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사파이어 기판 위에 Ultra High Vacuum DC 스퍼터를 이용한 Ar:O2 유량 변화에 따른 ZnO 박막 성장
유진엽,최성국,장지호,이정우,이상태,이원재,박미선 한국물리학회 2012 새물리 Vol.62 No.8
We grew a ZnO thin film on c-Al_2O_3 (001) by using ultra-high-vacuum (UHV) DC sputtering and investigated its properties for various Ar:O_2 ratios. The sheet resistance of the ZnO films was measured using a standard four-point probe (FPP)technique. We were able to fabricate films with high sheet resistances by increasing the Ar:O_2 flow rate ratio from k=10:1to 10:2. Insufficient O_2 yielded a relatively broad FWHM as confirmed by (101)ω scan X-ray diffraction (XRD). We attribute this phenomenon to a structural defect at an O_2vacancy. From the PL result, we confirmed a dominant near band edge emission at k=10:0.5, which had minimum surface resistance. Excess O_2 caused fast growth, thus degrading the crystallinity of the ZnO film at value of k above 10:1. We measured the sample under optimal conditions. In the XRD results, the (002)ω scan showed a FWHM of 1298 arcsec; thus, the grown sample had a highly c-axis oriented columnar structure. Pole figure measurements confirmed single crystalline ZnO. Ultra-high-vacuum (UHV) DC 스퍼터를 사용하여 (001) 면 사파이어(c-Al_2O_3) 기판 위에 ZnO를 성장하였고, k (Ar:O_2 유량비)변화에 따라 나타나는 특성을 고찰하였다. Four point probe (FPP)측정을 이용하여 면저항을 구하였고 k=10:1에서 10:2로 O_2 유량이증가함에 따라 성장률과 면저항이 급격히 높아짐을 확인하였다. X-ray diffraction (XRD) 을 이용하여 박막의 비대칭면 (101)ω 스캔을측정한 결과 O_2의 공급이 없을 때, 상대적으로 큰 FWHM을 가지는데이는 산소공공으로 인한 구조적 결함에 기인한 것으로 판단된다. Photoluminescence (PL) 측정을 통해 나타난 광특성은 저항이 가장낮았던 k=10:0.5의 조건에서 밴드단 부근의 발광이 우세하게 나타나최적의 성장조건임을 확인하였고, k=10:1 이상에서는 과다한 O_2의공급이 빠른 성장을 야기시켜 ZnO 박막의 결정성 저하를 불러오는 것을확인하였다. 최적조건에서 성장한 샘플을 (002)ω 스캔 측정한결과 FWHM이 1298 arcsec로 c-축 방향으로 우세한 ZnO 박막이성장되었음을 확인하였고 pole figure 측정결과 단결정을 이루고 있음을알 수 있었다.
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(11-20)면 ZnO 기판의 열처리 시 표면형상과 구조적 특성의 상관관계에 관한 고찰
유진엽,최성국,조유진,장지호,이상태,이원재,Takafumi Yao 한국물리학회 2011 새물리 Vol.61 No.5
We have investigated the relation between the structural properties and the surface morphology of (11-20) ZnO substrates thermally treated in an O₂ambient. Surface steps in both the c- and the m-axis directions were observed from the sample annealed at 950℃. However, when we increased the annealing temperature to 1200℃, the $m$-axis direction step disappeared, and the c-axis direction step height became higher due to step bunching,which indicates that the annealing temperature was too high. The XRD results showed opposite tendency. With increasing annealing temperature, the full width at half maximum (FWHM) values of the omega and the omega-2theta scans were continually narrowed,indicating improved crystal quality. These results reveal that the damaged surface layer has a considerable thickness; hence, a pre-surface treatment to remove the damaged surface layer before the thermal treatment should be considered. (11-20)면 ZnO 기판의 표면을 결정 성장에 적합하도록 평탄화하기 위하여산소 분압 내에서 열처리를 실시하였고, 표면 형상의 변화에 따른 구조적특성의 변화를 고찰하였다. Atomic Force Microscopy(AFM) 결과로 950℃에서 열처리한 시료는 c축 방향과 m축 방향의 두 방향으로표면 스텝이 형성되어 있었고, 열처리 온도를 1200℃로증가시키면 스텝 번칭이 일어나 m축 방향 표면 스텝은 사라지고 c축방향 스텝의 높이가 증가함을 관찰하였다. 그러나 X-ray diffraction 결과는 열처리 온도가 1200℃까지 증가해도 지속적으로 omega 스캔과 omega-2theta 스캔의 반치폭이 줄어들고 비대칭성이 향상되어온도에 비례하여 결정성이 향상됨을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터(11-20)면 ZnO 기판의 표면에는 상당한 두께의 표면 손상층이 존재하여,열처리만으로 이를 제거해 평탄하고 결정성이 양호한 표면을 얻는 것이곤란하며 별도의 선행 공정의 도입을 검토하는 것이 필요함을 알 수있었다.
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가스소스 MBE에서 원료공급량이 결정성장 기구에 미치는 영향
최성국,유진엽,정수훈,장원범,장지호,Choi, Sungkuk,Yoo, Jinyeop,Jung, Soohoon,Chang, Wonbeom,Chang, Jiho 한국전기전자재료학회 2013 전기전자재료학회논문지 Vol.26 No.6
Growth mechanism of GS-MBE(Gas source-Molecular Beam Epitaxy) has been investigated. We observed that the growth rate of GaN films is changing from 520 nm/h to 440 nm/h by the variation of V/III ratio under nitrogen-rich growth condition. It was explained that the amount of hydrogen on the growth front varies by the ammonia flow, and gallium hydrides are generated on the surface by a reaction of hydrogen and gallium, resultantly the amount of gallium supplying is changing along with the $NH_3$ flow. Reflection high energy electron diffraction (RHEED) observation was used to confirm the N-rich condition. The crystal quality of GaN was estimated by photoluminescence (PL) and X-ray diffraction (XRD).
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m면 사파이어 기판 상의 질화처리 공정 영향에 따른 m면 질화갈륨 성장에 대한 연구
정수훈,최성국,유진엽,장원범,이정우,장지호,이상태 한국물리학회 2013 새물리 Vol.63 No.7
Obtaining high-quality heteroepitaxial non-polar nitrides is difficult due to the large lattice mismatch and the high density of crystalline defects in the films. Because those problems are closely related to each other and occur simultaneously from the very initial stage of the growth, a systematic study on the effect of each growth step on the quality of the grown film is very important. We have investigated the effect of the nitridation temperature on the growth of m-plane GaN layers on m-plane sapphire substrates. We discuss the surface morphology, X-ray diffraction, and photoluminescence properties for various nitridation conditions. The surface morphology was found to be very closely related to the nitridation condition. Also, X-ray diffraction and photoluminescence measurements showed considerable change in the crystallinity of the m-GaN layer due to variations in the nitridation conditions, which was due to the crystal-phase variation of AlON on the surface during the nitridation process. m면 사파이어의 질화온도에 따른 m면 GaN 박막의 주요 결함의 변화를고온성장한 m면 GaN의 표면과, X선 회절, PL (photoluminescence)측정결과와 연관 지어 고찰하였다. 700 ℃에서 질화 처리한시료에서 가장 평탄한 표면의 GaN가 얻어진 점으로부터 중간 온도에서질화 처리한 경우 결함의 발생이 최소화된다고 추론하였다. 이러한결과는 XRD 측정 결과를 통해 질화처리의 온도가 상승함에 따라(1122)면의 intensity가 증가하는 점과, PL에서 동일한적층결함 관련 발광강도의 변화가 관찰된 점으로 부터 확인하였다. 이러한 결과는 질화온도의 변화가 표면의 AlON 결정상의 변화를 유도하여m면 GaN 박막 내부의 적층 결함의 종류와 밀도가 변화하는 것으로고찰하였다.
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열처리를 통한 (1120) ZnO기판의 표면 형상 및 광학적 특성의 변화에 대한 고찰
조유진,조영지,유진엽,구지은,최성국,장지호,이상태,이원재,Takafumi Yao 한국물리학회 2011 새물리 Vol.61 No.3
We have investigated the correlation between the surface morphology and the optical properties of (1120) ZnO substrates. As-received a-plane ZnO substrates showed much surface damge. However,the surface morphology of a-plane ZnO substrates annealed at 950℃ revealed surface steps toward the directions of both the c-axis and the m-axis. When we increased the annealing temperature to 1200℃, the m-axis direction steps disappeared, and step bunching was observed. The luminescence property of the a-plane ZnO substrates showed similar changes. Negligible emission intensity was observed from the as-received substrates; however, the luminescence properties were remarkably improved by annealing. We also briefly discuss the origin of the luminescence band. The visible spectral range showed a change from oxygen interstials to a complex of zinc interstitials and oxygen vacancy with increasing annealing temperature. 열처리에 따른 (1120) 면 ZnO 기판의 표면 형상과 잔류 결함의 거동을관찰 하였다. AFM (Atomic Force Microscopy) 관찰 결과 열처리 후에표면 평탄도가 약 5배 정도 개선되었고, 950℃ 온도에서 M-축과C-축의 두 방향으로 관찰 되었던 표면 스텝이 1200℃ 열처리결과 C-축 방향으로만 정렬 되었으며, 스텝 번칭이 일어나 스텝의 폭과높이가 증가한 것을 관찰할 수 있었다. 또한PL (Photoluminescence) 측정결과 열처리 후에 자외선 영역의 발광강도의 증가로 판단할 때 결정성이향상됨을 알 수 있었으나, 950℃에서 나타났던 Deep level 영역에서의 발광이 1200℃에서 red shift 됨을 관찰할 수있었는데, 이는 ZnO 표면 내의 침입형 아연 원자와 산소 공공과 같은점결함 농도의 변화로 인한 결과로 사료된다.
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