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.
I denna studie har zinkoxid (ZnO) tunna filmer med hög c-axel (0002) föredragen orientering framgångsrikt och effektivt syntetiseras på kisel (Si) substrat via olika syntetiserade temperaturer med hjälp av plasmaförstärkt CVD (PECVD) systemet. Effekterna av olika syntetiserade temperaturer på kristallstrukturen, yta morfologier och optiska egenskaper har undersökts. Den röntgendiffraktion (XRD) mönster indikerade att intensiteten av (0002) diffraktionstoppen blev starkare med ökande syntetiserade temperatur tills 400 ° C Diffraktionsintensiteten av (0002) topp blev gradvis svagare åtföljande med utseende (10-10) diffraktionstopp som den syntetiserade temperaturen upp till över 400 ° C RT fotoluminescens (PL) spektra uppvisade en stark nära bandkanten (NBE) emission observerades vid omkring 375 nm och en försumbar djupnivå (DL) utsläpp ligger på runt 575 nm undär hög c -axeln ZnO tunna filmer. Fält svepemissionselektronmikroskop (FE-SEM) bilder avslöjade den homogena ytan och med liten kornstorleksfördelning. ZnO-tunnfilmer har även syntetiserats på glassubstrat under samma parametrar för mätning av transmittans.
Vid tillämpning av ultraviolett (UV) fotodetektor ansökan, de inflikade platina (Pt) tunn film (tjocklek ~ 100 nm) tillverkades genom konventionell optisk litografiprocess och radiofrekvens (RF) magnetronsputtring. För att nå ohmsk kontakt, var anordningen glödgades i argon omständigheter vid 450 ° C genom snabb termisk glödgning (RTA) -systemet för 10 minuter. Efter de systematiska mätningar, den ström-spänning (I – V) kurvan för bild och mörkströmmen och tidsberoende fotoström responsen ger uppvisade god responsivitet och tillförlitlighet, vilket indikerar att den höga c -axeln ZnO-tunnfilm är en lämplig känselskiktför UV-fotodetektor ansökan.
ZnO är en lovande bred-bandgap funktionell halvledarmaterial på grund av dess unika egenskaper, såsom hög kemisk stabilitet, låg kostnad, icke-toxicitet, låg tröskeleffekt för optisk pumpning, bred direkt bandgap (3,37 eV) vid RT och stora excitonen bindande energi ~ 60 MeV 1-2. Nyligen har ZnO tunna filmer använts i många tillämpningsområden inklusive transparenta ledande oxid (TCO) filmer, blå Ijusemitterande anordningen, fälteffekttransistorer, och gassensor 3-6. Å andra sidan, är ZnO ett kandidatmaterial för att ersätta indiumtennoxid (ITO) på grund av indium och tenn är sällsynta och dyra. Dessutom ZnO besitter hög optisk transmittans i det synliga våglängdsområdet och låg resistivitet jämfört med ITO-filmer 7-8. Följaktligen har tillverkningen, karakterisering och tillämpning av ZnO genomgått omfattande rapporterats. Denna aktuella studien fokuserar på syntes höga c-axeln (0002) ZnO tunna filmer av en enkel end effektivt metod och dess praktiska tillämpning till en UV-fotodetektor.
De senaste forskningsrapport fynd tyder på att den höga kvalitet ZnO tunnfilm kan syntetiseras genom olika tekniker, såsom sol-gel-metoden, radiofrekvensmagnetron sputtering, metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD), och så vidare 9-14. Varje teknik har sina fördelar och nackdelar. Till exempel är en principiell fördel med sputtring avsättning som målmaterial med mycket hög smältpunkt är enkelt sputtras på substratet. Däremot är förstoftningsprocessen svår att kombinera med en lift-off för att strukturera filmen. I vår studie var plasmaförstärkt CVD (PECVD) system som används för att syntetisera hög kvalitet c -axeln ZnO tunna filmer. Plasma bombardemang är en nyckelfaktor i syntesprocess som kan öka den tunna filmen densitet och förbättra reaktionshastigheten ion nedbrytning 15. IDessutom den höga tillväxttakten och stora ytor enhetlig avsättning är andra utmärkande fördelar för PECVD teknik.
Med undantag för syntesen teknik är god vidhäftning på substratet annan överväga utfärdandet. I många studier har c -planet safir använts i stor omfattning som substrat för att syntetisera hög C -axeln ZnO tunna filmer eftersom ZnO och safir har samma hexagonala gitterstruktur. Emellertid var ZnO syntetiserades på safirsubstrat uppvisar grov ytmorfologi och höga återstående (defektrelaterad) bärarkoncentrationer på grund av de stora gittermissanpassade mellan ZnO och c -planet safir (18%) orienterade i i planet riktning 16. Jämfört med safirsubstratet, är en Si-skiva annan mycket använd substrat för ZnO-syntes. Si wafers har använts i stor omfattning inom halvledarindustrin; och sålunda, är mycket viktigt och nödvän tillväxt av högkvalitativa ZnO tunna filmer på Si-substratbehövs. Tyvärr, kristallstrukturen och värmeutvidgningskoefficient mellan ZnO och Si är uppenbarligen olika leder till försämring av kristall kvalitet. Under senaste decenniet har stora ansträngningar gjorts för att förbättra kvaliteten på ZnO tunna filmer på Si-substrat med hjälp av olika metoder, inklusive ZnO buffertlager 17, glödgning i olika gasatmosfär 18, och passivering av Si substratytan 19. Föreliggande studie lyckades erbjuds ett enkelt och effektivt förfarande för att syntetisera hög C -axeln ZnO-tunnfilm på Si-substrat utan något buffertskikt eller förbehandling. De experimentresultat indikerade att ZnO tunna filmer syntetiserade med optimal tillväxttemperaturen visade god kristall och optiska egenskaperna. Den kristallina strukturen, RF-plasmakomposition, ytmorfologi, och optiska egenskaper hos ZnO tunna filmer undersöktes genom röntgendiffraktion (XRD), optisk emissionsspektroskopi (OES), fältemissions scAnning elektronmikroskopi (FE-SEM), och RT fotoluminiscens (PL) -spektra, respektive. Dessutom transmittansen hos ZnO tunna filmer bekräftades också och rapporteras.
Den syntetiserade ZnO tunnfilmen fungerade som ett sensorlager för UV-fotodetektor ansökan undersöktes också i denna studie. UV-fotodetektor har stora potentiella tillämpningar inom UV övervakning, optisk omkopplare, brandalarm, och missilvärmesystem 20-21. Det finns många typer av fotodetektorer som har utförts såsom positiv inneboende negativ (stift) läge och metall-halvledar-metall (MSM) strukturer inklusive ohmsk kontakt och Schottky kontakt. Varje typ har sina egna fördelar och nackdelar. För närvarande har MSM fotodetektor strukturer lockat intensiv intresse på grund av sin enastående prestanda i responsivitet, pålitlighet och respons och återhämtning 22-24. De resultat som presenteras här har visat att MSM ohmska kontakten läge användesatt tillverka ZnO tunnfilmsbaserade UV fotodetektor. En sådan typ av fotodetektor avslöjar normalt en god responsivitet och tillförlitlighet, vilket indikerar att den höga c -axeln ZnO-tunnfilm är en lämplig avkännande skikt för UV-fotodetektor.
Kritiska steg och modifieringar
I steg 1, bör substraten rengöras noggrant och steg från 1,3 till 1,5 följas för att se till att det inte finns något fett eller organiska och oorganiska föroreningar på substraten. Eventuellt fett eller organiska och oorganiska föroreningar på substratets yta kommer att minska vidhäftningen av filmen.
Steg 2 är den viktigaste förfarandet vid ZnO-filmen framställningsförfarandet. DEZn är mycket giftigt och reagerar …
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds ekonomiskt av av ministeriet för vetenskap och teknik och National Science råd Kina (kontrakts nos. NSC 101-2221-E-027-042 och NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei tackar National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) för Dr. Shechtman Prize Award.
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 |