Ion Beam Deposition을 이용한 ZnO 박막성장 시 이온건의 Ar/O2 혼합가스 분율의 영향 = Effects of the Ar/O2 gas ratios in the ion gun on the ZnO films by ion beam deposition

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ZnO films were grown on (001) sapphire substrates by an ion beam deposition (IBD). The effect of the Ar/O₂ gas ratio in plasma on the properties of the ZnO film is investigated. The films were deposited using various Ar/O₂ gas plasma ratios and then, annealed at 800 ℃ for one hour in the mixture of air and oxygen gas. The films were analyzed by field emission scanning electron microscopy (FESEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray diffractometer (XRD) and photoluminescence (PL) spectroscopy. All the as-grown ZnO films showed the homogenous and smooth surface with large compressive strain. When the Ar/O₂=7/3, the ZnO films showed the lowest RMS roughness and FWHM of ZnO (002) omega r℃king curve.
The annealing pr℃ess resulted in the compressive strain relaxation and decrease in the full width at half maximum value of XRD r℃king curve of ZnO (002) peak. As the oxygen gas ratio was increased, intensity of visible peak was observed to increase. Enhancement in the morphological, structural, and optical properties of the ZnO films was observed after the annealing pr℃ess. The structural and optical properties of the films deposited only under Ar gas without O₂ were particularly improved upon annealing in the mixture of air and oxygen gas at 800 ℃.

국문 초록 (Abstract)

Ion Beam Deposition (IBD) 방법은 일종의 스퍼터링 시스템으로서, 반도체 박막을 성장하는데 있어 유리한 장점이 많음에도 불구하고 성장조건등에 대한 연구가 매우 부족한 상황이다. 따라서, 본 논문에서는 IBD 방법을 이용하여 ZnO 박막을 성장시키는데 있어서, 성장 조건중에 하나인 이온건의 Ar 과 O₂ 혼합가스의 분율이 박막의 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 Ar 과 O₂ 혼합가스를 여러가지로 변화시켜서 사파이어 기판위에 ZnO를 성장시킨 후, 성장된 ZnO 박막을 세라믹 관상로를 이용하여 800 oC, O₂ 가스분위기에서 어닐링 하였다. 성장시킨 상태 그대로의 (as-grown) 박막과 어닐링 처리한 ZnO 박막에 대하여 X-ray diffractometer (XRD)을 이용하여 결정학적 특성을 분석하고, field emission electron microscopy (FESEM) 을 이용하여 표면조직을 관찰하였다. 박막의 표면거칠기는 atomic force microscope (AFM)을 이용하였고, photoluminescence (PL) 분광법을 이용하여 광학적 특성을 분석하였다.
상온에서 성장시킨 모든 as-grown ZnO 박막은 매우 균일하고, 매끄러운 표면을 보였고, 박막내에 강한 compressive strain을 관찰할 수 있었으며, Ar 과 O₂ 의 비율이 7:3 일 때 표면거칠기와 compressive strain이 가장 낮았다.
어닐링처리한 경우는 모든 혼합가스조건에서 ZnO 박막의 표면입자크기와 표면거칠기가 증가하였고 compressive strain이 이완되었으며 ZnO (002)면의 omega rocking curve의 FWHM이 감소되었다. 또한 열처리된 박막의 PL 분광법 분석결과, Ar 과 O₂ 혼합가스에서 산소가 증가할수록 가시광 영역의 피크강도가 증가함을 관찰할 수 있었다.
어닐링처리한 ZnO 박막의 특성분석 결과, 열처리에 의해 ZnO 박막의 표면조직과 구조적·광학적 특성이 향상되었고, Ar 과 O₂ 혼합가스에서 O₂ 가 없을 경우에 결정학적·광학적으로 우수한 특성을 나타냈다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction = 1
• Ⅱ. Zinc Oxide = 3
• Ⅱ -1. Crystal Structure = 3
• Ⅱ -2. Energy Band Gap = 9
• Ⅱ -3. Electrical Properties = 16
• Ⅱ -4. Optical Properties = 17
• Ⅲ. Experimental Apparatus = 22
• Ⅲ -1-1. Ion Beam = 22
• Ⅲ -1-2. Ion Beam Deposition (IBD) system = 24
• Ⅳ. Experimental Procedures = 28
• Ⅴ. Results and discussions = 31
• Ⅴ.1. As grown ZnO films = 31
• Ⅴ.2. Annealed ZnO films = 33
• Ⅵ. Conclusion = 43
• References = 44
• Acknowledgements (감사의 글) = 49