Sintesi e caratterizzazione di alta c-asse ZnO film sottile da potenziato a plasma Chemical Vapor Deposition del sistema e la sua applicazione Rilevatori UV

Riepilogo

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

In questo studio, l'ossido di zinco (ZnO) film sottili con alta c -axis (0002) orientamento preferenziale sono stati correttamente ed efficacemente sintetizzato su silicio (Si) substrati con diverse temperature sintetizzati utilizzando plasma maggiore deposizione di vapore chimico sistema (PECVD). Gli effetti di diverse temperature di sintesi sulla struttura cristallina, morfologie di superficie e proprietà ottiche sono stati indagati. La diffrazione dei raggi X (XRD) modelli indicato che l'intensità del picco (0002) diffrazione divenne più forte con l'aumentare della temperatura sintetizzato fino ⁴⁰⁰ ° C. L'intensità di diffrazione di (0002) di picco è diventato gradualmente più debole di accompagnamento con l'apparenza di (10-10) di picco di diffrazione quando la temperatura sintetizzato fino all'eccesso di 400 ^{° C.} La RT fotoluminescenza (PL) spettri mostrato un forte nei pressi di banda-edge (NBE) emissione osservata a circa 375 nm e un trascurabile livello profondo (DL) emissione situato a circa 575 nm under alta c -axis ZnO film sottili. Campo microscopia elettronica a scansione emissione (FE-SEM) immagini hanno rivelato la superficie omogenea e con una distribuzione di piccole dimensioni del grano. I film sottili ZnO sono stati sintetizzati su substrati di vetro sotto gli stessi parametri di misurazione della trasmittanza.

Ai fini dell'applicazione ultravioletta (UV) fotorivelatore, il platino interdigitata (Pt) film sottile (spessore ~ ​​100 nm) fabbricato via convenzionale processo di litografia ottica e frequenza radio (RF) magnetron sputtering. Per raggiungere il contatto ohmico, il dispositivo è stato ricotto in circostanze argon a 450 ^o C per sistema rapido ricottura termica (RTA) per 10 min. Dopo le misurazioni sistematiche, la corrente-tensione (I - V) Curva di foto e risultati di risposta fotocorrente corrente e tempo-dipendente scuri esibito un buon responsività e affidabilità, indicando che l'alta c -axis ZnO film sottile è uno strato di rilevamento adattoper l'applicazione fotorivelatore UV.

Introduzione

ZnO è un wide-band-gap materiale semiconduttore funzionale promettente grazie alle sue proprietà uniche come l'elevata stabilità chimica, a basso costo, atossicità, a bassa soglia di potenza per il pompaggio ottico, larga banda proibita diretta (3,37 eV) a temperatura ambiente e grandi eccitonico energia di ~ 60 meV ^1-2 vincolante. Recentemente, film sottili ZnO sono stati impiegati in molti campi di applicazione contenenti ossido conduttivo (TCO) pellicole trasparenti, dispositivi emettitori di luce blu, transistori ad effetto di campo, e sensori di gas ^3-6. D'altra parte, ZnO è un materiale candidato per sostituire ossido di stagno indio (ITO) a causa di indio e stagno essendo raro e costoso. Inoltre, ZnO possiede alta trasmissione ottica nella regione di lunghezza d'onda visibile e bassa resistività rispetto ITO film ^7-8. Pertanto, fabbricazione, caratterizzazione e applicazione di ZnO è stato ampiamente riportato. Questo studio si concentra sulla sintesi (0002) ZnO film sottili di alta c -axis da un semplice und efficace metodo e la sua applicazione pratica verso una cellula fotoelettrica UV.

Le recenti scoperte rapporto di ricerca indicano che la ZnO film sottile di alta qualità può essere sintetizzato mediante varie tecniche, come metodo sol-gel, magnetron sputtering a radiofrequenza, metallo organico deposizione di vapore chimico (MOCVD), e così via ^9-14. Ogni tecnica ha i suoi vantaggi e svantaggi. Ad esempio, un vantaggio principale di deposizione sputtering è che i materiali bersaglio con molto elevato punto di fusione sono facilmente atomizzate sul substrato. Al contrario, il processo di sputtering è difficile combinare con un lift-off per strutturare il film. Nel nostro studio, il sistema potenziato a plasma chemical vapor deposition (PECVD) è stato impiegato per sintetizzare alta qualità c -axis film sottili ZnO. Bombardamento plasma è un fattore chiave nel processo di sintesi che può aumentare la densità di film sottile e migliorare la velocità di reazione di decomposizione di ioni ^15. InInoltre, il tasso di crescita elevata e di grande superficie uniforme deposizione sono altri vantaggi distintivi per tecnica PECVD.

Fatta eccezione per la tecnica di sintesi, la buona adesione sul substrato è un altro problema considerato. In molti studi, lo zaffiro c -Plane è stato ampiamente utilizzato come substrato per sintetizzare alta c -axis film sottili ZnO perché il ZnO e zaffiro hanno la stessa struttura reticolo esagonale. Tuttavia, la ZnO è stato sintetizzato su substrato di zaffiro esibendo morfologia superficiale ruvida e alte concentrazioni residue carrier (difetto relative) a causa delle grandi disadattati reticolari tra ZnO e c -Plane zaffiro (18%) orientate nella direzione ¹⁶ in piano. Rispetto al substrato di zaffiro, un wafer di Si è ampiamente usato un altro substrato per la sintesi ZnO. Wafer di Si sono stati ampiamente utilizzati nel settore dei semiconduttori; e quindi, la crescita di film sottili ZnO alta qualità su substrati di Si è molto importante e necessario. Purtroppo, la struttura cristallina e il coefficiente di espansione termica tra il ZnO e Si sono ovviamente diverse conseguente deterioramento della qualità di cristallo. Negli ultimi dieci anni, sono stati fatti notevoli sforzi per migliorare la qualità di film sottili su substrati di Si ZnO utilizzando vari metodi tra ZnO strati tampone ^17, ricottura in atmosfera di gas diversi ^18, e passivazione del substrato superficiale di Si ^19. Il presente studio ha offerto con successo un metodo semplice ed efficace per sintetizzare alta c -axis ZnO film sottile su substrati di Si, senza strato tampone o pre-trattamento. I risultati dell'esperimento è emerso che i film sottili ZnO sintetizzati sotto la temperatura di crescita ottimale mostrato il cristallo e buona qualità ottiche. La struttura cristallina, la composizione del plasma RF, morfologia superficiale e le proprietà ottiche di film sottili ZnO sono stati studiati mediante diffrazione di raggi X (XRD), spettroscopia di emissione ottica (OES), Field Emission scAnning microscopia elettronica (FE-SEM), e RT fotoluminescenza (PL) spettri rispettivamente. Inoltre, la trasmissione di film sottili ZnO è stato confermato anche e segnalato.

Il film sottile ZnO come per sintesi servito come uno strato di rilevamento per l'applicazione fotorivelatore UV è stata studiata anche in questo studio. Il rivelatore fotoelettrico UV ha grandi potenziali applicazioni nel monitoraggio UV, interruttore ottico, allarme fiamma, e il sistema di riscaldamento del missile ^20-21. Ci sono molti tipi di fotorivelatori che sono state effettuate come modalità negativa intrinseco positivo (pin) e metallo-semiconduttore-metallo (MSM) strutture compreso il contatto ohmico e Schottky contatto. Ogni tipo ha i suoi vantaggi e svantaggi. Attualmente, le strutture fotorivelatori MSM hanno attirato l'interesse intenso a causa della loro eccezionali prestazioni in responsività, l'affidabilità e la risposta e il tempo di recupero ^22-24. I risultati qui presentati dimostrano che la modalità di contatto ohmico MSM è stato impiegatofabbricare ZnO film sottile cellula fotoelettrica UV based. Tale tipo di fotorivelatore rivela in genere una buona responsività e affidabilità, indicando che l'alta c -axis ZnO film sottile è uno strato di rilevamento adatto per fotorivelatore UV.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocollo

1. Preparazione del supporto e pulizia

1. Tagliare 10 mm x 10 mm substrati di silicio da Si (100) wafer.
2. Tagliare 10 mm x 10 mm substrati di vetro.
3. Utilizzare ultrasuoni per pulire i substrati di silicio e vetro con acetone per 10 min, alcool per 10 minuti, e poi isopropanolo per 15 min.
4. Sciacquare i substrati con acqua deionizzata (DI) tre volte.
5. Blow-asciugare i supporti con una pistola di azoto.

2. DEZn preparazione e conservazione

Nota: dietilzinco (C ₂ H _{5) 2} Zn, chiamato anche DEZn, è un composto altamente organozinco piroforica comprensivi di un centro di zinco legato a due gruppi etilici. Non lavorare mai da soli quando si usa DEZn. DEZn è molto tossico e sensibile per l'ossigeno e l'acqua, essere sicuri di non mettere il DEZn vicino all'acqua. Indossare sempre maschere e occhiali di protezione; tutte le procedure devono essere eseguite nella cappa. Ancora più importante, DEZn non utilizzata deve be conservato in un ambiente 5 ^{° C.}

Nota: Per il primo utilizzo di DEZn, seguire passo 2. In caso contrario, avviare l'esperimento dal punto 3.

1. Utilizzare siringa per estrarre 30 ml DEZn dalla bottiglia e poi iniettare in un becher posto in un cilindro di acciaio.
2. Utilizzare un tubo di ferro galvanizzato per collegare il cilindro d'acciaio con la camera di reazione.
3. Utilizzare pompa meccanica e valvola a sfera per pompare giù il cilindro di acciaio in ambiente sotto vuoto (a 6 Torr).
   Nota: DEZn severamente reagire con l'ossigeno, deve essere mantenuto in ambiente sotto vuoto.
4. Conservare la DEZn non utilizzata in un ambiente di 5 ^{° C.}

3. PECVD Camera Preparazione e sintesi di ZnO Thin Film

Nota: Lo schema di plasma enhanced chemical vapour deposition è illustrato in Figura 1.

1. Impostare la distanza di lavoro tra soffione elettrodo ed palco campione a 30 mm.
2. Posizionare i substrati sulla scena campione di camera di reazione in posizione corretta in cui vi è un 3 cm di distanza dall'ingresso DEZn.
3. Aprire la pompa rotativa e gradualmente aprire le saracinesche e valvola a farfalla.
4. Attendere che la pressione della camera del reattore sfondo è inferiore a 30 mTorr.
5. Chiudere il saracinesche e farfalla valvola, che si collega alla pompa rotativa.
6. Quindi aprire la pompa turbo e saracinesche relativi per raggiungere alto vuoto di 3 x ¹⁰ -6 Torr.
7. Dopo aver raggiunto la condizione di vuoto necessario, aprire il regolatore di calore e riscaldare la fase del campione alla temperatura di sintesi (200, 300, 400, 500, e 600 ^{° C per} diversi parametri dell'esperimento).
8. Quando la temperatura e la pressione raggiunge la condizione necessaria, chiudere la pompa turbo e quindi aprire il cancello e farfalla valvole valvola che collega alla pompa rotativa simultaneamente.
9. Quindi, aprire le valvole di aspirazione del gas e accendere l'argon gcome regolatore di flusso contemporaneamente.
10. Il flusso del gas argon (0.167 ml / sec) nella camera.
11. Impostare la pressione della camera di 500 mTorr.
12. Accendere la rete RF (13.56 MHz) del generatore e di corrispondenza, quindi impostare la potenza RF di 100 W per l'eliminazione dei campioni di superficie per 15 min.
13. Dopo aver terminato l'epurazione dei campioni, accendere la potenza RF fino a 70 W.
14. Successivamente, accendere la valvola di controllo del gas di anidride carbonica e di ingresso del gas.
15. Flusso del biossido di carbonio (0,5 ml / sec) nella camera.
16. Impostare la pressione di esercizio di 6 Torr.
17. Dopo la pressione della camera raggiunge 6 Torr, l'elevato flusso argon puro come gas di trasporto (0.167 ml / sec) per trasportare dietilzinco (DEZn) nella camera e valvola a sfera aperto collegato DEZn simultaneamente. Allo stesso tempo, iniziare la sintesi di film di ZnO.
18. Continuare la sintesi plasma di film di ZnO per 5 min.
19. Dopo i film di ZnO sono stati sintetizzati, seriatim spegnere il generatore RF, valvola a sfera, con il calorecontrollore e tutti controllori di flusso di gas con valvole di aspirazione gas.
20. Estrarre il campione quando la temperatura fase del campione si raffredda a temperatura ambiente. Nota: La velocità di raffreddamento è di circa 1,8 ^{° C} / min.

4. Preparazione di interdigitata-come modello su As-sintetizzato ZnO film sottile

Nota: Lo schema di processo di litografia è illustrato nella figura 3.

1. Utilizzare una piastra calda per cuocere il campione come ZnO-sintetizzato a 150 ^{° C per} 10 min.
2. Posizionare il campione sul dispositivo a induzione di rotazione, e quindi dispensare la soluzione liquida di fotoresist (S1813) con 100 microlitri sul campione ZnO.
3. Eseguire il dispositivo a induzione di rotazione a 800 giri al minuto per 10 secondi e poi accelerare a 3.000 rpm per 30 secondi per produrre uno strato uniforme sottile.
4. Morbido cuocere il campione ZnO photoresist rivestite a 105 ^{° C per} 90 secondi.
5. Dopo il soft-cottura, utilizzare la luce UV per esporre il campione trou photoresist rivestitegh un fotomaschera per maschera allineatore. Il tempo di esposizione è di 2 secondi e la potenza è di 400 W.
   Nota:. Il modello di fotomaschera è progettato come interdigitati simile, che è 0,03 mm di larghezza e 4 mm di lunghezza (14 coppie) ed ha una distanza inter-elettrodo di 0,15 mm come illustrato nella figura 2 Vale la pena notare che il fotosensibile totale area è 84.32 mm ² per il rivelatore.
6. Dopo la procedura di esposizione, usare una pinzetta per agganciare il campione, e poi immergono nella sviluppatore diluito (mescolare 50 ml di sviluppatore e 150 ml di acqua deionizzata) attraverso azioni di oscillare da un lato all'altro per 35 s per ottenere il campione sviluppato.
7. Sciacquare il campione sviluppata con acqua deionizzata e asciugare con azoto.
8. Usate il microscopio ottico per controllare il motivo intatto. In caso contrario, usare acetone per rimuovere il photoresist e ripetere i passaggi 4,2-4,7 fino a quando è stato ottenuto il modello perfetto.
9. Duro cuocere il campione a ¹²⁰ ° C per 20 min.

5. Deposizione di Pt Top elettrodi e chimico Lift-off

1. Utilizzare il sistema magnetron sputtering RF per depositare un sottile strato conduttivo Pt (100 nm) sulla parte superiore del campione sviluppato prima di procedere alla procedura di decollo chimica.
2. Impostare la distanza tra il target e il substrato a 13 mm.
3. Usare la pompa meccanica per raggiungere un vuoto di massima di 5 mTorr.
4. Quindi, utilizzare la pompa turbo per ottenere un alto vuoto di 7 x 10 ^-7 Torr.
5. Attendere fino a quando la camera raggiunge l'alto vuoto, chiudere la pompa turbo e aprire la pompa meccanica successivamente.
6. Il flusso del gas argon a 0.3 ml / sec nella camera dal regolatore di flusso mas finché la pressione camera di raggiungere la pressione di esercizio di 100 mTorr.
7. Accendere la corrente continua (DC) di scarico alimentazione e impostare la corrente continua a 15 W per sputtering l'elettrodo sottile pellicola di Pt sul campione per 25 minuti.
8. Dopo che lo strato dell'elettrodo Pt è stato depositato da magnetron sputtMetodo rendo, togliere il campione dalla camera.
9. Immergere il campione nel liquido acetone per l'industria chimica di processo decollo da ultrasuoni per rimuovere il photoresist.
10. Impostare il tempo di pulizia a 1 min per rimuovere completamente photoresist, e quindi ottenere l'elettrodo interdigitata come Pt ​​sul film sottile ZnO.

6. processo RTA

1. Mettere il campione Pt / ZnO come-fabbricato nel sistema RTA.
2. Usare la pompa meccanica e valvola a saracinesca per pompare giù la pressione della camera RTA a 20 mTorr.
3. Attendere che la pressione nella camera 20 raggiunge mTorr, flusso di gas argon a 0.3 ml / sec nella camera e impostare la pressione di esercizio di 5 Torr.
4. Successivamente, impostare la velocità di riscaldamento come ¹⁰⁰ ° C / min.
5. Poi, ricuocere il campione a 450 ^{° C per} 10 min.
6. Una volta ricotto, attendere fino a quando il campione si raffredda a RT, poi estrarre il campione.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Risultati

Il ZnO (0002) film sottili con alta c -axis orientamento preferenziale sono stati sintetizzati con successo sui substrati di Si utilizzando il sistema PECVD. L'anidride carbonica (CO _{2) e la} dietilzinco (DEZn) sono stati utilizzati come precursori di ossigeno e zinco, rispettivamente. La struttura cristallina di film sottili ZnO è stato caratterizzato da diffrazione dei raggi X (figura 4), ​​indicando che il film sottile ZnO sintetizzato a ⁴⁰⁰ ° C con la più for...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussione

Passaggi critici e modifiche

Nella fase 1, i substrati devono essere puliti e passi 1,3-1,5 seguire per fare in modo che non ci sia grasso o contaminazioni organiche ed inorganiche sui substrati. Qualsiasi grasso o contaminazioni organici e inorganici sulla superficie del substrato ridurrà significativamente l'adesione del film.

Fase 2 è la procedura più importante prima del processo di preparazione del film ZnO. DEZn è molto tossico e reagisce violenteme...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materiali

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