Syntese og karakterisering af høj c-aksen ZnO Thin film efter Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System og dets UV Fotodetektor Ansøgning
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
I denne undersøgelse har zinkoxid (ZnO) tynde film med høj c-akse (0002) præferentiel orientering er vellykket og effektiv syntetiseret på silicium (Si) substrater via forskellige syntetiserede temperaturer ved hjælp plasmaforstærket kemisk dampudfældning (PECVD) system. Virkningerne af forskellige syntetiserede temperaturer på krystalstrukturen, overflademorfologier og optiske egenskaber er blevet undersøgt. Den røntgendiffraktion (XRD) mønstrene viste, at intensiteten af (0002) diffraktionstop blev stærkere med stigende temperatur, indtil syntetiseret 400 o C. Diffraktionsintensiteten af (0002) peak gradvist blev svagere ledsager med udseende (10-10) diffraktionstoppen som den syntetiserede temperatur på op til over 400 ° C. RT fotoluminescens (PL) spektre udviste en stærk nær-band-kant (NBE) emission observeret ved omkring 375 nm og en ubetydelig dybt niveau (DL) emission ligger på omkring 575 nm undER høj C-aksen ZnO tynde film. Field emission scanning elektronmikroskopi (FE-SEM) billeder afslørede den homogene overflade og med lille kornstørrelsesfordeling. ZnO tynde film er også blevet syntetiseret på glassubstrater under de samme parametre for måling af transmittans.
Med henblik på ultraviolet (UV) fotodetektor ansøgningen, sammenflettet platin (Pt) tynd film (tykkelse ~ 100 nm) fremstillet via konventionelle optiske litografiske proces og radiofrekvens (RF) magnetronforstøvning. For at nå ohmsk kontakt, blev indretningen udglødet i argon omstændigheder ved 450 ° C ved hurtig termisk annealing (RTA) for 10 min. Efter systematiske målinger, strøm-spænding (I – V) kurve for billedet og mørke nuværende og tidsafhængige fotostrøm respons resultater udviste en god responsivitet og pålidelighed, hvilket indikerer, at den høje c-aksen ZnO tynd film er en egnet affølingslagfor UV fotodetektor ansøgning.
Introduction
ZnO er en lovende bredbåndet-kløften funktionelle halvledermateriale på grund af dets unikke egenskaber, såsom høj kemisk stabilitet, lav pris, ikke-toksicitet, lav effekt tærskel for optisk pumpning, brede direkte båndgab (3,37 eV) ved stuetemperatur og store exciton bindingsenergi på ~ 60 MeV 1-2. For nylig har ZnO tynde film været ansat i mange anvendelsesområder, herunder transparente ledende oxid (TCO) film, blåt lys udsender enhed, felteffekttransistorer, og gas sensor 3-6. På den anden side, ZnO er kandidat materiale til at erstatte indiumtinoxid (ITO) på grund af indium og tin er sjældne og dyre. Desuden ZnO besidder høj optisk transmittans i det synlige bølgelængdeområde og lav resistivitet i forhold til ITO film 7-8. Følgelig fremstilling, karakterisering og anvendelse af ZnO er blevet grundigt beskrevet. Nærværende undersøgelse fokuserer på syntese høje c aksen (0002) ZnO tynde film ved en simpel end effektivt metode og dens praktiske anvendelse i retning af en UV-fotodetektor.
De seneste forskningsresultater rapport, at den høje kvalitet ZnO tynd film kunne syntetiseres ved forskellige teknikker, såsom sol-gel-metoden, radiofrekvens magnetronforstøvning, metal-organisk kemisk dampudfældning (MOCVD), og så videre 9-14. Hver teknik har sine fordele og ulemper. For eksempel kan en væsentlig fordel ved sputtering deposition er, at målmaterialer med meget højt smeltepunkt ubesværet forstøvet på substratet. I modsætning hertil er katodeforstøvningsprocessen vanskeligt at kombinere med en lift-off til strukturering af filmen. I vores undersøgelse, blev systemet plasmaforstærket kemisk dampudfældning (PECVD) ansat til at syntetisere høj kvalitet c -aksen ZnO tynde film. Plasma-bombardement er en nøglefaktor i syntese proces, der kan øge den tynde film tæthed og styrke ion nedbrydning reaktionshastigheden 15. IDesuden den høje vækstrate og store område ensartet aflejring er andre markante fordele for PECVD teknik.
Bortset fra syntese teknik, den gode vedhæftning på underlaget er et andet problem velovervejet. I mange undersøgelser er c -plane safir været almindeligt anvendt som substrat til syntese af høj C-aksen ZnO tynde film, fordi ZnO og safir har samme hexagonalt gitter struktur. Imidlertid var ZnO syntetiseret på safirsubstrat udviser ru overflade morfologi og høje resterende (defect-relateret) carrier koncentrationer på grund af de store gitter frigjorte mellem ZnO og C -plane safir (18%) er orienteret i i plan retning 16. Sammenlignet med safirsubstrat, en Si wafer er en anden udbredt substrat for ZnO syntese. Si vafler har været flittigt brugt i halvlederindustrien; og dermed væksten af høj kvalitet ZnO tynde film på Si substrater er meget vigtig og nød-vendigt. Desværre krystalstrukturen og varmeudvidelseskoefficient mellem ZnO og Si er naturligvis forskellige fører til forringelse af krystal kvalitet. Gennem det seneste årti er der blevet gjort en stor indsats for at forbedre kvaliteten af ZnO tynde film onto Si substrater ved hjælp af forskellige metoder, herunder ZnO buffer lag 17, udglødning i forskellige gasatmosfære 18 og passivering af Si underlagsoverfladen 19. Den foreliggende undersøgelse med succes tilbudt en enkel og effektiv metode til at syntetisere høj C-aksen ZnO tynd film på Si substrater uden bufferlag eller forbehandling. Eksperimentets resultater viste, at ZnO tynde film syntetiseret under optimale væksttemperatur viste god krystal og optiske egenskaber. Den krystallinske struktur, RF plasma sammensætning, overflademorfologi og optiske egenskaber af ZnO tynde film blev undersøgt ved røntgendiffraktion (XRD), optiske emission spektroskopi (OES), feltemissions scAnning elektronmikroskopi (FE-SEM), og RT fotoluminescens (PL) spektre henholdsvis. Desuden blev transmittansen af ZnO tynde film også bekræftet og rapporteres.
Som syntetiseret ZnO tynd film tjente som affølingslag for UV fotodetektor ansøgning blev også undersøgt i denne undersøgelse. UV fotodetektor har store potentielle anvendelsesmuligheder i UV overvågning, optisk switch, flamme alarm og missil opvarmning systemet 20-21. Der er mange typer af fotodetektorer, der er blevet udført, såsom positiv indre negativ (ben) mode og metal-halvleder-metal (MSM) strukturer, herunder Ohmsk kontakt og Schottky kontakt. Hver type har sine egne fordele og ulemper. I øjeblikket har MSM fotodetektorceller strukturer tiltrukket intensiv interesse på grund af deres fremragende præstationer i responsivitet, pålidelighed og respons og nyttiggørelse tid 22-24. Resultaterne præsenteres her har vist, at MSM ohmsk kontakt tilstand var ansatat fremstille ZnO tynd film baseret UV fotodetektor. En sådan form for fotodetektor afslører typisk en god responsivitet og pålidelighed, hvilket indikerer, at den høje c-aksen ZnO tynd film er en egnet affølingslaget for UV fotodetektor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin og modifikationer
I trin 1 skal underlagene rengøres grundigt og trin 1,3-1,5 følges for at sikre, at der ikke er fedt eller organiske og uorganiske forureninger på substrater. Alle fedt eller organiske og uorganiske forureninger på substratoverfladen vil reducere vedhæftningen af filmen.
Trin 2 er den vigtigste procedure ved ZnO filmen forberedelsesprocessen. DEZn er meget giftigt og voldsomt reagerer med vand og let antænder ved kontak…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Ministeriet for Videnskab og Teknologi og National Science Rådet for Republikken Kina (kontrakt nr. NSC 101-2221-E-027-042 og NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei takker National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) til Dr. Shechtman-prisen Award.
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
- Choppali, U., Kougianos, E., Mohanty, S. P., Gorman, B. P. Influence of annealing on polymeric derived ZnO thin films on sapphire. Thin Solid Films. 545, 466-470 (2013).
- Bedia, F. Z., et al. Effect of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray pyrolysis technique. J. Alloy. Compd. 616, 312-318 (2014).
- Liu, W. S., Wu, S. Y., Hung, C. Y., Tseng, C. H., Chang, Y. L. Improving the optoelectronic properties of gallium ZnO transparent conductive thin films through titanium doping. J. Alloy. Compd. 616, 268-274 (2014).
- Baik, K. H., Kim, H., Kim, J., Jung, S., Jang, S. Nonpolar light emitting diode with sharp near-ultraviolet emissions using hydrothermally grown ZnO on p-GaN. Appl. Phys. Lett. 103, 091107 (2013).
- Han, S. J., Huang, W., Shi, W., Yu, J. S. Performance improvement of organic field-effect transistor ammonia gas sensor using ZnO/PMMA hybrid as dielectric layer. Sens Actuator B-Chem. 203, 9-16 (2014).
- Chizhov, A. S., et al. Visible light activated room temperature gas sensors based on nanocrystalline ZnO sensitized with CdSe quantum dots. Sens Actuator B-Chem. 205, 305-312 (2014).
- Li, C., et al. Effects of substrate on the structural, electric and optical properties of Al-doped ZnO films prepared by radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films. 517, 3265-3268 (2009).
- Ellmer, K. Resistivity of polycrystalline zinc oxide films: current status and physical limit. J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 3097 (2001).
- Wang, F. G., et al. optical and electrical properties of Hf-doped ZnO transparent conducting films prepared by sol-gel method. J. Alloy. Compd. 623, 290-297 (2015).
- Senay, V., et al. ZnO thin film synthesis by reactive radio frequency magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 318, 2-5 (2014).
- Chi, P. W., Su, C. W., Jhuo, B. H., Wei, D. H. Photoirradiation caused controllable wettability switching of sputtered highly aligned c-axis-oriented zinc oxide columnar films. Int. J. Photoenergy. 2014, 765209 (2014).
- Jamal, R. K., Hameed, M. A., Adem, K. A. Optical properties of nanostructured ZnO prepared by a pulsed laser deposition technique. Mater. Lett. 132, 31-33 (2014).
- Kobayashi, T., Nakada, T. Effects of post-deposition on transparent conductingZnO:B thin films grown by MOCVD. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 05FA03 (2014).
- Chao, C. H., et al. Postannealing effect at various gas ambients on ohmic contacts of Pt/ZnO nanobilayers toward ultraviolet photodetectors. Int. J. Photoenergy. 2013, 372869-1155 (2013).
- Barankin, M. D., Gonzalez II, E., Ladwig, A. M., Hicks, R. F. Plasma-enhanced chemical vapor deposition of zinc oxide at atmospheric pressure and low temperature. 91, 924-930 (2007).
- Fons, P., et al. Uniaxial locked epitaxy of ZnO on the α face of sapphire. Appl. Phys. Lett. 77, 1801 (2000).
- Ko, H. J., Chen, Y., Hong, S. K., Yao, T. a. k. a. f. u. m. i. MBE growth of high-quality ZnO films on epi-GaN. J. Cryst. Growth. 209, 816-821 (2000).
- Park, D. J., Lee, J. Y., Park, T. E., Kim, Y. Y., Cho, H. K. Improved microstructural properties of a ZnO thin film using a buffer layer in-situ annealed in argon ambient. Thin Solid Films. 515, 6721-6725 (2000).
- Kim, M. S., et al. Nitrogen-passivation effects of Si substrates on the properties of ZnO epitaxial layers grown by using plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Korean Phys. Soc. 56, 827-831 (2010).
- Li, G. M., Zhang, J. W., Hou, X. Temperature dependence of performance of ZnO-based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors. Sens. Actuator A-Phys. 209, 149-153 (2014).
- Wang, X. F., et al. superhigh gain visible-blind UV detector and optical logic gates based on nonpolar a-axial GaN nanowire. Nanoscale. 6, 12009-12017 (2014).
- Inamdar, S. I., Rajpure, K. Y. High-performance metal-semiconductor-metal UV photodetector based on spray deposited ZnO thin films. J. Alloy. Compd. 595, 55-59 (2014).
- Tian, C. G., et al. Effects of continuous annealing on the performance of ZnO based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors. Mater. Sci. Eng. B-Adv. Funct.Solid-State Mater. 184, 67-71 (2014).
- Chen, H. Y., et al. Realization of a self-powered ZnO MSM UV photodetector with high responsivity using an asymmetric pair of Au electrodes. J. Mater. Chem. C. 2, 9689-9694 (2014).
- Subramanyam, T. K., Srinivasulu Naidu, ., S, S., Uthanna, Effect of substrate temperature on the physical properties of DC reactive magnetron sputtered ZnO films. Opt. Mater. 13, 239-247 (1999).
- Iwanaga, H., Kunishige, A., Takeuchi, S. Anisotropic thermal expansion in wurtzite-type crystals. J. Mater. Sci. 35, 2451-2454 (2000).
- Okaji, M. Absolute thermal expansion measurements of single-crystal silicon in the range 300-1300 K with an interferometric dilatometer. Int. J. Thermophys. 9, 1101-1109 (1988).
- Pearse, R. W. B., Lichtenberg, A. J. . The identification of molecular spectra. , (1976).
- Chao, C. H., Wei, D. H. Growth of non-polar ZnO thin films with different working pressures by plasma enhanced chemical vapor deposition. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 11RA05 (2014).
- Lin, B., Fu, Z., Green Jia, Y. luminescent center in undoped zinc oxide films deposited on silicon substrate. Appl. Phys. Lett. 79, 943-945 (2001).
- Koida, T., et al. Radiative and nonradiative excitonic transitions in nonpolar (110) and polar (000) and (0001) ZnO epilayers. Appl. Phys. Lett. 84 (110), 1079 (2004).
