Abstract
본 연구에서는 높은 C시킴으로써 행한다 (0002) 우선 배향과 산화 아연 (ZnO)을 박막을 성공적으로 그리고 효과적으로 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD) 시스템을 사용하여 다른 합성 온도로 실리콘 (Si) 기판 상에 합성되어왔다. 다른 합성 된 결정 구조에 온도, 표면 모폴로지와 광학적 특성의 영향이 조사되었다. X 선 회절 (XRD) 패턴 (0002)의 회절 피크의 강도가 400까지 증가 O C. 합성 온도 강해져 지적 (0002) 피크의 회절 강도는 점차적으로 약하게 400 O C. 초과까지 합성 온도 (10-10) 회절 피크의 출현과 함께 수반 된 RT의 광 발광 (PL) 스펙트럼 방출은 약 375 nm 내지 약 575 nm의 싶게에 위치한 무시할 깊은 수준 (DL) 방출에서 관찰 강한 가까운 밴드 에지 (NBE)을 전시어 높은 C가 된 ZnO를 박막을 이동시킴으로써 행한다. 전계 방출 주사 전자 현미경 (FE-SEM) 화상이 균일 한 표면 및 작은 입자 크기 분포를 보여. ZnO의 박막은 투과율을 측정하기위한 동일한 파라미터 하에서 유리 기판 상에 합성되어왔다.
자외선 (UV) 검출기 애플리케이션의 목적을 위해, 깍지 Pt로 박막 (두께 ~ 100 나노 미터)는 종래의 광학 리소그래피 공정 및 무선 주파수 (RF) 마그네트론 스퍼터링 법을 통해 제조. 옴 접촉을 달성하기 위해, 장치는 10 분 동안 급속 열처리 (RTA) 시스템에 의해 450 ℃로 아르곤 환경에서 어닐링 하였다. 체계적인 측정 한 후, 전류 - 전압 (I는 - V) 사진 및 암전류와 시간 의존 광전류 응답 결과 곡선은 높은 C는 ZnO의 박막이 적합 감지 층시킴으로써 행한다 것을 나타내는, 양호한 응답 성 및 안정성을 나타내자외선 광 검출기 응용 프로그램.
Introduction
ZnO의 인해 이러한 RT 큰 여기자 높은 화학적 안정성, 저비용, 비 독성, 광학 펌핑 낮은 전력 임계 넓은 직접 밴드 갭 (3.37 eV의)와 같은 고유 특성에 유망한 와이드 밴드 갭 작용 성 반도체 물질 인 ~ 60 meV 인 1-2의 결합 에너지. 최근, ZnO를 박막은 투명 전도성 산화물 (TCO) 필름, 청색 발광 소자, 전계 효과 트랜지스터, 및 가스 센서 3-6 포함한 많은 응용 분야에서 사용되어왔다. 한편, ZnO의 인듐과 주석이 희귀하고 고가 인 때문에 인듐 주석 산화물 (ITO)을 대체 할 후보 물질이다. 또한, ZnO의 가시 파장 영역과 ITO 막 7-8에 비해 낮은 저항성에서 높은 광 투과율을 가지고있다. 따라서,의 ZnO의 제조, 특성 및 응용 프로그램이 광범위하게보고되고있다. 이 본 연구는 간단한에 의해 높은 C시킴으로써 행한다 (0002)의 ZnO 박막의 합성에 초점을 맞추고효과적인 방법 및 UV 광 검출기를 향해 그 실제 응용 d를.
최근의 연구 결과보고는 고품질의 ZnO 박막은 예컨대 졸 겔법, 무선 주파수 마그네트론 스퍼터링, 금속 유기 화학 기상 증착 (MOCVD) 등 9-14에서와 같은 다양한 기술에 의해 합성 될 수 있다는 것을 나타낸다. 각 기술의 장점과 단점을 갖는다. 예를 들어, 스퍼터 성막의 주요 장점은 매우 높은 융점과 그 대상 재료 여유롭게 기판 상에 스퍼터링되는 것이다. 대조적으로, 스퍼터링 법은 막 구조화 리프트 오프와 결합하는 것이 어렵다. 우리의 연구에서, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD) 시스템은 높은 품질의 C를 합성 된 ZnO 박막을 사용 하였다시킴으로써 행한다. 플라즈마 충돌은 얇은 막 밀도를 증가시키고, 이온 분해 반응 속도를 향상시킬 수있다 (15)의 합성 과정에 중요한 요소이다. 에또한, 높은 성장 속도와 대 면적의 균일 한 증착은 PECVD 법에 대한 다른 독특한 이점이다.
합성 기술을 제외하고, 기판 상에 양호한 접착 성이 고려되는 또 다른 문제이다. 사파이어의 ZnO와 같은 육방 격자 구조를 가지고 있기 때문에 많은 연구에서 C -plane 사파이어 널리 ZnO의 박막을 이동시킴으로써 행한다 높은 C를 합성하는 기질로서 사용되어왔다. 그러나, ZnO를는 거친 표면 형태 및 면내 방향 (16)으로 배향 된 ZnO 및 C -plane 사파이어 (18 %) 사이의 큰 격자 부적응으로 인한 높은 잔류 (결함 관련) 캐리어 농도를 나타내는 사파이어 기판 상에 합성 하였다. 사파이어 기판과 비교하여, Si 웨이퍼는 산화 아연 합성을위한 또 다른 널리 사용되는 기판이다. 실리콘 웨이퍼는 반도체 산업에 광범위하게 사용되어왔다; 따라서, 실리콘 기판에 고품질의 ZnO 박막의 성장은 neces 매우 중요하다세리. 불행히도, 및 Si와 ZnO의 결정 구조와 열팽창 계수가 결정 품질의 열화로 이어지는 분명히 다르다. 지난 10 년간 많은 노력의 ZnO 버퍼층 (17), 각종 가스 분위기 (18)에서 소둔하고, Si 기판 표면 (19)의 패시베이션을 포함하는 다양한 방법을 사용하여 실리콘 기판 상에 ZnO의 박막의 품질을 향상시키기 위해 이루어지고있다. 본 연구는 성공적으로 높은 C는 임의의 버퍼층 또는 전처리없이 실리콘 기판 상에 ZnO의 박막을 이동시킴으로써 행한다 합성하는 간단하고 효과적인 방법을 제공했다. 실험 결과는 최적의 성장 온도 하에서 합성 된 ZnO 박막 좋은 결정 및 광학 특성을 나타내었다 것으로 나타났다. 결정 구조, RF 플라즈마 조성, 표면 형태 및 된 ZnO 박막의 광학적 특성은 X 선 회절 (XRD), 광 방출 분광법 (OES), 전계 발광에 의해 조사 하였다 SC각각 Anning에 전자 현미경 (FE-SEM), 및 RT의 광 발광 (PL) 스펙트럼. 또한, ZnO의 박막의 투과율을 확인하고 또한보고되었다.
같은 합성 된 ZnO 박막은 자외선 광 검출기 응용 프로그램에 대한 감지 층이 또한 본 연구에서 조사되었다 역임했다. 자외선 광 검출기는 자외선 모니터링에 큰 잠재적 인 응용, 광 스위치, 불꽃 경보, 미사일 온난화 시스템 20-21있다. 이러한 오믹 접촉과 쇼트 키 콘택을 포함하여 양의 극한 음극 (PIN) 모드 및 금속 - 반도체 - 금속 (MSM) 구조로 수행 된 광 검출기의 많은 유형이있다. 각 유형은 자신의 장점과 단점이 있습니다. 현재, MSM 광 검출기 구조로 인해 반응성, 신뢰성, 대응 및 복구 시간을 22 ~ 24에서의 뛰어난 성능에 집중 관심을 받고있다. 여기 제시된 결과들은 MSM 오믹 접촉 모드가 채용되었다는 것을 보여 주었다의 ZnO 박막을 기반으로 자외선 광 검출기를 제조한다. 이러한 광 검출기의 종류는 일반적으로 높은 C는 ZnO의 박막을 UV 광 검출기에 대한 적절한 감지 층시킴으로써 행한다 것을 나타내는, 양호한 응답 성 및 안정성을 보여준다.
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Protocol
1. 기판 준비 및 청소
- 시 (100) 웨이퍼에서 10mm X 10mm의 실리콘 기판을 잘라.
- 10mm X 10mm의 유리 기판을 잘라.
- 15 분 동안 이소프로판올를 10 분 동안 10 분, 알코올, 아세톤과 실리콘 기판과 유리를 청소, 초음파 세정기를 사용.
- 탈 이온수 (DI) 물로 3 회 기판을 씻어.
- - 불어 건조 질소 총을 가진 기판을.
2. DEZn 준비 및 보존
주 : 디 에틸 또한 DEZn 호출 (C 2 H 5) 2 Zn으로하면, 두 에틸기에 결합 아연 중심 이루어진 고도로 발화성 유기 아연 화합물이다. DEZn를 사용하면 혼자 작업하지 마십시오. DEZn 매우 독성 산소와 물에 민감, 물 근처 DEZn를 배치하지 않도록주의. 항상 보호 마스크와 보안경을 착용; 모든 절차는 후드에서 수행해야합니다. 가장 중요한 것은, 사용되지 않는 DEZn는 ㄴ합니다전자는 5 O를 C 환경에 저장된다.
참고 : DEZn의 첫 번째 사용을 위해, 2 단계 그렇지 않은 경우에 따라 3 단계에서 실험을 시작합니다.
- 병에서 30 ML의 DEZn를 끌어 후 강철 실린더에 넣은 비커에 주입하는 주사기를 사용합니다.
- 반응 챔버와 강철 실린더를 연결하는 아연 도금 강철 파이프를 사용한다.
- (6 토르) 진공 환경에서 철강 실린더를 펌프 기계 펌프와 볼 밸브를 사용합니다.
주 : DEZn 심각 산소와 반응하여,이를 진공 환경에서 유지되어야한다. - 5 O를 C 환경에서 사용되지 않는 DEZn를 저장합니다.
3. PECVD 챔버 및 준비 된 ZnO 박막의 합성
주 : 플라즈마 강화 화학 기상 증착의 개략도가도 1에 도시된다.
- 30mm에서 샤워 전극 및 샘플 단계 사이의 작동 거리를 설정합니다. <DEZn 입구에서 3cm 거리가있는 곳 리> 적절한 위치에 반응 챔버의 샘플 무대에 기판을 놓습니다.
- 로터리 펌프를 열고 서서히 게이트 밸브, 버터 플라이 밸브를 엽니 다.
- 반응기 챔버의 배경 압력이 30 mTorr로보다 낮은 때까지 기다립니다.
- 로터리 펌프에 연결하는 게이트 밸브, 버터 플라이 밸브를 닫습니다.
- 이어서 3 X 10-6 토르의 고진공에 도달하는 터보 펌프와 상대 게이트 밸브를 연다.
- 필요한 진공 상태에 도달 한 후, 상기 열 제어기를 열고 합성 온도로 샘플을 가열 스테이지 (200, 300, 400, 500, 및 다른 실험 파라미터 O 600 C).
- 온도와 압력이 필요 조건에 도달하면, 터보 펌프를 닫고 동시에 로터리 펌프에 연결되는 게이트 밸브 및 버터 플라이 밸브를 연다.
- 이어서, 가스 도입 밸브를 열어 아르곤 g를 켜동시에 유량 제어기 등.
- 챔버 내로 아르곤 가스 (0.167 ㎖ / 초)를 흐른다.
- 500 mTorr로에 챔버 압력을 설정합니다.
- RF (13.56 메가 헤르츠) 발생기와 매칭 네트워크를 켠 후, 샘플을 15 분 동안 표면 퍼지 100 W의 RF 전력을 설정합니다.
- 샘플 퍼지 종료 후, 70 W.까지 RF 전력을 켜
- 다음에, 이산화탄소 가스 컨트롤러와 가스 입구 밸브를 켜.
- 챔버 내에 이산화탄소 (0.5 ㎖ / 초)를 흐른다.
- 6 토르의 작동 압력을 설정합니다.
- 챔버 압력은 6 토르에 도달 한 후, 동시에 DEZn 연결된 챔버 개방 볼 밸브로 (DEZn)을 디 에틸 행하는 캐리어 가스로서 고순도 아르곤 (0.167 ㎖ / 초)를 흐른다. 동시에, ZnO의 필름의 합성을 시작한다.
- 5 분 동안의 ZnO 막의 플라즈마 합성을 계속한다.
- 산화 아연 박막을 합성 한 후, 순차로이 RF 발생기, 볼 밸브, 열 콘을 해제콘트롤러와 가스 입구 밸브와 함께 가스 유량 제어기의 모든.
- 샘플 단계의 온도가 실온까지 냉각 될 때 샘플을 가져 가라. 주 : 냉각 속도가 약 1.8 O C / 분이다.
합성 된 상태의 ZnO 박막 상에 맞물린 형상 패턴의 제조 4.
주 : 리소그래피 공정의 개략도가도 3에 도시되어있다.
- 10 분 동안 150 ℃로 합성 된 ZnO의 샘플을 굽는 핫 플레이트를 사용합니다.
- 스핀 코터에 샘플을 놓고, 다음의 ZnO 샘플 상에 100 μL와 포토 레지스트의 액체 용액 (S1813)를 분배.
- 10 초 동안 800 rpm에서 스핀 코터를 실행 한 후 균일 한 박막을 생산하기 위해 30 초 동안 3,000 rpm으로 가속화 할 수 있습니다.
- 부드러운 빵을 90 초 동안 105 ℃로 포토 레지스트 코팅 된 ZnO 샘플.
- 소프트 베이크 한 후, 포토 레지스트 - 코팅 된 샘플을 덮지 노출하는 UV 광을 사용하여마스크 얼 라이너에 의해 포토 마스크를 GH. 노출 시간은 2 초이며, 전력은 400 (W)이다
주 :. 포토 마스크의 패턴 인 폭 0.03 mm 길이 4mm (14쌍) 및도 2에 도시 된 바와 같이 0.15 mm의 전극 간 간격을 갖는, 물리는 형상으로 설계은 주목할 가치가 그 총 감광 지역은 검출기 84.32 mm의 2입니다. - 노광 과정을 거친 후, 핀셋은 시료를 클립하고, 그 후 희석하여 현상액에 담가 35 (S)가 개발 한 샘플을 수득하는 좌우로 요동 동작을 통해 (현상 제의 50 ㎖ 및 탈 이온수 150 ㎖를 혼합).
- 질소 가스로 개발 된 탈 이온수 샘플과 건조를 씻어.
- 그대로 패턴을 확인하기 위해 광학 현미경을 사용합니다. 그렇지 않은 경우, 포토 레지스트를 제거하는 아세톤을 사용하여 완벽한 패턴을 얻을 때까지 반복 4.7 4.2 단계를 반복합니다.
- 하드 20 분 동안 120 ℃로 샘플을 굽는다.
- 화학적 리프트 오프 절차를 진행하기 전에 샘플 개발의 위에 도전성 박막의 Pt 층 (100 nm의)을 증착하기 위해 RF 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용한다.
- 13mm에서 타겟과 기판 사이의 거리를 설정합니다.
- 5 mTorr로의 거친 진공에 도달하기 위해 기계 펌프를 사용합니다.
- 다음으로, 7 × 10-7 Torr의 고진공을 얻기 위해 터보 펌프를 사용한다.
- 챔버는 높은 진공에 도달 할 때까지 잠깐, 터보 펌프를 닫고 이후 기계식 펌프를 엽니 다.
- 100 mTorr 이하의 작동 압력에 도달 할 때까지 챔버 압력 매스 플로우 콘트롤러에 의해 챔버에 0.3 ㎖ / sec의 아르곤 가스 유량.
- 직류 (DC)를 켜고 전원을 방전하고 25 분 동안 샘플에 백금 박막 전극을 스퍼터링 15 W에서 DC 전력을 설정.
- 백금 전극층 마그네트론 sputt 의해 증착 된 후에방법 거릴, 챔버에서 샘플을 가져 가라.
- 포토 레지스트를 제거하기 위해 초음파 세정기로 화학적 리프트 오프 프로세스에 대한 아세톤에 액체 시료를 담그.
- 철저 된 ZnO 박막에 깍지 같은 백금 전극을 포토 레지스트를 제거하고 얻기 위해 1 분에 청소 시간을 설정합니다.
6. RTA 처리
- RTA 시스템에로 제작 된 백금 / ZnO의 샘플을 놓습니다.
- 20 mTorr로에 RTA 챔버 압력을 펌프 기계 펌프와 게이트 밸브를 사용합니다.
- 챔버 압력은 20 mTorr 이하에 도달 할 때까지 챔버에 0.3 ㎖ / sec로 아르곤 가스 흐름 5 토르의 작동 압력을 설정 기다려.
- 다음에, 100의 C O / 분으로서 가열 속도를 설정한다.
- 그 후, 10 분 동안 450 ℃로 샘플을 어닐링.
- 어닐링 후, 샘플을 실온으로 냉각 될 때까지, 다음 샘플을 꺼내 기다립니다.
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Representative Results
ZnO의 (0002) (C)와 높은 박막을 성공적으로 PECVD 시스템을 이용하여 실리콘 기판 상에 바람직한 방향을 합성 한 이동시킴으로써 행한다. 이산화탄소 (CO 2)와 디 에틸 아연 (DEZn)는 각각 산소와 아연 전구체로 사용 하였다. 된 ZnO 박막의 결정 구조의 ZnO 박막은 강한 (0002)의 회절 피크와 400 ℃로 합성 한 것을 나타내는, X 선 회절 (도 4)에 의해 특성화되었다. 합성 온도가 500 O C까지 증가 할 때 (0002) 회절 피크 (10-10) 회절 피크의 모양과 동반 약한되었다. 특히, ZnO의 모든 회절 피크는 합성 온도 C. O를 600으로 설정 될 때 사라진다 는로 - 시튜 OES는 ZnO를 합성 프로세스 (도 5) 중 플라즈마 화학 성분을 모니터링하는데 이용되었다. 결과를 나타냅니다 그 아연, O (2) (도 6A-E)와 상이한 표면 모폴로지를 보여줄 것을 알 수있다. 작은 입자 직경 분포를 갖는 균일 한 표면과는 C. O를 300 및 400에서 수득 된 된 ZnO 박막의 광학적 특성을 PL 스펙트럼 (도 7)에 의해 결정 하였다. 결과의 ZnO 박막 NBE 강한 발광을 나타내는 300 내지 400 ℃로하고 무시할 DL 방출 합성 것을 나타낸다. 또한, C. O 600 300에서의 온도가 증가함에 따라 짧은 파장 NBE 방출 교대 투과도 측정은 200, 300 및 400 ℃로 합성 된 ZnO 박막의 평균 가시 투과율이 80 % 이상 (도 8A-B)와 투명성을 가지고 있음을 나타낸다. 흥미롭게도, 투과율은 dramat 감소합성 온도는 500 O C의 초과까지 증가했다 ically 때
ZnO의 박막 및 Pt 맞물린 전극과 결합 UV 광 검출기의 성능이 연구되어왔다. 특성으로부터, 광 검출기의 전류 분명히 그 어두운 조건에서 (도 9)와 비교하여, 광 조사 하에서 강화 하였다. 또한 I 것을 관찰 하였다 - V 곡선은 대칭, ZnO의 박막과 백금 전극 사이 MSM 오믹 접촉 거동을 반영. 광 검출기의 시간에 따른 광 응답 전류가 스위치 오프 및 UV 광 (38 mW의 / cm 2)의 5V에서 바이어스 다섯 배 (도 10)를 온으로 측정 하였다.
플라즈마 강화 화학 기상 D도 1의 개략도eposition 시스템. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 백금 맞물린 전극과 결합 된 ZnO 계 자외선 광 검출기의 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
실리콘 기판 상에 합성 된 ZnO 막 상에 제조 된 전극의 Pt 맞물린 리소그래피 공정도 3의 흐름도. 단계 (A)는 150 O C에서 합성 된 ZnO의 박막을 구워 핫 플레이트를 사용하여 10 분 동안 표면의 수분을 제거합니다. 단계 (B) 스핀 코팅 된 ZnO 박막 상에 포토 레지스트. 90 초과의 포토 레지스트 용매를 제거하기 위해 소프트 단계 (C)는 105 ℃로, 포토 레지스트 - 코팅 된 ZnO 샘플을 굽는다. 단계 (D)는 2S 용 포토 마스크를 통해 UV 광에 노출. 공정 (E)은 포토 레지스트를 제거하기 위해 현상 제를 사용한다. 단계 (F)는 경질 다음 RF 마그네트론 스퍼터링 제조 내구성 보호 층을 만들기 위해 20 분 동안 120 ℃로 샘플을 굽는다. 단계 (G)의 개발에 박막 샘플의 Pt 층을 증착하기 위해 RF 마그네트론 스퍼터링 법을 사용한다. 단계 (H)는 리프트 오프에 샘플을 아세톤을 사용합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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다른 합성 온도에서 합성 된 ZnO 박막의도 4에 대한 X 선 회절 패턴은 (200)에서의 Cu의 K α 방사선 (λ = 1.54 Å)에 의해 방사 된 600 C. O X 선였다. 주사 각도가 80 O O 30에서 설정하고, 스텝 사이즈는 0.01이었다 O 및 단계 당 시간은 0.15 초였다. 산화 아연 (10-10) 회절 피크가 31.59 O에있는 반면 된 ZnO (0002) 회절 피크는 34.24 O에 있습니다. 다른 사람의 회절 피크가 기판 신호에서 온다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5.
다른 합성 temperatu에서 합성 된 ZnO 박막 그림 6. 평면 뷰 SEM 이미지 (A) (200) (B) (300) (C) 400 (D) (500), 및 (E) 600 O C를 포함 입술, 각각. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
다른 합성 온도에서 합성 된 ZnO 박막 그림 7. RT PL 스펙트럼 측정을 100 % 레이저 전력 효율하에 그는 카드뮴 325 nm의 레이저를 사용하여 200 내지 600 O C. PL였다. 노출 시간은 10 초였다. 검출 범위는 325 nm의 750에서였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
다른 합성 온도에서 합성 된 ZnO 박막에 대한 그림 8. 광 투과율 스펙트럼 (A) 400 800 nm의 측정 일반적인 광 투과율 스펙트럼.; (나) 평균 투과율 값은 합성 온도의 함수로. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9. -. 제작 된 ZnO 박막을 기반으로 자외선 광 검출기의 V 특성 측정 (전력 38 mW의 / ㎠ (빨간색 곡선)의 밀도와 어두운 조건으로 325 nm의 자외선 조명 아래에 있었다검정 곡선), 및 고환은 10 V -10 V에서 바이어스 전압에 있었던 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림의 ZnO 박막을 기반으로 자외선 광 검출기 10. 시간에 따른 광전류 응답. 측정은, 5 회는 자외선 (38 mW의 / ㎠)에서 5 V의 바이어스에서 온 / 오프 원에 전환 회전을 통해 구현 된 두 차례 자외선 - 온 및 턴 오프 시간은 10 초였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
중요한 단계 및 수정
1 단계에서 기판을 철저하게 청소하고 1.3 기판에는 기름이나 유기 및 무기 오염이 없다는 것을 확인하기 위해 다음 1.5 단계를해야합니다. 기판 표면상의 그리스 또는 유기 및 무기 오염은 상당히 막의 접착을 감소시킬 것이다.
단계 2의 ZnO 막 제조 공정 전에 가장 중요한 절차이다. DEZn은 매우 독성과 격렬하게 물과 반응하여 쉽게 공기와 접촉시 발화. DEZn 매우 신중 철강 실린더에 주입 한 후 즉시 6 토르까지 펌핑해야합니다. 3 단계에서, 심지어는 약간 다른 설정이 다른 결과로 이어질 것이기 때문에 각각의 실험 매개 변수 및 단계를 정확하게 완료되어 있는지 확인합니다.
단계 4는 리소그래피 실험실 비 UV 광 조명 및 D를 피하기 위해 클린 룸에서 수행되어야우스 pollutionor 입자 오염 효과. 단계 5에서, DC 방전 전원의 전력을 서서히 상승한다; 그렇지 않으면 백금 대상이 깨진 것입니다. 6 단계에서, 샘플은 샘플을 균일하게 가열 할 수 있도록 RTA 챔버의 중앙에 배치한다.
데이터 분석
합성 온도는 고품질의 (C)를 합성하기위한 중요한 파라미터이다 열팽창 계수와의 ZnO 박막과 Si 기판 사이의 계면 에너지와 열 부정합 변형 효과가 크게 결정 방위에 영향을 미칠 수 있기 때문에, ZnO의 박막을 이동시킴으로써 행한다. 명확 XRD 패턴 (도 4)에서 관찰 될 수있다. 최강의 ZnO (0002) 회절 피크 온도는 PECVD 법에 의해 Si 기판 상에 C시킴으로써 행한다 된 ZnO 박막을 합성하기위한 최적의 합성 온도 인 것을 나타내는, 400 ℃로 얻었다. 더 증가ZnO의 결정 품질의 열화로 이어지는 500 O C까지의 합성 온도에서. 합성 온도는 600 C. O로했을 때, 또한, ZnO의 박막은 비정질로 변환 이는 충분히 높은 온도 (즉, 400의 C O)가 안정된 위치를 찾을 수있는 분자의 능력을 향상 및 높은 결정 품질을 가진 산화 아연 박막의 결과, 충분한 에너지를 제공 할 수 있다고 가정 할 수있다. 동시에, ZnO의에서 남아 있음, 삽입 광고 및 전위를 포함하여 일반적인 결함도 감소된다. 과도하게 높은 온도 (즉, 500 및 600 O C가) (25)를 사용 하였다 그러나, 산화 아연은 아연과 O 2 분자로 분해됩니다. 또한, ZnO의 (6.7 X 10-6 K-1) (26) 및 Si 박막 사이의 상이한 열팽창 계수 (4.18 × 10 -6 K -1) 900 K에서의 기판 (27)의 열 부정합을 수득한다 STR계면 에너지와 아인 효과. 상기 현상은 다결정 또는 비정질 초래 된 ZnO 박막의 결정 품질을 저하 할 수있다.
ZnO의 합성 과정에서 플라즈마 화학 조성물을 모니터링하기 위해,에서 - RF 플라즈마 시츄 OES 스펙트럼 분석 (도 5)를 수행 하였다. OES 분석 결과는 다음 3 가지 강력한 아연 방출 피크가 약 475 nm의 등장과 다른 별개의 방출 피크는 O 2와 CO 신호 (28)로 결정되었다는 것을 보여줍니다. 또한, 325 및 430 nm의 사이의 범위에있는 일부 복잡한 발광 피크 DEZn 분해 종으로서 결정된다. 합성 과정에서 플라즈마 화학 성분의 현장 모니터링 - 위의 유익한 정보는 OES는에 유용한 도구임을 나타냅니다.
된 ZnO 박막의 표면 모폴로지는 FE-SEM <의해 관찰강한> (그림 6A-E). 이것은 ZnO의 치밀 구형 입자와 작은 입자 크기 분포를 충전 (300) 및 (400)의 C O 쇼에서 합성 된 것을 알 수있다. 그 합성 조건과 비교했을 때, 다른 ZnO의 박막은 다 결정질 또는 비정질 위상을 암시 무질서한 불규칙한 표면을 나타낸다. 이 SEM 화상이 이전 XRD 결과와 일관성이 있는지 주목할 가치가있다.
광학 특성은 325 nm의 HE-카드뮴 레이저 RT PL 스펙트럼에 의해 결정했다. PL 측정 (그림 7)에서, 모두의 ZnO 박막 여기자-여기자 충돌 과정 (29)을 통해 자유 엑시톤의 재결합에 기인 약 375 나노 미터에 위치하고 강한 NBE 방출 피크를 보여줍니다. 합성 온도는 C. O를 200로 설정하고 500 때 동시에, 약 575 nm에서 위치한 광범위한 결함 관련 DL 방출 피크가 얻어진다 또한 NBE 방출 블루 변화를 가지고있는 것을 알 수있다온도 증가와 함께 합성 단파장이다. 일반적으로, DL 방출은 산소 공공 (oxygen vacancy)과 아연 간질 30 ZnO의 단계에서 불순물 및 다양한 구조적 결함 지칭되고, 청색 편이 의한 ZnO의 박막 (31)에 강한 잔여 이방성 균주이다. 따라서, PL 결과 합성 온도가 크게 된 ZnO 박막의 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있다는 것을 반영한다. 모든 샘플의 ZnO 중에서, 300 및 400을 합성 하였다 O가 높은 (0002) XRD 회절 피크를 동반 지배 NBE 발광 피크 무시할 DL 발광 표시 C 개의 샘플 만.
모든 합성 된 ZnO 박막의 투명도는 투과 스펙트럼 (도 8a) 및 계산 된 ZnO의 각 샘플의 평균 투과율 값 (도 8b)에 의해 측정 하였다. ZnO의 샘플의 평균 투과율 값은 200에서 300을 합성ND 전체 가시 영역 (400)에서 출력 된 C는 약 80 %이지만, 샘플 (500)에서 합성되고, 특히 600 O O 600 ℃에서 합성 된 ZnO 샘플을 위해, 상대적으로 낮은 투과율을 보여 C 높은 온도에서 합성 된 ZnO 샘플의 투과율 감소에 대한 이유는 지금까지 아직 불분명하다. 그러나, 높은 C는 투명성이 높은 우선 배향 된 ZnO는 캐릭터가 미래 고 투과율 ZnO 계 광전자 장치에 사용될 수 있음을 나타내는, 수득 된시킴으로써 행한다.
ZnO의 위상은 일반적인 환경에서 산소 분자를 흡착하고 UV 조명 하에서 산소 분자를 탈착 할 수 있기 때문에, 이것은 UV 광 검출기로서 사용될 수있다. 산소 분자의 ZnO의 전도대에서 자유 전자를 포착하여 ZnO의 표면에 흡착 할 수 [O 2 + E - → O 2 -] 크게 감소로 이어지는 표면 근방 핍층을 산출하는산화 아연의 전도도. [- + H는 H + ʋ → E] ZnO를 더, 전자 - 정공 쌍을 생성 할 것이다의 ZnO의 밴드 갭 (즉, UV 광)보다도 광자의 에너지에 의해 조명되는 경우. 전자 - 정공 쌍으로부터 이러한 담체는 표면을 향해 이동하고, 흡착 산소 분자를 중화한다 [H + + 2 O - O → 2]. 중화 산소 분자는 쉽게 크게 전도도가 증가하게 된 ZnO의 표면을 형성 탈착 할 수있다. 따라서,이 이론에 따르면, 높은 C 박막의 ZnO는 UV 광 검출기를 제조하는 감지 층으로 사용 하였다시킴으로써 행한다. 와 UV 광 조명 및 시간 의존적 광전류 응답 (도 9 및도 10)없이 V 곡선 - 제조 백금 / ZnO 나 UV 광 검출기의 검출 특성은 I를 측정함으로써 조사 및 확인 하였다. 분명한 대칭 동작은 O 수bserved, RTA에 의해 450 ℃로 아르곤으로 포스트 어닐링 후에 고품질의 오믹 접촉이 백금 / ZnO의 인터페이스에서 달성되었음을 나타낸다. 측정에 따른 I - V 곡선, 암전류는 약 0.36 mA이며, 광전류는 UV 조사 및 어두운 상태 사이의 전류 차이를 나타내는, 5 V에서 약 4.3 mA이다. UV 광 검출기의 성능이 응답 및 복구 시간에 따라 중요하기 때문에, 시간에 따른 광 전류 응답이 구현되었다. 반응 시간은 일반적으로 최대 광 - 전류의 90 %에 접근하는 시간으로 정의되고, 회복 시간은 최대 광 전류의 10 %로 감쇠 할 때이다. 시간에 따른 광전류 응답 측정으로부터, 반응 및 회복 시간은 각각 약 3 내지 9 (S)이다. 또한, UV 광은 신뢰성 테스트를 다섯 번 스위치 오프시켰다. 상기 측정에 따르면, ZnO 계 UV 광 검출기는 고속를 도시반응성 및 상용 UV 광 검출기 전위 애플리케이션 개발에 사용될 수있는 높은 안정성.
요약하면, 본 연구는이 C가 높은 합성 온도의 미세 조정과 PECVD에 의해 실리콘 기판 상에 우선 배향 된 ZnO 박막을 이동시킴으로써 행한다 합성하는 방법을 제공한다. C는 최적의 ZnO 박막은 가시광의 결정 구조, 광학 특성, 투명성면에서 경쟁력 및 기능적 특성을 나타내는 400 ℃로 합성 하였다시킴으로써 행한다. 오믹 접촉 편 맞물림 전극과 결합 된 ZnO 계 자외선 광 검출기이 본 연구는 가치있는 방향 및 응용 연구에 모두가 될 수 5 V.의 바이어스에 자외선 (38 mW의 형상 관리 -2)에서 빠른 응답 성 및 높은 신뢰성을 전시 산업.
잠재적 인 이점 및 PECVD 기법의 단점
플라즈마 화학iCal의 기상 증착 (PECVD)은 기판 상에 고체 상태에서 기체 상태로 박막을 합성하는데 사용 된 유용한 기술이다. 플라즈마는 일반적으로 보통 보통 각각 하부 전극으로 사용되는 상부 전극과 시료 스테이지로서 사용 샤워 헤드 전극 사이에 RF 또는 DC 전력 공급에 의해 발신된다. 이 두 전극 사이의 공간에서 반응 가스의 화학 반응으로 채워진다. 시료의 결정 방위 및 조성물은 합성 조건 및 반응 전구체의 비율에 의존한다. 예를 들어, DEZn 및 CO 2 전구체 각각의 ZnO를 박막 합성 아연 및 산소 공급원을 제공하기 위해 사용했다. 물론,이 방법은 플라즈마에서 주요 특징이다. 높은 치밀한 화면 구성을 형성하기 위해 플라즈마 강화 지원을 통해 이온화 반응물 자나 분자 효과적으로 기판 표면으로 확산되는 것을 용이하게하고 주변 이온화 원자 또는 분자와 반응N 박막. 그 결과, 모든 샘플은 합성 과정에서 에너지 이온 충격에 노출 될 수있다.
플라즈마 반응을 연속적으로 합성 공정 동안 발생하기 때문에, PECVD 기법의 주된 이점은, (a) 하부 합성 온도를, 거의 모든 샘플 (100 내지 450 O C까지), 저온에서 합성 할 수 있고, (b) 하이 종횡비 조건은 사용 가능 (사용 고밀도 플라즈마 경우), (c) 높은 증착 속도, 최적화 된 가스 전달와 (d) RF 전원이 샤워 헤드는, 균일 한 플라즈마 처리, (e)에 양호한 박막 표면의 균일 성, 및 (f) 화학을 제공한다 조성물 구조가 미세하게 제어 할 수있다.
그러나, PECVD 기법은 화학 반응 및 고밀도 플라즈마 포격을 포함하고, 어떤 한계 및 단점을 가진다. 전체 공정은 화학적 및 미립자 오염,주의가 필요하고 적절한 처리를 다수 생성 할 것이다. 높은순수 가스는이 기술에 필요하므로 용액으로 처리 될 수 DEZn 같은 특정 전구체의 제한. 소스 휘발성 전구체를 제조하는 몇몇 용매에 용해하는 능력이없는 경우, 캐리어 가스는 합성을 수행하는 챔버 내로 반응물 가스를 전달하지 않는다. 고밀도 플라즈마 충격이 균일하고, 박막의 품질을 향상시킬 수 있지만, 또한, 높은 잔류 응력이 박막의 절단의 결과 생성 될 것이다. 또한,이 기술은 종래의 화학 기상 증착 (CVD)와 비교하여 비용을 조금 더 이어지는 추가 RF 또는 DC 전원 공급 시스템을 필요로한다.
앞으로의 방향 및 응용 프로그램
이러한 작동 압력, 가스 조성, 가스 유량, RF 전력, 반응물 전구 물질 등과 같은 많은 공정 파라미터는 모두 PECVD 기법에서 박막을 합성하기위한 상호 의존적이다. 단지 합성 온도의 변화에 연구되어왔다이 연구를 발표했다. 또한이 기술의 한계와 능력을 조사를 위해 필요로하는 많은 작업은 여전히있다. 예를 들어, 가스 조성은 박막의 화학 양론을 변화 수와 작동 압력은 다양한 박막 구성을 수득 할 이온화 기체의 평균 자유 경로에 영향을 미칠 수있다. 따라서, 향후 연구는 위에서 언급 한 매개 변수를 통해 결정 품질 또는 속성을 조작하는 방법을 더 이해가 필요합니다.
PECVD 기술은 널리 일반적으로 낮은 공정 온도를 필요에 반도체 박막의 합성 제조에 사용되어왔다. PECVD 방법을 허용하고 또한 유연한 장치 어플리케이션에서 사용될 수있다 고분자 기판 상에 박막을 합성하기 위해 사용되었다. 저온 적용에 더하여, 이미 HIG에 사용될 수있는 합성 온도를 증가시켜 비극성의 ZnO 박막을 제조 한H 고효율 발광 다이오드 (LED) 또는 환경 센서 기술.
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Acknowledgments
이 작품은 재정적으로 과학 기술과 중국의 공화국의 국립 과학위원회 (계약 번호. NSC 101-2221-E-027-042과 NSC 101-2622-E-027-003-CC2)의 교육부의 지원되었다. DH 웨이 덕분에 박사 Shechtman 상에 대한 기술의 국립 대만 대학 (TAIPEI TECH) 상.
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 |
References
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