ZnO jest obiecującym funkcjonalnym materiałem półprzewodnikowym o szerokim paśmie wzbronionym ze względu na swoje unikalne właściwości, takie jak wysoka stabilność chemiczna, niski koszt, nietoksyczność, niski próg mocy dla pompowania optycznego, szeroka bezpośrednia przerwa energetyczna (3,37 eV) przy RT i duża energia wiązania ekscytonów ~60 meV 1-2. Ostatnio cienkie warstwy ZnO znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach zastosowań, w tym w przezroczystych przewodzących foliach tlenkowych (TCO), urządzeniach emitujących niebieskie światło, tranzystorach polowych i czujnikach gazu 3-6. Z drugiej strony ZnO jest materiałem kandydującym do zastąpienia tlenku indu i cyny (ITO), ponieważ ind i cyna są rzadkie i drogie. Ponadto ZnO ma wysoką przepuszczalność optyczną w zakresie widzialnej długości fali i niską rezystywność w porównaniu z foliami ITO 7-8. W związku z tym wytwarzanie, charakterystyka i zastosowanie ZnO zostały szeroko opisane. Niniejsze badanie koncentruje się na syntezie cienkich warstw ZnO o wysokiej osi c (0002) za pomocą prostej i skutecznej metody oraz jej praktycznym zastosowaniu w fotodetektorze UV.
Wyniki ostatnich badań wskazują, że wysokiej jakości cienka warstwa ZnO może być syntetyzowana za pomocą różnych technik, takich jak metoda zol-żel, rozpylanie magnetronem o częstotliwości radiowej, metaloorganiczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej (MOCVD) i tak dalej 9-14. Każda technika ma swoje zalety i wady. Na przykład główną zaletą napylania metodą natryskiwania jest to, że materiały docelowe o bardzo wysokiej temperaturze topnienia są bez wysiłku napylane na podłoże. W przeciwieństwie do tego, proces napylania jest trudny do połączenia z liftingiem w celu nadania struktury folii. W naszych badaniach system chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganej plazmą (PECVD) został wykorzystany do syntezy wysokiej jakości cienkich warstw ZnO w osi c. Bombardowanie plazmą jest kluczowym czynnikiem w procesie syntezy, który może zwiększyć gęstość cienkiej warstwy i zwiększyć szybkość reakcji rozkładu jonów 15. Ponadto wysoka szybkość wzrostu i równomierne osadzanie na dużej powierzchni to inne charakterystyczne zalety techniki PECVD.
Z wyjątkiem techniki syntezy, dobra przyczepność do podłoża jest kolejnym rozważanym problemem. W wielu badaniach szafir w płaszczyźnie c był szeroko stosowany jako podłoże do syntezy cienkich warstw ZnO o wysokiej osi c, ponieważ ZnO i szafir mają tę samą sześciokątną strukturę sieciową. Jednak ZnO zsyntetyzowano na podłożu szafirowym wykazującym szorstką morfologię powierzchni i wysokie resztkowe (związane z defektami) stężenia nośnika ze względu na duże niedopasowania sieci między ZnO a szafirem w płaszczyźnie c (18%) zorientowanym w kierunku w płaszczyźnie 16. W porównaniu z podłożem szafirowym, wafel Si jest kolejnym szeroko stosowanym substratem do syntezy ZnO. Wafle krzemowe są szeroko stosowane w przemyśle półprzewodników; a zatem wzrost wysokiej jakości cienkich warstw ZnO na podłożach Si jest bardzo ważny i konieczny. Niestety, struktura krystaliczna i współczynnik rozszerzalności cieplnej między ZnO i Si są oczywiście różne, co prowadzi do pogorszenia jakości kryształów. W ciągu ostatniej dekady podjęto ogromne wysiłki w celu poprawy jakości cienkich warstw ZnO na podłożach Si poprzez zastosowanie różnych metod, w tym warstw buforowych ZnO 17, wyżarzania w różnych atmosferach gazowych 18 i pasywacji powierzchni podłoża Si 19. W ramach niniejszego badania z powodzeniem zaproponowano prostą i skuteczną metodę syntezy cienkiej warstwy ZnO o wysokiej osi c na podłożach z krzemu bez warstwy buforowej lub obróbki wstępnej. Wyniki eksperymentu wykazały, że cienkie warstwy ZnO zsyntetyzowane w optymalnej temperaturze wzrostu wykazywały dobre właściwości krystaliczne i optyczne. Strukturę krystaliczną, skład plazmy RF, morfologię powierzchni i właściwości optyczne cienkich warstw ZnO badano odpowiednio za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), optycznej spektroskopii emisyjnej (OES), skaningowej mikroskopii elektronowej z emisją pola (FE-SEM) i widma fotoluminescencji RT (PL). Ponadto potwierdzono i opisano również przepuszczalność cienkich warstw ZnO.
Zsyntetyzowana cienka warstwa ZnO służąca jako warstwa detekcyjna do zastosowania fotodetektora UV była również badana w tym badaniu. Fotodetektor UV ma duży potencjał zastosowań w monitorowaniu UV, przełączniku optycznym, alarmie płomienia i systemie ogrzewania pocisków 20-21. Istnieje wiele rodzajów fotodetektorów, które zostały przeprowadzone, takich jak dodatni wewnętrzny tryb ujemny (p-i-n) i struktury metal-półprzewodnik-metal (MSM), w tym kontakt omowy i kontakt Schottky'ego. Każdy typ ma swoje zalety i wady. Obecnie konstrukcje fotodetektorów MSM cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na ich wyjątkową wydajność w zakresie responsywności, niezawodności oraz czasu reakcji i odzyskiwania 22-24. Zaprezentowane tutaj wyniki wykazały, że tryb kontaktu omowego MSM został wykorzystany do wytworzenia cienkowarstwowego fotodetektora UV na bazie ZnO. Taki rodzaj fotodetektora zazwyczaj wykazuje dobrą responsywność i niezawodność, co wskazuje, że cienka warstwa ZnO o wysokiej osi c jest odpowiednią warstwą detekcyjną dla fotodetektora UV.