Synthese und Charakterisierung von Hoch c-Achsen-ZnO-Dünnfilm durch Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-System und seine UV-Photodetektor Anwendungs

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

In dieser Studie, Zinkoxid (ZnO) dünne Filme mit hoher c-Achse (0002) Vorzugsorientierung wurden erfolgreich und wirksam auf Silizium (Si) -Substrate über verschiedene Temperaturen synthetisiert unter Verwendung plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung (PECVD) System synthetisiert. Die Wirkungen der verschiedenen synthetisierten Temperaturen auf die Kristallstruktur, Oberflächenmorphologie und der optischen Eigenschaften untersucht. Die Röntgenbeugung (XRD) zeigte, daß die Intensität der (0002) Beugungspeak wurde stärker mit zunehmender synthetisiert Temperatur bis 400 ^o C. Die Beugungsintensität der (0002) Spitzen allmählich schwächer einhergehende Auftreten von (10-10) Beugungsspitze als synthetisierte Temperatur bis über 400 ^o C. Die RT Photolumineszenz (PL) Spektren zeigte eine starke Nähe Band-Kante (NBE) Emission bei etwa 375 nm und einer vernachlässigbaren Tiefebene (DL) Emission bei etwa 575 nm und liegt beobachteter hohen c-Achse ZnO-Dünnschichten. Feldemissionsrasterelektronenmikroskopie (FE-SEM) zeigte die homogene Oberfläche und geringen Korngrößenverteilung. Die ZnO-Dünnfilme wurden auch auf Glassubstrate unter den gleichen Parameter für die Messung der Durchlässigkeit synthetisiert.

Zum Zwecke der ultravioletten (UV) Photodetektoranwendung interdigitalen Platin (Pt) Dünnfilm (Dicke ~ 100 nm) über herkömmlichen optischen Lithographieverfahren und Funkfrequenz (RF) Magnetronsputtern hergestellt. Um ohmschen Kontakt zu erreichen, wurde die Vorrichtung in Argon Umstände bei ^450ºC durch schnelles thermisches Tempern (RTA-System) für 10 min getempert. Nachdem die systematische Messungen, die Strom-Spannungs (I - V) -Kurve von Foto- und Dunkelstrom und zeitabhängigen Photostrom Ergebnisse zeigten eine gute Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit, die anzeigt, dass die Hoch c -Achse ZnO-Dünnfilm ist eine geeignete Messschichtfür UV-Photodetektor-Anwendung.

Einleitung

ZnO ist eine vielversprechende breite Bandlücke funktionale Halbleitermaterial aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wie hohe chemische Stabilität, niedrige Kosten, Nicht-Toxizität, geringer Stromschwelle für optisches Pumpen, breite direkte Bandlücke (3,37 eV) bei RT und große Exzitonen Bindungsenergie von ~ 60 meV ^1-2. In letzter Zeit wurden ZnO-Dünnfilme in vielen Anwendungsbereichen einschließlich transparentes leitfähiges Oxid (TCO) Filme, blaues Licht emittierende Vorrichtung, Feldeffekt-Transistoren, und Gassensor ^3-6 eingesetzt. Andererseits ist ZnO ein Kandidatenmaterial Indium-Zinn-Oxid (ITO) zu ersetzen durch Indium und Zinn als selten und teuer. Außerdem ZnO hohe optische Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich und einen niedrigen spezifischen Widerstand, verglichen mit ITO-Filmen ^7-8. Dementsprechend wurde die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von ZnO wurde ausgiebig berichtet. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die Synthese von hohen c-Achse (0002) ZnO-Dünnfilme mit einfacher eind effektiv Verfahren und ihre praktische Anwendung zu einer UV-Photodetektor.

Die jüngsten Forschungsbericht Ergebnisse zeigen, dass die hohe Qualität ZnO-Dünnfilm kann durch verschiedene Techniken, wie beispielsweise Sol-Gel-Verfahren, Hochfrequenz-Magnetronsputtern, metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) usw. ^9-14 synthetisiert werden. Jede Technik hat ihre Vorteile und Nachteile. Zum Beispiel, ist ein Hauptvorteil der Sputterabscheidung dass Ziel Materialien mit sehr hohem Schmelzpunkt, mühelos auf das Substrat gesputtert. Im Gegensatz dazu ist das Sputter-Verfahren schwierig, mit einem Abhebeverfahren zur Strukturierung der Folie zu verbinden. In unserer Studie wurde die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) System eingesetzt, um hohe Qualität zu synthetisieren c-Achse ZnO-Dünnschichten. Plasmabeschuß ist ein Schlüsselfaktor in der Syntheseverfahren, die die Dünnfilmdichte zu erhöhen und die Ionenzersetzungsreaktionsgeschwindigkeit ¹⁵ kann. ImDarüber hinaus ist die hohe Wachstumsrate und großflächige gleichmäßige Abscheidung sind weitere entscheidende Vorteile für PECVD-Technik.

Mit Ausnahme der Synthesetechnik, die eine gute Haftung auf dem Substrat voneinander betrachtet Thema. In vielen Studien wurde die c-Ebene Saphir wurde weithin als Substrat verwendet werden, um ein hohes C synthetisieren -Achse ZnO-Dünnfilme, weil die ZnO und Saphir haben die gleiche hexagonale Gitterstruktur. Jedoch wurde der ZnO auf Saphir-Substrat aufweist rauhe Oberflächenmorphologie und hoher Rest (defektbezogene) Trägerkonzentrationen wegen der großen Gitter misfits zwischen ZnO und c -Ebene Saphir (18%) in der Richtung in der Ebene ¹⁶ orientiert synthetisiert. Verglichen mit dem Saphir-Substrat, ein Si-Wafer andere verbreitete Substrat für die ZnO-Synthese. Si-Wafer wurden ausführlich in der Halbleiterindustrie verwendet werden; und somit wird das Wachstum von qualitativ hochwertigen ZnO Dünnfilmen auf Si-Substraten sehr wichtig und erforderlich. Leider ist die Kristallstruktur und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem ZnO und Si sind offensichtlich verschieden, was zu einer Verschlechterung der Kristallqualität. In den vergangenen zehn Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um die Qualität des ZnO-Dünnfilmen auf Si-Substraten unter Verwendung von verschiedenen Verfahren, einschließlich ZnO-Pufferschichten ^17, Annealing bei verschiedenen Gasatmosphäre ^{18 und} Passivierung der ^{Si-Substratoberfläche} 19 zu verbessern. In der vorliegenden Studie erfolgreich bot eine einfache und effektive Methode zur Synthese von hoch c-Achse ZnO-Dünnfilm auf Si-Substraten ohne Pufferschicht oder Vorbehandlung. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die unter der optimalen Wachstumstemperatur synthetisiert ZnO-Dünnfilme zeigten die gute Kristall und optischen Eigenschaften. Die kristalline Struktur, RF Plasmazusammensetzung, Oberflächenmorphologie und der optischen Eigenschaften des ZnO-Dünnfilme wurden durch Röntgenbeugung (XRD), die optische Emissionsspektroskopie (OES), Feldemissions sc suchtenAnning Elektronenmikroskopie (FE-SEM) und RT Photolumineszenz (PL)-Spektren. Außerdem wurde die Durchlässigkeit des ZnO-Dünnfilme ebenfalls bestätigt und berichtet werden.

Das so synthetisierte ZnO-Dünnfilm diente als Sensorschicht für UV-Photodetektor-Anwendung wurde auch in dieser Studie untersucht. Der UV-Photodetektor hat ein großes Potenzial Anwendungen in der UV-Überwachung, optische Schalter, Flamm Alarm und Raketenwärmesystem ^20-21. Es gibt viele Arten von Photodetektoren, die sich wie beispielsweise positive intrinsische negativ (pin) Modus und Metall-Halbleiter-Metall (MSM) Strukturen mit Ohmschen Kontakt und die Schottky-Kontakt durchgeführt wurden. Jeder Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Derzeit haben MSM Photodetektorstrukturen intensive Interesse aufgrund ihrer herausragenden Leistungen in Empfindlichkeit, Zuverlässigkeit und Antwort und Recovery-Zeit ^{von 22 bis 24} angezogen. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass der MSM Ohmsche Kontaktmodus verwendet wurde,um ZnO-Dünnfilm auf Basis UV-Photodetektor herzustellen. Eine solche Art des Photodetektors zeigt typischerweise eine gute Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit, die anzeigt, dass die Hoch c -Achse ZnO-Dünnfilm ist ein geeignetes Sensorschicht für UV-Photodetektor.

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Protokoll

1. Untergrundvorbereitung und Reinigung

1. Schnitt 10 mm x 10 mm-Siliziumsubstrate aus Si (100) -Wafer.
2. Schnitt 10 mm x 10 mm Glassubstraten.
3. Verwenden Ultraschallreinigungsmittel, um die Silizium und Glassubstrate mit Aceton für 10 min, Alkohol für 10 min reinigen und anschließend Isopropanol für 15 min.
4. Spülen Sie die Substrate mit deionisiertem (DI) Wasser dreimal.
5. Föhnen die Substrate mit einem Stickstoff-gun.

2. DEZn Zubereitung und Konservierung

Anmerkung: Diethylzink (C _{2 H 5) 2 Zn,} auch genannt DEZn ist ein hochpyrophoren Organozinkverbindung bestehend aus einer Zinkzentrum zwei Ethylgruppen gebunden. Arbeiten Sie niemals allein, wenn Sie DEZn. DEZn ist sehr giftig und empfindlich auf den Sauerstoff und Wasser, sicher sein, nicht auf die DEZn der Nähe des Wassers zu platzieren. Tragen Sie immer Schutzmasken und Schutzbrille; Alle Verfahren müssen in der Haube durchgeführt werden. Am wichtigsten ist, müssen unbenutzt DEZn be in einem 5 ^{° C} gelagert.

Hinweis: Bei der ersten Verwendung von DEZn, folgen Sie Schritt 2. Wenn nicht, starten Sie den Versuch ab Schritt 3.

1. Verwenden Spritze zu ziehen 30 ml DEZn aus der Flasche und dann in ein Becherglas in einem Stahlzylinder platziert zu injizieren.
2. Verwenden Sie einen verzinktem Eisen Rohr um den Stahlzylinder mit der Reaktionskammer zu verbinden.
3. Verwenden mechanische Pumpe und Kugelhahn zum Abpumpen des Stahlzylinder in Vakuumumgebung (bis 6 Torr).
   Anmerkung: DEZn wird stark mit Sauerstoff reagieren können, müssen sie in der Vakuumumgebung aufrechterhalten werden kann.
4. Bewahren Sie das nicht verwendete DEZn in einem 5 ^{° C-Umgebung.}

3. PECVD-Kammer Vorbereitung und Synthese von ZnO-Dünnschichten

Anmerkung: Die schematische Darstellung der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung ist in Abbildung 1 dargestellt.

1. Stellen Sie den Arbeitsabstand zwischen Duschkopf-Elektrode und Probentisch bei 30 mm.
2. Legen Sie die Substrate auf dem Probentisch der Reaktionskammer in der richtigen Stelle, wo gibt es eine 3 cm Abstand von der DEZn Einlass.
3. Öffnen Sie die Drehkolbenpumpe und nach und nach Öffnen der Schieber und Drosselklappe.
4. Warten Sie, bis der Hintergrunddruck der Reaktorkammer von weniger als 30 mTorr ist.
5. Schließen der Absperrschieber und Ventil, das an der Drehpumpe verbindet.
6. Öffnen Sie dann die Turbopumpe und relative Absperrschieber zum Hochvakuum von 3 x ¹⁰ -6 Torr zu erreichen.
7. Nach dem Erreichen der erforderlichen Vakuumbedingungen, öffnen Sie den Wärmeregler und erhitzen das Probentisch an die Synthesetemperatur (200, 300, 400, 500 und 600 ^{° C} für verschiedene Experimentparameter).
8. Wenn die Temperatur und der Druck die notwendige Bedingung zu erreichen, schließen Sie die Turbopumpe und öffnen Sie die Absperrventile und Ventilklappe, die der Rotationspumpe verbindet gleichzeitig.
9. Als nächstes öffnen Sie den Gaseinlassventilen und schalten Sie den Argon gals Stromregler gleichzeitig.
10. Fließen die Argongas (0,167 ml / sec) in die Kammer.
11. Stellen Sie den Kammerdruck auf 500 mTorr.
12. Schalten Sie den RF (13,56 MHz) Generator und Anpassungsnetzwerk und stellen Sie die HF-Leistung von 100 W zum Spülen der Proben die Oberfläche für 15 Minuten.
13. Nach Beendigung der Spülung von Proben, drehen Sie die HF-Leistung bis zu 70 W.
14. Als nächstes schalten Sie den Kohlendioxidgasregler und Gaseinlassventil.
15. Fließt das Kohlendioxid (0,5 ml / sec) in die Kammer.
16. Stellen Sie den Betriebsdruck bei 6 Torr.
17. Nach der Kammerdruck erreicht 6 Torr, fließen die hohe reinem Argon als Trägergas (0,167 ml / s) für die Durchführung Diethylzink (DEZn) in die Kammer und offene Kugelventil gleichzeitig dem DEZn verbunden. Zur gleichen Zeit, beginnen die Synthese von ZnO-Filme.
18. Weiterhin die Plasmasynthese ZnO Filme für 5 min.
19. Nachdem die ZnO-Filme wurden synthetisiert, schalten Sie der Reihe nach aus dem HF-Generator, Kugelhahn, Wärme conController und alle Gasdurchflussregler mit Gaseinlassventile.
20. Nehmen Sie die Probe, wenn die Probe Bühne Temperatur kühlt auf RT. Anmerkung: Die Kühlrate etwa 1,8 ^{° C} / min.

4. Herstellung von ineinandergreifenden artigen Muster auf wie synthetisiert ZnO-Dünnfilm

Anmerkung: Die schematische Darstellung der Lithografieprozess ist in 3 dargestellt.

1. Verwenden Sie eine heiße Platte, die so synthetisierten ZnO Probe bei ¹⁵⁰ ° C für 10 min backen.
2. Platzieren der Probe auf dem Spin-Coater, und dann Abgeben der flüssigen Lösung aus Fotolack (S1813) mit 100 & mgr; l auf die ZnO-Probe.
3. Laufen Spincoaters bei 800 rpm für 10 sec, und dann auf 3000 UpM für 30 s zu beschleunigen, um eine einheitlich dünne Schicht zu erzeugen.
4. Weichbacken der Photoresist beschichteten ZnO Probe bei 105 ^{° C} für 90 sec.
5. Nach dem Soft-Backen, verwenden UV-Licht, um den Photoresist beschichteten Probe trou aussetzengh einer Photomaske durch Mask Aligner. Die Expositionszeit beträgt 2 Sekunden und die Leistung ist 400 W.
   Anmerkung:. Das Muster der Photomaske ist so verzahnt artigen, die 0,03 mm breit und 4 mm lang (14 Paare), und weist einen Zwischenelektrodenabstand von 0,15 mm, wie in 2 dargestellt gestaltet Es ist erwähnenswert, dass die Gesamtempfindlichen Fläche 84,32 mm ² für den Detektor.
6. Nach der Belichtung Verfahren, mit Hilfe einer Pinzette die Probe auf Clip, und dann tauchen Sie in die verdünnte Entwickler (Mischungs 50 ml Entwickler und 150 ml VE-Wasser) durch Maßnahmen zu schwingen von Seite zu Seite für 35 s, um die entwickelte Probe zu erhalten.
7. Spülen Sie die entwickelte Probe mit VE-Wasser und mit Stickstoffgas trocken.
8. Verwenden Sie den optischen Mikroskop, um das Muster zu überprüfen intakt. Wenn nicht, verwenden Aceton, um den Photolack zu entfernen, und wiederholen Sie die Schritte 4.2 bis 4.7, bis Sie das perfekte Muster erhalten worden ist.
9. Hartbacken der Probe bei ¹²⁰ ° C für 20 min.

5. Abscheidung von Pt oberen Elektrode und Chemical Lift-off

1. Verwenden der RF-Magnetron-Sputtersystem, um einen dünnen leitenden Pt-Schicht (100 nm) auf der Oberseite der entwickelten Probe abzulagern, bevor zu chemischen Abheben Verfahren.
2. Stellen Sie den Abstand zwischen Target und Substrat bei 13 mm.
3. Verwenden Sie die mechanische Pumpe, um eine Grobvakuum von 5 mTorr zu erreichen.
4. Verwenden Sie dann die Turbopumpe, um ein hohes Vakuum von 7 x ¹⁰ -7 Torr erhalten.
5. Warten Sie, bis die Kammer die Hochvakuum erreicht, schließen Sie die Turbopumpe und öffnen Sie die mechanische Pumpe anschließend.
6. Fließen die Argongas bei 0,3 ml / sec in die Kammer durch mas Durchflussregler, bis der Kammerdruck erreicht den Arbeitsdruck von 100 mTorr.
7. Schalten Sie den Gleichstrom (DC) Entladungsstromversorgung und stellen Sie die DC-Leistung bei 15 W für Sputtern des Pt Dünnfilmelektrode auf die Probe für 25 min.
8. Nachdem die Pt-Elektrodenschicht durch Magnetron sputt hinterlegtEring Methode, nehmen Sie die Probe aus der Kammer.
9. Tauchen Sie die Probe in die Acetonflüssigkeit für chemische Lift-off-Prozess, durch Ultraschall-Reiniger, um den Photolack zu entfernen.
10. Stellen Sie die Reinigungszeit auf 1 min, um Photolack gründlich zu entfernen, und dann erhalten Sie die ineinandergreifenden artigen Pt-Elektrode auf die ZnO-Dünnfilm.

6. RTA-Prozeß

1. Legen Sie die als Fertig Pt / ZnO-Probe in die RTA-System.
2. Verwenden Sie die mechanische Pumpe und Schieber auf 20 mTorr Abpumpen des RTA Kammerdruck.
3. Warten Sie, bis der Kammerdruck erreicht 20 mTorr, fließen Argongas bei 0,3 ml / sec in die Kammer und den Arbeitsdruck von 5 Torr.
4. Als nächstes legen Sie die Erwärmungsrate als 100 ^o C / min.
5. Dann wird die Probe zu tempern bei 450 ^{° C} für 10 min.
6. Sobald geglüht, warten Sie, bis die Probe kühlt auf RT, dann nehmen Sie die Probe.

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Ergebnisse

Die ZnO (0002) dünnen Filmen mit hohem c-Achsausrichtung bevorzugte Orientierung wurden erfolgreich auf den Si-Substraten unter Verwendung des PECVD-System synthetisiert. Das Kohlendioxid (CO _{2) und dem} Diethylzink (DEZn) als Sauerstoff und Zinkvorläufer verwendet wurden. Die Kristallstruktur von ZnO-Dünnfilme wurde durch Röntgenbeugung (Figur 4) ist, was anzeigt, dass die ZnO-Dünnfilms bei 400 ^{° C} mit der stärksten (0002) -Beugungspeak synthetisiert. Wenn das synth...

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Diskussion

Kritischen Schritte und Modifikationen

In Schritt 1 wird, sollten die Substrate gründlich gereinigt werden, und die Schritte 1.3 bis 1.5 folgt, um sicherzustellen, dass es kein Fett oder organischen und anorganischen Verunreinigungen auf den Substraten. Fett- und organischen und anorganischen Verunreinigungen auf der Substratoberfläche wird die Haftung des Films deutlich zu reduzieren.

Schritt 2 ist das wichtigste Verfahren vor dem ZnO-Film Herstellverfahren. D...

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Materialien

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