توليف وتوصيف عالية ج المحور أكسيد الزنك رقيقة بواسطة البلازما المحسن الأبخرة الكيميائية نظام ترسب و photodetector تطبيق الأشعة فوق البنفسجية لها
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
في هذه الدراسة، تم بنجاح وفعالية توليفها أكسيد الزنك (أكسيد الزنك) الأغشية الرقيقة مع ارتفاع ج -axis (0002) التوجه تفضيلية على السيليكون (سي) ركائز عبر درجات الحرارة تصنيعه المختلفة باستخدام البلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية (PECVD) النظام. وقد تم التحقيق في الآثار من مختلف درجات الحرارة توليفها على التركيب البلوري، الأشكال التضاريسية سطح والخصائص البصرية. حيود الأشعة السينية وأشارت (XRD) أنماط أن كثافة (0002) حيود ذروة أصبحت أقوى مع زيادة درجة الحرارة توليفها حتى 400 درجة مئوية. كثافة حيود (0002) ذروة أصبح تدريجيا المرافق أضعف مع ظهور (10-10) حيود الذروة حيث إن درجة حرارة توليفها حتى تتجاوز 400 درجة مئوية. وRT معان ضوئي (PL) أطياف عرضت على شبه الفرقة حافة قوية (البنك الأهلي) لوحظ انبعاث حوالي 375 نانومتر، ويذكر على مستوى عميق (DL) الانبعاثات يقع في حوالي 575 نانومتر اوندإيه عالية ج -axis أكسيد الزنك الأغشية الرقيقة. كشفت مجال المجهر انبعاث الإلكترون (FE-SEM) صور سطح متجانس ومع توزيع صغير الحجم الحبوب. كما تم توليفها الأفلام أكسيد الزنك رقيقة على ركائز الزجاج تحت نفس المعلمات لقياس النفاذية.
لغرض تطبيق الأشعة فوق البنفسجية (UV) photodetector، والبلاتين interdigitated (حزب العمال) رقيقة (سمك ~ 100 نانومتر) ملفقة عبر التقليدية عملية الطباعة الحجرية الضوئية وتردد الراديو (RF) المغنطرون الاخرق. من أجل الوصول إلى الاتصال أومية، وصلب الجهاز في الظروف الأرجون في 450 درجة مئوية قبل الصلب الحرارية (RTA) نظام السريع لمدة 10 دقيقة. بعد قياسات منتظمة، والجهد الحالي (I – V) منحنى من الصور والنتائج الحالية والتي تعتمد على الوقت المظلمة استجابة photocurrent عرضت على responsivity جيدة والموثوقية، مشيرا إلى أن ارتفاع ج -axis أكسيد الزنك طبقة رقيقة هي طبقة الاستشعار مناسبةللأشعة فوق البنفسجية تطبيق photodetector.
Introduction
أكسيد الزنك هو واسعة النطاق فجوة المواد أشباه الموصلات وظيفية واعدة نظرا لخصائصه الفريدة مثل ارتفاع الاستقرار الكيميائي، منخفضة التكلفة، وغير سمية، وانخفاض عتبة السلطة لضخ البصرية، واسعة فجوة المباشرة (3.37 فولت) في RT والأكسيتون كبير الطاقة ~ 60 إلكترون فولت 02/01 ملزمة. في الآونة الأخيرة، وقد استخدمت أكسيد الزنك الأغشية الرقيقة في العديد من المجالات بما في ذلك تطبيق أكسيد موصل (TCO) أفلام شفافة، جهاز ينبعث منها الضوء الأزرق، والترانزستورات مجال التأثير، وأجهزة الاستشعار الغاز 3-6. من ناحية أخرى، أكسيد الزنك هو مادة مرشح لخلافة أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) بسبب الإنديوم والقصدير يجري نادرة وباهظة الثمن. وعلاوة على ذلك، أكسيد الزنك تمتلك بصري النفاذية العالية في المنطقة الطول الموجي مرئية والمقاومة منخفضة مقارنة مع الأفلام ايتو 7-8. وبناء على ذلك، تم الإبلاغ على نطاق واسع تصنيع وتوصيف وتطبيق أكسيد الزنك. تركز هذه الدراسة على تجميع عالية ج -axis (0002) أكسيد الزنك الأغشية الرقيقة من قبل وبسيطد طريقة فعالة والتطبيق العملي لها نحو photodetector للأشعة فوق البنفسجية.
وتشير نتائج التقرير البحوث التي أجريت مؤخرا أن جودة عالية الزنك طبقة رقيقة يمكن تصنيعه من خلال تقنيات مختلفة مثل طريقة سول-جل، الترددات اللاسلكية المغنطرون الاخرق وترسب المعادن العضوية الأبخرة الكيميائية (MOCVD)، وهلم جرا 14/09. كل أسلوب مزاياه وعيوبه. على سبيل المثال، الميزة الرئيسية لترسب الاخرق هو أن المواد المستهدفة مع نقطة انصهار عالية جدا وباءت بالفشل جهد على الركيزة. في المقابل، فإن عملية الاخرق من الصعب الجمع بين مع انطلاقه لهيكلة الفيلم. في دراستنا، كان يعمل على نظام البلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية (PECVD) لتجميع جودة عالية ج -axis أكسيد الزنك الأغشية الرقيقة. قصف البلازما هي عامل رئيسي في عملية توليف التي يمكن أن تزيد من كثافة رقيقة وتعزيز التحلل الأيوني معدل التفاعل 15. فيبالإضافة إلى ذلك، فإن معدل نمو مرتفع وترسب موحدة مساحة واسعة من المزايا الأخرى المميزة لتقنية PECVD.
باستثناء تقنية التوليف، والتصاق جيد على الركيزة هو قضية ويرى آخر. في العديد من الدراسات، وقد الياقوت ج -plane تستخدم على نطاق واسع والركيزة لتجميع عالية ج -axis أكسيد الزنك الأغشية الرقيقة لأن أكسيد الزنك والياقوت لديهم نفس بنية شعرية سداسية. ومع ذلك، تم تصنيعه من أكسيد الزنك على الياقوت واظهار مورفولوجيا سطح خشن والمتبقية تركيزات الناقل (ذات الصلة عيب) عالية بسبب الأسوياء شعرية كبيرة بين أكسيد الزنك والياقوت ج -plane (18٪) موجهة في الاتجاه في الطائرة 16. مقارنة مع الياقوت، وسي ويفر هو الركيزة استخداما آخر لتركيب أكسيد الزنك. تم الرقائق المستخدمة على نطاق واسع سي في صناعة أشباه الموصلات. وبالتالي، نمو عالية الجودة أكسيد الزنك الأغشية الرقيقة على ركائز سي مهم جدا وnecesلزم. وللأسف، فإن التركيب البلوري ومعامل التمدد الحراري بين أكسيد الزنك وسي تختلف بشكل واضح مما أدى إلى تدهور جودة وضوح الشمس. على مدى العقد الماضي، بذلت جهودا كبيرة لتحسين نوعية أكسيد الزنك الأغشية الرقيقة على ركائز سي باستخدام أساليب مختلفة بما في ذلك أكسيد الزنك طبقات عازلة 17، الصلب في مختلف جو الغاز 18، وتخميد الركيزة سطح سي 19. تقدم هذه الدراسة بنجاح طريقة بسيطة وفعالة لتجميع عالية ج -axis أكسيد الزنك طبقة رقيقة على ركائز سي دون أي طبقة عازلة أو ما قبل المعالجة. وأشارت نتائج التجربة أن الأغشية الرقيقة أكسيد الزنك تصنيعه تحت درجة حرارة النمو الأمثل أظهرت كريستال جيد والصفات البصرية. وقد تم التحقيق البنية البلورية، RF تكوين البلازما، مورفولوجيا السطح، والخصائص البصرية من أكسيد الزنك الأغشية الرقيقة التي كتبها حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الانبعاث الضوئي (OES)، حقل الشوري الانبعاثاتاننينغ المجهر الإلكتروني (FE-SEM)، وRT معان ضوئي (PL) الأطياف، على التوالي. وعلاوة على ذلك، تم تأكيد أيضا على نفاذية الأغشية الرقيقة من أكسيد الزنك والإبلاغ عنها.
خدم أكسيد الزنك طبقة رقيقة كما توليفها، كما تم التحقيق طبقة الاستشعار عن تطبيق photodetector الأشعة فوق البنفسجية أيضا في هذه الدراسة. وphotodetector للأشعة فوق البنفسجية له تطبيقات كبيرة محتملة في رصد الأشعة فوق البنفسجية، والتبديل البصرية، والتنبيه لهب، وصواريخ نظام الاحتباس 20-21. وهناك أنواع عديدة من أجهزة الاستشعار البصرية التي نفذت مثل سلبية جوهرية إيجابية (دبوس) وضع والمعادن أشباه الموصلات المعدنية (MSM) الهياكل بما في ذلك الاتصال أومية وشوتكي للإتصال به. لكل نوع مزاياه وعيوبه. حاليا، وقد اجتذبت الهياكل photodetector MSM الفائدة المركزة بسبب أدائهم المتميز في responsivity والموثوقية والاستجابة والتعافي الوقت 22-24. وقد أظهرت النتائج المعروضة هنا أن وضع الاتصال MSM أومية كان يعمللافتعال أكسيد الزنك طبقة رقيقة على أساس photodetector للأشعة فوق البنفسجية. مثل هذا النوع من photodetector يكشف عادة responsivity جيدة والموثوقية، مشيرا إلى أن ارتفاع ج -axis أكسيد الزنك طبقة رقيقة هي طبقة الاستشعار مناسبة لphotodetector للأشعة فوق البنفسجية.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات حاسمة والتعديلات
في الخطوة 1، وركائز يجب تنظيفها والخطوات 1،3-1،5 اتباعها للتأكد من عدم وجود الشحوم أو التلوث العضوية وغير العضوية على ركائز. فإن أي الشحوم أو التلوث العضوية وغير العضوية على سطح الركيزة الحد بشكل كبير من التص…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل ماليا من قبل وزارة العلوم والتكنولوجيا والمجلس الوطني للعلوم في جمهورية الصين (غ العقد. NSC 101-2221-E-027-042 وNSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH وي بفضل الجامعة الوطنية تايبيه للتكنولوجيا (تايبه TECH) لجائزة الدكتور شيختمان جائزة.
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).
