Síntese e Caracterização de alta c-eixo ZnO Thin Film por Plasma aprimorado Chemical Vapor Deposition Sistema e sua Aplicação Photodetector UV
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
Neste estudo, o óxido de zinco (ZnO), películas finas com alta -axis C (0002) orientação preferencial, foram com sucesso e eficazmente sintetizado em silício (Si) substratos através de diferentes temperaturas sintetizados utilizando deposição de vapor químico de plasma melhorado sistema (PECVD). Os efeitos de diferentes temperaturas sintetizados sobre a estrutura de cristal, morfologia de superfície e propriedades ópticas têm sido investigados. A difracção de raios-X (DRX) padrões indicou que a intensidade de pico (0002) tornou-se mais forte de difracção com o aumento da temperatura até 400 sintetizado o C. A intensidade de difração (0002) tornou-se mais fraca pico gradualmente acompanhando com aparência de (10-10) pico de difração como a temperatura sintetizado até superior a 400 o C. A RT fotoluminescência (PL) espectros exibiu uma forte perto de banda-edge (NBE) emissão observada em cerca de 375 nm e uma emissão desprezível de nível profundo (DL), localizado a cerca de 575 nm under alta c -axis ZnO filmes finos. Microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FE-SEM) revelou imagens da superfície homogênea e com pequena granulometria. Os filmes finos de ZnO também foram sintetizados sobre substratos de vidro sob os mesmos parâmetros para medir a transmitância.
Para efeitos de aplicação ultravioleta (UV) fotodetector, a platina interdigitada (Pt) de filme fino (espessura ~ 100 nm) fabricada através de processo de litografia óptica convencional e de rádio frequência (RF) pulverização catódica. A fim de atingir o contacto óhmico, o dispositivo foi recozido em circunstâncias de árgon a 450 ° C por um sistema de tratamento térmico rápido (RTA) durante 10 min. Após as medições sistemáticas, a corrente-tensão (I – V) Curva de foto e resultados de resposta fotocorrente correntes dependentes do tempo e escuras exibiu uma boa responsividade e fiabilidade, o que indica que a elevada c -axis ZnO película fina é uma camada de detecção adequadofotodetector para aplicação de UV.
Introduction
ZnO é um material semicondutor funcional wide-band-gap promissor, devido às suas propriedades únicas, como alta estabilidade química, baixo custo, não-toxicidade, baixo limiar de energia para o bombeamento óptico, gap direto largo (3,37 eV) a TA e grande éxciton energia de ~ 60 meV 1-2 vinculativo. Recentemente, ZnO filmes finos têm sido utilizados em muitos campos de aplicação, incluindo óxido condutor (TCO) películas transparentes, dispositivo emissor de luz azul, transistores de efeito de campo, e sensores de gás 3-6. Por outro lado, ZnO é um material candidato a substituir o óxido de índio e estanho (ITO), devido à índio e estanho sendo rara e cara. Além disso, ZnO possui alta transmitância óptica na região de comprimento de onda visível e baixa resistividade em comparação com ITO filmes 7-8. Consequentemente, a fabricação, caracterização e aplicação de ZnO tem sido amplamente relatados. O presente estudo centra-se na síntese c -axis (0002) filmes finos de ZnO elevados por um simples umd eficaz método e sua aplicação prática no sentido de um fotodetector UV.
Os resultados recentes indicam que o relatório de pesquisa a alta qualidade do filme fino de ZnO pode ser sintetizado por várias técnicas, tais como método sol-gel, de frequência de rádio pulverização catódica, deposição química de vapor de metal orgânico (MOCVD), e assim por diante 9-14. Cada técnica tem as suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, a principal vantagem da deposição da pulverização catódica é que os materiais de destino com muito alto ponto de fusão são facilmente estalou sobre o substrato. Em contraste, o processo de pulverização catódica é difícil de combinar com um elevador-off para estruturar o filme. Em nosso estudo, o sistema de deposição de vapor químico de plasma reforçada (PECVD) foi utilizado para sintetizar alta qualidade c -axis ZnO filmes finos. Bombardeamento de plasma é um factor chave no processo de síntese que pode aumentar a densidade do filme fino e melhorar a taxa de reacção de decomposição de iões 15. DentroAdicionalmente, a taxa de crescimento elevada e uniforme a deposição de grande área são outras vantagens distintas para técnica de PECVD.
Exceto para a técnica de síntese, a boa adesão no substrato é outra questão considerada. Em diversos estudos, a safira C -Plane tem sido amplamente utilizado como o substrato para sintetizar alta C -axis ZnO filmes finos, pois o ZnO e safira tem a mesma estrutura hexagonal. No entanto, o ZnO foi sintetizado no substrato de safira exibindo morfologia de superfície áspera e altas concentrações residuais (defeito) relacionada com a portadora, devido às grandes desajustes entre a treliça ZnO e safira -Plane C (18%) orientadas na direcção no plano 16. Comparado com o substrato de safira, uma bolacha de Si é um outro substrato amplamente utilizados para a síntese de ZnO. Wafers Si têm sido amplamente utilizados na indústria de semicondutores; e, assim, o crescimento de alta qualidade ZnO filmes finos sobre substratos de Si é muito importante e necessário. Infelizmente, a estrutura cristalina e coeficiente de expansão térmica entre o ZnO e Si são, obviamente, que pode levar à deterioração da qualidade do cristal. Ao longo última década, foram feitos grandes esforços para melhorar a qualidade de ZnO filmes finos sobre substratos de Si usando vários métodos, incluindo camadas de ZnO tampão 17, recozimento em vários atmosfera de gás 18, e passivação da superfície do substrato Si 19. O presente estudo oferece com sucesso um método simples e eficaz para sintetizar alta C -axis ZnO filme fino sobre substratos de Si sem qualquer camada ou tampão de pré-tratamento. Os resultados experimentais indicaram que os filmes finos de ZnO sintetizados sob a temperatura de crescimento óptima mostrou boa cristal e qualidades ópticas. A estrutura cristalina, composição de plasma de RF, morfologia da superfície, e as propriedades ópticas dos filmes finos de ZnO foram investigados por difracção de raios-X (XRD), espectroscopia de emissão óptica (OES), Field Emission SCmicroscopia eletrônica de Anning (FE-SEM), e RT fotoluminescência (PL) espectros, respectivamente. Além disso, a transmitância de filmes finos de ZnO também foi confirmada e relatados.
A fina película de ZnO como sintetizada serviu como uma camada de detecção para a aplicação fotodetector UV também foi investigada neste estudo. O fotodetector UV tem grandes potenciais aplicações em monitoramento UV, interruptor óptico, alarme chama e sistema de aquecimento de mísseis 20-21. Há muitos tipos de fotodetectores que têm sido levadas a cabo, tais como modo negativo intrínseco positivo (pinos) e de metal-metal-semicondutor (MSM), incluindo estruturas Conexão condutora e contato Schottky. Cada tipo tem suas próprias vantagens e desvantagens. Atualmente, as estruturas de fotodetectores MSM têm atraído interesse intensiva devido ao seu excelente desempenho em responsividade, confiabilidade e tempo de resposta e recuperação 22-24. Os resultados aqui apresentados demonstram que o modo de contacto foi utilizado MSM óhmicapara fabricar fotodetector UV baseado ZnO filme fino. Tal tipo de fotodetector normalmente revela uma boa responsividade e fiabilidade, o que indica que a elevada c -axis ZnO película fina é uma camada de detecção adequado para o fotodetector UV.
Protocol
Representative Results
Discussion
As etapas críticas e modificações
Na etapa 1, os substratos devem ser completamente limpas e os passos 1.3 a 1.5 seguido para se certificar de que não há nenhuma gordura ou contaminações orgânicos e inorgânicos sobre os substratos. Qualquer gordura ou contaminações orgânicos e inorgânicos na superfície do substrato irão reduzir significativamente a adesão da película.
Passo 2 é o procedimento mais importante antes de o processo de preparação f…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho teve o apoio financeiro de pelo Ministério da Ciência e Tecnologia e do Conselho Nacional de Ciência da República da China (nos contratos. NSC 101-2221-E-027-042 e NSC-101-2622 E-027-003-CC2). DH Wei graças a Universidade Nacional de Taipei of Technology (TAIPEI TECH) para o Prêmio Dr. Shechtman 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
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