Syntes och karakterisering av hög c-axeln ZnO Thin Film från Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System och dess UV Ljuskänsliga Application
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
I denna studie har zinkoxid (ZnO) tunna filmer med hög c-axel (0002) föredragen orientering framgångsrikt och effektivt syntetiseras på kisel (Si) substrat via olika syntetiserade temperaturer med hjälp av plasmaförstärkt CVD (PECVD) systemet. Effekterna av olika syntetiserade temperaturer på kristallstrukturen, yta morfologier och optiska egenskaper har undersökts. Den röntgendiffraktion (XRD) mönster indikerade att intensiteten av (0002) diffraktionstoppen blev starkare med ökande syntetiserade temperatur tills 400 ° C Diffraktionsintensiteten av (0002) topp blev gradvis svagare åtföljande med utseende (10-10) diffraktionstopp som den syntetiserade temperaturen upp till över 400 ° C RT fotoluminescens (PL) spektra uppvisade en stark nära bandkanten (NBE) emission observerades vid omkring 375 nm och en försumbar djupnivå (DL) utsläpp ligger på runt 575 nm undär hög c -axeln ZnO tunna filmer. Fält svepemissionselektronmikroskop (FE-SEM) bilder avslöjade den homogena ytan och med liten kornstorleksfördelning. ZnO-tunnfilmer har även syntetiserats på glassubstrat under samma parametrar för mätning av transmittans.
Vid tillämpning av ultraviolett (UV) fotodetektor ansökan, de inflikade platina (Pt) tunn film (tjocklek ~ 100 nm) tillverkades genom konventionell optisk litografiprocess och radiofrekvens (RF) magnetronsputtring. För att nå ohmsk kontakt, var anordningen glödgades i argon omständigheter vid 450 ° C genom snabb termisk glödgning (RTA) -systemet för 10 minuter. Efter de systematiska mätningar, den ström-spänning (I – V) kurvan för bild och mörkströmmen och tidsberoende fotoström responsen ger uppvisade god responsivitet och tillförlitlighet, vilket indikerar att den höga c -axeln ZnO-tunnfilm är en lämplig känselskiktför UV-fotodetektor ansökan.
Introduction
ZnO är en lovande bred-bandgap funktionell halvledarmaterial på grund av dess unika egenskaper, såsom hög kemisk stabilitet, låg kostnad, icke-toxicitet, låg tröskeleffekt för optisk pumpning, bred direkt bandgap (3,37 eV) vid RT och stora excitonen bindande energi ~ 60 MeV 1-2. Nyligen har ZnO tunna filmer använts i många tillämpningsområden inklusive transparenta ledande oxid (TCO) filmer, blå Ijusemitterande anordningen, fälteffekttransistorer, och gassensor 3-6. Å andra sidan, är ZnO ett kandidatmaterial för att ersätta indiumtennoxid (ITO) på grund av indium och tenn är sällsynta och dyra. Dessutom ZnO besitter hög optisk transmittans i det synliga våglängdsområdet och låg resistivitet jämfört med ITO-filmer 7-8. Följaktligen har tillverkningen, karakterisering och tillämpning av ZnO genomgått omfattande rapporterats. Denna aktuella studien fokuserar på syntes höga c-axeln (0002) ZnO tunna filmer av en enkel end effektivt metod och dess praktiska tillämpning till en UV-fotodetektor.
De senaste forskningsrapport fynd tyder på att den höga kvalitet ZnO tunnfilm kan syntetiseras genom olika tekniker, såsom sol-gel-metoden, radiofrekvensmagnetron sputtering, metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD), och så vidare 9-14. Varje teknik har sina fördelar och nackdelar. Till exempel är en principiell fördel med sputtring avsättning som målmaterial med mycket hög smältpunkt är enkelt sputtras på substratet. Däremot är förstoftningsprocessen svår att kombinera med en lift-off för att strukturera filmen. I vår studie var plasmaförstärkt CVD (PECVD) system som används för att syntetisera hög kvalitet c -axeln ZnO tunna filmer. Plasma bombardemang är en nyckelfaktor i syntesprocess som kan öka den tunna filmen densitet och förbättra reaktionshastigheten ion nedbrytning 15. IDessutom den höga tillväxttakten och stora ytor enhetlig avsättning är andra utmärkande fördelar för PECVD teknik.
Med undantag för syntesen teknik är god vidhäftning på substratet annan överväga utfärdandet. I många studier har c -planet safir använts i stor omfattning som substrat för att syntetisera hög C -axeln ZnO tunna filmer eftersom ZnO och safir har samma hexagonala gitterstruktur. Emellertid var ZnO syntetiserades på safirsubstrat uppvisar grov ytmorfologi och höga återstående (defektrelaterad) bärarkoncentrationer på grund av de stora gittermissanpassade mellan ZnO och c -planet safir (18%) orienterade i i planet riktning 16. Jämfört med safirsubstratet, är en Si-skiva annan mycket använd substrat för ZnO-syntes. Si wafers har använts i stor omfattning inom halvledarindustrin; och sålunda, är mycket viktigt och nödvän tillväxt av högkvalitativa ZnO tunna filmer på Si-substratbehövs. Tyvärr, kristallstrukturen och värmeutvidgningskoefficient mellan ZnO och Si är uppenbarligen olika leder till försämring av kristall kvalitet. Under senaste decenniet har stora ansträngningar gjorts för att förbättra kvaliteten på ZnO tunna filmer på Si-substrat med hjälp av olika metoder, inklusive ZnO buffertlager 17, glödgning i olika gasatmosfär 18, och passivering av Si substratytan 19. Föreliggande studie lyckades erbjuds ett enkelt och effektivt förfarande för att syntetisera hög C -axeln ZnO-tunnfilm på Si-substrat utan något buffertskikt eller förbehandling. De experimentresultat indikerade att ZnO tunna filmer syntetiserade med optimal tillväxttemperaturen visade god kristall och optiska egenskaperna. Den kristallina strukturen, RF-plasmakomposition, ytmorfologi, och optiska egenskaper hos ZnO tunna filmer undersöktes genom röntgendiffraktion (XRD), optisk emissionsspektroskopi (OES), fältemissions scAnning elektronmikroskopi (FE-SEM), och RT fotoluminiscens (PL) -spektra, respektive. Dessutom transmittansen hos ZnO tunna filmer bekräftades också och rapporteras.
Den syntetiserade ZnO tunnfilmen fungerade som ett sensorlager för UV-fotodetektor ansökan undersöktes också i denna studie. UV-fotodetektor har stora potentiella tillämpningar inom UV övervakning, optisk omkopplare, brandalarm, och missilvärmesystem 20-21. Det finns många typer av fotodetektorer som har utförts såsom positiv inneboende negativ (stift) läge och metall-halvledar-metall (MSM) strukturer inklusive ohmsk kontakt och Schottky kontakt. Varje typ har sina egna fördelar och nackdelar. För närvarande har MSM fotodetektor strukturer lockat intensiv intresse på grund av sin enastående prestanda i responsivitet, pålitlighet och respons och återhämtning 22-24. De resultat som presenteras här har visat att MSM ohmska kontakten läge användesatt tillverka ZnO tunnfilmsbaserade UV fotodetektor. En sådan typ av fotodetektor avslöjar normalt en god responsivitet och tillförlitlighet, vilket indikerar att den höga c -axeln ZnO-tunnfilm är en lämplig avkännande skikt för UV-fotodetektor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiska steg och modifieringar
I steg 1, bör substraten rengöras noggrant och steg från 1,3 till 1,5 följas för att se till att det inte finns något fett eller organiska och oorganiska föroreningar på substraten. Eventuellt fett eller organiska och oorganiska föroreningar på substratets yta kommer att minska vidhäftningen av filmen.
Steg 2 är den viktigaste förfarandet vid ZnO-filmen framställningsförfarandet. DEZn är mycket giftigt och reagerar …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds ekonomiskt av av ministeriet för vetenskap och teknik och National Science råd Kina (kontrakts nos. NSC 101-2221-E-027-042 och NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei tackar National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) för Dr. Shechtman Prize 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).
