Secar los sustratos en máquina centrífuga.
98
Apéndice D Análisis de Curvas C-V
Para el análisis de la Curvas C-V de las heterouniones fabricadas, se seleccionó la
curva C-V de la heterounión que tiene una película IZO con la condición de depósito 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm de O2) y que fue estresada por 180 segundos, ya que
ésta muestra las regiones de Acumulación, Empobrecimiento e Inversión definidas en
las curvas de estrés positivo y negativo. A continuación se muestra en la gráfica:
-30 -20 -10 0 10 20 30
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Cap
acit
anci
a (p
F)
Voltaje (V)
Sin estres
Estres positivo (30 V por 180 seg)
Estres negativo (-30V por 180 seg)
Figura D.1 Gráfica C-V de estrés por 180 segundos de la heterounión con película IZO de la condición 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2) con tratamiento térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2.
Para iniciar el análisis se requiere determinar la constante dieléctrica del SRO-30. Ésta
se puede estimar usando la fórmula de un capacitor de placas paralelas tomando en
cuenta la capacitancia de acumulación:115
165.41085.8015625.0
1080720
142
7
cmFxcm
cmxpF
A
tC
o
SROSRO
SRO
99
El presente cálculo utiliza las siguientes constantes:116
εo= permitividad del vacío, (8.85x10-14 F/cm)
εSRO= constante dieléctrica del SRO-30, (4.165)
A= área del capacitor, (0.015625 cm2)
εSi= constante dieléctrica del Si empobrecido, (11.7)
ni= concentración intrínseca de portadores a 300K, (1.45x1010 cm-3)
NB= concentración de impurezas en el volumen
K= constante de Boltzmann, (1.3805x10-23 J/K)
q= carga del electrón, (1.602x10-19 C)
En base al análisis de una curva C-V desarrollado por De la Hidalga Wade,116 se
procede a separar la gráfica en dos partes y analizar las curvas independientemente.
1. Determinación del voltaje de banda plana para un Capacitor tipo P
empleando la curva de estrés negativo:
Se identifican las tres regiones de operación del capacitor, la capacitancia máxima y
mínima del óxido, y determina el voltaje de umbral.
100
-30 -20 -10 0 10 20
0
100
200
300
400
500
600
700
800
VT~ -5.9 V
EmpobrecimientoInversión
Cmín
~ 240 pF
Cap
acit
anci
a (p
F)
Voltaje (V)
Estres negativo (-30V por 180 seg)
Cmáx
~ 720 pF
Acumulación
Figura D.2 Gráfica C-V de estrés por 180 segundos de la heterounión con película IZO de la condición 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2) con tratamiento térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2.
Se identificaron las tres regiones de operación del capacitor de la curva (Figura D.2):
Acumulación, Empobrecimiento e Inversión. De esta gráfica se extrajeron los
siguientes parámetros:
Cmáx = Cox = 720 pF
Cmín = 240 pF
VT = -5.9 V
Determinación del voltaje de banda plana:
1.1.- Calcular la capacitancia diferencial de inversión (CDinv) y calcular el ancho
máximo de la región de empobrecimiento (XDmax):
pFpFpF
pFpF
CC
CCCDinv 360
240720
240720
minmax
minmax
101
cmxFx
cmFx
cmC
AXDinv
Sio
D
4
12
14
2
max 1045.010360
7.111085.8015625.0
1.2.- Para hallar la concentración de impurezas en el volumen (NB):
i
B
D
Sio
Bn
N
Xq
KTN ln
42
max
2
3-1024219
23-14
cm 1.45x10ln
1045.010602.1
300K
J 1.3805x107.111085.84
B
B
N
cmxCx
Kcm
Fx
N
31510158.4 cmxNB
1.3.- Calcular la longitud de Debye (LD):
315219
23-14
210158.410602.1
300K
J 1.3805x10165.41085.8
cmxCx
Kcm
Fx
Nq
KTL
B
SROo
D
cmxcmxLD
46 1003782.010782.3
1.4.- Calcular la capacitancia diferencial de banda plana (CDFB) y calcular la
capacitancia de banda plana (CFB):
nFcmx
cm
Fx
cmL
ACD
Sio
DFB 278.41003782.0
7.111085.8
015625.04
14
2
102
pFpFpF
pFpF
CC
CCC
DFB
DFB
FB 3.6164278720
4278720
max
max
1.5.- Determinar en la curva CV el valor de voltaje que corresponde a la capacitancia
de banda plana (CFB) calculada; esto proporciona el valor de voltaje de banda plana
(VFB):
-30 -20 -10 0 10 20
0
100
200
300
400
500
600
700
800
VFB
~ -10.37 V
CFB
~ 616.3 pF
VT~ -5.9 V
EmpobrecimientoInversión
Cmín
~ 240 pF
Cap
acit
anci
a (p
F)
Voltaje (V)
Cmáx
~ 720 pF
Acumulación
Estres negativo (-30V por 180 seg)
Figura D.3 Determinación del voltaje de banda plana de la gráfica C-V de estrés por 180 segundos de la
heterounión con película IZO de la condición 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2) con tratamiento
térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2.
1.6.- El resultado final del análisis determinó que el voltaje de banda plana (VFB) para
la curva de estrés negativo es de -10.37 V.
2. Determinación del voltaje de banda plana para un Capacitor tipo P
empleando la curva de estrés positivo:
Se identifican las tres regiones de operación del capacitor, la capacitancia máxima y
mínima del óxido, y determina el voltaje de umbral.
103
-10 0 10 20 30
0
100
200
300
400
500
600
700
800
VT~ 12.6 V
EmpobrecimientoInversión
Cmín
~ 240 pF
Cap
acit
anci
a (p
F)
Voltaje (V)
Estres positivo (30 V por 180 seg)
Cmáx
~ 720 pF
Acumulación
Figura D.4 Gráfica C-V de estrés por 180 segundos de la heterounión con película IZO de la condición 2
(60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2) con tratamiento térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2.
Se identificaron las tres regiones de operación del capacitor de la curva (Figura D.4):
Acumulación, Empobrecimiento e Inversión. De esta gráfica se extrajeron los
siguientes parámetros:
Cmáx = Cox = 720 pF
Cmín = 240 pF
VT = 12.6 V
Determinación del voltaje de banda plana:
2.1.- Calcular la capacitancia diferencial de inversión (CDinv) y calcular el ancho
máximo de la región de empobrecimiento (XDmax):
pFpFpF
pFpF
CC
CCCDinv 360
240720
240720
minmax
minmax
104
cmxFx
cmFx
cmC
AXDinv
Sio
D
4
12
14
2
max 1045.010360
7.111085.8015625.0
2.2.- Para hallar la concentración de impurezas en el volumen (NB):
i
B
D
Sio
Bn
N
Xq
KTN ln
42
max
2
3-1024219
23-14
cm 1.45x10ln
1045.010602.1
300K
J 1.3805x107.111085.84
B
B
N
cmxCx
Kcm
Fx
N
31510158.4 cmxNB
2.3.- Calcular la longitud de Debye (LD):
315219
23-14
210158.410602.1
300K
J 1.3805x10165.41085.8
cmxCx
Kcm
Fx
Nq
KTL
B
SROo
D
cmxcmxLD
46 1003782.010782.3
2.4.- Calcular la capacitancia diferencial de banda plana (CDFB) y calcular la
capacitancia de banda plana (CFB):
105
nFcmx
cm
Fx
cmL
ACD
Sio
DFB 278.41003782.0
7.111085.8
015625.04
14
2
pFpFpF
pFpF
CC
CCC
DFB
DFB
FB 3.6164278720
4278720
max
max
2.5.- Determinar en la curva CV el valor de voltaje que corresponde a la capacitancia
de banda plana (CFB) calculada; esto proporciona el valor de voltaje de banda plana
(VFB):
-10 0 10 20 30
0
100
200
300
400
500
600
700
800
VFB
~ 9.15 V
CFB
~ 616.3 pF
VT~ 12.6 V
EmpobrecimientoInversión
Cmín
~ 240 pF
Cap
acit
anci
a (p
F)
Voltaje (V)
Cmáx
~ 720 pF
Acumulación
Estres positivo (30 V por 180 seg)
Figura D.5 Determinación del voltaje de banda plana de la gráfica C-V de estrés por 180 segundos de la
heterounión con película IZO de la condición 2 (60 W, 8 mTorr, 30 min, 0 sccm O2) con tratamiento
térmico a 250°C por 30 minutos en ambiente de N2.
2.6.- El resultado final del análisis determinó que el voltaje de banda plana (VFB) para
la curva de estrés positivo es de 9.15 V.
106
3. Cálculo de la densidad de trampas en el SRO
En base al análisis desarrollado para estructuras Al/SRO/Si115 y estructuras MOS,83 se
utilizará un modelo matemático para determinar la densidad superficial y volumétrica
de trampas en el SRO-30. En el modelo mostrado a continuación, C es la capacitancia
en acumulación expresada en F/cm2, q es la carga del electrón, TFC es la densidad
superficial de trampas expresada en cm-2 y TFCv es la densidad volumétrica de trampas
expresada en cm-3. Para ΔV se utilizarán los voltajes de banda plana obtenidos del
análisis desarrollado anteriormente.
Densidad superficial de trampas en el SRO:
212
19210614.5
10602.1
37.1015.9
015625.0
720
cmx
Cx
VV
cm
pF
q
VCTFC
Densidad volumétrica de trampas en el SRO:
317
7
212
1002.71080
10614.5
cmxcmx
cmx
t
TT
SRO
FCFCv
107
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