Síntesis y caracterización de películas delgadas de ZnO y nanolaminados de ZnO:Al2O3 por el método de deposito por capas atómicas (ALD)

Abstract

La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los combustibles fósiles. Estos combustibles se utilizan en el transporte, para generar electricidad, para calentar ambientes, para cocinar, etc. Sin embargo, los combustibles fósiles son recursos limitados y no renovables y su uso conlleva efectos secundarios como son: la contaminación atmosférica, gases generadores del efecto invernadero, lluvia ácida y enfermedades respiratorias. La investigación científica ha dedicado una gran parte de sus estudios en la búsqueda de nuevos materiales para la producción de energía eléctrica o para eficientar el consumo de ésta. Aquí es donde los materiales semiconductores juegan un papel muy importante. En la búsqueda de nuevos materiales energéticos, recientemente se ha prestado gran atención a los óxidos conductores transparentes (TCOs) debido a su aplicación en dispositivos optoelectrónicos, pantallas planas, celdas solares y recubrimientos antiestáticas. Además, que, para aplicaciones fotovoltaicas, la reducción del costo de material y el costo de procesamiento son factores clave en los procesos de producción. Es por eso que la investigación sobre los TCOs ha sido impulsada hacia alternativas al óxido de indio dopado con estaño (ITO), cuyo principal inconveniente son el alto costo del indio y la pobre estabilidad en el plasma de hidrógeno. Entre los materiales más prometedores para TCOs se encuentra el óxido de zinc (ZnO) dopado con aluminio (Al) el cual cumple con los requisitos para poner en contacto las celdas solares de película delgada gracias a sus excelentes propiedades optoelectrónicas, su bajo costo y mayor resistencia a los plasmas ricos en hidrógeno. En este trabajo de investigación se llevaron a cabo síntesis y caracterizaciones de películas delgadas de ZnO y Al203 por la técnica de Depósito por Capas Atómicas (ALD, por sus siglas en inglés). El ALD tiene algunas limitaciones, como reacción incompleta y lenta velocidad de depósito. Aún se están llevando a cabo investigaciones con la finalidad de comprender los procesos que se llevan a cabo en el método ALD y cómo mejorarlo. A partir de su invención, en la década de 1970 el depósito por capa atómica (ALD) anteriormente conocido también como capa atómica epitaxial (ALE, por sus siglas en inglés) ha estado experimentando un creciente interés en la comunidad científica. Originalmente, el ALD fue desarrollado por el Finlandés Tuomo Suntola para el llevar a cabo el depósito de películas delgadas de sulfuro de zinc policristalino y amorfo con la finalidad de aplicarlas en pantallas electroluminiscentes, pero debido a su gran versatilidad actualmente se ha ampliado el alcance de sus aplicaciones en el depósito de otros compuestos. A principios de la década de 1980 este método de crecimiento fue considerado como una especie de curiosidad tecnológica y se aplicó a pocos materiales como lo son los de Compuestos II-VI como CdTe, (Cd, Mn) TeZnS. La principal fuerza de desarrollo de la técnica fue la preparación de capas ultradelgadas de semiconductores con un espesor controlado a escala nanométrica. Para fines de la década de los 80's ALD estaba siendo utilizado en gran parte para hacer películas delgadas electroluminiscentes (TFEL) pantallas a base de sulfuro de zinc dopado con manganeso. Probablemente la más famosa aplicación del ALD fue en el campo de pantallas electroluminiscentes. Desde entonces la técnica ALD comenzó a atraer considerable atención como un método para la producción de películas delgadas de alta calidad. A finales de 1980 tales películas se convirtieron de gran importancia tanto científica para el crecimiento de estructuras de bajas dimensiones, así como también tecnológicamente en los circuitos integrados y dispositivos optoelectrónicos. A mediados de la década de los 90's una nueva clase de materiales compuestos de semiconductores III-V como GaAs y lnAs, fueron crecidos con éxito por la técnica de ALD. En ese tiempo había alrededor de 100 publicaciones anuales sobre materiales crecidos por ALD y los compuestos III-V dominaron la lista de investigado de materiales. El número de publicaciones basadas en semiconductores películas crecidas por ALD aumentaron gradualmente cada año, llegando a casi 450 trabajos en el 2000 y superaban las 1300 en el 2010. Hay una gran cantidad de métodos que actualmente se puede utilizar para los depósitos de películas delgadas como el evo, pulverización, MOCVO, PLE, MBE y muchos otros. Sin embargo, es difícil señalar incluso uno, aparte del ALD, que sea capaz de combinar el control del espesor a escala nanométrica y la eficacia necesaria para el procesamiento industrial. De hecho, a pesar de la baja tasa de crecimiento en la dirección vertical, el aumento de volumen durante los procesos ALD puede ser apreciable debido a un sustrato diámetro grande que en el procesamiento industrial puede superar incluso 1 m de tamaño.