合成和高c轴ZnO薄膜等离子体的特性增强化学气相沉积系统及其紫外探测器的应用

摘要

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.

摘要

在这项研究中，氧化锌（ZnO）薄膜具有高c轴 （0002）择优取向已成功和有效地通过使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统合成到硅（Si）衬底上经由不同的合成温度。不同合成温度对晶体结构，表面形态和光学性能的影响进行了研究。 X射线衍射（XRD）图显示，（0002）衍射峰的强度变强随合成温度，直到^400℃。 （0002）峰的衍射强度逐渐成为与外观的（10-10）衍射峰的合成温度较弱的陪同至超过^400℃。对RT光致发光（PL）谱显示出强的近带边（NBE）在约375 nm和可忽略的深层次的（DL）发射位于左右575nm的发射UND观察呃高c轴 ZnO薄膜。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像显示的均匀表面，并与小晶粒尺寸分布。 ZnO薄膜也被合成到下用于测量透射率的相同参数的玻璃基板。

对于紫外（UV）光检测器的应用的目的，叉指铂（Pt）的薄膜（厚度约100纳米）通过常规光学光刻工艺和射频（RF）磁控溅射制成。为了达到欧姆接触，该装置被退火，在氩环境下，在^450℃下通过快速热退火（RTA）系统10分钟。该系统的测量后，电流-电压（I - V）的照片和暗电流和时间依赖的光电流响应结果的曲线显示了良好的响应性和可靠性，这表明高c轴的ZnO薄膜是合适的传感层紫外线探测器的应用。

引言

氧化锌是一种很有前途的宽带隙官能半导体材料由于其独特的性能，如高化学稳定性，成本低，无毒性，对于光泵浦低功率的阈值，宽直接带隙（3.37电子伏特）在RT和大的激子结合〜60兆电子伏的能量^1-2。最近，ZnO薄膜已经用于许多应用领域，包括透明导电氧化物（TCO）薄膜，蓝光发光器件，场效应晶体管，和气体传感器^3-6。另一方面，ZnO是候选材料来代替铟锡氧化物（ITO）由于铟和锡是罕见的和昂贵的。而且，氧化锌具有在可见波长区域和低电阻率的ITO薄膜^7-8相比高光透射率。因此，氧化锌的制备，表征和应用进行了广泛的报道。目前这个研究的重点是通过简单的合成高c轴 （0002）ZnO薄膜ð有效方法及其对紫外探测器的实际应用。

最近的研究报告的结果显示，高品质的ZnO薄膜可以通过各种技术来合成，如溶胶-凝胶法，射频磁控溅射，金属有机化学气相沉积（MOCVD），等^9-14。每种技术都有其优点和缺点。例如，溅射沉积的主要优点是，靶材料具有非常高的熔点费力溅射到衬底上。与此相反，在溅射过程中很难与剥离组合以构建膜。在我们的研究中，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统被用于合成高质量c轴 ZnO薄膜。等离子体轰击是在合成过程中，可以增加薄膜的密度，增强了离子分解反应速率¹⁵的一个关键因素。于此外，较高的增长速度，并大面积均匀沉积是PECVD技术等优势明显。

除了合成技术，在基板上的良好的粘接性是另一个深思熟虑的问题。在许多研究中，c面蓝宝石已被广泛地用作底物合成高c轴 ZnO薄膜由于ZnO和蓝宝石具有相同的六方晶格结构。然而，氧化锌，合成在蓝宝石衬底上显示出粗糙的表面形貌和高残留（缺陷相关）载体由于取向的面内方向^16上的 ZnO和c面蓝宝石（18％）之间的大的晶格不称职的浓度。与蓝宝石衬底相比，一个Si晶片是另一种广泛使用为基材的氧化锌的合成。 Si晶片已被广泛用于在半导体工业;因此，高品质的ZnO薄膜的Si基增长是非常重要的，neces萨利。不幸的是，氧化锌和Si之间的晶体结构和热膨胀系数明显不同，导致晶体质量的劣化。超过过去的十年中，已经取得了很大的努力，通过使用各种方法，包括的ZnO缓冲层^17，退火在各种气体气氛^18，并在Si衬底表面^19的钝化改善ZnO薄膜在硅衬底的质量。本研究成功地提供了一个简单而有效的方法来合成高c轴的ZnO薄膜到硅衬底没有任何缓冲层或前处理。实验结果表明，ZnO薄膜的最佳生长温度下合成显示良好的晶体和光学质量。晶体结构，RF等离子体组合物，表面形貌，和ZnO薄膜的光学性质通过X射线衍射（XRD），光学发射光谱（OES），场发射SC调查安宁电子显微镜（FE-SEM），和RT光致发光（PL）谱，分别。此外，ZnO薄膜的透射率也证实和报告。

该所合成的氧化锌薄膜充当传感层UV光探测器的应用进行了研究这项研究。紫外探测器在紫外辐射监测巨大的应用潜力，光开关，火焰报警和导弹加温系统^20-21。有许多类型的其中已经进行了诸如正的固有负（销）模式和金属 - 半导体 - 金属（MSM）结构，包括欧姆接触和肖特基接触光检测器。每种类型都有自己的优点和缺点。目前，MSM光电探测器的结构吸引了密集的兴趣，因为他们的响应，可靠性，响应和恢复时间^22-24出色的表现。此处呈现的结果表明，在MSM欧姆接触模式受雇于制作的ZnO薄膜型紫外探测器。这样一种光检测器的典型表现了良好的响应性和可靠性，这表明高c轴的ZnO薄膜是合适的传感层对紫外线光检测器。

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研究方案

1.基片制备及清洗

1. 选自Si（100）晶片切成10个毫米×10毫米的硅衬底。
2. 削减1毫米×10毫米的玻璃基板。
3. 使用超声波清洗器来清洗硅和玻璃基板用丙酮进行10分钟，醇为10分钟，然后异丙醇15分钟。
4. 冲洗去离子（DI）水洗涤三次衬底。
5. 吹干用氮气枪的衬底。

2. DEZn制备和保存

注意:二乙基锌_（C 2 H _5）2锌，也称为DEZn，是由一个中心锌绑定到两个乙基高度自燃的有机锌化合物。千万不要使用DEZn时单独工作。 DEZn是非常有毒的氧气和水敏感，千万不要将DEZn附近的水。一定要戴防护口罩和保护眼睛;所有过程必须在通风橱中进行。最重要的是，未使用的DEZn必须bË储存在^5℃的环境。

注:对于第一次使用DEZn的，按照步骤2，如果没有，从第3步开始实验。

1. 使用注射器拉出30毫升DEZn从瓶中，然后注入到烧杯放置在一个钢筒。
2. 使用镀锌铁管到钢筒与反应室连接。
3. 使用机械泵和球阀抽空钢瓶在真空环境（6托）。
   注意:DEZn将严重与氧发生反应，必须将其保持在真空环境中。
4. 存放未使用DEZn在^5℃的环境。

3. PECVD室准备和ZnO薄膜的合成

注意:等离子体增强化学气相沉积的示意图在图1中描绘。

1. 置喷头电极和样品台之间的工作距离为30毫米。
2. 将上反应室中适当位置的试料台的基片，其中有一个从DEZn入口的3厘米的距离。
3. 打开旋转泵，并逐步打开闸阀和蝶阀。
4. 等到反应室的背景压力小于30毫托以下。
5. 关闭闸阀和蝶阀，它连接到旋转泵。
6. 然后打开涡轮泵和相对闸阀以达到^3×10 -6乇的高真空。
7. 达到必要的真空状态后，打开热控制器和加热样品台到合成温度（200，300，400，500，和^600℃下不同实验参数）。
8. 当温度和压力达到了必要的条件，关闭涡轮泵，然后打开闸阀和蝶阀，其同时连接到旋转泵。
9. 接下来，打开进气口阀门，并打开氩克作为同时流量控制器。
10. 流动氩气（0.167毫升/秒）到腔室。
11. 设定室压至500毫托。
12. 转动射频（13.56 MHz）的发电机和匹配网络上，然后将RF功率100瓦用于清除样品表面15分钟。
13. 整理的样品的清洗后，关闭RF功率下降至70瓦
14. 接着，打开二氧化碳气体控制器和气体入口阀。
15. 流的二氧化碳（0.5毫升/秒）到腔室。
16. 设定为6托的工作压力。
17. 后腔室的压力达到6托，流量为携带二乙基锌（DEZn）插入同时连接到DEZn腔室和打开球阀高纯氩气作为载气（0.167毫升/秒）。与此同时，开始ZnO薄膜的合成。
18. 继续等离子体合成ZnO薄膜5分钟。
19. 后的ZnO薄膜已被合成，逐一关掉RF发生器，球阀，热CON控制器和所有气体流量控制器连同气体入口阀。
20. 取出样品时样品台温度冷却到室温。注:冷却速度是约^1.8℃/分钟。

4.制备叉指状花纹到合成的ZnO薄膜

注意:光刻工艺的概略图 3中描绘。

1. 使用的热板上烘烤合成的氧化锌的样品，在^150℃下 10分钟。
2. 放置在旋涂机的样品中，然后分配光刻胶的液体溶液（S1813）用100μl到的ZnO样品。
3. 运行旋涂机在800rpm下10秒，然后加速到3000rpm下30秒，以产生均匀的薄层。
4. 烘软，在^105℃下 90秒的光致抗蚀剂涂氧化锌样品。
5. 软烘焙后，使用UV光以暴露光致抗蚀剂涂覆的样品特鲁GH的光掩模通过掩模对准。曝光时间为2秒，功率为400W。
   注意:光掩模的图案被设计成相互交叉状，这是0.03毫米宽，4毫米长的（14对），并具有0.15毫米的电极间的间距，如图2中所描绘值得注意的总感光面积是84.32毫米²用于检测器。
6. 曝光过程之后，使用镊子裁剪的样品中，然后浸入到稀释显影剂（混合50毫升显影剂和1​​50毫升去离子水）通过从一侧摆动到另一侧为35秒，以获得发达样品的操作。
7. 冲洗用DI水发达样品和干燥氮气。
8. 使用光学显微镜来检查图案完整。如果没有，用丙酮去除光致抗蚀剂，并重复步骤4.2至4.7，直到完美的格局已经获得。
9. 硬烤样品^在 120℃下20分钟。

5。铂顶电极和化学剥离的沉积

1. 使用RF磁控管溅射系统在进行化学剥离过程之前以沉积薄导电Pt层（100纳米）上的显影样本的顶部。
2. 设定目标和衬底之间的距离为13毫米。
3. 使用机械泵来达到5毫托的低真空。
4. 然后，使用涡轮泵，得到的7×10 ^-7乇的高真空。
5. 等待，直到室达到高真空，关闭涡轮泵，随后打开机械泵。
6. 流动氩气以0.3毫升/秒到腔室通过马斯流量控制器，直到室压力达到100毫托的工作压力。
7. 打开的直流（DC）放电电源和设置直流功率在15瓦为溅射的Pt薄膜的电极上的样品25分钟。
8. 之后，铂电极层已磁控sputt化工e圈方法，取出从室中的样本。
9. 通过超声波清洗浸没样品放入丙酮液体化学剥离工艺来除去光致抗蚀。
10. 设置为1分钟的清洗时间，以彻底清除光致抗蚀剂，然后获得叉指式的铂电极上的氧化锌薄膜。

6. RTA处理

1. 放置作为制造的铂/氧化锌样品放入RTA系统。
2. 使用机械泵和闸阀的RTA室压力抽空到20毫乇。
3. 等到腔压力达到20毫，流动氩气为0.3毫升/秒到室，并设置5托的工作压力。
4. 接下来，将加热速度为^100℃/分。
5. 然后，退火的样品在^450℃下 10分钟。
6. 一旦退火，等到样品冷却至室温，然后取出样品。

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结果

在ZnO（0002）薄膜具有高c轴择优取向已经成功地通过使用PECVD系统合成到Si衬底。二氧化碳（CO _2）和二乙基锌（DEZn）用作氧气和锌前体，分别。晶ZnO薄膜的结构经X射线衍射（图4），这表明在ZnO薄膜合成的，在^400℃下具有最强（0002）衍射峰。当合成温度升高到^{500℃，（0002）}衍射峰逐渐变弱与外观的（10-10）衍射峰陪同。特别是，当合成的温度设定在^6...

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讨论

关键步骤和修改

在步骤1中，基片应彻底清洗和步骤1.3至1.5，接着，以确保有在衬底上没有油脂或有机和无机污染物。在基板表面上的任何油脂或有机和无机污染物将显著降低薄膜的密合性。

步骤2是ZnO膜制备过程之前，最重要的过程。 DEZn是非常有毒，与水发生剧烈反应，容易点燃时与空气接触。 DEZn必须非常小心地注入到钢筒，然后抽立即降到6乇。在步...

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材料

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