Abstract
I denna studie har zinkoxid (ZnO) tunna filmer med hög c-axel (0002) föredragen orientering framgångsrikt och effektivt syntetiseras på kisel (Si) substrat via olika syntetiserade temperaturer med hjälp av plasmaförstärkt CVD (PECVD) systemet. Effekterna av olika syntetiserade temperaturer på kristallstrukturen, yta morfologier och optiska egenskaper har undersökts. Den röntgendiffraktion (XRD) mönster indikerade att intensiteten av (0002) diffraktionstoppen blev starkare med ökande syntetiserade temperatur tills 400 ° C Diffraktionsintensiteten av (0002) topp blev gradvis svagare åtföljande med utseende (10-10) diffraktionstopp som den syntetiserade temperaturen upp till över 400 ° C RT fotoluminescens (PL) spektra uppvisade en stark nära bandkanten (NBE) emission observerades vid omkring 375 nm och en försumbar djupnivå (DL) utsläpp ligger på runt 575 nm undär hög c -axeln ZnO tunna filmer. Fält svepemissionselektronmikroskop (FE-SEM) bilder avslöjade den homogena ytan och med liten kornstorleksfördelning. ZnO-tunnfilmer har även syntetiserats på glassubstrat under samma parametrar för mätning av transmittans.
Vid tillämpning av ultraviolett (UV) fotodetektor ansökan, de inflikade platina (Pt) tunn film (tjocklek ~ 100 nm) tillverkades genom konventionell optisk litografiprocess och radiofrekvens (RF) magnetronsputtring. För att nå ohmsk kontakt, var anordningen glödgades i argon omständigheter vid 450 ° C genom snabb termisk glödgning (RTA) -systemet för 10 minuter. Efter de systematiska mätningar, den ström-spänning (I - V) kurvan för bild och mörkströmmen och tidsberoende fotoström responsen ger uppvisade god responsivitet och tillförlitlighet, vilket indikerar att den höga c -axeln ZnO-tunnfilm är en lämplig känselskiktför UV-fotodetektor ansökan.
Introduction
ZnO är en lovande bred-bandgap funktionell halvledarmaterial på grund av dess unika egenskaper, såsom hög kemisk stabilitet, låg kostnad, icke-toxicitet, låg tröskeleffekt för optisk pumpning, bred direkt bandgap (3,37 eV) vid RT och stora excitonen bindande energi ~ 60 MeV 1-2. Nyligen har ZnO tunna filmer använts i många tillämpningsområden inklusive transparenta ledande oxid (TCO) filmer, blå Ijusemitterande anordningen, fälteffekttransistorer, och gassensor 3-6. Å andra sidan, är ZnO ett kandidatmaterial för att ersätta indiumtennoxid (ITO) på grund av indium och tenn är sällsynta och dyra. Dessutom ZnO besitter hög optisk transmittans i det synliga våglängdsområdet och låg resistivitet jämfört med ITO-filmer 7-8. Följaktligen har tillverkningen, karakterisering och tillämpning av ZnO genomgått omfattande rapporterats. Denna aktuella studien fokuserar på syntes höga c-axeln (0002) ZnO tunna filmer av en enkel end effektivt metod och dess praktiska tillämpning till en UV-fotodetektor.
De senaste forskningsrapport fynd tyder på att den höga kvalitet ZnO tunnfilm kan syntetiseras genom olika tekniker, såsom sol-gel-metoden, radiofrekvensmagnetron sputtering, metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD), och så vidare 9-14. Varje teknik har sina fördelar och nackdelar. Till exempel är en principiell fördel med sputtring avsättning som målmaterial med mycket hög smältpunkt är enkelt sputtras på substratet. Däremot är förstoftningsprocessen svår att kombinera med en lift-off för att strukturera filmen. I vår studie var plasmaförstärkt CVD (PECVD) system som används för att syntetisera hög kvalitet c -axeln ZnO tunna filmer. Plasma bombardemang är en nyckelfaktor i syntesprocess som kan öka den tunna filmen densitet och förbättra reaktionshastigheten ion nedbrytning 15. IDessutom den höga tillväxttakten och stora ytor enhetlig avsättning är andra utmärkande fördelar för PECVD teknik.
Med undantag för syntesen teknik är god vidhäftning på substratet annan överväga utfärdandet. I många studier har c -planet safir använts i stor omfattning som substrat för att syntetisera hög C -axeln ZnO tunna filmer eftersom ZnO och safir har samma hexagonala gitterstruktur. Emellertid var ZnO syntetiserades på safirsubstrat uppvisar grov ytmorfologi och höga återstående (defektrelaterad) bärarkoncentrationer på grund av de stora gittermissanpassade mellan ZnO och c -planet safir (18%) orienterade i i planet riktning 16. Jämfört med safirsubstratet, är en Si-skiva annan mycket använd substrat för ZnO-syntes. Si wafers har använts i stor omfattning inom halvledarindustrin; och sålunda, är mycket viktigt och nödvän tillväxt av högkvalitativa ZnO tunna filmer på Si-substratbehövs. Tyvärr, kristallstrukturen och värmeutvidgningskoefficient mellan ZnO och Si är uppenbarligen olika leder till försämring av kristall kvalitet. Under senaste decenniet har stora ansträngningar gjorts för att förbättra kvaliteten på ZnO tunna filmer på Si-substrat med hjälp av olika metoder, inklusive ZnO buffertlager 17, glödgning i olika gasatmosfär 18, och passivering av Si substratytan 19. Föreliggande studie lyckades erbjuds ett enkelt och effektivt förfarande för att syntetisera hög C -axeln ZnO-tunnfilm på Si-substrat utan något buffertskikt eller förbehandling. De experimentresultat indikerade att ZnO tunna filmer syntetiserade med optimal tillväxttemperaturen visade god kristall och optiska egenskaperna. Den kristallina strukturen, RF-plasmakomposition, ytmorfologi, och optiska egenskaper hos ZnO tunna filmer undersöktes genom röntgendiffraktion (XRD), optisk emissionsspektroskopi (OES), fältemissions scAnning elektronmikroskopi (FE-SEM), och RT fotoluminiscens (PL) -spektra, respektive. Dessutom transmittansen hos ZnO tunna filmer bekräftades också och rapporteras.
Den syntetiserade ZnO tunnfilmen fungerade som ett sensorlager för UV-fotodetektor ansökan undersöktes också i denna studie. UV-fotodetektor har stora potentiella tillämpningar inom UV övervakning, optisk omkopplare, brandalarm, och missilvärmesystem 20-21. Det finns många typer av fotodetektorer som har utförts såsom positiv inneboende negativ (stift) läge och metall-halvledar-metall (MSM) strukturer inklusive ohmsk kontakt och Schottky kontakt. Varje typ har sina egna fördelar och nackdelar. För närvarande har MSM fotodetektor strukturer lockat intensiv intresse på grund av sin enastående prestanda i responsivitet, pålitlighet och respons och återhämtning 22-24. De resultat som presenteras här har visat att MSM ohmska kontakten läge användesatt tillverka ZnO tunnfilmsbaserade UV fotodetektor. En sådan typ av fotodetektor avslöjar normalt en god responsivitet och tillförlitlighet, vilket indikerar att den höga c -axeln ZnO-tunnfilm är en lämplig avkännande skikt för UV-fotodetektor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Substrate Beredning och rengöring
- Skär 10 mm x 10 mm kiselsubstrat från Si (100) skiva.
- Skär 10 mm x 10 mm glassubstrat.
- Använd ultraljudstvätt för rengöring av kisel och glassubstrat med aceton under 10 minuter, alkohol under 10 min, och därefter isopropanol under 15 minuter.
- Skölj substraten med avjoniserat (DI) vatten tre gånger.
- Föna substraten med en kvävespruta.
2. DEZn Förberedelser och bevarande
Obs: dietylzink (C 2 H 5) 2 Zn, även kallad DEZn, är en mycket pyrofor organozinkförening bestående av en zinkcentrum bunden till två etylgrupper. Arbeta aldrig ensam när du använder DEZn. DEZn är mycket giftigt och känslig för syre och vatten, vara noga med att inte placera DEZn nära vattnet. Bär alltid skyddsmasker och ögonskydd; alla förfaranden måste utföras i huven. Framför allt måste oanvänd DEZn be lagras i en 5 ° C miljö.
Obs! För den första användningen av DEZn, följ steg 2. Om inte, starta experimentet från steg 3.
- Använd sprutan för att dra ut 30 ml DEZn från flaskan och sedan injicera i en bägare placerad i en stålcylinder.
- Använd en galvaniserad järnrör att ansluta stålcylindern med reaktionskammaren.
- Använd mekanisk pump och kulventil för att pumpa ned stålcylindern i vakuum (6 torr).
Obs: DEZn kommer att allvarligt reagera med syre, måste den hållas i vakuummiljö. - Förvara den oanvända DEZn i en 5 ° C omgivning.
3. PECVD avdelningen Upprättande och syntes av ZnO Thin Films
Obs: Den schematiskt diagram av plasmaförstärkt kemisk ångavsättning är avbildad i Figur 1.
- Ställ in arbetsavståndet mellan Dusch elektroden och prov scenen på 30 mm. <li> Placera substraten på provstadium reaktionskammare i korrekt läge där det finns en 3 cm avstånd från DEZn inlopp.
- Öppna rotationspumpen och gradvis öppna gate ventiler och vridspjäll.
- Vänta tills bakgrundstryck av reaktorkammaren är lägre än 30 mTorr.
- Stäng Slidventiler och fjärilsventil, som ansluter till den roterande pumpen.
- Öppna sedan turbopump och relativa slidventiler att nå högvakuum av 3 x 10 -6 Torr.
- Efter att ha nått den nödvändiga vakuumtillstånd, öppnar värmestyrenheten och upphetta provet steget till syntestemperaturen (200, 300, 400, 500, och 600 ° C i olika experimentparametrar).
- När temperaturen och trycket når en nödvändig förutsättning, stäng turbopump och sedan öppna gate ventiler och spjällventil som ansluter till den roterande pumpen samtidigt.
- Därefter öppnar gas insugningsventilerna och slå på argon gsom flödesregulatorn samtidigt.
- Flöde av argongas (0,167 ml / sek) i kammaren.
- Ställ in kammartrycket till 500 mTorr.
- Slå på RF (13,56 MHz) generator och matchning nätverk, ställ sedan in RF-effekten på 100 W för rening proverna yta under 15 minuter.
- Efter avslutad utrensning av prover, vrid ner RF-effekten till 70 W.
- Därefter slå på koldioxidgasen controller och gas inloppsventil.
- Flödes koldioxiden (0,5 ml / sek) in i kammaren.
- Ställ in arbetstryck på 6 Torr.
- Efter kammartrycket når 6 Torr, flöde med hög ren argon som bärargas (0,167 ml / sek) för uppbär dietylzink (DEZn) in i kammaren och öppen kulventil ansluten till DEZn samtidigt. Samtidigt, startar syntesen av ZnO-filmer.
- Fortsätt plasma syntes av ZnO filmer under 5 min.
- Efter ZnO filmerna har syntetiserats, i tur och ordning slå av RF-generatorn, kulventil, värme concontroller och alla av gas flödesstyrenheter tillsammans med gas inloppsventiler.
- Ta ut provet när provstadiet temperaturen kyls ner till RT. Anm: Kylningshastigheten är ca 1,8 ° C / minut.
4. Framställning av interfolierade liknande mönster på As-syntetiserade ZnO Thin Film
Obs: Schemat för litografiprocess visas i fig 3.
- Använd en värmeplatta att baka den syntetiserade ZnO prov vid 150 ° C under 10 minuter.
- Placera provet på spinnbeläggare och sedan dispensera den flytande lösningen av fotoresist (S1813) med 100 pl på ZnO provet.
- Kör spinnbeläggare vid 800 rpm under 10 sekunder och sedan öka till 3000 rpm under 30 sek för att producera ett likformigt tunt skikt.
- Mjuk baka fotoresisten belagda ZnO prov vid 105 ° C under 90 sekunder.
- Efter den mjuka baka, använda UV-ljus för att exponera fotoresisten belagda prov trough en fotomask genom mask aligner. Exponeringstiden är 2 sekunder och strömmen är 400 W.
Anm.: Mönstret fotomask är utformad som interdigitated-liknande, som är 0,03 mm bred och 4 mm lång (14 par) och har en inter-elektrodavstånd av 0,15 mm, såsom visas i fig 2 Det är värt att notera att den totala ljuskänsliga området är 84,32 mm 2 för detektorn. - Efter ingreppet exponering, att använda pincett klipp provet, och sedan doppa i den utspädda utvecklare (blanda 50 ml av utvecklare och 150 ml avjoniserat vatten) genom åtgärder svänga från sida till sida för 35 s för att erhålla den utvecklade provet.
- Skölj utvecklade provet med avjoniserat vatten och torka med kvävgas.
- Använd optiskt mikroskop för att kontrollera mönstret intakt. Om inte, använd aceton för att avlägsna den fotoresist och upprepa steg 4,2 till 4,7 tills den perfekta mönstret har erhållits.
- Hård baka provet vid 120 ° C under 20 minuter.
- Använd RF magnetron sputtering system för att avsätta ett tunt ledande Pt-skikt (100 nm) på toppen av den framkallade provet innan man går vidare till kemisk avlyftning förfarande.
- Ställ in avståndet mellan målet och substratet vid 13 mm.
- Använd den mekaniska pumpen för att nå en grov vakuum av 5 mTorr.
- Använd sedan turbopump för att erhålla en högvakuum av 7 x 10 -7 Torr.
- Vänta tills kammaren når högvakuum, stänger turbopumpen och öppna den mekaniska pumpen senare.
- Flöde av argongas vid 0,3 ml / sek in i kammaren genom mas flödesregulatorn tills kammartrycket når arbetstryck 100 mTorr.
- Slå på likström (DC) ansvarsfrihet strömförsörjning och ställ in likström vid 15 W för förstoftning Pt tunnfilmselektroden på provet under 25 minuter.
- Efter Pt elektrodskiktet har avsatts genom magne sputtering metod, ta ut prov från kammaren.
- Sänk provet i aceton vätska för kemisk lift-off process genom ultraljud renare för att avlägsna fotoresisten.
- Ställ in städtiden på 1 min för att grundligt avlägsna fotoresist, och sedan få de inflikade liknande Pt-elektrod på ZnO tunnfilmen.
6. RTA processen
- Placera som tillverkade Pt / ZnO prov i RTA-systemet.
- Använd den mekaniska pumpen och avstängningsventil för att pumpa ner RTA kammartrycket till 20 mTorr.
- Vänta tills kammartrycket når 20 mTorr, flödes argongas vid 0,3 ml / sek in i kammaren och ställa in arbetstryck av 5 Torr.
- Därefter ställer uppvärmningshastigheten som 100 ° C / min.
- Därefter, glödga provet vid 450 ° C under 10 minuter.
- När glödgat, vänta tills provet kyls till RT, sedan ta ut provet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ZnO (0002) tunna filmer med hög c-axel föredragen orientering har framgångsrikt syntetiserats på Si-substrat med hjälp av PECVD systemet. Den koldioxid (CO 2) och dietylzink (DEZn) användes som syre och zink prekursorer, respektive. Kristallstrukturen för ZnO tunna filmer karakteriserades med röntgendiffraktion (Figur 4), vilket indikerar att ZnO-tunnfilmen som syntetiserats vid 400 ° C med den starkaste (0002) diffraktionstoppen. När den syntetiserade temperaturen ökas upp till 500 ° C blev (0002) diffraktionstoppen svagare kompletterande med utseende (10-10) diffraktionstoppen. Särskilt kommer alla ZnO diffraktionstoppar försvinner när den syntetiserade temperaturen är satt till 600 ° C Den in situ - OES användes för att övervaka plasma kemiska sammansättning under ZnO syntetiserade processen (Figur 5). Resultaten indikerar att Zn, O 2 temperaturer (Figur 6A-E). Den homogena ytan och med liten kornstorleksfördelning erhölls vid 300 och 400 ° C De optiska egenskaperna hos ZnO tunna filmer bestämdes genom PL-spektra (figur 7). Resultaten indikerar att de ZnO tunna filmer syntetiseras vid 300 och 400 ° C som visar en stark NBE emission och med försumbar DL emission. Dessutom NBE utsläpps skiftar till kort våglängd med ökning av temperaturen från 300 till 600 ° C Transmittansen kontrollen visar att ZnO tunna filmer syntetiserade vid 200, 300 och 400 ° C har god transparens med en genomsnittlig synlig transmittans större än 80% (Figur 8A-B). Intressant transmittansen minskade Dramatmatiskt när de syntetiserade temperaturer höjdes upp till över 500 ° C
Utförandet av UV-fotodetektor i kombination med ZnO tunnfilm och Pt fingerliknande elektrod har undersökts. Från egenskaper, var strömmen hos fotodetektom uppenbarligen förbättras i ljus belysning, jämfört med att under mörka förhållanden (Figur 9). Det var också påpekas att I - V-kurvor är symmetriska, vilket återspeglar en MSM Ohmsk kontaktbeteende mellan ZnO tunna filmen och Pt-elektrod. Den tidsberoende fotoströmmen svaret hos fotodetektorn mättes med att stänga av och slå på UV-ljus (38 mW / cm 2) fem gånger vid förspänningen hos 5V (Figur 10).
Figur 1. Schematisk beskrivning av plasmaförstärkt kemisk ånga deposition systemet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Schematisk beskrivning av ZnO baserade UV fotodetektor i kombination med Pt fingerliknande elektrod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Flödesschema för den litografiska processen för Pt fingerliknande elektrod tillverkas på ZnO filmerna syntetiserade på kiselsubstrat. Steg (A) använder kokplattan att baka den syntetiserade ZnO tunn film vid 150 ° C under 10 minuter för att avlägsna ytfukt. Steg (B) Spinn belägger fotoresist på ZnO-tunnfilm. Steg (C) mjuk bakar fotoresisten belagda ZnO provet vid 105 ° C under 90 s för att avlägsna överskott av fotoresist lösningsmedel. Steg (D) exponerar UV-ljus genom en fotomask för 2s. Steg (e) använder utvecklaren att avlägsna fotoresisten. Steg (F) hårt bakar provet vid 120 ° C i 20 minuter för att göra en mer hållbar skyddande skikt för att förbereda nästa RF magnetron sputtring. Steg (G) använder RF magnetronsputtering för att avsätta ett tunt Pt-skikt på den utvecklade provet. Steg (H) använder aceton för att lyfta-off provet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
_upload / 53097 / 53097fig4.jpg "/>
Figur 4. Röntgendiffraktion mönster för ZnO tunna filmer syntetiserade vid olika syntestemperaturer varierade från 200 till 600 ° C röntgen ades utsänds av Cu Ka α strålning (λ = 1,54 Å). Skanningen vinkel sattes från 30 ° till 80 °, steg storlek var 0,01 o och tid per steg var 0,15 sek. ZnO (0002) diffraktionstopp ligger på 34,24 o, medan ZnO (10-10) diffraktionstopp ligger på 31,59 o. De andra diffraktionstoppar kommer från substratsignaler. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5.
Figur 6. Plan-view SEM-bilder för ZnO tunna filmer syntetiserade vid olika syntes temperatu res, inklusive (A) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500, och (E) 600 ° C, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. RT PL spektra för ZnO tunna filmer syntetiserade vid olika syntestemperaturer varierade från 200 till 600 ° C PL mätning används 325 nm He-Cd-laser under 100% laser energieffektivitet. Exponeringstiden var 10 sek. Detektionsområdet var 325-750 nm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Optisk transmittans-spektra för ZnO tunna filmer syntetiserade vid olika syntestemperaturer (A) Karaktäristisk optisk transmittans-spektra mätt 400-800 nm. (B) genomsnittliga transmittansvärden som en funktion av syntestemperaturen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9. I -. V egenskaper fabricerade ZnO-tunnfilm baserad UV-fotodetektor Mätningen var under 325 nm UV-ljus belysning med effekttäthet av 38 mW / cm 2 (röd kurva) och den mörka tillståndet (svart kurva) och testiklar var vid förspänning från -10 V till 10 V. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10. Tidsberoende fotorespons för ZnO tunna film baserad UV fotodetektor. Mätningen genomfördes under 5 gånger vrida slå på / av cirklar på partiskhet av 5 V under UV-ljus (38 mW / cm 2), där både tur -on och turn-off tid på UV-ljuset var 10 sek. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Kritiska steg och modifieringar
I steg 1, bör substraten rengöras noggrant och steg från 1,3 till 1,5 följas för att se till att det inte finns något fett eller organiska och oorganiska föroreningar på substraten. Eventuellt fett eller organiska och oorganiska föroreningar på substratets yta kommer att minska vidhäftningen av filmen.
Steg 2 är den viktigaste förfarandet vid ZnO-filmen framställningsförfarandet. DEZn är mycket giftigt och reagerar häftigt med vatten och lätt antänds vid kontakt med luft. DEZn måste mycket noggrant injiceras i stålcylindern och sedan pumpas ned till 6 Torr omedelbart. I steg 3, se till att varje försöksparameter och steg noggrant avslutats eftersom även lite olika inställningar kommer att leda till olika resultat.
Steg 4 måste utföras i en litografi laboratorium och ett rena rum att undvika icke-UV-ljus belysning och dust-pollutionor partikelföroreningseffekter. I steg 5, bör kraften i DC urladdningsströmförsörjningen höjas långsamt; annars kommer att brytas Pt-målet. I steg 6, bör proverna placeras i mitten av RTA kammaren för att säkerställa att provet likformigt kan uppvärmas.
Dataanalys
Den syntetiserade Temperaturen är en avgörande parameter för syntetisering högkvalitativ c -axeln ZnO-tunnfilm, eftersom de termiska expansionskoefficienterna och termisk obalans stam effekt med gränsytenergi mellan ZnO tunna filmer och Si-substratet avsevärt kan påverka den kristallografiska orienteringen. Det kan tydligt observeras från XRD mönster (Figur 4). Den starkaste ZnO (0002) diffraktionstopp erhölls vid 400 ° C, vilket indikerar att temperaturen är en optimal syntetiserad temperatur för syntetisering c -axeln ZnO-tunnfilm på Si-substratet av PECVD-metoden. Med en ytterligare ökningi syntetiserade temperatur upp till 500 ° C, vilket leder till försämring av ZnO kristall kvalitet. Dessutom omvandlade ZnO tunna filmen till amorf fas när den syntetiserade temperaturen sattes till 600 ° C Det kan antas att den är tillräckligt hög temperatur (dvs 400 ° C) kan ge tillräcklig energi, förbättrar förmågan hos molekyler att hitta det stabila platsen och vilket resulterar i ZnO-tunnfilmen med hög kristallkvalitet. Samtidigt är de vanligaste defekterna, inklusive lediga, mellansidesannonser och förskjutningar i ZnO också minskat. Emellertid kommer ZnO sönder in Zn och O 2 molekyler när alltför hög temperatur (dvs., 500 och 600 ° C) användes 25. Dessutom, de olika värmeutvidgningskoefficienter mellan ZnO (6,7 x 10 -6 K -1) 26 tunn film och Si (4,18 x 10 -6 K -1) 27 substratet vid 900 K kommer att ge den termiska obalans strain effekt med gränsytenergi. Ovanstående fenomen kan försämra kristall kvalitet ZnO tunnfilm, vilket resulterar i polykristallina eller amorfa fasen.
För övervakning av plasma kemiska sammansättning under ZnO syntetiserade processen, in - var OES spektrumanalys av RF-plasma situ utföras (Figur 5). OES analysresultat visat att de tre starka Zn emissionstoppar dök omkring 475 nm och andra distinkta emissionstoppar bestämdes som O 2 och CO signaler 28. Dessutom är vissa komplicerade emissionstoppar ligger i intervallet mellan 325 och 430 nm bestämdes såsom nedbrytnings arter av DEZn. Ovanstående välgörande information tyder på att OES är ett användbart instrument för in situ - övervakning av plasma kemiska sammansättning under den syntetiserade processen.
Ytan morfologierna av ZnO tunna filmer observerades av FE-SEM <strong> (figur 6A-E). Det kan ses att ZnO syntetiserade vid 300 och 400 ° C visar tätt packade med sfäriska korn och med liten kornstorleksfördelning. Jämfört med det syntetiserade tillstånd, andra ZnO tunna filmer uppvisar oordnad och oregelbunden yta, vilket innebär att polykristallina eller amorfa fasen. Det är värt att notera att SEM-bilder är förenliga med de tidigare XRD resultat.
De optiska egenskaperna bestämdes genom RT PL spektrum med 325 nm He-Cd-laser. Från PL mätningen (Figur 7), alla ZnO tunna filmer visar en stark NBE emissionstopp ligger på runt 375 nm, vilket tillskrivs rekombination av fria excitoner genom en exciton-exciton kollision process 29. Samtidigt är de breda defektrelaterade DL emissionstoppar ligger på cirka 575 nm erhålls när de syntetiserade temperaturerna fastställdes till 200 och 500 ° C. Det har också konstaterats att utsläpp NBE har en blå-skiftkortare våglängder med ökande syntetiserade temperatur. I allmänhet är den emissions DL avses föroreningarna och olika strukturella defekter i ZnO fas såsom syrevakans och zink interstitiell 30, och blueshift beror på den starka rest anisotropa töjning i ZnO-tunnfilmen 31. Därför PL resultat framgår det att den syntetiserade temperaturen signifikant kan påverka de optiska egenskaperna hos ZnO tunna filmer. Bland alla ZnO prov, bara två prover som syntetiserats vid 300 och 400 ° C visar en dominerade NBE emissionstopp och försumbar DL utsläpps åtföljer hög (0002) XRD diffraktionstoppen.
Öppenheten för alla syntetiserade ZnO tunna filmer mättes genom transmittans spektrum (Figur 8A) och den genomsnittliga transmittans värdet för varje ZnO prov har beräknats (Figur 8B). Det genomsnittliga transmittans värdet på ZnO prov syntetiseras på 200, 300 and 400 ° C i hela det synliga området är ca 80%, men proverna syntetiseras vid 500 och 600 ° C visar en relativt låg genomsläpplighet, särskilt för ZnO provet syntetiseras vid 600 ° C Skälet till den reducerade transmittansen ZnO prov syntetiserades vid högre temperatur är fortfarande oklart fram till nu. Det höga c -axeln föredragen orientering ZnO med hög transparens har erhållits, vilket indikerar att tecknet skulle kunna användas för framtida hög transmittans ZnO baserade optoelektronisk utrustning.
Eftersom ZnO fasen kan adsorbera syremolekyler i den allmänna miljön och desorbera syremolekyler under UV-belysning, kan den användas som UV-fotodetektor. Syremolekyler kan adsorbera på en ZnO-ytan genom att fånga fria elektroner från ledningsbandet av ZnO [O 2 + e - → O 2 -], vilket ger ett utarmningsskikt nära ytan, vilket leder till kraftigt minskakonduktiviteten hos ZnO. När ZnO är upplyst av fotonenergi mer än bandgapet hos ZnO (dvs UV-ljus), elektron-hålpar kommer att genereras [h ʋ → e - + H ^]. Dessa flygbolag från elektron-hål-par kommer att röra sig mot ytan och neutralisera de adsorberade syremolekyler [h + + O 2 - → O 2]. De neutralisering syremolekyler kan utan ansträngning desorbera bilda ytan av ZnO, vilket gör ökningen konduktiviteten signifikant. Därför, enligt denna teori, -axeln den hög C ZnO-tunnfilm användes som ett känselskikt att fabricera UV-fotodetektor. Egenskaperna hos den tillverkade Pt / ZnO fotodetektor UV-detektions undersöktes och bekräftades genom att mäta jag - V-kurvan med och utan UV-ljus belysning och tidsberoende fotoström respons (figur 9 och 10). Ett självklart symmetrisk beteende kan vara observed, vilket indikerar att den höga kvaliteten ohmska kontakten har uppnåtts på Pt / ZnO-gränssnittet efter efter glödgades i argon vid 450 ° C genom RTA. Enligt de uppmätta I - V kurvor, är mörkerströmmen ca 0,36 mA och fotoström är ca 4,3 mA vid 5 V, indikerar den aktuella skillnaden mellan UV belysta och mörka tillstånd. Eftersom utförandet av UV-fotodetektorn är kritisk beroende av sina svars och återhämtningstider, var den tidsberoende fotoströmmen svar implementeras. Svarstiden är vanligtvis definieras som tiden för att närma sig 90% av den maximala fotoströmmen, och återhämtningstiden är det dags att avklinga till 10% av den maximala fotoströmmen. Från den tidsberoende fotoströmmen svarsmätning, svaret och återhämtningstiden är ca 3 och 9 s, respektive. Dessutom var UV-ljus slås på och av fem gånger för att testa tillförlitligheten. Enligt ovanstående mätningar, visar ZnO baserade UV-fotodetektor en snabbresponsivitet och hög tillförlitlighet, som skulle kunna användas i potentiell utveckling för kommersiell UV fotodetektor ansökan.
Sammanfattningsvis tillhandahåller denna föreliggande studie en metod att syntetisera hög C -axeln föredragen orientering ZnO-tunnfilm på Si-substrat genom PECVD med en finreglering av den syntetiserade temperaturen. Den optimala c -axeln ZnO tunnfilm syntetiserades vid 400 ° C visar en konkurrenskraftig och funktionell egenskap när det gäller kristallstruktur, optisk egenskap, och öppenhet till synligt ljus. ZnO baserade UV fotodetektor i kombination med Pt fingerliknande elektrod med ohmsk kontakt uppvisar en snabb responsivitet och hög tillförlitlighet under UV-ljus (38 mW cm -2) vid förspänning av 5 V. Denna detta arbete skulle kunna vara en värdefull riktning och tillämpning både i forskning och industrin.
Potentiella fördelar och nackdelar med PECVD teknik
Plasmaförstärkt chemical ångutfällning (PECVD) är en användbar teknik som har använts för att syntetisera tunna filmer från ångtillstånd till fast form på substraten. Plasman i allmänhet härrör från DC eller RF strömförsörjning mellan Dusch elektrod vanligtvis används som övre elektroden och provstadiet vanligtvis används som botten elektrod, respektive. Utrymmet mellan dessa två elektroder är fylld med de kemiska reaktioner från reaktantgaser. Den kristallorientering och sammansättningen av provet är beroende av syntes tillstånd och förhållandet mellan reagerande prekursorer. Exempelvis DEZn och CO 2 som prekursorer användes för att tillhandahålla zink- och syrekällor för syntetisering ZnO-tunnfilm, respektive. Uppenbarligen är plasmat ett viktigaste funktionen i denna teknik. Genom plasma ökat bistånd, joniserade reaktant atomer eller molekyler som effektivt diffundera till substratytan, och sedan lätt reagerar med angränsande joniserade atomer eller molekyler för att bilda hög tät configuration tunn film. Som en följd kan alla prover utsättas för energiska jonbombardemang under syntesprocessen.
Eftersom plasma reaktionen följd inträffar under syntesförfarandet, de främsta fördelarna med PECVD teknik innefattar: (a) den lägre syntestemperaturen, nästan alla prover kan syntetiseras vid låg temperatur (100-450 ° C), (b) hög aspect ratio tillstånd är tillgänglig (om man använder hög densitet plasma), (c) hög beläggningshastighet, (d) RF driven Dusch med optimerad gas leverans, ger jämn plasmabearbetning, (e) bra tunn film ytjämnhet och (f) kemiska komposition struktur kan fint kontrollerad.
Emellertid PECVD tekniken involverar kemisk reaktion och hög densitet plasmabombardemang, och det har vissa begränsningar och nackdelar. Hela processen kommer att producera ett stort antal kemiska och partikelföroreningar, krävs noggrann och ändamålsenlig hantering. Högrena gaser är nödvändiga i denna teknik, så att begränsningen av en specifik prekursor såsom DEZn som kan bearbetas i lösning. Om källan inte har förmågan att lösas i vissa lösningsmedel för att framställa flyktigt prekursor, kommer bärgasen inte leverera reagensgasen i kammaren för att göra syntesen. Fastän högdensitetsplasma bombardemang kan förbättra likformighet och kvalitet på tunn film, hög restspänning kommer att skapas vilket resulterar i brott hos den tunna filmen. Dessutom måste denna teknik en extra DC eller RF-effekttillförselsystem som leder till lite högre i kostnaden jämfört med konventionell kemisk ångavsättning (CVD).
Framtida Vägbeskrivning and Applications
Många processparametrar såsom arbetstryck, gassammansättning, gasflödeshastighet, RF-effekt, reaktant föregångare och andra är alla beroende av varandra för att syntetisera tunna filmer i PECVD teknik. Endast förändringen av syntestemperaturen har studerats idenna presenterade forskning. Det finns fortfarande en hel del arbete som kräver ytterligare undersöka begränsningar och möjligheter i denna teknik. Exempelvis skulle gassammansättningen variera stökiometrin hos tunna filmer och arbetstryck skulle kunna påverka den genomsnittliga fria banan av joniserade gaser, som kommer att ge diverse tunnfilmskonfiguration. Därför kommer framtida arbete behöver för vidare förståelse hur man manipulerar kristallen kvalitet eller egenskaper genom ovan nämnda parametrar.
PECVD-tekniken har använts i stor utsträckning vid tillverkningen av syntesen av tunna filmer på halvledarna som vanligtvis kräver låg processtemperatur. PECVD-metoden har tillåtits och användes för att syntetisera tunn film på polymersubstrat, som också kan användas i flexibla anordningar ansökan. Förutom tillämpningen låg temperatur, har vi redan tillverkat opolärt ZnO-tunnfilm genom att öka syntesen temperatur, som skulle kunna användas i high-effektivitet Ljus Emitting Diode (LED) eller miljö sensorteknik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Detta arbete stöds ekonomiskt av av ministeriet för vetenskap och teknik och National Science råd Kina (kontrakts nos. NSC 101-2221-E-027-042 och NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei tackar National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) för Dr. Shechtman Prize Award.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| RF power supply | ADVANCED ENERGY | RFX-600 | |
| Butterfly valve | MKS | 253B-1-40-1 | |
| Mass flow controller | PROTEC INSTRUMENTS | PC-540 | |
| Pressure controller | MKS | 600 series | |
| Heater | UPGRADE INSTRUMENT CO. | UI-TC 3001 | |
| Sputter gun | AJA INTERNATIONAL | A320-HA | |
| DEZn 1.5M | ACROS ORGANIC USA, New Jersey | also called Diethylzinc (C2H5)2Zn | |
| Spin coater | SWIENCO | PW - 490 | |
| I-V measurement | Keithley | Model: 2400 | |
| Photocondutive measurement | Home-built | ||
| UV light sourse | Panasonic | ANUJ 6160 | |
| Mask aligner | Karl Suss | MJB4 | |
| Photoresist | Shipley a Rohm & Haas company | S1813 | |
| Developer | Shipley a Rohm & Haas company | MF319 | |
| Silicon wafer | E-Light Technology Inc | 12/0801 | |
| Glass substrate | CORNING | 1737 | P-type / Boron |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ellmer, K. Resistivity of polycrystalline zinc oxide films: current status and physical limit. J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 3097 (2001).
- 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).
- Senay, V., et al. ZnO thin film synthesis by reactive radio frequency magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 318, 2-5 (2014).
- 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).
- 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).
- Kobayashi, T., Nakada, T. Effects of post-deposition on transparent conductingZnO:B thin films grown by MOCVD. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 05FA03 (2014).
- 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).
- 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).
- Fons, P., et al. Uniaxial locked epitaxy of ZnO on the α face of sapphire. Appl. Phys. Lett. 77, 1801 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Iwanaga, H., Kunishige, A., Takeuchi, S. Anisotropic thermal expansion in wurtzite-type crystals. J. Mater. Sci. 35, 2451-2454 (2000).
- 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).
- Pearse, R. W. B., Lichtenberg, A. J. The identification of molecular spectra. , 4th ed, Chapman and Hall. (1976).
- 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).
- 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).
- 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).
