合成和高c轴ZnO薄膜等离子体的特性增强化学气相沉积系统及其紫外探测器的应用
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
在这项研究中，氧化锌（ZnO）薄膜具有高c轴 （0002）择优取向已成功和有效地通过使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统合成到硅（Si）衬底上经由不同的合成温度。不同合成温度对晶体结构，表面形态和光学性能的影响进行了研究。 X射线衍射（XRD）图显示，（0002）衍射峰的强度变强随合成温度，直到400℃。 （0002）峰的衍射强度逐渐成为与外观的（10-10）衍射峰的合成温度较弱的陪同至超过400℃。对RT光致发光（PL）谱显示出强的近带边（NBE）在约375 nm和可忽略的深层次的（DL）发射位于左右575nm的发射UND观察呃高c轴 ZnO薄膜。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像显示的均匀表面，并与小晶粒尺寸分布。 ZnO薄膜也被合成到下用于测量透射率的相同参数的玻璃基板。
对于紫外（UV）光检测器的应用的目的，叉指铂（Pt）的薄膜（厚度约100纳米）通过常规光学光刻工艺和射频（RF）磁控溅射制成。为了达到欧姆接触，该装置被退火，在氩环境下，在450℃下通过快速热退火（RTA）系统10分钟。该系统的测量后，电流–电压（I – V）的照片和暗电流和时间依赖的光电流响应结果的曲线显示了良好的响应性和可靠性，这表明高c轴的ZnO薄膜是合适的传感层紫外线探测器的应用。
Introduction
氧化锌是一种很有前途的宽带隙官能半导体材料由于其独特的性能，如高化学稳定性，成本低，无毒性，对于光泵浦低功率的阈值，宽直接带隙（3.37电子伏特）在RT和大的激子结合〜60兆电子伏的能量1-2。最近，ZnO薄膜已经用于许多应用领域，包括透明导电氧化物（TCO）薄膜，蓝光发光器件，场效应晶体管，和气体传感器3-6。另一方面，ZnO是候选材料来代替铟锡氧化物（ITO）由于铟和锡是罕见的和昂贵的。而且，氧化锌具有在可见波长区域和低电阻率的ITO薄膜7-8相比高光透射率。因此，氧化锌的制备，表征和应用进行了广泛的报道。目前这个研究的重点是通过简单的合成高c轴 （0002）ZnO薄膜ð有效方法及其对紫外探测器的实际应用。
最近的研究报告的结果显示，高品质的ZnO薄膜可以通过各种技术来合成，如溶胶-凝胶法，射频磁控溅射，金属有机化学气相沉积（MOCVD），等9-14。每种技术都有其优点和缺点。例如，溅射沉积的主要优点是，靶材料具有非常高的熔点费力溅射到衬底上。与此相反，在溅射过程中很难与剥离组合以构建膜。在我们的研究中，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统被用于合成高质量c轴 ZnO薄膜。等离子体轰击是在合成过程中，可以增加薄膜的密度，增强了离子分解反应速率15的一个关键因素。于此外，较高的增长速度，并大面积均匀沉积是PECVD技术等优势明显。
除了合成技术，在基板上的良好的粘接性是另一个深思熟虑的问题。在许多研究中，c面蓝宝石已被广泛地用作底物合成高c轴 ZnO薄膜由于ZnO和蓝宝石具有相同的六方晶格结构。然而，氧化锌，合成在蓝宝石衬底上显示出粗糙的表面形貌和高残留（缺陷相关）载体由于取向的面内方向16上的 ZnO和c面蓝宝石（18％）之间的大的晶格不称职的浓度。与蓝宝石衬底相比，一个Si晶片是另一种广泛使用为基材的氧化锌的合成。 Si晶片已被广泛用于在半导体工业;因此，高品质的ZnO薄膜的Si基增长是非常重要的，neces萨利。不幸的是，氧化锌和Si之间的晶体结构和热膨胀系数明显不同，导致晶体质量的劣化。超过过去的十年中，已经取得了很大的努力，通过使用各种方法，包括的ZnO缓冲层17，退火在各种气体气氛18，并在Si衬底表面19的钝化改善ZnO薄膜在硅衬底的质量。本研究成功地提供了一个简单而有效的方法来合成高c轴的ZnO薄膜到硅衬底没有任何缓冲层或前处理。实验结果表明，ZnO薄膜的最佳生长温度下合成显示良好的晶体和光学质量。晶体结构，RF等离子体组合物，表面形貌，和ZnO薄膜的光学性质通过X射线衍射（XRD），光学发射光谱（OES），场发射SC调查安宁电子显微镜（FE-SEM），和RT光致发光（PL）谱，分别。此外，ZnO薄膜的透射率也证实和报告。
该所合成的氧化锌薄膜充当传感层UV光探测器的应用进行了研究这项研究。紫外探测器在紫外辐射监测巨大的应用潜力，光开关，火焰报警和导弹加温系统20-21。有许多类型的其中已经进行了诸如正的固有负（销）模式和金属 – 半导体 – 金属（MSM）结构，包括欧姆接触和肖特基接触光检测器。每种类型都有自己的优点和缺点。目前，MSM光电探测器的结构吸引了密集的兴趣，因为他们的响应，可靠性，响应和恢复时间22-24出色的表现。此处呈现的结果表明，在MSM欧姆接触模式受雇于制作的ZnO薄膜型紫外探测器。这样一种光检测器的典型表现了良好的响应性和可靠性，这表明高c轴的ZnO薄膜是合适的传感层对紫外线光检测器。
Protocol
Representative Results
Discussion
关键步骤和修改
在步骤1中，基片应彻底清洗和步骤1.3至1.5，接着，以确保有在衬底上没有油脂或有机和无机污染物。在基板表面上的任何油脂或有机和无机污染物将显著降低薄膜的密合性。
步骤2是ZnO膜制备过程之前，最重要的过程。 DEZn是非常有毒，与水发生剧烈反应，容易点燃时与空气接触。 DEZn必须非常小心地注入到钢筒，然后抽立即降到6乇。在步…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了科技部和中华民国的国家科学委员会（合同编号NSC 101-2221-E-027-042和NSC 101-2622-E-027-003-CC2）部资助的。卫生署卫感谢科技的国立台北大学（台北TECH）为Shechtman奖博士 奖。
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 |
Referências
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