Synthesis and characterization of CuAlO2 thin films by reactive rf magnetron sputtering

Abstract

This work presents a comparative study on optical and electrical properties of CuAlO2 thin films on sapphire (0001) substrates deposited with two different growth conditions using reactive RF-magnetron sputtering technique from metallic Cu and Al targets. CuAlO2 is a very promising material for transparent electronic applications, it is intended that comparison of results obtained from both approaches, could lead to optimization and control of the physical properties of this material, namely its electrical conductivity and optical transmittance. All samples were heat treated at 1100°C using rapid thermal annealing with varying time and rate of cooling. The effect of sputtering conditions and different annealing time on phase formation and evolution is studied with X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). It is found that for most of the samples CuAlO2 phase is formed after 60 min of annealing time, but secondary phases were also present that depend on the deposition conditions. However, pure CuAlO2 phase was obtained for annealed CuO on sapphire films with annealing time of 60 min. The optical properties obtained from UV-Visible spectroscopic measurement reveals indirect and direct optical band gaps for CuAlO2 films and were found to be 2.58 and 3.72 eV respectively. The films show a transmittance of about 60% in the visible range. Hall effect measurements indicate p-type conductivity. Van der Pauw technique was used to measure resistivity of the samples. The highest electrical conductivity and charge carrier concentration obtained were of 1.01x10-1S.cm-1 and 3.63 x1018 cm-3 respectively.

Este trabajo presenta un estudio comparativo de las propiedades ópticas y eléctricas de películas delgadas de CuAlO2 crecidas en sustratos de zafiro (0001), depositadas con dos condiciones de crecimiento distintas mediante la técnica de RF-magnetron sputtering reactivo a partir de blancos metálicos de Cu y Al. CuAlO2 es un material muy prometedor para aplicaciones en electrónica transparente, se espera que la comparación de los resultados obtenidos por ambas rutas conlleve a la optimización y control de las propiedades físicas del material, en particular su conductividad eléctrica y transmitancia óptica. Todas las muestras se sometieron a tratamiento térmico a una temperatura de 1100°C usando tratamiento térmico rápido con una tasa de enfriamiento variable. El efecto de las condiciones de crecimiento y los diferentes tiempos de tratamiento térmico en la formación y evolución de la fase es estudiada mediante difracción de rayos X y microscopía de barrido electrónico (SEM). Se encontró que para la mayoría de muestras la fase de CuAlO2 es formada luego de 60 minutos de tratamiento térmico, pero fases secundarias estaban presentes dependiendo en las condiciones de deposición. Sin embargo la fase pura de CuAlO2 se obtuvo para las muestras de películas de CuO sobre zafiro con un tiempo de tratamiento térmico de 60 minutos. Las propiedades ópticas obtenidas a partir de mediciones espectroscópicas UV-Visible revelan anchos de banda prohibida directo en indirecto para las películas de CuAlO2 y se halló que sus valores fueron 2.58 y 3.72 eV respectivamente. Las películas mostraron una transmitancia de 60% en la región visible. Mediciones de efecto Hall indican conductividad de tipo-p. Se utilizó la técnica de Van der Pauw para medir la resistividad de las muestras. La conductividad eléctrica y concentración de portadores de carga más altas obtenidas fueron de 1.01x10-1S.cm-1 and 3.63 x1018 cm-3 respectivamente.