プラズマによる高c軸ZnO薄膜の合成とキャラクタリゼーションは、化学気相堆積システムとそのUV光検出器アプリケーションを強化しました
Summary
We offered a method to directly synthesize high c-axis (0002) ZnO thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition. The as-synthesized ZnO thin film combined with Pt interdigitated electrode was used as sensing layer for ultraviolet photodetector, showing a high performance through a combination of its good responsivity and reliability.
Abstract
本研究では、 高 Cγ軸（0002）優先配向した酸化亜鉛（ZnO）薄膜を正常かつ効率的にプラズマ化学気相堆積（PECVD）システムを用いて、異なる合成温度を介してシリコン（Si）基板上に合成されています。異なる合成結晶構造上の温度、表面形態および光学的特性の影響が検討されています。 X線回折（XRD）パターンは（0002）回折ピークの強度は400 O C.まで増大合成温度に強くなったことを示し（0002）の回折強度ピークが徐々に（10-10）の出現に伴って弱くなった400 O Cの過剰に合成された温度上昇などの回折ピークRTのフォトルミネッセンス（PL）スペクトルは、強い近接バンド端の周りに375 nmで観察した（NBE）排出し、約575 nmのウントに位置無視できる深いレベル（DL）の発光を示しましたER 高 C -軸のZnO薄膜。電界放出走査電子顕微鏡（FE-SEM）画像は、均一な表面を明らかにし、小さな粒子サイズ分布を有します。 ZnOの薄膜はまた、透過率を測定するために同じパラメータの下でガラス基板上に合成されています。
紫外線（UV）光検出器用途のために、櫛型白金（Pt）薄膜（厚さ約100 nm）は、従来の光リソグラフィプロセスを介して製造され、無線周波数（RF）マグネトロンスパッタリング。オーム接触を達成するために、デバイスは、10分間の急速熱アニーリング（RTA）システム450によって、O℃でアルゴン状況でアニールしました。体系的な測定の後に、電流-電圧（I – V）写真、暗電流の曲線および時間依存性の光電流応答の結果は、高Cγ軸ZnO薄膜は、適切な感知層であることを示し、良好な応答性と信頼性を示しました紫外線光検出器アプリケーション用。
Introduction
ZnOのは、そのようなRTと大きな励起子で高い化学的安定性、低コスト、非毒性、光ポンピングのための低電力しきい値、広い直接バンドギャップ（3.37 eV）でなど、そのユニークな特性のために有望なワイドバンドギャップ機能半導体材料であります〜60 meVで1-2の結合エネルギー。近年、酸化亜鉛薄膜は、透明導電性酸化物（TCO）フィルム、青色発光素子、電界効果トランジスタ、及びガスセンサ3-6を含む多くの応用分野において使用されています。その一方で、ZnOは、インジウムとスズの希少かつ高価であるために、インジウムスズ酸化物（ITO）を置換する候補物質です。さらに、ZnOは、可視波長領域とITO膜7-8と比べて低抵抗で高い光透過率を有しています。したがって、ZnOを製造、特性評価およびアプリケーションは広く報告されています。この本研究では、簡単なANにより高い C -軸（0002）のZnO薄膜を合成することに焦点を当てて効果的方法とUV光検出器に向けて実用化dは。
最近の研究レポートの所見は、高品質のZnO薄膜は、ゾル-ゲル法、高周波マグネトロンスパッタリング、有機金属化学気相成長（MOCVD）などの様々な技術によって、など9-14で合成することができることを示しています。それぞれの技術は、その利点と欠点があります。例えば、スパッタ成膜の主な利点は、非常に高い融点を有するそのターゲット材料が楽基板上にスパッタリングされています。対照的に、スパッタリング法は、フィルムを構成するためのリフトオフと結合することは困難です。我々の研究では、プラズマ強化化学蒸着（PECVD）システムは、高品質のC -軸のZnO薄膜を合成するために使用しました。プラズマ衝撃は、薄膜の密度を増加させ、イオンの分解反応速度を高めることができる15の合成工程における重要な要因です。におけるまた、高い成長速度および大面積の均一な堆積は、PECVD法のための他の特徴的な利点です。
合成技術を除いて、基板上の良好な接着性は、別の問題であると認めて。 ZnOとサファイアは同じ六方格子構造を有しているので、多くの研究では、Cの -planeサファイアが広く高 Cγ軸のZnO薄膜を合成するための基質として使用されてきました。しかし、酸化亜鉛は、粗い表面形態及び面内方向16に配向したZnO と C -planeサファイア（18％）の間の大きな格子ミスフィットに起因する高い残留（欠陥に関連する）のキャリア濃度を示すサファイア基板上に合成しました。サファイア基板に比べて、Siウエハは、ZnOの合成のための他の広く使用されている基板です。 Siウエハが広く、半導体産業で使用されてきました。したがって、Si基板上に高品質のZnO薄膜の成長は非常に重要であるとnecesSARY。残念なことに、ZnOとSiの結晶構造および熱膨張係数は、結晶品質の劣化につながる明らかに異なっています。過去10年間、多大な努力は、ZnOバッファ層17、種々のガス雰囲気18中のアニーリング、及びSi基板の表面19の不動態化を含む様々な方法を用いて、Si基板上へのZnO薄膜の品質を改善するためになされています。本研究は、成功した任意のバッファ層または前処理することなく、Si基板上に高 C -軸ZnO薄膜を合成するための簡単かつ効果的方法を提供します。実験結果は、最適な成長温度の下で合成されたZnO薄膜は良好な結晶および光学的特性を示したことが示されました。結晶構造、RFプラズマ組成、表面形態、及びZnO薄膜の光学特性は、X線回折（XRD）、光学発光分光法（OES）、電界放出SCにより調べましたそれぞれの電子顕微鏡（FE-SEM）、及びRTのフォトルミネッセンス（PL）スペクトルをアニング。また、酸化亜鉛薄膜の透過率も確認及び報告されました。
合成されたZnO薄膜は、UV光検出器用途のための感知層はまた、本研究で検討したように機能しました。 UV光検出器は、UV監視、光スイッチ、火炎警報、およびミサイル加温システム20-21に大きな潜在的な用途があります。このようなオーミックコンタクトとショットキーコンタクトを含む正の固有負（PIN）モードおよび金属 – 半導体 – 金属（MSM）構造として実施された光検出器の多くの種類があります。各タイプは、それ自身の利点と欠点を有します。現在、MSM光検出器構造は、その優れた応答性、信頼性、応答性能と回復時間22〜24に集中的な関心を集めています。ここに示す結果はMSMオーミック接触モードを使用したことを示していますZnO薄膜ベースのUV光検出器を作製しました。光検出器のような種類は、典型的には、 高い Cγ軸ZnO薄膜は、UV光検出器に適した検出層であることを示し、良好な応答性と信頼性を明らかにする。
Protocol
Representative Results
Discussion
重要なステップや修正
ステップ1では、基板は完全に洗浄し、1.3〜1.5は、基板にはグリースや有機及び無機の汚染がないことを確認するために、続いて、ステップする必要があります。基板表面上の油脂、又は有機及び無機の汚染を大幅に膜の密着性が低下します。
ステップ2は、ZnO膜の製造工程の前に最も重要な手順です。 DEZnを、非常に毒性があり…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、財政的に科学技術省と中国の共和国の国立科学評議会のサポートされていた（契約番号NSC 101から2221-E-027から042と101から2622 NSC-E-027から003-CC2）。 DH魏のおかげで博士Shechtman賞国立台北科技大学（台北TECH） 賞。
Materials
| RF power supply | ADVANCED ENERGY | RFX-600 | |
| Butterfly valve | MKS | 253B-1-40-1 | |
| Mass flow conctroller | PROTEC INSTRUMENTS | PC-540 | |
| Pressure conctroller | 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
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