Ultra-low-resistivity nitrogen-doped p-type Cu2O thin films fabricated by reactive HiPIMS

Abstract

We have successfully fabricated the nitrogen-doped cuprous oxide thin films on the amorphous standard soda-lime glass by reactive high-power impulse magnetron sputtering. The energy of film-forming particles was controlled by the value of pulse-averaged target power density, which has a significant impact on the elemental composition, structure and optoelectrical properties of the films. We have shown that the high-energy regime is more suitable for preserving Cu2O structure and leads to continuous substitution of oxygen by nitrogen compared with the low-energy regime. Moreover, in the high-energy regime, it is possible, to some extent, to independently control the electrical resistivity and optical properties. The electrical resistivity decreases down to ≈ 0.05 ohm.cm (upper bound of the hole mobility of 0.08 ± 0.05 cm²/Vs) at the optical band gap 2.0–2.3 eV. Special attention is paid to the formation of nitrogen molecules and their ability to form shallow acceptor states. Experimental results supported by our Density Functional Theory calculations indicate that N2 replacing Cu in the Cu2O lattice is one possible (but not the only possible) acceptor. We have also found that the formation of nitrogen molecules is preferred in a high-energy regime.

Úspěšně jsme připravili tenké vrstvy oxidu měďného dopovaného dusíkem na amorfním standardním sodnovápenatém skle pomocí reaktivního vysokoenergetického impulzního magnetronového naprašování. Energie vrstvotvorných částic byla řízena hodnotou pulzně průměrované výkonové hustoty na terči, což má významný vliv na prvkové složení, strukturu a optoelektrické vlastnosti vrstev. Ukázali jsme, že vysokoenergetický režim je vhodnější pro zachování struktury Cu2O a vede ke kontinuální substituci kyslíku dusíkem ve srovnání s nízkoenergetickým režimem. Navíc je ve vysokoenergetickém režimu do určité míry možné nezávisle řídit elektrický odpor a optické vlastnosti. Elektrický odpor klesá až na ≈ 0,05 ohm.cm (horní hranice mobility děr 0,08 ± 0,05 cm²/Vs) při šířce optického zakázaného pásu 2,0–2,3 eV. Zvláštní pozornost je věnována tvorbě molekul dusíku a jejich schopnosti tvořit mělké akceptorové stavy. Experimentální výsledky podpořené našimi výpočty pomocí teorie funkcionálu hustoty naznačují, že N2 nahrazující Cu v mřížce Cu2O je jedním z možných (ale ne jediným možným) akceptorů. Zjistili jsme také, že tvorba molekul dusíku je preferována ve vysokoenergetickém režimu.