סינתזה ואפיון של c-הציר הגבוה ZnO Thin Film ידי פלזמה משופרת מערכת הפקדת כימית החמקן וUV גלאי אור יישומה
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
במחקר זה, תחמוצת אבץ (ZnO) סרטים דקים עם ג -axis (0002) נטייה גבוהה מועדפת היו מסונתזים בהצלחה וביעילות על גבי מצעי סיליקון (Si) באמצעות טמפרטורות מסונתזים שונות באמצעות שיקוע כימי פלזמה משופרת מערכת (PECVD). ההשפעות של טמפרטורות שונות מסונתזים במבנה הגבישי, מורפולוגיות פני השטח ותכונות אופטיות נחקרו. עקיפת רנטגן דפוסים (XRD) הצביעו על כך שעוצמת השיא (0002) עקיפה התחזקה עם טמפרטורה מסונתזת הגדלת עד 400 מעלות צלסיוס עוצמת העקיפה של שיא (0002) הפכה בהדרגה חלשה מלווה עם מראה של (10-10) שיא עקיפה כמו הטמפרטורה המסונתזת עד עודף של 400 מעלות צלסיוס Photoluminescence RT הספקטרום (PL) הציג להקה-קצה ליד חזק (Nbe) פליטה נצפתה בסביבות 375 ננומטר ופליטה ברמה עמוקה זניחה (DL) ממוקמת בסביבות 575 und ננומטראה גבוה ג -axis ZnO סרטים דקים. תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים פליטת שדה (FE-SEM) חשפו את פני השטח הומוגני ועם התפלגות גודל גרגר קטנה. הסרטים הדקים ZnO גם היו מסונתזים על גבי מצעי זכוכית באותם פרמטרים למדידת העברה.
לצורך יישום אולטרה סגול גלאי אור (UV), הפלטינה interdigitated (Pt) סרט דק (עובי ~ 100 ננומטר) מפוברק באמצעות תהליך קונבנציונלי אופטי ליתוגרפיה ותדר רדיו (RF) המקרטעת magnetron. כדי להגיע למגע ohmic, המכשיר היה מרותק בנסיבות ארגון ב 450 C o על ידי מערכת מהירה חישול תרמית (RTA) במשך 10 דקות. לאחר המדידות שיטתיות, הנוכחי המתח (אני – V) עקומה של תמונה ותוצאות תגובת פוטוני והשעה הנוכחיות תלויה כהות הציגה היענות טובה ואמינה, המצביע על כך הגבוה ג -axis סרט דק ZnO הוא שכבת חישה מתאימהליישום גלאי האור UV.
Introduction
ZnO הוא חומר מוליך למחצה מבטיח רחב-פס-פער תפקודי בשל מאפייניה הייחודיים כגון יציבות כימית גבוהה, עלות נמוכה, שאינו רעיל, כוח סף נמוך לשאיבה אופטית, פער להקה ישירה רחב (3.37 eV) ב RT ואקסיטון הגדול מחייב אנרגיה של ~ 60 מופתע נוכח 1-2. לאחרונה, סרטים דקים ZnO כבר מועסקים בתחומים רבים, כולל יישום סרטי תחמוצת מוליך (TCO) שקופים, מכשיר פולט אור הכחול, טרנזיסטורים אפקט שדה, וחיישן גז 3-6. מצד השני, תחמוצת אבץ הוא חומר מועמד להחליף תחמוצת אינדיום בדיל (איטו) בשל אינדיום ופח להיות נדירים ויקרים. יתר על כן, תחמוצת האבץ בעל העברה אופטית גבוהה באזור הגל הגלוי והתנגדות נמוכה בהשוואה לסרטי איטו 7-8. בהתאם לכך, ייצור, אפיון ויישום של ZnO כבר דיווחו בהרחבה. מחקר הנוכחי מתמקד בסינתזת ג -axis (0002) סרטים דקים גבוהים ZnO ידי פשוטד יעילות שיטה והיישום המעשי שלה כלפי גלאי אור UV.
ממצאי דו"ח מחקר שנערך לאחרונה מצביעים על כך שהסרט הדק באיכות גבוהה ZnO יכול להיות מסונתז על ידי טכניקות שונות, כגון שיטת סול-ג'ל, המקרטעת magnetron תדר רדיו, בתצהיר המתכת אורגני אדים כימיים (MOCVD), וכן הלאה 9-14. לכל טכניקה יש יתרונות והחסרונות שלה. לדוגמא, יתרון עיקרי של תצהיר המקרטעת הוא שחומרי היעד עם נקודת התכה גבוהה מאוד גמגמו מאמץ על גבי המצע. לעומת זאת, התהליך המקרטעת קשה לשלב עם ההמראה לבניית מבנה הסרט. במחקר שלנו, מערכת שיקוע כימי פלזמה משופרת (PECVD) הועסקה לסנתז באיכות גבוהה ג -axis סרטים דקים ZnO. הפגזת פלזמה היא גורם מפתח בתהליך הסינתזה שיכולה להגדיל את צפיפות סרט דקה ולשפר את תגובת שיעור פירוק יון 15. בבנוסף, שיעור הצמיחה הגבוה ותצהיר אחיד שטח גדול יתרונות ייחודיים אחרים לטכניקת PECVD.
פרט לטכניקת הסינתזה, הידבקות טובה על המצע היא נושא נחשב אחר. במחקרים רבים, ספיר -plane ג כבר בשימוש נרחב כמצע לסנתז גבוה ג -axis סרטים דקים ZnO כי ZnO והספיר יש את אותו מבנה סריג המשושה. עם זאת, ZnO היה מסונתז על מצע ספיר מציג מורפולוגיה משטח מחוספס וריכוזים גבוהים שייר (פגם-קשור) ספק בשל יוצלחים סריג הגדול בין ZnO וספיר -plane ג (18%) בכיוון בכיוון במטוס 16. לעומת מצע הספיר, רקיק Si הוא עוד מצע בשימוש נרחב לסינתזת ZnO. הוופלים Si נעשו שימוש נרחב בתעשיית המוליכים למחצה; וכך, הצמיחה של סרטים דקים באיכות גבוהה ZnO על מצעי Si היא מאוד חשובה ושנחוץsary. למרבה הצער, המבנה הגבישי ומקדם התפשטות תרמית בין ZnO וסי הם ללא ספק שונים שהוביל להידרדרות באיכות קריסטל. במהלך העשור האחרון, מאמצים רבים נעשו כדי לשפר את האיכות של סרטים דקים ZnO על גבי מצעי Si באמצעות שיטות שונות, כולל שכבות ZnO חיץ 17, חישול באווירת גז שונים 18, ופסיבציה של פני השטח מצע Si 19. המחקר הנוכחי הציע בהצלחה שיטה פשוטה ויעיל לסנתז גבוה ג -axis סרט דק ZnO על גבי מצעי Si ללא כל שכבת חיץ או טיפול מראש. תוצאות הניסוי הצביעו על כך שהסרטים הדקים ZnO מסונתז תחת טמפרטורת הצמיחה האופטימלית הראו גביש הטוב ואיכויות אופטיות. המבנה הגבישי, הרכב הפלזמה RF, מורפולוגיה פני השטח, והתכונות אופטיות של סרטים דקים ZnO נחקרו על ידי קרן ה- X עקיפה (XRD), ספקטרוסקופיה פליטה האופטית (OES), sc פליטת השדהמיקרוסקופ האלקטרונים אנינג (FE-SEM), וספקטרום photoluminescence RT (PL), בהתאמה. יתר על כן, העברה של סרטים דקים ZnO גם אישרה ודיווחה.
הסרט הדק ZnO כ- מסונתז שימש כשכבת חישה ליישום גלאי אור UV גם נחקרה במחקר זה. יש גלאי האור UV יישומי פוטנציאל גדולים בניטור UV, מתג אופטי, אזעקת אש, ומערכת טילי התחממות 20-21. ישנם סוגים רבים של photodetectors שבוצע כגון שלילי מהותי חיובי מצב (PIN) ומבני מתכת מוליכים למחצה מתכת (MSM) כוללים קשר ohmic וקשר וטקי. לכל סוג יש יתרונות משלה וחסרונות. נכון לעכשיו, מבני גלאי אור MSM משכו עניין אינטנסיבי בשל הביצועים המעולים שלהם בתגובתיות, אמינות ותגובה וזמן התאוששות 22-24. התוצאות שהוצגו כאן מראות שמצב קשר MSM ohmic הועסקלפברק גלאי אור UV מבוססים סרט הדק ZnO. כזה סוג של גלאי אור בדרך כלל מגלה היענות טובה ואמינה, המצביע על כך הגבוה ג -axis סרט דק ZnO הוא שכבת חישה מתאימה לגלאי אור UV.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים ושינויים קריטיים
בשלב 1, מצעים יש לנקות ביסודיות וצעדי 1.3-1.5 אחריו כדי לוודא שאין גריז או זיהומים אורגניים ואי-אורגניים במצעים. כל גריז או זיהומים אורגניים ואי-אורגניים על פני השטח המצע משמעותי יפחית את ההידבקות של הסרט.
<p c…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה כלכלית על ידי משרד המדע והטכנולוגיה והמועצה הלאומית למדע של רפובליקה העממית של סין (nos חוזה. המל"ל 101-2,221-E-027-042 והמועצה לביטחון לאומי 101-2,622-E-027-003-CC2). תודה DH ווי האוניברסיטה הלאומית של טייפה טכנולוגיה (טייפה TECH) לד"ר שכטמן בפרס פרס.
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 |
References
- 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).
