테라헤르츠 응용을 위한 (In)GaAs 저온성장 및 특성 연구

박동우 전북대학교 대학원 2011 국내석사

In this paper, the undoped GaAs and and In_(0.53)Ga_(0.47)As: Be were respectively grown at relatively low temperature by a molecular beam epitaxy, for the terahertz (THz) application. And their structural, electrical, and optical properties were investigated by using high resolution X-ray diffractometer (HR-XRD), atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), hall effect measurement (HEM), and femto-second time-resolved pump-probe reflectance spectroscopy. The realization of the emitters and detectors in the THz frequency region requires short carrier lifetime around a few pico-seconds, high resistance, and high carrier mobility for the low-temperature grown (LTG) (In)GaAs epilayers. Therefore, the growth temperature, annealing process, Be-doping level and III-V ratio for the LTG-(In)GaAs were changed to obtain ultra fast carrier lifetime. The LTG-GaAs and LTG-InGaAs were growth on the semi-insulating (SI) GaAs (100) and InP (100) substrates, respectively. The growth temperature was changed from 150 to 300 °C, and Be-doping level was changed from 5x10^(17) to 3x10^(18) ㎤. The III-V ratio was also changed from 20 to 50. The variation in the HR-XRD spectrum, carrier concentration, and mobility of the LTG-(In)GaAs was observed by changing the ex-situ and in-situ annealing conditions. The effects of the type of arsenic source, saying, As₄ and As₂, on the LTG-(In)GaAs were also studied by changing the growth condition. The LTG-InGaAs grown at the growth temperature of 220 °C, the Be-doping level of 1x10^(18) ㎤, and the in-situ annealing at 550 °C for 10 minutes showed the carrier lifetime of 2.5 pico-seconds. The bowtie antenna with LTG-InGaAs was fabricated. And the time-domain photocurrent spectra were measured by using femto-second pulse laser excitation. The LTG-InGaAs at the growth temperature of 250 °C, the Be-doping level of 1x10^(18) ㎤, and the in-situ annealing at 550 °C for 10 minutes showed the photoresponse at 0.2-0.3 THz. The photomixer module generated the continuous-wave frequency of 0.3-0.8 THz. THz output power was proportional to bias voltage (V²) and inverse proportional to beat frequency (ωbeat^(-2)). 본 연구에서는 THz 응용을 위한 undoped GaAs과 In_(0.53)Ga_(0.47)As:Be을 분자선증착기 (Molecular Beam Epitaxy) 로 저온성장을 하였고, high resolution X-ray diffractometer (HR-XRD), atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), hall effect measurement (HEM), femto-second time-resolved pump-probe reflectance spectroscopy를 사용 하여 구조적, 전기적, 광학적 특성을 분석하였다. Terahertz (THz) wave 발광소자와 검출소자에 응용하기 위하여 짧은 운반자 수명 (carrier lifetime) 과 높은 저항 그리고 빠른 전하 이동도를 필요로 한다. 이를 만족하기 위해서 저온성장 GaAs 과 InGaAs, 베릴륨 (Be)의 도핑양, III-V 비율, 열처리의 방법, 온도, 시간을 변수로 두어 공정을 하였다. 반절연(Semi-Insulating, SI) GaAs (100) 기판 위에 GaAs 완충층(buffer layer)를 300 nm 성장을 한 다음 저온에서 GaAs을 1.2 μm 성장하였다. 그리고 반절연 InP:Fe (100) 기판 위에 InGaAs:Be을 저온에서 1.2 μm 성장 하였다. 성장온도를 150 에서 300 °C로 변화시키고 베릴륨 양을 5x10^(17) 부터 3x10^(18) ㎤까지 변화를 시켜가면서 도핑을 하였고 III-V족의 비율을 20 에서 50까지 변화시켰다. Arsenic을 non cracking mode (As₄)와 cracking mode (As₂) 두 종류로 사용을 하였을 때 As₄로 성장한 박막에서 더 좋은 특성을 얻을 수 있었다. 이는 As₂ 가 As₄ 보다 부착계수가 크고 결정성이 향상 되어 더 좋은 박막이 얻어지는 것을 역이용 한 것이다. 성장온도를 220 °C 정도로 하고 베릴륨의 도핑양을 1x10^(18) ㎤로 한 다음 in-situ annealing을 550 °C에서 10분 동안하였을 때 2.5 pico-seconds의 carrier lifetime을 얻을 수 있었고 높은 저항과 좋은 전하 이동도를 가지고 있는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 bowtie antenna 공정을 하여 femto-second pulse laser excitation 시켜 time-domain photocurrent spectra 측정을 하였고 frequency-domain으로 spectral amplitudes 변환을 하였다. 250 °C의 성장온도에서 성장하고 베릴륨의 도핑양을 1x10^(18) ㎤로 한 다음 550 °C에서 10 분간 in-situ annealing한 InGaAs 샘플에서 0.2-0.3 THz에 좋은 photoresponse를 하였다. THz photomixer module에서 continuous-wave THz를 방사하였고 output power는 beat frequency와 bios voltage에 따라 분석하였다.

MOCVD법에 의해 제조된 PbTiO_(3) 와 PZT 박막의 저온성장 특성에 관한 연구

왕채현 연세대학교 대학원 2001 국내박사

MOCVD법에 의해 TiO_(2) 유전막을 Si 위에 증착하였고, PbTiO_(3), PbZrXTi_(1-X)O_(3) (PZT) 박막을 platinized Si 기판 위에 제조하였다. 500℃ 이하의 증착온도에서 각각 성분의 전구체 유량비가 PbTiO_(3)와 PZT 강유전성 박막의 상형성, 우선배향성, 미세구조 등의 저온성장 특성 및 전기적 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. TiO_(2)박막의 증착거동은 Pb계 강유전성 박막의 성장을 위한 선행 실험으로서 행하였다. TiO_(2) 박막의 화학증착 반응 기구는 450℃이하의 저온에서 표면반응에 의해 지배되었으나 그 이상의 온도에서는 원료의 우선분해에 의한 고갈효과가 지배적이었다. 증착된 박막은 anatase 상이었으며 후열처리를 통해 rutile 상으로 상전이 되었고, 상전이 되는 후열처리 온도는 증착된 박막의 두께, 증착온도, 열처리 시간, 열처리분위기에 의존적이었다. 정방정 perovskite 구조의 PbTiO_(3) 박막을 (200)Pt/SiO_(2)/Si을 사용하여 350℃∼400℃ 온도범위의 저온에서 성공적으로 증착하였다. 400℃이하에서 PbTiO_(3) 박막의 상형성과 미세구조는 전구체 유량비인 Pb/Ti 비와 증착온도에 크게 의존적이었다. 400℃에서 Pb/Ti 비를 1.1에서 5.0으로 증가시킴에 따라 비정질상에서 결정상으로 변화하였는데, 중간영역의 Pb/Ti 비에서는 국부적으로 성장된 비정상적인 구조가 관찰되었다. Pb/Ti 비를 3.3과 5.0으로 고정한 후 증착온도를 350℃로부터 400℃로 높인 경우에도 전구체 유량비 증가에 따른 증착거동과 비슷한 미세구조 및 상의 변화가 발생하였다. 400℃이하에서 증착한 PbTiO_(3) 박막은 결정화가 된 경우 저온증착임에도 불구하고 (001) (100)면의 우선배향을 나타내었다. 중간 Pb/Ti 비인 1.4∼3.3에서 관찰된 원형의 비정상적으로 성장한 구조물은 SEM, AES, Raman, TEM 분석을 통하여 저온증착에 따른 비정질 matrix의 부분결정화에 의해 형성된 결정상임을 확인하였다. Pb/Ti 비가 1.1에서 5.0으로 증가함에 따라 유전상수와 누설전류는 증가하였는데 Pb/Ti 비 1.1, 2.2, 3.3, 5.0일 때 100kHz에서 측정된 유전상수는 각각 40, 60, 88, 98 이었다. 과량의 Pb 첨가에 따른 저온에서의 PbTiO_(3) 상형성 결과는 과량의 Pb 공급에 따른 'Pb 흡착이 우세한 핵생성 기구에 의해 발생한 것으로 생각되며 결과적으로 Pb/Ti 비의 제어가 MOCVD 법을 이용한 저온공정의 중요한 변수임을 확인하였다. 500℃의 증착온도에서 약 3400Å 두께의 PZT 박막을 성공적으로 증착하였으며 이를 이용해 Pt/PZT/Pt 구조의 강유전체 capacitor 구조를 제작하였다. 전구체 유량비인 Pb/(Zr+Ti)비 및 Zr/(Zr+Ti)비를 변화시키면서 PZT 박막을 제조하였는데 Pb/(Zr+Ti)비가 5.0 이상으로 제어될 경우에만 perovskite 구조의 PZT박막이 성장하였고 Zr/(Zr+Ti)비 변화에 따라 정방정구조와 능면정 구조의 PZT 박막을 얻을 수 있었다. Pb/(Zr+Ti)비가 5.0이하일 경우에는 Zr/ (Zr+Ti)비에 관계없이 ZrO_(2)와 같은 제2상이나 비정질상이 형성되었고 Pb/(Zr+Ti)비 4.8∼5.2 사이에서는 PZT 상과 제2상이 혼재되어 나타났다. Pb는 휘발성이 크고 Zr이 존재할 때 기판표면에 sticking되는 정도가 떨어지게 되므로 MOCVD법에 의해 PZT박막을 저온에서 성장시키기 위해서는 PbTiO_(3) 박막에서와 같이 과량의 Pb의 공급이 필요한 것을 알 수 있다. Zr/(Zr+Ti)비가 0.37, 0.44, 0.5, 0.58 일때 100kHz에서 측정한 PZT 박막의 유전상수 680, 1020, 1170, 150 이었으며 2V에서 10초 후에 측정된 누설전류는 각각 5.2×10-6, 1.7×10-6, 1.8×10-6, an d 4.5×10-8A/㎠ 이었다. 능면정 구조의 박막의 경우, 인가전압이 증가함에 따라 점차 saturation이 일어났으며 5V의 인가전압시의 자발분극 (+Ps), 평균잔류분극, 평균항전계는 각각 54μC/㎠, 43μC/㎠, 66.7kV/cm 값을 나타내었다. 과량의 Pb 공급, 즉 Pb/(Zr+Ti)비의 제어를 통해, MOCVD법에 의한 결정상의 PZT 박막성장 가능성을 확인하였다. Dielectric TiO_(2), and ferroelectric PbTiO_(3) and PbZrxT^(i-x)O_(3)(PZT) thin films were deposited on bare Si and platinized Si substrates by metalorganic chemical vapor deposition(MOCVD) at the low temperature below 500℃. Dependence of low-temperature growth characteristics of PbTiO_(3) and PZT thin films on the input precursor ratio was mainly investigated. Also, effect of phase formation, orientation, and microstructure on the electrical properties of ferroelectric thin films was studied. Growth behavior of TiO_(2) films were studied to determine experimental parameters for Pb-based ferroelectric thin films. Deposition reaction rate of TiO_(2) films is limited by surface reaction below the deposition temperature of 450℃ and by depletion above 450℃, caused by the pre-decomposition of precursor. The onset temperature of phase transition, from anatase to ruble phase was dependent on the thickness of TiO_(2) film, deposition temperature, annelaing temperature, time and ambient. Tetragonal perovskite PbTiO_(3) thin films were successfully grown on (200)Pt/SiO_(2)/Si at low temperature range from 350℃ to 400℃ with the change of Pb/Ti input precursor ratio from 1.1 to 5.0. Formation and microstructure of polycrystalline PbTiO_(3) phase are completely dependent on the Pb/Ti ratio during the low temperature MOCVD process in respect that amorphous, mixed, and polycrystalline phase were observed with the change of Pb/Ti ratio. Structure of the films deposited at 400℃ changed from amorphous to polycrystalline with the increase of Pb/Ti ratio from 1.1 to 5.0, including locally-formed abnormal structure at intermediate ratios. When the deposition temperature was raised from 350℃ to 400℃ at two fixed ratios of 3.3 and 5.0, similar tendency of structure change was also observed. Preferred orientation with the Pb/Ti ratio changed random to (001), (100) parallel to substrate surface. SEM, AES, micro-Raman, and TEM results revealed that locallyformed abnormal structure in the films at the intermediate Pb/Ti ratio between 1.4 and 3.3 must be a result of partial crystallization of PbTiO_(3), which was embedded in the amorphous matrix. Dielectric constant and leakage current increased as the Pb/Ti ratio increased up to 5.0. Dielectric constant at 100kHz was 40, 60, 88, and 98 for the films grown at Pb/Ti ratio of 1.1, 2.2, 3.3, 5.0, respectively. The leakage current density for the amorphous film grown at the lowest Pb/Ti ratio of 1.1 was smaller than other films. Preferred adsorption of Pb species at the initial stage of the film formation is crucial for the phase formation of the PbTiO_(3) thin films at low temperature of 400℃. Therefore, the control of excess Pb precursor through Pb/Ti ratio change is the key process parameter for the formation of crystalline PbTiO_(3) phase in the low temperature MOCVD process. PZT thin films of about 0.34 nm were successfully grown at a low temperature of 500℃ and ferroelectric capacitors of a Pt/PZT/Pt configuration were fabricated. Their structural and electrical properties were investigated as functions of the Pb/(Zr+Ti) and Zr/(Zr+Ti) input precursor ratio. The structure of the as-grown films at 500℃ changed from tetragonal to rhombohedral structure with increasing the Zr/(Zr+Ti) ratio above an input Pb/(Zr+Ti) source ratio of 5.0 while a 2nd phase of ZrO_(2) was only observed below Pb/(Zr+Ti) ratio of 5.0, regardless of the Zr/(Zr+Ti) ratio. A large flow of Pb than (Zr+Ti) flow is required for PZT formation at low temperature because of the volatility of Pb and a decrease in sticking to the surface during the gas phase reaction in the existence of the Zr. The highest value of the dielectric constant was observed when the Zr/(Zr+Ti) ratio was raised to 0.5, near the morphotropic boundary. The dielectric constant at 100 kHz was 680, 1020, 1170, and 150 for the films grown at Zr/(Zr+Ti) ratio ratios of 0.37, 0.44, 0.5, and 0.58, respectively. The leakage current densities measured at 2V after 10 sec for the PZT films deposited with ratios of 0.37, 0.44, 0.50, and 0.58 were about 5.2×10^(-6), 1.7×10^(-6), 1.8×10^(-6), and 4.5×10^(-8)A/㎠, respectively. Leakage current densities decreased with increasing the Zr/(Zr+Ti) ratio owing to the formation of ZrO_(2). The spontaneous polarization, remanant polarization and coerceive field measured at applied voltage of SV for the rhombohedral PZT film were 54μC/㎠, 43μC/㎠, 66.7kV/cm, respectively. The process window for growing a single phase PZT is very narrow in the low-temperature MOCVD process, and control of the Pb input precursor flow rate, that is, control of the Pb/(Zr+Ti) is crucial process requirement for the formation of the crystalline PZT phase at low temperature by MOCVD whereas the crystal structure depends on control of the B ratio.

Modeling Pulsed Power Plasmas and Applications to In-Situ Nanoparticle Growth

Lanham, Steven J ProQuest Dissertations & Theses University of Mich 2022 해외박사(DDOD)

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Low temperature plasmas (LTPs) have been an essential tool for semiconductor device fabrication. LTPs have been increasingly used in other fields, such as for the synthesis of nanometer sized particles. The prevalence of LTPs is largely due to the unique plasma environment – energy is coupled into the plasma electrons, resulting in unique chemistry far from thermal equilibrium. As such, the specifics of how power is coupled into the plasma system plays a primary role in how chemical reactivity can be utilized. This has led to techniques such as using pulsed power to increase control of the plasma, however, this technique has not been fully characterized particularly from a computational modeling perspective. Modeling of pulsed inductively coupled plasmas was done using the Hybrid Plasma Equipment Model (HPEM), a 2-dimensional reactor scale plasma multi-fluid simulator, and found that pulsing in electronegative plasmas requires resolving both the electromagnetic and electrostatic effects from the antenna. These systems are a sensitive function of the matching network used for power delivery, with good agreement from experiments. LTPs have been used to synthesize high quality nanoparticles (NPs) that would be difficult to create using traditional methods, which may sinter or fail to anneal. Particles in plasmas generally charge negative, leading to mutual coulomb repulsion that results in monodisperse particle size distributions. However, a comprehensive growth mechanism of NPs in plasma is not well understood. Measuring even the most basic plasma parameters in these reactors proves challenging, leaving large gaps in knowledge about their fundamental operation. In this thesis, a 3-dimensional kinetic simulation for particle growth and trajectories in LTPs, the Dust Transport Simulator (DTS), was developed to interface with the HPEM for self-consistent reactor scale modeling of plasma-based nanoparticle synthesis. Electrostatic trapping of particles in the plasmas was found to be a major component of the nanoparticle growth mechanism – a result contrary to what was previously believed in the field, and further confirmed by multiple experiments and models from several research groups. The updated DTS was used to develop scaling laws for nanoparticle growth rates as functions of plasma operating conditions, a necessary tool for the future design of NPs. Finally, the idea of using pulsed power was theorized as a viable tool to customize particle size distributions by manipulating the nanoparticles trapped in the plasma. The main contributions to the field of low temperature plasmas and nanoparticle forming plasmas are as follows. First, pulsing the power in inductively coupled plasma (in many cases) requires transitioning from primarily electrostatic to electromagnetic power deposition, which is a sensitive function of the matching network. Second, electrostatic trapping of nanometer sized particles growing in the plasma occurs under typical operating conditions and may be the predominant factor for predicting particle growth. Third, trapped particles can be manipulated, for example by pulsing the power, to customize the nanoparticles grown in the plasma. Finally, the updated capabilities of the DTS may be used by others to investigate particle growth in low temperature plasmas.

Ga(In)As 기반 박막과 InAs 나노세선의 THz 응용 연구

박동우 전북대학교 일반대학원 2016 국내박사

In this thesis, the terahertz (THz) characteristics of Ga(In)As, InGaAs with periodically-positioned inserting InAlAs layer (InGaAs PPIL), and InAs nanowires (NWs) are discussed. Before describing THz properties of the epilayers and NWs, their structural, electrical, and optical properties are first demonstrated. And then, the THz generation and detection are mentioned by using transmitters and receivers with Ga(In)As, InGaAs PPIL, and InAs NWs. The peak-to-peak current signal (PPCS) from a THz transmitter with the InGaAs PPIL showed three times higher than that of a simple InGaAs epilayer without the InAlAs insertion layer. Moreover, the detection properties of a THz receiver with the low-temperature grown (LT) InGaAs PPIL showed more than twenty-five times higher than that of the LT-InGaAs epilayer. In addition, the PPCS of the LT-InGaAs PPIL was significantly improved with increasing the periods of the InAlAs insertion layer. The THz characteristics of InAs NWs formed on Si(111) were investigated by changing the structural dimensions and by simply dipping into normal tap water (DTW). The PPCS of InAs NWs obtained from THz-time domain spectroscopy was increased from 1.54 to 4.40 nA with increasing the height from 2.1 to 10 μm. For the DTW process, the InAs NWs were dipped into normal tap water for 1 minute and were dried at room temperature. For the 2.1 μm-long InAs NWs, there was no merging effect between adjacent NWs after the DTW process. However, top region of several InAs NWs with the heights of 4.6 and 5.8 μm was merged into conical bundle structures, respectively, via van der Waals force. For the InAs NWs with the height of 10 μm, the conical bundle structures again merged into bigger bundle features, where the length contributing to the bundle region was 4 μm. After the DTW process, the PPCS for the InAs NWs with the height of 10 μm was increased to 5.04 nA, which was 1.15 times higher than that of the as-grown InAs NWs (4.40 nA). The significant improvement in THz characteristics of InAs NWs by the DTW process can be explained by the reduction in carrier trapping at the surface states of the NWs due to the formation of bundle features. 본 논문은 분자선증착기 (Molecular beam epitaxy)를 이용하여 Ga(In)As 박막과 InAlAs을 주기적으로 삽입한 InGaAs (InGaAs PPIL) 구조 및 InAs 나노세선 (Nanowires, NWs)을 성장하고 테라헤르츠 (Terahertz, THz) 응용한 연구결과를 보고한다. InGaAs 박막과 비교하여 InGaAs PPIL 구조에서 THz 발생 및 검출 특성이 크게 향상되었다. InGaAs PPIL 구조를 갖는THz 발생소자의 전류신호 첨두값 (peak-to-peak current signal, PPCS)은 InGaAs 박막 구조만 갖는 경우와 비교하여 3배 이상 증가 하였다. 또한 저온에서 성장한 (low-temperature, LT) InGaAs PPIL 구조를 갖는 THz 검출소자는 단일 LT-InGaAs 박막과 비교하여 25배 이상 큰 전류신호를 얻을 수 있었다. 그리고 LT-InGaAs PPIL 구조를 갖는 THz 검출소자에서 InAlAs 삽입층 주기가 증가할수록 전류신호도 증가하였다. THz 소자를 생물공학 (biological technology) 분야에 응용하기 위해서는 필요한 주파수 확보 및 신뢰할 수 있는 동작 특성이 요구된다. 본 논문에서는 Si(111) 기판에 성장한 InAs NW를 이용하여 0.5 ~ 2 THz 범위에서 THz 특성을 성공적으로 확보하였다. InAs NW의 길이가 증가할수록 THz PPCS크기가 증가하였다. 구체적으로 2.1 μm 길이를 갖는 InAs NW의 PPCS은 1.54 nA였으며 10 μm로 증가할 때 4.40 nA를 보였다. 또한 InAs NWs를 간단하게 수돗물에 담그는 과정 (Dipping into tap water, DTW) 을 통해 발생특성을 현저히 개선하였다. DTW과정 후, 2.1 μm 길이를 갖는 InAs NW는 구조적으로 특별한 변화가 없었다. 하지만 4.6 μm와 5.8 μm의 길이를 갖는 InAs NW는 van der Waals결합을 통해 NW 윗부분이 붙어 원뿔 모양의 다발 (bundle)을 형성하였다. 10 μm 길이를 갖는 InAs NW의 경우 원뿔 모양의 구조체들끼리 다시 뭉쳐 상대적으로 큰 다발 모양을 형성하였다. 특히, 10 μm 길이를 갖는 InAs NW는 bundle 형성 후, THz 발생특성에서PPCS가 5.04 nA로 측정되었으며 이는 DTW과정 전과 비교할 때 1.15배 증가한 수치이다. DTW 후 InAs NW의 THz 특성이 개선된 이유는 InAs NW가 다발구조를 형성하며 표면 준위에 의한 운반자 Trapping이 감소했기 때문이다.

마그네트론 자기장 구조를 가진 전자 싸이크로트론 공명 플라즈마를 이용한 고플럭스 중성 입자빔 발생에 관한 연구 : High Flux Hyperthermal Neutral Beam Generation using Electron Cyclotron Resonance Plasmas with Magnetron Magnetic Field Configuration

김성봉 포항공과대학교 일반대학원 2011 국내박사

Hyperthermal neutral beams (HNB) represent a viable means of overcoming the problems of material processing. HNB etching, HNB nitridation, HNB oxidation, and HNB assisted thin film deposition have been studied and noticeable results have been reported. The key issue with HNB sources is the production of high flux HNBs. Several type HNB sources were developed but high HNB flux at a substrate was not yet achieved. The purpose of this thesis was to generate high flux HNBs on a substrate. Four studies in this thesis were carried out. First, requirements for high flux HNB generation were theoretically specified. Second, the ECR HNB source with magnetron magnetic field configuration (MMC) was developed and the ECR plasma of the ECR HNB source was characterized using a Langmuir probe, optical emission spectroscopy, and an ion energy analyzer. The results confirmed that the ECR HNB source satisfied the requirements for high flux HNB generation. Third, the ECR HNB source with race track magnetic field configuration (RMC) was developed in an effort to solve the problems of the ECR HNB source with MMC. The ECR plasma of the ECR HNB source with RMC was characterized using a Langmuir probe. HNB energy distributions were obtained from fitting the ion kinetic energy distributions in Gaussian curves. Finally, the ECR HNB source with RMC was applied for GaN epitaxial growth at low substrate temperature. The atomic structure and the thickness of the GaN thin film were investigated using SEM, SIMS, and TEM. The HNB flux at a substrate was obtained from the results. This thesis contributed to increasing HNB flux at a substrate more than 1*10^15 /cm^2s and to measurements of HNB energy distribution and HNB flux. In addition, single crystalline GaN layers were grown at low substrate temperature using the HNBs produced by the ECR HNB source.

Low temperature growth of polycrystalline GaN-based thin films by RF plasma enhanced chemical vapor deposition

박두철 Kyoto University 2000 해외박사

본 연구에서는, 500℃에서 600℃사이의 저온에서 RF PECVD (radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition) 법을 써서, 다결정 GaN, InN and InGaN박막을 성장시켜, 미래지향적인 실리콘기판상의 광전자 디바이스와 대면적발광소자의 새로운 물질제작기술을 확립시키기 위해 물리적인 성질을 조사했다. 주요한 결과로서는 이하와 같이 요약될 수 있다. GaN계 박막을 성장하기위해 RF PECVD 시스템을 직접 제작했다. 고품질의 샘플을 얻기 위해서, 성장실험과 샘플에 대한 평가를 병행하며 장비의 최적화를 행했다. 먼저, 인듐틴옥사이드(ITO)투명박막증착 글래스기판과 실리콘 Si(001) 위에 RF PECVD방법으로 다결정 GaN박막을 성장하고, 성장조건에 따른 막의 특성을 조사했다. 저온의 GaN완충막을 성장시키고, 그것의 메인GaN박막의 막질에 끼치는 영향을 X선 회절측정(X-ray diffraction:XRD)과 노말스키간섭현미경(Nomarski interference microscopy)으로 분석했다. 그 결과, 고배향의 다결정GaN박막이 형성되어 있음을 알았다. 원자간력현미경(Atomic Force Microscopy:AFM)으로 관찰한 표면모폴로지의 상은 육각주구조로 이루어져있음을 알았다. 한편, 저온의 ZnO 완충막을 Si(001)기판상에 먼저 성장시킨다음, GaN메인막을 성장시킨 막에 대해서, 77K에서 광발광(Photoluminescence:PL)측정을 한 결과, 밴드단 에너지부근에서 날카로운 발광스펙트럼이 관측되었다. 질소플라즈마의 이온에 의한 샘플표면의 충격을 줄이기 위해 텅스텐망을 챔버내부에 설치하고, 텅스텐망에 바이어스전압을 걸어 이온의 수를 제어하는 실험을 행했다. 바이어스 전압을 걸어줌으로써, XRD측정결과로부터 XRD 피크의 세기가 증가하고, 샘플표면은 크랙이 없어지는 결과를 노말스키현미경 관측 결과로부터 알게되었다. 한편, GaN 메인막을 성장하기전에, 여러 가지 조건을 써서 질소플라즈마를 생성시킨 다음, 그를 이용한 ITO/글래스기판의 질화를 행하고, 메인GaN막에 끼치는 영향을 조사했다. X선 광전자분광(X-ray photoelectron spectroscopy)측정결과, ITO면은 고온, 장시간, 고질소유량의 조건하에서 질화가 잘 일어남을 알 수 있었다. ITO/글래스 기판을 질화한후, 600℃에서 성장시킨 GaN메인막에 대해서, XRD측정결과, 결정성이 질화하지 않은 기판위의 GaN에 비해서 향상되는 결과를 얻었고, (1010)와 (1011)의 두 결정방향을 질화조건으로 제어가능할 수 있다는 결과를 얻었다. RF PECVD방법으로 다결정 InN 박막을 성장했다. InN박막과 기판사이의 결정성의 상이성을 줄이기 위해, 저온에서 GaN와 InN완충막을 성장시켰다. 성장조건에 따른 구조적 평가의 결과, GaN완충막이 InN완충막보다 효과적인 역할을 함을 알았다. XRD측정결과, InN막은 (0002)면에 대해서 고배향되어있음을 알았다. AFM관측결과, 샘플표면에는 c축방향으로 돌기가 형성되어있음을 알았다. 광학적 흡수측정결과, 제작된 InN박막은 1.9eV의 밴드단 에너지를 갖고있음을 알았다. 결과적으로, InN박막의 경우가 GaN박막보다 더 나은 결정성을 가짐을 알았다. RF PECVD법으로 ITO/글래스 기판위에, GaN완충막을 성장시킨 후, InxGa1-xN 박막을 성장시켰다. 트리메틸인듐(Trimethylindium:TMIn)유량과 샘플내의 Indium금속이 함유된 정도를 샘플의 두 결정방향 (0002)면과 (1011)면의 XRD측정을 통해서 잘 평가했다. 광학적 흡수측정의 결과, 결정내 In금속함유량이 증가함에 따라서, 흡수밴드단이 저에너지측으로 이동함을 알았다. AFM측정결과, 샘플표면이 거칠어져도, In금속함유량이 증가하면 그레인덩어리가 커짐을 알았다. 반면, Si(001) 기판상에 GaN/InGaN 헤테로구조를 성장시켰다. XRD측정결과, 각층의 c면으로부터 나오는 X선 피크가 결정내의 함유된 In금속량과 일치됨을 알았다. 결론적으로 요약하면, RF PECVD에 의해 다결정 GaN계 박막을 성장시켰고, 그의 구조적 광학적 특성을 평가했다. 본 연구가 대면적 광학디바이스와 광전자집적회로(Optoelectronic integrated circuit : OEIC)를 겨냥해서 시작했지만, 소기의 목적을 달성하기 위해서는, 좀 더 구체적인 연구와 노력이 필요하다고 판단이 된다. 한편, 이상의 결과로부터, PECVD방법은 GaN보다 InN나 InGaN에 더 적합한 방법이고, 태양전지나, 녹색에서 적색까지의 광원으로서 응용이 가능할거라고 생각이 된다.

低溫이 中山間地帶의 水稻生育과 收量形質에 미치는 影響

최부술 慶北大學校 1986 국내박사

Two-step epitaxial Ge growth on Si(100) using UHV-CVD

신건욱 서울대학교 대학원 2009 국내석사

Study of two-step grown ZnO nanorods in low temperature

박기선 Graduate School, Korea University 2013 국내석사

ZnO nanorods were deposit by MOCVD to enhance the crystal quality and tried to decrease the operating temperature. To operate in low temperature, two-step growth method is introduced. Two-step ZnO nanorods were deposited at 465°C in first step for 10 min., and reduced temperature to 400°C in second step for 20 min. One-step growth at 400°C and 465°C for 30min. are also tested to compare with two-step growth. Operating pressure was set to 10Torr and used c-plane sapphire is used in this experiment. SEM(Scanning Electron Microscopy) is used to observe the morphology of ZnO. Two-step grown ZnO at 465/400°C showed the nanorod structure, the same result with One-step grown at 465°C. Two-step grown ZnO nanorods showed the lowest X-ray (102) plane rocking curves FWHM as 8,676arcsec. In two-step growth, the first step settled the mismatch problems which make stress between the sapphire and ZnO with the enough energy from the temperature 465°Cand break time. But in the second step, growth got more stabilized at 400°C than 465°C because of the decrease of molecular vibration. This result represents one-step high temperature growth is unnecessary.

Low Temperature Graphene Thin Film Production without Catalyst and Transfer by Plasma Electron Annealing

Unhyeon Kang 고려대학교 대학원 2023 국내석사

2010 년 Andre Geim 과 Konstantin Novoselov 교수가 스카치 테이프를 이용하여 그래핀 단일층을 형성한 것으로 노벨 물리학상을 수상한 이후로 그래핀이라는 혁신적인 물질에 대한 연구가 폭발적으로 증가해왔다. 많은 연구자들이 우수한 특성을 가진 그래핀을 활용하여 괄목할 만한 연구 성과를 보여주고 있지만, 아직도 그래핀이 상용화되지 못하고 있는 것에는 의외로 그래핀을 만들 수 있는 적절한 방법이 부족하다는 것에서 그 이유를 찾을 수 있다. 본 연구를 통해서 우리는 그래핀 박막을 제조하는 하나의 새로운 방법을 제시하고자 하며, 기판 상에 직접 그래핀 필름을 성장시키는 이 새로운 저온 합성 방법은 한 챔버 안에서 모든 공정이 진행되는 단순하고 깨끗한 공정이라는 장점을 가지고 있다. 플라즈마 전자 어닐링 기술은 진공 챔버 내부에 형성된 유도 결합 플라즈마 속에 있는 전자들의 운동 에너지를 기판에 전달함으로써, 낮은 공정 온도에서도 실리콘 옥사이드 기판 위에 증착된 탄소 층을 그래핀 층으로 변화시키는 혁신적인 그래핀 합성법이다. 본 연구에서 제시하는 플라즈마 전자 어닐링을 통한 그래핀 박막을 제조법이 그래핀을 활용하는 다양한 응용 분야에 새로운 가능성을 열어 주기를 바란다. Research into graphene, an innovative material, has increased remarkable since Geim and Novoselov won the Nobel Prize in physics in 2010 for forming single layer of graphene using Scotch tape. Indeed, despite being a remarkable material with excellent properties, graphene is not yet commercialized, which is ascribable to a lack of suitable preparation methods. To address this issue, in this study we introduce a new method for growing graphene thin films directly on substrates using a simple and clean plasma electron annealing (PEA) process involving a low processing temperature in a single chamber, which is advantageous. Specifically, we transform the carbon layer deposited on a silicon dioxide wafer into graphene at low temperature using the electrons in inductively coupled plasma to transfer kinetic energy to the substrate. We expect that the method developed herein will provide new possibilities for future graphene research.