Sputtered tin oxide and titanium oxide thin films as alternative transparent conductive oxides

Boltz, Janika; Wuttig, Matthias

doi:31514

Sputtered tin oxide and titanium oxide thin films as alternative transparent conductive oxides = Gesputterte Zinnoxid- und Titanoxid-Dünnschichten als alternative transparent leitfähige Oxide

Boltz, Janika (Author)

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Janika Boltz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangXII, 148, IX S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-12-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39127
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62894/files/3912.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dünne Schicht (Genormte SW) ; Zinnoxid <Zinn(II)-oxid> (Genormte SW) ; Zinndioxid (Genormte SW) ; Titandioxid (Genormte SW) ; Physik (frei) ; transparent leitfähige Oxide (frei) ; Dünnschichten (frei) ; reaktive Sputter-Deposition (frei) ; Zinnoxid (frei) ; Zinnmonoxid (frei) ; Titanoxid (frei) ; SnO2 (frei) ; TiO2 (frei) ; Sn2O3 (Zinn(II,IV)-oxid) (frei) ; transparent conductive oxides (frei) ; thin films (frei) ; tin oxide (frei) ; titanium oxide (frei) ; reactive sputtering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von transparenten und leitfähigen Oxidschichten. Als alternative Materialien zum herkömmlich eingesetzten Indiumzinnoxid sind Antimon-dotiertes Zinnoxid und Niob-dotiertes Titanoxid untersucht worden. Zinnoxid gehört zu den weichen Oxiden, hingegen Titanoxid zu den harten Oxiden. Zinnoxid weist mehrere Oxidformen auf im Gegensatz zum Titanoxid, das in der oxidischen Form nur in TiO2 auftritt. In stöchiometrischer Form sind beide Oxide, SnO2 und TiO2, Isolatoren. Um leitfähige Oxide zu erzielen, werden Sauerstofffehlstellen, Metall-Ionen auf Zwischengitterplätzen oder Fremdatome für die Dotierung benötigt, die freie Ladungsträger erzeugen. Die mit Antimon-dotierten Zinnoxid- und mit Niob-dotierten Titanoxid-Schichten wurden mittels reaktiver Gleichstrom-Magnetron Sputter-Deposition (dc MS) von metallischen Kathoden hergestellt. Neben den Prozessparametern wurde die Dotierung der Schichten über den Einsatz verschiedener Konzentrationen in der Kathode variiert. Die Oxidschichten sind elektrisch, optisch und strukturell untersucht worden, um den Einfluss der Prozessbedingungen und der Dotierung auf die Schichten zu prüfen. Nach der Herstellung der Oxidschichten wurde mittels einer Wärme-Nachbehandlung die Möglichkeit der Optimierung der Schichteigenschaften untersucht. Für die Herstellung von leitfähigen und transparenten Zinnoxidschichten ist der Sauerstoffgehalt im Arbeitsgas die entscheidende Größe. Der Einbau von Antimon als Dotierung im Zinnoxid hat eine untergeordnete Bedeutung für die elektrischen, optischen und strukturellen Schichteigenschaften. In einem schmalen Bereich vom Sauerstoffgehalt im Arbeitsgas werden hochtransparente und leitfähige Zinnoxid-Schichten hergestellt. In dieser Arbeit ist der geringste minimale spezifische Widerstand 2,9 mOhm cm von undotierten Zinnoxid-Schichten ohne weitere Wärme-Nachbehandlung. Das Minimum im spezifischen Widerstand ist verknüpft mit dem Übergang zu kristallinen Schichten mit der Stöchiometrie von SnO2. Bei höherem Sauerstoffgehalt im Arbeitsgas haben die Schichten einen höheren Widerstand aufgrund von einem Sauerstoffüberschuss in den Schichten. Nach einer anschließenden Wärme-Nachbehandlung der Schichten wird der Bereich der Prozessbedingungen für die Herstellung von transparent leitfähigen Zinnoxidschichten vergrößert, der spezifische Widerstand sinkt deutlich ab für Temperaturen bis 300°C. Bestes Ergebnis war der spezifische Widerstand von einer undotierten Zinnoxid-Schicht mit 1,15 mOhm cm nach Wärme-Nachbehandlung bei 300°C. Bei höherer Temperatur steigt der spezifische Widerstand wieder an, aufgrund von mechanischen Verspannungen und Mikroverspannungen. Für die Herstellung von transparent leitfähigen Titanoxidschichten ist eine reduzierende Atmosphäre während des Nachheizens der Schichten notwendig, um einen niedrigen spezifischen Widerstand zu erzielen. Beste Resultate zeigen amorphe Titanoxidschichten, die bei einem erhöhten Arbeitsdruck von 1,5 Pa gesputtert wurden und beim nachträglichen Heizen in Vakuum in der anatasen TiO2 Struktur kristallisieren. Der geringste spezifische Widerstand, in dieser Studie erzielt, beträgt 671 mOhm cm nach Heizen der Titanoxidschicht in Vakuum. Der Einbau von Niob als Dotiermaterial in das Titanoxid ist unerlässlich für einen geringen spezifischen Widerstand.

Alternative transparent conductive oxides to tin doped indium oxide have been investigated. In this work, antimony doped tin oxide and niobium doped titanium oxide have been studied with the aim to prepare transparent and conductive films. Antimony doped tin oxide and niobium doped titanium oxide belong to different groups of oxides; tin oxide is a soft oxide, while titanium oxide is a hard oxide. Both oxides are isolating materials, in case the stoichiometry is SnO2 and TiO2. In order to achieve transparent and conductive films free carriers have to be generated by oxygen vacancies, by metal ions at interstitial positions in the crystal lattice or by cation doping with Sb or Nb, respectively. Antimony doped tin oxide and niobium doped titanium oxide films have been prepared by reactive direct current magnetron sputtering (dc MS) from metallic targets. The process parameters and the doping concentration in the films have been varied. The films have been electrically, optically and structurally analysed in order to analyse the influence of the process parameters and the doping concentration on the film properties. Post-deposition treatments of the films have been performed in order to improve the film properties. For the deposition of transparent and conductive tin oxide, the dominant parameter during the deposition is the oxygen content in the sputtering gas. The Sb incorporation as doping atoms has a minor influence on the electrical, optical and structural properties. Within a narrow oxygen content in the sputtering gas highly transparent and conductive tin oxide films have been prepared. In this study, the lowest resistivity in the as deposited state is 2.9 mOhm cm for undoped tin oxide without any post-deposition treatment. The minimum resistivity is related to a transition to crystalline films with the stoichiometry of SnO2. At higher oxygen content the films turn out to have a higher resistivity due to an oxygen excess. After post-deposition annealing the suitable range of the process parameters for the preparation of transparent and conductive oxides is enlarged, the resistivity strongly decreased upon annealing at 300°C. Best results are obtained for an undoped SnO2 film with a minimum resistivity of 1.15 mOhm cm after annealing at 300°C. At higher temperatures the resistivity increased due to stress and microstrain in the films. For the preparation of niobium doped titanium oxide as a transparent conductive oxide, the reducing atmosphere during the post-deposition annealing is necessary to obtain a low resistivity. Best results have been obtained by the deposition of amorphous films at higher sputtering pressure (1.5 Pa) that crystallise during the post-deposition annealing in the anatase TiO2 phase. After post-deposition annealing in vacuum the lowest resistivity obtained here was 671 mOhm cm. The Nb incorporation as doping atoms is important for the formation of free charge carriers; a higher Nb doping concentration leads to a higher conductivity.

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