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Engineering

Síntesis y Caracterización de alta eje c ZnO Thin Film por Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System y su Fotodetector Aplicación 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

En este estudio, óxido de zinc (ZnO) con películas delgadas de alta eje x (0002) orientación preferencial c se han sintetizado con éxito y eficacia sobre sustratos de silicio (Si) a través de diferentes temperaturas sintetizados mediante el uso de plasma mejorado sistema de deposición de vapor químico (PECVD). Los efectos de diferentes temperaturas sintetizados en la estructura cristalina, morfologías de superficie y propiedades ópticas han sido investigados. La difracción de rayos X (XRD) indicó que la intensidad de pico (0002) de difracción se hizo más fuerte al aumentar la temperatura hasta 400 sintetizado o C. La intensidad de difracción de (0002) pico convirtió gradualmente más débil que acompaña con apariencia de (10-10) pico de difracción como la temperatura sintetizado hasta más de 400 ° C El RT de fotoluminiscencia (PL) espectros exhibió una fuerte cercana a la banda de punta (NBE) emisión observa en alrededor de 375 nm y una insignificante nivel de profundidad (DL) de emisión situada en alrededor de 575 nm under alta eje c ZnO películas delgadas. Imágenes Campo microscopía electrónica de barrido de emisión (FE-SEM) revelaron la superficie homogénea y con una pequeña distribución de tamaño de grano. Las películas delgadas de ZnO también se han sintetizado sobre sustratos de vidrio bajo los mismos parámetros para la medición de la transmitancia.

Para los fines de aplicación ultravioleta (UV) fotodetector, el platino interdigitados (Pt) de película delgada (espesor de ~ 100 nm) fabricado a través de proceso de litografía óptica convencional y la frecuencia de radio (RF) de pulverización catódica magnetrón. Con el fin de alcanzar el contacto óhmico, el dispositivo fue recocida en circunstancias de argón a 450 ° C por el sistema de recocido térmico rápido (RTA) durante 10 min. Después de las mediciones sistemáticas, la corriente-voltaje (I - V) de la curva de foto y resultados de respuesta fotocorriente actuales y dependientes del tiempo oscuros exhibió una buena capacidad de respuesta y la fiabilidad, lo que indica que la alta eje c ZnO película delgada es una capa de detección adecuadopara la aplicación fotodetector UV.

Introduction

ZnO es un material semiconductor funcional de banda ancha-gap prometedor debido a sus propiedades únicas, tales como alta estabilidad química, de bajo coste, no toxicidad, de bajo umbral de potencia para el bombeo óptico, banda prohibida directa de ancho (3,37 eV) a TA y grandes excitón energía de enlace de ~ 60 meV 1-2. Recientemente, ZnO películas delgadas se han empleado en muchos campos de aplicación, incluyendo películas transparentes de óxido conductor (TCO), dispositivo que emite luz azul, transistores de efecto de campo, y los sensores de gas 3.6. Por otro lado, ZnO es un material candidato para reemplazar el óxido de indio y estaño (ITO), debido al indio y estaño siendo raro y caro. Por otra parte, ZnO posee una alta transmitancia óptica en la región de longitud de onda visible y baja resistividad en comparación con las películas ITO 7-8. En consecuencia, se ha informado ampliamente de fabricación, caracterización y aplicación de ZnO. El presente estudio se centra en sintetizar eje c (0002) de ZnO películas delgadas de alto por un sencillo de unad efectivamente método y su aplicación práctica hacia una célula fotoeléctrica UV.

Los recientes resultados del informe de investigación indican que la alta calidad de ZnO película delgada podría ser sintetizado por diversas técnicas, tales como el método sol-gel, pulverización catódica magnetrón de radiofrecuencia, deposición de vapor químico orgánico de metal (MOCVD), y así sucesivamente 9-14. Cada técnica tiene sus ventajas y desventajas. Por ejemplo, una ventaja principal de la deposición de pulverización catódica es que los materiales de destino con muy alto punto de fusión se chisporroteaban sin esfuerzo sobre el sustrato. En contraste, el proceso de pulverización catódica es difícil de combinar con un lift-off para la estructuración de la película. En nuestro estudio, se empleó el sistema de plasma mayor deposición de vapor químico (PECVD) para sintetizar alta calidad eje c ZnO películas delgadas. Bombardeo de plasma es un factor clave en el proceso de síntesis que puede aumentar la densidad de la película delgada y mejorar la velocidad de reacción de descomposición de iones 15. EnAdemás, la alta tasa de crecimiento y de gran superficie deposición uniforme otras ventajas distintivas para la técnica PECVD.

A excepción de la técnica de síntesis, la buena adherencia sobre el sustrato es otro tema considerado. En muchos estudios, el zafiro c plano xy ha sido ampliamente utilizado como sustrato para sintetizar alta eje c de ZnO películas delgadas debido a que el ZnO y el zafiro tienen la misma estructura reticular hexagonal. Sin embargo, el ZnO se sintetizó en sustrato de zafiro que exhibe morfología de la superficie áspera y altas concentraciones residuales (de defectos relacionados) portadoras debido a las grandes inadaptados de celosía entre el ZnO y el zafiro c plano xy (18%) orientadas en la dirección en el plano 16. En comparación con el sustrato de zafiro, una oblea de Si es otro sustrato ampliamente utilizado para la síntesis ZnO. Obleas de Si se han utilizado ampliamente en la industria de los semiconductores; y por lo tanto, el crecimiento de películas delgadas de ZnO de alta calidad sobre sustratos de Si es muy importante y necesario. Desafortunadamente, la estructura cristalina y el coeficiente de expansión térmica entre el ZnO y Si son obviamente diferentes dando lugar a deterioro de la calidad de cristal. Durante la década pasada, se han hecho grandes esfuerzos para mejorar la calidad de las películas finas de ZnO sobre sustratos de Si mediante el uso de diversos métodos incluyendo ZnO capas tampón 17, de recocido en varios atmósfera de gas 18, y pasivación de la superficie de sustrato de Si 19. El presente estudio ofreció con éxito un método simple y eficaz para sintetizar alta eje c ZnO película delgada sobre sustratos de Si sin ninguna capa intermedia o de pre-tratamiento. Los resultados del experimento indicaron que las películas delgadas de ZnO sintetizados bajo la temperatura óptima de crecimiento mostraron que la buena cristal y cualidades ópticas. La estructura cristalina, la composición plasma RF, morfología de la superficie, y propiedades ópticas de películas delgadas de ZnO se investigaron por difracción de rayos X (XRD), espectroscopía de emisión óptica (OES), sc campo de emisiónanning microscopía de electrones (FE-SEM), y RT de fotoluminiscencia (PL) espectros, respectivamente. Por otra parte, la transmitancia de películas delgadas de ZnO también se confirmó e informó.

La película delgada ZnO tal como se sintetiza sirve como una capa de detección para la aplicación fotodetector UV también se ha investigado en este estudio. La célula fotoeléctrica UV tiene grandes aplicaciones potenciales en la vigilancia UV, conmutador óptico, alarma fuego, y el sistema de calentamiento de misiles 20-21. Hay muchos tipos de fotodetectores que se han llevado a cabo, como modo negativo intrínseco positivo (pin) y metal-semiconductor de metal (MSM) estructuras incluyendo el contacto óhmico y el contacto Schottky. Cada tipo tiene sus propias ventajas y desventajas. Actualmente, las estructuras fotodetectores HSH han atraído el interés intensiva debido a su destacada actuación en la capacidad de respuesta, fiabilidad y respuesta y el tiempo de recuperación 22-24. Los resultados presentados aquí han demostrado que se empleó el modo de contacto óhmico MSMpara la fabricación de ZnO película delgada fotodetector UV basada. Tal tipo de fotodetector típicamente revela una buena capacidad de respuesta y la fiabilidad, lo que indica que la alta eje c ZnO película delgada es una capa de detección adecuado para fotodetector UV.

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Protocol

1. Preparación y limpieza del soporte

  1. Cortar sustratos de silicio 10 mm x 10 mm a partir de Si (100) de la oblea.
  2. Cortar 10 mm x 10 mm sustratos de vidrio.
  3. Use limpiador ultrasónico para limpiar los sustratos de silicio y vidrio con acetona durante 10 min, alcohol durante 10 min, y luego isopropanol durante 15 min.
  4. Enjuague los sustratos con desionizada (DI) tres veces.
  5. Seque los sustratos con una pistola de nitrógeno.

2. Preparación DEZn y Preservación

Nota: dietilcinc (C 2 H 5) 2 Zn, también llamado DEZn, es un compuesto orgánico de zinc altamente pirofórica que consiste en un centro de zinc unido a dos grupos etilo. Nunca trabaje solo cuando se utiliza DEZn. DEZn es muy tóxico y sensibles al oxígeno y el agua, asegúrese de no colocar la DEZn cerca del agua. Siempre usar máscaras protectoras y protección para los ojos; todos los procedimientos se deben realizar en el capó. Lo más importante, DEZn no utilizada debe be almacena en un entorno de 5 ° C.

Nota: Para el primer uso de DEZn, siga el paso 2. Si no, comenzar el experimento de la etapa 3.

  1. Utilice la jeringa para extraer 30 ml DEZn de la botella y luego inyectar en un vaso de precipitados se coloca en un cilindro de acero.
  2. Use un tubo de hierro galvanizado para conectar el cilindro de acero con la cámara de reacción.
  3. Utilice la bomba mecánica y la válvula de bola de la bomba por el cilindro de acero en el entorno de vacío (para 6 Torr).
    Nota: DEZn será severamente reaccionar con el oxígeno, se debe mantener en el ambiente de vacío.
  4. Guarde el inusitado DEZn en un ambiente de 5 ° C.

Preparación 3. Cámara PECVD y síntesis de ZnO Thin Films

Nota: El diagrama esquemático de plasma mejorado deposición de vapor químico se representa en la Figura 1.

  1. Ajuste la distancia de trabajo entre el electrodo de ducha y la etapa de la muestra a los 30 mm.
    2. <li> Coloque los sustratos en el escenario de la muestra de la cámara de reacción en el lugar adecuado, donde hay una distancia de 3 cm de la entrada DEZn.
  2. Abra la bomba rotativa y abrir gradualmente las válvulas de compuerta y válvula de mariposa.
  3. Esperar hasta que la presión de fondo de la cámara del reactor es inferior a 30 mTorr.
  4. Cierre la válvulas de compuerta y mariposa de la válvula, que se conecta a la bomba rotativa.
  5. A continuación, abra la bomba turbo y válvulas de compuerta con respecto a llegar a alto vacío de 3 x 10 -6 Torr.
  6. Después de alcanzar la condición de vacío necesario, abra el controlador de calor y calentar la etapa de la muestra a la temperatura de síntesis (200, 300, 400, 500, y 600 o C para diferentes parámetros del experimento).
  7. Cuando la temperatura y la presión alcanzan la condición necesaria, cerrar la bomba turbo y luego abrir la válvula de las válvulas de compuerta y mariposa que se conecta a la bomba rotativa de forma simultánea.
  8. A continuación, abra las válvulas de entrada de gas y encender el argón gcomo controlador de flujo de forma simultánea.
  9. El flujo del gas argón (0,167 ml / seg) en la cámara.
  10. Ajuste la presión de la cámara a 500 mTorr.
  11. A su vez en la red RF (13,56 MHz) generador y juego, a continuación, establecer la potencia de RF a 100 W para purgar las muestras de superficie durante 15 minutos.
  12. Después de terminar la purga de las muestras, desconecte la alimentación de RF hasta 70 W.
  13. A continuación, encienda la válvula de control de gas dióxido de carbono y de entrada de gas.
  14. El flujo de dióxido de carbono (0,5 ml / seg) en la cámara.
  15. Ajuste la presión de trabajo a las 6 Torr.
  16. Después de la presión de la cámara alcanza 6 Torr, el alto flujo de argón puro como gas portador (0,167 ml / seg) para llevar a dietilzinc (DEZn) en la cámara y la válvula de bola abierta conectado a la DEZn simultáneamente. Al mismo tiempo, iniciar la síntesis de películas de ZnO.
  17. Continuar la síntesis plasmática de películas de ZnO durante 5 min.
  18. Después se han sintetizado las películas de ZnO, seriatim apagar el generador de RF, válvula de bola, con el calorcontrolador y todos los controladores de flujo de gas a lo largo con las válvulas de entrada de gas.
  19. Saque la muestra cuando la temperatura etapa de la muestra se enfría a temperatura ambiente. Nota: La velocidad de enfriamiento es de aproximadamente 1,8 ° C / min.

4. Preparación de interdigitada-como patrón a medida que se sintetiza ZnO Thin Film

Nota: El esquema de proceso de litografía se representa en la Figura 3.

  1. Use un plato caliente para cocer la muestra de ZnO tal como se sintetiza a 150 ° C durante 10 min.
  2. Coloque la muestra en la recubridora de rotación, y luego dispensar la solución líquida de resina fotosensible (S1813) con 100 l sobre la muestra ZnO.
  3. Ejecute el revestidor giran a 800 rpm durante 10 segundos y luego acelerar a 3000 rpm durante 30 segundos para producir una capa uniforme delgada.
  4. Hornear suave la muestra de ZnO fotoprotector recubierto a 105 ° C durante 90 segundos.
  5. Después de la suave-hornear, utilizar la luz UV para exponer la muestra trou fotoprotector recubiertogh una fotomáscara por alineador de máscara. El tiempo de exposición es 2 segundos y el poder es de 400 W.
    Nota:. El patrón de fotomáscara está diseñado como interdigitados-like, que es de 0,03 mm de ancho y 4 mm de largo (14 pares) y tiene un espaciamiento entre electrodos de 0,15 mm como se representa en la Figura 2 Vale la pena señalar que la fotosensible total de área es 84,32 mm 2 para el detector.
  6. Después del procedimiento de exposición, use pinzas para clip de la muestra y, a continuación, se sumergen en el revelador diluido (mezcla de 50 ml de revelador y 150 ml de agua desionizada) a través de acciones de los movimientos de balanceo de lado a lado durante 35 s para obtener la muestra desarrollada.
  7. Enjuagar la muestra desarrollado con agua DI y seco con gas nitrógeno.
  8. Usa el microscopio óptico para comprobar el patrón intacto. Si no, utilice acetona para eliminar la resina fotosensible y repita los pasos 4.2 a 4.7 hasta que se haya obtenido el modelo perfecto.
  9. Duro hornear la muestra a 120 ° C durante 20 min.

  1. Utilice el sistema de pulverización catódica magnetrón RF para depositar una capa delgada conductora Pt (100 nm) en la parte superior de la muestra desarrollada antes de continuar con el procedimiento de despegue química.
  2. Ajuste la distancia entre el objetivo y el sustrato a los 13 mm.
  3. Utilice la bomba mecánica para llegar a un vacío aproximado de 5 mTorr.
  4. A continuación, utilice la bomba turbo para obtener un alto vacío de 7 x 10 -7 Torr.
  5. Espere hasta que la cámara alcanza el alto vacío, cierre la bomba turbo y abra la bomba mecánica posteriormente.
  6. El flujo de gases de argón a 0,3 ml / seg en la cámara por el controlador de flujo mas hasta que la presión de la cámara alcanzar la presión de trabajo de 100 mTorr.
  7. Encienda la corriente directa (DC) de descarga fuente de alimentación y ajustar la potencia DC a 15 W por pulverización catódica el electrodo de película delgada Pt sobre la muestra durante 25 min.
  8. Después de la capa de electrodo Pt ha sido depositado por sputt magnetrónmétodo Ering, sacar la muestra de la cámara.
  9. Sumergir la muestra en el líquido acetona para el proceso de despegue química mediante limpiador ultrasónico para eliminar la fotoprotección.
  10. Ajuste el tiempo de limpieza en 1 min para eliminar completamente fotoprotector, y luego obtener el electrodo de Pt interdigitada-como en la película delgada de ZnO.

6. Proceso de RTA

  1. Coloque la muestra Pt / ZnO como fabricado-en el sistema de RTA.
  2. Utilice la bomba mecánica y la válvula de compuerta de la bomba por la presión de la cámara RTA a 20 mTorr.
  3. Espere hasta que la presión de la cámara llega a 20 mTorr, el flujo de gas argón a 0,3 ml / seg en la cámara y ajustar la presión de trabajo de 5 Torr.
  4. A continuación, establezca la velocidad de calentamiento hasta 100 ° C / min.
  5. A continuación, recocer la muestra a 450 ° C durante 10 min.
  6. Una vez recocido, espere hasta que la muestra se enfría hasta la temperatura ambiente, a continuación, sacar la muestra.

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Representative Results

El ZnO (0002) películas delgadas con alta eje c orientación preferida se han sintetizado con éxito sobre los sustratos de Si mediante el sistema de PECVD. El dióxido de carbono (CO 2) y el dietilzinc (DEZn) fueron utilizados como precursores de oxígeno y zinc, respectivamente. La estructura cristalina de las películas delgadas de ZnO se caracterizó por difracción de rayos X (Figura 4), ​​indicando que la película delgada ZnO sintetizó a 400 ° C con el pico (0002) de difracción más fuerte. Cuando la temperatura sintetizado aumentar hasta 500 ° C, el pico (0002) de difracción se hizo más débil que acompaña con apariencia de (10-10) pico de difracción. En particular, todos los picos de difracción de ZnO desaparecerán cuando la temperatura sintetizado se ha fijado en 600 o C. La in - situ se empleó OES para controlar la composición química de plasma durante el proceso sintetizado ZnO (Figura 5). Los resultados indican que Zn, O 2 (Figura 6A-E). La superficie homogénea y con una pequeña distribución de tamaño de grano se obtuvieron a 300 y 400 ° C Las propiedades ópticas de películas delgadas de ZnO se determinaron mediante espectros de PL (Figura 7). Los resultados indican que las películas delgadas de ZnO sintetizados en 300 y 400 o C que muestra una fuerte emisión NBE y con una emisión DL insignificante. Además, los cambios de emisión NBE a longitud de onda corta con el aumento de la temperatura desde 300 a 600 o C. La medición de la transmitancia indica que las películas delgadas de ZnO sintetizados en 200, 300 y 400 o C tienen buena transparencia con una transmitancia media visible más alta que 80% (Figura 8A-B). Curiosamente, la transmitancia disminuyó dramatcamente cuando las temperaturas sintetizados se aumentaron hasta más de 500 ° C

El rendimiento del fotodetector UV combinado con ZnO película delgada y Pt electrodos interdigitados ha sido investigado. A partir de las características, la corriente del fotodetector estaba obviamente mejorado bajo iluminación de luz, en comparación con los que, bajo condiciones de oscuridad (Figura 9). También se puede observar que la I - V curvas son simétricas, lo que refleja un comportamiento de contacto óhmico MSM entre la película delgada ZnO y el electrodo de Pt. La respuesta de foto actual dependiente del tiempo del fotodetector se midió con apagar y encender la luz UV (38 mW / cm2) cinco veces en el sesgo de 5V (Figura 10).

Figura 1
Figura 1. Diagrama esquemático de la química de vapor mejorada con plasma dsistema eposition. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Diagrama esquemático de la célula fotoeléctrica UV basada ZnO combinada con electrodo Pt interdigitada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de litográfica para Pt electrodos interdigitados fabricado sobre las películas de ZnO sintetizados sobre sustratos de silicio. Paso (A) utiliza la placa caliente para cocer al horno la película delgada ZnO tal como se sintetiza a 150 ° C durante 10 min para eliminar la humedad de la superficie. Paso (B) abrigos de giro la fotoprotección en ZnO película delgada. Paso (C) suave hornea la muestra de ZnO fotorresistente recubierto a 105 ° C durante 90 s para eliminar el exceso de disolvente fotorresistente. Paso (D) expone la luz UV a través de una fotomáscara de 2s. La etapa (E) utiliza el revelador para eliminar la resina fotosensible. La etapa (f) de disco hornea la muestra a 120 ° C durante 20 min para hacer una capa de protección más duradera para preparar la siguiente pulverización catódica con magnetrón RF. La etapa (G) utiliza la pulverización catódica con magnetrón RF para depositar una capa delgada de Pt sobre la muestra desarrollado. Paso (H) utiliza la acetona para elevación inicial de la muestra. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 4. patrones de difracción de rayos X para las películas delgadas de ZnO sintetizados a diferentes temperaturas de síntesis a partir de 200 a oscilaron 600 o C. de rayos X fue emitida por la radiación Cu K α (λ = 1,54 Å). El ángulo de exploración se estableció a partir de 30 o de 80 °, tamaño de paso fue de 0,01 o y tiempo por paso fue de 0,15 seg. El pico de difracción de ZnO (0002) se encuentra en 34.24 o, mientras que el pico de difracción de ZnO (10-10) se encuentra en 31.59 o. Los picos de difracción que otros provienen de señales de sustrato. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
La Figura 5. In - situ espectro OES para el plasma de RF durante ZnO película delgada sintetizado a 400 o C. Los datos se confirmó de la referencia 28. Las señales de picos situados a 449, 517 y 559 nm se determinan como especies CO. Las señales de picos situados a 466, 471 y 482 nm se determinó como especies de Zn, y 634 nm se determina como O 2 especies. Las señales complicadas situadas en el intervalo comprendido entre 325 y 430 nm se determinan como especies de descomposición de DEZn. El tiempo supervisado fue de 7 seg. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6. Plano-ver imágenes SEM de las películas delgadas de ZnO sintetizados en diferentes temperatu síntesis res, incluyendo (A) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500, y (E) 600 ° C, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7
Figura 7. RT PL espectros para las películas delgadas de ZnO sintetizados a diferentes temperaturas de síntesis varió de 200 a 600 o C. La medición de PL 325 nm utiliza láser de He-Cd bajo 100% de eficiencia de potencia del láser. El tiempo de exposición fue de 10 seg. El rango de detección fue de 325 a 750 nm. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

ys "> Figura 8
Figura 8. espectros de transmitancia óptica para las películas delgadas de ZnO sintetizados a diferentes temperaturas de síntesis (A) típica espectros de transmitancia óptica medida a partir de 400 a 800 nm.; (B) los valores medios de transmitancia en función de la temperatura de síntesis. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9
Figura 9. I -. Características V del fabricado ZnO película delgada fotodetector UV basados ​​La medida estaba bajo 325 nm iluminación de luz UV con densidad de potencia de 38 mW / cm 2 (curva roja) y la condición oscura (curva de negro) y los testículos estaban en tensión de polarización de -10 V a 10 V. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 10
Figura 10. Respuesta fotocorriente en función del tiempo para el fotodetector UV basada ZnO película delgada. La medición se llevó a cabo más de 5 veces girando el encendido / apagado círculos en el sesgo de 5 V con luz UV (38 mW / cm2), en el que tanto su vez -on y tiempo de apagado de la luz UV fueron 10 seg. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Los pasos críticos y modificaciones

En el paso 1, los sustratos deben limpiarse a fondo y los pasos 1.3 a 1.5 seguido para asegurarse de que no hay grasa o contaminaciones orgánicas e inorgánicas en los sustratos. Cualquier grasa o contaminaciones orgánicos e inorgánicos en la superficie del sustrato reducirá significativamente la adherencia de la película.

Paso 2 es el procedimiento más importante antes de que el proceso de preparación de la película de ZnO. DEZn es muy tóxico y violentamente reacciona con el agua y fácilmente se enciende al contacto con el aire. DEZn se debe inyectar muy cuidadosamente en el cilindro de acero y luego se bombea a 6 Torr inmediatamente. En el paso 3, asegúrese de que cada parámetro experimental y el paso se completa con precisión porque incluso ajustes ligeramente diferentes dará lugar a resultados diferentes.

Paso 4 debe llevarse a cabo en un laboratorio litografía y una habitación limpia para evitar la iluminación de luz UV y no-dUst-pollutionor efectos de partículas de contaminación. En el paso 5, el poder de la potencia de descarga de alimentación de CC debe elevarse lentamente; de lo contrario el objetivo Pt se romperá. En el paso 6, las muestras se deben colocar en el medio de la cámara de RTA para asegurar que la muestra se puede calentar de manera uniforme.

Análisis de los datos

La temperatura sintetizado es un parámetro fundamental para la síntesis de alta calidad eje c ZnO película delgada porque los coeficientes de dilatación térmica y el efecto de la tensión desajuste térmico con la energía interfacial entre las películas delgadas de ZnO y el sustrato de Si pueden afectar significativamente la orientación cristalográfica. Se puede observar claramente a partir de los patrones de difracción de rayos X (Figura 4). El pico de ZnO (0002) de difracción más fuerte se obtuvo a 400 ° C, lo que indica que la temperatura es una temperatura óptima sintetizada para sintetizar eje c ZnO película delgada sobre el sustrato de Si mediante el método de PECVD. Con un aumento adicionalen la temperatura sintetizado hasta 500 ° C, lo que lleva al deterioro de la calidad del cristal ZnO. Además, la película delgada ZnO convierte en fase amorfa cuando la temperatura sintetizado se fijó en 600 o C. Se puede suponer que la temperatura lo suficientemente alta (es decir, 400 ° C) puede proporcionar suficiente energía, la mejora de la capacidad de las moléculas para encontrar el sitio estable y que resulta en la película delgada ZnO con alta calidad de cristal. Al mismo tiempo, los defectos comunes incluyendo vacantes, intersticiales y dislocaciones en ZnO también se reducen. Sin embargo, el ZnO se descompone en Zn y O 2 moléculas cuando la temperatura alta excesivo (es decir, 500 y 600 ° C) se empleó 25. Por otra parte, los diferentes coeficientes de dilatación térmica entre ZnO (6,7 x 10 -6 K -1) 26 de película delgada y Si (4,18 x 10 -6 K -1) 27 sustrato a 900 K producirán el str desajuste térmicoefecto ain con la energía interfacial. Los fenómenos anteriores podrían deteriorar la calidad del cristal de ZnO película delgada, resultando en la policristalino o fase amorfa.

Para el seguimiento de la composición química de plasma durante el proceso de ZnO sintetizada, la in - situ OES análisis de espectro del plasma se llevó a RF (Figura 5). El resultado del análisis OES ilustra que los tres fuertes picos de emisión de Zn aparecieron alrededor de 475 nm y otros picos de emisión distintos se determinaron como O 2 y CO señales 28. Por otra parte, algunos complicados picos de emisión situados en el rango entre 325 y 430 nm se determinan como especies de descomposición de DEZn. La información beneficiosa anterior indica que la OES es un instrumento útil para en - supervisión in situ de la composición química del plasma durante el proceso sintetizado.

Las morfologías superficiales de las películas delgadas de ZnO fueron observados por FE-SEM <strong> (Figura 6A-E). Se puede observar que el ZnO sintetizó a 300 y 400 o C muestran densamente poblado con granos esféricos y con una pequeña distribución de tamaño de grano. En comparación con esa condición sintetizado, otras películas delgadas de ZnO exhiben superficie desordenada e irregular, lo que implica la policristalino o fase amorfa. Vale la pena señalar que las imágenes de SEM son consistentes con los resultados de DRX anteriores.

Las propiedades ópticas se determinaron mediante RT espectro de PL con 325 nm láser de He-Cd. A partir de la medición PL (Figura 7), todas las películas delgadas de ZnO muestran un fuerte pico de emisión NBE situado en torno a 375 nm, que se atribuye a la recombinación de excitones libres a través de un proceso de colisión-excitón excitón 29. Al mismo tiempo, las grandes DL picos de emisión relacionados con defectos situados en alrededor de 575 nm se obtienen cuando las temperaturas sintetizados se fijaron en 200 y 500 o C. También se encontró que la emisión NBE tiene un color azul-shifta longitudes de onda más cortas a medida que aumenta la temperatura sintetizado. En general, la emisión DL se refiere a las impurezas y diversos defectos estructurales en la fase de ZnO como vacante de oxígeno intersticial y zinc 30, y la blueshift es debido a la fuerte deformación anisotrópica residual en la película delgada 31 ZnO. Por lo tanto, los resultados reflejan PL que la temperatura sintetizado puede afectar significativamente las propiedades ópticas de películas delgadas de ZnO. Entre todas las muestras de ZnO, sólo dos muestras que fueron sintetizados a 300 y 400 o C muestran un pico de emisión NBE dominada y emisión DL insignificante que acompaña al pico de difracción de alta (0002) DRX.

La transparencia para todas las películas delgadas de ZnO sintetizados se mide por el espectro de transmitancia (Figura 8A) y el valor medio de transmitancia para cada muestra de ZnO se ha calculado (Figura 8B). El valor medio de transmisión de muestras de ZnO sintetiza en 200, 300nd 400 ° C en toda la región visible es de aproximadamente 80%, pero las muestras sintetizadas a 500 y 600 o C muestran una transmitancia relativamente baja, especialmente para la muestra de ZnO sintetizado a 600 o C. La razón de la reducción de transmitancia de la muestra ZnO sintetizado a temperatura más alta todavía no está claro hasta ahora. Sin embargo, el alto eje c preferencial ZnO orientación con alta transparencia se ha obtenido, lo que indica que el personaje podría ser utilizado para futuros dispositivos optoelectrónicos basados ​​ZnO de alta transmitancia.

Debido a que la fase de ZnO puede adsorber moléculas de oxígeno en el medio ambiente en general y desorber moléculas de oxígeno bajo iluminación UV, que puede ser utilizado como fotodetector UV. Las moléculas de oxígeno pueden adsorber sobre una superficie de ZnO mediante la captura de electrones libres de la banda de conducción del ZnO [O 2 + e - → O 2 -], lo que produce una capa de agotamiento cerca de la superficie, lo que lleva a disminuir en gran medida laconductividad de la ZnO. Cuando ZnO es iluminado por la energía del fotón más de banda prohibida del ZnO (es decir, la luz UV), se generarán pares electrón-hueco [h ʋ → e - + H +]. Estos transportistas de pares electrón-hueco se moverán hacia la superficie y neutralizar las moléculas de oxígeno adsorbidos [H + + O2 - → O 2]. Las moléculas de oxígeno neutralización sin esfuerzo pueden desorber formar la superficie de ZnO, que hace que el aumento de conductividad significativamente. Por lo tanto, según esta teoría, el alto eje c ZnO película delgada se utiliza como una capa de detección para fabricar fotodetector UV. Las características de detección de UV de la fabricado Pt / ZnO fotodetector fueron investigados y confirmados mediante la medición de la I - curva de V con y sin iluminación de luz UV y la respuesta fotocorriente dependiente del tiempo (Figura 9 y 10). Un comportamiento simétrico obvia podría ser observed, lo que indica que el contacto óhmico de alta calidad se ha logrado en la interfase Pt / ZnO después de post-recocido en atmósfera de argón a 450 ° C por RTA. Según los medí - curvas V, la corriente oscura es aproximadamente 0,36 mA y la foto de corriente es de aproximadamente 4,3 mA a 5 V, lo que indica la diferencia actual entre la UV iluminada y oscuras. Debido a que el rendimiento del fotodetector UV depende crítica en sus tiempos de respuesta y de recuperación, se llevó a cabo la respuesta de foto-corriente dependiente del tiempo. El tiempo de respuesta se define generalmente como el tiempo para acercarse a 90% del máximo foto-corriente, y el tiempo de recuperación es el tiempo a decaer a 10% del máximo foto-corriente. A partir de la medición de la respuesta foto-corriente dependiente del tiempo, la respuesta y el tiempo de recuperación son unos 3 y 9 s, respectivamente. Por otra parte, la luz UV se enciende y se apaga cinco veces para probar la fiabilidad. De acuerdo con las mediciones anteriores, el fotodetector UV basado en ZnO muestra una rápidaresponsividad y alta fiabilidad, que podría ser utilizado en el desarrollo potencial de aplicación fotodetector UV comercial.

En resumen, este estudio proporciona un método para sintetizar alta eje c orientación preferencial ZnO película delgada sobre sustratos de Si por PECVD con un fino control de la temperatura sintetizado. El c óptima eje x ZnO película delgada se sintetizó a 400 o C que muestra una característica competitiva y funcional en términos de estructura cristalina, propiedad óptica, y la transparencia a la luz visible. La célula fotoeléctrica UV basada ZnO combinada con electrodo interdigitada Pt con el contacto óhmico exhibe una capacidad de respuesta rápida y de alta fiabilidad bajo luz UV (38 mW cm -2) en el sesgo de 5 V. El presente trabajo podría ser una valiosa orientación y aplicación tanto en la investigación y la industria.

Beneficios potenciales y Desventajas de PECVD Técnica

Plasma mejorado chemdeposición de vapor iCal (PECVD) es una técnica útil que ha sido empleada para sintetizar películas delgadas de estado de vapor a estado sólido sobre los sustratos. El plasma se origina generalmente por DC o RF fuente de alimentación entre el electrodo de ducha normalmente utilizado como electrodo superior y la etapa de la muestra por lo general se utiliza como electrodo inferior, respectivamente. El espacio entre estos dos electrodos está lleno de las reacciones químicas de gases reactivos. La orientación de los cristales y la composición de la muestra depende de la condición de la síntesis y la relación de los precursores reactivos. Por ejemplo, la DEZn y CO 2 se utilizaron como precursores para proporcionar fuentes de zinc y oxígeno para sintetizar ZnO película delgada, respectivamente. Obviamente, el plasma es una característica principal de esta técnica. A través de la asistencia mejorada plasma, átomos o moléculas de reactivo ionizado que se difunden eficazmente a la superficie del sustrato, y luego reaccionan fácilmente con los átomos o moléculas ionizados vecinas para formar alta configuratio densan película delgada. Como consecuencia, todas las muestras pueden estar expuestos a enérgico bombardeo de iones durante el proceso de síntesis.

Debido a que la reacción de plasma se está produciendo consecutivamente durante el proceso de síntesis, los principales beneficios de la técnica PECVD incluyen: (a) la temperatura de síntesis inferior, casi todas las muestras pueden ser sintetizados a baja temperatura (100-450 ° C), (b) de alto condición de relación de aspecto está disponible (si el uso de plasma de alta densidad), (c) de alta velocidad de deposición, (d) RF ducha de potencia con la entrega de gas optimizado, ofrece procesamiento de plasma uniforme, (e) buena uniformidad de la superficie de película delgada, y (f) química estructura composición puede ser finamente controlada.

Sin embargo, la técnica PECVD implica la reacción química y alta densidad de bombardeo de plasma, y ​​tiene algunas limitaciones e inconvenientes. Todo el proceso va a producir una gran cantidad de contaminaciones químicas y partículas, un manejo cuidadoso y apropiado requerido. Altogases puros son necesarios en esta técnica, por lo que la limitación de un precursor específico, como DEZn que puede ser procesado en solución. Si la fuente no tiene la capacidad de disolver en algún disolvente para preparar precursor volátil, el gas portador no entregará el gas reactivo en la cámara para hacer síntesis. Por otra parte, a pesar de alta densidad bombardeo de plasma puede mejorar la uniformidad y calidad de película delgada, alta tensión residual se creará lo que resulta en la rotura de la película delgada. Además, esta técnica necesita un sistema de fuente de alimentación adicional DC o RF que lleva a un poco más alto en comparación con el costo de deposición de vapor químico convencional (ECV).

Direcciones futuras y Aplicaciones

Muchos de los parámetros del proceso tales como la presión de trabajo, la composición del gas, la tasa de flujo de gas, de potencia de RF, precursor reactivo y otros son todos interdependientes para la síntesis de películas finas en la técnica PECVD. Sólo el cambio de temperatura de síntesis ha sido estudiado eneste presentó una investigación. Todavía hay mucho trabajo que requiere para investigar aún más las limitaciones y capacidades en esta técnica. Por ejemplo, la composición del gas puede variar la estequiometría de películas delgadas y la presión de trabajo podría afectar el recorrido libre medio de gases ionizados, que producirán diversa configuración de película fina. Por lo tanto, el trabajo futuro requerirá de una mayor comprensión de cómo manipular la calidad del cristal o de propiedades a través de los parámetros antes mencionados.

La técnica PECVD ha sido ampliamente utilizado en la fabricación de la síntesis de películas delgadas sobre los semiconductores, que por lo general requiere baja temperatura proceso. El método PECVD se ha permitido y se utiliza para sintetizar película delgada sobre los sustratos de polímero, que también se pueden emplear en dispositivos aplicación flexible. Además de la aplicación a baja temperatura, ya hemos fabricado de película delgada no polar ZnO mediante el aumento de la temperatura de síntesis, lo que podría ser utilizado en high eficiencia diodo emisor de luz (LED) o tecnología de sensor ambiental.

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Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado financieramente de por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y el Consejo Nacional de Ciencia de la República de China (nn contrato. NSC 101 a 2.221-E-027-042 y NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei agradece a la Universidad Nacional de Tecnología de Taipei (Taipei TECH) para el Premio Dr. Shechtman Premio.

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

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Ingeniería Número 104 ZnO película delgada, plasma mayor deposición de vapor químico dietilzinc (DEZn) sensor Pt electrodo interdigitada el contacto óhmico fotodetectores UV
Síntesis y Caracterización de alta eje c ZnO Thin Film por Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System y su Fotodetector Aplicación UV
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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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