Waiting
Login processing...

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

Engineering

Синтез и характеристика высокого C-оси ZnO тонкой пленки по плазмостимулированного химического осаждения системы и ее УФ фотодетектор приложение

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

В этом исследовании, оксид цинка (ZnO) тонких пленок с высокой гр ось (0002) преимущественной ориентации были успешно и эффективно синтезированы на кремниевые (Si) подложках с помощью различных синтезированных температурах с помощью усиленного плазмой химического осаждения паров (PECVD) системы. Эффекты различных синтезированных температур на кристаллической структуры, морфологии и поверхности оптических свойств были исследованы. Рентгеновский дифракционный (XRD) показал, что образцы интенсивность (0002) дифракционного пика не стали сильнее с увеличением синтезированного температуре до 400 о С. Интенсивность дифракции (0002) пика постепенно слабее сопровождая появление (10-10) дифракционного пика как синтезированного температуре до свыше 400 о С. РТ фотолюминесценции (ФЛ) выставлены сильные около-Band-ребро (NBE) выбросов наблюдается около 375 нм и незначительным глубоких уровней (DL) излучения находится в пределах 575 нм ундэ высоким с ось ZnO тонких пленок. Поле сканирования выбросов электронная микроскопия (СЭМ-FE) изображения показали однородную поверхность и с небольшим гранулометрического. Тонких пленок ZnO также были синтезированы на стеклянные подложки при тех же параметров для измерения пропускания.

Для ультрафиолетового (УФ) фотодетектора применения, гребенчатой ​​платины (Pt), тонкую пленку (толщина ~ 100 нм) с помощью изготовленных обычной оптической литографии и процесса радиочастотной (РЧ) магнетронного распыления. Для того чтобы достичь омический контакт, устройство отжигали в аргоне при 450 обстоятельствах ° С с помощью быстрого термического отжига (RTA) системы в течение 10 мин. После систематических измерений, ток-напряжение (I - V) кривая фото и темнового тока и нестационарных результатов реагирования фототока выставлены хорошую чувствительности по надежности и, указывая, что высокий C ось ZnO тонкой пленки является подходящим зондирования слойУФ применения фотодетекторов.

Introduction

ZnO является многообещающей широкозонных разрыв функциональный полупроводниковый материал благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая химическая стойкость, низкая стоимость, нетоксичность, низким порогом мощности для оптической накачки, широкий прямой запрещенной зоны (3,37 эВ) при комнатной температуре и большой экситона энергия связи ~ 60 мэВ 1-2. Недавно, ZnO тонких пленок были использованы во многих областях применения, включая прозрачные проводящего оксида (ТСО) фильмов, синий светоизлучающий устройств, полевые транзисторы, датчика газа 3-6. С другой стороны, ZnO является кандидатом материал, чтобы заменить оксид индия-олова (ITO), вследствие индия и олова являются редкими и дорогими. Кроме того, ZnO обладает высокой оптическое пропускание в видимой области длин волн и низким удельным сопротивлением по сравнению с ITO пленок 7-8. Соответственно, изготовление, характеристика и применение ZnO широко сообщалось. Настоящее исследование посвящено синтеза высокие с -Axis (0002) ZnO тонких пленок с помощью простого апD эффективно метод и его применение к практической УФ фотодетектор.

Последние данные показывают, Research Report, что высокое качество ZnO тонкой пленки может быть синтезирован различными способами, такими, как золь-гель методом, радиочастотного магнетронного распыления, осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы (химическое MOCVD), и так далее 9-14. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Например, принципиальное преимущество распыления осаждения является то, что целевые материалы с очень высокой температурой плавления являются легко напыляют на подложку. В противоположность этому, процесс распыления трудно сочетать с отрывом для структурирования пленку. В нашем исследовании, плазма усиливается химического осаждения паров (ПХО) система была использована для синтеза высокого качества гр ось ZnO тонких пленок. Плазменные бомбардировка является ключевым фактором в процессе синтеза, что позволяет увеличить плотность пленки тонким и повышения скорости реакции ионного разложения 15. ВКроме того, высокие темпы роста и большой площади равномерным осаждения и другие отличительные преимущества для техники PECVD.

Для техники синтеза исключением, то хорошей адгезией на подложку является еще одним рассматриваемому вопросу. Во многих исследованиях с плоскости сапфира широко используется в качестве подложки для синтеза высокого C ось ZnO тонких пленок, потому что ZnO и сапфир имеют тот же гексагональную структуру решетки. Тем не менее, ZnO, был синтезирован на сапфировой подложке, проявляющего грубую морфологию поверхности и высокие остаточные (дефект), связанной с концентрации носителей из-за большого решетки неудачников между ZnO и с-плоскости сапфира (18%), ориентированных в направлении 16 в плоскости. По сравнению с сапфировой подложке, кремниевую пластину еще один широко используемый субстрат для синтеза ZnO. Si пластины были широко используется в полупроводниковой промышленности; и, таким образом, рост качественных ZnO тонких пленок на кремниевых подложках является очень важным и необхоСары. К сожалению, кристаллическая структура и коэффициент термического расширения между ZnO и Si, очевидно отличается приводит к ухудшению качества кристалла. За последнее десятилетие, большие усилия были сделаны, чтобы улучшить качество ZnO тонких пленок на кремниевых подложках с помощью различных методов, включая ZnO буферных слоев 17, отжига в атмосфере газообразного различной 18 и пассивации поверхности кремниевой подложки 19. Данное исследование успешно предложен простой и эффективной способ синтеза высокого C ось ZnO тонкой пленки на кремниевых подложках без буферного слоя или предварительной обработки. Результаты эксперимента показали, что тонкие пленки ZnO, синтезированных в соответствии с оптимальной температурой роста показали хорошую кристалл и оптические свойства. Кристаллическая структура, состав РФ плазмы, морфология поверхности и оптические свойства ZnO тонких пленок были исследованы с помощью рентгеновской дифракции (XRD), оптической спектроскопии эмиссии (OES), SC выбросов полеСканирование электронной микроскопии (FE-SEM) и RT фотолюминесценции (ФЛ), соответственно. Кроме того, коэффициент пропускания ZnO тонких пленок была также подтверждена и сообщает.

Что синтезированный ZnO тонкой пленки служил зондирования слой для УФ фотоприемников применения также изучалось в данном исследовании. УФ фотодетектор имеет большие потенциальные приложения в УФ-мониторингу, оптический переключатель, пламя сигнализация, и система противоракетной потепления 20-21. Есть много типов фотоприемников, которые были проведены, например, положительную внутреннюю отрицательной (контактный режим) и металл-полупроводник-металл (МСМ) структур, включая Токопроводящее и контакта Шоттки. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. В настоящее время, МСМ фотоприемников структуры привлекают интерес интенсивной из-за их выдающуюся производительность в чувствительность, надежность и реагирования и время восстановления 22-24. Результаты, представленные здесь, показали, что режим контакт МСМ Омическая работалдля изготовления тонкой пленки ZnO основе УФ фотоэлемента. Такого рода фотодетектора, как правило, показывает хорошее чувствительности по надежности и, указывая, что высокий C ось ZnO тонкой пленки является подходящим зондирования слой УФ фотоприемника.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка основания и чистка

  1. Вырезать 10 мм х 10 мм кремниевых подложек из Si (100) подложке.
  2. Вырезать 10 мм х 10 мм стеклянных подложек.
  3. Использование ультразвуковой очистки, чтобы очистить кремния и стеклянные подложки с ацетоном в течение 10 мин, спирт в течение 10 мин, а затем изопропанол в течение 15 мин.
  4. Промыть субстратов с деионизированной (ДИ) воды три раза.
  5. Сушить субстратов с ружьем азота.

2. DEZn Подготовка и консервация

Примечание: диэтилцинк (С 2 Н 5) 2 Zn, также называемый DEZn, является весьма пирофорное цинкорганическое соединение, состоящее из цинкового центра, связанного с двумя этильных групп. Никогда не работайте в одиночку при использовании DEZn. DEZn очень токсичны и чувствительны к кислороду и воде, убедитесь, что не размещать DEZn рядом с водой. Всегда надевайте защитные маски и защитные очки; все процедуры должны выполняться в капюшоне. Самое главное, не использовался DEZn должны бе хранится в 5 ° С среде.

Примечание: Для первого использования DEZn, выполните Шаг 2. Если нет, начать эксперимент с шага 3.

  1. Использование шприц, чтобы вытянуть 30 мл DEZn из бутылки, а затем вводят в химический стакан, помещенный в стальной цилиндр.
  2. Использование оцинкованного железа трубу для соединения стальной цилиндр с реакционной камерой.
  3. Используйте механический насос и шаровой кран для откачки стальной цилиндр в вакуумной среде (до 6 мм рт.ст.).
    Примечание: DEZn будет серьезно реагировать с кислородом, он должен быть сохранен в вакуумной среде.
  4. Храните неиспользованную DEZn в 5 ° С среде.

3. ПХО палата Подготовка и синтез тонких пленок ZnO

Примечание: схема плазменного химического осаждения из паровой фазы изображен на рисунке 1.

  1. Установите рабочее расстояние между насадкой электродом и стадии образца при 30 мм.
    2. <Li> Поместите субстраты на стадии образца реакционной камеры в надлежащем месте, где есть 3 см расстояния от входа DEZn.
  2. Откройте роторный насос и постепенно открыть задвижки и дроссельный клапан.
  3. Подождите, пока остаточное давление в камере реактора не ниже, чем 30 мТорр.
  4. Закрыть задвижки и дроссельный клапан, который подключается к роторным насосом.
  5. Затем откройте турбонасоса и относительные задвижки достичь высокого вакуума 3 х 10 -6 Торр.
  6. После достижения необходимого вакуума состояние, открыть контроллер жары и предметный столик с температурой синтеза (200, 300, 400, 500, 600 и ° С для различных параметров эксперимента).
  7. Когда температура и давление достигают необходимое условие, закрыть турбонасоса, а затем открыть задвижки и дроссельный клапан, который подключается к роторным насосом одновременно.
  8. Затем откройте впускные клапаны газа и включите аргона гкак регулятор потока одновременно.
  9. Поток аргон (0,167 мл / сек) в камере.
  10. Установите давление в камере до 500 мТорр.
  11. Включите РФ (13,56 МГц) генератора и соответствующие сети, а затем установите ВЧ-мощность в 100 Вт для очистки поверхности образцы в течение 15 мин.
  12. После окончания продувки образцов, включите ВЧ-мощность до 70 Вт
  13. Далее, включите контроллера углекислый газ и впуска газа клапаном.
  14. Поток диоксида углерода (0,5 мл / сек) в камеру.
  15. Установите рабочее давление в 6 Торр.
  16. После того, как давление в камере достигает 6 тор, поток высокой чистый аргон как газ-носитель (0,167 мл / с) в течение проведения диэтилцинк (DEZn) в камеру и открытым шаровым клапаном, подключенного к DEZn одновременно. В то же время, начать синтез пленок оксида цинка.
  17. Продолжить синтез в плазме ZnO фильмов в течение 5 мин.
  18. После ZnO фильмы были синтезированы, по порядку выключить генератор РФ, шаровой кран, тепла конTroller и все контроллеры расхода газа вместе с впускным газа клапанов.
  19. Выньте образец, когда температура образца этап остывает до комнатной температуры. Примечание: скорость охлаждения примерно 1,8 ° С / мин.

4. Подготовка гребенчатой-как шаблон на синтезированного ZnO ​​тонкой пленки

Примечание: Схема процесса литографии изображен на рисунке 3.

  1. Используйте горячую плиту, чтобы выпекать в синтезированного образца ZnO при 150 ° С в течение 10 мин.
  2. Поместите образец на спин нанесения покрытий, а затем дозировать жидкий раствор фоторезиста (S1813) с 100 мкл на образец ZnO.
  3. Запустите спин нанесения покрытий при 800 оборотах в минуту в течение 10 сек, а затем ускорится до 3000 оборотов в минуту в течение 30 сек до получения равномерно тонким слоем.
  4. Мягкая печет фоторезиста покрытием ZnO образца при 105 ° С в течение 90 сек.
  5. После мягкой выпечки, используйте ультрафиолетовый свет, чтобы разоблачить фоторезиста покрытием образец полукомбинезоныGH фотомаски по маске выравнивателя. Время экспозиции 2 сек, а мощность 400 Вт
    Примечание:. Структура фотошаблона выполнен в виде гребенчатой ​​типа, который составляет 0,03 мм в ширину и 4 мм в длину (14 пар) и имеет интервал между электродами 0,15 мм, как показано на рисунке 2 Стоит отметить, что общая светочувствительного площадь 84,32 мм 2 для детектора.
  6. После процедуры экспозиции, использование пинцета клип образца, а затем погрузиться в разбавленном разработчика (смешайте 50 мл разработчика и 150 мл деионизированной воды) через действия размахивая из стороны в сторону в течение 35 лет, чтобы получить развитую образца.
  7. Промыть разработанный образец с дистиллированной водой и высушивают азотом.
  8. Используйте оптический микроскоп, чтобы проверить шаблон без изменений. Если нет, используйте ацетон для удаления фоторезиста и повторите шаги 4.2 до 4.7, пока не было получено идеальный образец.
  9. Жесткий выпекать при 120 пробы ° С в течение 20 мин.

  1. Использование системы магнетронным методом для нанесения тонкого проводящего слоя Pt (100 нм) в верхней части разработанного образца, прежде чем приступить к химическому процедуры литографии.
  2. Установите расстояние между мишенью и подложкой на 13 мм.
  3. Используйте механический насос для достижения низкого вакуума 5 мторр.
  4. Затем с помощью турбонасос чтобы получить высокий вакуум 7 × 10 -7 торр.
  5. Подождите, пока камера не достигнет высокого вакуума, закройте турбонасоса и открыть механический насос в дальнейшем.
  6. Не текут газ аргон в 0,3 мл / сек в камеру с помощью контроллера Mas потока до давления в камере достигнет рабочего давления 100 мторр.
  7. Включите постоянного тока (DC) осуществляет питание и установить власть DC при 15 Вт напыления Pt тонкопленочный электрод на образец в течение 25 мин.
  8. После электродный слой Pt сдан магнетронного sputtметод тч, вынуть образец из камеры.
  9. Погрузитесь образец в ацетон жидкости для химического процесса литографии ультразвуковой очиститель для удаления фоторезиста.
  10. Установите время очистки на 1 мин тщательно удалить фоторезиста, а затем получить на гребенчатой-как Pt электрода на тонкой пленке ZnO.

6. Процесс ДТП

  1. Поместите в панельном Pt / ZnO образца в системе RTA.
  2. Используйте механический насос и задвижки для откачки давление RTA камеры 20 мторр.
  3. Подождите, пока давление в камере не достигнет 20 мторр, течь газ аргон в 0,3 мл / сек в камеру и установите рабочее давление 5 мм рт.
  4. Далее, установите скорость нагрева, как 100 ° С / мин.
  5. Затем отжига образца при 450 ° С в течение 10 мин.
  6. После того, как отжигают, подождите, пока образец не остынет до комнатной температуры, а затем взять из образца.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ZnO (0002) тонких пленок с высокой C ось предпочтительным ориентации были успешно синтезированы на подложках Si в используя систему PECVD. Диоксид углерода (СО 2) и диэтилцинк (DEZn) были использованы в качестве кислорода и цинка предшественников, соответственно. Кристаллическая структура ZnO тонких пленок характеризуется рентгеновской дифракции (рис 4), что указывает на тонкую пленку ZnO синтезировали при 400 ° С с самым сильным (0002) дифракционного пика. Когда синтезируется температура повышалась до 500 о С, (0002) дифракционного пика стала слабее сопровождая появление (10-10) дифракционного пика. В частности, все дифракционные пики ZnO исчезнет, ​​когда синтезированный температура устанавливается на 600 о С. Число в - месте OES был использован для мониторинга химического состава плазмы во время синтезированной процесса ZnO (рисунок 5). Результаты показывают, что Zn, O 2, температурах (6А-Е). Гомогенный поверхности и с небольшим гранулометрического были получены при 300 и 400 о С. Оптические свойства тонких пленок ZnO были определены спектры ФЛ (рис 7). Результаты показывают, что пленки ZnO тонких синтезированы при 300 и 400 ° С, показывающий сильное излучение NBE и с незначительным излучением DL. Кроме того, выбросов сдвиги NBE к короткой длиной волны при увеличении температуры от 300 до 600 о С. Измерение пропускания указывает, что тонкие пленки ZnO, синтезированные при 200, 300 и 400 ° С имеют хорошую прозрачность со средним коэффициентом пропускания видимого выше, чем 80% (8А-В). Интересно, что коэффициент пропускания отказался dramatчески, когда синтезированные температура была увеличена до более 500 о С.

Производительность УФ фотоприемника в сочетании с ZnO тонкой пленки и Pt-штыревой электрод был исследован. Из характеристик, ток фотодетектора, очевидно, усиливается при легкой подсветкой, по сравнению с той в условиях низкой освещенности (рис 9). Было также отметить, что в I - V кривые симметричны, отражающие контактную поведение МСМ омическое между тонкой пленкой ZnO и электрода Pt. Время зависит от фото-отклик тока фотоприемника измерялась выключения и включения УФ-светом (38 мВт / см 2) в пять раз в предвзятости 5В (Рисунок 10).

фигура 1
Рисунок 1. Принципиальная схема плазмостимулированного химических паров DСистема eposition. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2
Рисунок 2. Принципиальная схема на основе ZnO, УФ фотодетектор в сочетании с Pt-гребенчатой ​​электродом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Блок-схема процесса литографической Pt-штыревой электрод изготовленного на пленок оксида цинка, синтезированных на кремниевых подложках. Стадию (а) использует плитой печь синтезированного ZnO тонкой пленки при 150 ° С в течение 10 мин, чтобы удалить поверхностную влажность. Стадия (б) спиновые пальто фоторезиста на ZnO тонкой пленки. Шаг (С) мягкая печет фоторезиста покрытием ZnO образца при 105 ° С в течение 90 сек, чтобы удалить избыток фоторезиста растворитель. Шаг (D) подвергает ультрафиолетовый свет через фотошаблон для 2s. Шаг (Е) использует проявитель для удаления фоторезиста. Шаг (F) трудно печет образца при 120 ° С в течение 20 мин, чтобы сделать более прочный защитный слой для подготовки следующего РФ магнетронного распыления. Шаг (G) использует РЧ магнетронного распыления для нанесения тонким слоем Pt на развитой образца. Шаг (Н) использует ацетон отрыва образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

_upload / 53097 / 53097fig4.jpg "/>
Рисунок 4. Рентгеновские дифрактограммы для тонких пленок ZnO, синтезированных при различных температурах синтеза в диапазоне от 200 до 600 о С. рентген был испускаемого Cu K альфа-излучения (λ = 1,54 Å). Угол сканирования был установлен с 30 ° до 80 о, размер шага 0,01 вывода и время на шаг 0,15 сек был. ZnO (0002) дифракционного пика находится на 34.24 О, в то время как ZnO (10-10) дифракционного пика находится на 31.59 о. Остальные дифракционные пики приходят из сигналов подложки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. - месте OES спектра РФ плазмы при ZnO тонкой пленки, синтезированного при 400 о С. Данные подтвердили с ссылкой 28. Пики сигналов, расположенных на 449, 517 и 559 нм определяется как совместное видов. Пики сигналов, расположенные на 466, 471 и 482 нм, определяются видов Zn, и 634 нм определяется как O 2 видов. Сложные сигналы, расположенные в интервале между 325 и 430 нм, определяются видов разложения DEZn. Контролируемый раз был 7 сек. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6
Рисунок 6. Самолет с видом SEM изображения для тонких пленок ZnO, синтезированных при различных синтеза temperatu разрешения, в том числе (А) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500, и (E) 600 ° С, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 7
Рисунок 7. RT спектры ФЛ для пленок ZnO тонких синтезированных при различных температурах синтеза в диапазоне от 200 до 600 о С. PL измерений использовали 325 нм He-Cd-лазера при 100% -ной эффективности лазерной мощности. Время экспозиции 10 сек. Дальность обнаружения была от 325 до 750 нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

YS "> Рисунок 8
Рисунок 8. Оптические спектры пропускания для тонких пленок ZnO, синтезированных при различных температурах синтеза (А) Типичные спектры пропускания измеряется оптическая от 400 до 800 нм. (B) средние значения пропускания в зависимости от температуры синтеза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 9
Рисунок 9. Я -. V характеристики изготовленного ZnO тонкой пленки на основе УФ-фотоприемник Измерение под 325 нм УФ освещения с плотностью мощности 38 мВт / см 2 (красная кривая) и темном состоянии (черная кривая), и яички были при напряжении смещения от -10 В до 10 В. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 10
Рисунок 10. Временная зависимость фототока для ZnO тонкой пленки на основе УФ-фотодетектор. Измерение осуществляться в течение 5 раз поворачивая включения / выключения круги на смещении 5 V в УФ-свете (38 мВт / см 2), в котором оба поворот -на и время выключения УФ света были 10 сек. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Критические шаги и модификации

В шаге 1, субстраты должны быть тщательно очищены и шаги 1,3 до 1,5 с последующим чтобы убедиться, что нет смазки или органические и неорганические загрязнения на подложках. Любой жир или органические и неорганические загрязнения на поверхности подложки будет значительно уменьшить адгезию пленки.

Шаг 2 является наиболее важной процедурой до процесса подготовки фильма ZnO. DEZn очень токсичны и сильно реагирует с водой и легко воспламеняется при контакте с воздухом. DEZn должны быть очень тщательно вводят в стальной цилиндр, а затем перекачивается до 6 Торр немедленно. В шаге 3, убедитесь, что каждая экспериментальная параметр и шаг аккуратно заполнены, потому что даже немного разные настройки приводят к разным результатам.

Шаг 4 должны выполняться в литографии лабораторных и чистом помещении, чтобы избежать не-УФ света для освещения и dУсть-pollutionor эффекты частиц загрязнения. В шаге 5, мощность разряда постоянного тока питания должен быть поднят медленно, В противном случае цель Pt будет нарушена. На стадии 6, образцы должны быть помещены в середине камеры БТО, чтобы гарантировать, что образец может быть равномерно нагревается.

Анализ данных

Синтезированный температура является важным параметром для синтеза высокого качества гр ось ZnO тонкую пленку, потому что коэффициенты теплового расширения и теплового несоответствие эффект деформации с межфазной энергии между ZnO тонких пленок и кремниевой подложки может существенно повлиять на кристаллографической ориентации. Это можно ясно наблюдать с рентгенограммы (рис 4). Самый сильный пик ZnO (0002) дифракции получали при 400 ° С, что указывает, что температура является оптимальной температуры синтезированы синтеза гр ось ZnO тонкой пленки на кремниевой подложке методом PECVD. При дальнейшем увеличениив синтезированной температуре до 500 ° С, что приводит к ухудшению качества кристаллов ZnO. Кроме того, пленка ZnO тонкой преобразуется в аморфной фазе, когда температура синтезированы была установлена ​​на уровне 600 о С. Можно предположить, что достаточно высокой температуре (т.е., 400 ° С) может обеспечить достаточную энергию, повышения способности молекул, чтобы найти стабильный сайт и в результате тонкой пленки ZnO с высоким качеством кристалла. Одновременно, общие дефекты в том числе вакансий, межузельных и дислокаций в ZnO также снижается. Тем не менее, ZnO, будет разлагаться в Zn и O 2 молекул при повышенном высокая температура (т.е., 500 и 600 ° С) был использован 25. Кроме того, различные коэффициенты теплового расширения между ZnO (6,7 х 10 -6 К -1) 26 тонкой пленки и Si (4,18 х 10 -6 К -1) 27 подложки при 900 К даст несоответствие тепловой улЭффект Аин межфазной энергии. Вышеуказанные явления могут ухудшить качество кристалла ZnO тонкой пленки, в результате чего поликристаллические или аморфной фазы.

Для контроля химического состава плазмы в течение ZnO синтезированного процесса, в - месте OES спектральный анализ РФ плазмы осуществляется (рисунок 5). Результат анализа показал, что OES три сильные Zn пики выбросов появились примерно 475 нм и другие различные пики выбросов были определены как O 2 и CO сигналов 28. Более того, некоторые сложные пики выбросов, расположенные в интервале между 325 и 430 нм, определяются видов разложения DEZn. Выше выгодно информация указывает, что ОЭС является полезным инструментом для в - месте мониторинга химического состава плазмы во время синтезированной процесса.

Поверхностные морфологии тонких пленок ZnO наблюдались FE-SEM <сильный> (6А-Е). Видно, что ZnO синтезировали при 300 и 400 ° С показывают плотно упакованных сферических зерен с и с небольшим гранулометрического. По сравнению с этой синтезированном состоянии, другие ZnO тонких пленок обладают беспорядочный и неровную поверхность, подразумевая поликристаллический или аморфную фазу. Стоит отметить, что изображения SEM согласуются с предыдущими результатами РФА.

Оптические свойства определялись РТ спектре ФЛ с 325 нм He-Cd-лазера. Из измерения PL (рис 7), все ZnO тонких пленок показывают сильную пик излучения NBE, расположенный примерно в 375 нм, что объясняется рекомбинацией свободных экситонов через экситон-экситонного процесса столкновения 29. Одновременно широкие дефектов, связанных с DL пики выбросов расположена примерно 575 нм получают, когда температура, синтезированные были установлены на 200 и 500 о С. Установлено также, что излучение НБЭ имеет синий сдвигв коротковолновую при увеличении температуры синтезированы. В целом, выброс DL упоминается примесей и различных структурных дефектов в фазе ZnO, таких как вакансии кислорода и цинка интерстициального 30, и синее смещение связано с сильной анизотропной деформации остаточного в тонкой пленке ZnO 31. Таким образом, результаты отражают PL, что синтезированный температура может значительно влиять на оптические свойства ZnO тонких пленок. Среди всех образцов ZnO, только два образца, которые были синтезированы при 300 и 400 ° С показывают доминируют NBE пик излучения и незначительное излучение, сопровождающее DL высокий (0002) РСА пик дифракции.

Прозрачность для всех синтезированных ZnO тонких пленок были измерены с помощью пропускания спектра (фиг.8А) и средним значением коэффициента пропускания для каждого образца ZnO был рассчитан (8В). Среднее значение пропускания образцов ZnO синтезируются в 200, 300й 400 ° С в всей видимой области составляет около 80%, но образцы синтезированного при 500 и 600 ° С показывают относительно низкий коэффициент пропускания, особенно для образца ZnO, синтезированного при 600 о С. Причиной пониженной пропускания ZnO образца, синтезированного при более высокой температуре не остается неясным до сих пор. Однако высокая C ось ориентации преимущественное ZnO с высокой прозрачностью был получен, указывая, что персонаж может быть использован для будущих высокого пропускания ZnO основе оптико-электронных приборов.

Поскольку ZnO фазы может адсорбировать молекулы кислорода в окружающей среде и десорбции молекул кислорода под действием УФ-освещении, он может быть использован в качестве УФ-фотоприемник. Молекулы кислорода может адсорбировать на поверхности ZnO в захватив свободные электроны из зоны проводимости ZnO [O 2 + е - → O 2 -], что дает истощение слоя вблизи поверхности, что приводит к значительно уменьшитьпроводимость ZnO. Когда ZnO освещается энергии фотонов более ширины запрещенной зоны ZnO (т.е. УФ), электронно-дырочные пары будут генерироваться [ч ʋ → электронной - + H +]. Эти перевозчики из электронно-дырочных пар будет двигаться к поверхности и нейтрализации адсорбированных молекул кислорода [Н + + О 2 - → O 2]. Молекулы кислорода нейтрализации можете легко десорбции образуют поверхность ZnO, что делает увеличение проводимости существенно. Таким образом, согласно этой теории, высокий C ось ZnO тонкой пленки была использована в качестве чувствительного слоя для изготовления УФ фотодетектор. Характеристики УФ-детектирование изготовленного Pt / ZnO фотодетектора были исследованы и подтверждены путем измерения I - V кривой с и без УФ-света для освещения и нестационарного ответ фототока (рис 9 и 10). Очевидным симметрично поведение может быть оbserved, что указывает на высокое качество Токопроводящее была достигнута на поверхности Pt / ZnO после пост-отжигают в атмосфере аргона при 450 ° С с помощью RTA. В соответствии с измеренными I - V кривых, темновой ток примерно 0,36 мА и фото-ток около 4,3 мА при 5 В, что указывает на текущую разницу между УФ освещенной и темном состоянии. Поскольку производительность УФ фотодетектор имеет решающее значение зависит от его реагирования и восстановления, время-зависимый ответ фототок был реализован. Время отклика, как правило, определяется как время, чтобы подойти к 90% от максимальной фототока, и время восстановления время распадаться до 10% от максимального фототока. Из времени зависит измерения отклика фото тока, реакция и время восстановления около 3 и 9 лет, соответственно. Кроме того, ультрафиолетовый свет был включен и выключен в пять раз для проверки надежности. В соответствии с вышеуказанными измерениям, на основе ZnO, УФ фотодетектор показывает быстрыйчувствительность и высокая надежность, которые могут быть использованы в развитие потенциала для коммерческого применения УФ фотоприемников.

Таким образом, это данное исследование относится к способу синтеза высокого C ось преимущественной ориентации ZnO тонкой пленки на кремниевых подложках с PECVD с тонкой контролем синтезированного температуре. Оптимальное C ось ZnO тонкой пленки был синтезирован при 400 ° С, показывающий конкурентное и функциональную характеристику с точки зрения кристаллической структуры, оптических свойств и прозрачности для видимого света. Основанный УФ фотодетектор ZnO в сочетании с Pt-гребенчатой ​​электродом с омическим контактом имеет быстрый чувствительности по и высокую надежность в УФ-свете (38 мВт см -2) на смещении 5 В. Данная работа может быть ценным направление и применение в научной и промышленности.

Потенциальные Преимущества и недостатки PECVD техники

Плазмостимулированного Chemосаждение паров скую (ПХО) является полезным методом, который был использован для синтеза тонких пленок из паров государства в твердом состоянии на подложках. Плазма, как правило, возник по DC или РФ питания между электродом душ обычно используется в качестве верхнего электрода и стадии образца, как правило, используется в качестве нижнего электрода, соответственно. Пространство между этими двумя электродами заполнено химических реакций из газообразных реагентов. Ориентации кристалла и состав образца зависит от состояния синтеза и соотношения реагентов предшественников. Например, DEZn и СО 2 в качестве предшественников были использованы для обеспечения цинка и кислорода источники синтеза ZnO тонкой пленки, соответственно. Очевидно, что плазма является главной особенностью в этой технике. Через усиленного плазмой помощи, ионизированные атомы или молекулы реагентов, которые эффективно диффундировать к поверхности подложки, а затем легко реагируют с соседними ионизированных атомов или молекул с образованием густой высокой configuratioп тонкая пленка. Как следствие, все образцы могут быть подвержены энергетической ионной бомбардировки в процессе синтеза.

Поскольку реакция плазмы последовательно происходит в процессе синтеза, основные преимущества метода PECVD включают: (а) более низкую температуру синтеза, почти все образцы могут быть синтезированы при низкой температуре (от 100 до 450 ° С), (б) высокой соотношение условие доступно (если использование высокой плотности плазмы), (в) высокой скорости осаждения, (d) РФ батареях душ с оптимизированной поставки газа, обеспечивает обработку однородной плазме, (е) хороший тонкий поверхность пленки однородность, и (е) химическое Структура композиция может быть тонко контролировать.

Тем не менее, метод включает в себя ПХО химическую реакцию и высокую плотность плазмы бомбардировку, и она имеет некоторые ограничения и недостатки. Весь процесс будет производить большое количество химических и твердых частиц загрязнений, требует тщательного и надлежащего обращения. Высокаячистые газы необходимы в этой технике, поэтому ограничение конкретной предшественника, такого как DEZn который может быть обработан в растворе. Если источник не имеет способность растворять в некотором растворителе для приготовления летучих предшественника, газ-носитель не будет доставлять газа-реагента в камеру, чтобы сделать синтез. Кроме того, хотя высокой плотности плазмы бомбардировка может улучшить однородность и качество тонкой пленки, высокая остаточных напряжений будет создан в результате разрыва тонкой пленки. Кроме того, этот метод нуждается в дополнительной системы питания постоянного тока или РЧ, ведущий к немного выше стоимости по сравнению с обычным химическим осаждением из газовой фазы (CVD).

Будущие направления и применения

Многие параметры процесса, такие как рабочее давление, состав газа, расхода газа, мощности ВЧ, реагента предшественника и других все взаимозависимы синтеза тонких пленок в технике PECVD. Только изменение температуры синтеза была изучена вэто представлено исследование. Существует еще много работы, требующей дальнейшего исследования ограничения и возможности в этой технике. Например, состав газа может варьироваться стехиометрии тонких пленок и рабочее давление может повлиять на длину свободного пробега ионизированных газов, которые принесут разнообразный тонкий конфигурацию пленки. Таким образом, будущая работа потребует дальнейшего понимания, как управлять качеством кристалл или свойства с помощью упомянутых выше параметров.

Методика ПХО широко используется в производстве синтез тонких пленок на полупроводниках, которые, как правило, требует низкой температуры процесса. Способ ПХО было разрешено и используется для синтеза тонкой пленки на полимерных подложках в, которые также могут быть использованы в гибком применении устройств. В дополнение к применению низких температур мы уже изготовлены неполярный ZnO тонкой пленки при увеличении температуры синтеза, которые могут быть использованы в HIGч-эффективность светодиодных (LED) или экологические технологии датчика.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Эта работа была выполнена при финансовой поддержке из Министерства науки и техники и Национального научного совета Китайской Народной Республики (контракт пп. НСК 101-2221-E-027-042 и 101-2622 НСК-Е-027-003-СС2). DH Вэй благодаря Национальный Тайбэй технологический университет (Тайбэй TECH) для доктора Шехтманом премии Премия.

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

Инженерная выпуск 104 ZnO тонкую пленку, плазма химического осаждения из паровой фазы диэтилцинк (DEZn) датчик Pt-гребенчатой ​​электродом Токопроводящее УФ фотодетектор
Синтез и характеристика высокого C-оси ZnO тонкой пленки по плазмостимулированного химического осаждения системы и ее УФ фотодетектор приложение
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