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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾品程
研究生(外文):Ceng,Pin-Cheng
論文名稱:使用熱氧化方式成長氧化鋅薄膜之研究
論文名稱(外文):Growth and Characterization of ZnO Thin Films by Thermal oxidation method
指導教授:劉冠廷劉冠廷引用關係
指導教授(外文):Liu,Kuan-Ting
口試委員:吳信賢張益新陳進祥康定國劉冠廷
口試委員(外文):Wu, SeanChang, Yee-shinChen, Chin-hsiangKang, Ting-kuoLiu,Kuan-Ting
口試日期:2012-07-06
學位類別:碩士
校院名稱:正修科技大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:氧化鋅射頻磁控濺鍍法熱氧化
外文關鍵詞:ZnORF-sputteringThermal oxidation
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本論文以射頻磁控濺鍍法於康寧基板(Eagle XG)上沉積鋅薄膜,並以熱氧化的方式於大氣中將其氧化,製作未摻雜之氧化鋅薄膜。實驗中所使用之靶材為鋅靶(Zn),製程氣體為氬氣(Ar),流量30sccm,製程壓力4mtorr,功率為80~120W,製程溫度50 ℃下濺鍍10分鐘,沉積完成後將鋅薄膜至於高溫爐中,在大氣中以300到500 ℃熱氧化1小時。
量測方面利用X光繞射分析儀、霍爾效應量測、光激發螢光光譜儀及紫外光對可見光光譜儀,探討300到500℃熱氧化下的未摻雜氧化鋅薄膜之結構及光電特性。實驗結果顯示在熱氧化為400℃時,我們獲得最強的氧化鋅X光繞射峰強度、最低的殘留載子濃度為6.03x1015 cm-3、最強的近能隙邊緣間之光激發螢光光譜發光強度和平均穿透率高85%的氧化鋅薄膜。
此外,我們使用熱氧化溫度400℃,1小時所形成最佳品質的未摻雜氧化鋅薄膜製作金屬-半導體-金屬型的紫外光檢測器。在1伏特的偏壓下獲得元件的暗電流為7.36x10-9A、光電流為1.03x10-5A、最大光響應度值於350nm時為0.23A/W,以及紫外光到可見光的鑑別率為100。由上述結果得知我們成功的使用熱氧化方式在康寧基板上成長出高品質的氧化鋅薄膜,同時也成功的應用在金屬-半導體-金屬型紫外光檢測器上。
In this study, undoped ZnO films are prepared through thermal oxidation of the metallic Zn films in atmosphere. The Zn films are deposited on the Corning glass (Eagle XG) substrates by rf magnetron sputtering using zinc (99.995%) as target and Ar as working gas with a flow rate of 30sccm. The sputtering is performed at changing rf power (80~120W) in working pressure of 4mTorr. The growth temperature and sputtering time are 50℃ and 10 min, respectively. Afterward, the post-deposited Zn thin films are heated in atmosphere at 300~500℃ for 1 hr by thermal furnace.
The structural, optical and electrical properties of undoped ZnO films are systematically investigated by using X-ray diffraction、Hall effect measurement、photoluminescence and UV-Visible. It is found that we can achieve a much stronger X-ray diffraction intensity, a lower residual electron
concentration of 6.03×1015cm-3, a stronger photoluminescence intensity of near-band-edge emission and an average light transmittance of 90% from ZnO film obtained by thermal oxidation at 400℃of Zn film.
In addition, the high quality of undoped ZnO film obtained by thermal oxidation at 400℃ is used to fabricate metal-semiconductor- metal ultraviolet photodetector. With 1-V applied bias, it is found that the dark current and photocurrent are 7.36x10-9A and1.03x10-5A, respectively, for ZnO-based photodetector fabricated by thermal oxidation method. We also observe that the maximum responsivitiy at 350 nm is 0.23 A/W and the UV-to visible rejection ration is 100 under a 1-V bias voltage. Experimental results indicate that high quality of undoped ZnO films are fabricated on the Corning glass substrates by thermal oxidation method as well as applied in metal-semiconductor-metal ultraviolet photodetector successfully.
第一章 前言‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
1-1 研究動機與目的‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2
第二章 理論基礎及儀器簡介‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
2-1 ZnO的結構與基本特性 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
2-2 ZnO本質缺陷‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5
2-3 ZnO薄膜之發光機制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7
2-4 光學‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11
2-5 電漿理論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12
2-5-1 輝光放電‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧15
2-6 反應性射頻磁控濺鍍原理 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17
2-6-1 濺鍍理論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17
2-6-2 反應性濺鍍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19
2-6-3 直流濺鍍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20
2-6-4 射頻濺鍍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧22
2-6-5 磁控濺鍍‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23
2-7 蕭特基接觸的原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24
2-8 光檢測器原理及總類介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28
2-9 金屬-半導體-金屬光檢測器工作原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧29
2-10 光檢測器之光響應度測量原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29
2-11濺鍍系統簡介‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
2-12量測儀器介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
2-12-1 X光繞射分析(XRD) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
2-12-2 光激發螢光光譜(PL)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35
2-12-3 霍爾量測‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧36
2-12-4 膜厚分析儀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
2-12-5 紫外線可見光分光光譜儀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧39
2-12-6 電流電壓特性分析儀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧39
2-12-7 光響應頻譜(Responsivity)量測系統‧‧‧‧‧‧40
第三章 實驗方法與步驟‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
3-1 實驗流程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
3-2 基板清洗流程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
3-3 薄膜沉積製程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
3-4 金屬電極製程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44
3-5 熱氧化製程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45
3-6 薄膜特性量測及分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45
3-7 光檢測器量測及分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45
第四章 結果與討論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
4-1 結晶結構性質分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
4-1-1 未加熱Zn薄膜‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
4-1-2 不同熱氧化溫度之Zn薄膜‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
4-2 氧化鋅薄膜之電性分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47
4-3 光學分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47
4-4 穿透率分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48
4-5 膜厚分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49
4-6 氧化鋅光檢測器之電性分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49
4-7 氧化鋅光檢測器之光響應分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧50
第五章 結論與未來展望‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51
表 目 錄
表2-1 氧化鋅材料特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53
表2-2 化合物半導體性質表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53
表3-1 康寧玻璃EagleXG特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
表3-2 薄膜製程參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
表3-3 金屬電極製程參數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55
表4-1 不同熱氧化溫度之霍爾效應量測結果‧‧‧‧‧‧‧‧55
圖 目 錄
圖2-1 氧化鋅結構圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56
圖2-2 缺陷能階圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56
圖2-3 氧空缺及綠光PL隨著不同加熱溫度的變化圖‧‧ ‧ 57
圖2 - 4 電磁光譜圖‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ 5 7
圖2 - 5 離子化碰撞意識圖‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ 5 8
圖2 - 6 解離碰撞過程意識圖‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ 5 8
圖2 - 7 激發碰撞前後意識圖‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ 5 9
圖2 - 8 複合過程示意圖‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ 5 9
圖2 - 9 輝光放電示意圖‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧ ‧60
圖2-10 陰電極板周圍發光區及暗區分佈圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧60
圖2-11 反應性濺鍍膜型‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧61
圖2-12 RF Sputter系統與匹配電路之結構圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧61
圖2-13 平面型圓型磁控之結構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧62
圖2-14 電子在外加磁場與電場下的運動軌跡圖‧‧‧‧‧‧‧‧62
圖2-15 平面磁控結構及電子運動路徑‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧63
圖2-16 非熱平衡下,一孤立金屬靠近n型半導體能帶圖‧‧‧‧63
圖2-17 當熱平衡 m>  s,金屬-半導體接觸能帶圖‧‧‧‧‧‧64
圖2-18 熱離子發射‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧64
圖2-19 熱離子場發射‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65
圖2-20 場發射‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65
圖2-21(a) 熱離子發射之電流傳輸 (a)熱平衡圖‧‧‧66
圖2-21(b) 熱離子發射之電流傳輸 (b)順向偏壓圖‧‧‧66
圖2-21(c) 熱離子發射之電流傳輸 (c)順向偏壓‧‧‧66
圖2-22 MSM Photodetector平帶電壓時的能帶圖‧‧‧‧‧‧67
圖2-23 反應性射頻磁控濺鍍系統配置圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68
圖2-24 XRD繞射圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68
圖2-25 PL工作示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69
圖2-26 各種van der Pauw量測法的幾何圖形‧‧‧‧‧‧‧‧‧69
圖2-27 霍爾效應的幾何結構‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70
圖2-28 Alpha-Step工作示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70
圖2-29 光響應頻譜系統架構圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧71
圖3-1-1 薄膜沉積實驗流程圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧72
圖3-1-2 指叉狀金屬電極實驗流程圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧72
圖3-2-1 氧化鋅MSM光檢測器‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧73
圖3-2-2 氧化鋅MSM光檢測器結構圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧73
圖4-1 不同RF功率之Zn薄膜XRD繞射圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧74
圖4-2 不同熱氧化溫度之Zn薄膜XRD繞射圖‧‧‧‧‧‧‧‧74
圖4-3 不同熱氧化溫度下形成ZnO薄膜之PL光譜‧‧‧‧‧‧‧75
圖4-4 Zn薄膜在400℃下形成ZnO薄膜之穿透率光譜‧‧‧‧‧75
圖4-5 Zn薄膜在400℃下形成ZnO薄膜之光能隙‧‧‧‧‧‧‧76
圖4-6 不同熱氧化溫度之Zn薄膜膜厚‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧76
圖4-7 氧化鋅MSM光檢測器之I-V分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧77
圖4-8 F(V)-V特性曲線‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧77
圖4-9 氧化鋅光檢測器之光響應頻譜圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧78
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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