Síntesis y Caracterización de alta eje c ZnO Thin Film por Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System y su Fotodetector Aplicación 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
En este estudio, óxido de zinc (ZnO) con películas delgadas de alta eje x (0002) orientación preferencial c se han sintetizado con éxito y eficacia sobre sustratos de silicio (Si) a través de diferentes temperaturas sintetizados mediante el uso de plasma mejorado sistema de deposición de vapor químico (PECVD). Los efectos de diferentes temperaturas sintetizados en la estructura cristalina, morfologías de superficie y propiedades ópticas han sido investigados. La difracción de rayos X (XRD) indicó que la intensidad de pico (0002) de difracción se hizo más fuerte al aumentar la temperatura hasta 400 sintetizado o C. La intensidad de difracción de (0002) pico convirtió gradualmente más débil que acompaña con apariencia de (10-10) pico de difracción como la temperatura sintetizado hasta más de 400 ° C El RT de fotoluminiscencia (PL) espectros exhibió una fuerte cercana a la banda de punta (NBE) emisión observa en alrededor de 375 nm y una insignificante nivel de profundidad (DL) de emisión situada en alrededor de 575 nm under alta eje c ZnO películas delgadas. Imágenes Campo microscopía electrónica de barrido de emisión (FE-SEM) revelaron la superficie homogénea y con una pequeña distribución de tamaño de grano. Las películas delgadas de ZnO también se han sintetizado sobre sustratos de vidrio bajo los mismos parámetros para la medición de la transmitancia.
Para los fines de aplicación ultravioleta (UV) fotodetector, el platino interdigitados (Pt) de película delgada (espesor de ~ 100 nm) fabricado a través de proceso de litografía óptica convencional y la frecuencia de radio (RF) de pulverización catódica magnetrón. Con el fin de alcanzar el contacto óhmico, el dispositivo fue recocida en circunstancias de argón a 450 ° C por el sistema de recocido térmico rápido (RTA) durante 10 min. Después de las mediciones sistemáticas, la corriente-voltaje (I – V) de la curva de foto y resultados de respuesta fotocorriente actuales y dependientes del tiempo oscuros exhibió una buena capacidad de respuesta y la fiabilidad, lo que indica que la alta eje c ZnO película delgada es una capa de detección adecuadopara la aplicación fotodetector UV.
Introduction
ZnO es un material semiconductor funcional de banda ancha-gap prometedor debido a sus propiedades únicas, tales como alta estabilidad química, de bajo coste, no toxicidad, de bajo umbral de potencia para el bombeo óptico, banda prohibida directa de ancho (3,37 eV) a TA y grandes excitón energía de enlace de ~ 60 meV 1-2. Recientemente, ZnO películas delgadas se han empleado en muchos campos de aplicación, incluyendo películas transparentes de óxido conductor (TCO), dispositivo que emite luz azul, transistores de efecto de campo, y los sensores de gas 3.6. Por otro lado, ZnO es un material candidato para reemplazar el óxido de indio y estaño (ITO), debido al indio y estaño siendo raro y caro. Por otra parte, ZnO posee una alta transmitancia óptica en la región de longitud de onda visible y baja resistividad en comparación con las películas ITO 7-8. En consecuencia, se ha informado ampliamente de fabricación, caracterización y aplicación de ZnO. El presente estudio se centra en sintetizar eje c (0002) de ZnO películas delgadas de alto por un sencillo de unad efectivamente método y su aplicación práctica hacia una célula fotoeléctrica UV.
Los recientes resultados del informe de investigación indican que la alta calidad de ZnO película delgada podría ser sintetizado por diversas técnicas, tales como el método sol-gel, pulverización catódica magnetrón de radiofrecuencia, deposición de vapor químico orgánico de metal (MOCVD), y así sucesivamente 9-14. Cada técnica tiene sus ventajas y desventajas. Por ejemplo, una ventaja principal de la deposición de pulverización catódica es que los materiales de destino con muy alto punto de fusión se chisporroteaban sin esfuerzo sobre el sustrato. En contraste, el proceso de pulverización catódica es difícil de combinar con un lift-off para la estructuración de la película. En nuestro estudio, se empleó el sistema de plasma mayor deposición de vapor químico (PECVD) para sintetizar alta calidad eje c ZnO películas delgadas. Bombardeo de plasma es un factor clave en el proceso de síntesis que puede aumentar la densidad de la película delgada y mejorar la velocidad de reacción de descomposición de iones 15. EnAdemás, la alta tasa de crecimiento y de gran superficie deposición uniforme otras ventajas distintivas para la técnica PECVD.
A excepción de la técnica de síntesis, la buena adherencia sobre el sustrato es otro tema considerado. En muchos estudios, el zafiro c plano xy ha sido ampliamente utilizado como sustrato para sintetizar alta eje c de ZnO películas delgadas debido a que el ZnO y el zafiro tienen la misma estructura reticular hexagonal. Sin embargo, el ZnO se sintetizó en sustrato de zafiro que exhibe morfología de la superficie áspera y altas concentraciones residuales (de defectos relacionados) portadoras debido a las grandes inadaptados de celosía entre el ZnO y el zafiro c plano xy (18%) orientadas en la dirección en el plano 16. En comparación con el sustrato de zafiro, una oblea de Si es otro sustrato ampliamente utilizado para la síntesis ZnO. Obleas de Si se han utilizado ampliamente en la industria de los semiconductores; y por lo tanto, el crecimiento de películas delgadas de ZnO de alta calidad sobre sustratos de Si es muy importante y necesario. Desafortunadamente, la estructura cristalina y el coeficiente de expansión térmica entre el ZnO y Si son obviamente diferentes dando lugar a deterioro de la calidad de cristal. Durante la década pasada, se han hecho grandes esfuerzos para mejorar la calidad de las películas finas de ZnO sobre sustratos de Si mediante el uso de diversos métodos incluyendo ZnO capas tampón 17, de recocido en varios atmósfera de gas 18, y pasivación de la superficie de sustrato de Si 19. El presente estudio ofreció con éxito un método simple y eficaz para sintetizar alta eje c ZnO película delgada sobre sustratos de Si sin ninguna capa intermedia o de pre-tratamiento. Los resultados del experimento indicaron que las películas delgadas de ZnO sintetizados bajo la temperatura óptima de crecimiento mostraron que la buena cristal y cualidades ópticas. La estructura cristalina, la composición plasma RF, morfología de la superficie, y propiedades ópticas de películas delgadas de ZnO se investigaron por difracción de rayos X (XRD), espectroscopía de emisión óptica (OES), sc campo de emisiónanning microscopía de electrones (FE-SEM), y RT de fotoluminiscencia (PL) espectros, respectivamente. Por otra parte, la transmitancia de películas delgadas de ZnO también se confirmó e informó.
La película delgada ZnO tal como se sintetiza sirve como una capa de detección para la aplicación fotodetector UV también se ha investigado en este estudio. La célula fotoeléctrica UV tiene grandes aplicaciones potenciales en la vigilancia UV, conmutador óptico, alarma fuego, y el sistema de calentamiento de misiles 20-21. Hay muchos tipos de fotodetectores que se han llevado a cabo, como modo negativo intrínseco positivo (pin) y metal-semiconductor de metal (MSM) estructuras incluyendo el contacto óhmico y el contacto Schottky. Cada tipo tiene sus propias ventajas y desventajas. Actualmente, las estructuras fotodetectores HSH han atraído el interés intensiva debido a su destacada actuación en la capacidad de respuesta, fiabilidad y respuesta y el tiempo de recuperación 22-24. Los resultados presentados aquí han demostrado que se empleó el modo de contacto óhmico MSMpara la fabricación de ZnO película delgada fotodetector UV basada. Tal tipo de fotodetector típicamente revela una buena capacidad de respuesta y la fiabilidad, lo que indica que la alta eje c ZnO película delgada es una capa de detección adecuado para fotodetector UV.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los pasos críticos y modificaciones
En el paso 1, los sustratos deben limpiarse a fondo y los pasos 1.3 a 1.5 seguido para asegurarse de que no hay grasa o contaminaciones orgánicas e inorgánicas en los sustratos. Cualquier grasa o contaminaciones orgánicos e inorgánicos en la superficie del sustrato reducirá significativamente la adherencia de la película.
Paso 2 es el procedimiento más importante antes de que el proceso de preparación de la película d…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado financieramente de por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y el Consejo Nacional de Ciencia de la República de China (nn contrato. NSC 101 a 2.221-E-027-042 y NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei agradece a la Universidad Nacional de Tecnología de Taipei (Taipei TECH) para el Premio Dr. Shechtman Premio.
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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