Waiting
Login processing...

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

Engineering

Sintesi e caratterizzazione di alta c-asse ZnO film sottile da potenziato a plasma Chemical Vapor Deposition del sistema e la sua applicazione Rilevatori UV

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 questo studio, l'ossido di zinco (ZnO) film sottili con alta c -axis (0002) orientamento preferenziale sono stati correttamente ed efficacemente sintetizzato su silicio (Si) substrati con diverse temperature sintetizzati utilizzando plasma maggiore deposizione di vapore chimico sistema (PECVD). Gli effetti di diverse temperature di sintesi sulla struttura cristallina, morfologie di superficie e proprietà ottiche sono stati indagati. La diffrazione dei raggi X (XRD) modelli indicato che l'intensità del picco (0002) diffrazione divenne più forte con l'aumentare della temperatura sintetizzato fino 400 ° C. L'intensità di diffrazione di (0002) di picco è diventato gradualmente più debole di accompagnamento con l'apparenza di (10-10) di picco di diffrazione quando la temperatura sintetizzato fino all'eccesso di 400 ° C. La RT fotoluminescenza (PL) spettri mostrato un forte nei pressi di banda-edge (NBE) emissione osservata a circa 375 nm e un trascurabile livello profondo (DL) emissione situato a circa 575 nm under alta c -axis ZnO film sottili. Campo microscopia elettronica a scansione emissione (FE-SEM) immagini hanno rivelato la superficie omogenea e con una distribuzione di piccole dimensioni del grano. I film sottili ZnO sono stati sintetizzati su substrati di vetro sotto gli stessi parametri di misurazione della trasmittanza.

Ai fini dell'applicazione ultravioletta (UV) fotorivelatore, il platino interdigitata (Pt) film sottile (spessore ~ ​​100 nm) fabbricato via convenzionale processo di litografia ottica e frequenza radio (RF) magnetron sputtering. Per raggiungere il contatto ohmico, il dispositivo è stato ricotto in circostanze argon a 450 o C per sistema rapido ricottura termica (RTA) per 10 min. Dopo le misurazioni sistematiche, la corrente-tensione (I - V) Curva di foto e risultati di risposta fotocorrente corrente e tempo-dipendente scuri esibito un buon responsività e affidabilità, indicando che l'alta c -axis ZnO film sottile è uno strato di rilevamento adattoper l'applicazione fotorivelatore UV.

Introduction

ZnO è un wide-band-gap materiale semiconduttore funzionale promettente grazie alle sue proprietà uniche come l'elevata stabilità chimica, a basso costo, atossicità, a bassa soglia di potenza per il pompaggio ottico, larga banda proibita diretta (3,37 eV) a temperatura ambiente e grandi eccitonico energia di ~ 60 meV 1-2 vincolante. Recentemente, film sottili ZnO sono stati impiegati in molti campi di applicazione contenenti ossido conduttivo (TCO) pellicole trasparenti, dispositivi emettitori di luce blu, transistori ad effetto di campo, e sensori di gas 3-6. D'altra parte, ZnO è un materiale candidato per sostituire ossido di stagno indio (ITO) a causa di indio e stagno essendo raro e costoso. Inoltre, ZnO possiede alta trasmissione ottica nella regione di lunghezza d'onda visibile e bassa resistività rispetto ITO film 7-8. Pertanto, fabbricazione, caratterizzazione e applicazione di ZnO è stato ampiamente riportato. Questo studio si concentra sulla sintesi (0002) ZnO film sottili di alta c -axis da un semplice und efficace metodo e la sua applicazione pratica verso una cellula fotoelettrica UV.

Le recenti scoperte rapporto di ricerca indicano che la ZnO film sottile di alta qualità può essere sintetizzato mediante varie tecniche, come metodo sol-gel, magnetron sputtering a radiofrequenza, metallo organico deposizione di vapore chimico (MOCVD), e così via 9-14. Ogni tecnica ha i suoi vantaggi e svantaggi. Ad esempio, un vantaggio principale di deposizione sputtering è che i materiali bersaglio con molto elevato punto di fusione sono facilmente atomizzate sul substrato. Al contrario, il processo di sputtering è difficile combinare con un lift-off per strutturare il film. Nel nostro studio, il sistema potenziato a plasma chemical vapor deposition (PECVD) è stato impiegato per sintetizzare alta qualità c -axis film sottili ZnO. Bombardamento plasma è un fattore chiave nel processo di sintesi che può aumentare la densità di film sottile e migliorare la velocità di reazione di decomposizione di ioni 15. InInoltre, il tasso di crescita elevata e di grande superficie uniforme deposizione sono altri vantaggi distintivi per tecnica PECVD.

Fatta eccezione per la tecnica di sintesi, la buona adesione sul substrato è un altro problema considerato. In molti studi, lo zaffiro c -Plane è stato ampiamente utilizzato come substrato per sintetizzare alta c -axis film sottili ZnO perché il ZnO e zaffiro hanno la stessa struttura reticolo esagonale. Tuttavia, la ZnO è stato sintetizzato su substrato di zaffiro esibendo morfologia superficiale ruvida e alte concentrazioni residue carrier (difetto relative) a causa delle grandi disadattati reticolari tra ZnO e c -Plane zaffiro (18%) orientate nella direzione 16 in piano. Rispetto al substrato di zaffiro, un wafer di Si è ampiamente usato un altro substrato per la sintesi ZnO. Wafer di Si sono stati ampiamente utilizzati nel settore dei semiconduttori; e quindi, la crescita di film sottili ZnO alta qualità su substrati di Si è molto importante e necessario. Purtroppo, la struttura cristallina e il coefficiente di espansione termica tra il ZnO e Si sono ovviamente diverse conseguente deterioramento della qualità di cristallo. Negli ultimi dieci anni, sono stati fatti notevoli sforzi per migliorare la qualità di film sottili su substrati di Si ZnO utilizzando vari metodi tra ZnO strati tampone 17, ricottura in atmosfera di gas diversi 18, e passivazione del substrato superficiale di Si 19. Il presente studio ha offerto con successo un metodo semplice ed efficace per sintetizzare alta c -axis ZnO film sottile su substrati di Si, senza strato tampone o pre-trattamento. I risultati dell'esperimento è emerso che i film sottili ZnO sintetizzati sotto la temperatura di crescita ottimale mostrato il cristallo e buona qualità ottiche. La struttura cristallina, la composizione del plasma RF, morfologia superficiale e le proprietà ottiche di film sottili ZnO sono stati studiati mediante diffrazione di raggi X (XRD), spettroscopia di emissione ottica (OES), Field Emission scAnning microscopia elettronica (FE-SEM), e RT fotoluminescenza (PL) spettri rispettivamente. Inoltre, la trasmissione di film sottili ZnO è stato confermato anche e segnalato.

Il film sottile ZnO come per sintesi servito come uno strato di rilevamento per l'applicazione fotorivelatore UV è stata studiata anche in questo studio. Il rivelatore fotoelettrico UV ha grandi potenziali applicazioni nel monitoraggio UV, interruttore ottico, allarme fiamma, e il sistema di riscaldamento del missile 20-21. Ci sono molti tipi di fotorivelatori che sono state effettuate come modalità negativa intrinseco positivo (pin) e metallo-semiconduttore-metallo (MSM) strutture compreso il contatto ohmico e Schottky contatto. Ogni tipo ha i suoi vantaggi e svantaggi. Attualmente, le strutture fotorivelatori MSM hanno attirato l'interesse intenso a causa della loro eccezionali prestazioni in responsività, l'affidabilità e la risposta e il tempo di recupero 22-24. I risultati qui presentati dimostrano che la modalità di contatto ohmico MSM è stato impiegatofabbricare ZnO film sottile cellula fotoelettrica UV based. Tale tipo di fotorivelatore rivela in genere una buona responsività e affidabilità, indicando che l'alta c -axis ZnO film sottile è uno strato di rilevamento adatto per fotorivelatore UV.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Preparazione del supporto e pulizia

  1. Tagliare 10 mm x 10 mm substrati di silicio da Si (100) wafer.
  2. Tagliare 10 mm x 10 mm substrati di vetro.
  3. Utilizzare ultrasuoni per pulire i substrati di silicio e vetro con acetone per 10 min, alcool per 10 minuti, e poi isopropanolo per 15 min.
  4. Sciacquare i substrati con acqua deionizzata (DI) tre volte.
  5. Blow-asciugare i supporti con una pistola di azoto.

2. DEZn preparazione e conservazione

Nota: dietilzinco (C 2 H 5) 2 Zn, chiamato anche DEZn, è un composto altamente organozinco piroforica comprensivi di un centro di zinco legato a due gruppi etilici. Non lavorare mai da soli quando si usa DEZn. DEZn è molto tossico e sensibile per l'ossigeno e l'acqua, essere sicuri di non mettere il DEZn vicino all'acqua. Indossare sempre maschere e occhiali di protezione; tutte le procedure devono essere eseguite nella cappa. Ancora più importante, DEZn non utilizzata deve be conservato in un ambiente 5 ° C.

Nota: Per il primo utilizzo di DEZn, seguire passo 2. In caso contrario, avviare l'esperimento dal punto 3.

  1. Utilizzare siringa per estrarre 30 ml DEZn dalla bottiglia e poi iniettare in un becher posto in un cilindro di acciaio.
  2. Utilizzare un tubo di ferro galvanizzato per collegare il cilindro d'acciaio con la camera di reazione.
  3. Utilizzare pompa meccanica e valvola a sfera per pompare giù il cilindro di acciaio in ambiente sotto vuoto (a 6 Torr).
    Nota: DEZn severamente reagire con l'ossigeno, deve essere mantenuto in ambiente sotto vuoto.
  4. Conservare la DEZn non utilizzata in un ambiente di 5 ° C.

3. PECVD Camera Preparazione e sintesi di ZnO Thin Film

Nota: Lo schema di plasma enhanced chemical vapour deposition è illustrato in Figura 1.

  1. Impostare la distanza di lavoro tra soffione elettrodo ed palco campione a 30 mm.
    2. <li> Posizionare i substrati sulla scena campione di camera di reazione in posizione corretta in cui vi è un 3 cm di distanza dall'ingresso DEZn.
  2. Aprire la pompa rotativa e gradualmente aprire le saracinesche e valvola a farfalla.
  3. Attendere che la pressione della camera del reattore sfondo è inferiore a 30 mTorr.
  4. Chiudere il saracinesche e farfalla valvola, che si collega alla pompa rotativa.
  5. Quindi aprire la pompa turbo e saracinesche relativi per raggiungere alto vuoto di 3 x 10 -6 Torr.
  6. Dopo aver raggiunto la condizione di vuoto necessario, aprire il regolatore di calore e riscaldare la fase del campione alla temperatura di sintesi (200, 300, 400, 500, e 600 ° C per diversi parametri dell'esperimento).
  7. Quando la temperatura e la pressione raggiunge la condizione necessaria, chiudere la pompa turbo e quindi aprire il cancello e farfalla valvole valvola che collega alla pompa rotativa simultaneamente.
  8. Quindi, aprire le valvole di aspirazione del gas e accendere l'argon gcome regolatore di flusso contemporaneamente.
  9. Il flusso del gas argon (0.167 ml / sec) nella camera.
  10. Impostare la pressione della camera di 500 mTorr.
  11. Accendere la rete RF (13.56 MHz) del generatore e di corrispondenza, quindi impostare la potenza RF di 100 W per l'eliminazione dei campioni di superficie per 15 min.
  12. Dopo aver terminato l'epurazione dei campioni, accendere la potenza RF fino a 70 W.
  13. Successivamente, accendere la valvola di controllo del gas di anidride carbonica e di ingresso del gas.
  14. Flusso del biossido di carbonio (0,5 ml / sec) nella camera.
  15. Impostare la pressione di esercizio di 6 Torr.
  16. Dopo la pressione della camera raggiunge 6 Torr, l'elevato flusso argon puro come gas di trasporto (0.167 ml / sec) per trasportare dietilzinco (DEZn) nella camera e valvola a sfera aperto collegato DEZn simultaneamente. Allo stesso tempo, iniziare la sintesi di film di ZnO.
  17. Continuare la sintesi plasma di film di ZnO per 5 min.
  18. Dopo i film di ZnO sono stati sintetizzati, seriatim spegnere il generatore RF, valvola a sfera, con il calorecontrollore e tutti controllori di flusso di gas con valvole di aspirazione gas.
  19. Estrarre il campione quando la temperatura fase del campione si raffredda a temperatura ambiente. Nota: La velocità di raffreddamento è di circa 1,8 ° C / min.

4. Preparazione di interdigitata-come modello su As-sintetizzato ZnO film sottile

Nota: Lo schema di processo di litografia è illustrato nella figura 3.

  1. Utilizzare una piastra calda per cuocere il campione come ZnO-sintetizzato a 150 ° C per 10 min.
  2. Posizionare il campione sul dispositivo a induzione di rotazione, e quindi dispensare la soluzione liquida di fotoresist (S1813) con 100 microlitri sul campione ZnO.
  3. Eseguire il dispositivo a induzione di rotazione a 800 giri al minuto per 10 secondi e poi accelerare a 3.000 rpm per 30 secondi per produrre uno strato uniforme sottile.
  4. Morbido cuocere il campione ZnO photoresist rivestite a 105 ° C per 90 secondi.
  5. Dopo il soft-cottura, utilizzare la luce UV per esporre il campione trou photoresist rivestitegh un fotomaschera per maschera allineatore. Il tempo di esposizione è di 2 secondi e la potenza è di 400 W.
    Nota:. Il modello di fotomaschera è progettato come interdigitati simile, che è 0,03 mm di larghezza e 4 mm di lunghezza (14 coppie) ed ha una distanza inter-elettrodo di 0,15 mm come illustrato nella figura 2 Vale la pena notare che il fotosensibile totale area è 84.32 mm 2 per il rivelatore.
  6. Dopo la procedura di esposizione, usare una pinzetta per agganciare il campione, e poi immergono nella sviluppatore diluito (mescolare 50 ml di sviluppatore e 150 ml di acqua deionizzata) attraverso azioni di oscillare da un lato all'altro per 35 s per ottenere il campione sviluppato.
  7. Sciacquare il campione sviluppata con acqua deionizzata e asciugare con azoto.
  8. Usate il microscopio ottico per controllare il motivo intatto. In caso contrario, usare acetone per rimuovere il photoresist e ripetere i passaggi 4,2-4,7 fino a quando è stato ottenuto il modello perfetto.
  9. Duro cuocere il campione a 120 ° C per 20 min.

  1. Utilizzare il sistema magnetron sputtering RF per depositare un sottile strato conduttivo Pt (100 nm) sulla parte superiore del campione sviluppato prima di procedere alla procedura di decollo chimica.
  2. Impostare la distanza tra il target e il substrato a 13 mm.
  3. Usare la pompa meccanica per raggiungere un vuoto di massima di 5 mTorr.
  4. Quindi, utilizzare la pompa turbo per ottenere un alto vuoto di 7 x 10 -7 Torr.
  5. Attendere fino a quando la camera raggiunge l'alto vuoto, chiudere la pompa turbo e aprire la pompa meccanica successivamente.
  6. Il flusso del gas argon a 0.3 ml / sec nella camera dal regolatore di flusso mas finché la pressione camera di raggiungere la pressione di esercizio di 100 mTorr.
  7. Accendere la corrente continua (DC) di scarico alimentazione e impostare la corrente continua a 15 W per sputtering l'elettrodo sottile pellicola di Pt sul campione per 25 minuti.
  8. Dopo che lo strato dell'elettrodo Pt è stato depositato da magnetron sputtMetodo rendo, togliere il campione dalla camera.
  9. Immergere il campione nel liquido acetone per l'industria chimica di processo decollo da ultrasuoni per rimuovere il photoresist.
  10. Impostare il tempo di pulizia a 1 min per rimuovere completamente photoresist, e quindi ottenere l'elettrodo interdigitata come Pt ​​sul film sottile ZnO.

6. processo RTA

  1. Mettere il campione Pt / ZnO come-fabbricato nel sistema RTA.
  2. Usare la pompa meccanica e valvola a saracinesca per pompare giù la pressione della camera RTA a 20 mTorr.
  3. Attendere che la pressione nella camera 20 raggiunge mTorr, flusso di gas argon a 0.3 ml / sec nella camera e impostare la pressione di esercizio di 5 Torr.
  4. Successivamente, impostare la velocità di riscaldamento come 100 ° C / min.
  5. Poi, ricuocere il campione a 450 ° C per 10 min.
  6. Una volta ricotto, attendere fino a quando il campione si raffredda a RT, poi estrarre il campione.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Il ZnO (0002) film sottili con alta c -axis orientamento preferenziale sono stati sintetizzati con successo sui substrati di Si utilizzando il sistema PECVD. L'anidride carbonica (CO 2) e la dietilzinco (DEZn) sono stati utilizzati come precursori di ossigeno e zinco, rispettivamente. La struttura cristallina di film sottili ZnO è stato caratterizzato da diffrazione dei raggi X (figura 4), ​​indicando che il film sottile ZnO sintetizzato a 400 ° C con la più forte picco (0002) di diffrazione. Quando la temperatura sintetizzato innalzata fino a 500 ° C, il picco (0002) diffrazione divenne più debole accompagna con comparsa di (10-10) di picco di diffrazione. In particolare, tutti i picchi ZnO diffrazione spariranno quando la temperatura sintetizzata è fissata a 600 ° C. La in - situ OES è stato impiegato per monitorare la composizione chimica del plasma durante il processo sintetizzato ZnO (Figura 5). I risultati indicano che Zn, O 2 (figura 6A-E). La superficie omogenea e con una distribuzione piccola granulometria sono ottenuti 300 e 400 ° C. Le proprietà ottiche dei film sottili ZnO sono stati determinati mediante spettri PL (Figura 7). I risultati indicano che i film sottili ZnO sintetizzati a 300 e 400 ° C mostra una forte emissione NBE e con un'emissione DL trascurabile. Inoltre, gli spostamenti di emissione NBE a onde corte con aumento della temperatura da 300 a 600 o C. La misura trasmittanza indica che i film sottili ZnO sintetizzati a 200, 300 e 400 ° C hanno una buona trasparenza con una trasmittanza media visibile superiore all'80% (Figura 8A-B). È interessante notare che la trasmittanza declinato Dramatcamente quando le temperature sintetizzati sono stati aumentati fino a superiori a 500 ° C.

Le prestazioni di fotorivelatore UV combinata con ZnO film sottile e Pt elettrodo interdigitata è stata studiata. Dalle caratteristiche, la corrente del fotorivelatore era ovviamente migliorato sotto illuminazione luce, rispetto a quello in condizioni di oscurità (Figura 9). E 'stato inoltre osservato che la I - V curve sono simmetriche, che riflette un comportamento di contatto ohmico MSM tra il film sottile ZnO e l'elettrodo Pt. La foto-corrente risposta dipendente dal tempo del fotorivelatore è stata misurata con spegnendo e accendendo la luce UV (38 mW / cm 2) cinque volte al polarizzazione di 5V (Figura 10).

Figura 1
Figura 1. Schema di plasma maggiore chimica da fase vapore dSistema eposition. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2
Figura 2. Schema del fotorivelatore UV basato ZnO combinato con Pt elettrodo interdigitato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. Diagramma di flusso del processo litografico per Pt elettrodo interdigitato fabbricato sui film di ZnO sintetizzati su substrati di silicio. Lo stadio (A) utilizza la piastra calda per cuocere il film sottile come ZnO-sintetizzato a 150 o C per 10 minuti per rimuovere l'umidità superficiale. Passo (B) cappotti di spin la fotoresistente su ZnO film sottile. Lo stadio (C) morbido cuoce campione ZnO photoresist rivestite a 105 o C per 90 s per rimuovere l'eccesso di solvente photoresist. Step (D) espone la luce UV attraverso una fotomaschera per 2s. Step (E) utilizza lo sviluppatore per rimuovere il photoresist. Step (F) cuoce duro il campione a 120 ° C per 20 minuti per fare uno strato protettivo più resistente per preparare il prossimo magnetron sputtering RF. Step (G) utilizza il magnetron sputtering RF per depositare uno strato sottile Pt sul campione sviluppato. Step (H) utilizza l'acetone per decollo il campione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

_upload / 53097 / 53097fig4.jpg "/>
Figura 4. raggi X diffrazione per i film sottili ZnO sintetizzati a diverse temperature di sintesi variava tra 200 e 600 o C. raggi X è stata emessa dalla radiazione Cu K α (λ = 1,54 Å). L'angolo di scansione è stata impostata da 30 ° a 80 °, le dimensioni passo è stato 0.01 o e volta al passo è stato 0,15 sec. Il ZnO (0002) di picco di diffrazione si trova a 34.24 o, mentre il ZnO (10-10) di picco di diffrazione si trova a 31.59 o. I picchi di diffrazione altri provengono dai segnali substrato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5. - situ OES spettro per il plasma RF durante ZnO film sottile sintetizzato a 400 ° C. I dati è stata confermata dal riferimento 28. I segnali picchi situati a 449, 517 e 559 nm sono determinati come specie CO. I segnali picchi situati a 466, 471 e 482 nm sono determinati come specie Zn, e 634 nm è determinato come O 2 specie. I segnali complicati ubicata nella gamma tra 325 e 430 nm sono determinati come specie di decomposizione DEZn. Il tempo era monitorato 7 sec. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6. Aereo vista immagini SEM per i film sottili di ZnO sintetizzati a diverso tempera sintesi res, tra cui (A) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500, e (E) 600 ° C, rispettivamente. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7. RT PL spettri per i film sottili ZnO sintetizzati a diverse temperature di sintesi variava tra 200 e 600 ° C. La misura utilizzata PL 325 nm laser He-Cd inferiore al 100% di efficienza di potenza laser. Il tempo di esposizione era di 10 sec. Il campo di rilevamento è 325-750 nm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

ys "> Figura 8
Figura 8. Optical spettri di trasmittanza per i film sottili ZnO sintetizzati a diverse temperature di sintesi (A) Tipico spettri trasmittanza ottica misurata da 400 al 800 nm.; (B) valori medi di trasmittanza in funzione della temperatura di sintesi. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9
Figura 9. I -. Caratteristiche V del fabbricato ZnO film sottile fotorilevatore UV alla base della misura era sotto 325 nm illuminazione a luce UV con densità di potenza di 38 mW / cm 2 (curva rossa) e la condizione scuro (curva nera), e i testicoli erano a tensione di polarizzazione da -10 V a 10 V. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 10
Figura 10. Time-dipendente risposta fotocorrente per fotorivelatore UV basato ZnO film sottile. La misura è stata attuata oltre 5 volte girando l'accensione / spegnimento cerchi in polarizzazione 5 V alla luce UV (38 mW / cm 2), in cui entrambi volta -on e tempo di spegnimento della luce UV erano 10 sec. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Passaggi critici e modifiche

Nella fase 1, i substrati devono essere puliti e passi 1,3-1,5 seguire per fare in modo che non ci sia grasso o contaminazioni organiche ed inorganiche sui substrati. Qualsiasi grasso o contaminazioni organici e inorganici sulla superficie del substrato ridurrà significativamente l'adesione del film.

Fase 2 è la procedura più importante prima del processo di preparazione del film ZnO. DEZn è molto tossico e reagisce violentemente con l'acqua e facilmente infiamma al contatto con l'aria. DEZn deve essere attentamente iniettato nel cilindro di acciaio e poi pompato fino a 6 Torr immediatamente. Al punto 3, assicurarsi che ogni parametro sperimentale e passo è completato con precisione perché anche le impostazioni leggermente diverse porterà a risultati diversi.

Fase 4 deve essere effettuata in un laboratorio di litografia e una camera pulita per evitare l'illuminazione della luce UV e non-dUst-pollutionor effetti particelle inquinanti. Al punto 5, il potere della potenza di scarica in corrente continua deve essere sollevato lentamente; altrimenti l'obiettivo Pt sarà rotto. Nel passaggio 6, i campioni devono essere posti al centro della camera di RTA per garantire che il campione può essere riscaldata uniformemente.

Analisi dei dati

La temperatura sintetizzato è un parametro fondamentale per la sintesi di alta qualità c -axis ZnO film sottile perché i coefficienti di espansione termica e l'effetto ceppo di variazione termica di energia interfacciale tra i film sottili ZnO e il substrato di Si può influenzare in modo significativo l'orientamento cristallografica. Si può osservare chiaramente da spettri XRD (Figura 4). Il forte picco ZnO (0002) di diffrazione è stato ottenuto a 400 ° C, indicando che la temperatura è la temperatura ottimale per la sintesi sintetizzato c -axis ZnO film sottile sul substrato di Si con il metodo PECVD. Con un ulteriore aumentotemperatura sintetizzato fino a 500 ° C, con conseguente deterioramento della qualità di cristallo ZnO. Inoltre, il film sottile ZnO convertito in fase amorfa quando la temperatura sintetizzato stato impostato a 600 o C. Si può presumere che la temperatura sufficientemente elevata (cioè, 400 o C) può fornire energia sufficiente, migliorando la capacità delle molecole di trovare il sito stabile e conseguente film sottile ZnO con cristallo di alta qualità. Allo stesso tempo, i difetti più comuni, tra cui i posti vacanti, interstiziali, e lussazioni in ZnO sono anche ridotti. Tuttavia, il ZnO si decompone in molecole Zn e O 2 quando eccessiva temperatura elevata (ad esempio, 500 e 600 ° C) è stato impiegato 25. Inoltre, i differenti coefficienti di dilatazione termica tra ZnO (6.7 x 10 -6 K -1) 26 film sottile e Si (4,18 x 10 -6 K -1) 27 substrato a 900 K produrranno la str variazione termicaEffetto ain con energia interfacciale. I fenomeni sopra potrebbero deteriorare la qualità cristallina ZnO film sottile, con conseguente policristallino o fase amorfa.

Per il controllo della composizione chimica del plasma durante il processo ZnO sintetizzato, in - situ OES analisi spettrale del plasma RF è stata effettuata (Figura 5). Il risultato dell'analisi OES ha illustrato che i tre forti picchi di emissione Zn apparve intorno 475 nm e altri picchi di emissione distinti sono stati determinati come O 2 e CO 28 segnali. Inoltre, alcuni picchi di emissione complicate ubicata nella gamma tra 325 e 430 nm sono determinati come specie di decomposizione DEZn. Le informazioni benefico sopra indica che l'OES è uno strumento utile per in - situ monitoraggio della composizione chimica del plasma durante il processo di sintesi.

Le morfologie superficiali dei film sottili ZnO sono stati osservati FE-SEM <strong> (Figura 6A-E). Si può notare che la ZnO sintetizzato a 300 e 400 ° C mostra densamente ricco di granuli sferici e con una distribuzione piccola granulometria. Rispetto a tale condizione di sintesi, altri film sottili ZnO mostrano superficie disordinata e irregolare, che implica la policristallini o fase amorfa. Vale la pena notare che le immagini SEM sono in linea con i risultati XRD precedenti.

Le proprietà ottiche sono state determinate mediante RT spettro PL con 325 nm He-Cd laser. Dalla misura PL (Figura 7), tutti i film sottili ZnO mostrano un forte picco di emissione NBE situato a circa 375 nm, che è attribuito a ricombinazione di free-eccitoni attraverso un processo di collisione eccitone-eccitone 29. Contemporaneamente, le grandi DL picchi di emissione difetti legati situati a circa 575 nm sono ottenuti quando le temperature sintetizzati sono stati fissati a 200 e 500 o C. È anche scoperto che l'emissione NBE ha un blue-shifta lunghezze d'onda più corte con l'aumentare della temperatura sintetizzato. In generale, l'emissione DL si riferisce alle impurità e vari difetti strutturali nella fase ZnO come vacanza di ossigeno e zinco interstiziale 30, e la blueshift è dovuto alla forte deformazione anisotropa residua nel film sottile 31 ZnO. Pertanto, i risultati riflettono PL che la temperatura di sintesi può influenzare significativamente le proprietà ottiche dei film sottili ZnO. Tra tutti i campioni di ZnO, solo due campioni che sono stati sintetizzati in 300 e 400 ° C mostrano un picco di emissione dominato NBE ed emissione DL trascurabile che accompagna il picco di diffrazione (0002) XRD.

La trasparenza per tutti i film sottili ZnO sintetizzati sono stati misurati dallo spettro di trasmittanza (Figura 8A) e il valore medio di trasmittanza per ciascun campione è stato calcolato ZnO (Figura 8B). Il valore medio trasmittanza di campioni ZnO sintetizzato a 200, 300 unnd 400 o C nell'intera regione visibile è di circa 80%, ma i campioni sintetizzato a 500 e 600 ° C mostrano una relativamente bassa trasmittanza, soprattutto per il campione ZnO sintetizzato a 600 o C. La ragione per la trasmittanza ridotto di ZnO campione sintetizzato a temperatura superiore è ancora chiaro fino ad ora. Tuttavia, l'alta c -axis preferenziale ZnO orientamento con elevata trasparenza è stato ottenuto, che indica che il personaggio potrebbe essere utilizzato per i futuri dispositivi optoelettronici basati alta trasmittanza ZnO.

Poiché la fase ZnO può adsorbire molecole di ossigeno nell'ambiente generale e desorbire molecole di ossigeno sotto illuminazione UV, può essere utilizzato come fotorivelatore UV. Le molecole di ossigeno può essere assorbito da una superficie ZnO catturando elettroni liberi dalla banda di conduzione del ZnO [O 2 + e - → O 2 -], che produce uno strato impoverimento vicino alla superficie, portando a diminuire notevolmente laconducibilità del ZnO. Quando ZnO è illuminato da energia fotonica oltre band gap di ZnO (cioè, luce UV), saranno generati coppie elettrone-lacuna [h ʋ → e - + h +]. Questi vettori di coppie elettrone-lacuna si sposteranno verso la superficie e neutralizzare le molecole di ossigeno adsorbite [H + + O 2 - → O 2]. Le molecole di ossigeno neutralizzazione possono facilmente desorbire formare la superficie di ZnO, che rende l'aumento di conducibilità significativamente. Pertanto, secondo questa teoria, l'alta c -axis ZnO film sottile è stato usato come strato di rilevamento per fabbricare fotorivelatore UV. Le caratteristiche di rilevamento UV del fabbricato Pt / ZnO fotorivelatore sono stati studiati e confermati misurando la I - curva V con e senza illuminazione luce UV e risposta fotocorrente tempo-dipendente (Figura 9 e 10). Un evidente comportamento simmetrico potrebbe essere observed, indicando che il contatto ohmico alta qualità è stato raggiunto all'interfaccia Pt / ZnO dopo la post-ricotto in argon a 450 ° C da RTA. Secondo le misurati I - curve V, la corrente di buio è di circa 0,36 mA e la foto-corrente è di circa 4,3 mA a 5 V, che indica la differenza tra la corrente UV illuminata e stato scuro. Poiché le prestazioni del fotorivelatore UV è critica dipendente dai tempi di risposta e di recupero, la risposta foto-corrente in funzione del tempo è stato attuato. Il tempo di risposta è di solito definito come il tempo di avvicinarsi 90% del foto-corrente massima, e il tempo di recupero è il tempo di decadimento al 10% del foto-corrente massima. Dalla misura risposta foto-corrente dipendente dal tempo, la risposta e tempo di recupero sono circa 3 e 9 s, rispettivamente. Inoltre, la luce UV è stato acceso e spento cinque volte per testare l'affidabilità. Secondo suddette misurazioni, il fotorivelatore UV basato ZnO mostra una veloceresponsività ed alta affidabilità, che potrebbe essere utilizzato nel potenziale di sviluppo per applicazione commerciale fotorivelatore UV.

In sintesi, questo studio fornisce un metodo per sintetizzare alta c -axis orientamento preferenziale ZnO film sottile su substrati di Si da PECVD con un bel controllo della temperatura sintetizzato. Il c ottimale -axis ZnO film sottile è stato sintetizzato a 400 ° C che mostra una caratteristica competitiva e funzionale in termini di struttura cristallina, proprietà ottica, e la trasparenza alla luce visibile. Il rivelatore fotoelettrico UV ZnO basato combinato con Pt elettrodo interdigitata con contatto ohmico presenta una responsività veloce e di alta affidabilità alla luce UV (38 mW cm -2) alla polarizzazione di 5 V. Questo lavoro potrebbe essere presente una direzione valida e l'applicazione sia nella ricerca e l'industria.

Potenziali Vantaggi e svantaggi del Tecnica PECVD

Plasma maggiore chemdeposizione di vapore ical (PECVD) è una tecnica utile che è stato impiegato per sintetizzare film sottili da fase vapore a stato solido sui substrati. Il plasma è generalmente originato da alimentazione DC o RF tra l'elettrodo soffione normalmente usato come top elettrodo e fase del campione di solito usato come elettrodo inferiore, rispettivamente. Lo spazio tra i due elettrodi è riempito con le reazioni chimiche di gas reagenti. L'orientamento di cristallo e composizione del campione dipendono dalla condizione di sintesi e il rapporto di precursori reagenti. Per esempio, il DEZn e CO 2 come precursori sono stati usati per fornire fonti di zinco e ossigeno per sintetizzare ZnO film sottile rispettivamente. Ovviamente, il plasma è una caratteristica principale di questa tecnica. Attraverso il plasma assistenza rafforzata, atomi o molecole reagenti ionizzati che diffondono efficacemente alla superficie del substrato, e quindi facilmente reagiscono con gli atomi o le molecole ionizzate vicini per formare alta configuratio denson pellicola sottile. Di conseguenza, tutti i campioni possono essere esposti a bombardamento ionico energetico durante il processo di sintesi.

Poiché la reazione plasma viene consecutivamente che si verificano durante il processo di sintesi, i principali vantaggi della tecnica PECVD includono: (a) la temperatura di sintesi più bassa, quasi tutti i campioni possono essere sintetizzati a bassa temperatura (da 100 al 450 o C), (b) alto condizione proporzioni è disponibile (se l'uso del plasma ad alta densità), (c) alta velocità di deposizione, (d) RF doccia alimentata con la consegna del gas ottimizzata, offre lavorazione del plasma uniforme, (e) buona sottile uniformità superficie della pellicola, e (f) chimica Struttura composizione può essere controllata con precisione.

Tuttavia, la tecnica PECVD coinvolge reazione chimica e alta densità di plasma bombardamenti, e presenta alcuni limiti ed inconvenienti. L'intero processo produrrà un gran numero di inquinanti chimici e particolato, richiesto trattamento accurato e appropriato. Altogas puri sono necessarie in questa tecnica, la limitazione di un precursore specifico come DEZn che possono essere elaborati in soluzione. Se la sorgente non ha la capacità di sciogliere in qualche solvente per preparare precursore volatile, il gas di trasporto non eroga il gas reagente nella camera di fare sintesi. Inoltre, anche se ad alta densità del plasma bombardamento può migliorare l'uniformità e la qualità del film sottile, viene creato alta tensione residua con conseguente rottura del film sottile. Inoltre, questa tecnica ha bisogno di un sistema di alimentazione elettrica supplementare CC o RF che porta a un po 'più di costo rispetto ai tradizionali deposizione di vapore chimico (CVD).

Direzioni future e Applicazioni

Molti parametri di processo quali la pressione di lavoro, composizione del gas, portata del gas, potenza RF, reagente precursore e altri sono tutti interdipendenti per sintetizzare film sottili nella tecnica PECVD. Solo la variazione di temperatura di sintesi è stato studiato inquesto presentato la ricerca. C'è ancora un sacco di lavoro che richiede ulteriori indagini per le limitazioni e le capacità di questa tecnica. Ad esempio, la composizione del gas potrebbe variare la stechiometria di film sottili e pressione di lavoro potrebbe influenzare il libero cammino medio dei gas ionizzati, che produrrà diverse configurazione film sottile. Pertanto, il lavoro futuro sarà necessario per l'ulteriore comprensione come manipolare la qualità di cristallo o attraverso i parametri sopra menzionati.

La tecnica PECVD è stato ampiamente utilizzato nella produzione della sintesi di film sottili sui semiconduttori che di solito richiede bassa temperatura di processo. Il metodo PECVD è stato consentito e utilizzato per sintetizzare film sottile su substrati polimerici, che può anche essere impiegati in dispositivi flessibili applicazione. Oltre all'applicazione bassa temperatura, abbiamo già fabbricato non polare film sottile ZnO aumentando la temperatura di sintesi, che potrebbe essere utilizzato in high-efficienza Light-Emitting Diode (LED) o la tecnologia dei sensori ambientali.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente della dal Ministero della Scienza e della Tecnologia e il National Science Council di Repubblica di Cina (nn contratto. NSC 101-2221-E-027-042 e 101-2622 NSC-E-027-003-CC2). DH Wei grazie alla nazionale di Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) per il Dr. Shechtman Premio 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

Ingegneria Numero 104 ZnO film sottile, potenziato a plasma deposizione di vapore chimico dietilzinco (DEZn) sensore Pt elettrodo interdigitata contatto ohmico fotorivelatore UV
Sintesi e caratterizzazione di alta c-asse ZnO film sottile da potenziato a plasma Chemical Vapor Deposition del sistema e la sua applicazione Rilevatori UV
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