B_(10)H_(14) 이온 주입에 의한 ultra-shallow p^(+)-n junction의 형성 및 특성

전기영 연세대학교 대학원 2003 국내박사

Ultra-shallow p^(+)-n junction 을 decaborane(B_(10)H_(14) 이온 주입 방법으로 ) n type Si 기판에 제작하였다. 실험 조건은 이온 주입 에너지가 각각5 keV, 10keV, 15 keV 로 하였으며 이온 주입량은 1×10^(12)㎠ / , 1×10^(13)/㎠ 로 하였다. 이온 주입된 시료는 RTA(Rapid Thermal Annealing)에 의해 800℃, 900℃, 1000℃로 열처리하여 활성화 시켰다. SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry) 측정 결과 대부분의 시료에서 p^(+) 층이 40 nm 이하에서 형성됨을 알 수 있었다. I-V(전류 -전압 ) 특성 측정 및 Hall 측정 결과로부터 p^(+)-n junction 및 p^(+)층에서의 최소 누설 전류 밀도가 역방향 전압 -5V에서 약 10^(-6) A/㎠ 이었다. 또한 decaborane을 1×10^(13) /㎠으로 주입한 경우 hole dose의 최대 값은 8.1×10^(13) /㎠ 이었다. RBS채널링 측정결과 decaborane이온 주입에 따른 Si표면의 결함은 이온 주입 에너지 증가에 비례하고 annealing 온도에 반비례 함을 알 수 있었다. Ultra-shallow p^(+)-n junctions were fabricated by decaborane (B_(10)H_(14)) ion implantation into n-Si(100) substrates. The implantation energies of 5keV, 10keV and 15keV were used with the doses of 1×10^(12)/㎠ and 1×10^(13)/㎠. The implanted samples were then subject to activation-annealing at 800℃ , 900℃ and 1000℃ for 10s. According to the results of secondary ion mass spectrometry (SIMS), the p^(+) layer thinner than 40 nm formed in most of the samples. The p^(+)-n junctions and p^(+) layers, resulting from current-voltage (I-V) and Hall measurements, exhibited that the minimum leakage current density at -5 V was 10^(-6)A/㎠, and that the maximum activated carrier dose of p^(+) layers was 8.1×10^(13) /㎠ when the decaborane of 1×10^(13) /㎠ was implanted.

Neutral cluster beam 증착법으로 제작된 유기발광다이오드(OLED)의 특성 연구

정동섭 연세대학교 대학원 2003 국내석사

급속히 발전하는 현대사회에서 다양하고 많은 정보를 접하는 수단으로서 디스플레이에 대한 관심과 중요성은 점점 커지고 있다. 다양한 종류와 형태의 디스플레이 중에서 LCD(Liquid crystal display)로 대표되는 FPD(Flat panel display)는 뛰어난 성능과 편의성 때문에 그 수요와 활용도가 급격히 증가하고 있다. 이러한 FPD 중에서 최근 가장 많은 관심과 활발한 연구가 이루어지고, 현재 소형 모바일 디스플레이 형태로 양산단계에 있는 것이 OLED(Organic light emitting diode)이다. OLED 제작 공정에서 일반적으로 사용되는 Thermal Deposition 방법은 열에너지에 해당하는 운동에너지에 의해 증착이 이루어지므로, 증착시 에너지가 미약하여 증착막의 quality가 저하된다. 따라서 증착된 유기박막의 특성 개선을 위한 에너지가 필요하다. 본 연구에서 사용된 OLED의 기본구조는 Glass/ITO/TPD/Alq3/Al의 순서로 적층된 Passive matrix 형태이다. ITO Glass를 etchant를 이용해 line형태로 patterning 한 후 TPD와 Alq3를 각각 고진공(1×10-6 Torr)에서 Evaporator를 사용해 차례로 증착하였다. 이 때 사용된 증착방법은 일반적인 Thermal deposition과 새로 도입된 Neutral cluster beam deposition이다. 마지막으로 shadow mask를 사용하여 Al 전극을 증착하여 완성된 형태의 OLED 소자를 제작하였다. 증착된Alq3 박막의 두께를 300, 400, 500Å으로 변화시키면서 증착방법에 따른 OLED 소자의 특성을 비교하였다. 증착된 유기박막의 AFM(Atomic force microscopy) 측정을 통해 증착방법에 따른 박막의 morphology를 분석하고, 전류-전압(I-V)특성과 휘도-전압(L-V)특성을 측정하여 소자의 작동전압과 효율을 비교하였다. 특정휘도(500 cd/m2)에서 소자의 수명을 측정하여 보다 안정적인 성능을 갖는 소자를 제시하였다. Alq3 박막의 두께가 300, 400Å의 경우 증착방법에 따른 OLED 특성의 차이가 별로 없음을 전류-전압 특성과 휘도-전압 특성 그래프를 통해 알 수 있었다. 하지만, 500Å의 경우 Neutral cluster beam deposition 방법에 의해 제작된 소자가 Thermal deposition 방법에 의해 제작된 소자보다 훨씬 좋은 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 Neutral cluster beam deposition에 의해 제작된 소자의 Life time이 일반적인 Thermal deposition에 의해 제작된 소자보다 더 길다는 것을 알 수 있었다. AFM을 통한 Alq3 표면의 roughness는 Alq3 박막의 두께가 300Å인 경우 크게 차이가 없었고, 500Å의 경우는 전자가 후자보다 더 좋아진 것을 측정하였다. 따라서, Neutral cluster beam deposition 방법에 의한 Alq3 박막의 표면 morphology의 개선과 같은 Al과 Alq3 사이의 계면의 특성 향상으로 인해 이러한 OLED 소자의 성능과 수명이 증가할 것으로 기대된다. The concern and importance related with the display as the interface which contacts the various information in the rapidly developing modern society is more and more increasing. The demand and application of the FPD(Flat panel display), which LCD(Liquid crystal display) among the manifold kinds and forms of displays represents, is fast rising. Recently, it is OLED(Organic light emitting diode) that is attracting most concern and widely researched. The thermal deposition method generally employed in the OLED fabrication process grows the thin film using the kinetic energy equal to the thermal energy. Since the deposition energy is weak, the deposited thin film has low quality. So it require the energy for the characteristic enhancement of the organic thin film. In this study, we used the fundamental OLED structure, Glass/ITO/TPD/Alq3/Al. This is the stacked passive matrix type. After we pattern the lines on the ITO glass using the etchant, we deposited sequentially TPD and Alq3 in the high vacuum(1×10-6 Torr) using the thermal evaporator. The conventional thermal deposition and the newly introduced NCBD(neutral cluster beam deposition) were used in the organic thin film deposition progress. It was followed by evaporating the Al electrode using the shadow mask. Finally, the OLED device was completed. The OLED device characteristics were compared by the deposition method, changing the thickness of Alq3 thin film(300, 400, 500Å). The AFM(Atomic force microscopy) measurement of the organic thin films was accomplished to analyze its surface morphology according to the deposition method. Then the L-I-V(Luminance-current-voltage) measurement was made to compare the electrical performance such as the operating voltage and the efficiency of the devices. In addition, we measured the OLED life time at the constant luminance(500 cd/m2) and showed the more stable device. In the case of the Alq3 thickness 300, 400Å, we found there were hardly any differences in the electric characteristics related with the deposition method by the L-I-V measurement result graph. But in the Alq3 thickness of 500Å, the OLED device fabricated by the NCBD method showed the better performance than that prepared by the thermal deposition method. Also, the life time of the former was longer than that of the latter. The Alq3 thin film surface roughness measured by the AFM was scarcely different in the 300Å of Alq3 thin film. In the 500Å of Alq3 thin film, the NCBD method showed the smoother surface than the thermal deposition method. Therefore, the characteristic improvement of the interface between Al and Alq3 such as the enhancement of the Alq3 surface morphology and thin film quality by the NCBD method would be expected to cause the performance and the life time of the OLED device to increase.

통신용 반도체 광소자 제작에 관한 연구

김성복 연세대학교 2005 국내박사

반도체 광통신 소자에 대하여 반도체 박막 성장으로부터 다양한 소자의 제작, 특성 조사 및 평가를 하였다. 본 논문은 크게 3부분으로 나누어 제 3 장에서는 광 가입자망에 활용될 저가형 모드 크기 변환기가 집적된 레이저 다이오드 (spot-size converter integrated laser diode: SSC-LD) 제작 및 특성에 대하여 논하였으며, 제 4 장에서는 WDM 시스템에서 사용될 다채널 레이저 어레이에 대하여 논하였다. 마지막으로 제 5 장에서는 광집적 회로 구현을 위한 butt-joint 결합 및 선택성장에 대하여 논하였다. 소자에 사용한 InGaAsPInP 계열의 반도체 박막은 저압 metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) 법으로 성장하였으며 활성층으로 0.8 %의 compressive 스트레인을 가지는 6개의 InGaAsP 다중양자우물을 사용하였다. 1.55-μm SSC-LD를 일반적인 매립형 이종 구조(buried heterostructure: BH) 형태의 단순한 레이저 공정으로 제작하였다. 새롭게 고안된 SSC-LD는 BH에서 능동 도파로와 ridge 형태의 수동 도파로를 가지는 이중 도파로 구조로 구성되어 능동 도파로에 구속된 빛은 수평 taper 영역을 거치며 수동 도파로로 이동하며 모드 크기가 커지도록 설계되었다. 제작된 소자의 문턱전류는 5 mA 정도이고 slope efficiency는 0.45 WA로 우수한 특성을 가진다. 또한 빔의 방사각(far-field pattern: FFP)은 수평과 수직으로 각각 9.0o와 7.8o의 매우 작은 값을 가진다. 단일모드 광섬유와 결합 손실은 2.7 dB이며 -1 dB 정렬 허용치는 ±2.0 μm이다. SSC-DFB-LD의 경우 side-mode suppression ratio (SMSR)가 44 dB의 우수한 단일 모드 특성을 보인다. 이러한 단순한 공정을 통하여 우수한 특성을 가지는 SSC-LD의 제작은 광가입자 망에서 사용되는 저가용 광원으로 쓰일 수 있다.비대칭 sampled grating (ASG) laser를 가지는 다 채널 레이저 어레이 구조를 새롭게 제안하였다. 400-GHz 간격의 4-채널 레이저 어레이는 -1차 반사 파장에서 발진 할 수 있도록 설계하였다. 제작된 레이저 어레이의 각 채널 문턱 전류는 9 ~ 13 mA이고 slope efficiency는 대략 0.21 WA 이다. 평균 광 출력은 대략 11 mW이고 80 mA의 전류를 인가한 상태에서 채널당 광 출력의 차이는 0.8 dB 정도로 균일하였다. 모든 채널 간격은 400 GHz로 설계한 간격인 3.2 nm에서 0.2 nm 이내의 범위에서 잘 일치한다. 모든 채널에서 SMSR 값이 44 dB 이상으로 단일 모드 특성이 우수하다. 3-dB 변조폭은 주입되는 전류의 양에 따라 1.6 ~ 4.4 GHz 변하므로 1.25 및 2.5 Gbits의 직접 변조에 이용할 수 있다. ASG 레이저 어레이는 butt-joint 결합으로 성장된 Y-branch 수동 도파로를 이용하여 단일 집적화 하였다. 집적된 소자의 특성은 slope efficiency를 제외하고는 우수한 특성을 보인다. slope efficiency의 감소는 Y-branch의 불완전성에 기인된다고 여겨진다. WDM 시스템의 저가용 back-up용 광원으로 사용하기 위하여 소자의 온도를 변화시키며 4채널 레이저 어레이의 파장 선택성을 측정하였다. 10 oC 에서 40 oC로 온도를 변화시킴에 따라 각각의 채널에서 50 GHz (0.4 nm) 간격의 ITU-grid 8채널씩 모두 32채널을 찾을 수 있었다. 제작된 레이저 어레이의 각 채널마다 독립적이고 정교한 파장 조절을 위하여 마이크로 히터를 제작하였다. 마이크로 히터의 효율은 3.3 nmW 이며 열적 crosstalk는 1.1 nmW임을 확인하였다. 반도체 광소자의 궁극적으로 나아갈 방향인 광집적 회로 구현을 위한 연구를 butt-joint 결합 및 선택성장 기법을 통하여 연구하였다. Butt 계면은 tilt 각도가 15o 이하에서 우수한 결합을 얻었으며, butt 계면에서의 반사가 입사면에서의 반사에 비하여 51.5 dB 작은 값을 얻었다. Butt-joint 결합은 건식 식각을 통한 결정면을 이용하여 650 oC에서 성장했을 때 최적의 성장 조건이 됨을 알 수 있었다. MOVPE에서의 InGaAsP 사원화합물의 선택성장을 실시하여 마이크로 photoluminescence (PL)로 분석하였다. 패턴에 따라 III족 조성이 크게 변화됨을 알 수 있었다. 그러나 V족의 농도 변화는 무시 할 정도임을 InAsP 선택 성장 실험을 통하여 얻었다. 이 결과는 V족의 gas phase diffusion의 차이는 무시 할 수 있음을 의미한다. 선택 성장의 에너지 띠간격 엔지니어링을 통하여 중심 파장이 레이저 영역에서 PL 파장이 1.55 μm, 변조기 영역에서 1.50 μm의 박막을 한꺼번에 성장하여 ridge 형태의 변조기가 집적된 레이저를 제작하였다. 제작된 소자는 50 mA에서 3 mW의 출력을 가지며 -4.0 V에서 소광비가 20 dB 이상의 우수한 변조 특성 결과를 얻었다. 또한 중심 파장이 1.45 μm 인 수동 도파로를 포함한 변조기가 집적된 레이저 어레이의 경우 선택 성장 기법 (selective area growth: SAG)으로 100 nm의 파장을 이동해야 한다. SAG의 에너지 띠 간격 엔지니어링을 통하여 중심 파장이 100 nm 이상 이동한 박막을 성장하여 변조기가 집적된 소자를 제작하였다. 소자의 특성은 광 출력이 미약한 것을 제외하고는 다른 특성은 우수하였다. 선택성장 조건을 최적화함으로 광 출력을 증대 시킬 수 있으리라 여겨진다. A 1.55-μm spot-size converter integrated laser diode (SSC-LD) is fabricated with conventional buried-heterostructure (BH) laser processes. The novel designed SSC-LD was constructed in a double waveguide structure: a laser active waveguide in a BH and a passive waveguide in a ridge shape. The passive waveguide was optically combined with a laterally tapered active waveguide to control mode size. InGaAsPInP epilayers were grown by low-pressure metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). The active layer contained compressively strained (0.8 %) six InGaAsP multiple quantum wells (MQWs). The threshold current was measured to be 5 mA together with high slope efficiency of 0.45 WA. The beam divergence angles in the horizontal and vertical directions were as small as 9.0o and 7.8o, respectively. When coupled to a single mode flat fiber, coupling loss and -1 dB align tolerance were 2.7 dB and ± 2.0 μm for both horizontal and vertical directions. The SSC-DFB-LD showed high side-mode suppression ratio (SMSR) over 44 dB. Simple fabrication procedure and high performance of device proves that it would be suitable for a low-cost light source for optical access network.The multiwavelength laser array (MLA) associated with asymmetric sampled grating (ASG) laser were newly proposed. An ASG combined with an index shifter was used to make a four-channel laser array with 400-GHz wavelength spacing. The laser was designed to operate at the first-order reflection of a sampled grating. The threshold currents were between 9 ~ 13 mA and slope efficiency was about 0.21 WA. The average output power was about 11 mW and the deviation of output power was merely 0.8 dB at the injection current of 80 mA. All the channel spacings were agreed to the desired value (3.2 nm) within less than 0.2 nm. The result show that both the lasing wavelength and channel spacing were well managed and accurately controlled as planned. All lasers revealed good SMSR of over 44 dB. The 3-dB modulation bandwidth was 1.6 ~ 4.4 GHz with different current levels. For fully monolithic integration, Y-branch was realized on passive waveguide that was formed butt-joint technique. The integrated device showed similar performance except low slope efficiency that was attributed to the integration loss of the Y-branch. The wavelength selectability of the 4-channel laser array was examined by controlling the temperature of the device. ASG lasers were tuned to 50-GHz spaced ITU grid with temperature variation from 10 oC to 40 oC. Each device covered its eight pre-assigned channels, so that all 32 channels, 12.8 nm wavelength range, were covered by the array. Micro-heater array integrated with a MLA for accurate control of the channel spacing. The laser wavelength was red shifted with the micro-heater and the tuning efficiency was 3.3 nmW. However, thermal crosstalk between neighboring channels was observed and it was measured to be 1.1 nmW.Photonic integrated circuit (PIC) was investigated by butt-joint coupling and selective area growth (SAG). Butt interface was good at below tilt angle of 15o. The reflection at butt interface was less 51.5 dB than that at input plane. The optimal growh conditin of butt coupling was at growth temperature of 650 oC with only dry etched interface. SAG of InGaAsP (λg = 1.24 μm) grown by MOVPE was investigated by micro-photoluminescence. Significant variations of the group-III element composition with increase of mask width and decrease of the opening width were observed. In contrast, concentration of group-V elements in InAsP layer does not show any significant change. For electro-absorption modulated laser (EML), the epilayer with center wavelengths of 1.55-μm and 1.50-μm was grown by the bandgap engineering of SAG, simultaneously. The epilayer for EML array with passive waveguide of λg = 1.45 μm was tuned about 100 nm by SAG technique. Though the degradation of epilayer quality was observed in laser region, the EML array showed high performance except output power.

급속 열처리를 이용한 V2O5상의형성 및 V2O5 소자 응용연구

윤민호 연세대학교 대학원 2005 국내석사

We report on the formation of V2O5 semiconductor thin films using rapid thermal annealing (RTA) on sputter-deposited amorphous VOX. DC magnetron sputtering was used to obtain an initial amorphous VOx film on p-Si substrate, followed by O2- and N2-RTA at two different temperatures of 400 and 500 oC for 3 min. According to X-ray diffraction results, O2-RTA is more effective to achieve the semiconducting phase, V2O5 than N2-RTA, which caused some electrically conducting phases such as V4O9 or V6O13 at 400oC. It is probably because O2 ambient easily supplies O atoms to VOx surface so that the oxide may become the most stable phase. We could postulate from a study of gas-surface interaction on vanadium oxide thin films that in the oxygen ambient the oxygen gas adsorptions on VOx could occur, so the formation of stable V2O5 could be achieved easily particularly at an elevated temperature. The surface microstructure of our VOx film clearly evolves to large-grained structure with the RTA temperature and the resulting rms roughness increases, showing 0.3, 1.2, and 1.5 nm for the cases of as-deposited, 400oC-N2-RTA, and 500oC-N2-RTA, respectively. Our results also show that O2-RTA increases the roughness rather than N2-RTA. In particular, our VOx sample, prepared through 500oC-O2-RTA and proved to be V2O5, appeared to have the most rough surface (Rms roughness= 3.6 nm). With the semiconducting phase V2O5, the AuVOxp-Si always shows rectification while the rectification disappears with metallic vanadium oxide. It is not easy to understand why the Aumetallic VOxp-Si shows an ohmic-like I-V behavior but we presume that the metallic VOx phase may act as a channel through which injected carriers can tunnel between Au and p-Si. It is also interesting to note from the I-V curvesthat the AuVOxp-Si prepared using 500oC-O2-RTA shows higher leakage current than the other two rectifying diodes in spite of the fact that the VOx the most evidently changed to V2O5 according to its XRD result. We report on the formation of V2O5 semiconductor thin films using rapid thermal annealing (RTA) on sputter-deposited amorphous VOX. According to X-ray diffraction results, O2-RTA is more effective to achieve the semiconducting phase. Electrical characterization on Auvanadium oxidep-Si structure exhibited ohmic-like behavior when the thin film mainly contains those metallic phases while the structures were strongly rectifying once the film consists of the semiconducting phase. 본 논문은 산화바나듐 결정상중 안정적인 상으로 알려져 있는 V2O5 결정상을 사용하여 우선 기본적인 물성을 파악하고 다이오드와 같은 전자소자로서의 응용가능성을 알아보는 것에 목표가 있다. 박막의 증착을 위하여 상온에서 D.C magnetron sputter를 사용하였다. 증착조건에 따라 증착된 박막은 급속열처리가 시행되었다. 금속열처리 조건은 질소 및 산소 분위기에서 400oC ,500oC 였다. 이러한 조건에 따라 박막의 XRD,AFM 등의 구조분석, TLM 등의 전기적 특성 분석을 시행하였다. 이러한 기본적인 물성을 파악하고 다이오드로서의 응용을 위하여 shadow mask를 사용하여 Au 전극을 evaporator에서 증착하여 소자제작을 하였다. XRD 분석을 한 결과 질소분위기, 400oC 에서 V4O9 (~24.74o),V6O13 (~26.98 o)의 조성비를 갖는 금속성의 결정상이 형성되었다. 질소분위기, 500oC 이나 산소분위기 에서는 V2O5(~20.54o) 결정상의 형성이 유리함을 알 수 있었다. 질소보다는 산소분위기에서 V2O5 결정상의 형성이 산소의 추가적인 공급으로 인하여 박막 내에 가스의 흡착으로 인한 것으로 보인다. AFM분석결과 질소분위기보다는 산소분위기에서 더욱 큰 RMS 값을 관찰할 수 있었다. XRD 결과와 일치하는 경향성을 보인 것으로 grain size가 큰 결정질로 변하였음을 알 수 있다.- v - 다음으로 TLM방법을 Au전극을 사용하여 박막의 비저항 값을 측정을 시도 하였다. 열처리에 의하여 감소하는 경향을 나타내었고 이는 비정질에서 결정상으로 상변태가 진행하면서 비저항 값들이 감소하는 것으로 보여 진다. 하지만, 질소분위기, 400oC 에서 금속성들의 상들이 생성되었음을 의미하는 뚜렷한 경향성은 확인 할 수 없었다. 마지막으로 n-type 반도체 특성을 보인다고 보고되어있는 산화바나듐박막을 이용한 p-siVOxAu 다이오드로의 응용을 연구 하였다.질소분위기에서 열처리한 경우, 400oC 에서는 금속성의 산화바나듐 결정상이 생성된다고 미루어 볼 때 옴성의 전류-전압(I-V) 특성을 보인다고 여겨진다. 500oC 에서는 대부분 결정질이 V2O5 인 것으로 다이오드의 정류특성이 산화바나듐박막이 n-type 특성을 보이는 반도체로서의 특성에 기인하는 것으로 보인다. 마지막으로 산소분위기 400oC ,500oC에서 열처리한 경우인 경우 n-type 특성을 보이는 반도체로 알려져 있는 V2O5 결정상 이 생성되므로 다이오드의 정류특성이 산화바나듐박막의 특성에 기인하는 것으로 보인다. 산소분위기에서 열처리한 경우 유리한 다이오드 특성을 보이는 것으로 결론 낼 수 있다. V2O5 결정상을 사용하여 기본적인 물성을 파악하고 다이오드와 같은 전자소자로서의 응용가능성을 대한 연구는 급속열처리의 조건들 즉, 열처리 분위기와 온도에 크게 영향을 받고 산소분위기에서 급속 열처리된 박막의 특성이 최적의 다이오드 공정조건임을 결론내리 수 있다.

p-pentacene/n-Si 유기 광다이오드의 광전 효과 및 전기적 특성 연구

김성소 연세대학교 대학원 2003 국내석사

1960년 초 유기물질의 전도성이 처음 밝혀진 이래 최근까지 유기 반도체에 대한 연구가 계속되어져 오면서 그 응용분야로의 폭발적인 관심이 보여 지고 있다. 유기 반도체는 성형의 용이함, 경량성, 유연성, 저온 공정에 의한 저렴한 생산비, 높은 생산성 등의 장점으로 다가오는 무기물을 대체할 수 있는 새로운 물질로 각광받고 있으며 정보화 사회에서의 그 중요성이 급격히 증대되고 있는 실정이다. 그 중 pentacene은 정공이 주 운반자인 저분자 화합물로 유기물 반도체 중에서 가장 높은 이동도를 보인다고 알려져 있고, 따라서 유기박막 트랜지스터(OTFT)의 활성층으로 주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 pentacene 박막의 성질을 연구하였으며 이를 바탕으로 pentacene을 사용한 최적의 광다이오드를 만들기 위한 공정 조건을 연구하였다. 우선 pentacene 박막을 Si과 Glass위에 기판온도를 변화시키면서 증착한 후 XRD, (PL)Photoluminescence, Ellipsometry 실험을 통하여 온도에 따른 구조적 특성과 광학적 성질을 동시에 관찰하였다. XRD 실험 결과, 실온에서 증착한 박막의 결정성이 가장 좋았고 60oC와 80oC로 온도가 증가 할수록 결정성이 나빠지면서 defect가 증가함을 알 수 있었다. 특히 증착온도가 80oC인 경우 ‘thin film phase'와 'bulk triclinic phase'의 두 가지 상이 공존함을 알 수 있었다. Ellipsometry 와 Photoluminescence 실험으로부터는 박막 형태로 증착하였을 경우 pentacene의 HOMO-LUMO gap이 1.42eV이며 1.94eV, 2.11eV, 2.25eV의 상위 레벨들을 갖는 다는 것을 알 수 있었다. 또한 증착 온도가 증가 할수록 PL의 intensity가 감소하였는데 이는 결함(defect)으로 인한 비발광 재결합(non-radiative recombination)때문인 것으로 해석되며 XRD실험 결과와 일치함을 알 수 있었다. 위의 실험결과로부터 얻은 pentacene 박막의 성질을 이용하여 p-pentacene/n-Si 광다이오드를 실온, 60, 80oC에서 제작하여 I-V 특성을 분석하였다. n-Si 위에 pentacene 박막을 열적 증착법으로 증착하여 p-n 접합을 만든 후 각각 Au와 In을 이용하여 상부전극과 하부 전극을 형성 하였다. 이 중 80oC에서 제작된 광다이오드가 반응도(Responsivity)와 양자효율(Quantum efficiency)가 각각 0.25(A/W), 46.3(%)으로 가장 우수한 성능을 보여주었다. 이는 HOMO-LUMO gap내의 midgap 레벨이 증가하면서 외부의 광자에 대해 추가적인 전하를 만들기 때문인 것으로 해석된다. 또한 Au/n-Si Schottky 다이오드에서는 p-pentacene/n-Si 광다이오드에 비해 아주 작은 광전류가 측정되었는데, 이로써 p-pentacene/n-Si 광다이오드에서의 광전류는 Au/n-Si junction이 아닌 p-pentacene/n-Si junction에 기인한 것임을 알 수 있었다. 80oC의 온도에서 제작된 pentacene/n-Si 광다이오드의 경우 우수한 광기전 효과(Photovoltaic effect)를 보여주었는데, Jsc(Short Circuit Current Density)와 Voc(Open Circuit Voltage)가 각각 64.8mA/cm2 , 0.12V로 측정되었다. p-pentacene/n-Si 광다이오드의 동적 반응을 살펴보기 위하여 120Hz와 1.5MHz 두 가지의 주파수로 레이저를 pulsing하여 output signal을 오실로스코프를 통하여 관찰하였다. 120Hz인 경우에는 실온과 60oC에서 제작된 다이오드 모두 input signal과 거의 일치하는 output signal을 보여주었으나 input signal을 1.5MHz로 pulsing 하였을 때는 120Hz인 경우와는 달리 소자가 input signal에 잘 반응하지 못하였다. Pentacene 박막을 기판 온도를 증가시켜서 증착할 경우 HOMO-LUMO gap내의 midgap 레벨이 증가하므로, 광소자로 만들 경우 midgap 레벨에 의한 추가적인 전하의 생성으로 광전류를 증가시킬 수 있어서 효율적인 소자로서 응용이 가능하다고 판단된다. In this study, we have deposited pentacene films on n-Si by thermal evaporation at various temperatures and investigated their key optical properties. The XRD spectra of pentacene thin films showed the diffraction intensity to decrease with deposition temperature and the film deposited at 80oC. showed a separation of the diffraction peaks, suggesting the existence of two different phases of pentacene. The existence of two different phases are so called ‘thin film phase' and 'bulk triclinic phase'. The extinction coefficient k exhibited a main absorption peak at 1.82eV, which is assigned to the HOMO-LUMO gap of pentacene and the photoluminescence taken at room temperature showed a main peak of 1.7eV. Since the HOMO-LUMO gap of pentacene is 1.82eV, the stokes shift is about 0.12eV, which probably resulted from the interaction with phonons. Our combined data from the XRD, ellipsometry, and PL measurements suggest that the crystal quality of pentacene degrades and the density of midgap states in the pentacene films increase with the deposition temperature. From this result, we fabricated p-pentacene/n-Si organic photodiodes by thermal evaporation of pentacene films at 25(RT), 60 and 80oC., and investigate the photoelectric effects. I-V measurements of the diodes were performed with and without a red laser beam (670nm wavelength, 1.85eV) delivering a power density of about 360mW/cm2 onto the pentacene surface. Photocurrent was well observed from all the photodiodes that also showed strong rectifying behavior in the dark. Our photodiodes were so sensitive to the light that they exhibit a high photocurrent level even under zero bias. Relatively a good responsivity of 0.25 A/W and quantum efficiency of 46.3 % are obtained from the photodiode prepared at 80oC, together with an increased leakage current, compared the other diode prepared at RT. In our previous result we suggested the density of midgap states in the pentacene films increase with the deposition temperature. Those midgap defects not only cause the current leakage to increase at the p-pentacene/n-Si junction but also may have enhanced the photoresponsivity. Since the photocurrent level of p-pentacene/n-Si photodiode is much higher than that of Au/n-Si Schottky diode. We confirmed that the photoelectric effects occur almost exclusively within the pentacene layer. The dynamic photoresponse time was measured with a digital oscilloscope while the red diode laser illumination was pulsed by a function generator at frequencies of 120Hz and 1.5MHz. The photodiodes prepared at RT and 60oC showed excellent photoresponse under the low frequency (120Hz) pulsing. However under the high frequency(1.5MHz) Output-signal didn't respond well to input-pulse.

Aspects of iso-spin asymmetry in QCD

Kie Sang Jeong 연세대학교 일반대학원 2016 국내박사

Iso-spin asymmetry is universal feature in various type of nuclear matter: from the rare isotopes in low energy regime to the neutron star core in extremely dense circumstance, the representative properties of the matter can be understood via physical quantity such as the symmetry energy which accounts for iso-spin asymmetry. However,due to the lack of experimental information on the higher or lower density circumstance from the normal nuclear matter density, it is hard to derive the equation of state (EOS) from the verified dynamics in hadron phase. In this study, quantum chromodynamics (QCD) has been taken for the fundamental principle to calculate the representative physical quantities for understanding the iso-spin asymmetric nature of the nuclear matter. In hadron phase, the quasi-baryon states of the nucleon, Sigma and Lambda hyperon have been investigated via operator product expansion (OPE) based QCD spectral sum rules considering residual iso-spin asymmetry. Construction scheme of the interpolating fields for the baryons without derivatives have been reviewed to find the optimal choice in the parameter space of the interpolating fields that leads to a more stable sum rule analysis. The light quark flavored scalar diquark structure should be emphasized to obtain the stable and the experimentally well agreed sum rules for Lambda hyperon. The in-medium sum rules show good agreement with the experimental observation and the predictions for the density behavior show that the onset of the quasi-hyperon in the relatively low density is unlikely. In quark phase, the normal phase and the 2-color superconductivity (2SC) phase are considered within cold limit. For the normal phase, the thermodynamic potential is calculated up to the leading order of HDL perturbation, where the dominant contribution comes from the longitudinal gluon rest mass (Debye mass). HDL resummed gauge interaction reduces the quark matter symmetry energy, which means that the matter becomes easier to be iso-spin asymmetric. For the 2SC phase, the non-perturbative BCS paring has been considered within the high density effective field theory (HDET). As only the Meissner mass has iso-spin dependence, the reduction of the symmetry energy will be minimal. Therefore the symmetry energy will be significantly enhanced due to the locked quasi-Fermi sea effect from non-perturbative BCS pairing. According to the iso-spin distillation conjecture, the different scale of symmetry energy at each different phase will lead to different prediction for the particle yields such as iso-spin dependent charged pion ratio (pi-/pi+) in heavy ion collision experiment. These different trends may be identified in the future experiment planned in FAIR/NICA. Iso-spin 비대칭성은 핵물질에서 찾아볼 수 있는 일반적인 성질이다. 저 에너지 중이온 충돌로 생성할 수 있는 특이 방사성 동이원소로부터 고밀도 중성자별의 핵에 이르기까지 다양한 핵물질들의 고유한 성질이 iso-spin 비대칭성과 관련되어 있으며 핵 대칭에너지와 같은 물리량으로 설명될 수 있다. 하지만 지금까지는 정상상태 핵물질 보다 밀도가 높거나 낮은 영역에서의 실험이 불가능하여 핵물질 상태를 계산하는 강입자 상에서의 제일원리가 확립되지 못하였다. 이 연구에서는 고 에너지에서 점근적 자유상태를 통해 잘 확립된 양자색역학 (quantum chromodynamics, QCD) 을 여러 에너지 규모에서 유효하게 적용하여 핵물질을 설명하는 제일원리로 삼아 핵물질의iso-spin비대칭성을 연구하였다. 강입자 상에서는 연산자 곱 전개 (operator product expansion, OPE) 에 기반한 양자색역학 기준상태 합법칙 (QCD spectral sum rules) 을 사용하여 양성자, 중성자 및 기묘도가 포함된Sigma, Lambda유사 입자 상태를 핵물질 내부에서 계산하였다. 각자의 강입자 상태를 묘사하기 위한 간섭 장의 구조를 일반적인 관점에서 재검토하였으며 이에 따라 (i) 물리적으로 무의미한 임의의 섭동에 대해 안정적이고 (ii) 실험적 관측 결과를 잘 설명하는 새로운 구조가 제시되었다. Lambda 입자의 경우 scalar 쿼크-쌍 구조의 비율이 높을수록 상기한 목적에 더욱 부합하는 합법칙을 얻을 수 있었다. 합법칙으로 계산한 유사 입자상태 에너지와 핵 대칭에너지는 지금까지 알려진 실험결과를 잘 설명하였으며 이에 기반하여 현상론적으로 납득할 수 있는 예측을 동반하였다. 쿼크물질 상에서는 오직 점근적 자유도가 있는 양자색역학이 가정된 보통상태 (normal phase) 와 비섭동적 쿼크 짝에 따른 2색 전하에 대한 부분적 초전도 상태 (2-color superconductor phase) 가 고려되었다. 보통상태에서는 높은 규모의 집약적 물리량에 따른 게이지 보존 입자의 성질변화를 게이지 변환에서 불변하도록 재합산하여 (hard dense loop resummation, HDL resummation) 열역학적 포텐셜 에너지를 계산하고 이로부터 쿼크물질의 대칭에너지를 계산하였다. 정상상태에서 정의된 물리량 (static quantity) 에 대하여 길이방향 편극에 해당하는 게이지 보존 입자의 정지질량 (Debye mass) 이 가장 중요하게 기여하며, 쿼크물질 대칭에너지와 같은 물리량 또한 정상상태 포텐셜에서 계산된 양이므로 길이방향 편극의 영향을 크게 받는다. 계산된 결과에 따르면 QCD 상호작용은 대칭에너지를 줄이는 기여를 하며 이는iso-spin 비대칭적 상태의 핵물질이 상대적으로 쉽게 얻어질 수 있다는 것을 의미한다. 2색 초전도 상태에서는 비섭동적 쿼크 짝 효과가 고밀도 유효 장 이론 (high density effective theory, HDET) 과 함께 적용되었다. 이 경우 오직 횡 방향 편극에 해당하는 게이지 보존 입자의 정지질량만 iso-spin 비대칭성을 가진다. 상기한 바와 같이 정상상태 물리량에 대하여 길이방향 편극성분이 중요하게 기여하므로 이는 2색 초전도 상태 쿼크 물질 대칭에너지는 QCD 상호작용의 영향을 상대적으로 적게 받는다는 것을 의미한다. 따라서 2색 초전도 상태에서는 비섭동적 쿼크 짝에 따라 비대칭적인 상태가 될 수 있는 자유도가 줄어들며 이에 따라 대칭에너지가 급격히 증가하는 효과만 존재한다. 대칭 에너지의 규모 차이에 따른 iso-spin 증류 가설에 따르면 이와 같은 효과를 온도가 조절된 고밀도 중이온 충돌 실험에서 확인할 수 있다. 극저온에서 2색 초전도상이 나타날 것이므로 단순한 저온 실험과 극저온 실험은 각기 다른 iso-spin 밀도를 가지게 되고 이에 따라 증류효과가 달라져 최종적으로 확인되는 iso-spin 비대칭성을 가지는 pion 등의 중간자 생성 비율이 달라질 것이다. 관련 실험은 곧 완성될FAIR 혹은 NICA 등의 시설에서 시도될 수 있다.

나노 형광체 β-Ga_(2)O_(3):Eu^(3+) 발광특성 연구

김호언 연세대학교 대학원 2003 국내석사

새로운 합성방법이 생기면서 나노크기를 가지는 입자(particles), 필름, 화합물 등의 제조가 가능해졌다. 이렇게 제조된 나노크기 모체물질(host materials)들은 형광특성과 활성제의 효과 같은 물리적 성질들을 변화시킬 수 있다. 표시장치와 미래 통신장치의 기술적인 분야에서 이러한 나노물질의 발광특성 연구는 매우 중요하다. 본 연구는 나노크기 형광체 β-Ga2O3:Eu3+와 마이크로미터 크기 형광체 β-Ga2O3:Eu3+를 졸-겔법과 고상반응법을 통해 각각 합성하여 입자의 크기에 따른 발광특성을 연구하고자 한다. SEM과 XRD 측정결과 졸-겔법으로 합성한 형광체의 경우 입자의 크기가 80∼100nm정도 이었으며, 고상반응법으로 합성한 형광체의 경우 입자크기는 2μm로 확인 되었다. PL측정 결과 입자의 크기가 작은 경우 밝기의 세기가 더 큰 것으로 나타났는데, 이는 입자의 크기가 작아 질수록 단위 면적당 입자의 수가 증가하기 때문이다. 나노크기의 형광체의 경우 마이크로미터크기의 형광체와 비교하였을 때 밝기포화농도에 대한 활성제의 첨가 농도가 증가하는 현상을 보이며, 이는 입자크기가 작아져 입자의 경계가 resonant energy transfer를 방해하기 때문이다. 또한, 나노형광체의 경우 더 좋은 색순도를 얻을 수 있었다. 용액의 초기 pH를 3∼11로 변화시켜가며 졸-겔법으로 형광체를 합성한 경우 용액의 초기 pH가 산성에 가까울수록 더 좋은 발광특성을 보이는데, 이는 pH가 산성에 가까워지면서 입자표면의 결함(defect)인 OH기가 감소하기 때문이다. 이러한 OH기가 입자사이에서 다리역할을 하여 OH기가 감소하는 경우 입자의 크기 또한 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 이상의 결과로부터 졸-겔법에 의해 나노형광체를 합성시 초기 pH가 발광효율에 중요한 변수로 작용한다는 것을 확인 할 수 있었으며, 나노형광체는 기존의 PDP형광체의 발광효율을 높여 주는 형광체가 될 것이다. Nanosized β-Ga2O3:Eu3+ and bulk β-Ga2O3:Eu3+ phosphors were synthesized through sol-gel method with pH of 13 and solid state reaction techniques, respectively. Comparison with nanosized β-Ga2O3:Eu3+ and bulk β-Ga2O3:Eu3+ shows that higher concentration quenching along with higher luminescent intensity is achieved in nanosized β-Ga2O3:Eu3+. Also Oh site-related emission, i.e., longer wavelength side of all f-f transitions, is dominant process in nanosized β-Ga2O3:Eu3+. The higher concentration quenching behavior can be explained by surface hinderance of resonant energy transfer. The Oh site's emission enhancement can be understood in terms of the different crystallization process which is quite different from solid state reaction process. The Oh site's emission enhancement causes to increase the color purity. In sequence, the nano-sized β-Ga2O3:Eu3+ were synthesized varying initial pH from 3 to 13. The emission intensity of β-Ga2O3:Eu3+ increased as pH of precursors decreased. This is attributed to reducing defects of OH ligand on surfaces. Also, the particle size of β-Ga2O3:Eu3+ decreases with decreasing pH. This reason is that chain effect between β-Ga2O3:Eu3+ particles and OH ligands on their surfaces dominates with decreasing pH. In summary, the nano-sized β-Ga2O3:Eu3+ obtained through sol-gel method provides the innovative way for engineering luminescent materials.

Band gap engineering of Al_(1-x)In_xN(0≤x≤1) thin film using reactive RF magnetron sputtering

이진우 연세대학교 2000 국내석사

n-ZnO/p-Si 광소자의 동적 및 정적 광반응에 관한 연구

최윤성 연세대학교 대학원 2002 국내석사

N-ZnO/p-Si 광소자의 광반응 거동에 관해 연구하였다. rf 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 Ar:O_(2)의 가스 조성비, 기판온도의 증착 공정변수가 ZnO 박막의 전기적 특성 등에 미치는 영향을 연구하고 그에 따른 ZnO/Si 광소자의 광전 효율과 의 연계성을 분석하였다. Si-photodetector에 대한 photon-window로서, 그리고 p-n 접합에서 공핍 지역을 유발하는 층으로서 n-ZnO를 이용하여 광소자의 효율을 최대화 할 수 있는 공정 조건을 잡는데 그 목표를 두었다. I-V 측정 결과, 고온(550℃)의 기판온도와 O2 압력이 높은 조건에서 ZnO가 p-Si기판 위에 증착된 경우는 역방향 전압을 인가할 때 암전류는 큰 반면 광전류 생성이 두드러지지 못하였다. 이는 ZnO/Si 계면에 형성된 defective silicon oxide layer에 의한 것으로 사료된다. 증착 온도와 O_(2) 압력이 높아짐에 따라 더 두껍게 형성되는 이 층은 누설전류의 공급원이 될 뿐만 아니라 광전류형성에 있어 blocking layer 역할도 하는 것으로 사료된다. 300℃의 기판 온도에서 증착된 ZnO막의 경우는 비저항이 매우 큰 것으로 밝혀졌다. 따라서 p-Si의 공핍영역에서 입사된 빛에 의해 생성된 전자가 ZnO의 높은 비저항값 때문에 광전류로 효율적으로 변환되지 못하게 됨을 알 수 있다. 480℃의 기판 온도와 Ar:O_(2)=6:1의 조건에서 제작된 광소자에서는 뚜렷하게 광전류가 유발되게 된다. 이때 최소 반응도와 광자효율은 각각 0.288A/W와 53.3%였다. 이 결과는 빛이 n-ZnO층으로 투과할 때, 특별히 이종접합 계면 부근에서 p-Si과 n-ZnO의 공핍영역 (depletion area)에서의 빛으로 야기된 전자-정공 쌍 (electron-hole pair)의 생성의 결과라고 생각된다. 300℃에서 증착된 ZnO막과 500℃에서 증착된 막이 투과율에서 비슷한 결과를 보인 것으로 미루어 위의 이론은 더욱 설득력을 가지게 된다. 위와 같은 정적인 실험 외에도 입사빔에 주파수를 가하여 on-off시킴으로써 동적인 광반응에 대해서도 실험을 하였다. 120Hz의 주파수를 가지는 입사빔을 ZnO/Si 광소자에 가했을 때 모든 광소자가 정적인 광반응에서 보였던 결과들과 정확히 일치하는 결과를 보여주었다. 즉, 증착 온도와 O_(2) 압력이 증가함에 따라 그것들의 암전류가 증가하였다. 480℃의 기판 온도와 Ar:O_(2)=6:1의 조건에서 증착된 광소자에서 최대의 광전류를 관찰할 수 있었다. 광소자의 상승시간을 측정하기 위해 35nsec의 상승시간을 가지는 입사빔을 이용하여 실험하였다. 입사빔에 일치하는 광반응을 보이며 ZnO/Si 광소자 역시 35nsec정도의 상승시간을 보여주었다. 따라서 적절한 조건, 즉 480℃의 기판온도와 Ar:O_(2)=6:1,에서 제작된 n-ZnO/p-Si광소자는 효율적인 광소자로 쓰일 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여주었다. We report on the photo-response behavior of n-ZnO/p-Si photodiodes. Semiconducting n-ZnO films have been deposited on p-Si substrate by sputtering at the temperatures of 300, 400, and 550℃ at working pressures of 10 mTorr. The ratio of Ar to O_(2) flow was changed to 2:1, 4:1, and 6:1. A substrate holder was placed 10cm away from the target. Current-voltage measurements were performed on n-ZnO/p-Si diode with or without a red laser beam delivering 22 mW/㎠ power density onto the ZnO surface at a dark room. All the diodes show strong rectifying behaviors as characterized by the current-voltage (I-V) measurements in a dark room. Under reverse bias conditions photoelectric effects (significant amount of current gain) have been exhibited under an illumination using a monochromatic red light with a wavelength of 670 nm. The optimum static photo-response was exhibited from the photodiode prepared at 480℃ with Ar:O_(2)=6:1. High photo-currents or responsivities are observed under reverse bias conditions when both the high conduction quality of ZnO film and relatively clean interface junction between n-ZnO and p-Si are obtained. This means that the responsivity or the amount of photo-current at the n-ZnO/p-Si diode is dependent on the electrical conductivity of the ZnO film and interface junction quality. The diode fabricated at 480℃ with Ar:O_(2)=6:1 showed maximum responsivity and quantum efficiency, 0.288A/W and 53%, respectively. Temporal photo-response of 35 nsec was obtained from the photodiode fabricated at 480℃ with Ar:O_(2)=6:1 to which a high frequency modulation of 1.5MHz was applied for the dynamic measurements. It is concluded that the n-ZnO/p-Si photodiode has good detecting capabilities in both of the dynamic and static photo-responses.

열 증발원을 이용한 인듐 주석 산화물 (ITO) 박막 제조 및 특성 연구

김창오 연세대학교 대학원 2008 국내석사