JoVE Logo

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

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.

Аннотация

В этом исследовании, оксид цинка (ZnO) тонких пленок с высокой гр ось (0002) преимущественной ориентации были успешно и эффективно синтезированы на кремниевые (Si) подложках с помощью различных синтезированных температурах с помощью усиленного плазмой химического осаждения паров (PECVD) системы. Эффекты различных синтезированных температур на кристаллической структуры, морфологии и поверхности оптических свойств были исследованы. Рентгеновский дифракционный (XRD) показал, что образцы интенсивность (0002) дифракционного пика не стали сильнее с увеличением синтезированного температуре до 400 о С. Интенсивность дифракции (0002) пика постепенно слабее сопровождая появление (10-10) дифракционного пика как синтезированного температуре до свыше 400 о С. РТ фотолюминесценции (ФЛ) выставлены сильные около-Band-ребро (NBE) выбросов наблюдается около 375 нм и незначительным глубоких уровней (DL) излучения находится в пределах 575 нм ундэ высоким с ось ZnO тонких пленок. Поле сканирования выбросов электронная микроскопия (СЭМ-FE) изображения показали однородную поверхность и с небольшим гранулометрического. Тонких пленок ZnO также были синтезированы на стеклянные подложки при тех же параметров для измерения пропускания.

Для ультрафиолетового (УФ) фотодетектора применения, гребенчатой ​​платины (Pt), тонкую пленку (толщина ~ 100 нм) с помощью изготовленных обычной оптической литографии и процесса радиочастотной (РЧ) магнетронного распыления. Для того чтобы достичь омический контакт, устройство отжигали в аргоне при 450 обстоятельствах ° С с помощью быстрого термического отжига (RTA) системы в течение 10 мин. После систематических измерений, ток-напряжение (I - V) кривая фото и темнового тока и нестационарных результатов реагирования фототока выставлены хорошую чувствительности по надежности и, указывая, что высокий C ось ZnO тонкой пленки является подходящим зондирования слойУФ применения фотодетекторов.

Введение

ZnO является многообещающей широкозонных разрыв функциональный полупроводниковый материал благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая химическая стойкость, низкая стоимость, нетоксичность, низким порогом мощности для оптической накачки, широкий прямой запрещенной зоны (3,37 эВ) при комнатной температуре и большой экситона энергия связи ~ 60 мэВ 1-2. Недавно, ZnO тонких пленок были использованы во многих областях применения, включая прозрачные проводящего оксида (ТСО) фильмов, синий светоизлучающий устройств, полевые транзисторы, датчика газа 3-6. С другой стороны, ZnO является кандидатом материал, чтобы заменить оксид индия-олова (ITO), вследствие индия и олова являются редкими и дорогими. Кроме того, ZnO обладает высокой оптическое пропускание в видимой области длин волн и низким удельным сопротивлением по сравнению с ITO пленок 7-8. Соответственно, изготовление, характеристика и применение ZnO широко сообщалось. Настоящее исследование посвящено синтеза высокие с -Axis (0002) ZnO тонких пленок с помощью простого апD эффективно метод и его применение к практической УФ фотодетектор.

Последние данные показывают, Research Report, что высокое качество ZnO тонкой пленки может быть синтезирован различными способами, такими, как золь-гель методом, радиочастотного магнетронного распыления, осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы (химическое MOCVD), и так далее 9-14. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Например, принципиальное преимущество распыления осаждения является то, что целевые материалы с очень высокой температурой плавления являются легко напыляют на подложку. В противоположность этому, процесс распыления трудно сочетать с отрывом для структурирования пленку. В нашем исследовании, плазма усиливается химического осаждения паров (ПХО) система была использована для синтеза высокого качества гр ось ZnO тонких пленок. Плазменные бомбардировка является ключевым фактором в процессе синтеза, что позволяет увеличить плотность пленки тонким и повышения скорости реакции ионного разложения 15. ВКроме того, высокие темпы роста и большой площади равномерным осаждения и другие отличительные преимущества для техники PECVD.

Для техники синтеза исключением, то хорошей адгезией на подложку является еще одним рассматриваемому вопросу. Во многих исследованиях с плоскости сапфира широко используется в качестве подложки для синтеза высокого C ось ZnO тонких пленок, потому что ZnO и сапфир имеют тот же гексагональную структуру решетки. Тем не менее, ZnO, был синтезирован на сапфировой подложке, проявляющего грубую морфологию поверхности и высокие остаточные (дефект), связанной с концентрации носителей из-за большого решетки неудачников между ZnO и с-плоскости сапфира (18%), ориентированных в направлении 16 в плоскости. По сравнению с сапфировой подложке, кремниевую пластину еще один широко используемый субстрат для синтеза ZnO. Si пластины были широко используется в полупроводниковой промышленности; и, таким образом, рост качественных ZnO тонких пленок на кремниевых подложках является очень важным и необхоСары. К сожалению, кристаллическая структура и коэффициент термического расширения между ZnO и Si, очевидно отличается приводит к ухудшению качества кристалла. За последнее десятилетие, большие усилия были сделаны, чтобы улучшить качество ZnO тонких пленок на кремниевых подложках с помощью различных методов, включая ZnO буферных слоев 17, отжига в атмосфере газообразного различной 18 и пассивации поверхности кремниевой подложки 19. Данное исследование успешно предложен простой и эффективной способ синтеза высокого C ось ZnO тонкой пленки на кремниевых подложках без буферного слоя или предварительной обработки. Результаты эксперимента показали, что тонкие пленки ZnO, синтезированных в соответствии с оптимальной температурой роста показали хорошую кристалл и оптические свойства. Кристаллическая структура, состав РФ плазмы, морфология поверхности и оптические свойства ZnO тонких пленок были исследованы с помощью рентгеновской дифракции (XRD), оптической спектроскопии эмиссии (OES), SC выбросов полеСканирование электронной микроскопии (FE-SEM) и RT фотолюминесценции (ФЛ), соответственно. Кроме того, коэффициент пропускания ZnO тонких пленок была также подтверждена и сообщает.

Что синтезированный ZnO тонкой пленки служил зондирования слой для УФ фотоприемников применения также изучалось в данном исследовании. УФ фотодетектор имеет большие потенциальные приложения в УФ-мониторингу, оптический переключатель, пламя сигнализация, и система противоракетной потепления 20-21. Есть много типов фотоприемников, которые были проведены, например, положительную внутреннюю отрицательной (контактный режим) и металл-полупроводник-металл (МСМ) структур, включая Токопроводящее и контакта Шоттки. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. В настоящее время, МСМ фотоприемников структуры привлекают интерес интенсивной из-за их выдающуюся производительность в чувствительность, надежность и реагирования и время восстановления 22-24. Результаты, представленные здесь, показали, что режим контакт МСМ Омическая работалдля изготовления тонкой пленки ZnO основе УФ фотоэлемента. Такого рода фотодетектора, как правило, показывает хорошее чувствительности по надежности и, указывая, что высокий C ось ZnO тонкой пленки является подходящим зондирования слой УФ фотоприемника.

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

протокол

1. Подготовка основания и чистка

  1. Вырезать 10 мм х 10 мм кремниевых подложек из Si (100) подложке.
  2. Вырезать 10 мм х 10 мм стеклянных подложек.
  3. Использование ультразвуковой очистки, чтобы очистить кремния и стеклянные подложки с ацетоном в течение 10 мин, спирт в течение 10 мин, а затем изопропанол в течение 15 мин.
  4. Промыть субстратов с деионизированной (ДИ) воды три раза.
  5. Сушить субстратов с ружьем азота.

2. DEZn Подготовка и консервация

Примечание: диэтилцинк 2 Н 5) 2 Zn, также называемый DEZn, является весьма пирофорное цинкорганическое соединение, состоящее из цинкового центра, связанного с двумя этильных групп. Никогда не работайте в одиночку при использовании DEZn. DEZn очень токсичны и чувствительны к кислороду и воде, убедитесь, что не размещать DEZn рядом с водой. Всегда надевайте защитные маски и защитные очки; все процедуры должны выполняться в капюшоне. Самое главное, не использовался DEZn должны бе хранится в 5 ° С среде.

Примечание: Для первого использования DEZn, выполните Шаг 2. Если нет, начать эксперимент с шага 3.

  1. Использование шприц, чтобы вытянуть 30 мл DEZn из бутылки, а затем вводят в химический стакан, помещенный в стальной цилиндр.
  2. Использование оцинкованного железа трубу для соединения стальной цилиндр с реакционной камерой.
  3. Используйте механический насос и шаровой кран для откачки стальной цилиндр в вакуумной среде (до 6 мм рт.ст.).
    Примечание: DEZn будет серьезно реагировать с кислородом, он должен быть сохранен в вакуумной среде.
  4. Храните неиспользованную DEZn в 5 ° С среде.

3. ПХО палата Подготовка и синтез тонких пленок ZnO

Примечание: схема плазменного химического осаждения из паровой фазы изображен на рисунке 1.

  1. Установите рабочее расстояние между насадкой электродом и стадии образца при 30 мм.
  2. Поместите субстраты на стадии образца реакционной камеры в надлежащем месте, где есть 3 см расстояния от входа DEZn.
  3. Откройте роторный насос и постепенно открыть задвижки и дроссельный клапан.
  4. Подождите, пока остаточное давление в камере реактора не ниже, чем 30 мТорр.
  5. Закрыть задвижки и дроссельный клапан, который подключается к роторным насосом.
  6. Затем откройте турбонасоса и относительные задвижки достичь высокого вакуума 3 х 10 -6 Торр.
  7. После достижения необходимого вакуума состояние, открыть контроллер жары и предметный столик с температурой синтеза (200, 300, 400, 500, 600 и ° С для различных параметров эксперимента).
  8. Когда температура и давление достигают необходимое условие, закрыть турбонасоса, а затем открыть задвижки и дроссельный клапан, который подключается к роторным насосом одновременно.
  9. Затем откройте впускные клапаны газа и включите аргона гкак регулятор потока одновременно.
  10. Поток аргон (0,167 мл / сек) в камере.
  11. Установите давление в камере до 500 мТорр.
  12. Включите РФ (13,56 МГц) генератора и соответствующие сети, а затем установите ВЧ-мощность в 100 Вт для очистки поверхности образцы в течение 15 мин.
  13. После окончания продувки образцов, включите ВЧ-мощность до 70 Вт
  14. Далее, включите контроллера углекислый газ и впуска газа клапаном.
  15. Поток диоксида углерода (0,5 мл / сек) в камеру.
  16. Установите рабочее давление в 6 Торр.
  17. После того, как давление в камере достигает 6 тор, поток высокой чистый аргон как газ-носитель (0,167 мл / с) в течение проведения диэтилцинк (DEZn) в камеру и открытым шаровым клапаном, подключенного к DEZn одновременно. В то же время, начать синтез пленок оксида цинка.
  18. Продолжить синтез в плазме ZnO фильмов в течение 5 мин.
  19. После ZnO фильмы были синтезированы, по порядку выключить генератор РФ, шаровой кран, тепла конTroller и все контроллеры расхода газа вместе с впускным газа клапанов.
  20. Выньте образец, когда температура образца этап остывает до комнатной температуры. Примечание: скорость охлаждения примерно 1,8 ° С / мин.

4. Подготовка гребенчатой-как шаблон на синтезированного ZnO ​​тонкой пленки

Примечание: Схема процесса литографии изображен на рисунке 3.

  1. Используйте горячую плиту, чтобы выпекать в синтезированного образца ZnO при 150 ° С в течение 10 мин.
  2. Поместите образец на спин нанесения покрытий, а затем дозировать жидкий раствор фоторезиста (S1813) с 100 мкл на образец ZnO.
  3. Запустите спин нанесения покрытий при 800 оборотах в минуту в течение 10 сек, а затем ускорится до 3000 оборотов в минуту в течение 30 сек до получения равномерно тонким слоем.
  4. Мягкая печет фоторезиста покрытием ZnO образца при 105 ° С в течение 90 сек.
  5. После мягкой выпечки, используйте ультрафиолетовый свет, чтобы разоблачить фоторезиста покрытием образец полукомбинезоныGH фотомаски по маске выравнивателя. Время экспозиции 2 сек, а мощность 400 Вт
    Примечание:. Структура фотошаблона выполнен в виде гребенчатой ​​типа, который составляет 0,03 мм в ширину и 4 мм в длину (14 пар) и имеет интервал между электродами 0,15 мм, как показано на рисунке 2 Стоит отметить, что общая светочувствительного площадь 84,32 мм 2 для детектора.
  6. После процедуры экспозиции, использование пинцета клип образца, а затем погрузиться в разбавленном разработчика (смешайте 50 мл разработчика и 150 мл деионизированной воды) через действия размахивая из стороны в сторону в течение 35 лет, чтобы получить развитую образца.
  7. Промыть разработанный образец с дистиллированной водой и высушивают азотом.
  8. Используйте оптический микроскоп, чтобы проверить шаблон без изменений. Если нет, используйте ацетон для удаления фоторезиста и повторите шаги 4.2 до 4.7, пока не было получено идеальный образец.
  9. Жесткий выпекать при 120 пробы ° С в течение 20 мин.

5. Нанесение Pt верхний электрод и химической отрыва

  1. Использование системы магнетронным методом для нанесения тонкого проводящего слоя Pt (100 нм) в верхней части разработанного образца, прежде чем приступить к химическому процедуры литографии.
  2. Установите расстояние между мишенью и подложкой на 13 мм.
  3. Используйте механический насос для достижения низкого вакуума 5 мторр.
  4. Затем с помощью турбонасос чтобы получить высокий вакуум 7 × 10 -7 торр.
  5. Подождите, пока камера не достигнет высокого вакуума, закройте турбонасоса и открыть механический насос в дальнейшем.
  6. Не текут газ аргон в 0,3 мл / сек в камеру с помощью контроллера Mas потока до давления в камере достигнет рабочего давления 100 мторр.
  7. Включите постоянного тока (DC) осуществляет питание и установить власть DC при 15 Вт напыления Pt тонкопленочный электрод на образец в течение 25 мин.
  8. После электродный слой Pt сдан магнетронного sputtметод тч, вынуть образец из камеры.
  9. Погрузитесь образец в ацетон жидкости для химического процесса литографии ультразвуковой очиститель для удаления фоторезиста.
  10. Установите время очистки на 1 мин тщательно удалить фоторезиста, а затем получить на гребенчатой-как Pt электрода на тонкой пленке ZnO.

6. Процесс ДТП

  1. Поместите в панельном Pt / ZnO образца в системе RTA.
  2. Используйте механический насос и задвижки для откачки давление RTA камеры 20 мторр.
  3. Подождите, пока давление в камере не достигнет 20 мторр, течь газ аргон в 0,3 мл / сек в камеру и установите рабочее давление 5 мм рт.
  4. Далее, установите скорость нагрева, как 100 ° С / мин.
  5. Затем отжига образца при 450 ° С в течение 10 мин.
  6. После того, как отжигают, подождите, пока образец не остынет до комнатной температуры, а затем взять из образца.

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

Результаты

ZnO (0002) тонких пленок с высокой C ось предпочтительным ориентации были успешно синтезированы на подложках Si в используя систему PECVD. Диоксид углерода (СО 2) и диэтилцинк (DEZn) были использованы в качестве кислорода и цинка предшественников, соответственно. Кристаллическая струк?...

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

Обсуждение

Критические шаги и модификации

В шаге 1, субстраты должны быть тщательно очищены и шаги 1,3 до 1,5 с последующим чтобы убедиться, что нет смазки или органические и неорганические загрязнения на подложках. Любой жир или органические и неорганические загрязнения на поверхно?...

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

Раскрытие информации

The authors declare that they have no competing financial interests.

Благодарности

Эта работа была выполнена при финансовой поддержке из Министерства науки и техники и Национального научного совета Китайской Народной Республики (контракт пп. НСК 101-2221-E-027-042 и 101-2622 НСК-Е-027-003-СС2). DH Вэй благодаря Национальный Тайбэй технологический университет (Тайбэй TECH) для доктора Шехтманом премии Премия.

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

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
RF power supplyADVANCED ENERGYRFX-600
Butterfly valveMKS253B-1-40-1
Mass flow controllerPROTEC INSTRUMENTSPC-540
Pressure controllerMKS600 series 
HeaterUPGRADE INSTRUMENT CO.UI-TC 3001
Sputter gunAJA INTERNATIONALA320-HA
DEZn 1.5MACROS ORGANIC USA, New Jerseyalso called Diethylzinc (C2H5)2Zn
Spin coater SWIENCOPW - 490
I-V measurementKeithleyModel: 2400
Photocondutive measurement Home-built
UV light soursePanasonicANUJ 6160
Mask alignerKarl SussMJB4
PhotoresistShipley a Rohm & Haas companyS1813
DeveloperShipley a Rohm & Haas companyMF319
Silicon waferE-Light Technology Inc12/0801
Glass substrateCORNING1737P-type / Boron

Ссылки

  1. Choppali, U., Kougianos, E., Mohanty, S. P., Gorman, B. P. Influence of annealing on polymeric derived ZnO thin films on sapphire. Thin Solid Films. 545, 466-470 (2013).
  2. Bedia, F. Z., et al. Effect of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray pyrolysis technique. J. Alloy. Compd. 616, 312-318 (2014).
  3. Liu, W. S., Wu, S. Y., Hung, C. Y., Tseng, C. H., Chang, Y. L. Improving the optoelectronic properties of gallium ZnO transparent conductive thin films through titanium doping. J. Alloy. Compd. 616, 268-274 (2014).
  4. Baik, K. H., Kim, H., Kim, J., Jung, S., Jang, S. Nonpolar light emitting diode with sharp near-ultraviolet emissions using hydrothermally grown ZnO on p-GaN. Appl. Phys. Lett. 103, 091107(2013).
  5. Han, S. J., Huang, W., Shi, W., Yu, J. S. Performance improvement of organic field-effect transistor ammonia gas sensor using ZnO/PMMA hybrid as dielectric layer. Sens Actuator B-Chem. 203, 9-16 (2014).
  6. Chizhov, A. S., et al. Visible light activated room temperature gas sensors based on nanocrystalline ZnO sensitized with CdSe quantum dots. Sens Actuator B-Chem. 205, 305-312 (2014).
  7. Li, C., et al. Effects of substrate on the structural, electric and optical properties of Al-doped ZnO films prepared by radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films. 517, 3265-3268 (2009).
  8. Ellmer, K. Resistivity of polycrystalline zinc oxide films: current status and physical limit. J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 3097(2001).
  9. Wang, F. G., et al. optical and electrical properties of Hf-doped ZnO transparent conducting films prepared by sol-gel method. J. Alloy. Compd. 623, 290-297 (2015).
  10. Senay, V., et al. ZnO thin film synthesis by reactive radio frequency magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 318, 2-5 (2014).
  11. Chi, P. W., Su, C. W., Jhuo, B. H., Wei, D. H. Photoirradiation caused controllable wettability switching of sputtered highly aligned c-axis-oriented zinc oxide columnar films. Int. J. Photoenergy. 2014, 765209(2014).
  12. Jamal, R. K., Hameed, M. A., Adem, K. A. Optical properties of nanostructured ZnO prepared by a pulsed laser deposition technique. Mater. Lett. 132, 31-33 (2014).
  13. Kobayashi, T., Nakada, T. Effects of post-deposition on transparent conductingZnO:B thin films grown by MOCVD. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 05FA03(2014).
  14. Chao, C. H., et al. Postannealing effect at various gas ambients on ohmic contacts of Pt/ZnO nanobilayers toward ultraviolet photodetectors. Int. J. Photoenergy. 2013, 372869-1155 (2013).
  15. Barankin, M. D., Gonzalez II, E., Ladwig, A. M., Hicks, R. F. Plasma-enhanced chemical vapor deposition of zinc oxide at atmospheric pressure and low temperature. 91, 924-930 (2007).
  16. Fons, P., et al. Uniaxial locked epitaxy of ZnO on the α face of sapphire. Appl. Phys. Lett. 77, 1801(2000).
  17. Ko, H. J., Chen, Y., Hong, S. K., Yao, T. akafumi MBE growth of high-quality ZnO films on epi-GaN. J. Cryst. Growth. 209, 816-821 (2000).
  18. Park, D. J., Lee, J. Y., Park, T. E., Kim, Y. Y., Cho, H. K. Improved microstructural properties of a ZnO thin film using a buffer layer in-situ annealed in argon ambient. Thin Solid Films. 515, 6721-6725 (2000).
  19. Kim, M. S., et al. Nitrogen-passivation effects of Si substrates on the properties of ZnO epitaxial layers grown by using plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Korean Phys. Soc. 56, 827-831 (2010).
  20. Li, G. M., Zhang, J. W., Hou, X. Temperature dependence of performance of ZnO-based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors. Sens. Actuator A-Phys. 209, 149-153 (2014).
  21. Wang, X. F., et al. superhigh gain visible-blind UV detector and optical logic gates based on nonpolar a-axial GaN nanowire. Nanoscale. 6, 12009-12017 (2014).
  22. Inamdar, S. I., Rajpure, K. Y. High-performance metal-semiconductor-metal UV photodetector based on spray deposited ZnO thin films. J. Alloy. Compd. 595, 55-59 (2014).
  23. Tian, C. G., et al. Effects of continuous annealing on the performance of ZnO based metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetectors. Mater. Sci. Eng. B-Adv. Funct.Solid-State Mater. 184, 67-71 (2014).
  24. Chen, H. Y., et al. Realization of a self-powered ZnO MSM UV photodetector with high responsivity using an asymmetric pair of Au electrodes. J. Mater. Chem. C. 2, 9689-9694 (2014).
  25. Subramanyam, T. K., Srinivasulu Naidu,, S,, Uthanna, S. Effect of substrate temperature on the physical properties of DC reactive magnetron sputtered ZnO films. Opt. Mater. 13, 239-247 (1999).
  26. Iwanaga, H., Kunishige, A., Takeuchi, S. Anisotropic thermal expansion in wurtzite-type crystals. J. Mater. Sci. 35, 2451-2454 (2000).
  27. Okaji, M. Absolute thermal expansion measurements of single-crystal silicon in the range 300-1300 K with an interferometric dilatometer. Int. J. Thermophys. 9, 1101-1109 (1988).
  28. Pearse, R. W. B., Lichtenberg, A. J. The identification of molecular spectra. , 4th ed, Chapman and Hall. (1976).
  29. Chao, C. H., Wei, D. H. Growth of non-polar ZnO thin films with different working pressures by plasma enhanced chemical vapor deposition. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 11RA05(2014).
  30. Lin, B., Fu, Z., Green Jia, Y. luminescent center in undoped zinc oxide films deposited on silicon substrate. Appl. Phys. Lett. 79, 943-945 (2001).
  31. Koida, T., et al. Radiative and nonradiative excitonic transitions in nonpolar (110) and polar (000) and (0001) ZnO epilayers. Appl. Phys. Lett. 84 (110), 1079(2004).

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

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

104ZnODEZnPt

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Исследования

Образование

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены