Synthese und Charakterisierung von Hoch c-Achsen-ZnO-Dünnfilm durch Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-System und seine UV-Photodetektor Anwendungs
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 dieser Studie, Zinkoxid (ZnO) dünne Filme mit hoher c-Achse (0002) Vorzugsorientierung wurden erfolgreich und wirksam auf Silizium (Si) -Substrate über verschiedene Temperaturen synthetisiert unter Verwendung plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung (PECVD) System synthetisiert. Die Wirkungen der verschiedenen synthetisierten Temperaturen auf die Kristallstruktur, Oberflächenmorphologie und der optischen Eigenschaften untersucht. Die Röntgenbeugung (XRD) zeigte, daß die Intensität der (0002) Beugungspeak wurde stärker mit zunehmender synthetisiert Temperatur bis 400 o C. Die Beugungsintensität der (0002) Spitzen allmählich schwächer einhergehende Auftreten von (10-10) Beugungsspitze als synthetisierte Temperatur bis über 400 o C. Die RT Photolumineszenz (PL) Spektren zeigte eine starke Nähe Band-Kante (NBE) Emission bei etwa 375 nm und einer vernachlässigbaren Tiefebene (DL) Emission bei etwa 575 nm und liegt beobachteter hohen c-Achse ZnO-Dünnschichten. Feldemissionsrasterelektronenmikroskopie (FE-SEM) zeigte die homogene Oberfläche und geringen Korngrößenverteilung. Die ZnO-Dünnfilme wurden auch auf Glassubstrate unter den gleichen Parameter für die Messung der Durchlässigkeit synthetisiert.
Zum Zwecke der ultravioletten (UV) Photodetektoranwendung interdigitalen Platin (Pt) Dünnfilm (Dicke ~ 100 nm) über herkömmlichen optischen Lithographieverfahren und Funkfrequenz (RF) Magnetronsputtern hergestellt. Um ohmschen Kontakt zu erreichen, wurde die Vorrichtung in Argon Umstände bei 450ºC durch schnelles thermisches Tempern (RTA-System) für 10 min getempert. Nachdem die systematische Messungen, die Strom-Spannungs (I – V) -Kurve von Foto- und Dunkelstrom und zeitabhängigen Photostrom Ergebnisse zeigten eine gute Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit, die anzeigt, dass die Hoch c -Achse ZnO-Dünnfilm ist eine geeignete Messschichtfür UV-Photodetektor-Anwendung.
Introduction
ZnO ist eine vielversprechende breite Bandlücke funktionale Halbleitermaterial aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wie hohe chemische Stabilität, niedrige Kosten, Nicht-Toxizität, geringer Stromschwelle für optisches Pumpen, breite direkte Bandlücke (3,37 eV) bei RT und große Exzitonen Bindungsenergie von ~ 60 meV 1-2. In letzter Zeit wurden ZnO-Dünnfilme in vielen Anwendungsbereichen einschließlich transparentes leitfähiges Oxid (TCO) Filme, blaues Licht emittierende Vorrichtung, Feldeffekt-Transistoren, und Gassensor 3-6 eingesetzt. Andererseits ist ZnO ein Kandidatenmaterial Indium-Zinn-Oxid (ITO) zu ersetzen durch Indium und Zinn als selten und teuer. Außerdem ZnO hohe optische Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich und einen niedrigen spezifischen Widerstand, verglichen mit ITO-Filmen 7-8. Dementsprechend wurde die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von ZnO wurde ausgiebig berichtet. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die Synthese von hohen c-Achse (0002) ZnO-Dünnfilme mit einfacher eind effektiv Verfahren und ihre praktische Anwendung zu einer UV-Photodetektor.
Die jüngsten Forschungsbericht Ergebnisse zeigen, dass die hohe Qualität ZnO-Dünnfilm kann durch verschiedene Techniken, wie beispielsweise Sol-Gel-Verfahren, Hochfrequenz-Magnetronsputtern, metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) usw. 9-14 synthetisiert werden. Jede Technik hat ihre Vorteile und Nachteile. Zum Beispiel, ist ein Hauptvorteil der Sputterabscheidung dass Ziel Materialien mit sehr hohem Schmelzpunkt, mühelos auf das Substrat gesputtert. Im Gegensatz dazu ist das Sputter-Verfahren schwierig, mit einem Abhebeverfahren zur Strukturierung der Folie zu verbinden. In unserer Studie wurde die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) System eingesetzt, um hohe Qualität zu synthetisieren c-Achse ZnO-Dünnschichten. Plasmabeschuß ist ein Schlüsselfaktor in der Syntheseverfahren, die die Dünnfilmdichte zu erhöhen und die Ionenzersetzungsreaktionsgeschwindigkeit 15 kann. ImDarüber hinaus ist die hohe Wachstumsrate und großflächige gleichmäßige Abscheidung sind weitere entscheidende Vorteile für PECVD-Technik.
Mit Ausnahme der Synthesetechnik, die eine gute Haftung auf dem Substrat voneinander betrachtet Thema. In vielen Studien wurde die c-Ebene Saphir wurde weithin als Substrat verwendet werden, um ein hohes C synthetisieren -Achse ZnO-Dünnfilme, weil die ZnO und Saphir haben die gleiche hexagonale Gitterstruktur. Jedoch wurde der ZnO auf Saphir-Substrat aufweist rauhe Oberflächenmorphologie und hoher Rest (defektbezogene) Trägerkonzentrationen wegen der großen Gitter misfits zwischen ZnO und c -Ebene Saphir (18%) in der Richtung in der Ebene 16 orientiert synthetisiert. Verglichen mit dem Saphir-Substrat, ein Si-Wafer andere verbreitete Substrat für die ZnO-Synthese. Si-Wafer wurden ausführlich in der Halbleiterindustrie verwendet werden; und somit wird das Wachstum von qualitativ hochwertigen ZnO Dünnfilmen auf Si-Substraten sehr wichtig und erforderlich. Leider ist die Kristallstruktur und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem ZnO und Si sind offensichtlich verschieden, was zu einer Verschlechterung der Kristallqualität. In den vergangenen zehn Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um die Qualität des ZnO-Dünnfilmen auf Si-Substraten unter Verwendung von verschiedenen Verfahren, einschließlich ZnO-Pufferschichten 17, Annealing bei verschiedenen Gasatmosphäre 18 und Passivierung der Si-Substratoberfläche 19 zu verbessern. In der vorliegenden Studie erfolgreich bot eine einfache und effektive Methode zur Synthese von hoch c-Achse ZnO-Dünnfilm auf Si-Substraten ohne Pufferschicht oder Vorbehandlung. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die unter der optimalen Wachstumstemperatur synthetisiert ZnO-Dünnfilme zeigten die gute Kristall und optischen Eigenschaften. Die kristalline Struktur, RF Plasmazusammensetzung, Oberflächenmorphologie und der optischen Eigenschaften des ZnO-Dünnfilme wurden durch Röntgenbeugung (XRD), die optische Emissionsspektroskopie (OES), Feldemissions sc suchtenAnning Elektronenmikroskopie (FE-SEM) und RT Photolumineszenz (PL)-Spektren. Außerdem wurde die Durchlässigkeit des ZnO-Dünnfilme ebenfalls bestätigt und berichtet werden.
Das so synthetisierte ZnO-Dünnfilm diente als Sensorschicht für UV-Photodetektor-Anwendung wurde auch in dieser Studie untersucht. Der UV-Photodetektor hat ein großes Potenzial Anwendungen in der UV-Überwachung, optische Schalter, Flamm Alarm und Raketenwärmesystem 20-21. Es gibt viele Arten von Photodetektoren, die sich wie beispielsweise positive intrinsische negativ (pin) Modus und Metall-Halbleiter-Metall (MSM) Strukturen mit Ohmschen Kontakt und die Schottky-Kontakt durchgeführt wurden. Jeder Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Derzeit haben MSM Photodetektorstrukturen intensive Interesse aufgrund ihrer herausragenden Leistungen in Empfindlichkeit, Zuverlässigkeit und Antwort und Recovery-Zeit von 22 bis 24 angezogen. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass der MSM Ohmsche Kontaktmodus verwendet wurde,um ZnO-Dünnfilm auf Basis UV-Photodetektor herzustellen. Eine solche Art des Photodetektors zeigt typischerweise eine gute Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit, die anzeigt, dass die Hoch c -Achse ZnO-Dünnfilm ist ein geeignetes Sensorschicht für UV-Photodetektor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritischen Schritte und Modifikationen
In Schritt 1 wird, sollten die Substrate gründlich gereinigt werden, und die Schritte 1.3 bis 1.5 folgt, um sicherzustellen, dass es kein Fett oder organischen und anorganischen Verunreinigungen auf den Substraten. Fett- und organischen und anorganischen Verunreinigungen auf der Substratoberfläche wird die Haftung des Films deutlich zu reduzieren.
Schritt 2 ist das wichtigste Verfahren vor dem ZnO-Film Herstellverfahren. D…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von durch das Ministerium für Wissenschaft und Technologie und National Science Council der Republik China (Vertrag Nr. NSC 101-2221-E-027-042 und NSC 101-2622-E-027-003-CC2) unterstützt. DH Wei durch die National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) für die Dr. Shechtman Preis 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 |
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).
