fabricación de heterouniones con un Óxido conductor

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 4.13 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


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


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


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


IO sin


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

)


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

)


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.


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

)


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

)


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


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


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

)


T.T a 450°CDepósito

a T.A.


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


T.T. a 125°C

T.T. a 250°C

T.T. a 350°C

Mo

vil

idad

Hal

l, (c

m2/V

-s)


T.T. a 450°C

Depósito

a T.A.



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


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)


T.T a 125°C

Depósito

a T.A.



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)


(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)


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



(b)

(c)


Depósito a T.A.



Tra

nsm

itan

cia,

(%

)


Depósito a T.A.




Depósito a T.A.




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.)


Película de SRO-30

sin T.T.

con T.T. a 1100°C

por 180 min en N2

Excitación

=300 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.)


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



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



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


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


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


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


6: 0 a -50 V

|Den

sid

ad d

e C

orr

ien

te|,

(A

/cm

2)

|Voltaje|, (V)

Región 1


|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


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


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)



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)



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



Sin estrés eléctrico:

D1

D2

D3

(a)

(b)



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.



(a)

Potencia, (Watts)

Depósito T.A.





Depósito T.A.

Res

iste

nci

a d

e h

oja

, Rsh

(

/sq

)


Depósito T.A.

Tiempo de depósito, (minutos)

Condiciones: 6 mTorr, 20 min


Condiciones: 30 W, 20 min


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.





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


(a)

30 W

60 W

250 W

450 W



Tra

nsm

itan

cia,

(%

)

1 mTorr

6 mTorr

20 mTorr

Condiciones: 30 W, 20 min

10 min

20 min

30 min

45 min


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)


Cmáx

~ 720 pF

Acumulación



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


Cmín

~ 240 pF

Cap

acit

anci

a (p

F)

Voltaje (V)

Cmáx

~ 720 pF

Acumulación


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


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


Cmín

~ 240 pF

Cap

acit

anci

a (p

F)

Voltaje (V)


Cmáx

~ 720 pF

Acumulación



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


Cmín

~ 240 pF

Cap

acit

anci

a (p

F)

Voltaje (V)

Cmáx

~ 720 pF

Acumulación


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


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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fabricación de heterouniones con un Óxido conductor

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