Hot Wall Epitaxy(HWE)에 의한 ZnIn$_2S_4$ 단결정 박막 성장과 특성 = Growth and characterization ofZnIn$_2S_4$ single crystal thin film using hot wall epitaxy method

국문 초록 (Abstract)

수평 전기로에서 $ZnIn_{2}S_{4}$ 다결정을 합성하여 HWE(Hot Wall Epitaxy)방법으로 $ZnIn_{2}S_{4}$ 단결정 박막을 반절연성 GaAs(100) 기판 위에 성장시겼다. $ZnIn_{2}S_{4}$ 단결정 박막은 증발원의 온도를 $610^{\circ}C$, 기판의 온도를 $450^{\circ}C$로 성장시켰고 성장 속도는 0.5$\mu\textrm{m}$/hr로 확인되었다. $ZnIn_{2}S_{4}$ 단결정 박막의 결정성의 조사에서 $10^{\circ}$K에서 광발광 (photoluminescence) 스펙트럼이 433nm (2.8633 eV)에서 exciton emission 스펙트럼이 가장 강하게 나타났으며, 또한 이중결정 X-선 요동곡성 (DCRC)의 반폭치(FWHM)도 133 arcsec로 가장 작아 최적 성장 조건임을 알 수 있었다. Hall 효과는 van der Pauw 방법에 의해 측정되었으며, 온도에 의존하는 운반자 농도와 이동도는 $293^{\circ}$K에서 각각 $8.51{\times}10^{17}electron{\textrm}{cm}^{-3}$, 291$\textrm{cm}^2$/V-s 였다. $ZnIn_{2}S_{4}$ 단결정 박막의 광전류 단파장대 봉우리들로부터 $10^{\circ}$K에서 측정된 ${\Delta}$Cr(crystal field splitting)은 0.1678 eV, ${\Delta}$So (spin orbit coupling)는 0.0148eV였다. $10^{\circ}$K의 광발광 측정으로부터 고품질의 결정에서 볼 수 있는 free exciton 과 매우 강한 세기의 중성 주개 bound exciton 등의 피크가 관찰되었다. 이때 증성 주개 bound exciton 의 반치폭과 결합 에너지는 각각 9meV와 26meV였다. 또한 Haynes rule에 의해 구한 불순물의 활성화 에너지는 130meV였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The stochiometric mixtures mixture of evaporating materials for the $ZnIn_{2}S_{4}$ single crystal thin film was prepared from horizontal furnace. To obtain the $ZnIn_{2}S_{4}$ single crystal thin film, $ZnIn_{2}S_{4}$ mixed crystal was deposited on throughly etched semi-insulting GaAs(100) in the Hot Wall Epitaxy(HWE) system. The sourceand substrate temperature were $610^{\circ}C$ and $450^{\circ}C$, respectively and the growth rate of the $ZnIn_{2}S_{4}$ single crystal thin film was about 0.5$\mu\textrm{m}$/hr. The crystalline structure of $ZnIn_{2}S_{4}$ single crystal thin film was investigated by photoluminescence and double crystal X-ray diffraction (DCXD) measurement. The carrier density and mobility of $ZnIn_{2}S_{4}$ single crystal thin film measured from Hal effect by van der Pauw method are $8.51{\times}10^{17}{\textrm}{cm}^{-3}$, 291$\textrm{cm}^2$/V.s at $293^{\circ}$K, respectively. From the photocurrent spectrum by illumination of perpendicular light on the c-axis of the $ZnIn_{2}S_{4}$ single crystal thin film, we have found that the values of spin orbit splitting $\Delta$So and the crystal filed splitting DCr were 0.0148eV and 0.1678 eV at $10^{\circ}$K, respectively. From the photoluminescence measurement of $ZnIn_{2}S_{4}$ single crystal thin film, we observed free excition($E_{X}$) typically observed only in high quality crystal and neutral donor bound exicton ($D^{\circ}$, X) having very strong peak intensity. The full width at half maximum and binding energy of neutral donor bound excition were 9meV and 26meV, respectively. The activation energy of impurity measured by Haynes rule was 130meV.