RF 스퍼터링법으로 사파이어 기판 위에 성장한 ZnO와 ZnO : A1 박막의 질소 및 수소 후열처리에 따른 Photoluminescence 특성 A study of the photoluminescence of undoped ZnO and Al doped ZnO single crystal films on sapphire substrate grown by RF magnetron sputtering원문보기
2wt% $Al_2O_3-doped$ ZnO (AZO) thin films were deposited on sapphire (0001) single crystal substrate by parellel type rf magnetron sputtering at 55$0^{\circ}C$. The as-grown AZO thin films was polycrystalline and showed only broad deep defect-level photoluminescence (PL). In or...
2wt% $Al_2O_3-doped$ ZnO (AZO) thin films were deposited on sapphire (0001) single crystal substrate by parellel type rf magnetron sputtering at 55$0^{\circ}C$. The as-grown AZO thin films was polycrystalline and showed only broad deep defect-level photoluminescence (PL). In order to examine the change of PL property, AZO thin films were annealed in $N_2$ (N-AZO) and $H_2$ (H-AZO) at the temperature of $600^{\circ}C$~$1000^{\circ}C$ through rapid thermal annealing. After annealed at $800^{\circ}C$, N-AZO shows near band edge emission (NBE) with very small deep-level emission, and then N-AZO annealed at $900^{\circ}C$ shows only sharp NBE with 219 meV FWHM. In Comparison with N-AZO, H-AZO exhibits very interesting PL features. After $600^{\circ}C$ annealing, deep defect-level emission was quire quenched and NBE around 382 nm (3.2 eV) was observed, which can be explained by the $H_2$passivation effect. At elevated temperature, two interesting peaks corresponding to violet (406 nm, 3.05 eV) and blue (436 nm, 2.84 eV) emission was firstly observed in AZO thin films. Moreover, peculiar PL peak around 694 nm (1.78 eV) is also firstly observed in all the H-AZO thin films and this is believed good evidence of hydrogenation of AZO. Based on defect-level scheme calculated by using the full potential linear muffin-tin orbital (FP-LMTO), the emission 3.2 eV, 3.05 eV, 3.84 eV and 1.78 eV of H-AZO are substantially deginated as exciton emission, transition from conduction band maximum to $V_{ Zn},$ from $Zn_i$, to valence band maximum $(V_{BM})$ and from $V_{o} to V_BM}$, respectively.
2wt% $Al_2O_3-doped$ ZnO (AZO) thin films were deposited on sapphire (0001) single crystal substrate by parellel type rf magnetron sputtering at 55$0^{\circ}C$. The as-grown AZO thin films was polycrystalline and showed only broad deep defect-level photoluminescence (PL). In order to examine the change of PL property, AZO thin films were annealed in $N_2$ (N-AZO) and $H_2$ (H-AZO) at the temperature of $600^{\circ}C$~$1000^{\circ}C$ through rapid thermal annealing. After annealed at $800^{\circ}C$, N-AZO shows near band edge emission (NBE) with very small deep-level emission, and then N-AZO annealed at $900^{\circ}C$ shows only sharp NBE with 219 meV FWHM. In Comparison with N-AZO, H-AZO exhibits very interesting PL features. After $600^{\circ}C$ annealing, deep defect-level emission was quire quenched and NBE around 382 nm (3.2 eV) was observed, which can be explained by the $H_2$passivation effect. At elevated temperature, two interesting peaks corresponding to violet (406 nm, 3.05 eV) and blue (436 nm, 2.84 eV) emission was firstly observed in AZO thin films. Moreover, peculiar PL peak around 694 nm (1.78 eV) is also firstly observed in all the H-AZO thin films and this is believed good evidence of hydrogenation of AZO. Based on defect-level scheme calculated by using the full potential linear muffin-tin orbital (FP-LMTO), the emission 3.2 eV, 3.05 eV, 3.84 eV and 1.78 eV of H-AZO are substantially deginated as exciton emission, transition from conduction band maximum to $V_{ Zn},$ from $Zn_i$, to valence band maximum $(V_{BM})$ and from $V_{o} to V_BM}$, respectively.
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문제 정의
600℃~1000℃ 정도의 고온에서 수소 처리한 순수한 Zn나 A1을 첨가한 박막 사이에 PL 특성에 관한 보고는 아직까지 없는 실정이다. 또한 수소 플라즈마에 의해 400℃에서 처리된 순수한 ZnO 결정의 수소열처리에 따른 CL특성을 보고하였는데 3. 29eV NBE외에 다른 peak는 관찰되지 않았다.
본 연구에서는 고효율 LED에서 요구되어지는 박막중에서 전기적인 특성을 위주로 연구되어진 결과들에 광학적인 특성과의 연계성을 알아보고자 ZnO에 2wt% AkQ를 첨가시킨 타겟을 사용하여 rf 마그네트론 스퍼터링법으로 사파이어 기판위에 고전자농도를 갖는 ZnO:Al (AZO) 박막을 성장시켰다. 그리고 광특성 향상을 위하여 질소분위기에서 800℃-900℃ 열처리를 수행 하였으며 수소 RTA 처리에 따른 passivation 효과를 조사해 보기 위하여 RTP 를 이용하여 600℃ ~ 1000℃ 온도 범위에서 열처리하여 광 특성 변화를 관찰하였다.
제안 방법
56MHz에서 120W로 하였다. A1 을 도핑한 ZnO층은 순수한 수소 분위기에서 600℃ ~ 1000℃ 그리고 800℃-1000℃ 질소 분위기에서 각각 RTA를 수행하였다. As-grown 시편과 열처리 시편의 결 정 구조를 알아보기 위하여 XRD e-26 기법에 의해 분석하였다.
As-grown 시편과 열처리 시편의 결 정 구조를 알아보기 위하여 XRD e-26 기법에 의해 분석하였다. PL (Photoluminescence) 특성은 파장 351nm, 100 mV의 전압을 갖는 Ar 레이저를 이용하여 상온에서 측정하였다. 모든 스펙트럼은 격자 스펙트로미터와 광증 폭 튜브 검출기에 의해 상온에서 조절할 수 있게 하였다.
전하농도와 열처리충의 이동도 변화는 상온에서 Van der Pauw방법으로 측정 하였고 Hall 이동도는 Oriel-M5277을 사용하여 측정하였다. UV /ⅥS 투과도는 200~700 nm 파장범위에서 spectropho- tometer를 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는 고효율 LED에서 요구되어지는 박막중에서 전기적인 특성을 위주로 연구되어진 결과들에 광학적인 특성과의 연계성을 알아보고자 ZnO에 2wt% AkQ를 첨가시킨 타겟을 사용하여 rf 마그네트론 스퍼터링법으로 사파이어 기판위에 고전자농도를 갖는 ZnO:Al (AZO) 박막을 성장시켰다. 그리고 광특성 향상을 위하여 질소분위기에서 800℃-900℃ 열처리를 수행 하였으며 수소 RTA 처리에 따른 passivation 효과를 조사해 보기 위하여 RTP 를 이용하여 600℃ ~ 1000℃ 온도 범위에서 열처리하여 광 특성 변화를 관찰하였다.
360nm 이상의 장파장만 통과 시키는데 필요한 band pass 여과장치는 소스로부터 산란된 빛이 차단하게끔 설치되어 있다. 미세 형상은 주사전자 현미경(SEM, Hitachi S-4300)을 통해 관찰하였다. 전하농도와 열처리충의 이동도 변화는 상온에서 Van der Pauw방법으로 측정 하였고 Hall 이동도는 Oriel-M5277을 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
A1을 도핑한 ZnO 박막(두께 1㎛)을 rf 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 성장시켰다. 2wt% AIQ3가 첨가된 순도 99.99% 상용 타겟을 사용하였고 증착온도는 550℃로 고정하고, rf 전력은 13.56MHz에서 120W로 하였다. A1 을 도핑한 ZnO층은 순수한 수소 분위기에서 600℃ ~ 1000℃ 그리고 800℃-1000℃ 질소 분위기에서 각각 RTA를 수행하였다.
A1 을 도핑한 ZnO층은 순수한 수소 분위기에서 600℃ ~ 1000℃ 그리고 800℃-1000℃ 질소 분위기에서 각각 RTA를 수행하였다. As-grown 시편과 열처리 시편의 결 정 구조를 알아보기 위하여 XRD e-26 기법에 의해 분석하였다. PL (Photoluminescence) 특성은 파장 351nm, 100 mV의 전압을 갖는 Ar 레이저를 이용하여 상온에서 측정하였다.
사파이어 기판 (0001) 위에 A1Q가 2% 첨가된 ZnO박 막을 수평 형태 rf 마그네트론 스퍼터링 법으로 550℃ 에서 성장시켰다. 800℃에서 질소 분위기 열처리한 AZO박막 은 매우 작은 deep-level 방출을 갖는 에너지 갭에 가까운 (NBE) 피크를 보이는데 특히 900℃에서 열처리한 시편은 219 meV의 FWHM을 갖는 매우 첨예한 NBE특성을 보였다.
미세 형상은 주사전자 현미경(SEM, Hitachi S-4300)을 통해 관찰하였다. 전하농도와 열처리충의 이동도 변화는 상온에서 Van der Pauw방법으로 측정 하였고 Hall 이동도는 Oriel-M5277을 사용하여 측정하였다. UV /ⅥS 투과도는 200~700 nm 파장범위에서 spectropho- tometer를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
800℃에서 열처리한 시편의 FWHMe 296 meV이며 900℃에서 열처리한 AZO 박막의 FWHMe 219meV로 다소 낮아졌다. 이 값들은 기존의 rf 마그네트론 스퍼터링 법⑹이나 MBE법", 으로 성장시킨 ZnO 박막에서 관찰된 76meV와 114meV 값과 비교해 보았을 때 단결정의 박막에 비하여 높은 값을 보이고 있지만 다결정 박막은 질소 분위기에서 RTA 법으로 열처리한 방법들이 주로 결함에 의한 deep-level 방출을 감소시킴으로써 AZO 박막의 PL 특성은 향상 되어진다는 것을 알 수 있다. Fig.
더욱이 유도쌍 플라즈마 (ICP) 로 발생시킨 수소가 ZnO박막 표면으로부터 250A 정도 깊이까지 침투될 수 있다는 결과를 본 연구팀의 선행 연구에서 관찰된 바 있다.' 즉 수소와 상호작용을 함에의해 결함의 passiviation 이 순수한 ZnO의 PL특성을 개선시키는데 반하여 580 run에서 deep-level 방출 강도는 현격하게 감소함을 알 수 있었다. 열처리 온도가 750℃까지 증가함에 따라 NBE 피크는 이 온도에서 3분 열처리한 후 감소 하였지만 460 nm 에서 PL 특성은 증가한 것처럼 보 이며 동시에 436nm (2.
사파이어 기판 (0001) 위에 A1Q가 2% 첨가된 ZnO박 막을 수평 형태 rf 마그네트론 스퍼터링 법으로 550℃ 에서 성장시켰다. 800℃에서 질소 분위기 열처리한 AZO박막 은 매우 작은 deep-level 방출을 갖는 에너지 갭에 가까운 (NBE) 피크를 보이는데 특히 900℃에서 열처리한 시편은 219 meV의 FWHM을 갖는 매우 첨예한 NBE특성을 보였다. PL특성은 질소 분위기에서 열처리한 후 저하되었으 며 질소 분위기에서 열처리한 AZO박막에 비하여 수소 분위기에서 열처리한 AZO 박막은 매우 흥미로운 PL 형태를 보여주었다.
800℃에서 질소 분위기 열처리한 AZO박막 은 매우 작은 deep-level 방출을 갖는 에너지 갭에 가까운 (NBE) 피크를 보이는데 특히 900℃에서 열처리한 시편은 219 meV의 FWHM을 갖는 매우 첨예한 NBE특성을 보였다. PL특성은 질소 분위기에서 열처리한 후 저하되었으 며 질소 분위기에서 열처리한 AZO박막에 비하여 수소 분위기에서 열처리한 AZO 박막은 매우 흥미로운 PL 형태를 보여주었다. 온도가 상승함에 따라 자색(406 nm, 3.
다른 연구 자들은 수소 플라즈마 처리가 Zn 침입이나 산소 공극과 같은 n-type 결함들이나 ZnO 격자에 대한 자유전자에 기여 하는 복합적인 결함을 발생시킨다는 사실을 제안하였다. 그들의 결과에 따르면 수소원자가 0.1 ~1% 정도의 범위에서 상호작용을 통하여 전하농도와 ~O.leV에 이르는 광학적 에너지 갭이 확인 되었다. 더욱이 유도쌍 플라즈마 (ICP) 로 발생시킨 수소가 ZnO박막 표면으로부터 250A 정도 깊이까지 침투될 수 있다는 결과를 본 연구팀의 선행 연구에서 관찰된 바 있다.
4(d) 처럼 크게 향상된 것을 알 수 있다. 그러나 이 시편의 두 개의 주피크가 중첩되어 있는 관계로 이를 분리해 보고자 재 측정을 위하여 시편의 표면을 포름 알데히드(formaldehyde : HCHO) 에 세척한 후 PL특성을 측정한 결과 436nm 근처에서 보였던 PL peak의 강도는 작아졌으며 500 nm 근처에서 deep-level 중심은 406nm 근처에서 peak 강도의 별다른 변화 없이 증가하는 추세이다. 그래서 436nm 근처에서 PL peak는 화학적으로 쉽게 영향을 받는 것으로 생각된다.
2는 질소분위기에서 열처리한 AZO박막과 as-grown박막의 전자농도(nJ, 비저항 (p) 그리고 이동도()를 나타낸 그림이다. 본 실험의 증착조건에서 AZO 박막을 증착하여 구조적 안정화 및 미세구조 변화를 관찰하기 위해 열처리한 후 측정 하였는데 비저항값은 as-grown 시편의 경우 3.72cm이고 질소 분위기에서 800℃ 열처리 후 1.05xlCT\Qcm로 감소하였다. 여기서 온도를 900℃ 까지 올렸을 때는 다시 비저항은 1.
PL특성은 질소 분위기에서 열처리한 후 저하되었으 며 질소 분위기에서 열처리한 AZO박막에 비하여 수소 분위기에서 열처리한 AZO 박막은 매우 흥미로운 PL 형태를 보여주었다. 온도가 상승함에 따라 자색(406 nm, 3.05 eV)과 청색(436 nm, 2.84 eV) 에 해당하는 피크가 관찰되었는데 이는 AZO박막에서 스퍼터링법에 의한 박막의 형성과 RTA 열처리를 통한 deep level peak가 존재하지 않는 최초의 결과이다. 더욱이 694 nm (1.
순수한 ZnO의 투과도는 가시영역에서 90~95%를 나타내고 있으며 이에 비해 AZO 박막의 경우 열처리 전후의 투과도는 60~90%정도의 값을 보이고 있다. 흡수 가장자리는 전 자농도의 증가에 따른 Burstein-Moss (MS) 이동에 따른 것으로 전반적으로 짧은 파장영역대로 약간씩 이동함을 알 수 있었다. Fig.
참고문헌 (23)
Y. R. Ryu, S. Zhu, D.C. Look, J. M. Wrobel, H. M. Jeong and H. W. White, J. Cryst. Growth, 216, 330 (2000)
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