Name: synthesis and characterization of high c-axis zno thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition system and its uv photodetector application
Uploaded: 2015-10-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 18 s
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Diese Arbeit wurde von durch das Ministerium für Wissenschaft und Technologie und National Science Council der Republik China (Vertrag Nr. NSC 101-2221-E-027-042 und NSC 101-2622-E-027-003-CC2) unterstützt. DH Wei durch die National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) für die Dr. Shechtman Preis Award.

1. Untergrundvorbereitung und Reinigung <ol><li> Schnitt 10 mm x 10 mm-Siliziumsubstrate aus Si (100) -Wafer. </li><li> Schnitt 10 mm x 10 mm Glassubstraten. </li><li> Verwenden Ultraschallreinigungsmittel, um die Silizium und Glassubstrate mit Aceton für 10 min, Alkohol für 10 min reinigen und anschließend Isopropanol für 15 min. </li><li> Spülen Sie die Substrate mit deionisiertem (DI) Wasser dreimal. </li><li> Föhnen die Substrate mit einem Stickstoff-gun. </li></ol> 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. <ol><li> Verwenden Spritze zu ziehen 30 ml DEZn aus der Flasche und dann in ein Becherglas in einem Stahlzylinder platziert zu injizieren. </li><li> Verwenden Sie einen verzinktem Eisen Rohr um den Stahlzylinder mit der Reaktionskammer zu verbinden. </li><li> 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. </li><li> Bewahren Sie das nicht verwendete DEZn in einem 5 ° C-Umgebung. </li></ol> 3. PECVD-Kammer Vorbereitung und Synthese von ZnO-Dünnschichten Anmerkung: Die schematische Darstellung der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung ist in Abbildung 1 dargestellt. <ol><li> Stellen Sie den Arbeitsabstand zwischen Duschkopf-Elektrode und Probentisch bei 30 mm. </li> &lt;li&gt; Legen Sie die Substrate auf dem Probentisch der Reaktionskammer in der richtigen Stelle, wo gibt es eine 3 cm Abstand von der DEZn Einlass. </li><li> Öffnen Sie die Drehkolbenpumpe und nach und nach Öffnen der Schieber und Drosselklappe. </li><li> Warten Sie, bis der Hintergrunddruck der Reaktorkammer von weniger als 30 mTorr ist. </li><li> Schließen der Absperrschieber und Ventil, das an der Drehpumpe verbindet. </li><li> Öffnen Sie dann die Turbopumpe und relative Absperrschieber zum Hochvakuum von 3 x 10 -6 Torr zu erreichen. </li><li> 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). </li><li> 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. </li><li> Als nächstes öffnen Sie den Gaseinlassventilen und schalten Sie den Argon gals Stromregler gleichzeitig. </li><li> Fließen die Argongas (0,167 ml / sec) in die Kammer. </li><li> Stellen Sie den Kammerdruck auf 500 mTorr. </li><li> 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. </li><li> Nach Beendigung der Spülung von Proben, drehen Sie die HF-Leistung bis zu 70 W. </li><li> Als nächstes schalten Sie den Kohlendioxidgasregler und Gaseinlassventil. </li><li> Fließt das Kohlendioxid (0,5 ml / sec) in die Kammer. </li><li> Stellen Sie den Betriebsdruck bei 6 Torr. </li><li> 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. </li><li> Weiterhin die Plasmasynthese ZnO Filme für 5 min. </li><li> Nachdem die ZnO-Filme wurden synthetisiert, schalten Sie der Reihe nach aus dem HF-Generator, Kugelhahn, Wärme conController und alle Gasdurchflussregler mit Gaseinlassventile. </li><li> Nehmen Sie die Probe, wenn die Probe Bühne Temperatur kühlt auf RT. Anmerkung: Die Kühlrate etwa 1,8 ° C / min. </li></ol> 4. Herstellung von ineinandergreifenden artigen Muster auf wie synthetisiert ZnO-Dünnfilm Anmerkung: Die schematische Darstellung der Lithografieprozess ist in 3 dargestellt. <ol><li> Verwenden Sie eine heiße Platte, die so synthetisierten ZnO Probe bei 150 ° C für 10 min backen. </li><li> Platzieren der Probe auf dem Spin-Coater, und dann Abgeben der flüssigen Lösung aus Fotolack (S1813) mit 100 &amp; mgr; l auf die ZnO-Probe. </li><li> 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. </li><li> Weichbacken der Photoresist beschichteten ZnO Probe bei 105 ° C für 90 sec. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Spülen Sie die entwickelte Probe mit VE-Wasser und mit Stickstoffgas trocken. </li><li> 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. </li><li> Hartbacken der Probe bei 120 ° C für 20 min. </li></ol><ol><li> 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. </li><li> Stellen Sie den Abstand zwischen Target und Substrat bei 13 mm. </li><li> Verwenden Sie die mechanische Pumpe, um eine Grobvakuum von 5 mTorr zu erreichen. </li><li> Verwenden Sie dann die Turbopumpe, um ein hohes Vakuum von 7 x 10 -7 Torr erhalten. </li><li> Warten Sie, bis die Kammer die Hochvakuum erreicht, schließen Sie die Turbopumpe und öffnen Sie die mechanische Pumpe anschließend. </li><li> Fließen die Argongas bei 0,3 ml / sec in die Kammer durch mas Durchflussregler, bis der Kammerdruck erreicht den Arbeitsdruck von 100 mTorr. </li><li> 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. </li><li> Nachdem die Pt-Elektrodenschicht durch Magnetron sputt hinterlegtEring Methode, nehmen Sie die Probe aus der Kammer. </li><li> Tauchen Sie die Probe in die Acetonflüssigkeit für chemische Lift-off-Prozess, durch Ultraschall-Reiniger, um den Photolack zu entfernen. </li><li> 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. </li></ol> 6. RTA-Prozeß <ol><li> Legen Sie die als Fertig Pt / ZnO-Probe in die RTA-System. </li><li> Verwenden Sie die mechanische Pumpe und Schieber auf 20 mTorr Abpumpen des RTA Kammerdruck. </li><li> Warten Sie, bis der Kammerdruck erreicht 20 mTorr, fließen Argongas bei 0,3 ml / sec in die Kammer und den Arbeitsdruck von 5 Torr. </li><li> Als nächstes legen Sie die Erwärmungsrate als 100 o C / min. </li><li> Dann wird die Probe zu tempern bei 450 ° C für 10 min. </li><li> Sobald geglüht, warten Sie, bis die Probe kühlt auf RT, dann nehmen Sie die Probe. </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

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. DEZn ist sehr giftig und heftig mit Wasser reagiert und leicht entzündet sich bei Kontakt mit Luft. DEZn müssen sehr vorsichtig in den Stahlzylinder eingespritzt werden und dann sofort abgepumpt bis 6 Torr. In Schritt 3 stellen Sie sicher, dass jede Versuchsparameter und Schritt genau abgeschlossen werden, da sogar leicht unterschiedlichen Einstellungen wird zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Schritt 4 muss in einem Lithographie Labor und Reinraum, um nicht-UV-Licht-Beleuchtung und d vermieden wirdUst-pollutionor Partikelverschmutzungswirkung. In Schritt 5 sollte Leistung der DC-Entladungsstromversorgung langsam erhöht wird; ansonsten der Pt-Target wird gebrochen. In Schritt 6 werden die Proben in der Mitte des RTA-Kammer angeordnet werden, um sicherzustellen, dass die Probe gleichförmig erhitzt werden. Datenanalyse Das synthetisierte Temperatur ist ein entscheidender Parameter für die Synthese von hochwertigen c -Achse ZnO-Dünnfilm, weil die Wärmeausdehnungskoeffizienten und der thermischen Fehlanpassung Verspannungseffekt mit Grenzflächenenergie zwischen den ZnO-Dünnfilme und des Si-Substrats können sich erheblich auf die kristallographische Orientierung. Es ist deutlich von XRD-Muster (4) beobachtet werden. Die stärkste ZnO (0002) Beugungsmaximum bei 400 o C erhalten, was anzeigt, dass die Temperatur eine optimale Temperatur für die Synthese synthetisiert c -Achse ZnO-Dünnfilms auf Si Substrat durch PECVD-Verfahren. Mit einer weiteren Steigerungsynthetisiert in Temperatur bis 500 ° C, was zu der Verschlechterung der ZnO-Kristall-Qualität. Darüber hinaus, um amorphe Phase überführt die ZnO-Dünnfilm, wenn die synthetisierte Temperatur wurde auf 600 ° C eingestellt Man kann davon ausgehen, dass die ausreichend hohe Temperatur (dh 400 ° C) kann ausreichend Energie liefern, die Verbesserung der Fähigkeit von Molekülen, um die stabile Website finden und was in der ZnO-Dünnfilm mit hoher Kristallqualität werden. Gleichzeitig werden die häufigsten Mängel einschließlich Leerstellen, Zwischengitteratome und Versetzungen in ZnO ebenfalls reduziert. Jedoch wird das ZnO in Zn und O 2 -Moleküle zu zersetzen, wenn bei zu hohen Temperaturen (dh 500 und 600 o C) 25 eingesetzt. Außerdem sind die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen ZnO (6,7 x 10 -6 K -1) 26 Dünnfilm und Si (4,18 x 10 -6 K -1) 27 Substrat bei 900 K die thermische Fehlanpassung str Ausbeuteain Effekt mit Grenzflächenenergie. Die oben genannten Phänomene könnte die Kristallqualität des ZnO-Dünnfilms verschlechtern, was zu einer polykristallinen oder amorphen Phase. Zur Überwachung des chemischen Plasma-Zusammensetzung während des ZnO synthetisiert Verfahren wird das in - situ wurde OES Spektralanalyse des HF-Plasma durchgeführt (Figur 5). Der OES Analyseergebnis veranschaulicht, dass die drei starken Zn Emissionsspitzen erschienen rund 475 nm und andere deutliche Emissionsspitzen wurden als O 2 und CO-Signale 28 bestimmt. Darüber hinaus sind einige komplizierte Emissionspeaks im Bereich von 325 bis 430 nm liegt als Zersetzungsarten DEZn bestimmt. Die obige nützliche Informationen anzeigt, dass der OES ist ein nützliches Instrument, um in - situ-Überwachung von Plasma-chemischen Zusammensetzung während des Prozesses synthetisiert. Die Oberflächenmorphologie der ZnO-Dünnfilme wurden von FE-SEM &lt;beobachtetstrong&gt; (6A-E). Es kann gesehen werden, dass die ZnO bei 300 und 400 o C zeigen dicht mit kugelförmigen Körnern mit kleinen Korngrßenverteilung verpackt synthetisiert. Verglichen mit dem synthetisierten Zustand, andere ZnO-Dünnfilme zeigen unordentlich und unregelmäßige Oberfläche, was auf die polykristallinen oder amorphen Phase. Es ist erwähnenswert, dass die SEM-Bilder, die mit den vorherigen XRD Ergebnisse. Die optischen Eigenschaften wurden durch RT PL Spektrum mit 325 nm He-Cd-Laser bestimmt. Von der PL-Messung (Abbildung 7), alle ZnO-Dünnfilme zeigen eine starke NBE Emissionsmaximum bei etwa 375 nm, die Rekombination von freien Exzitonen durch ein Exziton-Exziton Kollisionsprozess 29 zugeschrieben wird entfernt. Gleichzeitig werden die breiten Mängel DL Emissionspeaks bei etwa 575 nm liegt erzielt, wenn die synthetisierte Temperaturen wurden auf 200 500 o C eingestellt und Es wird auch festgestellt, dass die NBE Emission hat eine Blauverschiebungzu kürzeren Wellenlängen mit steigender Temperatur synthetisiert. Im allgemeinen wird die DL-Emission in den Verunreinigungen und verschiedene strukturelle Defekte in der ZnO-Phase, wie beispielsweise Sauerstoffleerstelle und Zink interstitielle 30 bezeichnet und die Blauverschiebung ist infolge der starken Rest anisotrope Spannung in dem ZnO-Dünnfilm 31. Daher sind die PL Ergebnisse spiegeln, dass das synthetisierte Temperatur kann erhebliche Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften des ZnO-Dünnfilme. Unter allen ZnO-Proben, nur zwei Proben, die bei 300 synthetisiert und 400 o C A dominiert NBE Emissionsspitze und vernachlässigbare DL Emissions die hohe (0002) XRD-Beugungsspitze begleiten zu zeigen. Die Transparenz für alle synthetisierten ZnO-Dünnfilme wurden durch Transmissionsspektrum (8A) und die durchschnittliche Durchlässigkeitswert für jeden ZnO Probe wurde berechnet, (8B) gemessen. Die durchschnittliche Durchlässigkeitswert von ZnO-Proben bei 200 synthetisiert, 300 einnd 400 o C in dem gesamten sichtbaren Bereich beträgt etwa 80%, aber die Proben bei 500 synthetisiert und 600 o C zeigen eine relativ geringe Durchlässigkeit, insbesondere für das ZnO-Probe bei 600 ° C synthetisiert Der Grund für die reduzierte Durchlässigkeit von ZnO Probe bei einer höheren Temperatur synthetisiert wird noch bis heute unklar. -Achse Die Hoch c jedoch Vorzugsorientierung ZnO mit hoher Transparenz erhalten wurde, anzeigt, dass das Zeichen noch für zukünftige hoher Transmittanz ZnO und optoelektronischen Vorrichtungen verwendet werden. Weil die ZnO-Phase kann die Sauerstoffmoleküle in der allgemeinen Umgebung zu adsorbieren und desorbieren Sauerstoffmoleküle unter UV-Beleuchtung kann es als UV-Photodetektor verwendet werden. Sauerstoffmoleküle auf eine ZnO-Oberfläche durch die Erfassung von freien Elektronen aus dem Leitungsband des ZnO adsorbiert [O 2 + e - → O 2 -], die eine Verarmungsschicht in der Nähe der Oberfläche ergibt, was zu einer stark vermindern dieLeitfähigkeit des ZnO. [- + H + H ʋ → e] wenn ZnO durch Photonenenergie mehr als Bandlücke des ZnO (dh UV-Licht), Elektronen-Lochpaare erzeugt beleuchtet. Diese Träger aus Elektron-Loch-Paare werden in Richtung der Oberfläche bewegen und neutralisieren die adsorbierten Sauerstoffmoleküle [H + + O 2 - → O 2]. Die Neutralisation Sauerstoffmoleküle mühelos desorbieren die Oberfläche des ZnO, die die Leitfähigkeit erhöhen deutlich macht zu bilden. Daher wird gemäß dieser Theorie -Achse die Hoch c ZnO-Dünnfilm wurde als Sensorschicht verwendet wird, um UV-Photodetektor herzustellen. V Kurve mit und ohne UV-Licht-Beleuchtung und zeitabhängigen Photostrom (Figur 9 und 10) - die UV-Detektionseigenschaften des hergestellten Pt / ZnO-Photodetektor durch die Messung der I untersucht und bestätigt. Eine offensichtliche symmetrischen Verhalten könnte sein, observed, was darauf hinweist, dass die hohe Qualität Leitende Verbindung hat an der Pt / ZnO-Schnittstelle erreicht worden, nachdem in Argon post-geglüht bei 450 o C durch RTA. Entsprechend dem gemessenen I - V-Kennlinien ist der Dunkelstrom 0,36 mA und der Photostrom von etwa 4,3 mA bei 5 V, die die aktuelle Differenz zwischen der UV beleuchteten und dunklen Zustand. Weil die Leistung der UV-Photodetektor ist kritisch abhängig von seiner Ansprech- und Erholungszeiten wurde die zeitabhängigen Photostrom als Reaktion umgesetzt. Die Reaktionszeit ist üblicherweise definiert als die Zeit, um 90% der maximalen Photostrom zu nähern, und die Wiederherstellungszeit ist die Zeit, bis 10% des maximalen Photostrom zerfallen. Aus dem zeitabhängigen Photostrom Antwortmessung, das Ansprechen und die Erholzeit etwa 3 und 9 s jeweils. Darüber hinaus ist die UV-Licht wurde fünfmal zum Testen der Zuverlässigkeit und ausgeschaltet. Gemäß den obigen Messungen der ZnO-basierten UV-Fotodetektor zeigt ein schnellesEmpfindlichkeit und hoher Zuverlässigkeit, die mögliche Entwicklung für kommerzielle UV Photodetektor verwendet werden könnte. Zusammenfassend diese vorliegende Studie liefert ein Verfahren zur Synthese von hohen c-Achse Vorzugsorientierung ZnO-Dünnfilm auf Si-Substraten durch PECVD mit einer Feinsteuerung der synthetisierten Temperatur. Die optimale c -Achse ZnO-Dünnfilm wurde bei 400 ° C, das einen wettbewerbsfähigen und funktionelle Eigenschaft im Hinblick auf die Kristallstruktur der optischen Eigenschaften und die Transparenz für das sichtbare Licht synthetisiert. Der ZnO-basierte UV-Photodetektor in Kombination mit Pt ineinandergreifenden Elektroden mit Leitende Verbindung weist eine schnelle Ansprechverhalten und hohe Zuverlässigkeit unter UV-Licht (38 mW cm -2) bei der Vorspannung von 5 V. Diese vorliegende Arbeit könnte ein wertvolles Richtung und Anwendung sowohl in der Forschung sein, und der Industrie. Potenzielle Vorteile und Nachteile der PECVD-Technik Plasmaunterstützte chemischesche Dampfabscheidung (PECVD) ist eine nützliche Technik, die eingesetzt worden ist, um dünne Filme aus dampfförmigen Zustand in den festen Zustand auf den Substraten zu synthetisieren. Das Plasma wird in der Regel durch DC oder HF-Stromversorgung zwischen Showerhead-Elektrode gewöhnlich als obere Elektrode und Probentisch in der Regel als Bodenelektrode verwendet wird, jeweils verwendet entstand. Der Raum zwischen diesen beiden Elektroden mit den chemischen Reaktionen der Reaktionsgase gefüllt. Die Kristallorientierung und Zusammensetzung der Probe hängt von der Synthesebedingungen und das Verhältnis der Reaktionspartner Vorstufen. Zum Beispiel das DEZn und CO 2 als Vorstufen wurden verwendet, um Zink- und Sauerstoffquellen zur Synthese von ZnO-Dünnschicht bzw. bereitzustellen. Offensichtlich ist das Plasma ein Hauptmerkmal dieses Verfahrens. Durch die plasmaverstärkte Erwerb ionisiert Reaktant Atomen oder Molekülen, die wirksam an die Substratoberfläche diffundieren und dann leicht mit benachbarten ionisierten Atomen oder Molekülen zu reagieren, um hohe Dichte zu bilden configuration-Dünnfilm. Als Folge können alle Proben auf energetischen Ionenbeschuss während des Syntheseprozesses ausgesetzt werden. Weil die Plasmareaktion nacheinander während des Syntheseprozesses auftritt, sind die wichtigsten Vorteile der PECVD-Technik umfassen: (a) die untere Synthesetemperatur fast alle Proben können bei niedriger Temperatur (100 bis 450 o C) synthetisiert werden, (b) hohe Seitenverhältnis Zustand verfügbar ist (wenn die Verwendung Plasma hoher Dichte), (c) hohe Abschmelzleistung, (d) HF-Leistung versorgt Duschkopf mit optimierter Gaszufuhr, eine gleichmäßige Plasmabehandlung, (e) gute Dünnfilmoberfläche Gleichförmigkeit, und (f) chemische Zusammensetzung Struktur kann fein gesteuert werden. Die PECVD Technik beinhaltet jedoch eine chemische Reaktion und eine hohe Plasmabeschuß Dichte, und es hat einige Einschränkungen und Nachteile. Der gesamte Prozess wird eine große Anzahl von chemischen und partikulären Verunreinigungen, erforderliche sorgfältige und sachgemäße Handhabung zu produzieren. Hochreine Gase sind in dieser Technik notwendig, so dass die Beschränkung eines spezifischen Vorläufer, wie DEZn, das in Lösung verarbeitet werden können. Wenn die Quelle nicht in der Lage, in irgendeiner Lösungsmittel zu lösen, um flüchtige Vorläufer vorzubereiten, das Trägergas nicht das Reaktionsgas in die Kammer zu liefern, um die Synthese zu tun. Darüber hinaus, obwohl hochdichten Plasmabeschuß können Gleichmäßigkeit und Qualität der Dünnfilm zu verbessern, hohe Restspannung wird, was zu Bruch des dünnen Films erzeugt werden. Außerdem muss diese Technik ein extra DC- bzw. RF-Energieversorgungssystem, die zu ein wenig höher in den Kosten im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Future Directions and Applications Viele Prozessparameter wie Arbeitsdruck, Gaszusammensetzung, Gasströmungsrate, RF-Leistung, Reaktant-Vorläufer und andere sind alle voneinander abhängig zum Synthetisieren von Dünnschichten in der PECVD-Technik. Nur die Änderung der Synthesetemperatur hat untersucht wordenDiese präsentiert Forschung. Es gibt immer noch eine Menge Arbeit erfordern, für die weitere Untersuchung der Grenzen und Fähigkeiten in dieser Technik. Zum Beispiel könnte die Gaszusammensetzung, die Stöchiometrie von dünnen Filmen zu variieren und Arbeitsdruck kann die mittlere freie Weglänge von ionisierten Gasen, die diverse Dünnfilmkonfiguration Ausbeute beeinflussen. Daher wird die weitere Arbeit zur weiteren Verständnis, wie man die Kristallqualität oder Eigenschaften durch oben genannten Parameter zu manipulieren müssen. Der PECVD-Technik ist weit verbreitet in der Herstellung von zur Synthese von Dünnfilmen auf Halbleitern in der Regel erfordert niedrige Prozesstemperatur verwendet. Das PECVD-Verfahren zugelassen worden ist und verwendet wird, um Dünnfilms auf den Polymersubstraten, die auch in flexible Vorrichtungen Applikation eingesetzt werden synthetisieren. Zusätzlich zu dem Niedertemperaturanwendung, haben wir bereits unpolaren ZnO-Dünnfilms durch Erhöhung der Synthesetemperatur, die in hig verwendet werden könnten hergestellth effizienten Leuchtdiode (LED) oder Umweltsensorik.

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.

<table><tbody><tr><td>RF power supply</td><td>ADVANCED ENERGY</td><td>RFX-600</td><td></td></tr><tr><td>Butterfly valve</td><td>MKS</td><td>253B-1-40-1</td><td></td></tr><tr><td>Mass flow controller</td><td>PROTEC INSTRUMENTS</td><td>PC-540</td><td></td></tr><tr><td>Pressure controller</td><td>MKS</td><td>600 series&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Heater</td><td>UPGRADE INSTRUMENT CO.</td><td>UI-TC 3001</td><td></td></tr><tr><td>Sputter gun</td><td>AJA INTERNATIONAL</td><td>A320-HA</td><td></td></tr><tr><td>DEZn 1.5M</td><td>ACROS ORGANIC USA, New Jersey</td><td></td><td>also called Diethylzinc (C2H5)2Zn</td></tr><tr><td>Spin coater&amp;nbsp;</td><td>SWIENCO</td><td>PW - 490</td><td></td></tr><tr><td>I-V measurement</td><td>Keithley</td><td>Model: 2400</td><td></td></tr><tr><td>Photocondutive measurement&amp;nbsp;</td><td>Home-built</td><td></td><td></td></tr><tr><td>UV light sourse</td><td>Panasonic</td><td>ANUJ 6160</td><td></td></tr><tr><td>Mask aligner</td><td>Karl Suss</td><td>MJB4</td><td></td></tr><tr><td>Photoresist</td><td>Shipley a Rohm &amp;amp; Haas company</td><td>S1813</td><td></td></tr><tr><td>Developer</td><td>Shipley a Rohm &amp;amp; Haas company</td><td>MF319</td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafer</td><td>E-Light Technology Inc</td><td>12/0801</td><td></td></tr><tr><td>Glass substrate</td><td>CORNING</td><td>1737</td><td>P-type / Boron</td></tr></tbody></table>

synthesis and characterization of high c-axis zno thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition system and its uv photodetector application

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.

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 synthetisierte Temperatur stieg bis 500 ° C, wurde der (0002) -Beugungspeak schwächer einhergehende Auftreten von (10-10) Beugungsmaximum. Insbesondere werden alle ZnO Beugungsspitzen verschwinden, wenn der synthetisierte Temperatur wird bei 600 o C eingestellt In - situ OES verwendet wurde, um das Plasma zu der chemischen Zusammensetzung während der ZnO synthetisiert Verfahren (5) zu überwachen. Die Ergebnisse zeigen an, daß Zn, O 2 </sub&gt; und Kohlenmonoxid (CO) Emissionspeaks wurden nachgewiesen, wenn die Synthese des ZnO auftrat. Die FE-REM-Aufnahmen zeigen, dass die ZnO-Dünnfilme zeigen verschiedene Oberflächenmorphologien mit verschiedenen Temperaturen synthetisiert (6A-E). Die homogene Oberfläche und mit kleinen Korngrößenverteilung wurden bei 300 400 o C erhalten und Die optischen Eigenschaften des ZnO-Dünnfilme wurden von PL-Spektren (Abbildung 7) bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die ZnO-Dünnfilme 300 und 400 o C, die eine starke Emission NBE und mit vernachlässigbarem DL Emissions synthetisiert. Darüber hinaus sind die NBE Emissionsverschiebungen kurzer Wellenlänge mit Erhöhung der Temperatur von 300 bis 600 o C. Die Transmissionsmessung zeigt, daß die bei 200, 300 und 400 o C synthetisiert ZnO-Dünnfilme haben eine gute Transparenz mit einer durchschnittlichen Durchlässigkeit sichtbaren Lichts mehr als 80% (8A-B). Interessanterweise sank die Durchlässigkeit dramattisch, wenn die synthetisierte Temperaturen bis über 500 o C erhöht Die Leistung der UV-Photodetektor in Verbindung mit ZnO-Dünnfilm und Pt ineinandergreifenden Elektroden wurde untersucht. Von den Eigenschaften wurde der Strom des Photodetektors offensichtlich unter Lichtbeleuchtung verbessert, verglichen mit der bei schlechten Lichtverhältnissen (Abbildung 9). Es wurde auch beobachtet, daß die I - V-Kennlinien symmetrisch sind, was auf einen MSM ohmsche Kontaktverhalten zwischen dem ZnO-Dünnfilm und der Pt-Elektrode. Die zeitabhängige Photostromantwort des Photodetektors mit dem Aus- und Einschalten der UV-Licht (38 mW / cm 2) fünfmal bei der Vorspannung von 5 V (Figur 10) gemessen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig1.jpg" /> Abbildung 1 Schematische Darstellung der plasmaverstärkte chemische Dampf deposition System. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig2.jpg" /> Abbildung 2. Schematische Darstellung der ZnO-basierte UV-Photodetektor in Kombination mit Pt ineinandergreifenden Elektroden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig3.jpg" /> Abbildung 3 Flussdiagramm des lithographischen Prozesses für Pt ineinandergreifenden Elektroden auf die ZnO-Filme synthetisiert auf Siliziumsubstraten hergestellt. Schritt (A) verwendet die heiße Platte, die so synthetisierten ZnO-Dünnfilms bei 150ºC backen<html> für 10 min, um die Oberflächenfeuchtigkeit zu entfernen. Schritt (B) Spin-Mäntel der Photolack auf ZnO-Dünnfilm. Schritt (C) weich backt das Photoresist beschichteten ZnO Probe bei 105 ° C für 90 s, um überschüssige Photoresistlösungsmittel zu entfernen. Schritt (D) setzt UV-Licht durch eine Fotomaske zur 2s. Schritt (E) den Entwickler um den Photoresist zu entfernen. Schritt (F) Fest backt die Probe bei 120 ° C für 20 min, um ein haltbarer Schutzschicht für die Herstellung des nächsten HF-Magnetronsputtern machen. Schritt (G) verwendet das RF-Magnetron-Sputtern, um eine dünne Pt-Schicht auf die entwickelte Probe abzuscheiden. Schritt (H) verwendet das Aceton zum Abheben der Probe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> _upload / 53.097 / 53097fig4.jpg &quot;/&gt; Abbildung 4 Röntgenbeugungsmuster für die bei unterschiedlichen Synthesetemperaturen synthetisiert ZnO-Dünnschichten reichten von 200 bis 600 o C. Röntgen wurde durch Cu K α-Strahlung (λ = 1,54 Å) liegt. Der Scanwinkel wurde von 30 o bis 80 o gesetzt, Schrittweite betrug 0,01 o und Zeit pro Schritt 0,15 sec. Die ZnO (0002) Beugungsspitze bei 34,24 o befindet, während der ZnO (10-10) Beugungsspitze bei 31,59 o befindet. Die anderen Beugungsmaxima kommen von Substrat-Signalen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig5.jpg" /> Abbildung 5. <strong&gt; In - situ OES-Spektrum für die HF-Plasma während ZnO-Dünnfilm bei 400 o C synthetisiert Die Daten wurden den Gipfeln Signale bei 449, 517 und 559 nm, wie sich CO-Spezies bestimmt werden aus Referenz 28. bestätigt. Die Gipfel-Signale bei 466, 471 und 482 nm, wie Zn-Arten bestimmt werden, und 634 nm liegt, wie O 2 Arten bestimmt. Die komplizierten Signale im Bereich zwischen 325 und 430 nm liegen als Zersetzungsarten DEZn bestimmt. Die überwachte Zeit betrug 7 sec. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig6.jpg" /> Abbildung 6. Flugzeug-View-REM-Bilder für die bei verschiedenen Synthese temperatu synthetisiert ZnO-Dünnschichten<html> res, einschließlich (A) 200 (B) 300 (C) 400 (D) 500 und (E) 600 o C sind. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig7.jpg" /> Figur 7. RT PL Spektren für die bei unterschiedlichen Synthesetemperaturen synthetisiert ZnO-Dünnschichten reichten von 200 bis 600 o C. Die PL-Messung verwendeten 325 nm He-Cd-Laser bei 100% Laserleistung Effizienz. Die Belichtungszeit betrug 10 Sekunden. Der Erfassungsbereich war von 325 bis 750 nm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> ys &quot;&gt; <img alt="Figur 8" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig8.jpg" /> Figur 8. Optische Transmissionsspektren für die bei unterschiedlichen Synthesetemperaturen synthetisiert ZnO-Dünnfilme (A) Typische optische Transmissionsspektren von 400 bis 800 nm gemessen. (B) mittlere Durchlässigkeitswerte in Abhängigkeit von der Synthesetemperatur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 9" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig9.jpg" /> Abbildung 9. I -. V Eigenschaften der hergestellten ZnO-Dünnfilm auf Basis UV-Photodetektor Die Messung wurde unter 325 nm UV-Licht-Beleuchtung mit Leistungsdichte von 38 mW / cm 2 (rote Kurve) und dem dunklen Zustand (schwarze Kurve) und die Hoden waren Vorspannung von -10 V bis 10 V. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig9large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 10" src="/files/ftp_upload/53097/53097fig10.jpg" /> Figur 10. Zeitabhängigen Photostrom für den ZnO-Dünnfilm anhand UV Photodetektor. Die Messung wurde über 5-fache Dreh Ein- / Ausschalten Kreise an Vorspannung von 5 V unter UV-Licht (38 mW / cm 2) durchgeführt, in dem beide wiederum -on und Ausschaltzeit des UV-Licht wurden 10 sec. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53097/53097fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application

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.

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

In this study, zinc oxide (ZnO) thin films with high c-axis (0002) preferential orientation have been successfully and effectively synthesized onto ...

synthesis-characterization-high-c-axis-zno-thin-film-plasma-enhanced

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

15.2K Aufrufe.  National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH). 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.

Serie: Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

Herstellung von transparenten leitenden Oxide durch Pulsed Laser Deposition Nano-engineered

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

Herstellung von räumlich getrennter komplexe Oxide

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Preparation and Use of Photocatalytically Active Segmented Ag|ZnO and Coaxial TiO2-Ag Nanowires Made by Templated Electrodeposition

Photocatalytically active nanostructures require a large specific surface area with the presence of many catalytically active sites for the oxidation and reduction half reactions, and fast electron (hole) diffusion and charge separation. Nanowires present suitable architectures to meet these requirements. Axially segmented Ag|ZnO and radially segmented (coaxial) TiO2-Ag nanowires with a diameter of 200 nm and a length of 6-20 &#181;m were made by templated electrodeposition within the pores of polycarbonate track-etched (PCTE) or anodized aluminum oxide (AAO) membranes, respectively. In the photocatalytic experiments, the ZnO and TiO2 phases acted as photoanodes, and Ag as cathode. No external circuit is needed to connect both electrodes, which is a key advantage over conventional photo-electrochemical cells. For making segmented Ag|ZnO nanowires, the Ag salt electrolyte was replaced after formation of the Ag segment to form a ZnO segment attached to the Ag segment. For making coaxial TiO2-Ag nanowires, a TiO2 gel was first formed by the electrochemically induced sol-gel method. Drying and thermal annealing of the as-formed TiO2 gel resulted in the formation of crystalline TiO2 nanotubes. A subsequent Ag electrodeposition step inside the TiO2 nanotubes resulted in formation of coaxial TiO2-Ag nanowires. Due to the combination of an n-type semiconductor (ZnO or TiO2) and a metal (Ag) within the same nanowire, a Schottky barrier was created at the interface between the phases. To demonstrate the photocatalytic activity of these nanowires, the Ag|ZnO nanowires were used in a photocatalytic experiment in which H2 gas was detected upon UV illumination of the nanowires dispersed in a methanol/water mixture. After 17 min&#160;of illumination, approximately 0.2 vol% H2 gas was detected from a suspension of ~0.1 g of Ag|ZnO nanowires in a 50 ml 80 vol% aqueous methanol solution.

Preparation and Use of Photocatalytically Active Segmented Ag|ZnO and Coaxial TiO2-Ag Nanowires Made by Templated Electrodeposition

Procedures are outlined to prepare segmented and coaxial nanowires via templated electrodeposition in nanopores. As examples, segmented nanowires consisting of Ag and ZnO segments, and coaxial nanowires consisting of a TiO2 shell and a Ag core were made. The nanowires were used in photocatalytic hydrogen formation experiments.

Herstellung und Verwendung von photokatalytisch aktiven segmentierte Ag | ZnO und TiO Koaxial<sub&gt; 2</sub&gt; Ag-Nanodrähte Hergestellt von gestützte Elektrochemische Abscheidung

Photocatalytically active nanostructures require a large specific surface area with the presence of many catalytically active sites for the oxidation and ...

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition (AP-SALD) was used to deposit n-type ZnO and Zn1-xMgxO thin films onto p-type thermally oxidized Cu2O substrates outside vacuum at low temperature. The performance of photovoltaic devices featuring atmospherically fabricated ZnO/Cu2O heterojunction was dependent on the conditions of AP-SALD film deposition, namely, the substrate temperature and deposition time, as well as on the Cu2O substrate exposure to oxidizing agents prior to and during the ZnO deposition. Superficial Cu2O to CuO oxidation was identified as a limiting factor to heterojunction quality due to recombination at the ZnO/Cu2O interface. Optimization of AP-SALD conditions as well as keeping Cu2O away from air and moisture in order to minimize Cu2O surface oxidation led to improved device performance. A three-fold increase in the open-circuit voltage (up to 0.65 V) and a two-fold increase in the short-circuit current density produced solar cells with a record 2.2% power conversion efficiency (PCE). This PCE is the highest reported for a Zn1-xMgxO/Cu2O heterojunction formed outside vacuum, which highlights atmospheric pressure spatial ALD as a promising technique for inexpensive and scalable fabrication of Cu2O-based photovoltaics.

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Here we present a protocol for synthesizing Zn1-xMgxO/Cu2O heterojunctions in open-air at low temperature via atmospheric pressure spatial atomic layer deposition (AP-SALD) of Zn1-xMgxO on cuprous oxide. Such high quality conformal metal oxides can be grown on a variety of substrates including plastics by this cheap and scalable method.

Verbesserte Qualität Hetero in Cu<sub&gt; 2</subSolarzellen durch die Optimierung der Atmosphärendruck Spatial Atomic Layer&gt; O-basierte Hinterlegt<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-x</sub&gt; Mg<sub&gt; x</sub&gt; O

Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition (AP-SALD) was used to deposit n-type ZnO and Zn1-xMgxO thin films onto p-type thermally oxidized Cu2O ...

Chemie

Synthesis of Hierarchical ZnO/CdSSe Heterostructure Nanotrees

A two-step chemical vapor deposition procedure is here employed to prepare tree-like hierarchical ZnO/CdSSe hetero-nanostructures. The structures are composed of CdSSe branches grown on ZnO nanowires that are vertically aligned on a transparent sapphire substrate. The morphology was measured via scanning electron microscopy. The crystal structure was determined by X-ray powder diffraction analysis. Both the ZnO stem and CdSSe branches have a predominantly wurtzite crystal structure. The mole ratio of S and Se in the CdSSe branches was measured by energy dispersive X-ray spectroscopy. The CdSSe branches result in strong visible light absorption. Photoluminescence (PL) spectroscopy showed that the stem and branches form a type-II heterojunction. PL lifetime measurements showed a decrease in the lifetime of emission from the trees when compared to emission from individual ZnO stems or CdSSe branches and indicate fast charge transfer between CdSSe and ZnO. The vertically aligned ZnO stems provide a direct electron transport pathway to the substrate and allow for efficient charge separation after photoexcitation by visible light. The combination of the abovementioned properties makes ZnO/CdSSe nanotrees promising candidates for applications in solar cells, photocatalysis, and opto-electronic devices.

Here, we prepare and characterize novel tree-like hierarchical ZnO/CdSSe nanostructures, where CdSSe branches are grown on vertically aligned ZnO nanowires. The resulting nanotrees are a potential material for solar energy conversion and other opto-electronic devices.

Synthese von Hierarchical ZnO / CdSSe Heterostruktur Nanotrees

A two-step chemical vapor deposition procedure is here employed to prepare tree-like hierarchical ZnO/CdSSe hetero-nanostructures. The structures are ...

Aerosol-assisted Chemical Vapor Deposition of Metal Oxide Structures: Zinc Oxide Rods

Whilst columnar zinc oxide (ZnO) structures in the form of rods or wires have been synthesized previously by different liquid- or vapor-phase routes, their high cost production and/or incompatibility with microfabrication technologies, due to the use of pre-deposited catalyst-seeds and/or high processing temperatures exceeding 900 &#176;C, represent a drawback for a widespread use of these methods. Here, however, we report the synthesis of ZnO rods via a non-catalyzed vapor-solid mechanism enabled by using an aerosol-assisted chemical vapor deposition (CVD) method at 400 &#176;C with zinc chloride (ZnCl2) as the precursor and ethanol as the carrier solvent. This method provides both single-step formation of ZnO rods and the possibility of their direct integration with various substrate types, including silicon, silicon-based micromachined platforms, quartz, or high heat resistant polymers. This potentially facilitates the use of this method at a large-scale, due to its compatibility with state-of-the-art microfabrication processes for device manufacture. This report also describes the properties of these structures (e.g., morphology, crystalline phase, optical band gap, chemical composition, electrical resistance) and validates its gas sensing functionality towards carbon monoxide.

Columnar zinc oxide structures in the form of rods are synthesized via aerosol-assisted chemical vapor deposition without the use of pre-deposited catalyst-seed particles. This method is scalable and compatible with various substrates based on either silicon, quartz or polymers.

Aerosol-assisted Chemical Vapor Deposition von Metall-Oxid-Strukturen: Zinkoxid-Stangen

Whilst columnar zinc oxide (ZnO) structures in the form of rods or wires have been synthesized previously by different liquid- or vapor-phase routes, ...

Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule (SMPV1) and [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM), by utilizing ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO NRs that grew on both a sputtered and sol-gel processed AZO seed layer are fabricated. Compared with the AZO thin film prepared by the sol-gel method, the sputtered AZO thin film exhibits better crystallization and lower surface roughness, according to X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscope (AFM) measurements. The orientation of the ZnO NRs grown on a sputtered AZO seed layer shows better vertical alignment, which is beneficial for the deposition of the subsequent active layer, forming better surface morphologies. Generally, the surface morphology of the active layer mainly dominates the fill factor (FF) of the devices. Consequently, the well-aligned ZnO NRs can be used to improve the carrier collection of the active layer and to increase the FF of the solar cells. Moreover, as an anti-reflection structure, it can also be utilized to enhance the light harvesting of the absorption layer, with the power conversion efficiency (PCE) of solar cells reaching 6.01%, higher than the sol-gel based solar cells with an efficiency of 4.74%.

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The well-aligned vertically oriented ZnO NRs exhibit high crystalline properties. The power conversion efficiency of solar cells can reach 6.01%.

Gut abgestimmten vertikal orientierte ZnO Nanorod Arrays und deren Anwendung in invertiert kleine Molekül Solarzellen

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule ...

Electrophoretic Crystallization of Ultrathin High-performance Metal-organic Framework Membranes

We report the synthesis of thin, highly intergrown, polycrystalline metal-organic framework (MOF) membranes on a wide range of unmodified porous and non-porous supports (polymer, ceramic, metal, carbon, and graphene). We developed a novel crystallization technique, which is termed the ENACT approach: the electrophoretic nuclei assembly for the crystallization of highly intergrown thin films (ENACT). This approach allows for a high density of heterogeneous nucleation of MOFs on a chosen substrate via the electrophoretic deposition (EPD) directly from the precursor sol. The growth of well-packed MOF nuclei leads to a highly intergrown polycrystalline MOF film. We show that this simple approach can be used for the synthesis of thin, intergrown zeolite imidazole framework (ZIF)-7 and ZIF-8 films. The resulting 500 nm-thick ZIF-8 membranes show a considerably high H2 permeance (8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) and ideal gas selectivities (7.3 for H2/CO2, 15.5 for H2/N2, 16.2 for H2/CH4, and 2655 for H2/C3H8). An attractive performance for C3H6/C3H8 separation is also achieved (a C3H6 permeance of 9.9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 and a C3H6/C3H8 ideal selectivity of 31.6 at 25 &#176;C). Overall, the ENACT process, owing to its simplicity, can be extended to synthesize intergrown thin films of a wide range of nanoporous crystalline materials.

A simple, reproducible, and versatile approach for the synthesis of intergrown, polycrystalline metal-organic framework membranes on a wide range of unmodified porous and non-porous supports is presented.

Elektrophoretische Kristallisation von ultradünnen Hochleistungs-Metall-organischen Rahmen Membranen

We report the synthesis of thin, highly intergrown, polycrystalline metal-organic framework (MOF) membranes on a wide range of unmodified porous and ...

Fabrication of Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device applications. Zinc oxide (ZnO), a semiconductor with a wide bandgap (3.4 eV) and high electron saturation velocity has gained a great deal of attention as an attractive material for high speed devices. Efficient gate modulation, however, requires high-quality Schottky contacts on the barrier layer. In this article, we present our Schottky diode fabrication procedure on Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructure with high density 2DEG which is achieved through strain modulation and incorporation of a few percent Be into the MgZnO-based barrier during growth by molecular beam epitaxy (MBE). To achieve high crystalline quality, nearly lattice-matched high-resistivity GaN templates grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used as the substrate for the subsequent MBE growth of the oxide layers. To obtain the requisite Zn-polarity, careful surface treatment of GaN templates and control over the VI/II ratio during the growth of low temperature ZnO nucleation layer are utilized. Ti/Au electrodes serve as Ohmic contacts, and Ag electrodes deposited on the O2 plasma pretreated BeMgZnO surface are used for Schottky contacts.

Attainment of high-quality Schottky contacts is imperative for achieving efficient gate modulation in heterostructure field effect transistors (HFETs). We present the fabrication methodology and characteristics of Schottky diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures with high-density two dimensional electron gas (2DEG), grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on GaN templates.

Herstellung von Schottky-Dioden auf Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostruktur gewachsen durch Plasmaunterstützte Molekularstrahl-Epitaxie

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device ...

Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films

This article describes a procedure for growing Mg3N2 and Zn3N2 films by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The films are grown on 100 oriented MgO substrates with N2 gas as the nitrogen source. The method for preparing the substrates and the MBE growth process are described. The orientation and crystalline order of the substrate and film surface are monitored by the reflection high energy electron diffraction (RHEED) before and during growth. The specular reflectivity of the sample surface is measured during growth with an Ar-ion laser with a wavelength of 488 nm. By fitting the time dependence of the reflectivity to a mathematical model, the refractive index, optical extinction coefficient, and growth rate of the film are determined. The metal fluxes are measured independently as a function of the effusion cell temperatures using a quartz crystal monitor. Typical growth rates are 0.028 nm/s at growth temperatures of 150 &#176;C and 330 &#176;C for Mg3N2 and Zn3N2 films, respectively.

Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy Growth of Mg3N2 and Zn3N2 Thin Films

This article describes the growth of epitaxial films of Mg3N2 and Zn3N2 on MgO substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy with N2 gas as the nitrogen source and optical growth monitoring.

Plasmaunterstütztes MolekularstrahlepitaxieWachstum von Mg3N2 und Zn3N2 Dünnschichten

This article describes a procedure for growing Mg3N2 and Zn3N2 films by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). The films are grown on 100 oriented ...

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

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