Синтез и характеристика высокого C-оси ZnO тонкой пленки по плазмостимулированного химического осаждения системы и ее УФ фотодетектор приложение
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
В этом исследовании, оксид цинка (ZnO) тонких пленок с высокой гр ось (0002) преимущественной ориентации были успешно и эффективно синтезированы на кремниевые (Si) подложках с помощью различных синтезированных температурах с помощью усиленного плазмой химического осаждения паров (PECVD) системы. Эффекты различных синтезированных температур на кристаллической структуры, морфологии и поверхности оптических свойств были исследованы. Рентгеновский дифракционный (XRD) показал, что образцы интенсивность (0002) дифракционного пика не стали сильнее с увеличением синтезированного температуре до 400 о С. Интенсивность дифракции (0002) пика постепенно слабее сопровождая появление (10-10) дифракционного пика как синтезированного температуре до свыше 400 о С. РТ фотолюминесценции (ФЛ) выставлены сильные около-Band-ребро (NBE) выбросов наблюдается около 375 нм и незначительным глубоких уровней (DL) излучения находится в пределах 575 нм ундэ высоким с ось ZnO тонких пленок. Поле сканирования выбросов электронная микроскопия (СЭМ-FE) изображения показали однородную поверхность и с небольшим гранулометрического. Тонких пленок ZnO также были синтезированы на стеклянные подложки при тех же параметров для измерения пропускания.
Для ультрафиолетового (УФ) фотодетектора применения, гребенчатой платины (Pt), тонкую пленку (толщина ~ 100 нм) с помощью изготовленных обычной оптической литографии и процесса радиочастотной (РЧ) магнетронного распыления. Для того чтобы достичь омический контакт, устройство отжигали в аргоне при 450 обстоятельствах ° С с помощью быстрого термического отжига (RTA) системы в течение 10 мин. После систематических измерений, ток-напряжение (I – V) кривая фото и темнового тока и нестационарных результатов реагирования фототока выставлены хорошую чувствительности по надежности и, указывая, что высокий C ось ZnO тонкой пленки является подходящим зондирования слойУФ применения фотодетекторов.
Introduction
ZnO является многообещающей широкозонных разрыв функциональный полупроводниковый материал благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая химическая стойкость, низкая стоимость, нетоксичность, низким порогом мощности для оптической накачки, широкий прямой запрещенной зоны (3,37 эВ) при комнатной температуре и большой экситона энергия связи ~ 60 мэВ 1-2. Недавно, ZnO тонких пленок были использованы во многих областях применения, включая прозрачные проводящего оксида (ТСО) фильмов, синий светоизлучающий устройств, полевые транзисторы, датчика газа 3-6. С другой стороны, ZnO является кандидатом материал, чтобы заменить оксид индия-олова (ITO), вследствие индия и олова являются редкими и дорогими. Кроме того, ZnO обладает высокой оптическое пропускание в видимой области длин волн и низким удельным сопротивлением по сравнению с ITO пленок 7-8. Соответственно, изготовление, характеристика и применение ZnO широко сообщалось. Настоящее исследование посвящено синтеза высокие с -Axis (0002) ZnO тонких пленок с помощью простого апD эффективно метод и его применение к практической УФ фотодетектор.
Последние данные показывают, Research Report, что высокое качество ZnO тонкой пленки может быть синтезирован различными способами, такими, как золь-гель методом, радиочастотного магнетронного распыления, осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы (химическое MOCVD), и так далее 9-14. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Например, принципиальное преимущество распыления осаждения является то, что целевые материалы с очень высокой температурой плавления являются легко напыляют на подложку. В противоположность этому, процесс распыления трудно сочетать с отрывом для структурирования пленку. В нашем исследовании, плазма усиливается химического осаждения паров (ПХО) система была использована для синтеза высокого качества гр ось ZnO тонких пленок. Плазменные бомбардировка является ключевым фактором в процессе синтеза, что позволяет увеличить плотность пленки тонким и повышения скорости реакции ионного разложения 15. ВКроме того, высокие темпы роста и большой площади равномерным осаждения и другие отличительные преимущества для техники PECVD.
Для техники синтеза исключением, то хорошей адгезией на подложку является еще одним рассматриваемому вопросу. Во многих исследованиях с плоскости сапфира широко используется в качестве подложки для синтеза высокого C ось ZnO тонких пленок, потому что ZnO и сапфир имеют тот же гексагональную структуру решетки. Тем не менее, ZnO, был синтезирован на сапфировой подложке, проявляющего грубую морфологию поверхности и высокие остаточные (дефект), связанной с концентрации носителей из-за большого решетки неудачников между ZnO и с-плоскости сапфира (18%), ориентированных в направлении 16 в плоскости. По сравнению с сапфировой подложке, кремниевую пластину еще один широко используемый субстрат для синтеза ZnO. Si пластины были широко используется в полупроводниковой промышленности; и, таким образом, рост качественных ZnO тонких пленок на кремниевых подложках является очень важным и необхоСары. К сожалению, кристаллическая структура и коэффициент термического расширения между ZnO и Si, очевидно отличается приводит к ухудшению качества кристалла. За последнее десятилетие, большие усилия были сделаны, чтобы улучшить качество ZnO тонких пленок на кремниевых подложках с помощью различных методов, включая ZnO буферных слоев 17, отжига в атмосфере газообразного различной 18 и пассивации поверхности кремниевой подложки 19. Данное исследование успешно предложен простой и эффективной способ синтеза высокого C ось ZnO тонкой пленки на кремниевых подложках без буферного слоя или предварительной обработки. Результаты эксперимента показали, что тонкие пленки ZnO, синтезированных в соответствии с оптимальной температурой роста показали хорошую кристалл и оптические свойства. Кристаллическая структура, состав РФ плазмы, морфология поверхности и оптические свойства ZnO тонких пленок были исследованы с помощью рентгеновской дифракции (XRD), оптической спектроскопии эмиссии (OES), SC выбросов полеСканирование электронной микроскопии (FE-SEM) и RT фотолюминесценции (ФЛ), соответственно. Кроме того, коэффициент пропускания ZnO тонких пленок была также подтверждена и сообщает.
Что синтезированный ZnO тонкой пленки служил зондирования слой для УФ фотоприемников применения также изучалось в данном исследовании. УФ фотодетектор имеет большие потенциальные приложения в УФ-мониторингу, оптический переключатель, пламя сигнализация, и система противоракетной потепления 20-21. Есть много типов фотоприемников, которые были проведены, например, положительную внутреннюю отрицательной (контактный режим) и металл-полупроводник-металл (МСМ) структур, включая Токопроводящее и контакта Шоттки. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. В настоящее время, МСМ фотоприемников структуры привлекают интерес интенсивной из-за их выдающуюся производительность в чувствительность, надежность и реагирования и время восстановления 22-24. Результаты, представленные здесь, показали, что режим контакт МСМ Омическая работалдля изготовления тонкой пленки ZnO основе УФ фотоэлемента. Такого рода фотодетектора, как правило, показывает хорошее чувствительности по надежности и, указывая, что высокий C ось ZnO тонкой пленки является подходящим зондирования слой УФ фотоприемника.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги и модификации
В шаге 1, субстраты должны быть тщательно очищены и шаги 1,3 до 1,5 с последующим чтобы убедиться, что нет смазки или органические и неорганические загрязнения на подложках. Любой жир или органические и неорганические загрязнения на поверхно?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была выполнена при финансовой поддержке из Министерства науки и техники и Национального научного совета Китайской Народной Республики (контракт пп. НСК 101-2221-E-027-042 и 101-2622 НСК-Е-027-003-СС2). DH Вэй благодаря Национальный Тайбэй технологический университет (Тайбэй TECH) для доктора Шехтманом премии Премия.
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).
