Waiting
Login processing...

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

Engineering

Syntese og karakterisering af høj c-aksen ZnO Thin film efter Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System og dets UV Fotodetektor Ansøgning

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

I denne undersøgelse har zinkoxid (ZnO) tynde film med høj c-akse (0002) præferentiel orientering er vellykket og effektiv syntetiseret på silicium (Si) substrater via forskellige syntetiserede temperaturer ved hjælp plasmaforstærket kemisk dampudfældning (PECVD) system. Virkningerne af forskellige syntetiserede temperaturer på krystalstrukturen, overflademorfologier og optiske egenskaber er blevet undersøgt. Den røntgendiffraktion (XRD) mønstrene viste, at intensiteten af (0002) diffraktionstop blev stærkere med stigende temperatur, indtil syntetiseret 400 o C. Diffraktionsintensiteten af (0002) peak gradvist blev svagere ledsager med udseende (10-10) diffraktionstoppen som den syntetiserede temperatur på op til over 400 ° C. RT fotoluminescens (PL) spektre udviste en stærk nær-band-kant (NBE) emission observeret ved omkring 375 nm og en ubetydelig dybt niveau (DL) emission ligger på omkring 575 nm undER høj C-aksen ZnO tynde film. Field emission scanning elektronmikroskopi (FE-SEM) billeder afslørede den homogene overflade og med lille kornstørrelsesfordeling. ZnO tynde film er også blevet syntetiseret på glassubstrater under de samme parametre for måling af transmittans.

Med henblik på ultraviolet (UV) fotodetektor ansøgningen, sammenflettet platin (Pt) tynd film (tykkelse ~ 100 nm) fremstillet via konventionelle optiske litografiske proces og radiofrekvens (RF) magnetronforstøvning. For at nå ohmsk kontakt, blev indretningen udglødet i argon omstændigheder ved 450 ° C ved hurtig termisk annealing (RTA) for 10 min. Efter systematiske målinger, strøm-spænding (I - V) kurve for billedet og mørke nuværende og tidsafhængige fotostrøm respons resultater udviste en god responsivitet og pålidelighed, hvilket indikerer, at den høje c-aksen ZnO tynd film er en egnet affølingslagfor UV fotodetektor ansøgning.

Introduction

ZnO er en lovende bredbåndet-kløften funktionelle halvledermateriale på grund af dets unikke egenskaber, såsom høj kemisk stabilitet, lav pris, ikke-toksicitet, lav effekt tærskel for optisk pumpning, brede direkte båndgab (3,37 eV) ved stuetemperatur og store exciton bindingsenergi på ~ 60 MeV 1-2. For nylig har ZnO tynde film været ansat i mange anvendelsesområder, herunder transparente ledende oxid (TCO) film, blåt lys udsender enhed, felteffekttransistorer, og gas sensor 3-6. På den anden side, ZnO er kandidat materiale til at erstatte indiumtinoxid (ITO) på grund af indium og tin er sjældne og dyre. Desuden ZnO besidder høj optisk transmittans i det synlige bølgelængdeområde og lav resistivitet i forhold til ITO film 7-8. Følgelig fremstilling, karakterisering og anvendelse af ZnO er blevet grundigt beskrevet. Nærværende undersøgelse fokuserer på syntese høje c aksen (0002) ZnO tynde film ved en simpel end effektivt metode og dens praktiske anvendelse i retning af en UV-fotodetektor.

De seneste forskningsresultater rapport, at den høje kvalitet ZnO tynd film kunne syntetiseres ved forskellige teknikker, såsom sol-gel-metoden, radiofrekvens magnetronforstøvning, metal-organisk kemisk dampudfældning (MOCVD), og så videre 9-14. Hver teknik har sine fordele og ulemper. For eksempel kan en væsentlig fordel ved sputtering deposition er, at målmaterialer med meget højt smeltepunkt ubesværet forstøvet på substratet. I modsætning hertil er katodeforstøvningsprocessen vanskeligt at kombinere med en lift-off til strukturering af filmen. I vores undersøgelse, blev systemet plasmaforstærket kemisk dampudfældning (PECVD) ansat til at syntetisere høj kvalitet c -aksen ZnO tynde film. Plasma-bombardement er en nøglefaktor i syntese proces, der kan øge den tynde film tæthed og styrke ion nedbrydning reaktionshastigheden 15. IDesuden den høje vækstrate og store område ensartet aflejring er andre markante fordele for PECVD teknik.

Bortset fra syntese teknik, den gode vedhæftning på underlaget er et andet problem velovervejet. I mange undersøgelser er c -plane safir været almindeligt anvendt som substrat til syntese af høj C-aksen ZnO tynde film, fordi ZnO og safir har samme hexagonalt gitter struktur. Imidlertid var ZnO syntetiseret på safirsubstrat udviser ru overflade morfologi og høje resterende (defect-relateret) carrier koncentrationer på grund af de store gitter frigjorte mellem ZnO og C -plane safir (18%) er orienteret i i plan retning 16. Sammenlignet med safirsubstrat, en Si wafer er en anden udbredt substrat for ZnO syntese. Si vafler har været flittigt brugt i halvlederindustrien; og dermed væksten af ​​høj kvalitet ZnO tynde film på Si substrater er meget vigtig og nød-vendigt. Desværre krystalstrukturen og varmeudvidelseskoefficient mellem ZnO og Si er naturligvis forskellige fører til forringelse af krystal kvalitet. Gennem det seneste årti er der blevet gjort en stor indsats for at forbedre kvaliteten af ZnO tynde film onto Si substrater ved hjælp af forskellige metoder, herunder ZnO buffer lag 17, udglødning i forskellige gasatmosfære 18 og passivering af Si underlagsoverfladen 19. Den foreliggende undersøgelse med succes tilbudt en enkel og effektiv metode til at syntetisere høj C-aksen ZnO tynd film på Si substrater uden bufferlag eller forbehandling. Eksperimentets resultater viste, at ZnO tynde film syntetiseret under optimale væksttemperatur viste god krystal og optiske egenskaber. Den krystallinske struktur, RF plasma sammensætning, overflademorfologi og optiske egenskaber af ZnO tynde film blev undersøgt ved røntgendiffraktion (XRD), optiske emission spektroskopi (OES), feltemissions scAnning elektronmikroskopi (FE-SEM), og RT fotoluminescens (PL) spektre henholdsvis. Desuden blev transmittansen af ​​ZnO tynde film også bekræftet og rapporteres.

Som syntetiseret ZnO tynd film tjente som affølingslag for UV fotodetektor ansøgning blev også undersøgt i denne undersøgelse. UV fotodetektor har store potentielle anvendelsesmuligheder i UV overvågning, optisk switch, flamme alarm og missil opvarmning systemet 20-21. Der er mange typer af fotodetektorer, der er blevet udført, såsom positiv indre negativ (ben) mode og metal-halvleder-metal (MSM) strukturer, herunder Ohmsk kontakt og Schottky kontakt. Hver type har sine egne fordele og ulemper. I øjeblikket har MSM fotodetektorceller strukturer tiltrukket intensiv interesse på grund af deres fremragende præstationer i responsivitet, pålidelighed og respons og nyttiggørelse tid 22-24. Resultaterne præsenteres her har vist, at MSM ohmsk kontakt tilstand var ansatat fremstille ZnO tynd film baseret UV fotodetektor. En sådan form for fotodetektor afslører typisk en god responsivitet og pålidelighed, hvilket indikerer, at den høje c-aksen ZnO tynd film er en egnet affølingslaget for UV fotodetektor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Substrat Forberedelse og rengøring

  1. Skær 10 mm x 10 mm siliciumsubstrater fra Si (100) wafer.
  2. Skær 10 mm x 10 mm glas substrater.
  3. Brug ultralyd renere at rense silicium og glassubstrater med acetone i 10 minutter, alkohol i 10 minutter, og derefter isopropanol i 15 minutter.
  4. Skyl substrater med deioniseret (DI) vand tre gange.
  5. Blow-tørre substrater med en kvælstof pistol.

2. DEZn Forberedelse og Preservation

Bemærk: diethylzink (C2 H5) 2 Zn, også kaldet DEZn, er en yderst pyrofor organozinkforbindelse består af en zink center bundet til to ethylgrupper. Arbejd aldrig alene, når du bruger DEZn. DEZn er meget giftigt og følsom over for ilt og vand, være sikker på ikke at placere DEZn nær vandet. Brug altid beskyttende masker og øjenbeskyttelse; alle procedurer skal udføres i hætten. Vigtigst af alt skal ubrugt DEZn be lagret i en 5 ° C miljø.

Bemærk: For første brug af DEZn Følg trin 2. Hvis ikke, skal du starte eksperimentet fra trin 3.

  1. Brug sprøjten til at trække ud 30 ml DEZn fra flasken og derefter injicere i et bægerglas anbringes i en stålcylinder.
  2. Brug en galvaniseret jernrør at forbinde stålcylinder med reaktionskammeret.
  3. Brug mekanisk pumpe og kugleventilen at pumpe ned stålcylinderen i vakuum miljø (til 6 Torr).
    Bemærk: DEZn vil alvorligt reagere med oxygen, skal det holdes i vakuummiljø.
  4. Opbevar ubrugt DEZn i et 5 ° C miljø.

3. PECVD Chamber Forberedelse og syntese af ZnO Thin Films

Bemærk: Det skematiske diagram over plasmaforstærket kemisk dampudfældning er afbildet i figur 1.

  1. Indstil arbejdsmiljøet afstanden mellem brusehoved elektrode og prøve scenen på 30 mm.
    2. <li> Placer substraterne på prøven fase af reaktionskammeret i korrekt sted, hvor der er en 3 cm afstand fra DEZn indløb.
  2. Åbn roterende pumpe og gradvist åbne porten ventiler og butterfly ventil.
  3. Vent, indtil baggrunden trykket i reaktorkammeret er lavere end 30 mTorr.
  4. Luk gate ventiler og butterfly ventil, som har forbindelse til den roterende pumpe.
  5. Åbn derefter turbo pumpe og relative skydeventiler at nå højt vakuum på 3 x 10 -6 Torr.
  6. Efter at have nået den nødvendige vakuumtilstand, åbne varmen controller og opvarmes prøven fase syntesen temperatur (200, 300, 400, 500 og 600 ° C i forskellige eksperimentparametre).
  7. Når temperaturen og trykket nå den nødvendige betingelse, lukke turbo pumpe og derefter åbne porten ventiler og butterfly ventil, som forbindes til den roterende pumpe samtidigt.
  8. Næste, skal du åbne gas ventiler og tænd for argon gsom strømningsregulator samtidigt.
  9. Flow argon gas (0,167 ml / sek) ind i kammeret.
  10. Indstil trykkammeret til 500 mTorr.
  11. Tænd for RF (13,56 MHz) generator og matchende netværk, derefter indstille RF-effekt ved 100 W for udrensning prøverne overflade i 15 min.
  12. Efter endt udrensning af prøver, drej RF-effekt ned til 70 W.
  13. Næste, tænde for kuldioxid gas controller og gas indløbsventil.
  14. Flow kuldioxid (0,5 ml / sek) ind i kammeret.
  15. Indstil arbejdstryk på 6 Torr.
  16. Efter trykkammeret når 6 Torr, flow den høje ren argon som bæregas (0,167 ml / sek) til udførelse diethylzink (DEZn) ind i kammeret og åbent kugleventil forbundet til DEZn samtidigt. Samtidig, starter syntesen af ​​ZnO film.
  17. Fortsæt plasma syntese af ZnO film i 5 min.
  18. Efter ZnO film er blevet syntetiseret, seriatim slukke RF generator, kugleventil, varme concontroller og alle gas strømningsregulatorer sammen med gas ventiler.
  19. Tag prøven når prøven scenen temperaturen køler ned til stuetemperatur. Bemærk: Afkølingshastigheden er ca. 1,8 ° C / min.

4. Fremstilling af interdigiterede-lignende mønster på syntetiseret ZnO Thin Film

Bemærk: Den skematiske af litografiske proces er afbildet i figur 3.

  1. Brug en varmeplade til bage som syntetiseret ZnO prøve ved 150 ° C i 10 min.
  2. Anbring prøven på spin coater, og derefter dosere den flydende opløsning af fotoresist (S1813) med 100 pi på ZnO prøve.
  3. Kør spin coater ved 800 rpm i 10 sek og derefter accelerere til 3.000 rpm i 30 sek for at fremstille en ensartet tyndt lag.
  4. Soft bake fotoresist-belagte ZnO prøve ved 105 ° C i 90 sek.
  5. Efter soft-bagning, bruge UV-lys for at eksponere fotoresisten-overtrukne prøve trough en fotomaske ved maske aligner. Eksponeringstiden er 2 sek og strømmen er 400 W.
    Bemærk:. Mønsteret af fotomaske er udformet som interdigitaliserede-lignende, som er 0,03 mm brede og 4 mm lange (14 par) og har en inter-elektrode afstand på 0,15 mm som vist i figur 2 Det er værd at bemærke, at den samlede lysfølsomme område er 84.32 mm 2 for detektoren.
  6. Efter proceduren eksponering, skal du bruge pincet klip prøven, og derefter nedsænke ind i den fortyndede udvikler (bland 50 ml bygherren og 150 ml deioniseret vand) gennem handlinger svinge fra side til side i 35 s for at opnå den udviklede prøve.
  7. Skyl udviklet prøven med DI-vand og tør med nitrogengas.
  8. Bruge optisk mikroskop for at kontrollere det mønster intakt. Hvis ikke, acetone for at fjerne fotoresisten og gentag trin 4.2 til 4.7 indtil den fuldkomne mønster er blevet opnået.
  9. Hard bage prøven ved 120 ° C i 20 min.

  1. Brug RF Magnetron sputtering system til at deponere et tyndt ledende lag Pt (100 nm) på toppen af ​​den udviklede prøve før man går videre til kemiske lift-off procedure.
  2. Indstil afstanden mellem målet og substratet ved 13 mm.
  3. Brug mekanisk pumpe for at opnå en ru vakuum på 5 mTorr.
  4. Brug derefter turbo pumpe for at opnå et højt vakuum på 7 x 10 -7 Torr.
  5. Vent, indtil kammeret når højvakuum, lukke turbopumpe og åbn mekanisk pumpe efterfølgende.
  6. Flow argongas ved 0,3 ml / sek i kammeret ved mas strømningsregulatoren indtil trykkammeret nå arbejdstryk på 100 mTorr.
  7. Tænd for jævnstrøm (DC) aflade strømforsyning og indstil jævnstrøm ved 15 W for forstøvning Pt tynde film elektrode på prøven i 25 min.
  8. Efter Pt elektroden lag er blevet deponeret af magnetron sputtering metode, tegne prøven fra kammeret.
  9. Fordyb prøven i acetone væske til kemisk lift-off proces ved ultralyd renere at fjerne fotoresist.
  10. Indstil rengøring tid på 1 min til grundigt at fjerne fotoresist, og derefter opnå den parallelkoblede-lignende Pt-elektrode på ZnO tynd film.

6. RTA proces

  1. Placer as-fabrikerede Pt / ZnO prøve i RTA-systemet.
  2. Brug mekanisk pumpe og skydeventil at pumpe ned RTA kammertryk på 20 mTorr.
  3. Vent til trykkammeret når 20 mTorr, flow argongas ved 0,3 ml / sek ind i kammeret og indstil arbejdstryk på 5 Torr.
  4. Dernæst indstilles opvarmning sats som 100 ° C / min.
  5. Derefter anneale prøven ved 450 ° C i 10 min.
  6. Når udglødet, vente, indtil prøven køler til RT, derefter tage ud prøven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ZnO (0002) tynd film med høj c-akse foretrukken orientering med succes er blevet syntetiseret på Si substrater ved hjælp af PECVD system. Carbondioxidet (CO 2) og diethylzink (DEZn) blev anvendt som oxygen og zink forstadier, henholdsvis. Krystalstruktur ZnO tynde film blev karakteriseret ved røntgendiffraktion (figur 4), hvilket indikerer, at ZnO tynd film syntetiseret ved 400 ° C med den stærkeste (0002) diffraktionstop. Når den syntetiserede temperaturen øges op til 500 ° C, den (0002) diffraktionstop blev svagere ledsager med udseende (10-10) diffraktionstop. Især vil alle ZnO diffraktionstoppe forsvinde, når den syntetiserede temperatur er sat til 600 o C Den in situ - OES blev anvendt til at overvåge plasma kemiske sammensætning under ZnO syntetiseret fremgangsmåde (figur 5). Resultaterne viser, at Zn, O 2 temperaturer (Figur 6A-E). Den homogene overflade og med lille kornstørrelsesfordeling blev opnået ved 300 og 400 o C. De optiske egenskaber af ZnO tynde film blev bestemt ved PL spektre (figur 7). Resultaterne indikerer, at ZnO tynde film syntetiseret ved 300 og 400 ° C viser en stærk NBE emission og med en ubetydelig DL emission. Desuden emissions- skift NBE til kort bølgelængde med at hæve temperaturen fra 300 til 600 ° C. Transmittansen måling viser, at ZnO tynde film syntetiseret ved 200, 300 og 400 ° C har god gennemsigtighed med en gennemsnitlig synlig transmittans større end 80% (figur 8A-B). Interessant, transmittansen faldt dramatmatisk, når de syntetiserede temperaturer blev forøget op til over 500 ° C.

Udførelsen af ​​UV fotodetektor kombineres med ZnO tynd film og Pt sammenflettet elektrode er blevet undersøgt. Fra de egenskaber, blev strømmen i fotodetektoren naturligvis forstærket under lys belysning, sammenlignet med under mørke forhold (figur 9). Det blev også observeret, at I - V kurver er symmetrisk, hvilket afspejler en MSM ohmsk kontakt adfærd mellem ZnO tynd film og Pt-elektrode. Den tidsafhængige foto-strømresponset af fotodetektoren blev målt med at slukke og tænde for UV-lys (38 mW / cm2) fem gange ved forspændingen af 5V (figur 10).

Figur 1
Figur 1. Skematisk diagram af plasmaforstærket kemisk damp deposition system. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Skematisk diagram af ZnO baseret UV-fotodetektor kombineret med Pt sammenflettet elektrode. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Rutediagram af litografiske proces til Pt sammenflettet elektrode fremstillet på de ZnO film syntetiseret på siliciumsubstrater. Trin (A) anvender varmepladen at bage syntetiseret ZnO tynd film ved 150 ° C i 10 minutter for at fjerne fugt på overfladen. Trin (B) spin-frakker fotoresisten på ZnO tynd film. Trin (C) blødt bager fotoresisten-coatede ZnO prøve ved 105 ° C i 90 s for at fjerne overskydende fotoresist opløsningsmiddel. Trin (D) udsætter UV-lys gennem en fotomaske for 2s. Trin (E) anvender bygherren til at fjerne fotoresist. Trin (F) hårde bager prøven ved 120 ° C i 20 minutter til at gøre en mere holdbar beskyttende lag for udarbejdelsen af næste RF magnetronforstøvning. Trin (G) anvender RF Magnetron sputtering at deponere et tyndt lag på Pt den udviklede prøve. Trin (H) bruger acetone til lift-off prøven. Klik her for at se en større version af dette tal.

_upload / 53097 / 53097fig4.jpg "/>
Figur 4. Røntgendiffraktion mønstre for ZnO tynde film syntetiseret ved forskellige temperaturer syntese varierede fra 200 til 600 o C. X-ray blev udsendt af Cu K α-stråling (λ = 1,54 Å). Scanningen vinkel blev sat fra 30 o til 80 o, trin størrelse var 0,01 o og tid pr skridt var 0,15 sek. ZnO (0002) diffraktionstop er placeret på 34,24 o, mens ZnO (10-10) diffraktionstop er placeret på 31,59 o. De andre diffraktionstoppe kommer fra substrat-signaler. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. In - situ OES frekvenser til RF plasma under ZnO tynd film syntetiseret ved 400 o C. data blev bekræftet fra henvisningen 28. Toppene signaler placeret på 449, 517 og 559 nm bestemmes som CO arter. Toppene signaler placeret på 466, 471 og 482 nm, opgøres som Zn arter, og 634 nm bestemmes som O 2 arter. De komplicerede signaler ligger i området mellem 325 og 430 nm bestemmes som nedbrydningsprodukter arter af DEZn. Den overvågede tid var 7 sek. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Plane-view SEM billeder for ZnO tynde film syntetiseret på forskellige syntese tempe res, herunder (A) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500, og (E) 600 ° C. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7. RT PL spektre for ZnO tynde film syntetiseret ved forskellige syntese temperaturer varierede 200-600 ° C. PL måling brugt 325 nm Han-Cd-laser under 100% laser magt effektivitet. Eksponeringstiden var 10 sek. Registreringsafstanden var 325-750 nm. Klik her for at se en større version af dette tal.

ys "> Figur 8
Figur 8. Optisk transmittans spektre for ZnO tynde film syntetiseret ved forskellige temperaturer syntese (A) Typisk optiske transmittans spektre målt 400-800 nm.; (B) gennemsnittet transmittansværdierne som funktion af syntesen temperatur. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9
Figur 9. I -. V karakteristika fremstillet ZnO tynd film baseret UV fotodetektor Målingen var under 325 nm UV-lys belysning med effekttæthed på 38 mW / cm2 (rød kurve) og den mørke tilstand (sort kurve), og testiklerne var på forspænding fra -10 V til 10 V. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10
Figur 10. Tidsafhængig photocurrent respons for ZnO tynde film baseret UV fotodetektor. Målingen blev gennemført over 5 gange dreje Tænd / sluk kredse ved bias på 5 V under UV-lys (38 mW / cm2), hvor både turn -on og turn-off tid af UV-lys var 10 sek. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiske trin og modifikationer

I trin 1 skal underlagene rengøres grundigt og trin 1,3-1,5 følges for at sikre, at der ikke er fedt eller organiske og uorganiske forureninger på substrater. Alle fedt eller organiske og uorganiske forureninger på substratoverfladen vil reducere vedhæftningen af ​​filmen.

Trin 2 er den vigtigste procedure ved ZnO filmen forberedelsesprocessen. DEZn er meget giftigt og voldsomt reagerer med vand og let antænder ved kontakt med luft. DEZn skal meget omhyggeligt injiceres i stål cylinder og derefter pumpet ned til 6 Torr samme. I trin 3, skal du sørge for, at hver eksperimentel parameter og trin præcist er afsluttet, fordi selv lidt forskellige indstillinger vil føre til forskellige resultater.

Trin 4 skal udføres i en litografisk laboratorium og et rent rum for at undgå ikke-UV-lys belysning og dust-pollutionor partikel-forurening effekter. I trin 5 bør magt DC udledning strømforsyningen hæves langsomt; ellers Pt målet vil blive brudt. I trin 6, skal prøverne anbringes i midten af ​​RTA kammeret for at sikre, at prøven kan opvarmes ensartet.

Dataanalyse

Det syntetiserede temperatur er en afgørende parameter for syntese af høj kvalitet c-aksen ZnO tynd film, fordi de termiske udvidelseskoefficienter og termisk mismatch stamme effekt med grænsefladeenergi mellem ZnO tynde film og Si substratet væsentligt kan påvirke den krystallografiske orientering. Det kan tydeligt iagttages fra XRD mønstre (figur 4). Den stærkeste ZnO (0002) diffraktionstop blev opnået ved 400 ° C, hvilket indikerer, at temperaturen er en optimal temperatur syntetiseret til syntese c-akse ZnO tynd film på Si substrat ved PECVD metode. Med en yderligere stigningi syntetiseret temperatur op til 500 ° C, hvilket fører til en forringelse af ZnO krystal kvalitet. Endvidere ZnO tynd film omdannet til amorfe fase, når det syntetiserede temperaturen blev indstillet til 600 o C. Det kan antages, at tilstrækkelig høj temperatur (dvs. 400 ° C) kan give tilstrækkelig energi, forbedre evnen af molekyler for at finde den stabile websted og resulterer i ZnO tynd film med høj kvalitet krystal. Samtidig er de fælles fejl, herunder ledige stillinger, interstitials og forskydninger i ZnO også reduceret. Dog vil ZnO nedbrydes til Zn og O 2 molekyler med stærk høj temperatur (dvs. 500 og 600 ° C) blev anvendt 25. Desuden er de forskellige varmeudvidelseskoefficienter mellem ZnO (6,7 x 10 -6 K -1) 26 tynd film og Si (4,18 x 10 -6 K -1) 27 substrat ved 900 K vil give den termiske mismatch strain effekt med grænsefladeenergi. Ovennævnte fænomener kunne forringe kvaliteten af ​​krystal ZnO tynd film, hvilket resulterer i polykrystallinske eller amorfe fase.

Til overvågning af plasma kemiske sammensætning under ZnO syntetiseret processen, i - blev situ OES spektralanalyse af RF plasma udført (figur 5). OES analysen Resultatet viste, at de tre stærke Zn emission toppe dukkede omkring 475 nm og andre distinkte emissioner toppe blev bestemt som O 2 og CO-signaler 28. Desuden er nogle komplicerede emissionstoppe beliggende i området mellem 325 og 430 nm bestemmes som nedbrydningsprodukter arter af DEZn. Ovenstående gavnlige informationer indikerer, at OES er et nyttigt instrument til in situ - overvågning af plasma kemiske sammensætning under den syntetiserede processen.

De overflademorfologier af ZnO tynde film blev observeret af FE-SEM <strong> (figur 6A-E). Det kan ses, at ZnO syntetiseret ved 300 og 400 ° C show tæt pakket med sfærisk korn med lille kornstørrelsesfordeling. Sammenlignet med syntetiseret tilstand, andre ZnO tynde film udviser uordentligt og uregelmæssig overflade, hvilket betyder det polykrystallinske eller amorfe fase. Det er værd at bemærke, at SEM billeder er i overensstemmelse med de tidligere XRD resultater.

De optiske egenskaber blev bestemt ved RT PL spektrum med 325 nm Han-Cd laser. Fra PL måling (figur 7), alle ZnO tynde film viser en stærk NBE emission peak ligger på omkring 375 nm, hvilket tilskrives rekombination af fri-excitoner gennem en exciton-exciton kollision proces 29. Samtidig er de brede defekt-relaterede DL emission toppe placeret på omkring 575 nm, opnås, når de syntetiserede temperaturer blev sat til 200 og 500 o C. Det er også fundet, at NBE emission har et blåt skifttil kortere bølgelængder med stigende syntetiseret temperatur. Generelt er DL emission henvist til urenheder og forskellige strukturelle defekter i ZnO fase, såsom oxygen ledig og zink interstitiel 30, og Blueshift skyldes den stærke resterende anisotrope stamme i ZnO tynd film 31. Derfor afspejler resultaterne PL, at det syntetiserede temperatur væsentligt kan påvirke de optiske egenskaber af ZnO tynde film. Blandt alle ZnO prøver, kun to prøver, som blev syntetiseret ved 300 og 400 o C viser en domineret NBE emission peak og ubetydelig DL emission ledsager høj (0002) XRD diffraktionstoppen.

Den gennemsigtighed for alle syntetiserede ZnO tynde film blev målt ved transmittans spektrum (figur 8A) og den gennemsnitlige transmittans for hver ZnO prøve er blevet beregnet (Figur 8B). Den gennemsnitlige transmissionsværdi ZnO prøver syntetiseret ved 200, 300 aND 400 ° C i hele det synlige område er omkring 80%, men prøverne syntetiseret ved 500 og 600 ° C viser en relativt lav transmittans, især for ZnO prøven syntetiseret ved 600 o C. Årsagen til den reducerede transmissionskoefficient for ZnO prøve syntetiseret ved højere temperatur er stadig uklart indtil nu. Den høje c-aksen imidlertid præferentiel orientering ZnO med høj transparens er blevet opnået, hvilket indikerer, at tegnet kunne blive anvendt til fremtidige høj transmittans ZnO baseret optoelektroniske anordninger.

Fordi ZnO fase kan adsorbere ilt molekyler i det generelle miljø og desorbere ilt molekyler under UV-belysning, kan den anvendes som UV fotodetektor. Oxygenmolekyler kan adsorberes til en ZnO overflade ved at opfange frie elektroner fra ledningsbåndet af ZnO [O 2 + e - → O 2 -], hvilket giver en udtynding lag nær overfladen, hvilket fører til stærkt formindskeledningsevne af ZnO. Når ZnO belyses af fotonenergi mere end båndgab af ZnO (dvs., UV-lys), vil elektron-hul par genereres [h ʋ → e - + h +]. Disse luftfartsselskaber fra elektron-hul par vil bevæge sig mod overfladen og neutralisere de adsorberede iltmolekyler [h + + O 2 - → O 2]. Neutralisering ilt molekyler kan ubesværet desorbere danne overfladen af ​​ZnO, som gør ledningsevnen stige betydeligt. Derfor, ifølge denne teori, den høje c-aksen ZnO tynd film blev anvendt som en affølingslag at fremstille UV fotodetektor. De UV-detektion egenskaber fremstillet Pt / ZnO fotodetektor blev undersøgt og bekræftet ved måling af I - V kurve med og uden UV-lys belysning og tidsafhængig fotostrøm respons (figur 9 og 10). En oplagt symmetrisk adfærd kunne være observed, hvilket indikerer, at den høje kvalitet ohmsk kontakt er opnået ved Pt / ZnO grænsefladen efter post-udglødet i argon ved 450 ° C ved RTA. Ifølge de målte I - V kurver, mørke nuværende er ca. 0,36 mA og foto-strøm er ca. 4,3 mA ved 5 V, angiver den aktuelle forskel mellem UV belyst og mørke tilstand. Fordi udførelsen af ​​UV fotodetektor er kritisk afhængig af sine svar og nyttiggørelse gange, blev den tidsafhængige foto-aktuelle svar implementeret. Responstiden er normalt defineret som den tid at nærme 90% af den maksimale foto-strøm, og restitutionstid er det tid til henfalde til 10% af den maksimale foto-strøm. Fra foto-strømmåling den tidsafhængige respons, svaret og restitutionstid er omkring 3 og 9 s hhv. Desuden blev det ultraviolette lys tændt og slukket fem gange for at teste pålideligheden. Ifølge de ovenfor nævnte målinger, ZnO baseret UV fotodetektor viser en hurtigresponsivitet og høj pålidelighed, som kunne anvendes i udviklingspotentiale til kommerciel UV fotodetektor ansøgning.

Sammenfattende er dette foreliggende undersøgelse tilvejebringer en fremgangsmåde til at syntetisere høj C-aksen præferentiel orientering ZnO tynd film på Si substrater ved PECVD med en fin styring af det syntetiserede temperatur. Den optimale c -aksen ZnO tynd film blev syntetiseret ved 400 ° C viser en konkurrencedygtig og funktionel egenskab i form af krystalstruktur, optisk ejendom, og gennemsigtighed i synligt lys. ZnO baseret UV fotodetektor kombineret med Pt sammenflettet elektrode med ohmsk kontakt udviser en hurtig responsivitet og høj pålidelighed under UV-lys (38 mW cm -2) ved bias af 5 V. Dette nuværende arbejde kunne være en værdifuld retning og anvendelse både i forskning og industri.

Potentielle Fordele og ulemper ved PECVD Teknik

Plasma forbedret chemiCal dampudfældning (PECVD) er en nyttig teknik, der har været ansat til at syntetisere tynde film fra damp tilstand til fast tilstand på substrater. Plasmaet er generelt stammer fra DC eller RF strømforsyning mellem brusehoved elektrode almindeligvis brugt som øverste elektrode og prøve etape normalt bruges som bund elektrode hhv. Mellemrummet mellem disse to elektroder er fyldt med de kemiske reaktioner fra reaktantgasser. Krystallen orientering og prøvens sammensætning er afhængig af syntesen tilstand og forholdet mellem reaktant forstadier. For eksempel DEZn og CO 2 som forstadier blev anvendt til at tilvejebringe zink- og iltkilder til syntetisering ZnO tynd film, henholdsvis. Det er klart, plasmaet er en vigtig funktion i denne teknik. Gennem plasmaforstærket bistand ioniserede reaktant atomer eller molekyler, der effektivt diffundere til substratoverfladen, og derefter let reagerer med tilstødende ioniserede atomer eller molekyler til dannelse af meget kraftig configuration tynd film. Som følge heraf kan alle prøverne udsættes for energisk ionbombardement under synteseprocessen.

Fordi plasma reaktionen fortløbende forekommer under synteseprocessen, de vigtigste fordele ved PECVD teknik omfatter: (a) den nedre syntese temperatur, næsten alle prøver kan syntetiseres ved lav temperatur (100-450 ° C), (b) høj formatforhold tilstand er til rådighed (hvis anvendelse høj densitet plasma), (c) høj afsætningshastighed, (d) RF drevet brusehoved med optimeret gasafgivelse, giver en ensartet plasmabehandling, (e) god tynd filmoverflade ensartethed og (f) kemiske sammensætning struktur kan fint styres.

Men PECVD teknik indebærer kemisk reaktion og høj densitet plasma bombardement og det har nogle begrænsninger og ulemper. Hele processen vil producere et stort antal kemiske og partikler forureninger, kræves omhyggelig og hensigtsmæssig håndtering. Højrene gasser er nødvendige i denne teknik, så begrænsningen af ​​en bestemt precursor såsom DEZn, der kan behandles i opløsning. Hvis kilden ikke har evnen til at opløse nogle opløsningsmiddel til fremstilling af flygtige precursor, vil bæregassen ikke levere reagenset gas ind i kammeret for at gøre syntesen. Selv om høj densitet plasma bombardementet kan forbedre ensartethed og kvalitet af tyndfilm, høj restspændinger vil blive oprettet resulterer i brud på den tynde film. Også denne teknik har brug for en ekstra DC eller RF strømforsyning system, der fører til en lidt højere i omkostninger sammenlignet med konventionel kemisk aflejring dampe (CVD).

Fremtidige Kørselsvejledning og applikationer

Mange procesparametre såsom arbejdstryk, gassammensætning, gasstrømmen, RF-effekt, reaktant forløber og andre er alle afhængige af hinanden for at syntetisere tynde film i PECVD teknik. Kun ændringen af ​​syntesen temperatur er blevet undersøgt idette fremlagt forskning. Der er stadig en masse arbejde, der kræver for yderligere at undersøge de begrænsninger og muligheder i denne teknik. For eksempel kunne gassammensætningen variere støkiometrien af ​​tynde film og arbejdstryk kunne påvirke den gennemsnitlige frie vej af ioniserede gasser, som vil give forskellige tyndfoliekonfiguration. Derfor vil fremtidige arbejde brug for yderligere forståelse hvordan man kan manipulere krystal kvalitet eller egenskaber gennem ovennævnte parametre.

PECVD teknik har været meget anvendt i fremstillingen af ​​syntesen af ​​tynde film på halvledere, som normalt kræver lav procestemperatur. PECVD metode er tilladt og anvendt til at syntetisere tynd film på polymersubstrater, som også kan anvendes i fleksible indretninger ansøgning. Ud over den lave temperatur ansøgningen, har vi allerede fremstillet upolær ZnO tynd film ved at forøge syntesen temperatur, som kunne anvendes i HIGh-effektivitet Light-Emitting Diode (LED) eller miljømæssig sensorteknologi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Ministeriet for Videnskab og Teknologi og National Science Rådet for Republikken Kina (kontrakt nr. NSC 101-2221-E-027-042 og NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei takker National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) til Dr. Shechtman-prisen 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 tynd film, plasma forbedret kemisk dampudfældning diethylzink (DEZn) sensor Pt sammenflettet elektrode ohmsk kontakt UV fotodetektor
Syntese og karakterisering af høj c-aksen ZnO Thin film efter Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System og dets UV Fotodetektor Ansøgning
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