펄스레이저 용발증착법에 의한 pn 접합 ZnSe 박막 형성과 그 형성 메커니즘 및 최적조건 규명 Investigations of mechanism and optimal condition for formation of pn junction ZnSe thin film by pulse laser ablation deposition원문보기
보고서 정보
주관연구기관
충남대학교 Chungnam National University
연구책임자
부봉현
보고서유형
최종보고서
발행국가
대한민국
언어
한국어
발행년월
2004-05
과제시작연도
2003
주관부처
과학기술부
사업 관리 기관
한국학술진흥재단 Korea Research Foundation
등록번호
TRKO200900070308
과제고유번호
1350017572
사업명
지역대학우수과학자지원
DB 구축일자
2013-04-18
키워드
펄스레이저 용발증착법.donor-to-acceptor 쌍 재결합, Kauffman 이온소스.p형과 n형 ZnSe 반도체 박막.광발광 분광법, 밀도 범함수이론.p-n 접합 LED.KrF 레이저, 전자-광 특성.Pulsed laser ablation and deposition.Recombination of donor-to-acceptor pair, Kauffman ion source.p- and n-type ZnSe thin films.Photoluminescence spectroscopy, Density functional theory.p-n junction LED.KrF laser, electrooptical property.
초록▼
펄스레이저 용발증착법과 이온빔 소스를 이용하여 질소와 염소가 도핑된 ZnSe 박막을 합성한다. 중간 적외선에서 근 자외선까지의 발광범위를 갖는 p-n junction LED를 구현하고 전자-광특성을 조사한다. 이 외에도 양자역학 계산을 통해서 박막에 관여하는 기체상 클러스터 ZnxSey (x=0-3, y=0-4)의 입체, 전자 및 진동구조를 규명하고 분광학적 및 열역학적인 성질을 규명한다 ZnSe에 각각 질소원자와 염소원자 등을 불순물로 첨가한 p형과 n형 반도체 박막 성장실험을 수행하였고 현재는 p-n 접합 LED의 전자-광
펄스레이저 용발증착법과 이온빔 소스를 이용하여 질소와 염소가 도핑된 ZnSe 박막을 합성한다. 중간 적외선에서 근 자외선까지의 발광범위를 갖는 p-n junction LED를 구현하고 전자-광특성을 조사한다. 이 외에도 양자역학 계산을 통해서 박막에 관여하는 기체상 클러스터 ZnxSey (x=0-3, y=0-4)의 입체, 전자 및 진동구조를 규명하고 분광학적 및 열역학적인 성질을 규명한다 ZnSe에 각각 질소원자와 염소원자 등을 불순물로 첨가한 p형과 n형 반도체 박막 성장실험을 수행하였고 현재는 p-n 접합 LED의 전자-광특성을 규명하고 있다. AFM, XRD, Raman, XPS 및 광발광을 측정하여 박막의 구조, 조성, 결합 및 결정성을 분석 하고 있다. Hall 방법과 capacitance-voltage profiling을 통해서 net carrier 농도를 분석하여 박막의 결정성과 도핑의 질을 평가한다. 또한 광발광 분광법을 이용하여 acceptor level에서 donor level로 전자가 전이한 후 일어나는 발광을 연구하여 acceptor와 donor의 전자준위와 농도를 규명할 예정이다. 레이저 용발시 기상에 존재하는 혹은 추정되는 그리고 박막 형성에 중추적 역할을 하는 화학종의 바닥 상태에서의 분자구조, 생성열 및 결합엔탈피 등의 양자화학적인 연구를 수행하여 박막형성과 관련된 메커니즘을 제시한다. 1. KrF 엑시머 레이저를 이용하여 질소 배경압력 하에서 GaAs(100) 기질 위에 ZnSe 박막을 성장시켰다. AFM 측정으로부터 $106{-1}$ torr 질소 배경압력 하에서 성장시킨 ZnSe 박막은 평평하고 조밀하였으며 평균 roughness가 1 - 2 nm 정도로 매끈한 표면을 가짐을 확인하였다. 질소 도핑농도는 $10^{21}/cm^3$ 이상임을 밝혀내었다. 2. Kauffman 이온소스에 의해 발생하는 질소 이온빔을 ZnSe 박막에 도핑하는 기술을 개발하였다. 이렇게 얻은 ZnSe:N 박막의 표면의 평평하고 조밀함을 알 수 있었다. 3. ZnSe:N 박막의 광발광 측정을 통해서 donor-to-acceptor (DAP) 쌍 재결합에 의한 강한 방출 방출 피이크를 발견하였다. 이 것은 N이 Se의 위치로 들어간다는 뜻이다. 우세한 DAP 선들의 존재하는 이유는 낮은 준위의 acceptor 와 donor 사이의 전이 때 문인 것으로 판단한다. 4. KrF 엑시머레이저를 이용하여 Cl 원자가 도핑된 ZnSe 박막을 GaAs(100)표면에 성장하였다. AFM을 이용하여 3.0x10-5 및 1.3x10-4 torr의 Cl2 배경압력 하에서 성장한 ZnSe:Cl 박막이 평평하고 조밀함을 알아내었고 roughness도 각각 7.4 및 49 nm로 비교적 작음을 규명하였다. 5. Raman 분광학을 이용하여 GaAs 표면에 흡착한 ZnSe의 진동구조하고 HF/6-31G(d)//B3LYP/6-31G(d)로 계산한 모사 Raman 분광스펙트럼과 비교하였다.Extended rhombo 구조의 모사 Raman 스펙트럼이 실험과 가장 잘 일치함을 알 수 있었고, 이로부터 ZnSe의 표면이 rhombo 형으로 구성되어 있다고 여겨진다. 6. XRD 측정으로부터 ZnSe 결정 배향이 GaAs의 그것과 일치함을 알 수 있었고 또 한 XRD 피이크의 퍼짐성으로부터 이 박막이 나노크기의 결정으로 구성되었음을 알 수 있었다.
Abstract▼
The aim of this project is to synthesize N- and Cl-doped ZnSe thin films by pulsed laser ablation deposition (PLAD) assisted by nitrogen and chlorine atom ion sources. Furthermore, we have investigated electrooptical property of p-n junction LED for the expectation that the wide band gap II-VI compo
The aim of this project is to synthesize N- and Cl-doped ZnSe thin films by pulsed laser ablation deposition (PLAD) assisted by nitrogen and chlorine atom ion sources. Furthermore, we have investigated electrooptical property of p-n junction LED for the expectation that the wide band gap II-VI compound semiconductors could be the basis for a variety of efficient light-emitting devices spanning the entire range of the mid infrared and near UV spectra. In addition, we will investigate geometric, and electronic and vibrational structures, and spectroscopic and thermodynamic properties of gas phase clusters by ab initio quantum mechanical calculation. We have synthesized N- and Cl-doped ZnSe thin film by pulsed laser ablation deposition (PLAD) and now investigate physical properties of a p-n junction LED. By means of AFM, XRD, Raman, XPS and photoluminescence spectroscopy, we can analyze surface morphologies, compositions, chemical bonds, crystallinity, and etc. of as-deposited thin films. By the Hall method and the capacitance-voltage profiling, we have measured net carrier concentration, which provides information on the crystal and doping qualities. A photoluminescence spectroscopic study provides information on the energy levels and concentrations of acceptors and donors. Besides these experimental studies, we will investigate geometric, electronic, and vibrational structures, and spectroscopic and thermodynamic properties of ground-state gas phase clusters responsible for the formation of the thin films by ab initio quantum mechanical calculations. 1. We have grown thin films of ZnSe on GaAs(100) by using a KrF excimer laser at nitrogen ambient pressure. An AFM measurement indicates that the thin films grown at $10^{-1}$ torr are flat and dense, and the roughness is 1 ∼ 2 nm. XPS indicates that the N doping concentration is over $10^{21}/cm^3$. 2. We have developed a technique by which we can incorporate N impurity in the ZnSe thin films. Here we can grow flat and dense ZnSe:N/GaAs(100) thin films. 3. It is shown in the photoluminescence study that the complete PL spectrum of the film is dominated by donor-to-acceptor (D-A) transitions. The appearance of the DA pair (DAP) emission reveals that the doped nitrogen atoms occupy the selenium lattice sites and are activated as shallow acceptors. The dominant DAP lines are caused by the transition between a shallow nitrogen acceptor and a shallow donor. 4. We have grown ZnSe:Cl thin films by using a KrF excimer laser. It is shown in AFM that the ZnSe:Cl thin films are flat and dense, the average roughnesses are 7.4 and 49 nm, at Cl2 ambient pressures of 3.0x10-5 and 1.3x10-4 torr, respectively. 5. We have elucidated vibrational structures of ZnSe/GaAs(100) by Raman spectroscopy, and then compared with simulated Ramam spectra, which were calculated with the HF/6-31G(d)//B3LYP/6-31G(d) method. A simulated Raman spectrum of an extended rhombo style Zn3Se4 is in excellent agreement with experiment. This indicates that extended rhombo structure could be a basic unit for the thin-film growth. 6. XRD indicates that the orientation of the crystal growth of ZnSe is similar to that of the GaAs substrate. The peak broadness indicates that the thin polycrystalline films are composed of nano size crystals.
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