Synthese en karakterisering van High c-as ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System en de UV Fotodetector Application
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
In deze studie hebben zinkoxide (ZnO) dunne films met een hoge c-as (0002) preferentiële oriëntatie met succes en doeltreffend gesynthetiseerd op silicium (Si) substraat via verschillende temperaturen bereid met plasma versterkte chemische dampafzetting (PECVD) systeem. De effecten van verschillende gesynthetiseerde temperaturen aan de kristalstructuur, oppervlaktemorfologie en optische eigenschappen onderzocht. De röntgendiffractie (XRD) patronen aangegeven dat de intensiteit van (0002) diffractiepiek werd sterker met toenemende temperatuur gesynthetiseerde tot 400 o C. De diffractie-intensiteit van de (0002) piek werd geleidelijk zwakker begeleiden met het uiterlijk van de (10-10) diffractiepiek als de gesynthetiseerde temperatuur tot meer dan 400 o C. De RT fotoluminescentie (PL) spectra vertoonden een sterke near-band-edge (NBE) emissie waargenomen bij ongeveer 375 nm en een verwaarloosbaar deep-level (DL) emissie ligt bij ongeveer 575 nm under hoge c -as ZnO dunne films. Veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM) beelden toonde het homogeen oppervlak met kleine korrelgrootteverdeling. De ZnO dunne films werden ook gesynthetiseerd op glassubstraten onder dezelfde parameters voor het meten van de transmissie.
Ten behoeve van ultraviolet (UV) fotodetector toepassing, de in elkaar platina (Pt) dunne folie (dikte ~ 100 nm) vervaardigd via conventionele fotolithografische werkwijze en radiofrequentie (RF) magnetron sputteren. Om ohmse contact te komen, werd het apparaat onthard in argon omstandigheden bij 450 o C door snel thermisch gloeien (RTA) voor 10 min. Na de systematische metingen de stroom-spanning (I – V) curve van foto en donkerstroom en fotostroom tijdsafhankelijke respons resultaat vertoonde een goede responsiviteit en betrouwbaarheid aangeeft dat de hoge c-as ZnO dunne film is een geschikte sensorlaagUV fotodetector toepassing.
Introduction
ZnO is een veelbelovende breed-band-gap functioneel halfgeleidermateriaal vanwege de unieke eigenschappen zoals een hoge chemische stabiliteit, lage kosten, niet-giftigheid, laag vermogen drempel voor optisch pompen, brede directe bandafstand (3,37 eV) bij RT en grote exciton binding energie van ~ 60 meV 1-2. Onlangs hebben ZnO dunne films toegepast op vele toepassingsgebieden zoals transparant geleidend oxide (TCO) films, blauw lichtgevende inrichting, veldeffecttransistoren en gassensor 3-6. Anderzijds, ZnO is een kandidaatmateriaal aan indium tin oxide (ITO) vervangen vanwege indium en tin zijn zeldzaam en duur. Bovendien ZnO bezit hoge optische doorlaatbaarheid in het zichtbare golflengtegebied en de lage weerstand tegen ITO films 7-8. Dienovereenkomstig, fabricage, karakterisatie en toepassing van ZnO is uitgebreid gerapporteerd. Deze studie richt zich op de synthese van hoge c-as (0002) ZnO dunne films van een eenvoudig eend effectieve methode en de praktische toepassing ervan in de richting van een UV-fotodetector.
De recente bevindingen onderzoeksrapport blijkt dat de hoge kwaliteit ZnO dunne film kan worden bereid door diverse technieken zoals sol-gel methode, radiofrequentie magnetron sputteren, metaalorganische chemische opdamping (MOCVD), enzovoort 9-14. Elke techniek heeft zijn voordelen en nadelen. Bijvoorbeeld, een belangrijk voordeel van sputteren afzetting die doelstelling materialen met een zeer hoog smeltpunt worden moeiteloos gesputterd op het substraat. In tegenstelling, het sputterproces is moeilijk te combineren met een lift-off voor het structureren van de film. In onze studie was de plasma versterkte chemische dampafzetting (PECVD) -systeem toegepast voor het synthetiseren van hoge kwaliteit c-as ZnO dunne films. Plasma bombardement is een sleutelfactor in het synthese proces dat de dunne film dichtheid verhogen en het ion ontleding reactiesnelheid 15 verhogen. InDaarnaast is de hoge groei en een groot oppervlak uniforme afzetting zijn andere onderscheidende voordelen voor PECVD techniek.
Behalve de synthesetechniek, goede hechting op het substraat een weloverwogen kwestie. In vele onderzoeken is het c -vlak sapphire wijd gebruikt als het substraat voor hoge c synthetiseren -as ZnO dunne films omdat ZnO en saffier dezelfde hexagonale roosterstructuur. De ZnO werd gesynthetiseerd op saffiersubstraat vertoont ruwe oppervlakte morfologie en hoge overblijvende (defect-gerelateerde) carrier teweegbrengen vanwege de grote rooster misfits tussen ZnO en c -vlak saffier (18%) georiënteerd in de richting 16 in het vlak. Vergeleken met de saffiersubstraat, een Si-wafer is een veel gebruikte substraat voor de synthese ZnO. Si wafers zijn uitvoerig gebruikt in de halfgeleider industrie; en dus de groei van hoge kwaliteit ZnO dunne films op Si-substraten is zeer belangrijk en noodzakelijk. Helaas, de kristalstructuur en de thermische uitzettingscoëfficiënt tussen de ZnO en Si zijn duidelijk verschillend leidt tot verslechtering van de kristalkwaliteit. Over jaar hadden grote inspanningen gedaan om de kwaliteit van ZnO dunne films op Si-substraten te verbeteren met behulp van verschillende werkwijzen zoals ZnO bufferlagen 17, gloeien in verschillende gasatmosfeer 18, en passivering van het Si-substraat oppervlak 19. Deze studie succes een eenvoudige en doeltreffende methode geboden voor het synthetiseren hoge c-as ZnO dunne film op Si-substraten zonder bufferlaag of voorbehandeling. De proef resultaten bleek dat de ZnO dunne films bereid bij de optimale groeitemperatuur toonde de goede kristal en optische eigenschappen. De kristalstructuur, RF plasma samenstelling, oppervlaktemorfologie en optische eigenschappen van ZnO dunne films werden onderzocht met röntgendiffractie (XRD), optische emissie spectroscopie (OES) veldemissie scAnning elektronenmicroscoop (FE-SEM) en RT fotoluminescentie (PL) spectra, respectievelijk. Bovendien werd de transmissie van ZnO dunne films ook bevestigd en gerapporteerd.
Het als zodanig gesynthetiseerde ZnO dunne film diende als sensorlaag UV fotodetector toepassing werd onderzocht in deze studie. De UV fotodetector heeft veel potentiële toepassingen in UV-monitoring, optische schakelaar, vlam alarm, en raketprogramma opwarming systeem 20-21. Er zijn vele soorten van fotodetectoren die hebben uitgevoerd zoals positieve intrinsieke negatieve (pin) modus en metaal-halfgeleider-metaal (MSM) structuren, waaronder ohmse contact en Schottky contact. Elk type heeft zijn eigen voor- en nadelen. Momenteel hebben MSM fotodetector structuren intensieve rente aangetrokken vanwege hun uitstekende prestaties in responsiviteit, betrouwbaarheid en respons en herstel tijd 22-24. De hier gepresenteerde resultaten tonen aan dat de MSM Geleidende modus werkteom ZnO dunne film gebaseerd UV fotodetector fabriceren. Zo'n soort fotodetector toont typisch een goede responsiviteit en betrouwbaarheid aangeeft dat de hoge c-as ZnO dunne film is een geschikte laag voor detectie UV fotodetector.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische stappen en wijzigingen
In stap 1, moeten de substraten grondig worden gereinigd en stap 1,3 tot 1,5 gevolgd om ervoor te zorgen dat er geen vet of organische en anorganische verontreinigingen op de substraten. Vet en organische en anorganische verontreinigingen op het substraatoppervlak wordt de hechting van de film aanzienlijk.
Stap 2 is de belangrijkste behandeling voor het ZnO film bereidingsproces. DEZn is zeer giftig en reageert hevig met water en …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd financieel ondersteund door het Ministerie van Wetenschap en Technologie en de National Science Raad van de Republiek China (contract nrs. NSC-101-2221 E-027-042 en NSC-101-2622 E-027-003-CC2). DH Wei dankzij de National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) voor de Dr. Shechtman Prize 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).
