[논문]온도 변화에 따른 ZnO 박막에 대한 PL 연구

조재원

doi:10.4313/jkem.2013.26.2.83

온도 변화에 따른 ZnO 박막에 대한 PL 연구
PL Study on the ZnO Thin Film with Temperatures 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.2, 2013년, pp.83 - 86

Abstract ▼ AI-Helper

The optical properties of ZnO thin film have been studied using photoluminescence(PL) spectroscopy with the change of sample temperatures from 10 K to 290 K. The spectrum at 10 K showed the characteristic emission lines of ZnO which were as follows: free exciton(FX) at 3.369 eV, neutral donor-bound exciton($D^0X$) at 3.360 eV, two electron satellite(TES) at 3.332 eV, $D^0X$-1LO at 3.289 eV, and donor-acceptor pair(DAP) transiton at 3.217 eV. From the spectral evolution with temperatures, two features could be identified as temperature went higher: (1) the bound excitons changed gradually into free excitons, (2) DAP turned into free electron-acceptor transition(e,$A^0$). The PL intensity of free exciton increased with the increase of temperatures, which was accompanied by the decrease of the intensity of bound excitions and bound excition-related transitons such as TES and $D^0X$-1LO. At 80 K DAP transition disappeared, while (e,$A^0$) transition started to appear at 30 K.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

다음으로 온도 10 K에서의 스펙트럼 상의 3.289 eV 위치에 나타나는 피크에 대해 살펴보자. 이 피크와 D⁰X 피크 (3.
먼저 10 K 온도에서 광자 에너지 3.360 eV의 위치에서 나타나는 피크에 대해 살펴보자. 그 위치 (3.

제안 방법

ZnO 박막에 대한 PL 스펙트럼을 시료의 온도 변화와 함께 조사하였다. 광학적 특성을 반영하는 스펙트럼 상의 피크를 다수 확인하였으며 그 각각의 물리적 기원과 온도 변화에 따른 특징 또한 살펴보았다.
ZnO 박막에 대한 PL 스펙트럼을 시료의 온도 변화와 함께 조사하였다. 광학적 특성을 반영하는 스펙트럼 상의 피크를 다수 확인하였으며 그 각각의 물리적 기원과 온도 변화에 따른 특징 또한 살펴보았다. 낮은 온도에서는 중성 donor에 속박된 엑시톤이 지배적으로 ZnO 내에 형성되어지는 것으로 보이며 이 D⁰X와 관련된 TES 천이 그리고 D⁰X-1LO phonon replica 등이 함께 확인되었다.
마지막으로 시료 온도 변화에 따른 스펙트럼의 변화를 통해 ZnO의 PL 특성을 살펴보자. 이미 언급한 바와 같이 FX 천이로 인한 피크는 온도상승과 함께 그 존재가 뚜렷해짐이 그림 1에서 확인되어지고 있다.
본 연구에서는 사파이어 기판 위에 성장된 ZnO 박막을 사용하였다. 시료의 온도 (10 K-290 K)를 변화시키면서 PL 분석을 하였으며 이를 통해 ZnO 박막의 광학적 성질을 조사하였다.

대상 데이터

특히 낮은 온도에서의 PL 스펙트럼 분석은 열효과를 극소화시킴으로써 시료의 물리적 특성에 대한 보다 깊은 이해를 가능하게 한다. 본 연구에서는 사파이어 기판 위에 성장된 ZnO 박막을 사용하였다. 시료의 온도 (10 K-290 K)를 변화시키면서 PL 분석을 하였으며 이를 통해 ZnO 박막의 광학적 성질을 조사하였다.
이 실험에 사용한 시료는 c-평면 사파이어 위에 성장된 ～350 nm 두께의 ZnO 박막이다. 이 시료는 650℃에서 rf-magnetron sputtering 방법을 이용하여 Ar + O₂ 환경 속에서 성장되어졌다.

성능/효과

중성 donor-중성 acceptor pair(DAP) 천이 또한 볼 수 있었는데 이 DAP 천이는 시료의 온도 상승과 함께 (e,A⁰)천이로 변환되어짐을 관찰할 수 있었다. 그리고 자유 엑시톤이 시료의 온도가 상승하자 그 강도가 증가함을 확인할 수 있었는데 이것은 D⁰X 및 관련 피크의 감소와 함께 나타났다
이 시료는 650℃에서 rf-magnetron sputtering 방법을 이용하여 Ar + O₂ 환경 속에서 성장되어졌다. 보다 좋은 결정 구조를 위해 박막 성장 후 800℃에서 열적 처리를 하였는데 이같은 열적 처리는 원자 이동도를 증가시키므로 결과적으로 보다 좋은 결정의 박막을 얻을 수 있었다. ZnO 박막에 대한 PL 측정은 시료를 closed cycled cryostat 에 놓아둔 채 10 K에서 300 K까지 온도를 변화시키면서 이루어졌으며 excitation source로는 CW He-Cd 레이저 (λ= 325 nm)를 사용하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PL 연구는 무엇을 확인하기에 좋은 방법인가?	PL (photoluminescence) 연구는 결정의 질이나 물질 내 존재하는 불순물 등의 확인에 좋은 방법이다. 특히 낮은 온도에서의 PL 스펙트럼 분석은 열효과를 극소화시킴으로써 시료의 물리적 특성에 대한 보다 깊은 이해를 가능하게 한다.
	ZnO란?	ZnO는 상온에서 3.37eV의 direct bandgap 에너지를 가진 투명한 반도체로서 현재 널리 이용되어지고있는 GaN와 유사한 물리적 특성을 가지고 있다. 자유전자 밀도가 1021/cm3을 초과할 정도의 높은 n-type 도핑이 가능할 뿐만 아니라 [1], p-type 도핑도 가능하다는 것이 점차적으로 보고되어지고 있다[2,3].
	ZnO는 어떤 도핑이 가능한가?	37eV의 direct bandgap 에너지를 가진 투명한 반도체로서 현재 널리 이용되어지고있는 GaN와 유사한 물리적 특성을 가지고 있다. 자유전자 밀도가 1021/cm3을 초과할 정도의 높은 n-type 도핑이 가능할 뿐만 아니라 [1], p-type 도핑도 가능하다는 것이 점차적으로 보고되어지고 있다[2,3]. 양 방향으로의 도핑이 가능하다는 점과 더불어 넓은 bandgap 에너지는 투명한 전자 소자를 위한 물질뿐만 아니라 파란색에서 자외선 영역에 이르는 발광 소자로의 가능성을 극대화하고 있다 [4-7].

참고문헌 (18)

K. Ellmer, J. Phys., D33, R17 (2000).
D. C. Look, B. Clafin, Y. I. Alivor, and S. J. Park, Phys. Status Soldi., A201, 2203 (2004).
Y. R. Ryu, S. Zhu, D. C. Look, J. M. Wrobel, H. M. Jeong, and H. W. White, J. Cryst. Growth, 216, 330 (2000).

상세보기
Y. F. Chen, D. M. Bagnall, H. Koh, K. Park, K. Hiraga, Z. Zhu, and T. Yao, J. Appl. Phys., 84, 3912 (1998).

상세보기
W. Y. Liang and A. D. Yoffe, Phys. Rev. Lett., 20, 59 (1968).

상세보기
D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, C. W. Litton, G. Cantwell, and W . C. Harsch, Phy. Rev., B60, 2340 (1999).
D. P. Yu, Z. G. Bai, Y. Ding, Q. L. Hang, H. Z. Zhang, J. J. Wang, Y. H. Zou, W. Qian, G. C. Xiong, H. T. Zhou, and S. Q. Feng, Appl. Phys. Lett., 72, 3458 (1998).

상세보기
P. Zu, Z. K. Tang, G. K. L. Wong, M. Kawasaki, A. Ohtomo, H. Koinuma, and Y. Segawa, Solid State Commun., 103, 459 (1997).

상세보기
D. M. Bagnall, Y. F. Chen, M. Y. Shen, Z. Zhu, T. Goto, and T. Yao, J. Cryst. Growth, 184/185, 605 (1998).

상세보기
A. Kobayashi, O. F. Sankey, and J. D. Dow, Phys. Rev., B28, 946 (1983).
A. Teke, U. Ozgur, S. Dogan, X. Gu, and H. Morkoc, Phys. Rev., B70, 195207 (2004).
H. Alves, D. Pfisterer, A. Zeuner, T. Riemann, J. Christen, D. M. Hofmann, and B. K. Meyer, Opt. Mat., 23, 33 (2007).
L. Wang and N. C. Giles, J. Appl. Phys., 94, 973 (2003).

상세보기
K. Thonke, T. Gruber, N. Teofilov, R. Schonfelder, A. Waag, and R. Sauer, Physica, B308-310, 945 (2001).
Y. P. Varshni, Physica, 34, 149 (1967).

상세보기
J. I. Pankove, Optical Processes in Semiconductors, (Dover Publications, New York, 1971) p. 143.
B. K. Meyer, H. Alves, D. M. Hofmann, W. Kriegseis, D. Foster, F. Bertram, J. Christen, A. Hoffmann, M. Stasshurg, M. Dwurzak, U. Haboeck, and A. V. Rodina, Phys. Stat. Sol., B241, 231 (2004).
U. Ozgur, Y. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Dogan, V. Avrutin, S. J. Cho, and Morkoc, J. Appl. Phys., 98, 041301 (2005).

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증