Разработка технологического процесса изготовления пленок ZnO:Al для планарных мемристорных матриц с фотодиодным селектором

Цель работы – разработка лабораторного регламента технологического процесса изготовления высокопроводящих и оптически прозрачных пленок ZnO:Al применительно к созданию мемристоров с фотодиодным селектором. Для этого решались следующие задачи: 1. Провести сравнительные исследования электрических и оптических свойств, фазового состава пленок ZnO и ZnO:Al полученных жидкостными методами спрей-пиролиза и золь-геля, и определить оптимальные режимы формирования тонких высокооднородных пленок ZnO:Al. 2. Определить тип и подтвердить механизм электрической проводимости оксидных пленок ZnO, легированных алюминием, в интервале температур 298 - 500 К. 3. Разработать лабораторный технологический регламент процесса изготовления пленок ZnO:Al применительно к созданию планарных мемристоров с фотодиодным селектором. 4. Разработать технические средства, автоматизирующие процесс синтеза металлооксидных пленок методом спрей-пиролиза. 5. Предложить конструктивно-технологические решения для изготовления технологической структуры мемристора с фотодиодным селектором на основе высокопроводящих и оптически прозрачных пленок ZnO:Al. Объект исследований - технологический процесс изготовления оксидных пленок ZnO:Al жидкостными методами. Предмет исследований - параметры технологического процесса изготовления и свойства оксидных пленок ZnO:Al, пригодных для создания мемристоров с фотодиодным селектором. По результатам работы сделаны следующие выводы: 1. Показано, что в спрей-пиролизном процессе реализуется реверсивный режим роста пленки ZnO, представляющий собой последовательное чередование стадий разложения аэрозоля прекурсоров с образованием оксида и его растворения под влиянием комплексообразующего агента СН3СООН. 2. Установлен эффект возрастания электрической проводимости тонких пленок ZnO легированных алюминием, полученных золь-гель методом: с увеличением концентрации Al до 1 ат.%. Проводимость плёнок увеличена более чем в 5 раз и составила 19 мСм/см. Идентифицировано отсутствие температурной зависимости их проводимости от отжига в температурном диапазоне 298 - 573 К и уменьшение постоянной решетки ZnO, что подтверждает механизм статистического замещения в решетке оксида двухвалентных ионов Zn2+ трехвалентными ионами Al3+ (Al3+→Zn2+), образующимися за счет облегчения возбуждения валентных электронов Al за пределами минимальной зоны проводимости оксидного полупроводника. 3. Разработан пригодный для изготовления фотоселекторных мемристорных матриц лабораторный технологический регламент процесса изготовления пленок ZnO:Al применительно к созданию МФС, включающий в себя 21 основных технологических операций (отмывка подложек, подготовка золь-гель раствора, нанесение ZnO:Al, подготовка раствора для спрей-пиролиза, контроль пленки, нанесение ZnO:Al спрей-пиролизом, отмывка пленки и контроль параметров пленки и др.). 4. Предложена конструкция автоматизированной установки спрей-пиролиза, имеющей высокую скорость перемещения распылительной головки (2 м/с) и оснащенной 3-х сопельным распылителем аэрозоля, что обеспечивает возможность одновременного осаждения нескольких материалов и высокую производительность. 5. Продемонстрировано, что увеличение крутизны ВАХ на 15 %, полная компенсация токов утечки, улучшение доступа падающего излучения и расширение рабочего диапазона длин волн фотодиодного селектора на основе ZnO в конструкции планарной мемристорной матрицы с фотоселектором обеспечивается применением синтезированных тонких плёнок ZnO:Al в качестве оптически эффективного материала. 6. Разработаны и защищены патентами на полезные модели планарная мемристрная матрица с фотодиодным селектором (патент на полезную модель № 222538, 29.09.2023), тонкоплёночный металлооксидный солнечный элемент (патент на полезную модель № 204768 от 27.10.2020 г.) и датчик влаги с восстановлением ультрафиолетом (патент на полезную модель № 223725 от 29.09.2023 г.). Полученные результаты внедрены в АО «НИИЭТ» (акт внедрения № 1113 от 31.05.2024 г. представлен в Приложении А).