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 av høy c-aksen ZnO Thin Film etter Plasma Enhanced Chemical Vapor Nedfall System og dens UV Fotodetektor Application

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

Abstract

I denne studien, har sinkoksyd (ZnO) tynne filmer med høy c -akse (0002) foretrukket orientering er vellykket og effektivt syntetisert på silisium (Si) substrater via forskjellige temperaturer syntetisert ved hjelp av plasma forbedret kjemisk dampavsetning (PECVD) system. Effekten av forskjellige syntetiserte temperaturer på krystallstruktur, overflate morfologi og optiske egenskaper er blitt undersøkt. Den røntgendiffraksjon (XRD) mønster indikerte at intensiteten (0002) diffraksjon topp ble sterkere med økende syntetisert temperatur inntil 400 o C. Diffraksjon intensitet (0002) peak gradvis ble svakere følger med utseendet (10-10) diffraksjon topp som den syntetiserte temperaturen opp til overkant av 400 o C. RT photoluminescence (PL) spektrene viste en sterk nær-band-kant (NBE) utslipp observert på rundt 375 nm og en ubetydelig dyp-nivå (DL) utslipp som ligger på rundt 575 nm under høy c -aksen ZnO tynne filmer. Feltavgi scanning elektronmikroskopi (FE-SEM-bilder) avslørte homogen overflate og med liten kornstørrelsesfordeling. ZnO tynne filmer har også blitt syntetisert på glassunderlag under de samme parametere for måling av transmisjonen.

For formålet med ultrafiolett (UV) fotodetektor søknad, interdigitated platina (Pt) tynn film (tykkelse ~ 100 nm) fremstilt via konvensjonell optisk litografi prosess og radiofrekvens (RF) sputtering. For å nå ohmsk kontakt ble anordningen glødet i forhold argon ved 450 ° C ved hurtig termisk gløding (RTA) system i 10 minutter. Etter at systematiske målinger, strøm-spennings (I - V) kurven av bildet og mørkestrøm og tidsavhengige photoresponsresultater oppviste en god responsivitet og pålitelighet, noe som indikerer at den høye c-aksen ZnO tynn film er en egnet føle sjiktfor UV fotodetektoren søknad.

Introduction

ZnO er et lovende bred-bånd-gap funksjonelle halvledermaterialet på grunn av sine unike egenskaper som høy kjemisk stabilitet, lav pris, ikke-toksisitet, lav effekt terskel for optisk pumping, bred direkte båndgap (3,37 eV) ved RT og store exciton bindingsenergien av ~ 60 meV 1-2. Nylig har ZnO tynne filmer vært ansatt i mange bruksområder, inkludert transparente ledende oksid (TCO) filmer, blått lys emitting enheter, felteffekttransistorer, og gass-sensor 3-6. På den annen side, er en kandidat ZnO materiale for å erstatte indiumtinnoksid (ITO) på grunn av indium og tinn er sjeldne og dyre. Videre besitter ZnO høy optisk transmisjon i det synlige bølgelengdeområdet, og med lav resistivitet, sammenlignet med ITO filmer 7-8. Følgelig har fabrikasjon, karakterisering og anvendelse av ZnO blitt omfattende rapportert. Denne studien fokuserer på å syntetisere høye c-aksen (0002) ZnO tynne filmer ved en enkel end effektiv fremgangsmåte og dens praktiske anvendelse mot en UV-fotodetektor.

Den nylige undersøkelser rapporterer resultatene indikerer at den høye kvaliteten ZnO tynn film kan bli syntetisert ved forskjellige teknikker slik som sol-gel-metoden, radiofrekvens sputtering, metallorganisk kjemisk dampavsetning (MOCVD), og så videre 9-14. Hver teknikk har sine fordeler og ulemper. For eksempel, er en prinsipiell fordel med spruteavsetning som er rettet mot materialer med meget høyt smeltepunkt er lettvint freste på substratet. I motsetning til dette, er spruteprosessen vanskelig å kombinere med en lift-off for å strukturere filmen. I vår studie ble plasma forbedret kjemisk dampavsetning (PECVD) system ansatt for å syntetisere høy kvalitet c aksen ZnO tynne filmer. Plasma bombardement er en nøkkelfaktor i å syntetisere prosess som kan øke den tynne filmen tetthet og styrke ion dekomponeringsreaksjonen hastighet 15. Itillegg har høy vekstrate og stor-området enhetlig deponering er andre særegne fordeler for PECVD teknikk.

Med unntak for syntesen teknikk, god adhesjon på substratet er en annen sak disse er vurdert. I mange studier har c -planet safir blitt mye brukt som substrat for å syntetisere høy c -aksen ZnO tynne filmer fordi ZnO og safir har samme heksagonale gitterstrukturen. Imidlertid var ZnO syntetisert på safir-substrat som oppviser ru overflate morfologi og høy rest (feilrelatert) konsentrasjoner bærer på grunn av de store gitter mistilpassede mellom ZnO og c -planet safir (18%) orientert i den retning i planet 16. Sammenlignet med safir-substrat, er en Si-skive en annen mye brukt substrat for syntese ZnO. Si wafere har vært mye brukt i halvlederindustrien; og derfor er meget viktig og nød- vekst av høy kvalitet ZnO tynne filmer på substrater Sivendig. Dessverre, det krystallstruktur og termisk utvidelse koeffisient mellom ZnO og Si er åpenbart annerledes fører til forringelse av krystall kvalitet. Over det siste tiåret, har store anstrengelser er gjort for å forbedre kvaliteten på ZnO tynne filmene på Si underlag ved hjelp av ulike metoder, inkludert ZnO buffer lag 17, gløding i ulike gassatmosfære 18, og passivisering av Si substratoverflate 19. Den foreliggende undersøkelse med hell tilbudt en enkel og effektiv metode for å syntetisere høy c -aksen ZnO tynn film på Si-substrater uten bufferlaget eller forbehandling. Resultatene fra eksperimentet indikerte at ZnO tynne filmer syntetisert under optimale veksttemperatur viste god krystall og optiske egenskaper. Den krystallinske struktur, RF-plasma sammensetning, overflatemorfologi og optiske egenskapene til ZnO tynne filmer ble undersøkt ved røntgendiffraksjon (XRD), optisk emisjonsspektroskopi (OES), feltavgi scAnning elektronmikroskopi (FE-SEM), og RT photoluminescence (PL) spektra, respektivt. Videre er transmittans av ZnO tynne filmer ble også bekreftet og rapportert.

Nysyntetisert ZnO tynn film fungerte som en sensing lag for UV photodetector søknaden ble også undersøkt i denne studien. UV-fotodetektoren har store potensielle bruksområder i UV overvåking, optisk bryter, flamme alarm, og missil oppvarming system 20-21. Det finnes mange typer fotodetektorer som er utført slik som positiv egenverdi negative (pin) modus og metall-halvleder-metal (MSM) strukturer inkludert Ohmsk kontakt og Schottky kontakt. Hver type har sine egne fordeler og ulemper. Foreløpig har MSM fotodetektor strukturer tilt intensiv interesse på grunn av sin enestående ytelse i responsivitet, pålitelighet og respons og utvinning tid 22-24. Resultatene som presenteres her viser at MSM ohmske kontaktmodus ble benyttetå dikte ZnO tynn film basert UV fotodetektoren. En slik type fotodetektor viser vanligvis en god responsivitet og pålitelighet, noe som indikerer at den høye c-aksen ZnO tynn film er en egnet følende lag for UV-fotodetektoren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Forbehandling og rengjøring

  1. Kutt 10 mm x 10 mm silisiumsubstrater fra Si (100) wafer.
  2. Kutt 10 mm x 10 mm glass underlag.
  3. Bruke ultrasoniske renere å rense silisium og glass-substrater med aceton i 10 minutter, alkohol i 10 minutter, og deretter isopropanol i 15 minutter.
  4. Skyll substrater med deionisert (DI) vann tre ganger.
  5. Føne substrater med nitrogen pistol.

2. DEZn Utarbeidelse og Bevaring

Merk: dietylsink (C 2H 5) 2 Zn, også kalt DEZn, er en svært pyroforisk organosinkforbindelse som består av et sinksenter bundet til to etylgrupper. Arbeid aldri alene når du bruker DEZn. DEZn er svært giftig og følsomme for oksygen og vann, pass på å ikke plassere DEZn nær vannet. Bruk alltid vernemasker og vernebriller; alle arbeider skal utføres i panseret. Viktigst, må ubrukt DEZn be er lagret i et 5 ° C miljø.

Merk: For første bruk av DEZn, følg trinn 2. Hvis ikke, starter eksperimentet fra trinn 3.

  1. Bruk sprøyte for å trekke ut 30 ml DEZn fra flasken, og deretter injisere inn i et begerglass plassert i en stålsylinder.
  2. Bruk en galvanisert jern rør for å koble stålsylinder med reaksjonskammeret.
  3. Bruk mekanisk pumpe og kuleventil for å pumpe ned stålsylinder i vakuum miljø (6 Torr).
    Merk: DEZn vil sterkt reagere med oksygen, må det opprettholdes i vakuummiljøet.
  4. Oppbevar ubrukt DEZn i en 5 o C miljø.

3. PECVD Chamber Utarbeidelse og syntese av ZnO Thin Films

Merk: skjematisk diagram av plasma forbedret kjemisk dampavsetning er vist i figur 1.

  1. Still inn arbeidsavstanden mellom dusj elektrode og prøve scenen på 30 mm.
    2. <li> Plasser substrater på prøven stadium av reaksjonskammeret på riktig sted hvor det er et 3 cm avstand fra DEZn innløpet.
  2. Åpne roterende pumpe og gradvis åpne gate ventiler og sommerfugl.
  3. Vent til bakgrunnstrykket i reaktorkammeret er lavere enn 30 mTorr.
  4. Lukke sluseventiler og klaffeventil, som kobles til den roterende pumpen.
  5. Deretter åpner turbo pumpe og relative gate ventiler for å nå høyt vakuum på 3 x 10 -6 Torr.
  6. Etter å ha nådd den nødvendige vakuumtilstand, åpner varme kontrolleren og oppvarme prøven trinnet til syntesetemperaturen (200, 300, 400, 500, og 600 ° C for forskjellige parametere for eksperimentet).
  7. Når temperaturen og trykket nå nødvendig betingelse, lukker turbo pumpen og åpne porter og butterfly ventil som kobles til den roterende pumpe samtidig.
  8. Deretter åpner gassinnløpsventiler og slå på argon gsom strømningsregulator samtidig.
  9. Strømme argongass (0.167 ml / s) inn i kammeret.
  10. Sett kammertrykk til 500 mTorr.
  11. Slå på RF (13,56 MHz) generator og matchende nettverk, og deretter sette den RF power på 100 W for sletting prøvene overflaten i 15 min.
  12. Etter endt renske av prøvene, snu RF strøm ned til 70 W.
  13. Deretter slår du på karbondioksid gass kontrolleren og gass innløpsventilen.
  14. Strømnings karbondioksidet (0,5 ml / s) inn i kammeret.
  15. Still inn arbeidstrykk på 6 Torr.
  16. Etter at kammeret trykket når 6 Torr, strømme høy ren argon som bæregass (0.167 ml / sek) for å bære dietylsink (DEZn) inn i kammeret og åpne kuleventilen kobles til DEZn samtidig. På samme tid, starter syntesen av ZnO filmer.
  17. Fortsett plasma syntesen av ZnO filmer i 5 min.
  18. Etter ZnO filmer har blitt syntetisert, seriatim slå av RF generator, kuleventil, varme controller og all gass strømningsregulatorer sammen med gassinnløpsventiler.
  19. Ta ut prøven når prøven scenen temperaturen kjøles ned til romtemperatur. Merk: Kjølehastigheten er ca 1,8 o C / min.

4. Fremstilling av interdigiterte lignende mønster på ny-syntetiserte ZnO Thin Film

Merk: skjematisk riss av litografiprosess er vist i figur 3.

  1. Bruk en varm plate for å bake den as-syntetiserte ZnO prøve ved 150 ° C i 10 min.
  2. Plasser prøven på spinnbeleggeren, og deretter dispensere den flytende oppløsning av fotoresist (S1813) med 100 ul på ZnO prøven.
  3. Kjør spinnbeleggeren ved 800 opm i 10 sekunder og deretter akselerere til 3000 rpm i 30 sekunder for å produsere et ensartet tynt lag.
  4. Soft bake den fotoresist belagt ZnO prøven ved 105 o C i 90 sek.
  5. Etter soft-baking, bruke UV-lys for å eksponere fotoresist belagt sample allergh en fotomaske av maske aligner. Eksponeringstiden er 2 sek og strømmen er 400 W.
    Merk:. Mønsteret på fotomasken er utformet som interdigitaserte-lignende, som er 0,03 mm bred og 4 mm lang (14 par), og har en inter-elektrodeavstand på 0,15 mm som vist i figur 2. Det er verdt å merke seg at den totale fotofølsomme Området er 84,32 mm 2 for detektoren.
  6. Etter eksponering prosedyre, for å bruke pinsett klippe prøven, og deretter senke det i den fortynnede utbygger (bland 50 ml utbygger og 150 ml avionisert vann) gjennom handlingene svinge fra side til side for 35 s for å få utviklet prøven.
  7. Skyll den utviklede prøven med DI vann og tørkes med nitrogengass.
  8. Bruk optisk mikroskop for å se mønsteret intakt. Hvis ikke, kan du bruke aceton å fjerne fotoresist og gjenta trinn 04.02 til 04.07 fram til den perfekte oppskriften er oppnådd.
  9. Hard bake prøven ved 120 ° C i 20 min.

  1. Bruk RF sputtering system for å avsette et tynt ledende lag Pt (100 nm) på toppen av prøven er utviklet før man går til kjemisk lift-off prosedyre.
  2. Still inn avstanden mellom målet og underlaget på 13 mm.
  3. Bruk mekanisk pumpe for å oppnå en grov vakuum på 5 mTorr.
  4. Deretter bruker turbopumpe for å oppnå en høy vakuum på 7 x 10 -7 Torr.
  5. Vent til kammeret når høyvakuum, lukker turbopumpen og åpne mekanisk pumpe senere.
  6. Strømme argongass ved 0,3 ml / sek inn i kammeret ved mas strømningsregulatoren til kammertrykk når arbeidstrykket på 100 mTorr.
  7. Slå på likestrøm (DC) utlade strømforsyning og angir likestrøm på 15 W for sputtering Pt tynnfilmelektrode på prøven i 25 min.
  8. Etter at Pt elektrodelaget er blitt avsatt ved magne sputtering metode, ta ut prøven fra kammeret.
  9. Dyppe prøven i aceton væske for kjemisk lift-off-prosessen ved ultralydrenser for å fjerne fotoresisten.
  10. Sett rengjøringstiden på 1 min for å fjerne grundig fotoresist, og deretter få den interdigitated lignende Pt elektrode på ZnO tynn film.

6. RTA prosess

  1. Plasser as-fabrikkert Pt / ZnO prøven i RTA system.
  2. Bruk mekanisk pumpe og sluseventilen til å pumpe ned RTA kammertrykket til 20 mTorr.
  3. Vent til kammertrykk når 20 mTorr, strømnings argongass ved 0,3 ml / sek inn i kammeret, og stille inn arbeidstrykk på 5 Torr.
  4. Deretter satt oppvarmingshastigheten som 100 o C / min.
  5. Deretter gløde prøven ved 450 ° C i 10 min.
  6. Når herdet, vente til prøven avkjøles til romtemperatur, og deretter ta ut prøven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ZnO (0002) tynne filmer med høy c-aksen trukket orientering har blitt syntetisert på SI underlag ved hjelp av PECVD system. Den karbondioksid (CO2) og dietylsink (DEZn) ble anvendt som oksygen- og sink forløpere, respektivt. Krystallstrukturen av ZnO tynne filmer ble karakterisert ved røntgen-diffraksjon (figur 4), noe som indikerer at ZnO tynne filmen syntetisert ved 400 ° C med den sterkeste (0002) diffraksjon topp. Når det syntetiserte temperaturen økes opp til 500 o C, ble den (0002) diffraksjon topp svakere følger med utseendet (10-10) diffraksjon topp. Spesielt vil alle ZnO diffraksjonstoppene forsvinner når den syntetiserte temperaturen er satt til 600 o C. Den in - situ OES ble benyttet for å overvåke plasma kjemiske sammensetning i løpet av ZnO syntetisert prosessen (figur 5). Resultatene viser at Zn, O 2 temperaturer (figur 6A-E). Den homogen overflate og med liten kornstørrelsesfordelingen ble oppnådd ved 300 og 400 o C. De optiske egenskapene til ZnO tynne filmer ble bestemt ved PL-spektra (figur 7). Resultatene indikerer at ZnO tynne filmer fremstilt ved 300 til 400 ° C og viser en sterk NBE emisjon og med en ubetydelig DL utslipp. I tillegg NBE utslipps skifter til kort bølgelengde med økning av temperaturen 300-600 C. o Transmittansen målingen indikerer at ZnO tynne filmer syntetisert ved 200, 300 og 400 ° C har god gjennomsiktighet med en gjennomsnittlig synlig transmittans høyere enn 80% (Figur 8A-B). Interessant, transmisjon falt dramatmatisk når de syntetiserte temperaturer ble økt opp til overkant av 500 o C.

Utførelsen av UV-fotodetektor kombinert med ZnO tynn film og Pt hverandre-elektroden er blitt undersøkt. Fra de samme egenskapene, ble strømmen av den fotodetektoren åpenbart forbedrede under lett lys, sammenlignet med den under mørke forhold (figur 9). Det ble også observert at I - V kurvene er symmetrisk, noe som reflekterer en MSM Ohmsk kontakt oppførsel mellom ZnO tynn film, og Pt-elektrode. Den tidsavhengige bilde-strøm respons til fotodetektoren ble målt med utkobling og slå på UV-lys (38 mW / cm 2) fem ganger ved forspenningen på 5V (figur 10).

Figur 1
Figur 1. Skjematisk diagram av plasma forbedret kjemisk damp deposition system. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Skjematisk fremstilling av ZnO basert UV fotodetektoren kombineres med Pt interdigitated elektrode. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Flytskjema av litografiske prosess for Pt hverandre elektrode fremstilt på ZnO filmene syntetisert på silisiumsubstrater. Trinn (A) anvender den varme platen for å bake den as-syntetiserte ZnO tynn film ved 150 ° C i 10 minutter for å fjerne overflatefuktighet. Trinn (B) ring strøk fotoresist ZnO tynn film. Trinn (C) soft bakes fotoresist-belagte ZnO prøve ved 105 ° C i 90 s for å fjerne overskudd av fotoresist løsningsmiddel. Trinn (D) eksponerer UV-lys gjennom en fotomaske for 2s. Trinn (E) anvender utvikleren å fjerne fotoresisten. Trinn (F) vanskelig bakes prøven ved 120 ° C i 20 minutter for å lage en mer holdbar beskyttende lag for fremstilling av den neste RF sputtering. Trinn (G) bruker RF sputtering for å avsette et tynt lag på den Pt utviklet prøven. Trinn (H) bruker aceton å løfte-off prøven. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

_upload / 53097 / 53097fig4.jpg "/>
Figur 4. røntgendiffraksjons-mønstre for ZnO tynne filmer syntetisert ved forskjellige syntese temperaturer varierte 200-600 o C. X-ray ble utsendes av Cu K α stråling (λ = 1,54 Å). Skanningen vinkel ble satt fra 30 o til 80 o, trinnstørrelse var 0,01 o og tid per trinn var 0,15 sek. ZnO (0002) diffraksjon topp er plassert på 34,24 o, mens ZnO (10-10) diffraksjon topp er plassert på 31,59 o. De andre diffraksjonstoppene kommer fra underlaget signaler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. In - situ OES spektrum for RF plasma under ZnO tynn film syntetisert ved 400 o C. Dataene ble bekreftet fra referanse 28. toppene signalene ligger på 449, 517 og 559 nm er fastsatt som CO arter. Toppene signalene ligger på 466, 471 og 482 nm er fastsatt som Zn arter, og 634 nm er fastsatt som O 2 arter. De kompliserte signaler som ligger i området mellom 325 og 430 nm blir bestemt som nedbrytnings arter av DEZn. Den overvåkede tiden var 7 sek. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Plane-view SEM bilder for ZnO tynne filmer syntetiserte på ulike syntese tempera res, inkludert (A) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500, og (E) 600 o C, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. RT PL spektra for ZnO tynne filmer syntetisert ved forskjellige syntese temperaturer varierte 200-600 o C. PL måling brukt 325 nm He-Cd laser i henhold til 100% laser energieffektivitet. Eksponeringstiden var 10 sek. Registreringsområdet var 325-750 nm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

ys "> Figur 8
Figur 8. Optisk transmittans spektra for ZnO tynne filmer syntetisert ved forskjellige syntesetemperaturer (A) typisk optisk transmisjon spektra målt fra 400 for å 800 nm.; (B) gjennomsnitts transmittansverdiene som en funksjon av syntesen temperatur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9
Figur 9. I -. V egenskaper ved fabrikkert ZnO tynn film basert UV fotodetektor Målingen var under 325 nm UV-lys belysning med effekttetthet på 38 mW / cm 2 (rød kurve) og den mørke tilstand (svart kurve), og testiklene var på forspenning fra -10 V til 10 V. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10
Figur 10. Tidsavhengig photo respons for ZnO tynn film basert UV fotodetektoren. Målingen ble gjennomført over 5 ganger snu slå på / av sirkler på skjevhet av 5 V under UV-lys (38 mW / cm 2), der både turn on og turn-off tid av UV-lys var 10 sek. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiske trinn og modifikasjoner

I trinn 1, skal underlag rengjøres grundig og trinn 1.3 til 1.5 følges for å være sikker på at det ikke er fett eller organiske og uorganiske forurensninger på underlag. Fett eller organiske og uorganiske forurensninger på underlagets overflate vil redusere adhesjonen av filmen.

Trinn 2 er den viktigste fremgangsmåten før ZnO filmfremstillingsprosessen. DEZn er svært giftig og voldsomt reagerer med vann og lett antennes ved kontakt med luft. DEZn må være meget forsiktig injisert i stålsylinder, og deretter pumpes ned til 6 Torr umiddelbart. I trinn 3, må du kontrollere at hver forsøks parameter og trinn er nøyaktig utfylt fordi selv litt forskjellige innstillinger vil føre til ulike resultater.

Trinn 4 må utføres i et laboratorium litografi og et rent rom for å unngå ikke-UV-lys belysning og dust-pollutionor partikkel-forurensning effekter. I trinn 5, bør strømmen av DC utladningsstrømforsyningen heves langsomt; ellers Pt målet vil bli brutt. I trinn 6, bør prøvene plasseres i midten av RTA kammeret for å sikre at prøven kan bli jevnt oppvarmet.

Dataanalyse

Den syntetiserte Temperaturen er en viktig parameter for syntetisering av høy kvalitet c -aksen ZnO tynn film fordi de termiske utvidelseskoeffisienter og termisk belastning mismatch effekt med grenseflate-energien mellom ZnO tynne filmer og Si-substratet kan i betydelig grad påvirke den krystallografiske orientering. Det kan tydelig observeres fra XRD mønstrene (figur 4). Den sterkeste ZnO (0002) diffraksjon topp ble oppnådd ved 400 ° C, noe som indikerer at temperaturen er en optimal syntetisert temperatur for syntetisering c -aksen ZnO tynn film på Si-substratet ved hjelp av PECVD-metoden. Med en ytterligere økningi syntetisert temperatur opp til 500 ° C, noe som fører til forringelse av ZnO krystallkvalitet. Videre ZnO tynn film omdannes til amorf fase når det syntetiserte temperaturen ble satt til 600 o C. Det kan antas at den høye nok temperaturer (dvs. 400 ° C), kan gi tilstrekkelig energi, øke evnen av molekyler for å finne det stabile området og som resulterer i ZnO tynn film med høy kvalitet krystall. Samtidig er de vanligste feilene inkludert ledige stillinger, interstitiale og dislokasjoner i ZnO også redusert. Imidlertid vil det brytes ned i ZnO Zn og O to molekyler når overdreven høy temperatur (dvs. 500 og 600 ° C) ble anvendt 25. Videre er de forskjellige varmeekspansjonskoeffisienter mellom ZnO (6,7 x 10 -6 K -1) 26 tynn film og Si (4,18 x 10 -6 K -1) 27 substrat ved 900 K vil gi den termiske uoverensstemmelse strain effekt med grense energi. De ovennevnte fenomen kan forringe kvaliteten av krystall ZnO tynn film, noe som resulterer i polykrystallinsk eller amorf fase.

For overvåkning av plasma kjemiske sammensetning i løpet av ZnO syntetisert prosessen, i - ble situ OES spektrumanalyse av RF-plasma utført (figur 5). OES analyseresultat illustrert at de tre sterke Zn utslipps topper dukket opp rundt 475 nm og andre distinkte utslipps toppene ble bestemt som O 2 og CO signaler 28. Videre er noen kompliserte utslipps topper som befinner seg i området mellom 325 og 430 nm bestemt som nedbrytnings arter av DEZn. Ovennevnte fordelaktige opplysninger tyder på at OES er et nyttig instrument for in - situ kontroll av plasma kjemisk sammensetning i den syntetiserte prosessen.

Overflate morfologi av ZnO tynne filmer ble observert av FE-SEM <strong> (figur 6A-E). Det kan sees at ZnO syntetisert ved 300 og 400 ° C viser tett pakket med sfæriske korn og med liten kornstørrelsesfordeling. Sammenlignet med det syntetisert tilstand, andre ZnO tynne filmer utviser uryddig og uregelmessig overflate, noe som tyder polykrystallinsk eller amorf fase. Det er verdt å merke seg at SEM bilder er i samsvar med tidligere XRD resultater.

De optiske egenskaper ble bestemt ved RT PL spektrum med 325 nm He-Cd laser. Fra PL måling (figur 7), alle ZnO tynne filmer viser en sterk NBE emisjonstopp som ligger på rundt 375 nm, noe som skyldes rekombinasjon av frie excitons gjennom en exciton-exciton kollisjonsprosess 29. Samtidig er de brede nullfeilrelaterte DL utslipps topper som befinner seg i området rundt 575 nm oppnådd når de syntetiserte temperaturen ble satt til 200 og 500 o C. Det er også funnet at NBE utslipp har en blå-shifttil kortere bølgelengder med økende syntetisert temperatur. Generelt er den DL utslipp henvist til urenheter og forskjellige strukturelle defekter i ZnO fase som oksygen stilling og sink interstitiell 30, og Shift er på grunn av den sterke rest anisotrope strekk i ZnO tynne filmen 31. Derfor, PL resultatene reflekterer at det syntetiserte temperaturen i betydelig grad kan påvirke de optiske egenskaper til ZnO tynne filmer. Blant alle ZnO prøver, bare to prøver som ble syntetisert ved 300 og 400 o C viser en dominert NBE emisjonstopp og ubetydelig DL utslipp som følger med høy (0002) XRD diffraksjon topp.

Gjennomsiktigheten for alle syntetiserte ZnO tynne filmer ble målt ved transmittans spekteret (figur 8A), og den gjennomsnittlige verdien for hver transmisjon ZnO prøven er beregnet (figur 8B). Den gjennomsnittlige transmisjon Verdien av ZnO prøver syntetisert ved 200, 300 ind 400 ° C i hele det synlige området er omtrent 80%, men prøvene syntetisert ved 500 og 600 ° C viser en relativt lav transmittans, spesielt for ZnO prøven syntetisert ved 600 o C. Årsaken til redusert transmittans av ZnO prøve syntetisert ved høyere temperatur er fremdeles uklart til nå. Men aksen den høye c fortrinnsrett orientering ZnO med høy transparens er oppnådd, noe som indikerer at karakteren kunne brukes til fremtidige high-transmisjon ZnO baserte optiske enheter.

Fordi ZnO fasen kan adsorbere oksygenmolekyler i det generelle miljøet og desorbere oksygenmolekyler under UV-belysning, kan den anvendes som UV-fotodetektor. Oksygenmolekyler kan adsorberes på en ZnO overflate ved å fange frie elektroner fra ledningsbåndet av ZnO [O 2 + e - → O 2 -], noe som gir en sperresjiktet nær overflaten, som fører til sterkt reduserekonduktiviteten til ZnO. Når ZnO er opplyst av fotonenergi over båndet gap av ZnO (dvs. UV-lys), vil elektron-hullpar genereres [h ʋ → e - + h +]. Disse bærere fra elektron-hull par vil bevege seg mot overflaten og nøytralisere de adsorberte oksygen molekyler [H + + O 2 - → O 2]. De nøytraliseroksygenmolekyler kan enkelt desorbere danne overflaten av ZnO, som gjør ledningsevnen øker betydelig. Derfor, i henhold til denne teorien, aksen høy c ZnO tynn film ble anvendt som et følende lag for å fremstille UV-fotodetektor. De UV-deteksjon egenskapene til fabrikkert Pt / ZnO lysdetektor ble undersøkt og bekreftet ved måling av I - V-kurve med og uten UV-lys belysning og tidsavhengig photo respons (figur 9 og 10). En åpenbar symmetrisk atferd kan være observed, noe som indikerer at den høye kvaliteten ohmsk kontakt er oppnådd ved Pt / ZnO-grensesnitt etter post-glødet i argon ved 450 ° C av RTA. I henhold til de målte I - V-kurver, er den mørke strømmen omtrent 0,36 mA, og bildet strøm er omtrent 4,3 mA ved 5 V, som angir den aktuelle forskjell mellom UV opplyste og mørke tilstand. Fordi ytelsen av UV-fotodetektor er kritisk avhengig av dets respons og utvinning ganger, ble den tidsavhengige bilde-strøm reaksjon gjennomføres. Responstiden er vanligvis definert som den tid til å nærme seg 90% av den maksimale fotostrøm, og restitusjonstiden er tiden for å råtne til 10% av den maksimale fotostrøm. Fra den tidsavhengige bilde-strøm responsmåling, respons og restitusjonstiden er omtrent 3 og 9 er hhv. Dessuten ble UV-lyset kobles inn og ut fem ganger for testing av påliteligheten. I henhold til de ovennevnte målinger, viser en fast ZnO basert UV-fotodetektorresponsivitet og høy pålitelighet, som kan bli brukt i utviklingspotensial for kommersiell UV-fotodetektoren anvendelse.

Oppsummert gir denne studien presentere en metode for å syntetisere høy c-aksen fortrinnsrett orientering ZnO tynn film på Si underlag av PECVD med en fin kontroll av syntetisert temperatur. Den optimale c-aksen ZnO tynn film ble syntetisert ved 400 o C viser en konkurransedyktig og funksjonell karakteristikk i form av krystallstrukturen, optisk eiendom, og åpenhet til synlig lys. ZnO basert UV fotodetektoren kombineres med Pt interdigitated elektrode med Ohmsk kontakt viser en rask responsivitet og høy pålitelighet under UV-lys (38 mW cm -2) på skjevhet av 5 V. Denne stede arbeid kan være en verdifull retning og anvendelse både i forskning og industri.

Potensielle fordeler og ulemper av PECVD Technique

Plasma forbedret chemical dampavsetning (PECVD) er en nyttig teknikk som har blitt brukt til å syntetisere tynne filmer fra damptilstand til solid state på underlag. Plasmaet er generelt stammer fra DC eller RF-strømtilførsel mellom dusj elektrode som vanligvis anvendes som toppelektrode og prøvetrinnet vanligvis brukt som bunnelektrode, henholdsvis. Mellomrommet mellom disse to elektroder er fylt med de kjemiske reaksjoner fra reaktantgassene. Den krystallorientering og sammensetningen av prøven er avhengig av syntesen tilstand og at forholdet mellom reaktant-forløpere. For eksempel, DEZn og CO 2 som forløpere ble brukt til å gi sink- og oksygenkilder for å syntetisere ZnO tynn film, henholdsvis. Selvfølgelig er det plasma en viktig funksjon i denne teknikken. Gjennom plasma forbedrede assistanse ioniserte reaktant-atomer eller molekyler som effektivt diffunderer til substratoverflaten, og deretter lett reagerer med nabo ioniserte atomer eller molekyler for å danne høy tett configuration tynn film. Som en konsekvens, kan alle prøvene utsettes for energisk ionebombardering under synteseprosessen.

På grunn av at plasma reaksjonen fortløpende som oppstår under fremstillingsprosessen, de viktigste fordelene med PECVD teknikk omfatter: (a) den nedre syntesetemperaturen, nesten alle prøver kan bli syntetisert ved lav temperatur (100-450 ° C), (b) høy sideforhold tilstand er tilgjengelig (hvis det brukes høy tetthet plasma), (c) høy avsetningshastighet, (d) RF drevet dusj med optimal gassleverings, gir jevn plasmaprosessering, (e) god tynn film overflatejevnheten, og (f) kjemisk Sammensetningen struktur kan fint kontrollert.

Imidlertid innebærer PECVD teknikk kjemisk reaksjon og høy tetthet plasma bombardement, og det har noen begrensninger og ulemper. Hele prosessen vil produsere et stort antall kjemiske og partikkelformige forurensninger, kreves forsiktig og hensiktsmessig håndtering. Høyrene gasser er nødvendige i denne teknikken, slik at begrensningen av en spesifikk forløper som DEZn som kan behandles i oppløsning. Hvis kilden ikke har evnen til å løse seg opp i noe oppløsningsmiddel for å fremstille forløper-flyktig, vil bæregassen ikke levere reagenset gass inn i kammeret for å gjøre syntesen. Dessuten, selv med høy tetthet plasma bombardement kan forbedre jevnheten og kvaliteten av tynn film av høy restspenninger vil bli opprettet som resulterer i brudd på den tynne filmen. Dessuten må denne teknikken en ekstra like eller RF-kraftforsyningssystem som fører til en litt høyere i pris sammenlignet med konvensjonell kjemisk dampavsetning (CVD).

Fremtidige Veibeskrivelse og applikasjoner

Mange prosessparametre slik som arbeidstrykk, gass-sammensetning, gasstrømningshastighet, RF-effekt, reaktant-forløper og andre er alle avhengige av hverandre for syntetisering av tynne filmer i PECVD teknikk. Bare endringen av syntesetemperaturen har blitt studert iDette presenterte forskning. Det er fortsatt mye arbeid som krever for ytterligere å undersøke begrensningene og mulighetene i denne teknikken. For eksempel kan det gass-sammensetningen variere støkiometrien til tynne filmer og arbeidstrykk kan påvirke den midlere frie veilengde av ioniserte gasser, som vil gi forskjellige tynnfilm konfigurasjon. Derfor vil det videre arbeidet krever for videre forståelse hvordan å manipulere det krystall kvalitet eller egenskaper gjennom ovennevnte parametere.

Den PECVD teknikken har vært mye brukt i produksjonen av syntesen av tynne filmer på halvledere som vanligvis krever lav prosesstemperatur. Den PECVD-metoden er blitt tillatt, og brukt til å syntetisere tynn film på polymer substrater, som også kan anvendes ved fleksible anordninger søknad. I tillegg til den lave temperaturen søknaden, har vi allerede fabrikert ikke-polart ZnO tynn film ved å øke syntesetemperaturen, som kan brukes i high-effektivitet Lys-Emitting Diode (LED) eller miljøsensorteknologi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble finansielt støttet av departementet for vitenskap og teknologi og National Science Council of Republic of China (kontrakts nos. NSC 101-2221-E-027-042 og NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei takket National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) for Dr. Shechtman Prize Award.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
RF power supply ADVANCED ENERGY RFX-600
Butterfly valve MKS 253B-1-40-1
Mass flow controller PROTEC INSTRUMENTS PC-540
Pressure controller MKS 600 series 
Heater UPGRADE INSTRUMENT CO. UI-TC 3001
Sputter gun AJA INTERNATIONAL A320-HA
DEZn 1.5M ACROS ORGANIC USA, New Jersey also called Diethylzinc (C2H5)2Zn
Spin coater  SWIENCO PW - 490
I-V measurement Keithley Model: 2400
Photocondutive measurement  Home-built
UV light sourse Panasonic ANUJ 6160
Mask aligner Karl Suss MJB4
Photoresist Shipley a Rohm & Haas company S1813
Developer Shipley a Rohm & Haas company MF319
Silicon wafer E-Light Technology Inc 12/0801
Glass substrate CORNING 1737 P-type / Boron

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Choppali, U., Kougianos, E., Mohanty, S. P., Gorman, B. P. Influence of annealing on polymeric derived ZnO thin films on sapphire. Thin Solid Films. 545, 466-470 (2013).
  2. Bedia, F. Z., et al. Effect of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray pyrolysis technique. J. Alloy. Compd. 616, 312-318 (2014).
  3. Liu, W. S., Wu, S. Y., Hung, C. Y., Tseng, C. H., Chang, Y. L. Improving the optoelectronic properties of gallium ZnO transparent conductive thin films through titanium doping. J. Alloy. Compd. 616, 268-274 (2014).
  4. Baik, K. H., Kim, H., Kim, J., Jung, S., Jang, S. Nonpolar light emitting diode with sharp near-ultraviolet emissions using hydrothermally grown ZnO on p-GaN. Appl. Phys. Lett. 103, 091107 (2013).
  5. Han, S. J., Huang, W., Shi, W., Yu, J. S. Performance improvement of organic field-effect transistor ammonia gas sensor using ZnO/PMMA hybrid as dielectric layer. Sens Actuator B-Chem. 203, 9-16 (2014).
  6. Chizhov, A. S., et al. Visible light activated room temperature gas sensors based on nanocrystalline ZnO sensitized with CdSe quantum dots. Sens Actuator B-Chem. 205, 305-312 (2014).
  7. Li, C., et al. Effects of substrate on the structural, electric and optical properties of Al-doped ZnO films prepared by radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films. 517, 3265-3268 (2009).
  8. Ellmer, K. Resistivity of polycrystalline zinc oxide films: current status and physical limit. J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 3097 (2001).
  9. Wang, F. G., et al. optical and electrical properties of Hf-doped ZnO transparent conducting films prepared by sol-gel method. J. Alloy. Compd. 623, 290-297 (2015).
  10. Senay, V., et al. ZnO thin film synthesis by reactive radio frequency magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 318, 2-5 (2014).
  11. Chi, P. W., Su, C. W., Jhuo, B. H., Wei, D. H. Photoirradiation caused controllable wettability switching of sputtered highly aligned c-axis-oriented zinc oxide columnar films. Int. J. Photoenergy. 2014, 765209 (2014).
  12. Jamal, R. K., Hameed, M. A., Adem, K. A. Optical properties of nanostructured ZnO prepared by a pulsed laser deposition technique. Mater. Lett. 132, 31-33 (2014).
  13. Kobayashi, T., Nakada, T. Effects of post-deposition on transparent conductingZnO:B thin films grown by MOCVD. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 05FA03 (2014).
  14. Chao, C. H., et al. Postannealing effect at various gas ambients on ohmic contacts of Pt/ZnO nanobilayers toward ultraviolet photodetectors. Int. J. Photoenergy. 2013, 372869-1155 (2013).
  15. Barankin, M. D., Gonzalez II, E., Ladwig, A. M., Hicks, R. F. Plasma-enhanced chemical vapor deposition of zinc oxide at atmospheric pressure and low temperature. 91, 924-930 (2007).
  16. Fons, P., et al. Uniaxial locked epitaxy of ZnO on the α face of sapphire. Appl. Phys. Lett. 77, 1801 (2000).
  17. Ko, H. J., Chen, Y., Hong, S. K., Yao, T. akafumi MBE growth of high-quality ZnO films on epi-GaN. J. Cryst. Growth. 209, 816-821 (2000).
  18. Park, D. J., Lee, J. Y., Park, T. E., Kim, Y. Y., Cho, H. K. Improved microstructural properties of a ZnO thin film using a buffer layer in-situ annealed in argon ambient. Thin Solid Films. 515, 6721-6725 (2000).
  19. Kim, M. S., et al. Nitrogen-passivation effects of Si substrates on the properties of ZnO epitaxial layers grown by using plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Korean Phys. Soc. 56, 827-831 (2010).
  20. Li, G. M., Zhang, J. W., Hou, X. Temperature dependence of performance of ZnO-based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors. Sens. Actuator A-Phys. 209, 149-153 (2014).
  21. Wang, X. F., et al. superhigh gain visible-blind UV detector and optical logic gates based on nonpolar a-axial GaN nanowire. Nanoscale. 6, 12009-12017 (2014).
  22. Inamdar, S. I., Rajpure, K. Y. High-performance metal-semiconductor-metal UV photodetector based on spray deposited ZnO thin films. J. Alloy. Compd. 595, 55-59 (2014).
  23. Tian, C. G., et al. Effects of continuous annealing on the performance of ZnO based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors. Mater. Sci. Eng. B-Adv. Funct.Solid-State Mater. 184, 67-71 (2014).
  24. Chen, H. Y., et al. Realization of a self-powered ZnO MSM UV photodetector with high responsivity using an asymmetric pair of Au electrodes. J. Mater. Chem. C. 2, 9689-9694 (2014).
  25. Subramanyam, T. K., Srinivasulu Naidu,, S,, Uthanna, S. Effect of substrate temperature on the physical properties of DC reactive magnetron sputtered ZnO films. Opt. Mater. 13, 239-247 (1999).
  26. Iwanaga, H., Kunishige, A., Takeuchi, S. Anisotropic thermal expansion in wurtzite-type crystals. J. Mater. Sci. 35, 2451-2454 (2000).
  27. Okaji, M. Absolute thermal expansion measurements of single-crystal silicon in the range 300-1300 K with an interferometric dilatometer. Int. J. Thermophys. 9, 1101-1109 (1988).
  28. Pearse, R. W. B., Lichtenberg, A. J. The identification of molecular spectra. , 4th ed, Chapman and Hall. (1976).
  29. Chao, C. H., Wei, D. H. Growth of non-polar ZnO thin films with different working pressures by plasma enhanced chemical vapor deposition. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 11RA05 (2014).
  30. Lin, B., Fu, Z., Green Jia, Y. luminescent center in undoped zinc oxide films deposited on silicon substrate. Appl. Phys. Lett. 79, 943-945 (2001).
  31. Koida, T., et al. Radiative and nonradiative excitonic transitions in nonpolar (110) and polar (000) and (0001) ZnO epilayers. Appl. Phys. Lett. 84 (110), 1079 (2004).

Tags

Engineering ZnO tynn film, plasma forbedret kjemisk damp deponering dietylsink (DEZn) sensor Pt interdigitated elektrode Ohmsk kontakt UV fotodetektor
Syntese og karakterisering av høy c-aksen ZnO Thin Film etter Plasma Enhanced Chemical Vapor Nedfall System og dens UV Fotodetektor Application
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter