Sintesi e caratterizzazione di alta c-asse ZnO film sottile da potenziato a plasma Chemical Vapor Deposition del sistema e la sua applicazione Rilevatori 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
In questo studio, l'ossido di zinco (ZnO) film sottili con alta c -axis (0002) orientamento preferenziale sono stati correttamente ed efficacemente sintetizzato su silicio (Si) substrati con diverse temperature sintetizzati utilizzando plasma maggiore deposizione di vapore chimico sistema (PECVD). Gli effetti di diverse temperature di sintesi sulla struttura cristallina, morfologie di superficie e proprietà ottiche sono stati indagati. La diffrazione dei raggi X (XRD) modelli indicato che l'intensità del picco (0002) diffrazione divenne più forte con l'aumentare della temperatura sintetizzato fino 400 ° C. L'intensità di diffrazione di (0002) di picco è diventato gradualmente più debole di accompagnamento con l'apparenza di (10-10) di picco di diffrazione quando la temperatura sintetizzato fino all'eccesso di 400 ° C. La RT fotoluminescenza (PL) spettri mostrato un forte nei pressi di banda-edge (NBE) emissione osservata a circa 375 nm e un trascurabile livello profondo (DL) emissione situato a circa 575 nm under alta c -axis ZnO film sottili. Campo microscopia elettronica a scansione emissione (FE-SEM) immagini hanno rivelato la superficie omogenea e con una distribuzione di piccole dimensioni del grano. I film sottili ZnO sono stati sintetizzati su substrati di vetro sotto gli stessi parametri di misurazione della trasmittanza.
Ai fini dell'applicazione ultravioletta (UV) fotorivelatore, il platino interdigitata (Pt) film sottile (spessore ~ 100 nm) fabbricato via convenzionale processo di litografia ottica e frequenza radio (RF) magnetron sputtering. Per raggiungere il contatto ohmico, il dispositivo è stato ricotto in circostanze argon a 450 o C per sistema rapido ricottura termica (RTA) per 10 min. Dopo le misurazioni sistematiche, la corrente-tensione (I – V) Curva di foto e risultati di risposta fotocorrente corrente e tempo-dipendente scuri esibito un buon responsività e affidabilità, indicando che l'alta c -axis ZnO film sottile è uno strato di rilevamento adattoper l'applicazione fotorivelatore UV.
Introduction
ZnO è un wide-band-gap materiale semiconduttore funzionale promettente grazie alle sue proprietà uniche come l'elevata stabilità chimica, a basso costo, atossicità, a bassa soglia di potenza per il pompaggio ottico, larga banda proibita diretta (3,37 eV) a temperatura ambiente e grandi eccitonico energia di ~ 60 meV 1-2 vincolante. Recentemente, film sottili ZnO sono stati impiegati in molti campi di applicazione contenenti ossido conduttivo (TCO) pellicole trasparenti, dispositivi emettitori di luce blu, transistori ad effetto di campo, e sensori di gas 3-6. D'altra parte, ZnO è un materiale candidato per sostituire ossido di stagno indio (ITO) a causa di indio e stagno essendo raro e costoso. Inoltre, ZnO possiede alta trasmissione ottica nella regione di lunghezza d'onda visibile e bassa resistività rispetto ITO film 7-8. Pertanto, fabbricazione, caratterizzazione e applicazione di ZnO è stato ampiamente riportato. Questo studio si concentra sulla sintesi (0002) ZnO film sottili di alta c -axis da un semplice und efficace metodo e la sua applicazione pratica verso una cellula fotoelettrica UV.
Le recenti scoperte rapporto di ricerca indicano che la ZnO film sottile di alta qualità può essere sintetizzato mediante varie tecniche, come metodo sol-gel, magnetron sputtering a radiofrequenza, metallo organico deposizione di vapore chimico (MOCVD), e così via 9-14. Ogni tecnica ha i suoi vantaggi e svantaggi. Ad esempio, un vantaggio principale di deposizione sputtering è che i materiali bersaglio con molto elevato punto di fusione sono facilmente atomizzate sul substrato. Al contrario, il processo di sputtering è difficile combinare con un lift-off per strutturare il film. Nel nostro studio, il sistema potenziato a plasma chemical vapor deposition (PECVD) è stato impiegato per sintetizzare alta qualità c -axis film sottili ZnO. Bombardamento plasma è un fattore chiave nel processo di sintesi che può aumentare la densità di film sottile e migliorare la velocità di reazione di decomposizione di ioni 15. InInoltre, il tasso di crescita elevata e di grande superficie uniforme deposizione sono altri vantaggi distintivi per tecnica PECVD.
Fatta eccezione per la tecnica di sintesi, la buona adesione sul substrato è un altro problema considerato. In molti studi, lo zaffiro c -Plane è stato ampiamente utilizzato come substrato per sintetizzare alta c -axis film sottili ZnO perché il ZnO e zaffiro hanno la stessa struttura reticolo esagonale. Tuttavia, la ZnO è stato sintetizzato su substrato di zaffiro esibendo morfologia superficiale ruvida e alte concentrazioni residue carrier (difetto relative) a causa delle grandi disadattati reticolari tra ZnO e c -Plane zaffiro (18%) orientate nella direzione 16 in piano. Rispetto al substrato di zaffiro, un wafer di Si è ampiamente usato un altro substrato per la sintesi ZnO. Wafer di Si sono stati ampiamente utilizzati nel settore dei semiconduttori; e quindi, la crescita di film sottili ZnO alta qualità su substrati di Si è molto importante e necessario. Purtroppo, la struttura cristallina e il coefficiente di espansione termica tra il ZnO e Si sono ovviamente diverse conseguente deterioramento della qualità di cristallo. Negli ultimi dieci anni, sono stati fatti notevoli sforzi per migliorare la qualità di film sottili su substrati di Si ZnO utilizzando vari metodi tra ZnO strati tampone 17, ricottura in atmosfera di gas diversi 18, e passivazione del substrato superficiale di Si 19. Il presente studio ha offerto con successo un metodo semplice ed efficace per sintetizzare alta c -axis ZnO film sottile su substrati di Si, senza strato tampone o pre-trattamento. I risultati dell'esperimento è emerso che i film sottili ZnO sintetizzati sotto la temperatura di crescita ottimale mostrato il cristallo e buona qualità ottiche. La struttura cristallina, la composizione del plasma RF, morfologia superficiale e le proprietà ottiche di film sottili ZnO sono stati studiati mediante diffrazione di raggi X (XRD), spettroscopia di emissione ottica (OES), Field Emission scAnning microscopia elettronica (FE-SEM), e RT fotoluminescenza (PL) spettri rispettivamente. Inoltre, la trasmissione di film sottili ZnO è stato confermato anche e segnalato.
Il film sottile ZnO come per sintesi servito come uno strato di rilevamento per l'applicazione fotorivelatore UV è stata studiata anche in questo studio. Il rivelatore fotoelettrico UV ha grandi potenziali applicazioni nel monitoraggio UV, interruttore ottico, allarme fiamma, e il sistema di riscaldamento del missile 20-21. Ci sono molti tipi di fotorivelatori che sono state effettuate come modalità negativa intrinseco positivo (pin) e metallo-semiconduttore-metallo (MSM) strutture compreso il contatto ohmico e Schottky contatto. Ogni tipo ha i suoi vantaggi e svantaggi. Attualmente, le strutture fotorivelatori MSM hanno attirato l'interesse intenso a causa della loro eccezionali prestazioni in responsività, l'affidabilità e la risposta e il tempo di recupero 22-24. I risultati qui presentati dimostrano che la modalità di contatto ohmico MSM è stato impiegatofabbricare ZnO film sottile cellula fotoelettrica UV based. Tale tipo di fotorivelatore rivela in genere una buona responsività e affidabilità, indicando che l'alta c -axis ZnO film sottile è uno strato di rilevamento adatto per fotorivelatore UV.
Protocol
Representative Results
Discussion
Passaggi critici e modifiche
Nella fase 1, i substrati devono essere puliti e passi 1,3-1,5 seguire per fare in modo che non ci sia grasso o contaminazioni organiche ed inorganiche sui substrati. Qualsiasi grasso o contaminazioni organici e inorganici sulla superficie del substrato ridurrà significativamente l'adesione del film.
Fase 2 è la procedura più importante prima del processo di preparazione del film ZnO. DEZn è molto tossico e reagisce violenteme…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente della dal Ministero della Scienza e della Tecnologia e il National Science Council di Repubblica di Cina (nn contratto. NSC 101-2221-E-027-042 e 101-2622 NSC-E-027-003-CC2). DH Wei grazie alla nazionale di Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) per il Dr. Shechtman Premio 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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