Synthèse et caractérisation de l'axe c Haute ZnO Thin Film par Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition système et son application 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
Dans cette étude, l'oxyde de zinc (ZnO) des films minces à haute axe c (0002) orientation préférentielle ont été avec succès et efficacement synthétisé sur silicium (Si) substrats par l'intermédiaire des températures différentes synthétisées à l'aide de plasma de dépôt chimique en phase vapeur du système (PECVD). Les effets de différentes températures de synthèse sur la structure cristalline, des morphologies de surface et les propriétés optiques ont été étudiées. La diffraction des rayons X (XRD) indique que les modèles de l'intensité (0002) est devenu plus fort pic de diffraction avec l'augmentation de la température jusqu'à ce que synthétisé 400 o C. L'intensité de diffraction de (0002) est devenu progressivement plus faible pic d'accompagnement avec apparition de (10 à 10) en tant que pic de diffraction de la température de synthèse jusqu'à plus de 400 o C. La RT photoluminescence (PL) spectres présentait une forte bande-bord proche (NBE) émissions observée à environ 375 nm et une émission niveau profond négligeable (DL) situé à environ 575 nm under haute axe c ZnO films minces. La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) ont révélé des images de la surface et avec une répartition homogène de petite taille des grains. Les films minces de ZnO ont également été synthétisés sur des substrats de verre dans les mêmes paramètres de mesure de la transmittance.
Aux fins d'application ultraviolet (UV) de photodétecteurs, la platine interdigitée (Pt) à film mince (épaisseur ~ 100 nm) fabriqué par procédé de lithographie optique classique et la fréquence radio (RF) de pulvérisation cathodique magnétron. Afin d'atteindre un contact ohmique, le dispositif a été recuite dans des circonstances d'argon à 450 o C par le système rapide de recuit thermique (RTA) pendant 10 min. Après les mesures systématiques, le courant-tension (I – V) courbe de photo et les résultats de la réponse de photocourant actuels et dépendant du temps sombres présentait une bonne réceptivité et de fiabilité, ce qui indique que la haute axe c ZnO film mince est une couche de détection appropriéUV pour l'application de photodétecteur.
Introduction
ZnO est un matériau prometteur de semi-conducteurs fonctionnelle large bande interdite en raison de ses propriétés uniques telles que la stabilité chimique élevée, à faible coût, la non-toxicité, le seuil de faible puissance pour le pompage optique, bande interdite directe de large (3,37 eV) à température ambiante et grande exciton l'énergie de ~ 60 meV 1-2 contraignant. Récemment, des films minces de ZnO ont été utilisés dans de nombreux domaines d'application, y compris oxyde conducteur (TCO) des films transparents, dispositif de lumière bleue électroluminescente, transistors à effet de champ, et de capteurs de gaz 3-6. D'autre part, le ZnO est un matériau candidat pour remplacer l'oxyde d'étain indium (ITO) en raison de l'étain et d'indium étant rare et coûteux. En outre, ZnO possède transmittance optique élevée dans la région de longueur d'onde visible et à faible résistivité par rapport à des films d'ITO 7-8. En conséquence, la fabrication, la caractérisation et l'application de ZnO a été largement rapporté. La présente étude se concentre sur la synthèse de l'axe c (0002) ZnO films minces élevés par un simple, unD efficacement méthode et son application pratique vers un photodétecteur UV.
Les conclusions du rapport de recherche récents indiquent que le ZnO film mince de haute qualité pourrait être synthétisé par diverses techniques telles que la méthode sol-gel, la fréquence radio pulvérisation magnétron, dépôt organométallique chimique en phase vapeur (MOCVD), et ainsi de suite 9-14. Chaque technique a ses avantages et ses inconvénients. Par exemple, un avantage principal de dépôt par pulvérisation cathodique est que les matériaux cibles ayant un point de fusion très élevé sont facilement pulvérisées sur le substrat. En revanche, le procédé de pulvérisation est difficile à combiner avec un lift-off pour la structuration du film. Dans notre étude, le système plasma dépôt chimique en phase vapeur (PECVD) a été utilisé pour synthétiser de haute qualité selon l'axe c des films minces de ZnO. Bombardement Plasma est un facteur clé dans le processus de synthèse qui peut augmenter la densité de la couche mince et d'améliorer la vitesse de réaction de décomposition d'ions 15. DansDe plus, le taux de croissance élevé et de grande surface dépôt uniforme sont d'autres avantages distinctifs pour technique PECVD.
Sauf pour la technique de synthèse, la bonne adhérence sur le substrat est une autre question examinée. Dans de nombreuses études, le saphir de c-Plane a été largement utilisé en tant que substrat pour la synthèse de haut selon l'axe c des films minces de ZnO parce que le ZnO et le saphir ont la même structure en treillis hexagonal. Cependant, le ZnO a été synthétisé sur saphir substrat présentant une morphologie de surface rugueuse et résiduelles concentrations de porteurs élevée (connexe de défauts) En raison du grand marginaux de réseau entre le ZnO et c-Plane saphir (18%) orientées dans la direction dans le plan 16. En comparaison avec le substrat de saphir, une tranche de Si est un autre substrat couramment utilisé pour la synthèse ZnO. Tranches de Si ont été largement utilisés dans l'industrie du semi-conducteur; et, par conséquent, la croissance de films minces de ZnO de haute qualité sur des substrats de Si est très important et nécesSary. Malheureusement, la structure cristalline et le coefficient de dilatation thermique entre le ZnO et Si sont évidemment différentes conduisant à une détérioration de la qualité du cristal. Au cours des dix dernières années, de grands efforts ont été faits pour améliorer la qualité de ZnO films minces sur des substrats de Si à l'aide de divers procédés comprenant des couches de ZnO tampon 17, un recuit en atmosphère de gaz divers 18, et la passivation de la surface du substrat de Si 19. La présente étude a offert avec succès une méthode simple et efficace pour synthétiser haute axe c ZnO film mince sur des substrats de silicium sans couche tampon ou de pré-traitement. Les résultats de l'expérience indiquent que les films minces de ZnO synthétisés sous la température optimale de croissance de cristal ont montré le bien et qualités optiques. La structure cristalline, la composition du plasma RF, la morphologie de surface et les propriétés optiques des couches minces de ZnO ont été examinées par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie d'émission optique (OES), sc à émission de champAnning microscopie électronique (FE-SEM), et RT photoluminescence (PL) spectres, respectivement. En outre, la transmittance de films minces de ZnO a également été confirmé et signalé.
Le film mince de ZnO tel que synthétisé a été une couche de détection pour l'application de photodétecteur UV a également été étudié dans cette étude. Le photo-détecteur UV a de grandes applications potentielles dans la surveillance des UV, commutateur optique, alarme flamme, et missiles système de réchauffement 20-21. Il existe de nombreux types de photodétecteurs qui ont été menées telles que le mode (broche) de négative intrinsèque positive et métal-semiconducteur-métal (MSM) structures y compris le contact ohmique et contact Schottky. Chaque type a ses propres avantages et inconvénients. Actuellement, les structures de photodétecteurs MSM ont suscité un intérêt intensive en raison de leur performance exceptionnelle dans la réceptivité, la fiabilité et la réponse et le temps de récupération 22-24. Les résultats présentés ici ont montré que le mode de contact ohmique MSM a été employépour fabriquer ZnO film mince photodétecteur UV base. Un tel type de photodétecteur révèle généralement une bonne réceptivité et de fiabilité, ce qui indique que la haute axe c ZnO film mince est une couche de détection approprié pour photodétecteur UV.
Protocol
Representative Results
Discussion
Étapes et les modifications critiques
Dans l'étape 1, les supports doivent être soigneusement nettoyés et les étapes 1.3 à 1.5 suivi pour vous assurer qu'il n'y a pas de graisse ou de contaminations organiques et inorganiques sur les substrats. Toute graisse ou contaminations organiques et inorganiques sur la surface du substrat réduiront considérablement l'adhérence du film.
Étape 2 est la procédure la plus importante avant que le proc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu financièrement par le ministère de la Science et de la Technologie et du Conseil national de la science de la République de Chine (Les numéros de contrat. NSC 101-2221-E-027-042 et NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei grâce l'Université nationale de Taipei of Technology (TAIPEI TECH) pour le Prix 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 |
References
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