[논문]펄스 레이져 증착법으로 성장한 ZnO 박막의 마이크로 PL 특성 분석

이득희; 임재현; 김상식; 이상렬

doi:10.4313/jkem.2009.22.9.756

제안 방법

FE-SEM 분석을 통해 ZnO 박막의 성장 온도에 따른 표면 형상을 관찰하였으며, 구조적 특성 분석을 위해 XRD 분석이 이루어졌다. 첨가적으로, 결정립계가 undoped ZnO 박막의 광학적 특성에 미치는 영향의 확인을 위해 325 nm의 파장을 갖는 He-Cd laser를 여기광원으로 이용하여 상온 PL 및 ii-PL 측정을 하였다.
성장하였다. X-ray diffraction (XRD) 측정과 photoluminescence (PL) 측정을 통해 성장 된 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성을 관찰하였다. 또한, micro-PL (p-PL) 측정을 통해 결정립계가 ZnO 박막의 광학적 특성에 미치는 영향을 확언하였다.
X-ray diffraction (XRD) 측정과 photoluminescence (PL) 측정을 통해 성장 된 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성을 관찰하였다. 또한, micro-PL (p-PL) 측정을 통해 결정립계가 ZnO 박막의 광학적 특성에 미치는 영향을 확언하였다.
타겟 화학조성비의 균일한 증착과 균질한 박막의 성장을 위해 박막 성장 시 타겟과 기판 홀더를 함께 회전시켜 주었다. 박막의 성장은 10분 동안 이루어졌으며 동일한 조건에서 성장 온도가 각각 상온, 200도, 400도, 그리고 600 도에서 ZnO 박막 성장이 이루어졌다.
본 연구에서는 PLD 성장 방법을 이용하여 ZnO 박막을 각각 상온, 200도, 400도, 그리고 600도에서 성장하였다. 성장 온도에 따른 박막의 구조적, 광학적 특성 변화를 확인하였다.
본 연구에서는 PLD 성장 방법을 이용하여 다양한 성장 온도에서 c-plane 사파이어 기판 위에 ZnO 박막을 성장하였다. X-ray diffraction (XRD) 측정과 photoluminescence (PL) 측정을 통해 성장 된 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성을 관찰하였다.
본 연구에서는 PLD 장비를 사용하여 c-plane 사파이어 기판 위에 ZnO 박막을 성장하였다. 1 inch 디스크형의 ZnO 타겟을 사용하였으며 기판은타겟 표면과 수직한 방향으로 4.
성장 온도에 따른 박막의 구조적, 광학적 특성 변화를 확인하였다. ZnO 박막의 성장온도에 따른 XRD ZnO (002) 피크의 FWHM 확인 및 상온 PL exciton 발광 피크 확인 결과, 상대적으로 고온에서 성장한 샘플이 우수한 결정성을 갖는 박막의 성장이 이루어짐을 확인할 수 있었다.
첨가적으로, 결정립계가 undoped ZnO 박막의 광학적 특성에 미치는 영향의 확인을 위해 325 nm의 파장을 갖는 He-Cd laser를 여기광원으로 이용하여 상온 PL 및 ii-PL 측정을 하였다.
5 x 10 1 Torr로 유지하였다. 타겟 화학조성비의 균일한 증착과 균질한 박막의 성장을 위해 박막 성장 시 타겟과 기판 홀더를 함께 회전시켜 주었다. 박막의 성장은 10분 동안 이루어졌으며 동일한 조건에서 성장 온도가 각각 상온, 200도, 400도, 그리고 600 도에서 ZnO 박막 성장이 이루어졌다.

대상 데이터

1 inch 디스크형의 ZnO 타겟을 사용하였으며 기판은타겟 표면과 수직한 방향으로 4.5 cm 거리에 위치시켰다. 355 nm 파장을 갖는 Nd:YAG lasei■을 타겟에 조사하였으며 에너지 밀도는 1.

성능/효과

그림 4에서 나타낸 것처럼 각각의 샘플에서 결함 관련피크는 발광 강도의 큰 변화가 없으나, exciton 관련 피크의 경우 발광 강도가 큰 차이가 있음을 확인할 수 있었다. Exciton 관련 피크의 발광 강도와 결함 관련 피크의 발광 강도의 비에서 (그림 4의 inset) 약 100 Hm 의 간격을 두고 exciton 피크의 발광 강도가 커지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 그림 1에서 보여준 상온과 400도에서 성장한 샘플의 결정립 크기 차이를 통해 알 수 있듯 U-PL의 측정 시 상온에서 성장한 샘플에서 보다 많은 결정립계가 He-Cd 레이저 초점 내부에 포함되어 있으며 그에 의한 charge의 구속으로 인해 exciton 발광이 현저히 떨어짐을 유추할 수 있었다.
FE-SEM 이미지를 통해 대략적으로 측정된 결정립 크기는 성장온도가 증가함에 따라 40 nm ~ 120 nm로 대체적으로 커지는 경향을 보이고있음을 확인할 수 있다.
성장 온도에 따른 박막의 구조적, 광학적 특성 변화를 확인하였다. ZnO 박막의 성장온도에 따른 XRD ZnO (002) 피크의 FWHM 확인 및 상온 PL exciton 발광 피크 확인 결과, 상대적으로 고온에서 성장한 샘플이 우수한 결정성을 갖는 박막의 성장이 이루어짐을 확인할 수 있었다. 또한, U-PL 분석을 통하여 결정립 크기가 작을수록 결정립계의 증가에 의한 사large 구속이 증가함으로 인해 ZnO 박막의 exciton 발광 특성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
ZnO 박막의 성장온도에 따른 XRD ZnO (002) 피크의 FWHM 확인 및 상온 PL exciton 발광 피크 확인 결과, 상대적으로 고온에서 성장한 샘플이 우수한 결정성을 갖는 박막의 성장이 이루어짐을 확인할 수 있었다. 또한, U-PL 분석을 통하여 결정립 크기가 작을수록 결정립계의 증가에 의한 사large 구속이 증가함으로 인해 ZnO 박막의 exciton 발광 특성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
엑시톤 피크들과 결함 밴드 피크의 발광 세기의 비율을 그림 3의 삽입그림으로 넣어 보였다. 삽입그림에서 볼 수 있는 바와 같이 성장 온도가 증가하면서 exciton 관련 피크의 비율이 점점 커지는 것을 확인할 수 있었다. 고온에서 성장된샘플의 경우에는 600 nm 근방에서 나타나는 과잉 O 에 의한 피크들이 주된 결함 피크로서 나타나는데 이것은 Zn와 결합후 나머지 O 원소들이 박막 내에 존재하고 있음을 확인할 수 있었다.
우선 450 nm 근방에서 나오는 피크의 경우는 Zn 빈자리에 기인한 피크로 알려져 있으며 550 nm 근방에서 나오는 피크는 O 빈자리에 의한 피크 그리고 600 nm 근방에서 나오는 피크는 과잉 O 에 의한 피크로서 잘 알려져 있다. 상온과 200 도에서 성장한 샘플의 경우는 전체적으로 이 세 가지 관련 피크가 다 나타나고 있으며 특히 0 빈자리에 기인한 피크들이 주된 피크로 나타나고 있는 것을 확인할 수 있었다. 반면 고온에서 성장한 ZnO 박막의 경우에는 비교적 exciton 관련 피크들이 더 크게 나오고 있는 것을 확인할 수 있었다.
그림 2의 삽입그림은 ZnO 박막의 full width at half maximum (FWHM)이 성장 온도가 증가함에 따라 점차 감소함을 보여주고 있다. 성장 온도 200도, 400도, 600 도 샘플의 ZnO (002) XRD 피크 강도와 FWHM 비교를 통해 본 연구에서 성장한 ZnO 박막의 경우 성장 온도가 고온일수록 우수한 결정성을 갖는 박막의 성장이 이루어졌음을 확인할 수 있었다.
Exciton 관련 피크의 발광 강도와 결함 관련 피크의 발광 강도의 비에서 (그림 4의 inset) 약 100 Hm 의 간격을 두고 exciton 피크의 발광 강도가 커지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 그림 1에서 보여준 상온과 400도에서 성장한 샘플의 결정립 크기 차이를 통해 알 수 있듯 U-PL의 측정 시 상온에서 성장한 샘플에서 보다 많은 결정립계가 He-Cd 레이저 초점 내부에 포함되어 있으며 그에 의한 charge의 구속으로 인해 exciton 발광이 현저히 떨어짐을 유추할 수 있었다. 즉, 결정립 크기가 작을수록 결정립계의 증가에 의한 charge 구속이 증가할 것이며 ZnO 박막의 exciton 발광 특성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 그림 1에서 보여준 상온과 400도에서 성장한 샘플의 결정립 크기 차이를 통해 알 수 있듯 U-PL의 측정 시 상온에서 성장한 샘플에서 보다 많은 결정립계가 He-Cd 레이저 초점 내부에 포함되어 있으며 그에 의한 charge의 구속으로 인해 exciton 발광이 현저히 떨어짐을 유추할 수 있었다. 즉, 결정립 크기가 작을수록 결정립계의 증가에 의한 charge 구속이 증가할 것이며 ZnO 박막의 exciton 발광 특성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

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