The structural, optical, and electrical properties of Ga-doped ZnO (GZO) thin films on glass substrates grown by radio-frequency(RF) magnetron sputtering were investigated. The flow ratio of Ar was varied as a deposition parameter for growing high-quality GZO thin films. The structural properties and surface morphologies of GZO were characterized by the X-ray diffraction. To analyze the optical properties of GZO, the optical absorbance was measured in the wavelength range of 300-1100 nm by using UV-VIS spectrophotometer. The optical transmittance, absorption coefficient, and optical bandgap energy of GZO thin films were calculated from the measured data. The crystallinity of GZO thin films is improved and the bandgap energy increases from 3.08 to 3.23eV with the increasing Ar flow ratio from 10 to 100 sccm. The average transmittance of the films is over 88% in the visible range. The lowest resistivity of the GZO is $6.215{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$ and the hall mobility increases with the increasing Ar flow ratio. We can optimize the characteristics of GZO as a transparent electrode for thin film solar cells by controlling Ar flow ratio during deposition process.
Park, On-Jeon;Song, Sang-Woo;Lee, Kyung-Ju;Roh, Ji-Hyung;Kim, Hwan-Sun;Moon, Byung-Moo
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.434-436
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2013
Ga-doped ZnO (GZO) was substitutes of the SnO2:F films on soda lime glass substrate in the photovoltaic devices such as CIGS, CdTe and DSSC due to good properties and low cost. However, it was reported that the electrical resistivity of GZO is unstable above $300^{\circ}C$ in air atmosphere. To improve thermal stability of GZO thin films at high temperature above $300^{\circ}C$ an $TiO_2$ thin film was deposited on the top of GZO thin films as a barrier layer by Pulsed Laser Deposition (PLD) method. $TiO_2$ thin films were deposited at various thicknesses from 25 nm to 100 nm. Subsequently, these films were annealed at temperature of $300^{\circ}C$, $400^{\circ}C$, $500^{\circ}C$ in air atmosphere for 20 min. The XRD measurement results showed all the films had a preferentially oriented ( 0 0 2 ) peak, and the intensity of ( 0 0 2 ) peak nearly did not change both GZO (300 nm) single layer and $TiO_2$ (50 nm)/GZO (300 nm) double layer. The resistivity of GZO (300 nm) single layer increased from $7.6{\times}10^{-4}{\Omega}m$ (RT) to $7.7{\times}10^{-2}{\Omega}m$ ($500^{\circ}C$). However, in the case of the $TiO_2$ (50 nm)/GZO (300 nm) double layer, resistivity showed small change from $7.9{\times}10^{-4}{\Omega}m$ (RT) to $5.2{\times}10^{-3}{\Omega}m$ ($500^{\circ}C$). Meanwhile, the average transmittance of all the films exceeded 80% in the visible spectrum, which suggests that these films will be suitable for photovoltaic devices.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.13
no.4
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pp.185-187
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2012
Ga doped ZnO (GZO)/copper (Cu) bi-layered film was deposited on glass substrate by RF and DC magnetron sputtering and then the effect of the Cu bottom layer on the optical, electrical and structural properties of GZO films were considered. As-deposited 100 nm thick GZO films had an optical transmittance of 82% in the visible wavelength region and a sheet resistance of 4139 ${\Omega}/{\Box}$, while the GZO/Cu film had optical and electrical properties that were influenced by the Cu bottom layer. GZO films with 5 nm thick Cu film show the lower sheet resistance of 268 ${\Omega}/{\Box}$ and an optical transmittance of 65% due to increased optical absorption by the Cu metallic bottom layer. Based on the figure of merit, it can be concluded that the thin Cu bottom layer effectively increases the performance of GZO films as a transparent and conducting electrode without intentional substrate heating or a post deposition annealing process.
ITO/GZO double layered thin films were prepared on transparent glass substrates. Ga-doped ZnO(GZO) films were deposited by RF magnetron sputtering using an ZnO:Ga (98: 2 wt%) target. The post deposition annealing process was conducted for 30 minutes at different temperature of 100, 200, 300 and $400^{\circ}C$, respectively. As increase annealing temperature, ITO/GZO double layered thin films show the increment of the prefer orientation of ZnO diffraction peak (002) in the XRD patterns. We obtained Ga-doped ZnO thin films with a lowest resistivity of $1.84{\times}10^{-4}{\Omega}-cm$ at $400^{\circ}C$ and transparency above 80% in visible ranges. The figure of merit obtained in this study means that ITO/GZO double layered thin films which annealed at $400^{\circ}C$ have the highest optoelectrical performance in this study.
GZO single layer, Ni buffered GZO(GZO/Ni), Ni intermediated GZO (GZO/Ni/GZO) and Ni capped GZO (Ni/GZO) films were prepared on poly-carbonate (PC) substrates by RF and DC magnetron sputtering without intentional substrate heating and then the influence of the Ni (2 nm thick) thin film on the optical, electrical and structural properties of GZO films were investigated. As deposited GZO single layer films show the optical transmittance of 81.3% in the visible wavelength region and a resistivity of $1.0{\times}10^{-2}{\Omega}cm$, while GZO/Ni/GZO trilayer films show a lower resistivity of $6.4{\times}10^{-4}{\Omega}cm$ and an optical transmittance of 74.5% in this study. Based on the figure of merit, it can be concluded that the intermediated Ni thin film effectively enhances the opto-electrical performance of GZO films for use as transparent conducting oxides in flexible display applications.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.26
no.4
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pp.289-293
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2013
We have studied structural, optical, and electrical properties of the Ga-doped ZnO (GZO) thin films being usable in transparent conducting oxides. The GZO thin films were deposited on the corning 1737 glass plate by the RF magnetron sputtering system. To find optimal properties of GZO for transparent conducting oxides, the Ar gas in sputtering process was varied as 40, 60, 80 and 100 sccm, respectively. As reaction gas decreased, the crystallinity of GZO thin film was increased, the optical bandgap of GZO thin film increased. The transmittance of the film was over 80% in the visible light range regardless of the changes in reaction gas. The measurement of Hall effect characterizes the whole thin film as n-type, and the electrical property was improved with decreasing reaction gas. The structural, optical, and electrical properties of the GZO thin films were affected by Ga dopant content in GZO thin film.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.25
no.2
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pp.121-124
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2012
The characteristics of Ga-doped zinc oxide (GZO) thin films deposited at different deposition temperatures (TS~250 to $550^{\circ}C$) on 4H-SiC have been investigated. Structural and electrical properties of GZO thin film on n-type 4H-SiC(0001) were investigated by using x-ray diffraction(XRD), atomic force microscopy(AFM), Hall effect measurement, barrier height from I-V curve and Auger electron spectroscopy(AES). XRD $2\theta$ scan shows GZO thin film has preferential orientation with c-axis perpendicular to SiC substrate surface. The lowest resistivity ($\sim1.9{\times}10^{-4}{\Omega}cm$) was observed for the GZO thin film deposited at $400^{\circ}C$. As deposition temperature increases, barrier height between GZO and SiC was increased. Whereas, resistivity of GZO thin films as well as barrier height between GZO and SiC were increased after annealing process in air atmosphere. It has been found that the c-axis oriented crystalline quality as well as the relative amount of activated Ga3+ ions and oxygen vacancy may affect the electrical properties of GZO films on SiC.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.25
no.12
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pp.984-989
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2012
We have investigated the structural, electrical and optical properties of Ga-doped ZnO (GZO) thin films prepared by RF magnetron sputtering with laboratory-made ZnO targets containing 1, 3, 5, 7 wt% of $Ga_2O_3$ powder as a doping source. The GZO thin films show the typical crystallographic orientation with c-axis regardless of $Ga_2O_3$ content in the targets. The $3,000{\AA}$ thick GZO thin films with the lowest resistivity of $7{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$ are obtained by using the GZO ($Ga_2O_3$= 5 wt%) target. Optical transmittance of all films shows higher than 80% at the visible region. The optical energy band gap for GZO films increases as the carrier concentration ($n_e$) in the film increases.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2010.06a
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pp.336-336
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2010
Ga doped ZnO (GZO) transparent conductive films were deposited on the glass substrates at room temperature by facing target sputtering (FTS) method. The sputtering targets were 100 mm diameter disks of GZO($Ga_2O_3$ 3.w.t%) and Zn metal. The GZO thin films were deposited as a various $PO_2$ (oxygen gas content). Base pressure was $2{\times}10^{-6}$torr, and a working pressure was 1mTorr. The properties of thin films on the electrical and optical properties of the deposited films were investigated by using a four-point probe, a Hall Effect measurement and an UV/VIS spectrometer. The minimum resistivity of film was $6.5{\times}10^{-4}$[$\Omega$-cm] and the average transmittance of over 80% was seen in the visible range.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.19
no.6
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pp.1393-1398
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2015
In this study, the electrical and optical properties of GZO (Ga-doped ZnO) thin films prepared on PES substrates by RF magnetron sputtering method with various working pressures (5 to 20 mTorr) were investigated. All GZO thin films exhibited c-axis preferential growth regardless of working pressure, the GZO thin film deposited at 5 mTorr showed the most excellent crystallinity having 0.44˚ of FWHM. In AFM observations, surface roughness exhibited the lowest value of 0.20 nm in a thin film produced by the working pressure 5 mTorr. Figure of merits of GZO thin film deposited at 5 mTorr showed the highest value of 6652, in this case resistivity and average transmittance in the visible light region were 6.93×10-4Ω-cm and 81.4%, respectively. We could observed the Burstein-Moss effect that carrier concentration decrease with the increase of working pressure and thus the energy band gap is narrowed.
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