Efecto de los parámetros de plasma sobre las propiedades eléctricas de películas delgadas de ZnO:Al

Abstract

In this work we will focus on a systematic study about Zinc Oxide doped with aluminum from its manufacture to its characterization, by means of a physical deposit technique called laser ablation and supported by a plasma diagnostic method (Langmuir Probe). To determine the parameters of plasma density and the kinetic energy of the particles, and find out if these have any influence on the electrical properties of said material. For this, six samples of zinc oxide were synthesized, five of them doped with aluminum at different aluminum plasma densities, leaving the zinc plasma density constant and one without aluminum. Parameters such as particle kinetic energy, laser energy, spot diameter and laser fluence were also calculated. In addition, a UV-Vis spectroscopy study was carried out, revealing a transmittance value around 95%. Next, the band gap value was estimated for each sample where an increase from 3.3eV to 3.48eV was observed, this due to the presence of the phenomenon known as the Burstein-Moss effect. Atomic, compositional, and electrical structural properties were performed by means of X-ray diffraction, XPS, and the four-point technique. The analysis of the data obtained revealed a preferential orientation in the (101) plane for all the deposited films, an incorporation of less than 8 % Aluminum, 50 % Zinc and 50 % Oxygen and an electrical resistivity from 10-2 Ω m in the undoped ZnO sample, which decreases to 10-6 Ω m in the Al-doped samples. Finally, thermal treatments were carried out where a change in the trend in the value of the forbidden band and in the resistivity was observed, with a considerable decrease in the resistivity of the undoped Zinc Oxide from 10-2 Ω m at room temperature to 10-6 Ω m after treatment.

En este trabajo nos enfocaremos en un estudio sistemático acerca del Oxido de Zinc dopado con aluminio, desde su fabricación hasta su caracterización, por medio de una técnica de depósito físico llamada ablación láser y apoyada por un método de diagnóstico de plasma (Sonda de Langmuir), para determinar los parámetros de densidad de plasma y la energía cinética de las partículas, y averiguar si estas presentan alguna influencia sobre las propiedades eléctricas de dicho material. Para ello, se sintetizaron seis muestras de óxido de zinc, cinco de ellas dopadas con aluminio a diferentes densidades de plasma de aluminio, dejando constante la densidad de plasma de zinc y una sin aluminio. Se calcularon los parámetros también como la energía cinética de las partículas, la energía del láser, el diámetro del spot y la fluencia del láser. Además, se llevó a cabo un estudio de espectroscopia UV-Vis revelando un valor de transmitancia alrededor de 95 %. En seguida se estimó el valor de banda prohibida para cada muestra donde se observó un aumento de 3.3eV a 3.48eV, esto debido a la presencia del fenómeno conocido como el efecto Burstein- Moss. Las propiedades estructurales atómicas, de composición y las eléctricas se realizaron por medio de difracción de rayos X, XPS y la técnica de cuatro puntas. El análisis de los datos obtenidos reveló una orientación preferencial en el plano (101) para todas las películas depositadas, una incorporación de Aluminio inferior al 8 %, de Zinc 50 % y de Oxígeno 50 % y una resistividad eléctrica desde 10-2 Ω m en la muestra de óxido de zinc sin dopar, la cual disminuye hasta 10-6 Ω m en las muestras dopadas con Al. Finalmente se llevaron a cabo tratamientos térmicos donde se aprecia un cambio de tendencia en el valor de la banda prohibida y en la resistividad con una disminución considerable de la resistividad del Oxido de Zinc sin dopar de 10-2 Ω m a temperatura ambiente hasta 10-6 Ω m posterior al tratamiento.