Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Synthese en karakterisering van High c-as ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System en de UV Fotodetector Application

Published: October 3, 2015 doi: 10.3791/53097
Automatic Translation
1, 1
1Institute of Manufacturing Technology and Department of Mechanical Engineering, National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH)

Abstract

In deze studie hebben zinkoxide (ZnO) dunne films met een hoge c-as (0002) preferentiële oriëntatie met succes en doeltreffend gesynthetiseerd op silicium (Si) substraat via verschillende temperaturen bereid met plasma versterkte chemische dampafzetting (PECVD) systeem. De effecten van verschillende gesynthetiseerde temperaturen aan de kristalstructuur, oppervlaktemorfologie en optische eigenschappen onderzocht. De röntgendiffractie (XRD) patronen aangegeven dat de intensiteit van (0002) diffractiepiek werd sterker met toenemende temperatuur gesynthetiseerde tot 400 o C. De diffractie-intensiteit van de (0002) piek werd geleidelijk zwakker begeleiden met het uiterlijk van de (10-10) diffractiepiek als de gesynthetiseerde temperatuur tot meer dan 400 o C. De RT fotoluminescentie (PL) spectra vertoonden een sterke near-band-edge (NBE) emissie waargenomen bij ongeveer 375 nm en een verwaarloosbaar deep-level (DL) emissie ligt bij ongeveer 575 nm under hoge c -as ZnO dunne films. Veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FE-SEM) beelden toonde het homogeen oppervlak met kleine korrelgrootteverdeling. De ZnO dunne films werden ook gesynthetiseerd op glassubstraten onder dezelfde parameters voor het meten van de transmissie.

Ten behoeve van ultraviolet (UV) fotodetector toepassing, de in elkaar platina (Pt) dunne folie (dikte ~ 100 nm) vervaardigd via conventionele fotolithografische werkwijze en radiofrequentie (RF) magnetron sputteren. Om ohmse contact te komen, werd het apparaat onthard in argon omstandigheden bij 450 o C door snel thermisch gloeien (RTA) voor 10 min. Na de systematische metingen de stroom-spanning (I - V) curve van foto en donkerstroom en fotostroom tijdsafhankelijke respons resultaat vertoonde een goede responsiviteit en betrouwbaarheid aangeeft dat de hoge c-as ZnO dunne film is een geschikte sensorlaagUV fotodetector toepassing.

Introduction

ZnO is een veelbelovende breed-band-gap functioneel halfgeleidermateriaal vanwege de unieke eigenschappen zoals een hoge chemische stabiliteit, lage kosten, niet-giftigheid, laag vermogen drempel voor optisch pompen, brede directe bandafstand (3,37 eV) bij RT en grote exciton binding energie van ~ 60 meV 1-2. Onlangs hebben ZnO dunne films toegepast op vele toepassingsgebieden zoals transparant geleidend oxide (TCO) films, blauw lichtgevende inrichting, veldeffecttransistoren en gassensor 3-6. Anderzijds, ZnO is een kandidaatmateriaal aan indium tin oxide (ITO) vervangen vanwege indium en tin zijn zeldzaam en duur. Bovendien ZnO bezit hoge optische doorlaatbaarheid in het zichtbare golflengtegebied en de lage weerstand tegen ITO films 7-8. Dienovereenkomstig, fabricage, karakterisatie en toepassing van ZnO is uitgebreid gerapporteerd. Deze studie richt zich op de synthese van hoge c-as (0002) ZnO dunne films van een eenvoudig eend effectieve methode en de praktische toepassing ervan in de richting van een UV-fotodetector.

De recente bevindingen onderzoeksrapport blijkt dat de hoge kwaliteit ZnO dunne film kan worden bereid door diverse technieken zoals sol-gel methode, radiofrequentie magnetron sputteren, metaalorganische chemische opdamping (MOCVD), enzovoort 9-14. Elke techniek heeft zijn voordelen en nadelen. Bijvoorbeeld, een belangrijk voordeel van sputteren afzetting die doelstelling materialen met een zeer hoog smeltpunt worden moeiteloos gesputterd op het substraat. In tegenstelling, het sputterproces is moeilijk te combineren met een lift-off voor het structureren van de film. In onze studie was de plasma versterkte chemische dampafzetting (PECVD) -systeem toegepast voor het synthetiseren van hoge kwaliteit c-as ZnO dunne films. Plasma bombardement is een sleutelfactor in het synthese proces dat de dunne film dichtheid verhogen en het ion ontleding reactiesnelheid 15 verhogen. InDaarnaast is de hoge groei en een groot oppervlak uniforme afzetting zijn andere onderscheidende voordelen voor PECVD techniek.

Behalve de synthesetechniek, goede hechting op het substraat een weloverwogen kwestie. In vele onderzoeken is het c -vlak sapphire wijd gebruikt als het substraat voor hoge c synthetiseren -as ZnO dunne films omdat ZnO en saffier dezelfde hexagonale roosterstructuur. De ZnO werd gesynthetiseerd op saffiersubstraat vertoont ruwe oppervlakte morfologie en hoge overblijvende (defect-gerelateerde) carrier teweegbrengen vanwege de grote rooster misfits tussen ZnO en c -vlak saffier (18%) georiënteerd in de richting 16 in het vlak. Vergeleken met de saffiersubstraat, een Si-wafer is een veel gebruikte substraat voor de synthese ZnO. Si wafers zijn uitvoerig gebruikt in de halfgeleider industrie; en dus de groei van hoge kwaliteit ZnO dunne films op Si-substraten is zeer belangrijk en noodzakelijk. Helaas, de kristalstructuur en de thermische uitzettingscoëfficiënt tussen de ZnO en Si zijn duidelijk verschillend leidt tot verslechtering van de kristalkwaliteit. Over jaar hadden grote inspanningen gedaan om de kwaliteit van ZnO dunne films op Si-substraten te verbeteren met behulp van verschillende werkwijzen zoals ZnO bufferlagen 17, gloeien in verschillende gasatmosfeer 18, en passivering van het Si-substraat oppervlak 19. Deze studie succes een eenvoudige en doeltreffende methode geboden voor het synthetiseren hoge c-as ZnO dunne film op Si-substraten zonder bufferlaag of voorbehandeling. De proef resultaten bleek dat de ZnO dunne films bereid bij de optimale groeitemperatuur toonde de goede kristal en optische eigenschappen. De kristalstructuur, RF plasma samenstelling, oppervlaktemorfologie en optische eigenschappen van ZnO dunne films werden onderzocht met röntgendiffractie (XRD), optische emissie spectroscopie (OES) veldemissie scAnning elektronenmicroscoop (FE-SEM) en RT fotoluminescentie (PL) spectra, respectievelijk. Bovendien werd de transmissie van ZnO dunne films ook bevestigd en gerapporteerd.

Het als zodanig gesynthetiseerde ZnO dunne film diende als sensorlaag UV fotodetector toepassing werd onderzocht in deze studie. De UV fotodetector heeft veel potentiële toepassingen in UV-monitoring, optische schakelaar, vlam alarm, en raketprogramma opwarming systeem 20-21. Er zijn vele soorten van fotodetectoren die hebben uitgevoerd zoals positieve intrinsieke negatieve (pin) modus en metaal-halfgeleider-metaal (MSM) structuren, waaronder ohmse contact en Schottky contact. Elk type heeft zijn eigen voor- en nadelen. Momenteel hebben MSM fotodetector structuren intensieve rente aangetrokken vanwege hun uitstekende prestaties in responsiviteit, betrouwbaarheid en respons en herstel tijd 22-24. De hier gepresenteerde resultaten tonen aan dat de MSM Geleidende modus werkteom ZnO dunne film gebaseerd UV fotodetector fabriceren. Zo'n soort fotodetector toont typisch een goede responsiviteit en betrouwbaarheid aangeeft dat de hoge c-as ZnO dunne film is een geschikte laag voor detectie UV fotodetector.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Voorbereiding van de ondergrond en reiniging

  1. Snijd 10 mm x 10 mm siliciumsubstraten van Si (100) wafer.
  2. Snijd 10 mm x 10 mm glassubstraten.
  3. Ultrasone reiniger aan het silicium en glassubstraten met aceton gereinigd door 10 min, 10 min alcohol, isopropanol en vervolgens gedurende 15 min.
  4. Spoel de substraten met gedeïoniseerd (DI) water driemaal.
  5. Föhnen de substraten met een stikstof pistool.

2. DEZn bereiding en conservering

Opmerking: diethylzink (C 2 H 5) 2 Zn, ook wel DEZn, is een zeer pyrofoor organozinkverbinding bestaande uit een zink- centrum gebonden aan twee ethylgroepen. Werk nooit alleen bij gebruik DEZn. DEZn is zeer giftig en gevoelig voor de zuurstof en water, zeker niet aan de DEZn plaatsen in de buurt van het water. Draag altijd beschermende maskers en oogbescherming; Alle procedures worden uitgevoerd in de kap. Het belangrijkste is, moet ongebruikt DEZn be opgeslagen in een 5 o C omgeving.

Opmerking: Voor het eerste gebruik van DEZn, volg stap 2. Zo niet, start het experiment van stap 3.

  1. Gebruik de spuit te trekken uit 30 ml DEZn uit de fles en dan injecteren in een beker geplaatst in een stalen cilinder.
  2. Gebruik een gegalvaniseerde ijzeren pijp aan de stalen cilinder te verbinden met de reactiekamer.
  3. Gebruik mechanische pomp en kogelkraan te pompen langs de stalen cilinder in een vacuüm omgeving (6 Torr).
    Opmerking: DEZn ernstig zal reageren met zuurstof, moet deze altijd in de vacuümomgeving.
  4. Bewaar de ongebruikte DEZn in een 5 o C omgeving.

3. PECVD Kamer Voorbereiding en Synthese van ZnO Thin Films

Opmerking: Het schema van plasma verbeterde chemische dampafzetting is in Figuur 1.

  1. Stel de werkafstand tussen douchekop elektrode en het monster podium van 30 mm.
    2. <li> Plaats de substraten op de monstertafel van reactiekamer juiste locatie waar een 3 cm afstand van de DEZn inlaat.
  2. Open de roterende pomp en geleidelijk open de poort kleppen en vlinderklep.
  3. Wacht totdat de achtergrond druk van de reactor kamer lager is dan 30 mTorr.
  4. Sluit de afsluiters en vlinderklep, die aansluit op de roterende pomp.
  5. Open vervolgens de turbo pomp en relatieve poortkleppen hoog vacuüm van 3 x 10 -6 Torr bereiken.
  6. Na het bereiken van de noodzakelijke vacuüm staat, opent het vuur controller en verwarm het monster podium om de synthese temperatuur (200, 300, 400, 500, en 600 o C voor verschillende experiment parameters).
  7. Wanneer de temperatuur en de druk bereikt de noodzakelijke voorwaarde, sluit de turbo pomp en open de afsluiters en de vlinderklep die aansluit op de roterende pomp tegelijk.
  8. Open vervolgens het gas inlaatkleppen en zet de argon gals stroom controller tegelijk.
  9. Stromen de argon gas (0,167 ml / sec) in de kamer.
  10. Stel de kamerdruk tot 500 mTorr.
  11. Zet de RF (13,56 MHz) generator en matching-netwerk, stel dan de RF-vermogen van 100 W voor het spoelen van de monsters oppervlak gedurende 15 min.
  12. Na het afronden van de zuivering van monsters, zet de RF-vermogen naar beneden tot 70 W.
  13. Vervolgens zet de kooldioxidegas controller en gas inlaatklep.
  14. Stroomt de kooldioxide (0,5 ml / sec) in de kamer.
  15. Stel de werkdruk op 6 Torr.
  16. Nadat de druk in de verbrandingskamer bereikt 6 Torr, stroomt de hoge zuivere argon als draaggas (0,167 ml / sec) voor de uitvoering diethylzink (DEZn) in de kamer en een open kogelkraan tegelijkertijd aangesloten op de DEZn. Tegelijkertijd, start de synthese van ZnO films.
  17. Blijven de plasma synthese van ZnO films voor 5 min.
  18. Nadat de ZnO films zijn gesynthetiseerd, seriatim de RF-generator, kogelkraan, warmte con uitschakelencontroller en alle gasstroom controllers, samen met gas inlaatkleppen.
  19. Neem het monster wanneer het monster podium temperatuur afkoelen tot kamertemperatuur. Opmerking: De koelsnelheid is ongeveer 1,8 ° C / min.

4. Voorbereiding van de geïnterdigiteerde-achtig patroon op As-gesynthetiseerde ZnO Thin Film

Opmerking: Het schema van lithografie proces is in Figuur 3.

  1. Gebruik een hete plaat om de als zodanig gesynthetiseerde ZnO monster bakken bij 150 ° C gedurende 10 min.
  2. Plaats het monster op de spin coater, en vervolgens afzien van de vloeibare oplossing van fotolak (S1813) met 100 ul op de ZnO monster.
  3. Voer de spin coater bij 800 rpm gedurende 10 seconden en vervolgens versneld tot 3000 rpm gedurende 30 seconden om een ​​gelijkmatige dunne laag te produceren.
  4. Soft bake de fotoresist beklede ZnO monster bij 105 ° C gedurende 90 sec.
  5. Na de soft-bakken, gebruikt UV-licht om de fotoresist gecoate monster trou blootgh een fotomasker door masker aligner. De belichtingstijd is 2 seconden en de stroom is 400 W.
    Opmerking. Het patroon van fotomasker ontworpen als interdigitated-achtige, dat is 0,03 mm breed en 4 mm lang (14 paren) en heeft een inter-elektrode-afstand van 0,15 mm zoals in figuur 2 is vermeldenswaard dat de totale fotogevoelige gebied is 84,32 mm 2 van de detector.
  6. Na de belichting procedure, gebruik pincet om het monster clip, en vervolgens onder te dompelen in de verdunde ontwikkelaar (meng 50 ml ontwikkelaar en 150 ml gedemineraliseerd water) door acties van het slingeren van links naar rechts voor 35 s om de ontwikkelde monster te verkrijgen.
  7. Spoel de ontwikkelde monster met DI-water en droog met stikstofgas.
  8. Gebruik de optische microscoop om het patroon te controleren intact. Indien niet, gebruik aceton om het fotoresist te verwijderen en herhaal de stappen 4,2-4,7 totdat de perfecte patroon is verkregen.
  9. Hard bak het monster bij 120 ° C gedurende 20 min.

  1. Gebruik de RF magnetron sputtering systeem om een ​​dunne geleidende laag Pt (100 nm) op de bovenkant van de ontwikkelde monsterafzettings- voordat chemische lift-off procedure.
  2. Stel de afstand tussen doel en substraat bij 13 mm.
  3. Gebruik de mechanische pomp om een ​​ruwe vacuum van 5 mTorr bereiken.
  4. Gebruik dan de turbo pomp naar een hoog vacuüm van 7 x 10 -7 Torr te verkrijgen.
  5. Wachten tot de kamer van de hoog vacuüm bereikt, sluit de turbo pomp en vervolgens open de mechanische pomp.
  6. Stromen de argon gas op 0,3 ml / sec in de kamer door mas stroomregelaar totdat de kamerdruk bereikt de werkdruk van 100 mTorr.
  7. Zet de gelijkstroom (DC) ontladen voeding en zet de gelijkstroom bij 15 W voor sputteren Pt dunne laag elektrode op het monster gedurende 25 min.
  8. Na de Pt-elektrode laag is afgezet door magnetron sputtering methode, neem het monster uit de kamer.
  9. Dompel het monster in de aceton vloeibare chemische lift-off proces ultrasone reiniger aan de fotoresist te verwijderen.
  10. Stel de reinigingstijd bij 1 min tot fotoresist grondig te verwijderen en verkrijgen van de in elkaar lijkende Pt-elektrode op de ZnO dunne film.

6. RTA proces

  1. Plaats de as-gefabriceerde Pt / ZnO monster in de RTA-systeem.
  2. Gebruik de mechanische pomp en afsluiter te pompen beneden de RTA kamerdruk tot 20 mTorr.
  3. Wacht totdat de druk in de verbrandingskamer bereikt 20 mTorr, stromen argongas bij 0,3 ml / sec in de kamer en stel de werkdruk van 5 Torr.
  4. Vervolgens stelt u de verwarming tarief als 100 o C / min.
  5. Vervolgens gloeien het monster bij 450 ° C gedurende 10 min.
  6. Eenmaal gegloeid, wachten tot het monster afkoelt tot RT, neem dan uit de steekproef.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De ZnO (0002) dunne films met een hoge c-as voorkeursoriëntatie met succes gesynthetiseerd op het Si-substraat met de PECVD systeem. De kooldioxide (CO2) en diethylzink (DEZn) werden als zuurstof en zink precursors, respectievelijk. De kristalstructuur van ZnO dunne films werd gekenmerkt door röntgendiffractie (figuur 4), wat aangeeft dat de ZnO dunne film gesynthetiseerd bij 400 ° C met het sterkste (0002) diffractiepiek. Wanneer de gesynthetiseerde temperatuur verhoogd tot 500 o C, de (0002) diffractiepiek werd zwakker begeleidende met verschijnen van (10-10) diffractiepiek. Met name zullen alle ZnO diffractiepieken verdwijnen wanneer het gesynthetiseerde temperatuur ingesteld op 600 oC De in - situ OES werd gebruikt om de plasma chemische samenstelling gedurende het ZnO gesynthetiseerd werkwijze (figuur 5) te controleren. De resultaten geven aan dat Zn, O 2 (Figuur 6A-E). Het homogene oppervlak en met een kleine korrelgrootte verdeling werden verkregen bij 300 en 400 o C. De optische eigenschappen van ZnO dunne films werden bepaald met PL spectra (figuur 7). De resultaten geven aan dat de ZnO dunne films gesynthetiseerd 300 en 400 o C tonen een sterke NBE emissie en een verwaarloosbare DL emissie. Bovendien, het NBE emissie verschuift naar korte golflengte verhogen van de temperatuur vanaf 300 tot 600 o C. De transmissie meting blijkt dat de ZnO dunne films gesynthetiseerd op 200, 300 en 400 o C hebben goede transparantie met een gemiddelde zichtbare doorlaatbaarheid groter dan 80% (figuur 8A-B). Interessant is dat de transmissie daalde Dramatmisch gesynthetiseerd wanneer de temperatuur verhoogd tot boven 500 o C.

De prestatie van UV fotodetector combinatie met ZnO dunne film en Pt ritsvormige elektrode onderzocht. Uit de kenmerken, werd de stroom van de fotodetector uiteraard onder licht verhoogde belichting, vergeleken met die onder donkere omstandigheden (Figuur 9). Er werd ook opgemerkt dat de I - V bochten zijn symmetrisch, als gevolg van een MSM ohmse contact gedrag tussen de ZnO dunne film en de Pt elektrode. De tijdsafhankelijke foto-stroomrespons van de fotodetector werd gemeten uit- en inschakelen van het UV-licht (38 mW / cm 2) vijfmaal de voorspanning van 5V (figuur 10).

Figuur 1
Figuur 1. Schematische weergave van de plasma versterkte chemische damp deposition systeem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Schematische weergave van de ZnO gebaseerd UV fotodetector gecombineerd met Pt interdigitated elektrode. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3. Stroomschema van het lithografische proces Pt ritsvormige elektroden vervaardigd op de ZnO-films bereid op silicium substraten. Stap (A) gebruikt de hete plaat om de als zodanig gesynthetiseerde ZnO dunne film bakken bij 150 ° C gedurende 10 minuten aan de oppervlakte vocht te verwijderen. Stap (B) draaien lagen de fotoresist op ZnO dunne film. Stap (C) soft bakt de fotoresist beklede ZnO monster bij 105 ° C gedurende 90 s om overmaat oplosmiddel te verwijderen fotoresist. Stap (D) bloot UV-licht door een fotomasker voor 2s. Stap (E) gebruikt de ontwikkelaar om de fotoresist te verwijderen. Step (F) harde bakt het monster bij 120 ° C gedurende 20 min een duurzamer beschermingslaag maken met de komende RF magnetron sputtering. Stap (G) gebruikt de RF-magnetron sputteren een dunne Pt-laag zetten op de ontwikkelde monster. Stap (H) maakt gebruik van de aceton lift-off van het monster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

_upload / 53.097 / 53097fig4.jpg "/>
Figuur 4. Röntgendiffractie patronen voor de ZnO dunne films gesynthetiseerd bij verschillende synthese temperaturen varieerden van 200 tot 600 o C. X-ray werd uitgezonden door Cu-K α straling (λ = 1,54 A). De scan hoek werd ingesteld van 30 o tot 80 o, stap grootte was 0,01 o en tijd per stap was 0,15 sec. De ZnO (0002) diffractiepiek ligt op 34,24 o, terwijl de ZnO (10-10) diffractiepiek ligt op 31,59 o. De anderen diffractiepieken komen uit substraat signalen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5
Figuur 5. - situ OES spectrum voor de RF-plasma tijdens ZnO dunne film gesynthetiseerd bij 400 o C. De data werd bevestigd uit referentie 28. De pieken signalen gelegen op 449, 517 en 559 nm worden bepaald als CO soorten. De pieken signalen zich op 466, 471 en 482 nm bepaald als Zn species en 634 nm wordt bepaald als O 2 soorten. Het ingewikkelde signalen in het gebied tussen 325 en 430 nm bepaald ontleding soorten DEZn. De bewaakte tijd was 7 sec. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6
Figuur 6. Plane-view SEM beelden van de ZnO dunne films gesynthetiseerd op verschillende synthese temperatu res, met inbegrip van (A) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500, en (E) 600 o C, respectievelijk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7
Figuur 7. RT PL spectra voor ZnO dunne films gesynthetiseerd bij verschillende synthese temperaturen varieerden van 200 tot 600 o C. De PL meting gebruikte 325 nm He-Cd laser onder 100% laservermogen rendement. De blootstellingsduur bedroeg 10 sec. Het detectiebereik was 325-750 nm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

ys "> Figuur 8
Figuur 8. Optische transmissie spectra van de ZnO dunne films gesynthetiseerd bij verschillende temperaturen synthese (A) typische optische transmissie spectra gemeten 400-800 nm.; (B) de gemiddelde transmissie waarden als functie van de temperatuur synthese. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 9
Figuur 9. I -. V kenmerken van het gefabriceerde ZnO dunne film gebaseerd UV fotodetector De meting was onder 325 nm UV-licht verlichting met een vermogensdichtheid van 38 mW / cm2 (rode curve) en de donkere voorwaarde (zwarte curve), en de testes waren voorspanning van -10 V tot 10 V Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 10
Figuur 10. Tijdafhankelijke fotostroom respons voor de ZnO dunne film gebaseerde UV fotodetector. De meting werd uitgevoerd in 5 keer draaien in- / uitschakelen cirkels aan voorspanning van 5 V onder UV-licht (38 mW / cm 2), waarbij beide beurt -op en turn-off tijd van de UV-licht waren 10 sec. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritische stappen en wijzigingen

In stap 1, moeten de substraten grondig worden gereinigd en stap 1,3 tot 1,5 gevolgd om ervoor te zorgen dat er geen vet of organische en anorganische verontreinigingen op de substraten. Vet en organische en anorganische verontreinigingen op het substraatoppervlak wordt de hechting van de film aanzienlijk.

Stap 2 is de belangrijkste behandeling voor het ZnO film bereidingsproces. DEZn is zeer giftig en reageert hevig met water en gemakkelijk ontbrandt bij contact met lucht. DEZn moet zeer zorgvuldig worden geïnjecteerd in de stalen cilinder en gepompt tot 6 Torr onmiddellijk. In stap 3, ervoor te zorgen dat elke experimentele parameter en stap nauwkeurig afgerond omdat zelfs iets andere instellingen zal leiden tot verschillende resultaten.

Stap 4 moeten in een lithografie laboratorium en een schone kamer voor niet-UV-licht verlichting en d wordt voorkomenust-pollutionor deeltjes vervuiling effecten. In stap 5, moet de macht van de DC-ontlading voeding langzaam worden verhoogd; anders wordt de Pt doelstelling wordt verbroken. In stap 6, moeten de monsters in het midden van de RTA kamer worden geplaatst zodat het monster gelijkmatig kan worden verwarmd.

Data-analyse

De gesynthetiseerde temperatuur is een cruciale parameter voor het synthetiseren van hoge kwaliteit c-as ZnO dunne film omdat de thermische uitzettingscoëfficiënten en thermische mismatch stam effect grensvlakenergie tussen de ZnO dunne films en het Si-substraat significante invloed hebben op de kristallografische oriëntatie. Het kan duidelijk worden vastgesteld uit XRD-patronen (figuur 4). De sterkste ZnO (0002) diffractiepiek werd verkregen bij 400 ° C, wat aangeeft dat de temperatuur optimaal gesynthetiseerd gedurende synthetiseren c-as ZnO dunne film op Si-substraat door PECVD werkwijze. Met een verdere stijgingin gesynthetiseerde temperatuur tot 500 ° C, wat leidt tot verslechtering van ZnO kristalkwaliteit. Bovendien is de ZnO dunne film omgezet amorfe fase als de gesynthetiseerde werd ingesteld op 600 oC Aangenomen mag worden dat de temperatuur hoog genoeg is (dat wil zeggen 400 ° C) voldoende energie kunnen leveren, verbeteren het vermogen van moleculen om de stabiele plaats vinden, resulterend in de ZnO dunne film met een hoge kristalkwaliteit. Tegelijkertijd worden de gemeenschappelijke gebreken, waaronder vacatures, interstitials en dislocaties in ZnO ook verminderd. Toch zal de ZnO ontbinden in Zn en O 2 moleculen bij buitengewone hoge temperatuur (dat wil zeggen 500 en 600 ° C) werd toegepast 25. Bovendien zijn de verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten tussen ZnO (6,7 x 10 -6 K -1) 26 dunne film en Si (4,18 x 10 -6 K -1) 27 substraat bij 900 K de thermische mismatch str opleverenain effect met grensvlakenergie. Deze verschijnselen kan de kristalkwaliteit van ZnO dunne film verslechteren, waardoor de polykristallijne of amorfe fase.

Voor het bewaken van de plasma chemische samenstelling gedurende het ZnO gesynthetiseerd proces de in - situ OES spectrumanalyse van de HF plasma werd uitgevoerd (figuur 5). Het OES analyseresultaat blijkt dat de drie sterke Zn emissiepieken verschenen rond 475 nm en andere afzonderlijke emissiepieken werden bepaald zoals O 2 en CO 28 signalen. Bovendien zijn sommige ingewikkelde emissiepieken in het gebied tussen 325 en 430 nm bepaald ontleding soorten DEZn. Bovenstaande nuttige informatie geeft aan dat het OES is een nuttig instrument voor het in - situ monitoring van plasma chemische samenstelling in de gesynthetiseerde proces.

De oppervlaktemorfologie van de ZnO dunne films werden geobserveerd door FE-SEM <strong> (Figuur 6A-E). Te zien is dat de ZnO gesynthetiseerd 300 en 400 o C tonen dicht gepakt met sferische korrels met kleine korrelgrootteverdeling. Vergeleken met die gesynthetiseerd voorwaarde, andere ZnO dunne films vertonen wanordelijk en onregelmatig oppervlak, wat impliceert de polykristallijne of amorfe fase. Opgemerkt zij dat de SEM beelden zijn consistent met de eerdere XRD resultaten.

De optische eigenschappen werden bepaald met RT PL spectrum bij 325 nm He-Cd laser. Uit de PL meting (figuur 7), alle ZnO dunne films vertonen een sterke NBE emissiepiek zich op ongeveer 375 nm, die wordt toegeschreven aan recombinatie van vrije excitonen via een exciton-exciton botsingsproces 29. Tegelijkertijd het brede defect gerelateerde DL emissiepieken zich ongeveer 575 nm worden verkregen wanneer de gesynthetiseerde temperaturen werden ingesteld op 200 en 500 o C. Het is ook gevonden dat de NBE emissie heeft een blauwe-verschuivingkortere golflengten gesynthetiseerd met toenemende temperatuur. In het algemeen wordt de DL emissie genoemde onzuiverheden en diverse structurele defecten in de ZnO fase zoals zuurstof leegstand en zink interstitiële 30 en de blueshift komt door de sterke anisotrope residuele spanning in de ZnO dunne film 31. Daarom is de PL resultaten geven dat de gesynthetiseerde temperatuur sterk kan invloed hebben op de optische eigenschappen van ZnO dunne films. Van alle ZnO monsters, slechts twee monsters die werden gesynthetiseerd op 300 en 400 o C een gedomineerde NBE emissiepiek en verwaarloosbare DL-emissie bij de hoge (0002) XRD diffractiepiek tonen.

De transparantie voor alle gesynthetiseerde ZnO dunne films werden gemeten met transmissie spectrum (figuur 8A) en de gemiddelde transmissiewaarde voor elk ZnO monster werd berekend (Figuur 8B). De gemiddelde transmissiewaarde van ZnO monsters gesynthetiseerd op 200, 300 eennd 400 o C in het gehele zichtbare gebied is ongeveer 80%, maar de monsters gesynthetiseerd 500 en 600 o C tonen een relatief lage doorlaatbaarheid, vooral voor de ZnO monster gesynthetiseerd op 600 oC De reden voor de verminderde doorlaatbaarheid van ZnO monster gesynthetiseerd bij hogere temperatuur is nog onduidelijk tot nu. De hoge c-as preferentiële oriëntatie ZnO met een hoge transparantie is verkregen, aangeeft dat het karakter kan worden gebruikt voor toekomstige hoge doorlaatbaarheid ZnO gebaseerde opto-elektronische apparaten.

Omdat de ZnO fase zuurstof moleculen adsorberen in de algemene omgeving en desorberen zuurstofmoleculen onder UV-belichting, kan het worden gebruikt als UV fotodetector. Zuurstof moleculen adsorberen op een ZnO oppervlak door het vastleggen van vrije elektronen uit de geleidingsband van de ZnO [O 2 + e - → O 2 -], die een depletielaag bij het ​​oppervlak oplevert, leidt tot het sterk verminderengeleiding van de ZnO. Wanneer ZnO wordt verlicht door foton energie meer dan band gap van ZnO (dat wil zeggen, UV-licht), elektron-gat paren zullen worden gegenereerd [h ʋ → e - + h +]. Deze maatschappijen van elektron-gat paren zal bewegen in de richting van de oppervlakte en neutraliseren van de geadsorbeerde zuurstofmoleculen [h + + O 2 - → O 2]. De neutralisatie zuurstofmoleculen moeiteloos desorberen vormen het oppervlak van ZnO, waarbij de geleidbaarheid aanzienlijk verhogen maakt. Derhalve, volgens deze theorie, de hoge c-as ZnO dunne film werd gebruikt als een sensorlaag UV fotodetector fabriceren. De UV-detectie eigenschappen van de gefabriceerde Pt / ZnO fotodetector werden onderzocht en bevestigd door meting van de I - V curve met en zonder UV belichting en tijdsafhankelijke fotostroom respons (Figuur 9 en 10). Een duidelijke symmetrische gedrag zou kunnen zijn oBServed, wat aangeeft dat de hoge kwaliteit Ohmse contacten heeft bij de Pt / ZnO-interface is bereikt na post-uitgegloeid in argon bij 450 o C van RTA. Volgens de gemeten I - V bochten, de donkere stroom is ongeveer 0,36 mA en de foto-stroom is ongeveer 4,3 mA bij 5 V, met vermelding van het huidige verschil tussen de UV verlichte en donkere toestand. Doordat de performance van UV fotodetector is kritisch afhankelijk van de reactie en hersteltijd, werd de tijdsafhankelijke foto-stroomresponsie uitgevoerd. De reactietijd is gewoonlijk gedefinieerd als de tijd benaderen 90% van de maximale foto-stroom en hersteltijd is de tijd verval tot 10% van de maximale foto-stroom. Vanaf het tijdsafhankelijke foto-stroomrespons meting, de reactietijd en de hersteltijd ongeveer 3 en 9 s resp. Bovendien werd de UV lamp aan- en uitgeschakeld vijfmaal voor het testen van de betrouwbaarheid. Volgens de afmetingen, de ZnO gebaseerde UV fotodetector toont een fastresponsiviteit en hoge betrouwbaarheid, die kunnen worden gebruikt bij mogelijke ontwikkeling van commerciële UV fotodetector toepassing.

Kortom, deze huidige studie geeft een methode om te synthetiseren hoge c -as preferentiële oriëntatie ZnO dunne film op Si substraten door PECVD met een nauwkeurige controle van de gesynthetiseerde temperatuur. De optimale c -as ZnO dunne film werd gesynthetiseerd bij 400 o C met een competitieve en functionele kenmerken in termen van kristalstructuur, optische eigenschap, en transparantie naar de zichtbare licht. De ZnO gebaseerd UV fotodetector gecombineerd met Pt ritsvormige elektrode met ohmse contact vertoont een snelle responsiviteit en hoge betrouwbaarheid onder UV-licht (38 mW cm -2) op het vooroordeel van 5 V. Dit huidige werk kan een waardevolle richting en toepassing, zowel in het onderzoek zijn en de industrie.

Potentiële voordelen en nadelen van PECVD Techniek

Plasma versterkt chemical vapor deposition (PECVD) is een nuttige techniek die is gebruikt om dunne films van damp toestand naar solid state synthetiseren op de substraten. Het plasma wordt in het algemeen ontstaan ​​door DC of RF voeding tussen douchekop elektrode gewoonlijk gebruikt als bovenste elektrode en monstertafel meestal gebruikt als onderste elektrode, respectievelijk. De ruimte tussen deze elektroden wordt gevuld met chemische reacties van reactiegassen. Het kristal oriëntatie en samenstelling van het monster is afhankelijk van de toestand synthese en de verhouding van reactant precursors. Bijvoorbeeld, de DEZn en CO 2 als voorlopers werden zink en zuurstofbronnen voor het synthetiseren ZnO dunne film respectievelijk. Uiteraard is de plasma speelt een belangrijke rol in deze techniek. Door plasma versterkte bijstand reactant geïoniseerde atomen of moleculen die effectief diffunderen aan het substraatoppervlak, en dan gemakkelijk reageren met aangrenzende geïoniseerde atomen of moleculen een hoge dichtheid te vormen configuration dunne film. Bijgevolg kunnen alle monsters worden blootgesteld aan energetisch ionenbombardement tijdens de synthesewerkwijze.

Omdat het plasma reactie opeenvolgend optreedt tijdens het syntheseproces, de belangrijkste voordelen van PECVD techniek omvatten: (a) de lagere synthesetemperatuur, vrijwel alle monsters kunnen worden gesynthetiseerd bij lage temperatuur (100-450 ° C), (b) high aspectverhouding voorwaarde beschikbaar is (indien gebruikt plasma van hoge dichtheid), (c) hoge depositiesnelheid, (d) RF aangedreven douchekop met geoptimaliseerde gastoevoer, zorgt voor een uniform plasma processing, (e) good dunne filmoppervlak gelijkmatigheid en (f) chemisch samenstelling structuur kan fijn worden gecontroleerd.

De PECVD techniek omvat chemische reactie en hoge dichtheid plasma bombardement, en het heeft een aantal beperkingen en nadelen. Het hele proces zal een groot aantal chemische en deeltjes vervuiling, vereist een zorgvuldige en adequate behandeling te produceren. Hoogzuivere gassen noodzakelijk in deze techniek, dus de beperking van een bepaalde precursor zoals DEZn die in oplossing kunnen worden verwerkt. Als de bron in staat om op te lossen in sommige vluchtige oplosmiddelen precursor bereiden heeft, zal het dragergas niet reagensgas geven in de kamer om synthese te doen. Bovendien, hoewel de hoge dichtheid plasma beschieting kan uniformiteit en kwaliteit van dunne film te verbeteren, hoge restspanning wordt gecreëerd waardoor breuk van de dunne film. Ook deze techniek heeft een extra DC of RF stroomvoorziening leidt tot een iets hogere kosten in vergelijking met conventionele chemische dampafzetting (CVD).

Toekomstige richtingen en toepassingen

Veel procesparameters zoals werkdruk, gassamenstelling, gasstroom, RF-vermogen, precursor reactant ea zijn afhankelijk van elkaar voor het synthetiseren van dunne films in de PECVD techniek. Slechts het wijzigen van synthesetemperatuur is onderzocht indit onderzoek gepresenteerd. Er is nog veel werk nodig voor de verdere onderzoeken van de beperkingen en mogelijkheden van deze techniek. Zo kan de gassamenstelling de stoichiometrie van dunne films variëren en werkdruk kan de gemiddelde vrije weglengte van geïoniseerde gassen die diverse dunne film configuratie opleveren beïnvloeden. Daarom zal de toekomstige werkzaamheden nodig voor een beter begrip hoe het kristal kwaliteit of eigenschappen door middel van bovengenoemde parameters te manipuleren.

De PECVD techniek op grote schaal gebruikt bij de vervaardiging van de synthese van dunne films op de halfgeleiders die gewoonlijk vereist lage procestemperatuur. De PECVD werkwijze heeft gekregen en gebruikt om dunne film synthetiseren van het polymeer substraten, die ook kan worden toegepast in flexibele aanbrenginrichtingen. Naast de lage temperatuur toepassing, hebben we al apolaire ZnO dunne film vervaardigd door het verhogen van de synthese temperatuur, die kunnen worden gebruikt in high-efficiëntie Light-Emitting Diode (LED) of milieu-sensortechnologie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dit werk werd financieel ondersteund door het Ministerie van Wetenschap en Technologie en de National Science Raad van de Republiek China (contract nrs. NSC-101-2221 E-027-042 en NSC-101-2622 E-027-003-CC2). DH Wei dankzij de National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) voor de Dr. Shechtman Prize Award.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
RF power supply ADVANCED ENERGY RFX-600
Butterfly valve MKS 253B-1-40-1
Mass flow controller PROTEC INSTRUMENTS PC-540
Pressure controller 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Ellmer, K. Resistivity of polycrystalline zinc oxide films: current status and physical limit. J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 3097 (2001).
  9. 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).
  10. Senay, V., et al. ZnO thin film synthesis by reactive radio frequency magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 318, 2-5 (2014).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Kobayashi, T., Nakada, T. Effects of post-deposition on transparent conductingZnO:B thin films grown by MOCVD. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 05FA03 (2014).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Fons, P., et al. Uniaxial locked epitaxy of ZnO on the α face of sapphire. Appl. Phys. Lett. 77, 1801 (2000).
  17. Ko, H. J., Chen, Y., Hong, S. K., Yao, T. akafumi MBE growth of high-quality ZnO films on epi-GaN. J. Cryst. Growth. 209, 816-821 (2000).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Subramanyam, T. K., Srinivasulu Naidu,, S,, Uthanna, S. Effect of substrate temperature on the physical properties of DC reactive magnetron sputtered ZnO films. Opt. Mater. 13, 239-247 (1999).
  26. Iwanaga, H., Kunishige, A., Takeuchi, S. Anisotropic thermal expansion in wurtzite-type crystals. J. Mater. Sci. 35, 2451-2454 (2000).
  27. 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).
  28. Pearse, R. W. B., Lichtenberg, A. J. The identification of molecular spectra. , 4th ed, Chapman and Hall. (1976).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).

Tags

Engineering ZnO dunne film, plasma versterkte chemische damp depositie diethylzink (DEZn) sensor Pt interdigitated elektrode ohmse contact UV fotodetector
Synthese en karakterisering van High c-as ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System en de UV Fotodetector Application
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chao, C. H., Wei, D. H. Synthesis… More

Chao, C. H., Wei, D. H. Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application. J. Vis. Exp. (104), e53097, doi:10.3791/53097 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter