Postannealing效应在不同气体的欧姆接触两种Pt /氧化锌Nanobilayers对紫外线光电探测器

文摘

本文描述了一个制造和表征的紫外线(UV)基于使用Pt欧姆接触电极的光电探测器上外延生长氧化锌薄膜(0002)。等离子体增强化学气相沉积(PECVD) "系统是用来沉积氧化锌(0002)薄膜在硅基质和射频(RF)利用磁控溅射沉积Pt上电极在氧化锌薄膜。as-deposited Pt /氧化锌nanobilayer样本然后退火在两个不同的两种(氩气和氮气)获得最佳的欧姆接触。晶体结构、表面形态、光学特性,并分析了氧化锌薄膜的润湿性由x射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、原子力显微镜(AFM),光致发光(PL), UV-Vis-NIR分光光度计,和接触角测量仪,分别。此外,Pt /氧化锌的光电导性nanobilayers还追究紫外线光电探测器的应用程序。上述结果表明,最优合成氧化锌样品与气体流速比1:3 diethylzinc [DEZn、锌(C₂H₅)₂(CO)二氧化碳₂),然后结合Pt电极退火在氩气环境中,表现出良好的结晶度以及紫外照片的责任。

1。介绍

众所周知,只有紫外线(UVA)波长从320到400纳米的阳光可以穿过大气层,到达地球表面。UVA会伤害人的皮肤,因此它是一个很重要的问题开发的紫外线(UV)光电探测器在UVA-wavelength地区。等宽的带隙材料氮化镓,沃甘,奈米,钻石已经使用了紫外线光电探测器的应用程序(1- - - - - -6]。与上述材料相比,氧化锌(氧化锌)被认为是潜在的候选化合物紫外探测器拥有其宽的直接带隙3.37 eV在室温下,相对较大的激子结合能60兆电子伏,无毒性,杰出的热化学稳定性,低光抽运功率阈值以及丰富的原材料(7,8]。然而,由于p型掺杂氧化锌结构的挑战,制造基于紫外线的氧化锌pn结光电探测器仍处于开发阶段(9]。因此,要么基于欧姆接触光电导型或肖特基接触光电压类型的氧化锌metal-semiconductor-metal (MSM)是另一种方式来开发紫外线光电探测器(10,11]。比较电阻和肖特基接触类型之间的差异,基于欧姆接触的光电导型设备通常更容易制作和更多的理解。高质量的氧化锌薄膜具有良好的欧姆接触是至关重要的制造高性能紫外线光电探测器,基于强大的氧气化学吸收作用和photodesorption机制在晶界和表面(12,13]。

在过去的几十年里,各种化学计量氧化锌生长技术阶段使用,如热蒸发、射频(RF)磁控溅射、脉冲激光沉积(骑士),分子束外延(MBE),金属有机化学气相沉积(金属)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD) "14- - - - - -18]。在这些技术中,PECVD系统"是一种很有前途的一个用于制造大面积均匀氧化锌薄膜为了申请未来电子设备和传感器,因为它有许多优点,也就是说,低成本和高增长率。另一方面,等离子体轰击可以提高薄膜的密度,提高离子分解反应速率,用来改善薄膜结晶度(19]。PECVD系统是用于种植"因此,氧化锌薄膜在硅基质与各种气体流量的比率diethylzinc (DEZn)二氧化碳(有限公司₂),在一个固定的温度400°C的工作。另一方面,有一些报告使用ZrB ZnO-based设备的欧姆接触₂/ Pt /非盟,Ti /非盟,Pt / Ni /非盟或Ni / Pt,等等的金属接触电极(20.- - - - - -23]。由于高热量和导电性,良好的温度和化学稳定性,铂(Pt)是一个更好的电极材料的应用程序。,Pt的欧姆接触电极材料用于存款到射频磁控溅射氧化锌薄膜。

然而,很少有报告的气割后退火对电气性能的影响Pt /氧化锌联系人通过外延生长氧化锌薄膜的沉积到硅基质上。此外,Pt金属形成一个n型氧化锌的欧姆接触。因此,氧化锌/ Pt异质结构可以提供一系列的优势实现紫外探测器等光电设备。Pt /氧化锌薄膜电学性质的联系是一个关键的氧化锌薄膜在这样的设备,和这种性质的研究是至关重要的在确定这种异质结构设备的潜在应用。本文的主要目的是系统地研究不同气体流速的影响比率DEZn有限公司₂外延生长氧化锌薄膜结晶质量和一致性,原生缺陷的修改在氧化锌薄膜,Pt /氧化锌nanobilayer电影接触的电特性,探索紫外线光电探测器的应用前景。本研究分为两个部分。第一部分是外延的合成氧化锌薄膜在硅基质PECVD系统各种有限公司₂流率。第二部分是Pt的沉积形成欧姆接触到由射频磁控溅射氧化锌薄膜。标准发射过程被用来制作的紫外探测器互相交叉电极。此外,和紫外线设备postannealed通过快速热退火(RTA)在不同温度和不同两种(氩气和氮气)获得欧姆接触。晶体结构、表面形态、光学性质和润湿性研究了氧化锌薄膜的x射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、原子力显微镜(AFM),室温下光致发光光谱(PL)和接触角测量仪,分别。电流-电压曲线是用来确定欧姆接触效率。最后,光响应的设备在室温空气中进行了讨论。

2。实验程序

氧化锌薄膜沉积在硅(100)基板采用PECVD系统",曾经diethylzinc [DEZn、锌(C₂H₅)₂)和二氧化碳(有限公司₂)气体作为前体供应锌和氧源,分别。15厘米直径莲蓬头担任上电极,并与13.56 MHz的射频(RF)力量,可以生成等离子体通过匹配网络。底部电极接地,担任样品阶段。上电极和下电极之间的距离是固定在30毫米。所有的10毫米×10毫米硅基板被使用丙酮清洗,酒精,和de-ionized水,半小时超声波清洁。系统被疏散基地在3×10的压力⁻⁶分别托回转泵和涡轮泵。随后,氩等离子体诱导室的射频发生器是用来清洗衬底表面氧化层15分钟。室的工作压力是保持在6托,功率为70 W,和基板加热在400°C氧化锌薄膜的生长。一系列的氧化锌薄膜与固定厚度的500纳米合成硅基质不同气体流量比例DEZn有限公司₂(1:1,1:2、1:3)。氧化锌薄膜的晶体结构的特征x射线衍射(XRD)和铜辐射()。氧化锌薄膜的表面形态是由场发射扫描电子显微镜观察(FE-SEM)。薄膜的表面形貌和粗糙度进行了进一步分析原子力显微镜(AFM)。在室温下光致发光(PL)进行了研究氧化锌薄膜的光学特性通过氦镉激光(325海里)。光学透射率记录通过使用MP100-ME UV-Vis-NIR分光光度计和氧化锌薄膜的润湿性也由接触角测量仪,分别。

至于紫外线光电探测器制造、互相交叉Pt(厚度~ 100 nm)欧姆接触电极是通过传统的紫外线光刻技术制造的,蚀刻方法和射频磁控溅射形成finger-pattern到外延氧化锌(0002)电影。接触电极的finger-pattern 30μ米宽(14条)和有一个150年的电极间的间距μm。照片的形象互相交叉电极图所示1。为了形成欧姆接触,氧化锌和Pt将直接连接。不幸的是,上述材料的工作功能并不密切,分别5.65 eV和4.3 eV。为了克服不匹配的工作功能,快速热退火(RTA)是用来形成欧姆接触。Postannealing执行在不同的温度下350°C和550°C之间10分钟氩氮两种,分别。1456年代Ahilent惠普测量系统结合一个38瓦/厘米²汞弧灯(Hamamatsu-deuterium L2D2)用作紫外线(365海里)光源测量电流电压(电流-电压分别)特点和光敏反应。

3所示。结果与讨论

3.1。材料优化

图2显示了x射线衍射(XRD)模式PECVD系统"的氧化锌薄膜合成不同气体流量比率的DEZn有限公司₂。所有氧化锌样品的x射线衍射模式表现出只有强壮的设在(0002)衍射峰位于34.4°,表明外延薄膜具有六方纤锌矿结构。最低的表面能(0002)底面的氧化锌导致[0001]方向择优取向;因此,氧化锌薄膜了设在取向外延衬底上最佳生长条件下(24]。然而,ZnO薄膜的晶体质量有关气体流速DEZn比有限公司₂。在氧化锌阶段发展,有限公司₂由于氧离子浓度发挥了重要作用源自有限公司₂时相对较低的室气体流速值1:1,这表明锌离子没有足够的机会与氧离子反应形成一个高房地产氧化锌的阶段。因此,气体流速的增加有限公司₂氧化锌的衍射峰(0002)逐渐成为夏普和狭窄的。最强的(0002)衍射峰得到的气体流速值1:3 (DEZn有限公司₂)。图的插图2显示,半宽度(应用)的氧化锌(0002)衍射峰,这是由x射线摇摆曲线()扫描。的应用(0002)衍射峰的氧化锌薄膜气体流速比1:3显示了一个极小值为0.1694°,而氧化锌薄膜与气体流量的比率1:2和1:1表现出相对较大的值0.1720°和0.1742°,分别。x射线摇摆曲线主要演示了倾斜的程度组件,和倾斜本身与螺旋式线程混乱。因此,外延氧化锌的最佳合成条件(0002)电影与气体流速DEZn比有限公司₂1:3在这个工作。这个参数可以有效地减少螺旋位错密度最高的晶体化学计量氧化锌薄膜的质量。

平面表面形态的外延氧化锌(0002)电影被FE-SEM观察如图3(一)-3(c)。PECVD系统是一种很有前途的合成氧化锌阶段通过使用DEZn和有限公司₂混合物。而且,特别容易打破oxygen-oxygen从公司债券₂从DEZn和锌原子发生反应,导致紧凑的表面(25]。SEM顶视图图像清晰地显示所有的氧化锌薄膜smoothability紧凑的表面曲率边界和密集的球形颗粒。此外,氧化锌薄膜的厚度约为500纳米自组装的柱状结构设在[0001]由截面图像嵌入的数字3(一)-3(c)。从AFM表面形貌图像如图3(d) -3(f),平均表面粗糙度值(均方根(RMS)的气体流量比率DEZn有限公司₂(1:1,1:2、1:3)显示6.46 nm, 6.82 nm, 8.97海里(1μm×1μ米)。上述结果表明,外延氧化锌(0002)薄膜可以提供一个合适的纳米级平滑地形Pt的后续沉积在其表面上电极。

图4说明了室温PL谱。两个发射的光谱主要包括乐队:near-band-edge (NBE)发射和广泛defect-related可见发射(500 - 700海里)。结果展示,主要发射带强度密切相关,DEZn的气体流量比有限公司₂。所有的外延氧化锌(0002)薄膜表现出强烈NBE发射频带是归因于通过exciton-exciton free-excitons碰撞过程的重组(26]。然而,随着不同气体流速比的DEZn有限公司₂(从1:3比1:1),NBE发射强度弱于轻微的红移,伴随着可见发射频带也变得更大了。一般来说,晶格畸变和本地化的指控从界面缺陷或缺陷可能导致发射光谱带的红移27]。另一方面,可见发射频带通常被称为杂质和各种氧化锌薄膜的结构缺陷,如锌间隙和氧空位(28]。当氧化锌薄膜质量的改善提供足够的氧离子,通过缺陷的密度降低,导致一个强大NBE发射强度紫外线地区蓝移和可见的排放逐渐消失了。根据上述结果,ZnO(0002)薄膜外延生长的最佳气体流速比下1:3 (DEZn有限公司₂)是一种有前途的方法应用于紫外(UV)光子探测器的实现。

3.2。紫外线光电探测器制造和反应性

电流电压(电流-电压Pt /氧化锌nanobilayer设备的)特征在不同温度下退火(350°C, 450°C, 550°C)在氩气氛10分钟图所示5(一个)。只能观察到一个明显的线性行为的Pt /氧化锌设备退火在450°C,这表明,高质量的欧姆接触取得在Pt /氧化锌接口。设备进一步退火在氮气氛10分钟450°C,和相应的电流-电压设备的特点是如图5 (b)。Pt /氧化锌设备的电阻影响氮气氛退火显示更好的性能比在氩气氛退火。紫外线光电探测器装置的示意图所示图的插图5(一个),互相交叉Pt电极被放置在最优氧化锌(0002)薄膜。耐热、低阻力的形成欧姆接触是至关重要的实现高质量ZnO-based光电设备。半导体和金属之间的高接触电阻产生光电子设备性能退化通过热应力和接触失败。热稳定和低接触电阻可以实现通过进行表面改性以降低半导体金属势垒高度或通过增加有效载体浓度的表面,允许承运人隧穿概率的增加。因此,欧姆接触金属化应该是其中一个主要目的提高光电设备的性能。然而,形成欧姆接触方法ZnO-based光电设备没有得到广泛的研究,它主要是有限的n型联系人。

图6显示紫外线光电探测器的光电流和暗电流特征的函数的偏置电压范围从−5 v至5 v Pt /氧化锌薄膜结构。可以看出,只有Pt /氧化锌设备在氩气氛退火展现了光电导行为如图6(一)。此外,黑暗和照片电流线性随着偏压的增加,表明工党上电极形成欧姆接触到氧化锌(0002)薄膜。没有紫外线光照明,观察到暗电流是4.8 mA在5 V的偏见。Pt /氧化锌设备照明时在365纳米波长的能量38瓦/厘米²马,光电流大约36 5 V的偏见,表明紫外线光电探测器组成的Pt /氧化锌结构具有较高的photoresponsivity nanobilayer电影。光电流的起源氧分子吸附和解吸的高度考虑(29日,30.]。在紫外光照,氧化锌薄膜在黑暗中暴露在空气和氧气分子,可在氧化锌表面吸附为了提取自由电子根据以下:

负氧离子坚持创建的表面和电子在晶界的损耗氧化锌薄膜。这些负氧离子不能导致薄膜的导电性,使薄膜产生较低的导电表面。然而,在暴露于紫外线照射,负氧离子能形成中性通过捕获一个photogenerated洞,这是表现在以下几点:

紫外线的波长~ 365 nm匹配氧化锌~ 3.37 eV的带隙;高能光子被吸收的氧化锌层,因而产生电子空穴对。电子的重组photogenerated洞通过表面复合吸附氧离子,同时释放氧气原子从表面。因此,耗尽层高度的降低晶界区域发生。这些累积的未配对电子的传导带氧化锌的光电导性将有助于增加ZnO-based紫外线设备。

紫外线光电探测器的暗电流和光电流特征组成的Pt /氧化锌nanobilayer电影结构退火氮也显示在图6 (b)。的电流-电压黑暗的特点和photo-currents是重叠的,这意味着该设备没有photoresponsivity。当Pt /氧化锌薄膜结构在氮气氛退火,氮原子可能不仅作为受体,形成一层掺杂氧化锌薄膜的表面附近,也产生一层氮化硅层。载体浓度的增加与氮化层可以降低欧姆接触的势垒高度,Pt电极之间形成和氧化锌薄膜。它将导致更高的当前值较低的阻力与设备在氩气氛退火。同时,氮化层在氧化锌薄膜表面将直接防止紫外线照射对氧化锌薄膜的表面。因此,上述电动提交产生的氧化锌薄膜表面耗尽区将被禁止的。紫外线光电探测器设备组成的Pt /氧化锌双层薄膜结构退火在氮气氛不适合紫外传感器由于缺乏光电导性。

光电探测器的再现性设备在氩气氛退火被反复的开关紫外线测试相同的时间间隔,如图7。当设备被紫外线照亮,当前急剧增加和保持在一个稳定的状态。的光源后,设备恢复到原来的水平。设备的响应和恢复时间是2和1.5年代,分别见图的插图7。结果显示伟大的再现性和稳定性好紫外线光电探测器设备至少3次没有变化。从设备获得快速响应和稳定性对于紫外线光电探测器的应用程序非常有用。

另一方面,外延氧化锌(0002)薄膜的润湿性由接触角测角仪的特点(125年五年间自由贸易协定)。如果表面的水接触角小于90°,则称为亲水表面。相反,如果表面的水接触角大于90°则称为疏水表面。图8显示了氧化锌薄膜的水接触角值与各种气体流量比例为1:1,1:2和1:3 98.13°,102.77°,分别和111.32°。一般来说,修改形成的高疏水性表面与低表面能涂料(31日)或增加表面粗糙度(32]。在我们的工作,测量结果表明,氧化锌薄膜的表面疏水性与表面粗糙度增加。相比之下,氧化锌薄膜的水接触角值与各种气体流量比,最大的表面粗糙度与气体流量的比例获得1:3(8.97海里),导致最大的疏水性与图的观察结果一致3。

此外,为了调查外延的透明氧化锌(0002)薄膜,氧化锌(0002)薄膜也合成到玻璃基板为未来high-transmittance ZnO-based光电设备。透射光谱表明,氧化锌(0002)薄膜具有高透光率在400 - 900纳米范围和可见的透光率高于80%,如图9。

4所示。结论

外延氧化锌(0002)薄膜起初在硅衬底上合成气体流速比1:3 (DEZn有限公司₂PECVD系统"),表现出良好的结晶度、表面粗糙度低、高的光学性质,和良好的可见的透明度。Pt上电极之间形成的欧姆接触者和氧化锌薄膜退火在450°C氩和氮两种10分钟。然而,紫外线光电探测器组成的Pt /氧化锌nanobilayers结构只在氩气氛退火显示较低的暗电流的4.8 mA和更高的光电流的马36 5 V的偏置电压。因此,提出了一种简单的方法使用Pt接触电极上外延生长氧化锌(0002)薄膜,适用于潜在设备紫外线光电探测器的应用,显示出良好的欧姆接触行为以及紫外线photoresponsibility。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认金融支持的主要研究项目下的台湾国家科学理事会的批准号NSC - 027 - 042 101 - 2221 e。

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