김광희
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
,
최석철
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
,
이태훈
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
,
정진우
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
,
박승환
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
,
정미나
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
,
정명훈
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
,
양민
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
,
장지호
(한국해양대학교 반도체 물리전공)
Grating 이 형성된 SiO$_2$ 기판상에 ZnO박막을 graphoepitaxy 법으로 형성시킬 것을 제안하고 그 가능성을 고찰하였다. Si(100) 기판상에 노광작업(photolithograpy)을 이용하여 요철구조를 형성시킨 다음 자연산화를 시켜서 SiO$_2$ 기판을 제작하였고, 제작된 요철구조 위에 열증착 법으로 Zn 를 증착 시킨 후 이를 산화 시켜서 ZnO 박막을 형성 시켰다. 또한 열처리에 의한 결정성의 변화를 관찰하기 위하여 700 ${\sim}$ 900 $^{\circ}C$에서 열처리를 하였다. 제작된 시료는 Atomic Force Microscopy (AFM)로 표면을 관찰하였으며, Photoluminescence (PL) 을 이용하여 결정성의 변화를 관찰하였다.
Grating 이 형성된 SiO$_2$ 기판상에 ZnO 박막을 graphoepitaxy 법으로 형성시킬 것을 제안하고 그 가능성을 고찰하였다. Si(100) 기판상에 노광작업(photolithograpy)을 이용하여 요철구조를 형성시킨 다음 자연산화를 시켜서 SiO$_2$ 기판을 제작하였고, 제작된 요철구조 위에 열증착 법으로 Zn 를 증착 시킨 후 이를 산화 시켜서 ZnO 박막을 형성 시켰다. 또한 열처리에 의한 결정성의 변화를 관찰하기 위하여 700 ${\sim}$ 900 $^{\circ}C$에서 열처리를 하였다. 제작된 시료는 Atomic Force Microscopy (AFM)로 표면을 관찰하였으며, Photoluminescence (PL) 을 이용하여 결정성의 변화를 관찰하였다.
The feasibility of graphoepitaxial growth of compound semiconductors has been studied. Two kinds of substrates were prepared; one is smooth substrate, the other one is a periodic structured substrate. ZnO film was formed on both substrates by thermal evaporation of elemental Zn and natural oxidation...
The feasibility of graphoepitaxial growth of compound semiconductors has been studied. Two kinds of substrates were prepared; one is smooth substrate, the other one is a periodic structured substrate. ZnO film was formed on both substrates by thermal evaporation of elemental Zn and natural oxidation of the deposited Zn. Thermal treatment was performed to improve the crystal quality and to investigate the effect of the periodic structure. Atomic force microscopy (AFM) and photoluminescence (PL) were used to characterize the samples. As a result, the improvement of crystallinity as annealing temperature increase, has been observed from both samples. The samples, annealed at 800 $^{\circ}$C, show the best crystal quality in terms of PL linewidth. Also the sample grown on grating structure shows better crystal quality than the sample grown on flat substrate. It implies that the periodic structure affects the crystallinity of the films, and the graphoepitaxy of compound semiconductors is possible by using appropriate surface structure.
The feasibility of graphoepitaxial growth of compound semiconductors has been studied. Two kinds of substrates were prepared; one is smooth substrate, the other one is a periodic structured substrate. ZnO film was formed on both substrates by thermal evaporation of elemental Zn and natural oxidation of the deposited Zn. Thermal treatment was performed to improve the crystal quality and to investigate the effect of the periodic structure. Atomic force microscopy (AFM) and photoluminescence (PL) were used to characterize the samples. As a result, the improvement of crystallinity as annealing temperature increase, has been observed from both samples. The samples, annealed at 800 $^{\circ}$C, show the best crystal quality in terms of PL linewidth. Also the sample grown on grating structure shows better crystal quality than the sample grown on flat substrate. It implies that the periodic structure affects the crystallinity of the films, and the graphoepitaxy of compound semiconductors is possible by using appropriate surface structure.
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문제 정의
본 실험에서 열처리를 한 이유는 자연 산화된 ZnO의 경우 매우 작은 결정립을 갖는 다결정 상태로 분포할 것이므로, 이러한 결정립들이 열처리를 통한 재결정화 과정에서 어떻게 기판의 표면 구조 의 영향을 받는지 알아보기 위해서였다. 따라서 앞서 설명한 대로 평탄한 기판과 grating 구조를 갖는 기판상의 열처리 결과가 차이를 보이는 것은 기판상의 표면 구조가 결정립의 재결정화 과정에 중요한 역할을 하고 있음을 나타내는 결과라고 생각된다.
본 연구는 Graphoepitaxy 법을 이용한 화합물 반도체 박막 형성의 가능성을 조사하기 위하여, Si 기 판상에 주기적 요철구조를 제작하고, 그 위에 Zn 를 증착한 후, 이를 자연 산화시켜 ZnO 박막을 형성 시 키고 이를 열처리하여 결정성의 변화를 관찰하였 匸}. 먼저 AFM 사진으로 본 표면은 700 ~ 800 ℃ 의 범위에서 열처리를 할 경우 아일랜드 구조를 형성하는 것이 관찰되었다.
본 연구에서는 Graphoepitaxy 법을 이용한 ZnO 박막 성장의 가능성을 조사하였다. 주기적 구조가 형성된 Si 기판을 이용하여 비정질 기판을 제작하였고, 그 위에 Zn를 중 착하고 이를 자연 산화시켜 ZnO 박막을 형성시켰다.
제안 방법
실험에 사용한 Si(100) 기판은 실험에 앞서 유기 세 척 (아세톤5분, 메탄올 5분, DI Water) 을 한 후에 불산 처리를 하여 준비하였다. 그리고 PR (Photo resister) coating 및 photolithography 작업을 하고, KOH 용액으로로 30분 동안 et가ling 작업을 하여 요철 구조를 형성시켰다. 요철 구조가 형성된 기판 위에 열 증착법μ]으로 3000 A 두께의 Zn를 증착시켰다.
증착된 시료는 700 ~ 900t 에서 2시간 동안 H;Q분 위기에서 열처리를 해주었다. 그리고 제작된 시료 는 표면의 변화를 관찰하기 위해서 AFM (Atomic Force Microscpoe) 를 관찰하였고, 시료의 광학적 특성을 관찰하기 위해서 PL (Photoluminescence)를 이용하였다. PLe 저온에서 He-Cd (325 nm) 레 이저를 이용하여 측정하였고 광출력은 10 mW 에 서 측정하였다.
본 연구에서는 주기적 구조를 갖는SiO고 기판상에 열증 착 법을 이용해서 Zn 를 증착 시켜 ZnO를 박 막을 형성시켰다. ZnO는 3.
그리고 PR (Photo resister) coating 및 photolithography 작업을 하고, KOH 용액으로로 30분 동안 et가ling 작업을 하여 요철 구조를 형성시켰다. 요철 구조가 형성된 기판 위에 열 증착법μ]으로 3000 A 두께의 Zn를 증착시켰다. 증착된 시료는 700 ~ 900t 에서 2시간 동안 H;Q분 위기에서 열처리를 해주었다.
본 연구에서는 Graphoepitaxy 법을 이용한 ZnO 박막 성장의 가능성을 조사하였다. 주기적 구조가 형성된 Si 기판을 이용하여 비정질 기판을 제작하였고, 그 위에 Zn를 중 착하고 이를 자연 산화시켜 ZnO 박막을 형성시켰다. 또한 형성된 ZnO의 구조적, 광학적 특성을 여러 가지 방법을 통해서 고찰해보있다.
대상 데이터
그리고 제작된 시료 는 표면의 변화를 관찰하기 위해서 AFM (Atomic Force Microscpoe) 를 관찰하였고, 시료의 광학적 특성을 관찰하기 위해서 PL (Photoluminescence)를 이용하였다. PLe 저온에서 He-Cd (325 nm) 레 이저를 이용하여 측정하였고 광출력은 10 mW 에 서 측정하였다.
실험에 사용한 Si(100) 기판은 실험에 앞서 유기 세 척 (아세톤5분, 메탄올 5분, DI Water) 을 한 후에 불산 처리를 하여 준비하였다. 그리고 PR (Photo resister) coating 및 photolithography 작업을 하고, KOH 용액으로로 30분 동안 et가ling 작업을 하여 요철 구조를 형성시켰다.
성능/효과
여기서 평탄한 기판상에 제작된 ZnO 시료와 grating 구조를 이용하여 제작된 시료의 결정성을 광학적 특성을 통하여 비교하여 보면, 평탄한 기판상에 제작한 시료의 경우 800 t 에서 열처리한 시료의 반치폭이 8 meV 로 가장 작았으나, grating을 이용하여 제작한 시료의 경우 6 meV 로 평탄한 기 판상에 제작한 시료보다 작은 값을 보였다. 또한 발광 강도의 측면에서도 grating을 이용한 시료의 경 우평탄한 기판상에 제작한 시료의 약3배에 해당하는 발광 강도를 보여, 적절한 grating 구조의 선택과 열처리 등의 방법을 통해 화합물 반도체의 Graphoepitaxy 법에 의한 결정성장이 가능할 것이라는 결론을 얻을 수 있었다.
AFM 관찰 시 Grating 구조의 바닥을 기준으로 관찰하였다, 이 결과에서도 그 림1에서 같이 700 1, 800 t 에서 열처리한 시료에서 아일랜드 모양이 발견되었다. 또한 열처리 온도에 따른 표면 거칠기의 변화는 열처리하지 않은 경우 0.781 ran 어】서, 7001에서 열처리한 경우 24.32nm로 증가하였고, 800t에서 열처리한 후 30.6 더욱 증가하였다가, 900 I에서 열처리하였을 때 14.3 nm의 약간 감소하는 경향을 보여주었다.
이러한 아일랜드의 크기는 graphoepitaxy* 위한 주기적 표면 구조의 주기를 결정할 것으로 판단되었다. 또한 제작한 시료의 광 학적 특성을 비교한 PL 결과에서는 열처리 온도가 상승함에 따라 반치폭과 발광 강도가 증가하여 결 정성이 향상되는 것으로 판단되었다. 이러한 결과는 적절한 표면 구조의 설계 및 열처리에 의해서 Zn 증착이라는 간단한 방법으로도 비정질 기판상에 ZnO 박막을 형성시킬 수 있다는 점을 시사해주는 결과라 생각된다.
본 연구는 Graphoepitaxy 법을 이용한 화합물 반도체 박막 형성의 가능성을 조사하기 위하여, Si 기 판상에 주기적 요철구조를 제작하고, 그 위에 Zn 를 증착한 후, 이를 자연 산화시켜 ZnO 박막을 형성 시 키고 이를 열처리하여 결정성의 변화를 관찰하였 匸}. 먼저 AFM 사진으로 본 표면은 700 ~ 800 ℃ 의 범위에서 열처리를 할 경우 아일랜드 구조를 형성하는 것이 관찰되었다. 이러한 아일랜드의 크기는 graphoepitaxy* 위한 주기적 표면 구조의 주기를 결정할 것으로 판단되었다.
여기서 평탄한 기판상에 제작된 ZnO 시료와 grating 구조를 이용하여 제작된 시료의 결정성을 광학적 특성을 통하여 비교하여 보면, 평탄한 기판상에 제작한 시료의 경우 800 t 에서 열처리한 시료의 반치폭이 8 meV 로 가장 작았으나, grating을 이용하여 제작한 시료의 경우 6 meV 로 평탄한 기 판상에 제작한 시료보다 작은 값을 보였다. 또한 발광 강도의 측면에서도 grating을 이용한 시료의 경 우평탄한 기판상에 제작한 시료의 약3배에 해당하는 발광 강도를 보여, 적절한 grating 구조의 선택과 열처리 등의 방법을 통해 화합물 반도체의 Graphoepitaxy 법에 의한 결정성장이 가능할 것이라는 결론을 얻을 수 있었다.
결정성의 증가에 따른 비 발광성 재결합의 감소는 발광 강도의 증가의 형태로 나타날 것이 고, 결정성의 증가는 결정의 불균일성을 감소시키므로 발광 피크의 반치폭은 감소하게 된다. 하지만 본 실험의 경우에 증착된 Zn의 두께가 300 nm 정도로 얇고, 열처리 중 재증발 등의 영향을 고려하면 발광 강도 보다는 반치폭을 기준으로 결정성의 변화를 고찰하는 것이 가장 타당하다고 생각한다. 그림 3 에서 반치폭과 발광 강도의 변화를 살펴보면 800 ℃ 에서 열처리한 시료가 가장 양호한 결정성을 가지고 있음을 알 수 있다.
후속연구
Graphoepitaxy는 주기적인 구조 (본 연구에서는 Grating으로 지칭) 를 가지는 비정질 기판 위에 결정 성장을 시도하면 기판 표면에 조사된 물질이 결 정립을 형성하고 이 상태에서 형성된 결정립이 주 기적인 구조의 영향을 받아 일정한 방향성을 가지게 되는 원리를 이용하는 방법이다. 이 방법에 의한 결정성장이 구현 돤다면 기판의 제한이 없는 결정 성장이 가능하며, 따라서 대 구경 기판을 이용한 다양한 정보 통신용 소자들에 웅용이 가능할 것으로 기대된다.
900 P 에서의 결정성 감소의 원인은 그림 3 에서 설명한 것처럼 열처리 중의 재증발에 의한 박막 두께의 감소나 기 판과의 상호 확산에 의한 것으로 판단된다. 하지만 이 경우 피크의 발광 위치가 평탄한 기판과 약 30m eVV 정도의 비교적 큰 차이를 보이는 점은 증착 및 열처리 등을 동시에 진행한 시료임을 감안할 때 기 판의 grating 구조의 영향으로 판단되며 명확한 원인 설명을 위해서는 보다 상세한 분석이 필요하다고 판단된다.
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