합성 및 플라즈마에 의해 높은 c 축 된 ZnO 박막의 특성은 화학 기상 증착 시스템과 자외선 광 검출기 응용 프로그램 강화
Summary
We offered a method to directly synthesize high c-axis (0002) ZnO thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition. The as-synthesized ZnO thin film combined with Pt interdigitated electrode was used as sensing layer for ultraviolet photodetector, showing a high performance through a combination of its good responsivity and reliability.
Abstract
본 연구에서는 높은 C시킴으로써 행한다 (0002) 우선 배향과 산화 아연 (ZnO)을 박막을 성공적으로 그리고 효과적으로 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD) 시스템을 사용하여 다른 합성 온도로 실리콘 (Si) 기판 상에 합성되어왔다. 다른 합성 된 결정 구조에 온도, 표면 모폴로지와 광학적 특성의 영향이 조사되었다. X 선 회절 (XRD) 패턴 (0002)의 회절 피크의 강도가 400까지 증가 O C. 합성 온도 강해져 지적 (0002) 피크의 회절 강도는 점차적으로 약하게 400 O C. 초과까지 합성 온도 (10-10) 회절 피크의 출현과 함께 수반 된 RT의 광 발광 (PL) 스펙트럼 방출은 약 375 nm 내지 약 575 nm의 싶게에 위치한 무시할 깊은 수준 (DL) 방출에서 관찰 강한 가까운 밴드 에지 (NBE)을 전시어 높은 C가 된 ZnO를 박막을 이동시킴으로써 행한다. 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM) 화상이 균일 한 표면 및 작은 입자 크기 분포를 보여. ZnO의 박막은 투과율을 측정하기위한 동일한 파라미터 하에서 유리 기판 상에 합성되어왔다.
자외선 (UV) 검출기 애플리케이션의 목적을 위해, 깍지 Pt로 박막 (두께 ~ 100 나노 미터)는 종래의 광학 리소그래피 공정 및 무선 주파수 (RF) 마그네트론 스퍼터링 법을 통해 제조. 옴 접촉을 달성하기 위해, 장치는 10 분 동안 급속 열처리 (RTA) 시스템에 의해 450 ℃로 아르곤 환경에서 어닐링 하였다. 체계적인 측정 한 후, 전류 – 전압 (I는 – V) 사진 및 암전류와 시간 의존 광전류 응답 결과 곡선은 높은 C는 ZnO의 박막이 적합 감지 층시킴으로써 행한다 것을 나타내는, 양호한 응답 성 및 안정성을 나타내자외선 광 검출기 응용 프로그램.
Introduction
ZnO의 인해 이러한 RT 큰 여기자 높은 화학적 안정성, 저비용, 비 독성, 광학 펌핑 낮은 전력 임계 넓은 직접 밴드 갭 (3.37 eV의)와 같은 고유 특성에 유망한 와이드 밴드 갭 작용 성 반도체 물질 인 ~ 60 meV 인 1-2의 결합 에너지. 최근, ZnO를 박막은 투명 전도성 산화물 (TCO) 필름, 청색 발광 소자, 전계 효과 트랜지스터, 및 가스 센서 3-6 포함한 많은 응용 분야에서 사용되어왔다. 한편, ZnO의 인듐과 주석이 희귀하고 고가 인 때문에 인듐 주석 산화물 (ITO)을 대체 할 후보 물질이다. 또한, ZnO의 가시 파장 영역과 ITO 막 7-8에 비해 낮은 저항성에서 높은 광 투과율을 가지고있다. 따라서,의 ZnO의 제조, 특성 및 응용 프로그램이 광범위하게보고되고있다. 이 본 연구는 간단한에 의해 높은 C시킴으로써 행한다 (0002)의 ZnO 박막의 합성에 초점을 맞추고효과적인 방법 및 UV 광 검출기를 향해 그 실제 응용 d를.
최근의 연구 결과보고는 고품질의 ZnO 박막은 예컨대 졸 겔법, 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링, 금속 유기 화학 기상 증착 (MOCVD) 등 9-14에서와 같은 다양한 기술에 의해 합성 될 수 있다는 것을 나타낸다. 각 기술의 장점과 단점을 갖는다. 예를 들어, 스퍼터 성막의 주요 장점은 매우 높은 융점과 그 대상 재료 여유롭게 기판 상에 스퍼터링되는 것이다. 대조적으로, 스퍼터링 법은 막 구조화 리프트 오프와 결합하는 것이 어렵다. 우리의 연구에서, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD) 시스템은 높은 품질의 C를 합성 된 ZnO 박막을 사용 하였다시킴으로써 행한다. 플라즈마 충돌은 얇은 막 밀도를 증가시키고, 이온 분해 반응 속도를 향상시킬 수있다 (15)의 합성 과정에 중요한 요소이다. 에또한, 높은 성장 속도와 대 면적의 균일 한 증착은 PECVD 법에 대한 다른 독특한 이점이다.
합성 기술을 제외하고, 기판 상에 양호한 접착 성이 고려되는 또 다른 문제이다. 사파이어의 ZnO와 같은 육방 격자 구조를 가지고 있기 때문에 많은 연구에서 C -plane 사파이어 널리 ZnO의 박막을 이동시킴으로써 행한다 높은 C를 합성하는 기질로서 사용되어왔다. 그러나, ZnO를는 거친 표면 형태 및 면내 방향 (16)으로 배향 된 ZnO 및 C -plane 사파이어 (18 %) 사이의 큰 격자 부적응으로 인한 높은 잔류 (결함 관련) 캐리어 농도를 나타내는 사파이어 기판 상에 합성 하였다. 사파이어 기판과 비교하여, Si 웨이퍼는 산화 아연 합성을위한 또 다른 널리 사용되는 기판이다. 실리콘 웨이퍼는 반도체 산업에 광범위하게 사용되어왔다; 따라서, 실리콘 기판에 고품질의 ZnO 박막의 성장은 neces 매우 중요하다세리. 불행히도, 및 Si와 ZnO의 결정 구조와 열팽창 계수가 결정 품질의 열화로 이어지는 분명히 다르다. 지난 10 년간 많은 노력의 ZnO 버퍼층 (17), 각종 가스 분위기 (18)에서 소둔하고, Si 기판 표면 (19)의 패시베이션을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 실리콘 기판 상에 ZnO의 박막의 품질을 향상시키기 위해 이루어지고있다. 본 연구는 성공적으로 높은 C는 임의의 버퍼층 또는 전처리없이 실리콘 기판 상에 ZnO의 박막을 이동시킴으로써 행한다 합성하는 간단하고 효과적인 방법을 제공했다. 실험 결과는 최적의 성장 온도 하에서 합성 된 ZnO 박막 좋은 결정 및 광학 특성을 나타내었다 것으로 나타났다. 결정 구조, RF 플라즈마 조성, 표면 형태 및 된 ZnO 박막의 광학적 특성은 X 선 회절 (XRD), 광 방출 분광법 (OES), 전계 발광에 의해 조사 하였다 SC각각 Anning에 전자 현미경 (FE-SEM), 및 RT의 광 발광 (PL) 스펙트럼. 또한, ZnO의 박막의 투과율을 확인하고 또한보고되었다.
같은 합성 된 ZnO 박막은 자외선 광 검출기 응용 프로그램에 대한 감지 층이 또한 본 연구에서 조사되었다 역임했다. 자외선 광 검출기는 자외선 모니터링에 큰 잠재적 인 응용, 광 스위치, 불꽃 경보, 미사일 온난화 시스템 20-21있다. 이러한 오믹 접촉과 쇼트 키 콘택을 포함하여 양의 극한 음극 (PIN) 모드 및 금속 – 반도체 – 금속 (MSM) 구조로 수행 된 광 검출기의 많은 유형이있다. 각 유형은 자신의 장점과 단점이 있습니다. 현재, MSM 광 검출기 구조로 인해 반응성, 신뢰성, 대응 및 복구 시간을 22 ~ 24에서의 뛰어난 성능에 집중 관심을 받고있다. 여기 제시된 결과들은 MSM 오믹 접촉 모드가 채용되었다는 것을 보여 주었다의 ZnO 박막을 기반으로 자외선 광 검출기를 제조한다. 이러한 광 검출기의 종류는 일반적으로 높은 C는 ZnO의 박막을 UV 광 검출기에 대한 적절한 감지 층시킴으로써 행한다 것을 나타내는, 양호한 응답 성 및 안정성을 보여준다.
Protocol
Representative Results
Discussion
중요한 단계 및 수정
1 단계에서 기판을 철저하게 청소하고 1.3 기판에는 기름이나 유기 및 무기 오염이 없다는 것을 확인하기 위해 다음 1.5 단계를해야합니다. 기판 표면상의 그리스 또는 유기 및 무기 오염은 상당히 막의 접착을 감소시킬 것이다.
단계 2의 ZnO 막 제조 공정 전에 가장 중요한 절차이다. DEZn은 매우 독성과 격렬하게 물과 반응하여 쉽게 공…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 재정적으로 과학 기술과 중국의 공화국의 국립 과학위원회 (계약 번호. NSC 101-2221-E-027-042과 NSC 101-2622-E-027-003-CC2)의 교육부의 지원되었다. DH 웨이 덕분에 박사 Shechtman 상에 대한 기술의 국립 대만 대학 (TAIPEI TECH) 상.
Materials
| RF power supply | ADVANCED ENERGY | RFX-600 | |
| Butterfly valve | MKS | 253B-1-40-1 | |
| Mass flow conctroller | PROTEC INSTRUMENTS | PC-540 | |
| Pressure conctroller | MKS | 600 series | |
| Heater | UPGRADE INSTRUMENT CO. | UI-TC 3001 | |
| Sputter gun | AJA INTERNATIONAL | A320-HA | |
| DEZn 1.5M | ACROS ORGANIC USA, New Jersey | also called Diethylzinc (C2H5)2Zn | |
| Spin coater | SWIENCO | PW – 490 | |
| I-V measurement | Keithley | Model: 2400 | |
| Photocondutive measurement | Home-built | ||
| UV light sourse | Panasonic | ANUJ 6160 | |
| Mask aligner | Karl Suss | MJB4 | |
| Photoresist | Shipley a Rohm & Haas company | S1813 | |
| Developer | Shipley a Rohm & Haas company | MF319 | |
| Silicon wafer | E-Light Technology Inc | 12/0801 | |
| Glass substrate | CORNING | 1737 | P-type / Boron |
Riferimenti
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