단결정 성장을 위한 $MgGa_2Se_4$ 다결정은 수평 전기로에서 합성하였으며, 결정구조는 rhombohedral이고 격자상수 $a_0$는 3.953 ${\AA}$, $c_0$는 38.890 ${\AA}$였다. $MgGa_2Se_4$ 단결정박막은 HWE(Hot Wall Epitaxy) 방법으로 반절연성 GaAs(100)기판에 성장시켰다. 단결정박막의 성장 조건은 증발원의 온도 $610^{\circ}C$, 기판의 온도 $400^{\circ}C$에서 진행되었으며 성장 속도는 0.5 ${\mu}m/h$였다. 단결정박막의 결정성은 이중 결정 x-선 회절곡선의 반폭치와 X-선 회절무늬의 ${\omega}-2{\theta}$로부터 구하여 최적 성장 조건을 알 수 있었다. Hall 효과는 van der Pauw 방법에 의해 측정되었으며, 온도에 의존하는 운반자 농도와 이동도는 293 K에서 각각 $6.21{\times}10^{18}/cm^3$, 248 $cm^2/v{\cdot}s$였다. $MgGa_2Se_4$/SI(Semi-Insulated) GaAs(100) 단결정 박막의 광흡수 스펙트럼을 10 K에서 293 K까지 측정하였다. 광흡수 스펙트럼으로부터 구한 에너지 갭 $E_g(T)$는 varshni 공식 $E_g(T)=E_g(0)=({\alpha}T^2/T+{\beta})$을 잘 만족함을 알 수 있었다. 여기서 $E_g(0)=2.34\;eV$, ${\alpha}=8.81{\times}10^{-4}\;eV/K$, ${\beta}=251\;K$였다.
단결정 성장을 위한 $MgGa_2Se_4$ 다결정은 수평 전기로에서 합성하였으며, 결정구조는 rhombohedral이고 격자상수 $a_0$는 3.953 ${\AA}$, $c_0$는 38.890 ${\AA}$였다. $MgGa_2Se_4$ 단결정박막은 HWE(Hot Wall Epitaxy) 방법으로 반절연성 GaAs(100)기판에 성장시켰다. 단결정박막의 성장 조건은 증발원의 온도 $610^{\circ}C$, 기판의 온도 $400^{\circ}C$에서 진행되었으며 성장 속도는 0.5 ${\mu}m/h$였다. 단결정박막의 결정성은 이중 결정 x-선 회절곡선의 반폭치와 X-선 회절무늬의 ${\omega}-2{\theta}$로부터 구하여 최적 성장 조건을 알 수 있었다. Hall 효과는 van der Pauw 방법에 의해 측정되었으며, 온도에 의존하는 운반자 농도와 이동도는 293 K에서 각각 $6.21{\times}10^{18}/cm^3$, 248 $cm^2/v{\cdot}s$였다. $MgGa_2Se_4$/SI(Semi-Insulated) GaAs(100) 단결정 박막의 광흡수 스펙트럼을 10 K에서 293 K까지 측정하였다. 광흡수 스펙트럼으로부터 구한 에너지 갭 $E_g(T)$는 varshni 공식 $E_g(T)=E_g(0)=({\alpha}T^2/T+{\beta})$을 잘 만족함을 알 수 있었다. 여기서 $E_g(0)=2.34\;eV$, ${\alpha}=8.81{\times}10^{-4}\;eV/K$, ${\beta}=251\;K$였다.
A stoichiometric mixture of evaporating materials for $MgGa_2Se_4$ single crystal thin films was prepared from horizontal electric furnace. The crystal structure of these compounds has a rhombohedral structure with lattice constants $a_0=3.953\;{\AA}$, $c_0=38.890\;{\AA}$<...
A stoichiometric mixture of evaporating materials for $MgGa_2Se_4$ single crystal thin films was prepared from horizontal electric furnace. The crystal structure of these compounds has a rhombohedral structure with lattice constants $a_0=3.953\;{\AA}$, $c_0=38.890\;{\AA}$. To obtain the single crystal thin films, $MgGa_2Se_4$ mixed crystal was deposited on thoroughly etched semi-insulating GaAs(100) substrate by the Hot Wall Epitaxy (HWE) system. The source and substrate temperatures were $610^{\circ}C$ and $400^{\circ}C$, respectively. The crystalline structure of the single crystal thin films was investigated by the double crystal X-ray rocking curve and X-ray diffraction ${\omega}-2{\theta}$ scans. The carrier density and mobility of $MgGa_2Se_4$ single crystal thin films measured from Hall effect by van der Pauw method were $6.21{\times}10^{18}\;cm^{-3}$ and 248 $cm^2/v{\cdot}s$ at 293 K, respectively. The optical absorption of $MgGa_2Se_4$ single crystal thin films was investigated in the temperature range from 10 K to 293 K. The temperature dependence of the optical energy gap of the $MgGa_2Se_4$ obtained from the absorption spectra was well described by the Varshni's equation, $E_g(T)=E_g(0)-({\alpha}T^2/T+{\beta})$. The constants of Varshni's equation had the values of $E_g(0)=2.34\;eV$, ${\alpha}=8.81{\times}10^{-4}\;eV/K$ and ${\beta}=251\;K$, respectively.
A stoichiometric mixture of evaporating materials for $MgGa_2Se_4$ single crystal thin films was prepared from horizontal electric furnace. The crystal structure of these compounds has a rhombohedral structure with lattice constants $a_0=3.953\;{\AA}$, $c_0=38.890\;{\AA}$. To obtain the single crystal thin films, $MgGa_2Se_4$ mixed crystal was deposited on thoroughly etched semi-insulating GaAs(100) substrate by the Hot Wall Epitaxy (HWE) system. The source and substrate temperatures were $610^{\circ}C$ and $400^{\circ}C$, respectively. The crystalline structure of the single crystal thin films was investigated by the double crystal X-ray rocking curve and X-ray diffraction ${\omega}-2{\theta}$ scans. The carrier density and mobility of $MgGa_2Se_4$ single crystal thin films measured from Hall effect by van der Pauw method were $6.21{\times}10^{18}\;cm^{-3}$ and 248 $cm^2/v{\cdot}s$ at 293 K, respectively. The optical absorption of $MgGa_2Se_4$ single crystal thin films was investigated in the temperature range from 10 K to 293 K. The temperature dependence of the optical energy gap of the $MgGa_2Se_4$ obtained from the absorption spectra was well described by the Varshni's equation, $E_g(T)=E_g(0)-({\alpha}T^2/T+{\beta})$. The constants of Varshni's equation had the values of $E_g(0)=2.34\;eV$, ${\alpha}=8.81{\times}10^{-4}\;eV/K$ and ${\beta}=251\;K$, respectively.
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문제 정의
Van der Pauw 방법으로 Hall 효과를 측정하여, 온도에 의존하는 운반자 농도와 이동도를 구하였다. 또한 광흡수 스펙트럼으로부터 광학적 에너지갭을 구하여 광전기적 소자로의 가능성을 알아보았다.
제안 방법
다결정과 단결정 박막의 EDS 스펙트럼 성분 및 조성비 값을 Table 1에 보였다. EDS 스펙트럼은 6N 의 순도를 갖는 Mg, Ga, Se에서 나오는 특성 X-선을 기준으로 하여 측정했으며, Mg과 Ga은 L-선 특성 X-선을 이용하고, Se는 K-선의 특성 X-선을 사용하여 측정하였다. 다결정 및 단결정 박막의 starting element의 조성비와 결정의 조성비들이 ± 1 % 오차 범위에서 일치되고 있어 화학 양론적 조성비가 잘 이루어졌음을 알 수 있었다.
HWE에 의한 MgGa2Se4 단결정 박막 성장은 반절연성 GaAs(100) 기판의 불순물을 제거하기 위하여 기판을 chemical etching한 후 580℃에서 20분 동안 열처리하였으며, 증발원의 온도를 610℃, 기판의 온도를 380~420℃로 변화시키면서 성장시켰다. Fig.
MgGa2Se4 다결정 합성은 성분원소인 Mg(Aldrich, 5N), Ga(Aldrich, 6N), Se(Aldrich, 6N)를 몰비로 칭량하여세척된 석영관(외경 16 mm, 내경 10 mm)에 넣어 3 × 10−6 torr의 진공에서 봉입하여 ampoule을 만들었다.
광전류(Photocurrent) 측정은 광전류 측정셀을 cryostat의 cold finger에 고정하고 DC전원을 연결 하여 단색광을 셀에 조사하면서 나오는 광전류를 lock-in-amplifier(Ithaco, 391A)로 증폭하고 X-Y recorder(MFE, 815M)로 기록하였다. 사용한 회절격자(Jarrell Ash, 82-000, f:0.
성분원소의 증기압 증가로 인하여 ampoule이 파괴되는 것을 방지하기 위해서 20℃/h로 온도를 올리면서 로중심의 온도가 500℃에 도달하면 그 상태에서 24시간 유지시킨다. 그리고, ampoule을 좌우로 회전시키면서 10oC/h로 온도를 올리기 시작하여 1000oC에 이르면 48시간 유지시킨 뒤 저속 DC 회전모터와 전원을 끄고, 24시간 동안 자연냉각 시킨 후 합성된 다결정을 HWE source용 MgGa2Se4 덩어리(ingot)로 하였다.
단결정 박막의 결정성은 이중 결정 x-선 회절곡선의 반폭치와 X-선 회절무늬의 ω-2θ로부터 구하여 최적 성장 조건을 구하였다.
본 연구에서는 수평 전기로를 제작하여 수평로에서 용융 성장법으로 MgGa2Se4 다결정을 합성하였다. 합성된다결정을 이용하여 HWE 방법으로 반절연성 GaAs(100) 기판 위에 MgGa2Se4 단결정 박막을 성장시켰다.
최적 조건하에서 성장된 박막의 결정구조 및 방위를 알아보기 위하여 XRD 측정을 하였으며, Fig. 3(b)에 MgGa2Se4 박막의 XRD pattern을 보였다. 관측된 회절 peak는 MgGa2Se4(116)면과 GaAs(400)면이며, 박막은 MgGa2Se4(116)면으로 성장되었음을 알았다.
대상 데이터
3(b)에 MgGa2Se4 박막의 XRD pattern을 보였다. 관측된 회절 peak는 MgGa2Se4(116)면과 GaAs(400)면이며, 박막은 MgGa2Se4(116)면으로 성장되었음을 알았다. 또한, Fig.
사용한 회절격자(Jarrell Ash, 82-000, f:0.5 m series)는 1180 grooves/nm (λ: 190~910 nm)를 사용하였다.
1(b)와 같은 진공조속의 hot wall 전기로와 기판으로 구성된 HWE 방법을 사용하였다. 전기로는 직경 0.4 mm 텅스텐선을 직경 35 mm 석영관에 감아 만들었으며, 전기로 둘레의 열차폐 원통은 열효율을 높이기 위해 석영관에 금을 증착하여 사용하였다. 증발원은 합성된 MgGa2Se4 다결정의 분말을 사용하였고, 반절연성 GaAs(100)을 기판으로 사용하였다.
4 mm 텅스텐선을 직경 35 mm 석영관에 감아 만들었으며, 전기로 둘레의 열차폐 원통은 열효율을 높이기 위해 석영관에 금을 증착하여 사용하였다. 증발원은 합성된 MgGa2Se4 다결정의 분말을 사용하였고, 반절연성 GaAs(100)을 기판으로 사용하였다. 단결정 박막은 H2SO4 : H2O2 : H2O를 5 : 1 : 1로 chemical etching한 반절연성 GaAs(100) 기판과 증발원을 HWE 장치 속에 넣고 내부의 진공도를 10−6 torr로 배기시킨 후 0.
이론/모형
MgGa2Se4 단결정 박막 박막을 HWE 방법으로 성장시켰다. X-선 회절 측정 결과, MgGa2Se4 박막은 (116) 면으로 성장된 단결정 박막임을 알 수 있었다.
단결정 박막의 결정성은 이중 결정 x-선 회절곡선의 반폭치와 X-선 회절무늬의 ω-2θ로부터 구하여 최적 성장 조건을 구하였다. Van der Pauw 방법으로 Hall 효과를 측정하여, 온도에 의존하는 운반자 농도와 이동도를 구하였다. 또한 광흡수 스펙트럼으로부터 광학적 에너지갭을 구하여 광전기적 소자로의 가능성을 알아보았다.
다결정을 합성하였다. 합성된다결정을 이용하여 HWE 방법으로 반절연성 GaAs(100) 기판 위에 MgGa2Se4 단결정 박막을 성장시켰다. 단결정 박막의 결정성은 이중 결정 x-선 회절곡선의 반폭치와 X-선 회절무늬의 ω-2θ로부터 구하여 최적 성장 조건을 구하였다.
성능/효과
8 meV였다. 광흡수 spectra로부터 구한 에너지 갭 Eg(T)는 Varshni equation의 Eg(T) = Eg(2.34) − ((8.81 × 10−4 )T2)/(T + 251)을 잘 만족함을 알 수 있었다. Eg(T)는 가전자대 갈라짐에 의한 가전자대의 Γ4(z) 준위와 전도대 Γ1(s) 사이의 에너지 간격임을 알았다.
다결정 및 단결정 박막의 starting element의 조성비와 결정의 조성비들이 ± 1 % 오차 범위에서 일치되고 있어 화학 양론적 조성비가 잘 이루어졌음을 알 수 있었다.
3(a)의 MgGa2Se4단결정 박막의 이중결정 X-선 회절곡선(DCRC)의 반폭 치(FWHM)를 측정한 결과, 기판의 온도가 380℃일 때 264 arcsec, 400℃일 때 212 arcsec, 420℃일 때 229 arcsec 였다. 단결정박막은 증발원의 온도가 610℃, 기판의 온도가 400℃일 때 최적 성장조건임을 알 수 있었다. 이와 같은 최적 조건에서 5시간 30분 성장된 MgGa2Se4단결정박막의 두께는 α-step profilometer로 측정한 결과 2.
8 meV였다. 또한 Hall 효과 측정값으로 부터 Hall 계수들이 음의 값이어서 MgGa2Se4 단결정 박막은 self activated(SA)에 기인하는 n형 반도체임을 알 수 있었다.
또한, Fig. 3(b)에서 보는 것처럼 MgGa2Se4(116)면 이외의 다른 회절 peak가 보이지 않아 성장된 박막은 단결정 박막의 형태로 성장되었음을 알 수 있었고, MgGa2Se4(116)면의 2θ 위치는 MgGa2Se4의 rhombohedral 구조를 갖는 면간 거리 46.15와 일치하는 곳에서 나타난 것으로 보아 단결정 박막은 rhombohedral 구조로 성장되었음을 알 수 있었다.
이와 같은 최적 조건에서 5시간 30분 성장된 MgGa2Se4단결정박막의 두께는 α-step profilometer로 측정한 결과 2.8 µm로 성장되었음을 알았다.
X-선 회절 측정 결과, MgGa2Se4 박막은 (116) 면으로 성장된 단결정 박막임을 알 수 있었다. 최적 조건은 기판의 온도가 400℃, 증발원의 온도가 610℃일때 이었고, 이때 이중 결정 X선 요동곡선(DCRC)의 반치폭(FWHM) 값이 212 arcsec로 가장 작아 최적 성장 조건임을 알 수 있었다. 상온에서 Hall 효과를 측정한결과 운반자 농도와 이동도는 각각 6.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결정 성장 방법은?
20 eV인 직접 천이형 반도체[1-3]이어서 태양전지[4], 광전 메모리 소자[5], 광전도 소자[6], LED[7] 등에 응용성이 기대되고 있어 양질의 결정성장과 물성연구가 활발히 진행되고 있다. 성장 방법들은 Bridgman-Stockbarger Technique[1], Zone Levelling[2], Iodine Vapour Transport[4], Liquid Encapsulated Czochralski(LEC)법[5], 진공 증착법[6], e-Beam 증착법[7], Hot Wall Epitaxy(HWE)[8] 등이 있다. HWE 방법은 증발원을 직접 가열하여 기체상태로 기판에 도달하고 응집되어 막이 성장되도록하는 방법인데 열역학적 평형 상태에 가까운 조건하에서 결정을 성장시키므로 양질의 박막을 만들 수 있고, 시료의 손실을 줄일 수 있으므로 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다[9].
HWE 방법이란?
성장 방법들은 Bridgman-Stockbarger Technique[1], Zone Levelling[2], Iodine Vapour Transport[4], Liquid Encapsulated Czochralski(LEC)법[5], 진공 증착법[6], e-Beam 증착법[7], Hot Wall Epitaxy(HWE)[8] 등이 있다. HWE 방법은 증발원을 직접 가열하여 기체상태로 기판에 도달하고 응집되어 막이 성장되도록하는 방법인데 열역학적 평형 상태에 가까운 조건하에서 결정을 성장시키므로 양질의 박막을 만들 수 있고, 시료의 손실을 줄일 수 있으므로 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다[9].
Hot Wall Epitaxy 방법의 장점은?
성장 방법들은 Bridgman-Stockbarger Technique[1], Zone Levelling[2], Iodine Vapour Transport[4], Liquid Encapsulated Czochralski(LEC)법[5], 진공 증착법[6], e-Beam 증착법[7], Hot Wall Epitaxy(HWE)[8] 등이 있다. HWE 방법은 증발원을 직접 가열하여 기체상태로 기판에 도달하고 응집되어 막이 성장되도록하는 방법인데 열역학적 평형 상태에 가까운 조건하에서 결정을 성장시키므로 양질의 박막을 만들 수 있고, 시료의 손실을 줄일 수 있으므로 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다[9].
참고문헌 (13)
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