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Engineering

Síntese e Caracterização de alta c-eixo ZnO Thin Film por Plasma aprimorado Chemical Vapor Deposition Sistema e sua Aplicação Photodetector 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

Neste estudo, o óxido de zinco (ZnO), películas finas com alta -axis C (0002) orientação preferencial, foram com sucesso e eficazmente sintetizado em silício (Si) substratos através de diferentes temperaturas sintetizados utilizando deposição de vapor químico de plasma melhorado sistema (PECVD). Os efeitos de diferentes temperaturas sintetizados sobre a estrutura de cristal, morfologia de superfície e propriedades ópticas têm sido investigados. A difracção de raios-X (DRX) padrões indicou que a intensidade de pico (0002) tornou-se mais forte de difracção com o aumento da temperatura até 400 sintetizado o C. A intensidade de difração (0002) tornou-se mais fraca pico gradualmente acompanhando com aparência de (10-10) pico de difração como a temperatura sintetizado até superior a 400 o C. A RT fotoluminescência (PL) espectros exibiu uma forte perto de banda-edge (NBE) emissão observada em cerca de 375 nm e uma emissão desprezível de nível profundo (DL), localizado a cerca de 575 nm under alta c -axis ZnO filmes finos. Microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FE-SEM) revelou imagens da superfície homogênea e com pequena granulometria. Os filmes finos de ZnO também foram sintetizados sobre substratos de vidro sob os mesmos parâmetros para medir a transmitância.

Para efeitos de aplicação ultravioleta (UV) fotodetector, a platina interdigitada (Pt) de filme fino (espessura ~ 100 nm) fabricada através de processo de litografia óptica convencional e de rádio frequência (RF) pulverização catódica. A fim de atingir o contacto óhmico, o dispositivo foi recozido em circunstâncias de árgon a 450 ° C por um sistema de tratamento térmico rápido (RTA) durante 10 min. Após as medições sistemáticas, a corrente-tensão (I - V) Curva de foto e resultados de resposta fotocorrente correntes dependentes do tempo e escuras exibiu uma boa responsividade e fiabilidade, o que indica que a elevada c -axis ZnO película fina é uma camada de detecção adequadofotodetector para aplicação de UV.

Introduction

ZnO é um material semicondutor funcional wide-band-gap promissor, devido às suas propriedades únicas, como alta estabilidade química, baixo custo, não-toxicidade, baixo limiar de energia para o bombeamento óptico, gap direto largo (3,37 eV) a TA e grande éxciton energia de ~ 60 meV 1-2 vinculativo. Recentemente, ZnO filmes finos têm sido utilizados em muitos campos de aplicação, incluindo óxido condutor (TCO) películas transparentes, dispositivo emissor de luz azul, transistores de efeito de campo, e sensores de gás 3-6. Por outro lado, ZnO é um material candidato a substituir o óxido de índio e estanho (ITO), devido à índio e estanho sendo rara e cara. Além disso, ZnO possui alta transmitância óptica na região de comprimento de onda visível e baixa resistividade em comparação com ITO filmes 7-8. Consequentemente, a fabricação, caracterização e aplicação de ZnO tem sido amplamente relatados. O presente estudo centra-se na síntese c -axis (0002) filmes finos de ZnO elevados por um simples umd eficaz método e sua aplicação prática no sentido de um fotodetector UV.

Os resultados recentes indicam que o relatório de pesquisa a alta qualidade do filme fino de ZnO pode ser sintetizado por várias técnicas, tais como método sol-gel, de frequência de rádio pulverização catódica, deposição química de vapor de metal orgânico (MOCVD), e assim por diante 9-14. Cada técnica tem as suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, a principal vantagem da deposição da pulverização catódica é que os materiais de destino com muito alto ponto de fusão são facilmente estalou sobre o substrato. Em contraste, o processo de pulverização catódica é difícil de combinar com um elevador-off para estruturar o filme. Em nosso estudo, o sistema de deposição de vapor químico de plasma reforçada (PECVD) foi utilizado para sintetizar alta qualidade c -axis ZnO filmes finos. Bombardeamento de plasma é um factor chave no processo de síntese que pode aumentar a densidade do filme fino e melhorar a taxa de reacção de decomposição de iões 15. DentroAdicionalmente, a taxa de crescimento elevada e uniforme a deposição de grande área são outras vantagens distintas para técnica de PECVD.

Exceto para a técnica de síntese, a boa adesão no substrato é outra questão considerada. Em diversos estudos, a safira C -Plane tem sido amplamente utilizado como o substrato para sintetizar alta C -axis ZnO filmes finos, pois o ZnO e safira tem a mesma estrutura hexagonal. No entanto, o ZnO foi sintetizado no substrato de safira exibindo morfologia de superfície áspera e altas concentrações residuais (defeito) relacionada com a portadora, devido às grandes desajustes entre a treliça ZnO e safira -Plane C (18%) orientadas na direcção no plano 16. Comparado com o substrato de safira, uma bolacha de Si é um outro substrato amplamente utilizados para a síntese de ZnO. Wafers Si têm sido amplamente utilizados na indústria de semicondutores; e, assim, o crescimento de alta qualidade ZnO filmes finos sobre substratos de Si é muito importante e necessário. Infelizmente, a estrutura cristalina e coeficiente de expansão térmica entre o ZnO e Si são, obviamente, que pode levar à deterioração da qualidade do cristal. Ao longo última década, foram feitos grandes esforços para melhorar a qualidade de ZnO filmes finos sobre substratos de Si usando vários métodos, incluindo camadas de ZnO tampão 17, recozimento em vários atmosfera de gás 18, e passivação da superfície do substrato Si 19. O presente estudo oferece com sucesso um método simples e eficaz para sintetizar alta C -axis ZnO filme fino sobre substratos de Si sem qualquer camada ou tampão de pré-tratamento. Os resultados experimentais indicaram que os filmes finos de ZnO sintetizados sob a temperatura de crescimento óptima mostrou boa cristal e qualidades ópticas. A estrutura cristalina, composição de plasma de RF, morfologia da superfície, e as propriedades ópticas dos filmes finos de ZnO foram investigados por difracção de raios-X (XRD), espectroscopia de emissão óptica (OES), Field Emission SCmicroscopia eletrônica de Anning (FE-SEM), e RT fotoluminescência (PL) espectros, respectivamente. Além disso, a transmitância de filmes finos de ZnO também foi confirmada e relatados.

A fina película de ZnO como sintetizada serviu como uma camada de detecção para a aplicação fotodetector UV também foi investigada neste estudo. O fotodetector UV tem grandes potenciais aplicações em monitoramento UV, interruptor óptico, alarme chama e sistema de aquecimento de mísseis 20-21. Há muitos tipos de fotodetectores que têm sido levadas a cabo, tais como modo negativo intrínseco positivo (pinos) e de metal-metal-semicondutor (MSM), incluindo estruturas Conexão condutora e contato Schottky. Cada tipo tem suas próprias vantagens e desvantagens. Atualmente, as estruturas de fotodetectores MSM têm atraído interesse intensiva devido ao seu excelente desempenho em responsividade, confiabilidade e tempo de resposta e recuperação 22-24. Os resultados aqui apresentados demonstram que o modo de contacto foi utilizado MSM óhmicapara fabricar fotodetector UV baseado ZnO filme fino. Tal tipo de fotodetector normalmente revela uma boa responsividade e fiabilidade, o que indica que a elevada c -axis ZnO película fina é uma camada de detecção adequado para o fotodetector UV.

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Protocol

1. Preparação do Substrato e Limpeza

  1. Cortar 10 mm substratos de silício x 10 mm a partir de Si (100) wafer.
  2. Cortar 10 mm x 10 mm substratos de vidro.
  3. Use limpeza ultra-sónica para limpar os substratos de silício e vidro com acetona durante 10 min, o álcool durante 10 min, e em seguida, isopropanol, durante 15 min.
  4. Lavar os substratos com água deionizada (DI) de água três vezes.
  5. Seque os substratos com uma arma de azoto.

2. DEZn preparação e conservação

Nota: dietilzinco (C 2 H 5) 2 Zn, também chamado DEZn, é um composto de organo zinco altamente pirofórico com um centro de zinco ligado a dois grupos etilo. Nunca trabalhe sozinho quando usar DEZn. DEZn é muito tóxico e sensíveis ao oxigênio e água, não se esqueça de colocar o DEZn perto da água. Sempre use máscaras e óculos de protecção; todos os procedimentos devem ser efectuados na capa. Mais importante ainda, DEZn não utilizada deve be armazenada num ambiente 5 ° C.

Nota: Para o primeiro uso de DEZn, siga o passo 2. Caso contrário, iniciar a experiência da etapa 3.

  1. Use seringa para extrair 30 ml DEZn da garrafa e, em seguida, injectar numa proveta colocada num cilindro de aço.
  2. Utilizar um tubo de ferro galvanizado para ligar o cilindro de aço com a câmara de reacção.
  3. Use bomba mecânica e válvula de esfera para bombear o cilindro de aço em ambiente de vácuo (para 6 Torr).
    Nota: DEZn será severamente reagir com o oxigénio, esta deve ser mantida no ambiente de vácuo.
  4. Guarde o DEZn não utilizado em um ambiente de 5 ° C.

3. PECVD Câmara Preparação e Síntese de ZnO Filmes Finos

Nota: O diagrama esquemático da deposição de vapor químico de plasma aumentada é ilustrada na Figura 1.

  1. Defina a distância de trabalho entre o eletrodo ducha e estágio da amostra em 30 mm.
    2. <li> Colocar os substratos na fase de amostra de câmara de reacção no local apropriado onde há uma distância de 3 cm da entrada DEZn.
  2. Abra a bomba rotativa e, gradualmente, abrir as válvulas de gaveta e válvulas borboleta.
  3. Aguardar até que a pressão da câmara do reactor de fundo é inferior a 30 mTorr.
  4. Feche a válvulas de gaveta e válvulas de borboleta, que se conecta à bomba rotativa.
  5. Em seguida, abra a bomba turbo e válvulas de gaveta relativos a atingir alto vácuo de 3 x 10 -6 Torr.
  6. Depois de atingir a condição de vácuo necessária, abrir o controlador de calor e aquecer a fase de amostra para a temperatura de síntese (200, 300, 400, 500, e 600 ° C durante diferentes parâmetros da experiência).
  7. Quando a temperatura ea pressão de atingir a condição necessária, feche a bomba turbo e, em seguida, abra o portão válvulas e válvula de borboleta que se conecta à bomba rotativa simultaneamente.
  8. Em seguida, abra as válvulas de entrada de gás e ligue o argônio gcomo controlador de fluxo simultaneamente.
  9. O fluxo de gás argônio (0.167 ml / seg) para a câmara.
  10. Definir a pressão da câmara a 500 mTorr.
  11. Ligue a rede RF (13,56 MHz) e gerador de correspondência, em seguida, defina a potência RF em 100 W para purgar as amostras de superfície por 15 min.
  12. Depois de terminar o expurgo de amostras, ligar a energia RF até 70 W.
  13. Em seguida, ligue a válvula controlador de gás dióxido de carbono e de entrada de gás.
  14. O fluxo de dióxido de carbono (0,5 ml / seg) para a câmara.
  15. Ajuste a pressão de trabalhar em 6 Torr.
  16. Depois a pressão da câmara atinge 6 Torr, o fluxo de alta árgon puro como gás portador (0.167 ml / seg) para a realização de dietilzinco (DEZn) para a câmara de válvula de esfera aberta e conectada à DEZn simultaneamente. Ao mesmo tempo, iniciar a síntese de filmes de ZnO.
  17. Continuar a síntese de plasma de filmes de ZnO durante 5 min.
  18. Depois que os filmes de ZnO foram sintetizados, seriatim desligar o gerador de RF, válvula de esfera, calor controller e todos os controladores de fluxo de gás, juntamente com válvulas de admissão de gás.
  19. Retire a amostra quando a temperatura estágio da amostra esfria a RT. Nota: A taxa de arrefecimento é de cerca de 1,8 ° C / min.

4. Preparação de interdigitada-como padrão em As-sintetizado ZnO Thin Film

Nota: O esquema de processo de litografia está representado na Figura 3.

  1. Utilize uma placa quente para cozer a amostra ZnO tal como sintetizada a 150 ° C durante 10 min.
  2. Colocar a amostra no dispositivo de revestimento de centrifugação, e em seguida administrar a solução líquida de material fotosensitivo (S1813) com 100 ul de ZnO sobre a amostra.
  3. Executar o revestidor de centrifugação a 800 rpm durante 10 segundos e, em seguida, acelerar a 3.000 rpm durante 30 segundos para produzir uma camada fina uniforme.
  4. Coza macio amostra ZnO revestidos por photoresist a 105 ° C durante 90 segundos.
  5. Após o cozimento-macio, usar a luz UV para expor a amostra trou-revestido photoresistgh um photomask por alinhador de máscara. O tempo de exposição é 2 segundos ea potência é de 400 W.
    Nota:. O padrão de fotomáscara é concebido como interdigitadas tipo, que é de 0,03 mm de largura e 4 mm de comprimento (14 pares) e tem um espaçamento entre eléctrodos de 0,15 mm, conforme ilustrado na Figura 2 É interessante notar que o fotossensível dadas área é 84.32 mm 2 para o detector.
  6. Após o procedimento de exposição, use uma pinça para cortar a amostra, e em seguida, mergulhar em o desenvolvedor diluída (misturar 50 ml de desenvolvedor e 150 ml de água deionizada), através de acções de balançando de um lado para outro por 35 s para obter a amostra desenvolvido.
  7. Lavar o exemplo desenvolvida com água DI e seca com azoto gasoso.
  8. Use o microscópio óptico de verificar o modelo intacto. Se não, use acetona para remover o fotorresiste e repita os passos 4.2 a 4.7 até que o padrão perfeito foi obtida.
  9. Disco cozer a amostra a 120 ° C durante 20 min.

  1. Usar o sistema de descarga eléctrica do magnetrão RF para depositar uma camada condutora fina de Pt (100 nm) sobre a parte superior da amostra desenvolvidos antes de prosseguir para procedimento de levantamento química.
  2. Defina a distância entre o alvo e o substrato em 13 mm.
  3. Use a bomba mecânica para alcançar um vácuo aproximada de 5 mTorr.
  4. Em seguida, utilizar a bomba turbocompressora para se obter um alto vácuo, de 7 x 10 -7 Torr.
  5. Aguarde até que a câmara atinge a alto vácuo, feche a bomba turbo e abrir a bomba mecânica posteriormente.
  6. O fluxo de gás árgon a 0,3 ml / seg para dentro da câmara pelo controlador de fluxo mas até que a pressão da câmara atingir a pressão de trabalho de 100 mTorr.
  7. Ligue a corrente contínua (DC) descarregar fonte de alimentação e ajustar a potência DC a 15 W por pulverização catódica o eletrodo de filme fino Pt sobre a amostra durante 25 min.
  8. Após a camada de eletrodo Pt tenha sido depositado por magnetron sputtmétodo rando, tirar a amostra da câmara.
  9. Mergulhar a amostra no líquido acetona para o processo de levantamento química por limpador ultra-sônico para remover o fotorresiste.
  10. Defina o tempo de limpeza em 1 min para remover completamente photoresist, e, em seguida, obter o eletrodo Pt interdigitada-like para o filme fino ZnO.

6. processo RTA

  1. Colocar a amostra Pt / ZnO como-fabricadas no sistema RTA.
  2. Use a bomba mecânica e válvula de gaveta para bombear para baixo a pressão da câmara RTA para 20 mTorr.
  3. Aguarde até que a pressão da câmara atinge 20 mTorr, o fluxo de gás árgon a 0,3 ml / seg para a câmara e defina a pressão de trabalho de 5 Torr.
  4. Em seguida, defina a taxa de aquecimento como 100 o C / min.
  5. Em seguida, recozer a amostra a 450 ° C durante 10 min.
  6. Uma vez recozido, espere até que a amostra resfria à temperatura ambiente, em seguida, retire a amostra.

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Representative Results

O ZnO (0002) filmes finos com elevado c -axis orientação preferencial foram sintetizados com sucesso para os substratos de Si usando o sistema de PECVD. O dióxido de carbono (CO 2) e o dietil-zinco (DEZn) foram usados ​​como precursores de oxigénio e zinco, respectivamente. A estrutura de cristal de filmes finos de ZnO foi caracterizada por difracção de raios-X (Figura 4), ​​indicando que a película fina de ZnO sintetizados a 400 ° C com o pico mais forte (0002) difracção. Quando a temperatura sintetizado aumentada até 500 ° C, o pico (0002) tornou-se mais fraca difração acompanhando com aparência de (10-10) pico de difração. Particularmente, todos os picos de difração de ZnO desaparecerá quando a temperatura sintetizado é fixado em 600 o C. A em - OES in situ foi utilizado para controlar a composição química do plasma durante o processo de ZnO sintetizado (Figura 5). Os resultados indicam que o Zn, O 2 (Figura 6A-E). A superfície homogênea e com pequena granulometria foram obtidas a 300 e 400 o C. As propriedades ópticas dos filmes finos de ZnO foram determinados por espectros de PL (Figura 7). Os resultados indicam que os filmes finos de ZnO sintetizado a 300 e 400 ° C, mostrando uma forte emissão de NBE e com uma emissão de DL negligenciável. Além disso, os desvios de emissão NBE para comprimento de onda curto, com o aumento da temperatura a partir de 300 para 600 ° C. A medição de transmitância indica que os filmes finos de ZnO sintetizados a 200, 300 e 400 ° C têm boa transparência com uma transmitância visível média superior a 80% (Figura 8A-B). Curiosamente, a transmitância diminuiu Dramatcamente quando as temperaturas foram sintetizados aumentada até mais de 500 ° C.

O desempenho do fotodetector UV combinada com ZnO película fina de Pt e eléctrodo interdigitada tem sido investigada. A partir das características, a corrente do fotodetector foi obviamente melhorada sob iluminação de luz, em comparação com a que sob condições de escuridão (Figura 9). Foi também ser observado que o I - V curvas são simétricas, reflectindo um comportamento MSM contacto óhmico entre a película fina e o eléctrodo de ZnO Pt. A resposta de foto-corrente dependente do tempo do fotodetector foi medida com desligar e ligar a luz UV (38 mW / cm 2) em cinco vezes o viés de 5V (Figura 10).

figura 1
Figura 1. Diagrama esquemático do plasma reforçada de vapor químico deposition sistema. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Diagrama esquemático do fotodetector UV baseado ZnO combinada com eletrodo Pt interdigitada. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Diagrama de fluxo do processo litográfico para Pt eléctrodo interdigitada fabricados sobre os filmes de ZnO sintetizados sobre substratos de silício. O passo (a) utiliza a placa quente para cozer a fina película de ZnO como sintetizado a 150 ° C durante 10 min para remover a humidade superficial. Passo (B) casacos de spin do fotossensíveis para ZnO de filme fino. Passo (C) macio coze a amostra ZnO revestidos por foto-resistente a 105 ° C durante 90 segundos para remover o excesso de solvente fotorresistente. Passo (D) expõe luz UV através de uma fotomáscara para 2s. Passo (E) usa o desenvolvedor para remover o fotorresiste. Passo (F) coze dura a amostra a 120 ° C durante 20 minutos para fazer uma camada de protecção mais duradoura para preparar a próxima RF magnetron sputtering. Passo (L) utiliza o RF magnetron sputtering para depositar uma camada fina de Pt na amostra desenvolvido. Passo (H) utiliza a acetona para levantar-off da amostra. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 4. raios-X padrões de difracção para os filmes finos de ZnO sintetizados a diferentes temperaturas de síntese variou de 200 a 600 ° C. de raios-X foi emitido por radiação Cu K α (λ = 1,54 Â). O ângulo de leitura foi criado a partir de 30 o e 80 o, tamanho do passo foi de 0,01 e o tempo por etapa foi de 0,15 seg. O ZnO (0002) pico de difracção está localizado no 34,24 O, ao passo que o ZnO (10-10) pico de difracção está localizado na 31.59 S. Os picos de difração vêm de outros sinais de substrato. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. In - situ espectro OES para o plasma RF durante ZnO filme fino sintetizado em 400 o C. Os dados foram confirmados de referência 28. Os sinais de picos localizados em 449, 517 e 559 nm são determinados como espécies CO. Os sinais de picos localizados a 466, 471 e 482 nm são determinadas como espécies de Zn, e 634 nm é determinada como S 2 espécies. Os sinais complicados localizados no intervalo entre 325 e 430 nm são determinadas como espécies de decomposição de DEZn. O tempo foi monitorado 7 seg. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6. Plano-view SEM imagens para os filmes finos de ZnO sintetizados em diferentes temperatu síntese res, incluindo (A) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500, e (E) 600 ° C, respectivamente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7
Figura 7. Os espectros de RT PL para os filmes finos de ZnO sintetizados a diferentes temperaturas de síntese variou de 200 a 600 o C. A medição utilizada PL 325 nm do laser de He-CD, em 100% de eficiência de potência de laser. O tempo de exposição foi de 10 seg. O intervalo de detecção foi de 325-750 nm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 8. Os espectros de transmitância óptica para os filmes finos de ZnO sintetizados a diferentes temperaturas de síntese (A) os espectros de transmitância típica medida a partir de 400 a 800 nm.; (B) valores médios de transmitância em função da temperatura de síntese. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9. I -. V características do ZnO filme fino fotodetector UV baseado fabricados A medida estava em 325 nm iluminação de luz UV com densidade de potência de 38 mW / cm 2 (curva vermelha) ea condição escuro (curva preta) e os testículos estavam em tensão de polarização de -10 V a 10 V. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 10
Figura 10. dependente do tempo de resposta para a fotocorrente do fotodetector UV baseado ZnO filme fino. A medida foi implementada mais de 5 vezes transformando Ligar / desligar círculos em viés de 5 V com luz UV (38 mW / cm 2), na qual tanto por sua vez, -na e tempo de desligamento da luz UV foram 10 seg. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

As etapas críticas e modificações

Na etapa 1, os substratos devem ser completamente limpas e os passos 1.3 a 1.5 seguido para se certificar de que não há nenhuma gordura ou contaminações orgânicos e inorgânicos sobre os substratos. Qualquer gordura ou contaminações orgânicos e inorgânicos na superfície do substrato irão reduzir significativamente a adesão da película.

Passo 2 é o procedimento mais importante antes de o processo de preparação filme ZnO. DEZn é muito tóxico e violentamente reage com a água e facilmente inflama em contacto com o ar. DEZn deve ser muito cuidadosamente injetado no cilindro de aço e, em seguida bombeado para baixo a 6 Torr imediatamente. Na etapa 3, certifique-se de que cada parâmetro experimental e etapa é concluída com precisão porque mesmo configurações ligeiramente diferentes vão levar a resultados diferentes.

Passo 4 deve ser levada a cabo num laboratório litografia e uma sala limpa para evitar a iluminação de luz UV e não-dUst-pollutionor efeitos das partículas de poluição. Na etapa 5, o poder do poder de quitação de alimentação DC deve ser levantada lentamente; caso contrário, o alvo de Pt será quebrado. No passo 6, as amostras devem ser colocados no meio da câmara de RTA para assegurar que a amostra pode ser aquecido uniformemente.

Análise de dados

A temperatura é sintetizado um parâmetro crucial para a síntese de alta qualidade C -axis ZnO película fina, porque os coeficientes de expansão térmica e efeito térmico estirpe incompatibilidade com a energia interfacial entre os filmes finos de ZnO e o substrato de Si pode afectar significativamente a orientação cristalográfica. Pode ser claramente observado a partir de padrões de XRD (Figura 4). O pico mais forte ZnO (0002) difracção foi obtido a 400 ° C, indicando que a temperatura é a temperatura óptima para a síntese sintetizado c -axis ZnO película fina no substrato de Si por método de PECVD. Com um aumento adicionalsintetizado na temperatura até 500 ° C, levando à deterioração de ZnO qualidade de cristal. Além disso, a película fina de ZnO convertido em fase amorfa quando a temperatura sintetizado foi fixada em 600 ° C. Pode-se supor que a temperatura suficientemente elevada (isto é, 400 ° C) pode fornecer energia suficiente, melhorando a capacidade de moléculas de encontrar o local estável e resulta na película fina de ZnO com alta qualidade de cristal. Simultaneamente, os defeitos comuns, incluindo vagas, intersticiais, e luxações em ZnO também são reduzidos. No entanto, o ZnO irá decompor-se em moléculas de Zn e S 2, quando a temperatura alta excessiva (isto é, 500 e 600 ° C) foi 25 empregue. Além disso, os diferentes coeficientes de expansão térmica entre o ZnO (6,7 x 10 -6 K -1) 26 película fina e Si (4,18 x 10 -6 K -1) 27 substrato a 900 K irá produzir o desfasamento str térmicaain efeito com a energia interfacial. Os fenómenos acima poderia deteriorar a qualidade de cristal de ZnO película fina, resultando na policristalino ou fase amorfa.

Para o controlo da composição química do plasma durante o processo de ZnO sintetizado, o no - análise do espectro de OES situ do plasma de RF foi realizado (Figura 5). O resultado da análise OES ilustrado que os três fortes picos de emissão de Zn apareceu em torno de 475 nm e outros picos de emissão distintos foram determinados como O 2 e CO sinais 28. Além disso, alguns picos de emissão complicados localizados no intervalo entre 325 e 430 nm são determinadas como espécies de decomposição de DEZn. As informações benéfico acima indica que o OES é um instrumento útil para a in - situ monitoramento da composição química plasma durante o processo sintetizado.

As morfologias das superfícies dos filmes finos de ZnO foram observados por FE-SEM <forte> (Figura 6A-E). Pode ser visto que o ZnO sintetizado a 300 e 400 ° C mostra densamente com grãos esféricos e com uma pequena distribuição de tamanhos de grão. Comparado com essa condição sintetizada, outros filmes finos de ZnO apresentam superfície desordenada e irregular, o que implica a policristalino ou fase amorfa. É interessante notar que as imagens SEM são consistentes com os resultados de DRX anteriores.

As propriedades ópticas foram determinadas por espectrometria de RT PL com 325 nm do laser de He-Cd. A partir da medida PL (Figura 7), todos os filmes finos de ZnO mostrar um pico forte emissão NBE localizado a cerca de 375 nm, o que é atribuído à recombinação de livre-excitons através de um processo de colisão éxciton-éxciton 29. Simultaneamente, as grandes picos de emissão DL relacionados com o defeito localizados em cerca de 575 nm, são obtidos quando as temperaturas sintetizados foram fixadas em 200 e 500 ° C. Verificou-se também que a emissão NBE tem um azul-deslocamentoa comprimentos de onda mais curtos com o aumento da temperatura sintetizado. Em geral, a emissão DL é referido que as impurezas e os vários defeitos estruturais na fase de ZnO como vaga de oxigénio e de zinco intersticial 30, e o blueshift é devido à forte tensão anisotrópica residual na película fina 31 ZnO. Por conseguinte, os resultados reflectem PL que a temperatura sintetizado pode afectar significativamente as propriedades ópticas dos filmes finos de ZnO. Entre todas as amostras de ZnO, apenas duas amostras que foram sintetizadas em 300 e 400 o C mostram um pico de emissão NBE dominado e emissão DL insignificante que acompanha a alta (0002) DRX de difração de pico.

A transparência para todos os filmes finos de ZnO sintetizados foram medidos por espectro de transmitância (Figura 8A) e o valor médio de transmitância para cada amostra de ZnO foi calculado (Figura 8B). O valor médio de transmitância de amostras de ZnO sintetizado a 200, 300 aND 400 ° C em toda a região do visível é cerca de 80%, mas as amostras sintetizadas a 500 e 600 ° C mostram uma transmitância relativamente baixa, especialmente para a amostra ZnO sintetizado a 600 o C. A razão para a transmitância da amostra ZnO reduzido sintetizado a temperatura mais elevada é ainda pouco claro até agora. No entanto, o elevado c -axis ZnO orientação preferencial com alta transparência foi obtido, indicando que o personagem poderia ser utilizado para futuros dispositivos optoelectrónicos baseados em alta transmitância de ZnO.

Como a fase de ZnO pode adsorver as moléculas de oxigénio no ambiente em geral e dessorver moléculas de oxigénio sob iluminação UV, pode ser utilizada como célula fotoeléctrica ultravioleta. As moléculas de oxigénio pode adsorver numa superfície de ZnO através da captura de electrões livres a partir da banda de condução do ZnO [O2 + e - → O 2 -], que produz uma camada de depleção perto da superfície, conduzindo a diminuir consideravelmente acondutividade do ZnO. Quando ZnO é iluminado por energia dos fótons mais de gap do ZnO (ou seja, a luz UV), pares elétron-buraco será gerada [h ʋ → e - + h +]. Estas transportadoras de pares elétron-buraco irá se mover em direção à superfície e neutralizar as moléculas de oxigênio adsorvido [+ h + O 2 - → O 2]. As moléculas de oxigénio neutralização pode facilmente desadsorver formar a superfície de ZnO, o que faz com que o aumento de condutividade significativamente. Portanto, de acordo com esta teoria, a alta C -axis ZnO película fina foi usada como uma camada de detecção para fabricar fotodetector UV. As características de detecção de UV de fabricado o Pt / ZnO fotodetector foram investigados e confirmados pela medição da I - Curva V com e sem iluminação de luz UV e fotocorrente resposta dependente do tempo (Figura 9 e 10). Um comportamento simétrica óbvio poderia ser Observed, indicando que a Conexão condutora de alta qualidade foi alcançado na interface Pt / ZnO após a pós-recozido em árgon a 450 ° C por RTA. De acordo com as medidas I - curvas V, a corrente escura é de cerca de 0,36 mA ea foto-atual é de cerca de 4,3 mA a 5 V, indicando a diferença atual entre a UV iluminado e escuras. Porque o desempenho do fotodetector UV é dependente crítica sobre seus tempos de resposta e de recuperação, foi implementada a resposta foto-corrente dependente do tempo. O tempo de resposta é usualmente definido como o tempo para se aproximar de 90% do foto-corrente máxima, e o tempo de recuperação é o tempo a decair para 10% do foto-corrente máxima. A partir da medição da resposta foto-corrente dependente do tempo, a resposta e tempo de recuperação são cerca de 3 e 9 s, respectivamente. Além disso, a luz UV foi ligado e desligado cinco vezes para testar a fiabilidade. De acordo com as medições acima, o fotodetector de UV base de ZnO mostra uma rápidoresponsividade e alta fiabilidade, o que poderia ser utilizado no desenvolvimento de potencial para aplicação fotodetector UV comercial.

Em resumo, este estudo fornece um método para sintetizar alta c -axis orientação preferencial ZnO filmes finos sobre substratos de Si por PECVD com uma multa de controle da temperatura sintetizados. O ideal c -axis ZnO filme fino foi sintetizado em 400 o C, mostrando uma característica competitiva e funcional em termos de estrutura de cristal, propriedades ópticas, e transparência para a luz visível. O fotodetector UV baseado ZnO combinada com eletrodo interdigitada Pt com Conexão condutora exibe uma responsividade rápida e de alta confiabilidade sob luz UV (38 mW cm -2) no viés de 5 V. O presente trabalho poderia ser uma valiosa direção e aplicação tanto em pesquisa e da indústria.

Potenciais benefícios e desvantagens de técnica PECVD

Plasma reforçada chemical deposição de vapor (PECVD) é uma técnica útil que tem sido utilizada para sintetizar a partir de películas finas estado de vapor para o estado sólido sobre os substratos. O plasma é geralmente originado por DC ou RF fonte de alimentação entre o eletrodo ducha normalmente usado como eletrodo superior e estágio da amostra geralmente usado como eléctrodo inferior, respectivamente. O espaço entre estes dois eléctrodos é preenchido com as reacções químicas de gases reagentes. A orientação de cristal e a composição da amostra é dependente da condição a síntese e a proporção de precursores de reagente. Por exemplo, o CO 2 e DEZn como precursores foram utilizados para proporcionar fontes de zinco e oxigénio para a síntese de ZnO película fina, respectivamente. Obviamente, o plasma é uma característica principal nesta técnica. Por meio do reforço da ajuda de plasma, átomos de reagentes ou moléculas ionizados que eficazmente difundir para a superfície do substrato, e, em seguida, facilmente reagir com átomos ou moléculas ionizados vizinhos para formar alta configuratio densan filme fino. Como uma consequência, todas as amostras podem ser expostos ao bombardeamento de iões de energia durante o processo de síntese.

Porque a reacção de plasma está a ocorrer consecutivamente durante o processo de síntese, os principais benefícios da técnica PECVD incluem: (a) a temperatura de síntese inferior, quase todas as amostras podem ser sintetizados a baixa temperatura (de 100 para 450 ° C), (b) alta condição relação de aspecto está disponível (se o uso de alto plasma densidade), (c) alta taxa de deposição, (d) RF chuveiro alimentado com a entrega de gás otimizado, oferece processamento de plasma uniforme, (e) boa uniformidade de superfície da película fina, e (f) química estrutura de composição pode ser finamente controlada.

No entanto, a técnica PECVD envolve a reacção química e bombardeamento de alta densidade no plasma, e que tem algumas limitações e inconvenientes. Todo o processo irá produzir um grande número de contaminações químicas e de partículas, e um manuseamento cuidadoso apropriada necessária. Altogases puros são necessários nesta técnica, assim que a limitação de um precursor específico, tal como DEZn que pode ser processado em solução. Se a fonte não tem a capacidade de se dissolver em algum solvente para preparar precursor volátil, o gás de suporte não vai distribuir o gás reagente no interior da câmara para fazer a síntese. Além disso, embora o bombardeamento de plasma de alta densidade pode melhorar a uniformidade e qualidade da película fina, de alta tensão residual vai ser criado resultando na ruptura da película fina. Além disso, esta técnica necessita de um sistema adicional de alimentação DC ou RF levando a um pouco mais elevada em comparação com o custo de deposição química de vapor convencional (DCV).

Direções futuras e Aplicações

Muitos parâmetros do processo tais como pressão de trabalho, composição do gás, vazão de gás, energia RF, reagente precursor e outros são todos interdependentes para a síntese de filmes finos na técnica PECVD. Apenas a mudança de temperatura de síntese foi estudado emesta apresentou uma pesquisa. Ainda há muito trabalho que exige para investigar ainda mais as limitações e capacidades nesta técnica. Por exemplo, a composição do gás pode variar a estequiometria das películas finas e pressão de trabalho poderia afectar o caminho livre médio dos gases ionizados, que permitirá obter a configuração diversa película fina. Portanto, o trabalho futuro vai necessitar para uma maior compreensão como manipular a qualidade de cristal ou propriedades por meio de parâmetros acima mencionados.

A técnica PECVD tem sido amplamente utilizado no fabrico da síntese de filmes finos sobre as semicondutores que geralmente requer baixa temperatura do processo. O método de PECVD foi permitido e utilizado para sintetizar película fina sobre os substratos de polímero, os quais também podem ser empregues em dispositivos de aplicação flexível. Além da aplicação de baixa temperatura, que já não polar fabricada de película fina ZnO através do aumento da temperatura de síntese, que poderá ser usado em high-eficiência Light-Emitting Diode (LED) ou tecnologia de sensor ambiental.

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Acknowledgments

Este trabalho teve o apoio financeiro de pelo Ministério da Ciência e Tecnologia e do Conselho Nacional de Ciência da República da China (nos contratos. NSC 101-2221-E-027-042 e NSC-101-2622 E-027-003-CC2). DH Wei graças a Universidade Nacional de Taipei of Technology (TAIPEI TECH) para o Prêmio Dr. Shechtman 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

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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).

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Engenharia Edição 104 ZnO filme fino, deposição de vapor químico de plasma reforçada dietilzinco (DEZn) sensor Pt eletrodo interdigitada Conexão condutora fotodetector UV
Síntese e Caracterização de alta c-eixo ZnO Thin Film por Plasma aprimorado Chemical Vapor Deposition Sistema e sua Aplicação Photodetector UV
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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).

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