KR100509748B1 - Method for growing N-doped P-type ZnO thin film - Google Patents

Method for growing N-doped P-type ZnO thin film Download PDF

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Abstract

아연(Zn) 소스와 산소 및 도펀트 소스를 서로 분리시켜 기판위로 흘러가도록 함으로써 소스가 기판에 도달하기 전의 균일핵색성을 억제하고 기판 위에서만 반응이 일어나도록 하는 p형 산화아연(ZnO) 박막 성장방법이 개시된다. 소정의 기판을 챔버 내로 장입하는 단계와, 질소 가스를 챔버 내로 유입시키는 단계와, 아연 프리커서의 운반 가스 및 산소와 도펀트 소스를 공급하는 단계와, 아연 소스를 챔버 내로 유입하는 단계를 포함하여 이루어진다. 아연 프리커서는 디에틸아연(DEZn) 또는 디메틸아연(DMZn)을 사용하며, 아연 프리커서의 운반가스는 아르곤(Ar)을 사용한다. 또한, 산소와 도펀트 소스는 일산화질소(N2O) 또는 이산화질소(NO2)가 사용되며, 아연 소스와 산소 소스는 서로 분리되어 기판위로 흘러가도록 한다.A method of growing a p-type zinc oxide (ZnO) thin film in which a zinc (Zn) source, an oxygen and a dopant source are separated from each other and flow on a substrate, thereby suppressing homogeneous nuclei before the source reaches the substrate and allowing a reaction to occur only on the substrate. This is disclosed. Charging a predetermined substrate into the chamber, introducing nitrogen gas into the chamber, supplying a carrier gas and an oxygen and dopant source of the zinc precursor, and introducing the zinc source into the chamber. . The zinc precursor uses diethyl zinc (DEZn) or dimethyl zinc (DMZn), and the carrier gas of the zinc precursor uses argon (Ar). In addition, the oxygen and dopant sources are nitrogen monoxide (N 2 O) or nitrogen dioxide (NO 2 ) is used, the zinc source and oxygen source is separated from each other to flow over the substrate.

Description

질소 도핑으로 형성된 피형 산화아연 박막 성장방법{Method for growing N-doped P-type ZnO thin film}Method of growing a zinc oxide thin film formed by nitrogen doping {Method for growing N-doped P-type ZnO thin film}

본 발명은 산화아연(ZnO) 박막 성장방법에 관한 것으로서, 특히 디에틸아연(DEZn) 또는 디메틸아연(DMZn)과 산소 가스를 서로 분리시켜 기판위로 흘러가도록 함으로써 소스가 기판에 도달하기 전의 균일핵생성을 억제하고 기판 위에서만 반응이 일어나도록 하는 산화아연 박막 성장방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for growing a zinc oxide (ZnO) thin film, and in particular, diethylzinc (DEZn) or dimethylzinc (DMZn) and oxygen gas are separated from each other to flow on the substrate to form a uniform nucleation before the source reaches the substrate. The present invention relates to a zinc oxide thin film growth method that suppresses the reaction and causes the reaction to occur only on the substrate.

특히, 산소 및 도펀트 소스로서 일산화질소(N2O) 또는 이산화질소(NO2)를 사용하여 질소가 도핑된 p형 산화아연 박막 성장방법에 관한 것이다.In particular, the present invention relates to a method of growing a p-type zinc oxide thin film doped with nitrogen using nitrogen monoxide (N 2 O) or nitrogen dioxide (NO 2 ) as an oxygen and dopant source.

산화아연(Zinc Oxide: ZnO)은 우수한 전기적, 광학적, 그리고 압전 특성으로 인해 지난 수 십년 동안 많은 연구가 수행되고 있는 재료로써, 표면 음향 소자, 투명 전극 및 광소자 등에 응용 가능성이 크다.Zinc Oxide (ZnO) is a material that has been studied for decades due to its excellent electrical, optical, and piezoelectric properties. It is highly applicable to surface acoustic devices, transparent electrodes, and optical devices.

특히, 산화아연는 3.37 eV의 넓은 밴드갭(band gap)을 갖고 있고, Mg 등의 첨가에 의해 밴드갭을 4 eV까지 변화시킬 수 있기 때문에, 자외선 영역의 레이저(laser)를 발진할 수 있는 차세대 광소자용 재료로 주목받고 있다.In particular, zinc oxide has a wide band gap of 3.37 eV, and the band gap can be changed to 4 eV by the addition of Mg, so that the next generation photon capable of oscillating a laser in the ultraviolet region. It is attracting attention as a magnetic material.

또한, 나노미터(nm) 단위의 소형화를 통한 양자 우물 구조(quantum well, wire, dot) 개발은 광 특성을 현저히 개선할 수 있다.In addition, the development of quantum well structures (quantum wells, wires, dots) through miniaturization in nanometer (nm) units can significantly improve optical characteristics.

비록 GaN를 기본으로 하는 III족 질화물에 대한 광소자 연구가 활발히 진행되어 응용 단계까지 도달하였으나, 대부분의 GaN를 기반으로 하는 질화막은 성장시 1000℃ 이상의 고온이 요구되고 있어 기판 선택에 제약이 있기 때문에, 실공정에서 가장 많이 사용되는 Si 기판에서 양질의 에피 박막 성장이 어려운 단점이 있다.Although research on the photonic device of GaN-based III-nitride has been actively conducted and reaches the application stage, most GaN-based nitride films are required to have a high temperature of 1000 ° C or higher in growth, thus limiting substrate selection. However, it is difficult to grow a good quality epi thin film on Si substrate which is most used in actual process.

산화아연는 엑시톤 결합 에너지가 상온에서 60 meV로 GaN의 28 meV에 비해 상당히 크므로, 상온 및 고온에서 동작할 수 있는 광소자의 효율을 극대화할 수 있다는 장점이 있으며, 또한 산화아연는 500℃ 정도의 비교적 낮은 온도에서 양질의 에피 박막 성장이 가능하기 때문에 Si 기판 위에서도 GaN에 비해 에피 성장이 용이한 장점이 있어 실용화를 위한 유리한 위치에 있다.Zinc oxide has the advantage that the exciton binding energy is 60 meV at room temperature, which is considerably greater than that of GaN 28 meV, and thus the efficiency of an optical device capable of operating at room temperature and high temperature can be maximized. Since epitaxial thin film growth at high temperature is possible, epitaxial growth is easier than that of GaN even on a Si substrate, which is an advantageous position for practical use.

이러한 재료상의 장점으로 인해 1990년대 이후로 고품위의 산화아연 에피 박막을 얻기 위한 많은 연구가 수행되고 있다. 산화아연 박막에 대한 초기 연구는 대부분 ITO(Indium-Tin-Oxide)를 대체할 수 있는 투명 전극용 소자로의 응용을 위한 연구가 많이 행해졌고, 증착 공정도 대부분 스퍼터링 공정을 이용하였으며, 발표되는 결정 품질은 상당히 좋지 않았다. 이 후 GaN를 기본으로 하는 광소자 연구 개발의 활성화를 계기로 90년대 후반부터 양질의 에피 박막을 얻기 위한 연구가 본격화되었다. Due to these material advantages, many studies have been conducted to obtain high quality zinc oxide epi thin films since the 1990s. Most of the initial researches on zinc oxide thin films have been conducted for application to transparent electrode devices that can replace indium-tin-oxide (ITO), and most of the deposition processes are sputtering processes. The quality was not very good. Since then, with the activation of GaN-based optical device research and development, research to obtain high quality epi thin film has begun in earnest from the late 90s.

현재까지 가장 선도적인 연구 그룹은 일본의 동경공과대학(Tyoko Institute of Technology)과 동북대학교(Tohoku University)이다. 동경공과대학 연구진은 이미 1998년에 레이저 분자선 증착 장치(Laser Molecular Beam Epitaxy, LMBE)를 이용하여 상온에서 자외선 레이저 발진을 성공하였다. 또한 이 그룹의 Ohotomo 등은 ZnO/Zn1-xMgxO의 초격자 (superlattice) 구조 제조로부터 PL(photoluminescence) 분석 시 양자 효과에 의한 blue shift를 관찰하였으며, 격자 상수 차이가 약 0.09%인 ScALMGO4 기판을 사용하여 높은 전자 이동도(100 ㎠/V)와 낮은 잔류 전하 농도 (1015/㎤)를 갖는 양질의 에피 박막 합성을 보고하고 있다. 최근에는 Mn 첨가에 의한 Zn1-xMnxO 에피 박막 제조로 밴드갭 조절의 가능성을 발표하였다.The leading research groups to date are the Tokyo Institute of Technology and Tohoku University in Japan. Researchers at the Tokyo University of Technology have already successfully launched UV laser oscillations at room temperature in 1998 using the Laser Molecular Beam Epitaxy (LMBE). Also Ohotomo the like of this group are ZnO / Zn1-xMgxO from superlattice (superlattice) structure produced at the time of PL (photoluminescence) analysis were examined for blue shift due to the quantum effect, S c ALMGO a lattice constant difference of about 0.09% 4 substrate A high quality epitaxial film synthesis with high electron mobility (100 cm 2 / V) and low residual charge concentration (10 15 / cm 3) is reported. Recently, Zn1-xMnxO epi thin film production by Mn addition has announced the possibility of band gap control.

동북대학교의 Ko 등은 기존의 사파이어 기판에 비해 격자 상수 불일치가 작고, 열팽창 계수 차이에 의해 야기되는 압축 응력을 격자 불일치에 의해 나타나는 인장 응력으로 효율적으로 보상할 수 있는 CaF2 기판을 사용하여 광특성이 우수한 산화아연 에피 박막 합성을 보고하였다. 또한 이들은 MgO 버퍼층을 도입하여 초기 성장 단계에서 표면 형상을 원자 단계까지 평평한 박막을 성장할 수 있었다. 이밖에 미국의 Vispute 등은 산화아연와 GaN의 유사한 격자 상수를 이용하여 산화아연 광소자 제조에 버퍼층으로 GaN을 도입하였다. Iwata 등은 산화아연 박막 성장 시 질소 첨가를 통해 p형 박막 제조를 시도하였으나 효과는 p형으로의 전환은 관찰되지 않았다고 보고하고 있고 현재까지 산화아연의 p형 도핑은 어려운 실정이다.Ko, et al., Of Tohoku University, has optical properties using a CaF 2 substrate that has a smaller lattice constant mismatch than conventional sapphire substrates and can efficiently compensate for compressive stress caused by differences in thermal expansion coefficients with tensile stress caused by lattice mismatch. This excellent zinc oxide epi thin film synthesis was reported. In addition, they introduced a MgO buffer layer to grow a thin film from the initial growth stage to the surface shape to the atomic stage. In addition, Vispute et al. Introduced GaN as a buffer layer in zinc oxide optical device fabrication using similar lattice constants of zinc oxide and GaN. Iwata et al. Reported that p-type thin films were prepared by adding nitrogen when zinc oxide thin films were grown, but the effect was not observed. P-type doping of zinc oxide is difficult.

이와 같은 선진 외국의 연구에 비해 국내에서는 몇몇 그룹을 제외하고는 연구 결과가 거의 없는 실정이다. 최근 국내에서 마그네트론 스퍼터링 법을 이용하여 x-ray 로킹 커브의 반가폭이 0.13°인 박막을 성장시킨 것을 보고하고 있으나, 이외의 연구 결과는 결정 품질이 상당히 좋지 않다. 따라서 국내의 광소자용 산화아연 에피 박막 성장을 위해서는 많은 연구 개발이 절실하다. Compared to such advanced foreign studies, there are few studies in Korea except for some groups. Recently, the magnetron sputtering method has been reported to grow a thin film having a half width of 0.13 ° of the x-ray rocking curve, but other research results are not very good crystal quality. Therefore, much research and development is urgently needed to grow zinc oxide epitaxial thin films for domestic optical devices.

레이져 등의 광소자로의 응용을 위해서는 고품위의 단결정이 요구되나, 산화아연는 현재까지 벌크 형태의 단결정 제조가 용이하지 않기 때문에 필연적으로 이종 에피 성장을 해야한다. 그러나 대부분의 기판 재료(사파이어(Al2O3), Si)와 격자 상수 차이가 크기 때문에 성장된 박막은 많은 결함이 존재하게 되며, 이들은 광 물성 등에 큰 악영향을 미치므로 최소화되어야 한다.High-quality single crystals are required for application to optical devices such as lasers, but zinc oxide has to be heterogeneously epitaxially grown since it is not easy to manufacture bulk single crystals. However, due to the large difference in lattice constant from most substrate materials (sapphire (Al 2 O 3 ), Si), the grown thin film has many defects, and these have a great adverse effect on mineral properties and should be minimized.

또한 일반적으로 산화아연 박막은 아연의 침입형 원자나 산소 공공에 의해 n형의 전기전도도를 나타내기 때문에 p형으로의 도핑이 심각한 문제가 되고 있으며, 광소자 특성에 가장 큰 영향을 주는 재료 자체의 점결함, 격자 불일치로 야기되는 계면 결함, 플라즈마 내의 산소 이온 효과 등에 대한 연구는 미진한 상태이다. In addition, since zinc oxide thin films generally exhibit n-type electrical conductivity due to invasive atoms of zinc or oxygen vacancies, doping into p-types is a serious problem. There are few studies on point defects, interfacial defects caused by lattice mismatches, and oxygen ion effects in plasmas.

자외선 검출소자는 미사일 및 로켓의 유도 장치를 비롯한 군사적 목적과, 플레임에서의 자외선 검출, 대기 환경 조사 및 엔진 모니터링 등의 산업적 목적, 플라즈마 진단 등의 연구 목적, 천문학 등, 학문적 목적으로 사용되고 있다. 또한 자외선을 이용한 광통신의 신호 검출과, 지구와 위성과의 통신 및 위성 상호 간의 통신을 위한 신호 검출에 사용되고 있으므로, 향후 초고속 통신망의 광 검출소자로서, 또, 우주항공 시대의 도래와 더불어 지구 대기 및 우주 공간에서의 통신용 검출소자로서 그 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다. 현재 자외선 검출소자로 광 증폭기나 실리콘 광 다이오드를 사용하고 있으나, 광 증폭기는 고전압을 필요로 하고, 효율도 낮으며, 실리콘 광 다이오드는 가시광선과 적외선에도 민감하여 대역 조절 여과 장치를 부착하게 되므로 검출소자의 부피가 크고, 그 구성이 복잡하다.Ultraviolet detectors are used for military purposes, including missiles and rocket guidance systems, for industrial purposes such as ultraviolet detection in flames, for atmospheric environment investigation and engine monitoring, for research purposes such as plasma diagnostics, and for astronomy. In addition, since it is used for signal detection of optical communication using ultraviolet rays, and signal detection for communication between the earth and satellites and communication between the satellites, as an optical detection element of a high-speed communication network in the future, with the arrival of the aerospace era, It is expected that the demand for communication detection elements in space will increase greatly. Currently, an optical amplifier or a silicon photodiode is used as an ultraviolet detection element, but an optical amplifier requires a high voltage, has low efficiency, and a silicon photodiode is sensitive to visible light and infrared rays so that a band-control filtration device is attached. The volume is large, and its configuration is complicated.

또한 실리콘은 밴드갭이 작으므로, 열적 안정성에 문제가 있고, 열악한 환경 하에서 화학적으로 안정하지 못하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해소하기 위해서는 열적, 화학적으로 안정하며, 가시광선 및 적외선 영역에 대한 반응도가 낮은 반도체를 이용해야 한다. 산화아연는 직접천이형 극대 밴드갭 반도체로 화학적 열적 안정성, 고이동도, 고양자효율, 첨가된 Mg의 몰분율 조절에 따른 특정 파장의 선택성 등 자외선 검출소자로서의 응용에 많은 이점을 갖고 있어서 기존의 자외선 검출소자를 효과적으로 대체할 수 있는 물질로서 많은 연구 개발이 요구되고 있다.In addition, since silicon has a small band gap, there is a problem in thermal stability, and there is a disadvantage in that it is not chemically stable in a harsh environment. In order to solve this disadvantage, it is necessary to use a semiconductor that is thermally and chemically stable and has low reactivity to visible and infrared regions. Zinc oxide is a direct-transition maximal bandgap semiconductor, which has many advantages in application as an ultraviolet detection device such as chemical thermal stability, high mobility, high quantum efficiency, and selectivity of specific wavelength according to the mole fraction of Mg added. Many research and development is required as a material that can effectively replace the device.

상기한 여러 가지 장점들에도 불구하고, 종래의 기술에 따르면, 1019/㎤ 이상의 홀 농도를 갖는 산화아연 막을 재현성 있게 형성하는 것이 어렵다.Despite the above advantages, according to the prior art, it is difficult to reproducibly form a zinc oxide film having a hole concentration of 10 19 / cm 3 or more.

아울러, 광학재료로 사용되는 산화아연 박막은 고품질의 결정성과 균일성을 필요로 한다. 그러한 요구를 충족하기 위하여, MOCVD(Metalorganic Chemical vapor Deposition), 분자빔 에피택시(Molecular beam epitaxy) 및 펄스 레이저 증착방법 등이 최근 사용되었다. In addition, zinc oxide thin films used as optical materials require high quality crystallinity and uniformity. To meet such demands, metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy and pulsed laser deposition methods have recently been used.

더욱이 산화아연 박막의 대량생산을 위해서는 MOCVD 방법이 가장 적합한 대안으로 제시되고 있다. Moreover, the MOCVD method is suggested as the most suitable alternative for mass production of zinc oxide thin films.

따라서, 본 발명은 아연 소스와 산소 소스를 분리시켜 기판위로 흘러가도록 함으로써, 소스가 기판에 도달하기 전의 균일핵생성을 억제하고 기판위에서만 반응이 일어나도록 하여, 특성이 우수한 산화아연 박막을 성장할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention separates the zinc source and the oxygen source and flows onto the substrate, thereby suppressing uniform nucleation before the source reaches the substrate and allowing the reaction to occur only on the substrate, thereby growing a zinc oxide thin film having excellent characteristics. The purpose is to provide a way.

본 발명의 다른 목적은 산소 및 도펀트 소스로서 일산화질소(N2O) 또는 또는 이산화질소(NO2)를 사용하여 질소가 도핑된 p형 산화아연 박막 성장방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a p-type zinc oxide thin film growth method doped with nitrogen using nitrogen monoxide (N 2 O) or nitrogen dioxide (NO 2 ) as the oxygen and dopant source.

본 발명의 다른 목적과 특징들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확하게 이해될 것이다. Other objects and features of the present invention will be more clearly understood through the preferred embodiments described below.

본 발명의 일실시예에 따른 산화아연 박막 성장 방법은 소정의 기판을 챔버 내로 장입하는 단계; N2 가스를 챔버 내로 유입시키는 단계; 아연 프리커서의 운반 가스 및 산소와 도펀트 소스를 공급하는 단계; 아연 소스를 챔버 내로 유입하는 단계를 포함하여 이루어진다.Zinc oxide thin film growth method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of charging a predetermined substrate into the chamber; Introducing N 2 gas into the chamber; Supplying a carrier gas and an oxygen and dopant source of the zinc precursor; Introducing a zinc source into the chamber.

바람직하게, 소정 기판을 챔버 내로 장입하는 단계는 기판을 TCE(trichroloethylene), 아세톤, 메탄올, 초순수물의 순서로 세척하는 단계; 및 세척된 기판을 질소 가스로 건조시키는 단계를 포함한다.Preferably, charging the substrate into the chamber comprises washing the substrate in the order of trichroloethylene (TCE), acetone, methanol, ultrapure water; And drying the cleaned substrate with nitrogen gas.

바람직하게, 아연 프리커서로써 디에틸아연(DEZn) 또는 디메틸아연(DMZn)을 사용하며 아연 프리커서의 운반가스는 Ar인 것을 특징으로 한다. 또한, 산소와 도펀트 소스는 일산화질소(N2O) 또는 이산화질소(NO2)가 사용되며, 아연 소스와 산소 소스는 서로 분리되어 기판위로 흘러가도록 한다.Preferably, diethylzinc (DEZn) or dimethylzinc (DMZn) is used as the zinc precursor, and the carrier gas of the zinc precursor is Ar. In addition, the oxygen and dopant sources are nitrogen monoxide (N 2 O) or nitrogen dioxide (NO 2 ) is used, the zinc source and oxygen source is separated from each other to flow over the substrate.

챔버는 반응 챔버와 시편장입챔버로 구성되며, 반응 챔버와 시편장입챔버는 분리 설치되어 시편의 장입시 반응챔버가 10-6 torr의 고진공을 유지하도록 한다. 반응 챔버는 APC(automatic pressure controller)를 통하여 성장 압력을 10 torr로 일정하게 유지하며, 반응 챔버는 유기 화합물에 의한 부식을 방지하기 위하여 부식 저항 로터리 펌프(corrosion resistive rotary pump)를 사용한다.The chamber is composed of a reaction chamber and a specimen loading chamber, and the reaction chamber and the specimen loading chamber are separately installed so that the reaction chamber maintains a high vacuum of 10 -6 torr when the specimen is loaded. The reaction chamber maintains a constant growth pressure of 10 torr through an automatic pressure controller (APC), and the reaction chamber uses a corrosion resistive rotary pump to prevent corrosion by organic compounds.

아연 프리커서의 운반가스 및 산소와 도펀트 소스는 MFC(mass flow controller)를 통해 공급되며, 항온조에 버블러를 넣어 아연(Zn) 프리커서의 증기압을 50 내지 100μ㏖로 일정하게 유지시킨다. 버블러의 온도는 박막 성장시 아연 프리커서가 디에틸아연(DEZn)인 경우 5℃ 내지 -10℃로 유지하고, 디메틸아연(DMZn)인 경우 10℃ 내지 -30℃로 유지하며, 버블러 내부 압력은 EPC(electronic pressure conotroller)를 이용하여 350 torr에서 900 torr의 압력을 유지한다.The carrier gas, oxygen and dopant source of the zinc precursor are supplied through a mass flow controller (MFC), and a bubbler is placed in a thermostat to maintain a constant vapor pressure of the zinc precursor at 50 to 100 μmol. The bubbler temperature is maintained at 5 ° C. to −10 ° C. when the zinc precursor is diethyl zinc (DEZn) during thin film growth, and at 10 ° C. to −30 ° C. when dimethyl zinc (DMZn) is used. The pressure is maintained at 350 torr to 900 torr using an electronic pressure conotroller (EPC).

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 산화아연 박막 성장에 사용되는 MOCVD 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. MOCVD 장치는 박막을 성장하기 전에 초기 진공을 위하여 터보 분자 펌프(turbo molecular pump)를 이용하여 1×10-6 torr 이하까지 진공 배기시켰다. 도 1을 참조하면, MOCVD 장치는 반응챔버(reaction chamber)(110)와 시편장입챔버(load-lock chamber)(120)로 구성되어 있다. 여기서, 반응챔버와 시편장입챔버는 따로 설치하여 시편의 장입시 반응기의 고진공을 계속 유지할 수 있도록 한다.1 is a view schematically showing a MOCVD apparatus used for growing a zinc oxide thin film according to the present invention. The MOCVD apparatus was evacuated up to 1 × 10 −6 torr or less using a turbo molecular pump for initial vacuum prior to growing the thin film. Referring to FIG. 1, the MOCVD apparatus is composed of a reaction chamber 110 and a load-lock chamber 120. Here, the reaction chamber and the specimen loading chamber are installed separately so that the high vacuum of the reactor can be maintained during loading of the specimen.

박막 성장시, 반응챔버(110)는 APC(automatic pressure controller)를 통하여 일정한 압력을 유지할 수 있도록 하였으며, 유기금속 화합물에 의한 부식을 방지하기 위하여 부식 저항 회전 펌프(corrosion resistive rotary pump)를 사용하여 진공배기 시켰다.During thin film growth, the reaction chamber 110 was able to maintain a constant pressure through an automatic pressure controller (APC), and a vacuum using a corrosion resistive rotary pump to prevent corrosion by organometallic compounds. Exhausted.

노즐은 아연 소스와 산소 소스가 서로 분리되어 기판(130) 위로 흘러가도록 구성되어 있으며, 이로 인하여 기판(130)에 도달하기 전의 균일핵색성이 억제되며 기판 위에서만 반응이 일어난다. 아연의 프리커서(precursor)로서 디에틸아연(DEZn)(optical grade) 또는 디메틸아연(DMZn)이 사용된다. 디에틸아연(DEZn)의 유입량을 일정하게 유지시키기 위하여 항온조에 버블러(bubbler)를 넣어 디에틸아연(DEZn)의 증기압(vapor pressure)을 일정하게 유지시킨다. 또한, 버블러의 압력을 일정하게 유지시키며, 운반가스(carrier gas)인 Ar을 흘려주어 반응챔버(110)로 유입되도록 한다.The nozzle is configured such that the zinc source and the oxygen source are separated from each other and flow over the substrate 130, thereby suppressing homogeneous nuclei before reaching the substrate 130 and reacting only on the substrate. As a precursor of zinc, diethylzinc (DEZn) (optical grade) or dimethylzinc (DMZn) is used. In order to maintain a constant inflow of diethyl zinc (DEZn) by placing a bubbler (bubbler) in a thermostat to maintain a constant vapor pressure (vapor pressure) of diethyl zinc (DEZn). In addition, the pressure of the bubbler is kept constant, and the Ar gas, which is a carrier gas, flows into the reaction chamber 110.

산소 소스와 질소 도펀트 소스로서 일산화질소(N2O) 가스 또는 이산화질소(NO2)를 사용한다. 또한, 질소가스로 반응챔버(110) 내부의 상부에서 푸싱 플로우(pushing flow)를 형성하여 반응챔버(110) 내부에서 기체의 상승을 방지하였다.Nitrogen monoxide (N 2 O) gas or nitrogen dioxide (NO 2 ) is used as the oxygen source and the nitrogen dopant source. In addition, a pushing flow is formed in the upper portion of the reaction chamber 110 using nitrogen gas to prevent the gas from rising inside the reaction chamber 110.

질소가 도핑된 p형 산화아연 박막을 성장시킨 후, 마스킹 공정을 통해 p형 산화아연 박막위에 Al이 도핑된 산화아연 박막을 고주파 마그네트론 스퍼터(RF magnetron sputter)를 이용하여 증착시킨 후 전류-전압 특성 측정을 실시한다.After growing the nitrogen-doped p-type zinc oxide thin film, the Al-doped zinc oxide thin film was deposited on the p-type zinc oxide thin film using a high-frequency magnetron sputter through a masking process, and then a current-voltage characteristic was observed. Make a measurement.

이하, 본 발명에 따른 산화아연 박막의 성장방법에 관하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of growing a zinc oxide thin film according to the present invention will be described.

먼저, 산화아연 박막을 성장하기 전에, 바람직하게, GaAs(001) 기판을 TCE(trichroloethylene), 아세톤, 메탄올, 초순수물의 순서로 초음파 세척기를 이용하여 각각 약 5분씩 세척을 실시한 후, 질소가스로 건조시킨다. 그 다음, 건조된 GaAs 기판을 MOCVD 장치의 시편장입챔버(120) 내로 장입시킨다.First, before growing the zinc oxide thin film, the GaAs (001) substrate is preferably washed for about 5 minutes using an ultrasonic cleaner in the order of trichroloethylene (TCE), acetone, methanol, and ultrapure water, and then dried with nitrogen gas. Let's do it. The dried GaAs substrate is then loaded into the specimen loading chamber 120 of the MOCVD apparatus.

그 다음, 반응챔버(110)를 약 1×10-6 torr로 진공상태로 만든 후에, 진공상태를 유지하면서 성장할 온도를 가열한다. 성장온도에 도달하면, 원하는 증착 분위기를 형성하기 위하여 니들 밸브(needle valve)를 사용하여 질소(N2)가스를 먼저 흘러준 후, MFC(mass flow controller)를 통하여 디에틸아연(DEZn)의 운반가스인 Ar과, 산소 및 도펀트 소스인 일산화질소(N2O)를 공급한다. 이 때, 반응챔버(110)의 압력을 일정하게 만들기 위하여 APC를 이용하여 자동으로 성장압력을 유지시킨다.Then, after making the reaction chamber 110 in a vacuum state at about 1 × 10 −6 torr, the temperature to be grown is maintained while maintaining the vacuum state. When the growth temperature is reached, nitrogen (N 2 ) gas is first flowed using a needle valve to form a desired deposition atmosphere, followed by transport of diethyl zinc (DEZn) through a mass flow controller (MFC). Ar, a gas, and nitrogen monoxide (N 2 O), an oxygen and dopant source, are supplied. At this time, in order to make the pressure in the reaction chamber 110 constant, the growth pressure is automatically maintained using APC.

그 다음, Ar 가스를 바이패스 라인에서 버블러를 통하도록 밸브를 조절한 후, 디에틸아연(DEZn) 소스를 반응챔버(110) 내로 유입시키면서 산화아연 박막 성장을 시작한다.Then, after adjusting the valve to pass the Ar gas through the bubbler in the bypass line, the zinc oxide thin film growth starts while introducing a diethylzinc (DEZn) source into the reaction chamber 110.

버블러의 온도는 박막 성장시 각각 5℃ 및 -10℃로 유지시켜, 일정한 디에틸아연(DEZn) 증기압이 유지되도록 한다. 참고적으로 디메틸아연(DMZn) 소스를 사용하는 경우에는 10℃ 내지 -30℃까지 확장할 수 있다. 버블러의 내부 압력은 EPC(electronic pressure controller)를 이용하여 350 torr에서 900 torr의 압력, 바람직하게 500 torr의 일정한 압력을 유지하여 챔버내부로 유입되는 디에틸아연(DEZn)과 Ar의 비율을 일정하게 함으로써, 아연의 유입량을 일정하게 유지시킨다. 아래 [표 1]은 MOCVD 장치를 이용한 질소 도핑된 산화아연 박막의 성장 조건을 보여준다.The bubbler temperature is maintained at 5 ° C. and −10 ° C., respectively, during thin film growth, to maintain a constant diethylzinc (DEZn) vapor pressure. For reference, when using a dimethylzinc (DMZn) source can be extended to 10 ℃ to -30 ℃. The internal pressure of the bubbler is maintained at a constant pressure of 350 to 900 torr, preferably 500 torr, using an electronic pressure controller (EPC) to maintain a constant ratio of diethyl zinc (DEZn) and Ar introduced into the chamber. By doing so, the inflow of zinc is kept constant. Table 1 below shows the growth conditions of the nitrogen doped zinc oxide thin film using the MOCVD apparatus.

샘플번호Sample number 성장온도(℃)Growth temperature (℃) 작업압력(torr)Working pressure (torr) Ar (sccm)Ar (sccm) 버블러온도(℃)Bubbler temperature (℃) EPC(torr)EPC (torr) N2O(sccm)N 2 O (sccm) 거리Street 성장시간Growth time 박막두께(μm)Thin film thickness (μm) 1One 450450 1010 8080 55 500500 4040 1.51.5 6060 22 22 450450 1010 8080 -10-10 500500 3030 1.51.5 6060 0.60.6

아래 [표 2]는 질소 도핑된 산화아연 박막의 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 조성 분석 결과를 보여준다.Table 2 below shows the results of the energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) composition analysis of the nitrogen-doped zinc oxide thin film.

샘플번호Sample number Zn Ka (%)Zn Ka (%) O Ka (%)O Ka (%) N Ka (%)N Ka (%) C Ka (%)C Ka (%) Ga Ka (%)Ga Ka (%) As Ka (%)As Ka (%) 1One 23.5023.50 39.1639.16 19.0619.06 6.996.99 6.036.03 5.265.26 22 18.4818.48 29.7129.71 15.8915.89 00 18.3418.34 17.6117.61

상기 [표 2]를 참조하면, 모든 박막에서 15 % 이상의 높은 질소가 검출되며, 이를 통해 일산화질소(N2O) 가스를 이용하여 산화아연 박막을 성장할 때 질소가 박막 내부에 도핑되는 것을 알 수 있다.Referring to [Table 2], it is found that at least 15% of high nitrogen is detected in all the thin films, through which nitrogen is doped into the thin film when the zinc oxide thin film is grown using nitrogen monoxide (N 2 O) gas. have.

도 2는 본 발명에 따른 질소 도핑된 산화아연 박막의 표면 형상 및 단면을 보여주는 FESEM(field emission scanning electron microscopy) 사진이다. 도 2를 참조하면, 박막 1의 경우 단면형상 관찰시 조밀한 단면을 관찰할 수 있으며, 표면형상의 경우 거친 표면형상을 보여준다. 그러나, 박막 2의 경우, 일산화질소(N2O)의 흐름을 낮추어 유입되는 산소 소스의 양을 감소시킨 경우 얇은 박막이 형성되는 것을 볼 수 있다.Figure 2 is a field emission scanning electron microscopy (FESEM) photograph showing the surface shape and cross section of the nitrogen-doped zinc oxide thin film according to the present invention. Referring to FIG. 2, in the case of the thin film 1, when the cross-sectional shape is observed, a dense cross section may be observed, and the surface shape may show a rough surface shape. However, in the case of the thin film 2, when the flow of nitrogen monoxide (N 2 O) is lowered to reduce the amount of oxygen source introduced, it can be seen that a thin thin film is formed.

도 3은 본 발명에 따른 질소 도핑된 산화아연 박막의 상온에서의 광발광(photoluminescence) 측정결과를 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 약 425 nm의 범위에서 넓은 피크(broad peak)가 관찰되며, 질소 도핑에 의한 억셉터(acceptor) 준위의 형성에 따른 DAP(donor acceptor pair) 천이에 의한 피크로 판단된다.3 is a view showing a photoluminescence measurement result at room temperature of the nitrogen-doped zinc oxide thin film according to the present invention. Referring to FIG. 3, a broad peak is observed in the range of about 425 nm, and it is determined as a peak due to a transition of a donor pair (DAP) due to the formation of an acceptor level by nitrogen doping.

도 4는 본 발명에 따른 질소 도핑된 산화아연 박막의 XDR 측정결과를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 산화아연(002)에 해당하는 피크가 약 34.5˚부근에서 강하게 관찰되며, 36.2˚에서 산화아연(101)에 해당하는 피크가 약하게 관찰된다. 31.7˚와 66.7˚에서는 GaAs 기판에 의한 피크가 관찰된다. 질소가 도핑된 산화아연 박막의 경우, 우선성장 방향인 산화아연(002) 방향으로 성장하며 이는 가장 낮은 표면에너지를 가지기 때문이다.4 is a view showing an XDR measurement result of the nitrogen-doped zinc oxide thin film according to the present invention. Referring to FIG. 4, a peak corresponding to zinc oxide 002 is strongly observed around 34.5 °, and a peak corresponding to zinc oxide 101 is weakly observed at 36.2 °. At 31.7 ° and 66.7 °, peaks due to GaAs substrates are observed. In the case of nitrogen-doped zinc oxide thin film, it grows in the direction of zinc oxide (002), which is the first growth direction, because it has the lowest surface energy.

아래 [표 3]은 질소가 도핑된 산화아연 박막의 반 데르 파우(Van der Pauw) 방법에 의한 홀(hall) 측정결과를 보여준다.[Table 3] below shows the Hall measurement results by Van der Pauw method of the nitrogen-doped zinc oxide thin film.

구분division 샘플 1Sample 1 샘플 2Sample 2 캐리어 타입Carrier type P 형P type P 형P type 이동도 (cm2/Vsec)Mobility (cm 2 / Vsec) 13.2313.23 5.035.03 농도 (cm-3)Concentration (cm -3 ) 2.80E182.80E18 2.75E182.75E18

상기 [표 3]을 참조하면, 두 박막 모두 p형 전도도를 나타내며, 정공의 농도는 각각 2.80E18 (cm-3)과 2.75E18 (cm-3)이다. 또한, 정공의 이동도는 13.2 (cm2/Vsec)와 5.0 (cm2/Vsec)이다. 박막 2의 경우 얇은 두께로 인하여 박막 내부의 잔류응력 및 이로 인한 결함 등을 유도하여 박막 1에 비하여 낮은 정공 이동도를 갖는다.Referring to [Table 3], both thin films exhibit a p-type conductivity, and the hole concentrations are 2.80E18 (cm −3 ) and 2.75E18 (cm −3 ), respectively. The hole mobility is 13.2 (cm 2 / Vsec) and 5.0 (cm 2 / Vsec). In the case of the thin film 2, the thin film has a lower hole mobility than the thin film 1 by inducing residual stress and defects caused by the thin film.

도 5는 본 발명에 따른 Al이 도핑된 n형 산화아연와 질소가 도핑된 p형 산화아연 박막의 전류-전압 특성을 보여주는 도면이다. 도 5는 MOCVD 장치를 이용하여 n형 ZnO/p형 ZnO/GaAs 구조를 제조한 후 n형 산화아연와 p형 산화아연 사이의 전류-전압 특성을 측정하여 얻은 결과이다. 역방향 바이어스 인가시, 약 4.5 V 정도까지 낮은 누설 전류값을 보이며, 4.5 V 이상에서 브레이크-다운(break-down) 현상이 발생하기 시작한다. 또한, 순방향 바이어스 인가시, 약 1.5 V 에서 턴-온 전압(turn-on voltage)이 나타난다. 상술한 바와 같은 낮은 턴-온 전압은 p형 산화아연 박막과 n형 산화아연 박막 계면 사이의 결함에 의한 것으로 야기된다.5 is a view showing the current-voltage characteristics of the n-type zinc oxide and Al-doped zinc oxide thin film doped with nitrogen according to the present invention. FIG. 5 shows the results obtained by measuring the current-voltage characteristics between n-type zinc oxide and p-type zinc oxide after fabricating an n-type ZnO / p-type ZnO / GaAs structure using a MOCVD apparatus. When the reverse bias is applied, the leakage current value is as low as about 4.5V, and break-down phenomenon starts to occur above 4.5V. Also, when forward bias is applied, a turn-on voltage appears at about 1.5V. The low turn-on voltage as described above is caused by a defect between the p-type zinc oxide thin film and the n-type zinc oxide thin film interface.

상술한 바와 같이, 본 발명은 아연 소스와 산소 소스를 분리시켜 기판위로 흘러가도록 함으로써, 상기 소스가 기판에 도달하기 전의 균일핵색성을 억제하고 기판위에서만 반응이 일어나도록 하여, 특성이 우수한 산화아연 박막을 얻을 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention separates the zinc source and the oxygen source and flows them onto the substrate, thereby suppressing homogeneous nucleus before the source reaches the substrate and allowing the reaction to occur only on the substrate, thereby providing excellent zinc oxide properties. It is effective to obtain a thin film.

도 1은 본 발명에 따른 산화아연 박막 성장에 사용되는 MOCVD 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.1 is a view schematically showing a MOCVD apparatus used for growing a zinc oxide thin film according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 질소 도핑된 산화아연 박막의 표면 형상 및 단면을 보여주는 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 사진이다.Figure 2 is a field emission scanning electron microscope (FESEM) photograph showing the surface shape and cross section of the nitrogen-doped zinc oxide thin film according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 질소 도핑된 산화아연 박막의 광발광 측정결과를 보여주는 도면이다.3 is a view showing a photoluminescence measurement result of the nitrogen-doped zinc oxide thin film according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 질소 도핑된 산화아연 박막의 XDR(X-ray Diffraction) 측정결과를 보여주는 도면이다.4 is a view showing the results of X-ray diffraction (XDR) measurement of the nitrogen-doped zinc oxide thin film according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 Al이 도핑된 n형 산화아연와 질소가 도핑된 p형 산화아연 박막의 전류-전압 특성을 보여주는 도면이다.5 is a view showing the current-voltage characteristics of the n-type zinc oxide and Al-doped zinc oxide thin film doped with nitrogen according to the present invention.

Claims (14)

기판을 챔버 내로 장입하는 단계;Charging the substrate into the chamber; 질소 가스를 상기 챔버 내로 유입시키는 단계;Introducing nitrogen gas into the chamber; 디에틸아연(DEZn) 또는 디메틸아연(DMZn)를 포함하는 아연 프리커서와 운반 가스를 포함하는 아연 소스, 산소 및 도펀트 소스를 공급하되 상기 아연 소스와 산소는 서로 분리되어 상기 기판 위를 흘러가도록 하는 단계; 및Supplying a zinc precursor comprising diethylzinc (DEZn) or dimethylzinc (DMZn), a zinc source comprising a carrier gas, an oxygen and a dopant source, the zinc source and oxygen being separated from each other and flowing over the substrate step; And MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition) 방법으로 상기 기판에 산화아연 박막을 성장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑으로 형성된 피형 산화아연 박막 성장 방법.A method of growing a zinc oxide thin film formed by nitrogen doping, comprising growing a zinc oxide thin film on the substrate by a MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) method. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 운반가스는 아르곤(Ar)을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑으로 형성된 피형 산화아연 박막 성장 방법.The method of claim 1, wherein the carrier gas comprises argon (Ar). 제 4 항에 있어서, 상기 도펀트 소스는 일산화질소(N2O) 또는 이산화질소(NO2)인 것을 특징으로 하는 질소 도핑으로 형성된 피형 산화아연 박막 성장 방법.The method of claim 4, wherein the dopant source is nitrogen monoxide (N 2 O) or nitrogen dioxide (NO 2 ). 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 운반가스와 산소 및 도펀트 소스는 MFC(mass flow controller)를 통해 공급되는 것을 질소 도핑으로 형성된 피형 특징으로 하는 산화아연 박막 성장 방법.The method of claim 1, wherein the carrier gas, the oxygen, and the dopant source are supplied through an MFC (mass flow controller) to form a zinc oxide thin film. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 아연 프리커서의 유입량을 일정하게 유지시키기 위하여 항온조에 버블러를 넣으며, 상기 버블러의 온도는 박막성장시 상기 아연 프리커서가 디에틸아연(DEZn)인 경우 5℃ 내지 -10℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑으로 형성된 피형 산화아연 박막 성장 방법.The method according to claim 1, wherein a bubbler is placed in a thermostat in order to maintain a constant flow rate of the zinc precursor, and the temperature of the bubbler is 5 ° C. to 5 ° C. when the zinc precursor is diethyl zinc (DEZn) during thin film growth. A method of growing a zinc oxide thin film formed by nitrogen doping, which is maintained at -10 ° C. 제 1 항에 있어서, 상기 아연 프리커서의 유입량을 일정하게 유지시키기 위하여 항온조에 버블러를 넣으며, 상기 버블러의 온도는 박막성장시 상기 아연 프리커서가 디메틸아연(DMZn)인 경우 10℃ 내지 -30℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑으로 형성된 피형 산화아연 박막 성장 방법.The method according to claim 1, wherein a bubbler is placed in a thermostat to maintain a constant flow rate of the zinc precursor, and the temperature of the bubbler is 10 ° C. to − when the zinc precursor is dimethylzinc (DMZn) during thin film growth. A method of growing a zinc oxide thin film formed by nitrogen doping, which is maintained at 30 ° C. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 버블러 내부 압력은 EPC(electronic pressure conotroller)를 이용하여 350 torr 내지 900 torr의 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 질소 도핑으로 형성된 피형 산화아연 박막 성장 방법.The method of claim 12, wherein the bubbler internal pressure is maintained at a pressure of 350 torr to 900 torr using an electronic pressure conotroller (EPC).
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