Growth and characterization of P-type transparent conducting oxide thin films by MOCVD, Synthesis of Strontium Cuprate (SrCu2O) by MOCVD as a P-type Transparent Conducting Oxide Thin Film

Afzal Khan

Description

Sous la direction de Jean-luc Deschanvres
Thèse soutenue le 13 janvier 2011: UNIVERSITE DE GRENOBLE, Grenoble
Les semi-conducteurs transparents de type oxyde, communément appelés TCO (Transparent Conducting Oxides) sont utilisés comme électrodes transparentes dans des nombreux d'applications telles que les cellules solaires, les écrans à cristaux liquides, les écrans tactiles et autres. Toutefois, les applications technologiques sont actuellement limitées puisque les TCO possédant des propriétés électriques et optiques satisfaisantes sont uniquement des semi-conducteurs de type n. Les oxydes de cuire de structures delafossite ACuO2 ou du type SrCu2O2, présentent des prometteuses avec un comportement de semi-conduction de type P et une faible absorption optique dans le spectre visible. Dans cette thèse, le systèm MOCVD (Dépôt chimique en phase vapeur du métal organique) a été utilisé pour le dépôt des couches minces de SrCu2O2. Cette phase est obtenue après quelques étapes de recuit sous oxygène puis argon, ou azote uniquement avec en particulier la nécessité de réalier des recuit rapaides. Les propriétés électriques et optiques mesurées pour la couche mince de SrCu2O2 ont un ordre de grandeur similaire à ce qui est publié dans la littérature.
-Oxyde transparent conducteur
-Couches minces
-Conductivité de type P
-Mocvd
Transparent conducting oxides (TCOs) as transparent electrodes in the form of thin film are used in a large number of applications such as solar cells, liquid crystal displays, touch screen etc. However, these technological applications of TCOs are still limited because of the availability of only n-type TCOs. For diverse technological applications synthesis of efficient p-type TCOs is of utmost importance. In p-type TCO category, copper oxides of delafossite structure (ACuO2) or SrCu202 structure show promising opto-electrical properties. In this PhD research work, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) technique has been used for depositing thin films of SrCu2O2. However, pure and crystalline phase of SrCu2O2 was achieved after some annealing steps under oxygen and then under argon or only in nitrogen, with rapid heating and cooling rate. The measured electrical and optical properties are of the same order reported in various journals.
-Tco
-Thin film
-P-type conductivity
-Mocvd
Source: http://www.theses.fr/2011GRENI008/document

Sujets

• Couche mince

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 86
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Matériaux, Mécanique, Génie Civil, Electrochimie
Arrêté ministériel : 7 août 2006



Présentée par
« Afzal / KHAN »


Thèse dirigée par « Jean-luc/DESCHANVRES »

préparée au sein du Laboratoire Laboratoire des Matériaux et du
Génie Physique (LMGP)
dans l'École Doctorale Ingénierie - Matériaux, Mécanique,
Energétique, Environnement, Procédés, Production (I-MEP2)


Synthèse de Cuprates de Strontium (SrCu2O) par MOCVD
comme couche mince d'oxyde transparent conducteur de type P


Thèse soutenue publiquement le « 13 janvier 2011»,
devant le jury composé de :
M. BELLET Daniel (Président )
M. GALTIER Pierre (Rapporteur)
M. TAILHADES Philippe (Rapporteur)
M. DESCHANVRES Jean-Luc (Directeur)
M. MODREANU Mircea (Examinateur)

tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011Dedication
To my Kids
tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011ii
tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011Acknowledgments
Being away from home, the moral and emotional support of my family played a
vital role in energizing me for accomplishing this four and half years of research study
in France. All time prayers of my parent and my wife, and good wishes of my kids
made it possible to stay alone and concentrate on study.
Presence of the Pakistani students community in Grenoble was really a great
source of support with whom one feels like at home. At the end I would like to thank
Hajra Basit an Indian Ph.D student of Grenoble university, who really proved a good
and cooperative friend.
Above All, I am thankful to the Almighty Allah, who gave me strength to com-
plete this research study.
iv
tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011Contents
0.6.1 Principe de la CVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxvi
0.6.2 Le procédé MOCVD à injection . . . . . . . . . . . . . . . . xxxix
0.7 Analyse des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xliii
1 Introduction-ContextandBackground 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Context and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Thesis Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 TransparentConductingOxides(TCOs) 5
2.1 TCO Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Structure Mechanism for TCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Criteria for choosing TCOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 TCO Relevant Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.1 Optical and electrical performance . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.1.1 Electrical Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.1.2 Optical Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.2 Plasma Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.3 Other relevant factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 TCO’s Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
vi
tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011Contents
2.7 Types of TCOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7.1 N-type TCOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7.2 P-type TCOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.8 Problems in designing p-type TCOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.9 Chemical Modulation of the Valence Band . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.9.1 Copper-based delafossite structure . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.9.2 Copper-based non-delafossite structure . . . . . . . . . . . . 24
2.10 SrCu O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 2
2.10.1 Reports on SCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.11 Ba Doping of SCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.11.1 Reports on p-type TCOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 ThinFilmsExperimentalTechniques 33
3.1 Thin Films Deposition Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.1 Physical Vapor Deposition Techniques . . . . . . . . . . . . . 35
3.1.2 Chemical Deposition Techniques . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Criteria for selection of a deposition technique . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 Material Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Thin films characterization techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5 Post-deposition Treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.1 Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
vii
tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011Contents
3.5.1.1 Conventional Annealing . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5.1.2 Rapid Thermal Process Annealing . . . . . . . . . 48
3.5.2 Light Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5.3 Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6 Thin Film Characterization Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6.1 Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6.1.1 Scanning Electron Microscope . . . . . . . . . . . 50
3.6.1.2 Transmission Electron Microscope . . . . . . . . . 51
3.6.1.3 Atomic Force Microscope . . . . . . . . . . . . . . 52
3.6.2 X-ray Diffractometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.6.3 Fourier Transform Infrared Spectroscopy . . . . . . . . . . . 52
3.6.4 Raman spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6.5 UV-Visible Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6.6 Ellipsometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6.7 Four-point Probe Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6.8 Van der Pauw setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 MaterialsandMethods 57
4.1 Thermodynamics of Sr-Cu-O system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2 CVD Principle and Film Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Structure of CVD Deposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
viii
tel-00582901, version 1 - 4 Apr 2011