Sentezi ve Plazma ile yüksek c-ekseni ZnO İnce Film Karakterizasyonu CVD Sistemi ve UV Fotodetektör Uygulaması Enhanced
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
Bu çalışmada, yüksek c -Axis (0002) tercih edilen oryantasyonunun Çinko oksit (ZnO), ince filmler başarılı ve etkili bir plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PECVD) sistemi kullanılarak farklı sentez sıcaklıklarda ile, silikon (Si) alt-tabakalar üzerine sentezlenmiştir. Farklı sentezlenmiş kristal yapısına sıcaklıklar, yüzey morfolojileri ve optik özelliklerinin etkileri incelenmiştir. X-ışını difraksiyonu (XRD) paterni (0002) difraksiyon doruk şiddeti 400 o C'de kadar artan sıcaklık ile sentezlenen güçlü hale geldiği belirtilmiştir (0002) zirvesinin dağılma yoğunluğu giderek zayıf 400 o C aşan kadar sentezlenen sıcaklık (10-10) kırılma tepe görünümü ile eşlik oldu RT fotolüminesans (PL) spektrumları emisyonu etrafında 375 nm ve yaklaşık 575 nm und bulunan bir ihmal derin seviyesi (DL) emisyon gözlenen güçlü bir yakın-band kenar (NBE) sergiledier yüksek c ZnO ince filmler -Axis. Saha emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) görüntüleri homojen bir yüzey ve küçük tanecik boyut dağılımı ile ortaya koymuştur. ZnO ince filmler de geçirgenliği ölçmek için aynı parametreler altında cam alt tabakalar üzerine sentezlenmiştir.
Ultraviyole (UV) fotodedektör uygulamanın amacına uygun olarak, birbirine kenetlenmiş platin (Pt) ince film (kalınlık ~ 100 nm) geleneksel optik litografi süreci ve radyo frekansı (RF) manyetik alanda sıçratma yoluyla imal. Omik temas ulaşmak için, cihaz 10 dakika boyunca hızlı bir şekilde termal tavlama (RTA) sistem tarafından 450 oC argon koşullarda tavlanmıştır. Sistematik ölçümleri alındıktan sonra, akım-gerilim (I – V) fotoğrafı ve karanlık akım ve zamana bağlı fotoakım yanıtı meydana eğrisi, yüksek c ZnO ince film, uygun bir algılama katmanı -Axis belirten iyi cevap verebilen ve güvenilirlik sergilediUV fotodetektör uygulama için.
Introduction
ZnO dolayı böyle RT ve büyük eksiton yüksek kimyasal kararlılık, düşük maliyet, sigara toksisite, optik pompalama için düşük güç eşiği, geniş direkt bant boşluğu (3.37 eV) olarak eşsiz özellikleri için umut verici bir geniş bant aralığı fonksiyonel yarı iletken malzeme olan ~ 60 meV 1-2 bağlanma enerjisi. Son zamanlarda, ZnO ince filmler saydam iletken oksit (TCO) filmler, mavi ışık yayan cihaz, alan etkili transistörler ve gaz sensörü 3-6 dahil olmak üzere birçok uygulama alanında istihdam edilmiştir. Öte yandan, ZnO indiyum ve kalay nadir ve pahalı olması nedeniyle indiyum kalay oksit (İTO) değiştirmek için, bir aday maddedir. Ayrıca, ZnO görünür dalga boyu bölgesi ve İTO filmleri 7-8 ile karşılaştırıldığında düşük öz direnç yüksek optik geçirgenliği sahiptir. Buna uygun olarak, ZnO imalatı, karakterizasyon ve uygulama olması kapsamlı olarak rapor edilmiştir. Bu çalışma, mevcut basit An yüksek c -Axis (0002) ZnO ince filmler sentezleyerek üzerinde duruluyoretkili bir yöntem ve UV fotodedektör yönelik pratik uygulama d.
Son araştırmalar raporu bulguları, yüksek kaliteli ZnO ince film gibi sol-jel yöntemi, radyo frekans magnetron püskürtme, metal organik kimyasal buhar birikimi (MOCVD) ve bu nedenle 9-14 ile ilgili olarak, çeşitli teknikler ile sentezlenebilir göstermektedir. Her teknik avantajları ve dezavantajları vardır. Örneğin, püskürtme biriktirme bir temel avantajı, çok yüksek bir erime noktasına sahip olduğu, hedef malzemelerin kolayca substrat üzerine püskürtülür olmasıdır. Bunun aksine, püskürtme işlemi bir film yapılanması için, kaldıraçlı bir kapalı ile birleştirmek için zordur. Çalışmamızda, plazma gelişmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) sistemi, yüksek kalite c sentezlemek için ZnO ince filmler -Axis kullanılmıştır. Plazma bombardımanı ince film yoğunluğunu artırmak ve iyon ayrışma reaksiyon oranını 15 artırabilirsiniz sentezleme sürecinde önemli bir faktördür. IçindeAyrıca, yüksek büyüme hızı ve geniş alan üniforma biriktirme PECVD tekniği için diğer ayırt edici avantajları vardır.
Sentez tekniği dışında, madde üzerinde iyi yapışma başka düşünülmüş bir konudur. ZnO ve safir, aynı altıgen kafes yapısına sahip olduğundan pek çok çalışmada, c -plane safir yaygın ZnO ince filmler -Axis yüksek c sentezlemek için alt-tabaka olarak kullanılmıştır. Bununla birlikte, ZnO kaba yüzey morfolojisi ve düzlem yönünde 16 yönlendirilmiş ZnO c -plane safir (% 18) arasında büyük kafes Uyumsuzluklara nedeniyle yüksek bir kalıntı (defekt-ilgili olarak) bir taşıyıcı konsantrasyonlarını gösteren safir alt-tabaka üzerinde sentezlenmiştir. Safir alt tabaka ile karşılaştırıldığında, bir Si gofret ZnO sentezi için başka yaygın kullanılan substrat olduğunu. Si gofret yoğun yarı iletken endüstrisinde kullanılan edilmiştir; ve bu nedenle, Si yüzeylerde yüksek kaliteli ZnO ince filmlerin büyüme neces çok önemli verekli. Ne yazık ki, ZnO ve Si arasındaki kristal yapısı ve ısıl genleşme katsayısı kristal kalitesinde bozulmaya yol açan belli farklıdır. Geçtiğimiz on yıl içinde, büyük çabalar ZnO tampon katmanları 17, çeşitli gaz atmosferinde 18 tavlama ve Si substrat yüzeyinin 19 pasivasyon dahil olmak üzere çeşitli yöntemler kullanılarak Si yüzeylerde ZnO ince filmlerin kalitesini artırmak için yapılmıştır. Bu çalışmada başarılı bir şekilde yüksek c herhangi bir tampon tabaka veya ön tedavi olmadan Si yüzeylerde ZnO ince film -Axis sentezlemek için etkin bir yöntem basit ve sundu. Deney sonuçları uygun büyüme sıcaklığı altında sentezlenen ZnO ince filmlerin iyi kristal ve optik nitelikleri gösterdi belirtti. Kristal yapı, RF plazma kompozisyonu, yüzey morfolojisi ve ZnO ince filmlerin optik özellikleri, X-ışını kırınımı (XRD), optik emisyon spektroskopisi (OES), alan emisyonlu sc ile incelendisırasıyla anning elektron mikroskobu (FE-SEM) ve RT fotolüminesans (PL) spektrumları. Ayrıca, ZnO ince filmlerin geçirgenliği de teyit ve rapor edilmiştir.
Olarak sentezlenmiş ZnO ince film UV fotodedektör uygulaması için bir algılama tabakası da bu çalışmada araştırıldı olarak görev yaptı. UV fotodedektör UV izlenmesi büyük potansiyel uygulamalar, optik anahtarı, alev alarm ve füze ısınma sistemi 20-21 sahiptir. Böyle Ohmik temas ve Schottky temas da dahil olmak üzere pozitif içsel negatif (pin) modu ve metal-yarıiletken-metal (MSM) yapılar olarak yapılmıştır fotodedektör birçok türü vardır. Her tür kendi avantajları ve dezavantajları vardır. Şu anda, MSM fotodetektör yapıları nedeniyle duyarlılık, güvenilirlik ve tepki ve iyileşme süresi 22-24 onların üstün performans yoğun ilgi gördü. Burada sunulan sonuçlar MSM Ohmik kontak modu istihdam olduğunu göstermiştirZnO ince film bazlı UV fotodedektör imal etmek. Fotodedektör Böyle bir tür tipik olarak yüksek c ZnO ince filmin UV fotodedektör için uygun bir algılama katmanı -Axis belirten iyi cevap verebilen ve güvenilirlik ortaya koymaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritik adımlar ve değişiklikler
1. adımda, yüzeyler iyice temizlenmeli ve 1.3 yüzeylerde hiçbir yağ veya organik ve inorganik kirlilikler var olduğundan emin olmak için takip 1.5 için adım olmalıdır. Alt tabaka yüzeyi üzerinde herhangi bir yağ ya da organik ve inorganik kirlilikler anlamlı filmin yapışmasını azaltacaktır.
Adım 2 ZnO film hazırlama işleminden önce en önemli işlemdir. DEZn çok zehirli ve şiddetli su ile reaksiyona gir…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma mali Bilim ve Teknoloji ve Çin Cumhuriyeti Ulusal Bilim Konseyi (sözleşme nos. NSC 101-2221-E-027-042 ve MGK 101-2622-E-027-003-CC2) Bakanlığı tarafından desteklenen edildi. DH Wei teşekkür Dr. Shechtman Ödülü Ulusal Teknoloji Taipei Üniversitesi (TAIPEI TECH) Ödül.
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
- 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. a. k. a. f. u. m. i. 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, S., Uthanna, 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. , (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).
