KR101965368B1 - Preparation Method for Zinc Tin Nitrogen Single Crystal Thin Film - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a zinc tin nitrogen single crystal thin film capable of manufacturing a single crystal thin film having a regular crystal lattice structure on various kinds of substrates and easily adjusting a band gap only by simple adjustment of conditions. More particularly, the present invention relates to a method for manufacturing a ZnSnN_2 single crystal thin film, comprising the steps of: (A) forming a ZnO single crystal thin film buffer layer of a wurtzite structure on a substrate; and (B) epitaxially growing a ZnSnN_2 single crystal thin film on the ZnO buffer layer.

Description

아연주석질소 단결정박막의 제조방법{Preparation Method for Zinc Tin Nitrogen Single Crystal Thin Film}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a zinc-tin nitrogen single crystal thin film,

본 발명은 다양한 종류의 기판에 규칙적인 결정격자 구조를 갖는 단결정 박막을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 조건의 조절만으로 밴드갭을 용이하게 조절할 수 있는 아연주석질소 단결정박막의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a zinc-tin nitrogen single crystal thin film capable of easily fabricating a single crystal thin film having a regular crystal lattice structure on various kinds of substrates and easily adjusting a band gap only by a simple adjustment of conditions.

반도체는 전자산업의 필수적인 부분을 차지하며 스마트폰부터 태양전지 패널에 이르기까지 거의 모든 분야에서 사용된다. 그러나 이러한 반도체에는 Te, Ga, In과 같은 희귀원소가 사용되며, 희귀원소는 원료의 공급과 가격에 대한 예견이 불가능하기 때문에, 매장량이 풍부하고 저렴한 원소를 이용한 반도체 소재의 개발이 필요하다.Semiconductors are an integral part of the electronics industry and are used in almost every area from smart phones to solar panels. However, rare metals such as Te, Ga and In are used in these semiconductors. Since rare elements can not predict the supply and price of raw materials, it is necessary to develop semiconductor materials using rich and cheap elements.

Zn-IV-N2 (IV=Si, Ge 또는 Sn)은 자연계에 풍부하게 존재하고, 환경 친화적이며, 독성이 없다는 장점으로 인해 InGaN과 같은 반도체 소재와 CdTe, CuOnGaSe2와 같은 태양전지 광흡수층의 대체제로서 주목을 받고 있다. 이에 ZnSiN2나 ZnGeN2에 대해서는 합성 방법과 특성에 대한 연구가 활발하게 이루어졌다. ZnSnN2는 ZnSiN2나 ZnGeN2에 비해 많은 연구가 이루어지지는 않았으며, 2013년 처음으로 합성이 보고된 이래, 매우 초기 연구단계에 머물러 있다. ZnSnN2는 ZnSiN2나 ZnGeN2보다 이론적으로 계산된 밴드갭 에너지가 적어 태양전지와 같은 반도체소자의 응용에 적합하다. 또한 T. D. Veal 등(Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1501462)은 YSZ(yttria-stabilized cubic zirconia) 기판 상에서 박막의 성장 조건을 변화시키는 것만으로 1.33~2.21 eV의 범위에서 밴드갭 에너지의 조절이 가능하다는 것을 보고한 이래 희귀금속을 포함하는 반도체 소재를 대체할 유망한 소재로서 잠재적인 응용가능성을 인정받고 있다. 아연과 주석은 모두 기존의 재활용 설비를 통하여 쉽게 얻을 수 있다.Zn-IV-N2 (IV = Si, Ge or Sn) is abundant in nature, environmentally friendly, and has no toxicity. Therefore, it is a substitute for semiconductor materials such as InGaN and solar cell light absorbing layers such as CdTe and CuOnGaSe2 It is getting attention. Therefore, the synthesis methods and properties of ZnSiN2 and ZnGeN2 have been actively studied. ZnSnN2 has not been studied much in comparison with ZnSiN2 or ZnGeN2, and since its synthesis was first reported in 2013, it is still in the early stage of research. ZnSnN2 is less theoretically calculated than ZnSiN2 or ZnGeN2 because of its low bandgap energy, making it suitable for the application of semiconductor devices such as solar cells. TD Veal et al (Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1501462) can adjust the band gap energy in the range of 1.33 ~ 2.21 eV by changing the growth condition of the thin film on yttria-stabilized cubic zirconia It has been recognized for potential application potential as a promising material to replace semiconductor materials containing rare metals. Both zinc and tin are readily available through existing recycling facilities.

2013년 Paul C. Quayle 등(MRS Communications 2013, 19, 135-138)은 400℃에서 플라즈마 보조 기체-액체-고체상 방법에 의해 밴드갭 에너지가 약 1.7 eV인 ZnSnN2 다결정 박막을 제조하였음을, N. Feldberg 등(Applied Physics Letters 2013, 103, 042109)은 분자선 에피택시법을 사용하여 밴드갭 에너지가 2.1 eV인 고순도의 ZnSnN2 다결정 박막을 제조할 수 있음을 보고하였다. 같은 해에 L. Lahourcade 등(Adv. Mater. 2013, 25, 2562-2566)도 사파이어와 GaN 상에 밴드갭 에너지가 2.0 eV인 다결정 ZnSnN2 박막을 마그네트론 스퍼터링에 의해 250℃에서 제조하였음을 보고하였다. 중국 공개특허 제104195514호 역시 마그네트론 스퍼터링에 의해 저온에서 ZnSnN2 다결정 박막을 제조하는 방법을 보고하였다.In 2013, Paul C. Quayle et al. (MRS Communications 2013, 19, 135-138) fabricated ZnSnN2 polycrystalline thin films with a bandgap energy of about 1.7 eV by the plasma assisted gas-liquid-solid method at 400 ℃. Feldberg et al. (Applied Physics Letters 2013, 103, 042109) reported that a high purity ZnSnN2 polycrystalline thin film with a band gap energy of 2.1 eV can be fabricated using the molecular beam epitaxy method. In the same year, L. Lahourcade et al. (Adv. Mater. 2013, 25, 2562-2566) also reported that a polycrystalline ZnSnN2 thin film with a band gap energy of 2.0 eV on sapphire and GaN was produced at 250 ° C by magnetron sputtering. Chinese Patent Publication No. 104195514 also reported a method of manufacturing a ZnSnN2 polycrystalline thin film at low temperature by magnetron sputtering.

상기 방법들은 모두 ZnSnN2 다결정 박막에 관한 것이나, 반도체 소자의 품질은 입계와 입계에 존재하는 원자배열의 틀어짐, 전위와 같은 결함에 의해 크게 좌우되기 때문에 반도체 소자 제작에 적용하기 위해서는 다결정에 비해 결함이 적은 고품질 ZnSnN2 단결정 박막의 성장이 요구된다. ZnSnN2 단결정 박막은 (111) YSZ 및 (001) LiGaO2 기판 상에 성장된 것만이 보고되었다. 그러나 (111) YSZ 및 (001) LiGaO2 기판은 희귀금속을 포함하여 여전히 수급에 문제가 있으며, 상업용 기판은 크기가 작고 비싸기 때문에 ZnSnN2 단결정 박막의 대면적 생산이나 대량생산에 의해 산업적으로 응용하는데 적용하기 어렵다.All of the above methods relate to a ZnSnN2 polycrystalline thin film. However, since the quality of a semiconductor device largely depends on defects such as dislocation and dislocation of the atomic arrangement existing in the grain boundaries and grain boundaries, Growth of high-quality ZnSnN2 single crystal thin films is required. ZnSnN2 single crystal thin films were only grown on (111) YSZ and (001) LiGaO2 substrates. However, since (111) YSZ and (001) LiGaO2 substrates contain rare metals, they still have problems in supply and demand. Because commercial substrates are small and expensive, they are applied to industrial applications by large area production or mass production of ZnSnN2 single crystal thin films. it's difficult.

중국 공개특허 제104195514호Chinese Patent Publication No. 104195514

Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1501462.Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1501462. MRS Communications 2013, 19, 135-138.MRS Communications 2013, 19, 135-138. Applied Physics Letters 2013, 103, 042109.Applied Physics Letters 2013, 103, 042109. Adv. Mater. 2013, 25, 2562-2566.Adv. Mater. 2013, 25, 2562-2566.

본 발명은 다양한 종류의 기판 상에 고품질의 ZnSnN2 단결정 박막을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a high quality ZnSnN2 single crystal thin film on various kinds of substrates.

또한 본 발명은 제조되는 ZnSnN2 단결정 박막의 밴드갭 에너지를 용이하게 조절할 수 있는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a ZnSnN2 single crystal thin film which can easily control the band gap energy of a ZnSnN2 single crystal thin film to be manufactured.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (A) 기판 상에 우르츠광 구조의 ZnO 단결정 박막 버퍼층을 형성하는 단계; 및 (B) ZnO 버퍼층 상에 ZnSnN2 단결정 박막을 에피 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법에 관한 것이다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film transistor, including: (A) forming a ZnO single crystal thin film buffer layer of a Wurtzite structure on a substrate; And (B) epitaxially growing a ZnSnN2 single crystal thin film on the ZnO buffer layer. The present invention also relates to a method for manufacturing a ZnSnN2 single crystal thin film.

종래 ZnSnN2 단결정 박막은 (111) YSZ 및 (001) LiGaO2 기판 상에서 성장된 것이 기재되어 있으나, 이들은 대면적 기판의 제작이 어려울 뿐 아니라 그 자체가 희귀금속을 포함하여 매장량이 풍부한 원소로 대체하고자 하는 목적에 위배될 뿐 아니라 가격 또한 비싸 실제 적용에 문제가 있다. 본 발명은 이미 다양한 기판 상에 단결정 박막을 형성하는 방법이 알려져 있는 우르츠광 구조의 ZnO 박막을 버퍼층으로 하여 고품질의 ZnSnN2 단결정 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.Conventional ZnSnN2 single crystal thin films have been grown on (111) YSZ and (001) LiGaO2 substrates, but they are difficult to fabricate large-area substrates and are in need of replacing themselves with rare earth- But also the price is too expensive and there is a problem in actual application. The present invention relates to a method for manufacturing a high-quality ZnSnN2 single crystal thin film using a buffer layer of a Wurtzite structure ZnO thin film, on which a method of forming a single crystal thin film on various substrates is known.

본 발명은 우르츠광 구조의 ZnO 박막을 버퍼층으로 사용하여 ZnSnN2 단결정 박막을 에피 성장시킨다는 것에 특징이 있는 것으로, 상기 (A) 단계인 ZnO 박막의 성장 방법에 특징이 있는 것은 아니므로 우르츠광 구조의 ZnO 박막을 형성시키는 방법에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다양한 기판 상에 우르츠광 구조의 ZnO 박막을 성장하는 방법에 대해서는 이미 종래기술에서 많은 선행 연구들이 이루어져 있으므로, 당업자라면 박막이 형성될 기판의 종류에 따라 적절한 방법을 선택하여 ZnO 버퍼층을 제조할 수 있을 것이다. 버퍼층의 두께가 너무 얇은 경우에는 균일한 두께의 버퍼층 형성이 어려워 ZnSnN2 박막의 성장에 좋지 않은 영향을 미쳤으며, 두께가 너무 두꺼운 경우에는 소자의 두께에 영향을 미칠 수 있으므로 10~300 nm 두께인 것이 바람직하였다. The present invention is characterized in that a ZnSnN2 single crystal thin film is epitaxially grown by using a ZnS thin film of a Wurtzite structure as a buffer layer. Since the ZnS thin film is not characterized by the growth method of the ZnO thin film of step (A) A detailed description of the method of forming the thin film is omitted. As a method for growing a ZnO thin film having a Wurtzite structure on a variety of substrates, many prior studies have already been made in the prior art, so that those skilled in the art will be able to select a suitable method according to the type of substrate on which a thin film is to be formed, will be. When the thickness of the buffer layer is too thin, it is difficult to form a buffer layer having a uniform thickness, which adversely affects the growth of the ZnSnN2 thin film. If the thickness of the buffer layer is too thick, it may affect the thickness of the device. Respectively.

상기 (B) 단계는 ZnO 버퍼 층의 결정 격자를 따라 ZnSnN2 단결정 박막을 에피 성장시키는 단계이다. 에피 성장 시에 기판의 결정 격자와 성장되는 박막의 결정 격자 간 격자 부정합이 큰 경우에는 부정합(misfit) 전위, 전파(threading) 전위, 적층결합 및 반전 도메인 경계(IDB, inversion domain boundary) 등의 결합이 발생할 수 있으며, 이러한 결함은 소자의 수명을 단축시키고 성능을 저하시킨다. 우르츠광 구조의 ZnO 박막은 ZnSnN2 단결정 박막과의 격자 불일치가 4.2%로 작아 ZnSnN2 단결정 박막의 성장에 매우 유용할 것으로 판단하였으며, 실제 박막의 에피 성장 결과에서도 고품질의 슈도-우르츠광 구조의 ZnSnN2 단결정 박막이 성장되었다. 따라서 본 발명에 의하면 YSZ나 LiGaO2와 같은 고가의 기판을 사용하지 않고도 기판의 재질에 제한되지 않고 다양한 기판 상에 ZnSnN2 단결정 박막을 제조할 수 있다. 하기 실시예에서 기판으로 사용한 Al2O3는 ZnSnN2과의 격자 부정합이 29%로, ZnO 버퍼층을 사용하지 않은 Al2O3 기판에서는 무정형의 ZnSnN2 박막이 형성되었다.In the step (B), the ZnSnN2 single crystal thin film is epitaxially grown along the crystal lattice of the ZnO buffer layer. In the case where the crystal lattice mismatch between the crystal lattice of the substrate and the grown crystal lattice mismatch is large at the time of epitaxial growth, a combination of misfit dislocation, threading dislocation, lamination bonding and inversion domain boundary (IDB) And such defects shorten the lifetime of the device and deteriorate the performance. The ZnO thin film of the Wurtzite structure has a lattice mismatch of 4.2% with the ZnSnN2 single crystal thin film, which is considered to be very useful for the growth of the ZnSnN2 single crystal thin film. As a result of the actual epitaxial growth of the ZnSnN2 single crystal thin film, a high quality Pseudo-Wurtzite ZnSnN2 single crystal thin film Was grown. Therefore, according to the present invention, a ZnSnN2 single crystal thin film can be manufactured on various substrates without being limited to the substrate material without using expensive substrates such as YSZ and LiGaO2. In the following examples, Al2O3 used as a substrate had a lattice mismatch with ZnSnN2 of 29%, and an amorphous ZnSnN2 thin film was formed on an Al2O3 substrate not using a ZnO buffer layer.

상기 ZnSnN2 단결정 박막의 에피 성장 방법은 종래 박막의 에피 성장에 사용되는 방법이라면 어느 방법을 적용하여도 무방하다. 예를 들면, 분자선 에피택시법, 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition), 원자층증착(ALD, atomic layer deposition), 펄스레이저증착(PLD, pulsed laser deposition)을 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The epitaxial growth method of the ZnSnN2 single crystal thin film may be any method as long as it is a method for epitaxial growth of a conventional thin film. For example, molecular beam epitaxy, sputtering, chemical vapor deposition (CVD), atomic layer deposition (ALD), and pulsed laser deposition (PLD) But is not limited thereto.

ZnSnN2 단결정 박막의 구체적인 에피 성장 조건은 박막의 성장 방법, 사용된 장비의 종류나, 크기, 진공도, 작업가스의 유속, 박막의 성장 온도, 소스 가스의 유량 등을 세부적으로 조절하여 최적화할 수 있음은 당연하다. 성장되는 박막의 두께 역시 박막 형성 시간에 의해 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, ZnSnN2 단결정 박막의 에피 성장 조건을 세부적으로 한정하는 것은 의미가 없다.The specific epitaxial growth conditions of the ZnSnN2 single crystal thin film can be optimized by controlling the growth method of the thin film, the kind of the used equipment, the size, the degree of vacuum, the flow rate of the working gas, the growth temperature of the thin film, Of course. The thickness of the thin film to be grown can also be easily controlled by the thin film formation time. Therefore, it is meaningless to finely define the epitaxial growth conditions of the ZnSnN2 single crystal thin film.

하기 실시예와 같이 분자선 에피택시법을 사용하는 경우, 예를 들면 Zn와 Sn의 공급비는 10:1~40:1인 것이 바람직하였는데, 세부적인 조건의 변화에 따라 공급비의 실제적인 박막형성 기여도 역시 영향을 받을 수 있으므로 상기 범위 이외의 온도를 제외하는 것은 아니다. 이때, ZnSnN2 단결정 박막의 성장 온도는 350~550℃인 것이 바람직하였다. 온도가 너무 낮거나, 온도가 너무 높으면 결정성이 낮아져 단결정 박막으로 성장하기 어려웠다. 그러나 세부적인 조건의 변화에 따라 온도 역시 영향을 받을 수 있으므로 상기 범위 이외의 온도를 제외하는 것은 아니다.In the case of using the molecular beam epitaxy method as in the following examples, for example, the supply ratio of Zn and Sn is preferably from 10: 1 to 40: 1. However, the actual thin film formation The contribution is also affected, so it does not exclude temperatures outside the above range. At this time, the growth temperature of the ZnSnN 2 single crystal thin film was preferably 350 to 550 ° C. When the temperature is too low or the temperature is too high, crystallinity is lowered and it is difficult to grow into a single crystal thin film. However, since temperatures may also be affected by changes in detailed conditions, temperatures outside the above ranges are not excluded.

튜닝 가능한 밴드갭은 고체 조명이나 태양전지와 같은 광전자 소자에 적용 시 매우 중요한 특성 중 하나이다. 분자선 에피택시법에 의해 제조된 ZnSnN2 단결정 박막의 밴드갭 에너지는 1.8~2.2ev였으며, (B) 단계의 ZnSnN2 박막 성장온도를 변화시키는 것만으로 용이하게 조절될 수 있다. Tunable band gaps are one of the most important characteristics when applied to optoelectronic devices such as solid-state lighting or solar cells. The bandgap energy of the ZnSnN2 single crystal thin film prepared by the molecular beam epitaxy method was 1.8 ~ 2.2ev and can be easily controlled only by changing the ZnSnN2 thin film growth temperature in step (B).

본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조된 ZnSnN2 단결정 박막을 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다. 상기 반도체 소자는 특히 고체 조명(solid lighting)이나 태양전지와 같은 광전 소자인 것이 바람직하다.The present invention also relates to a semiconductor device comprising a ZnSnN2 single crystal thin film produced by the above method. The semiconductor device is preferably a photoelectric device such as solid lighting or a solar cell.

이상과 같이 본 발명의 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법은 다양한 기판 상에서 단결정 박막의 제조방법이 잘 알려진 ZnO 버퍼층을 활용하는 것에 의해 기판의 종류와 무관하게 고품질의 ZnSnN2 단결정 박막을 제조할 수 있어, 희귀금속을 대체하여 매장량이 풍부한 원소로 이루어진 ZnSnN2 박막을 포함하는 반도체 소자의 제조에 유용하게 사용될 수 있다. As described above, the method of manufacturing the ZnSnN2 single crystal thin film of the present invention can produce a high quality ZnSnN2 single crystal thin film regardless of the kind of the substrate by utilizing the well known ZnO buffer layer on the various substrates, The present invention can be effectively used for manufacturing a semiconductor device including a ZnSnN2 thin film made of elements rich in deposits.

또한 본 발명의 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법은 단순히 박막의 성장 온도만을 조절하는 것에 의해 밴드갭 에너지를 용이하게 조절할 수 있어 고체 조명이나 태양전지와 같은 광전자 소자에 광범위하게 적용될 수 있다. In addition, since the band gap energy can be easily controlled by adjusting only the growth temperature of the thin film, the ZnSnN2 single crystal thin film of the present invention can be widely applied to an optoelectronic device such as a solid-state lighting or a solar cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 ZnSnN2 박막의 반사고에너지전자회절 이미지.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 ZnSnN2 박막의 XRD 스펙트럼.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 ZnSnN2 박막 단면의 TEM 이미지.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 ZnSnN2 박막의 ZnO/ZnSnN2 계면 및 상부 ZnSnN2 영역의 HRTEM 이미지.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 ZnSnN2 박막 생성 초기의 반사고속전자선회절 이미지.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 ZnSnN2 박막의 AFM 이미지.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 ZnSnN2 박막의 흡광 스펙트럼.
FIG. 1 is a half-dead energy electron diffraction image of a ZnSnN2 thin film prepared according to an embodiment of the present invention.
2 is an XRD spectrum of a ZnSnN2 thin film produced according to an embodiment of the present invention.
3 is a TEM image of a ZnSnN2 thin film section fabricated according to an embodiment of the present invention.
4 is a HRTEM image of the ZnO / ZnSnN2 interface and the upper ZnSnN2 region of a ZnSnN2 thin film fabricated according to an embodiment of the present invention.
5 is a reflection high-speed electron beam diffraction image at the initial stage of the production of a ZnSnN2 thin film produced by an embodiment of the present invention.
6 is an AFM image of a ZnSnN2 thin film produced according to an embodiment of the present invention.
7 is an absorption spectrum of a ZnSnN2 thin film produced according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, these embodiments are merely examples for explaining the content and scope of the technical idea of the present invention, and thus the technical scope of the present invention is not limited or changed. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention based on these examples.

[실시예][Example]

실시예 1 : ZnSnN2 박막의 제조Example 1: Preparation of ZnSnN2 thin film

1×1 inch 크기의 (0001) Al2O3 기판을 아세톤과 메탄올에서 순차적으로 초음파 처리한 후, H2SO4: H3PO4 = 3:1 (v/v) 식각액 중에서 160℃로 15분간 처리하여 그리즈를 제거하였다. 이후 DI 수로 세척하고, 질소 가스를 사용하여 건조시켰다.(0001) Al 2 O 3 substrate of 1 × 1 inch size was sequentially ultrasonicated in acetone and methanol, and then immersed in an etching solution of H 2 SO 4 : H 3 PO 4 = 3: 1 (v / v) And treated for a minute to remove grease. Then washed with DI water and dried using nitrogen gas.

플라즈마 보조 분자선 에피택시(PAMBE, plasma-assisted molecular beam epitaxy) 장비를 사용하여 Al2O3 기판 상에 ZnO 버퍼층과 ZnSnN2 박막층을 순차적으로 성장시켰다. 6N 순도의 금속 아연(Zn)과 주석(Sn) 소스는 표준 분출셀(effusion cell)을 사용하여 공급하였으며, 유량(flux)은 수정진동자저울(quartz crystal microbalance)을 사용하여 측정하였다. 산소 또는 질소 라디칼은 RF 플라즈마 소스를 사용하여 공급하였다. ZnO buffer layer and ZnSnN2 thin film layer were successively grown on Al 2 O 3 substrate using plasma assisted molecular beam epitaxy (PAMBE) equipment. The metal zinc (Zn) and tin (Sn) sources of 6N purity were supplied using a standard effusion cell and the flux was measured using a quartz crystal microbalance. Oxygen or nitrogen radicals were supplied using an RF plasma source.

ZnO 버퍼층 형성 전에 기판은 800℃에서 30분간 산소 플라즈마로 처리하였다. 이후 700℃에서 플라즈마 파워 300 W, 산소 유속 2 sccm, Zn 유량 2 Å/s의 조건에서 30분간 증착하여 100 nm 두께의 ZnO 버퍼층을 형성하였다. ZnO 버퍼층 성장 후, 주 셔터를 닫고 산소 플라즈마를 껐다. Before forming the ZnO buffer layer, the substrate was treated with oxygen plasma at 800 ° C for 30 minutes. Thereafter, a ZnO buffer layer having a thickness of 100 nm was formed at 700 ° C. under a plasma power of 300 W, an oxygen flow rate of 2 sccm, and a Zn flow rate of 2 Å / s for 30 minutes. After growing the ZnO buffer layer, the main shutter was closed and the oxygen plasma was turned off.

주 셔터를 닫은 채로 질소 플라즈마를 5분간 발생시켜 플라즈마 셀에 잔류하는 산소를 제거하였다. 이후 플라즈마 파워 300 W, 질소 유속 0.2 sccm으로 조절하고, Zn 유량은 2 Å/s로 유지한 상태에서 Sn 셀의 온도를 높여 유량이 0.1 Å/s가 되도록 하여 2시간동안 40 nm 두께의 ZnSnN2 박막을 성장시켰다. 성장 온도는 350, 450, 550 또는 650℃로 조절하였다.A nitrogen plasma was generated for 5 minutes while the main shutter was closed to remove oxygen remaining in the plasma cell. Then, the ZnSnN2 thin film was grown to a thickness of 40 nm for 2 hours by adjusting the plasma power to 300 W and the nitrogen flow rate to 0.2 sccm while maintaining the Zn flow rate at 2 Å / s and increasing the temperature of the Sn cell to a flow rate of 0.1 Å / . The growth temperature was adjusted to 350, 450, 550 or 650 ° C.

실시예 2 : ZnSnN2 박막의 구조 특성 평가Example 2 Evaluation of Structural Characteristics of ZnSnN2 Thin Films

각 온도에서 성장된 ZnSnN2 박막을 반사고에너지전자회절(RHEED, reflection high-energy electron diffraction)로 실시간으로 모니터링하고 그 결과를 도 1에 도시하였다. 도 1은 사파이어 기판의 [1100]과 [1200] 방위각을 따른 RHEED 패턴을 보여주는 이미지로, (a)는 Al2O3 기판, (b)는 ZnO 버퍼층 (c)~(f)는 각각 350, 450, 550 및 650℃에서 성장된 ZnSnN2 박막의 회절 패턴을 나타낸다. (g)는 ZnO와 ZnSnN2의 에피택시얼 관계(epitaxial relation)를 보여주는 모식도이며, (h)는 ZnO 버퍼층 없이 Al2O3 기판 상에 직접 형성된 ZnSnN2 박막에 대한 회절 패턴을 나타낸다.The ZnSnN2 thin film grown at each temperature was monitored in real time by reflection high-energy electron diffraction (RHEED) and the results are shown in Fig. Figure 1 is a image showing a RHEED pattern according to the sapphire substrate [1100] and [1200] azimuth, (a) is Al 2 O 3 substrate, (b) is a ZnO buffer layer (c) ~ (f) are respectively 350, 450, 550, and 650 ° C of the ZnSnN2 thin film. (g) is a schematic diagram showing an epitaxial relation between ZnO and ZnSnN 2 , and (h) shows a diffraction pattern for a ZnSnN 2 thin film formed directly on an Al 2 O 3 substrate without a ZnO buffer layer.

도 1의 (a)와 (b)는 사파이어의 결정방향에 대해 30°에서 회전한 전형적인 단결정 ZnO의 RHEED를 보여준다. ZnO 격자가 Al2O3의 산소 부격자를 따라 정렬되어, ZnO의 [1100]방향은 사파이어의 [1120] 방향을 따라 정렬된다. RHEED 패턴은 매우 평평한 표면이 특징인 선명한 줄무늬의 선들을 보여준다. Figures 1 (a) and 1 (b) show RHEED of a typical single crystal ZnO rotated at 30 degrees relative to the crystal orientation of sapphire. The ZnO lattice is aligned along the oxygen sublattice of Al 2 O 3 so that the [1100] direction of ZnO is aligned along the [1120] direction of the sapphire. The RHEED pattern shows a line of bright stripes characterized by a very flat surface.

ZnO 버퍼층 상에 350℃에서 성장된 ZnSnN2 박막은 도 1의 (c)에서 확인할 수 있듯이 흐릿하고 퍼진 줄무늬 패턴을 보여주는데, 이는 표면이 불규칙함을 시사한다. 450℃와 550℃에서 성장된 ZnSnN2 박막(도 1의 (d)와 (e))은 선명하고 깨끗한 줄무늬 패턴을 나타내며 이는 표면이 평평하고 결정성이 높은 박막이 성장되었음을 나타낸다. 박막 성장온도가 650℃로 증가함에 따라(도 1의 (f)) RHEED 패턴은 다시 흐릿하고 퍼진 점선 형태로 바뀌어 결정성이 낮아졌음을 보여주었다. The ZnSnN2 thin film grown at 350 캜 on the ZnO buffer layer shows a blurred and spreading stripe pattern as shown in Fig. 1 (c), suggesting that the surface is irregular. The ZnSnN2 thin films grown at 450 ° C and 550 ° C (Fig. 1 (d) and (e)) show a clear and clean stripe pattern, which indicates that a flat, highly crystalline thin film is grown. As the growth temperature of the thin film was increased to 650 ° C (FIG. 1 (f)), the RHEED pattern was again blurred and changed into a spread dotted line to show that the crystallinity was lowered.

ZnSnN2는 주로 사방정계(orthorhombic)와 슈도-우르츠광형(pseudo-wurtzite) 단사정(monoclinic) 구조를 갖는다고 알려져 있다. ZnSnN2 박막의 성장과정을 RHEED에 의해 실시간으로 관측한 결과, 사방정계 ZnSnN2 구조의 특징인 이중 줄무늬(doubling streaks)는 전혀 관측되지 않았으며, 우르츠광 구조인 ZnO 버퍼층의 RHEED 패턴과 동일한 특성인 방위각에 대한 60°회전대칭 특성만을 나타내었다. 사방정계 ZnSnN2는 180° 회전대칭 특성을 갖는다. 따라서 상기 실시예 1에 의해 성장된 ZnSnN2 박막은 슈도-우르츠광 구조임을 확인할 수 있다.ZnSnN2 is known to have mainly orthorhombic and pseudo-wurtzite monoclinic structures. As a result of observing the growth process of ZnSnN2 thin film by RHEED in real time, no doubling streaks characteristic of the orthorhombic ZnSnN2 structure were observed, and azimuth angle, which is the same characteristic as the RHEED pattern of the ZnO buffer layer of the Wurtzite structure Only 60 ° rotational symmetry is shown. The orthorhombic ZnSnN2 has a 180 ° rotational symmetry property. Therefore, it can be confirmed that the ZnSnN2 thin film grown by the above Example 1 has a pseudo-urushian structure.

이러한 에피택셜 관계는 (0001) 슈도-우르츠광 ZnSnN2과 (0001) 우르츠광 ZnO가 동일한 대칭 특성을 갖고 있으며, 미스매칭의 정도가 4%로 매우 적은 것으로부터 ZnSnN2 박막의 [1120] 및 [1110] 방향은 각각 ZnO의 [1120]과 [1110] 방향에 평행한 것으로 결정되었다. ZnSnN2와 ZnO의 에피택셜 관계는 도 1의 (g)에 도시하였다. 슈도-우르츠광 구조의 ZnSnN2와 c-Al2O3의 격자 미스매칭은 29%로 양질의 ZnSnN2 박막을 성장하기에는 너무 크다. ZnO 버퍼층이 없는 상태에서의 ZnSnN2 박막의 성장 특성을 확인하기 위하여 박막 성장 온도는 ZnO 존재 시 가장 결정성이 우수하였던 450℃의 조건에서 c-Al2O3 기판에 직접 ZnSnN2 박막을 성장시켰다. 도 1의 (h)는 성장된 ZnSnN2의 RHEED 패턴을 보여주는 것으로 아무런 패턴도 관측되지 않았다. 이는 성장된 ZnSnN2이 무정형이거나, 매우 불규칙한 것을 의미한다.[1120] and [1110] of the ZnSnN2 thin film are obtained from the (0001) Pseudo-Wurtzite ZnSnN2 and (0001) Wurtzite ZnO having the same symmetry property and the degree of mismatching is as small as 4% Direction were determined to be parallel to the [1120] and [1110] directions of ZnO, respectively. The epitaxial relationship between ZnSnN2 and ZnO is shown in Fig. 1 (g). Pseudo-Ur lattice mismatching of the structure of cheugwang ZnSnN2 and c-Al 2 O 3 is too large to grow a high-quality thin film ZnSnN2 to 29%. Thin film growth temperature in order to determine the growth characteristics of the thin film of ZnSnN2 in the absence of the buffer layer ZnO ZnO state exists when grown directly on thin ZnSnN2 c-Al 2 O 3 substrate under the conditions of 450 ℃ who is the crystalline solid. Fig. 1 (h) shows the RHEED pattern of the grown ZnSnN2, and no pattern was observed. This means that the grown ZnSnN2 is amorphous or very irregular.

ZnO 버퍼층 상에 형성된 ZnSnN2 박막의 결정성을 더욱 확인하기 위하여 Bruker AXS D8 DISCOVER diffractometer를 사용하여 고해상도 X-선 회절(XRD) 분석을 실시하였다. High resolution X-ray diffraction (XRD) analysis was performed using a Bruker AXS D8 DISCOVER diffractometer to further confirm the crystallinity of the ZnSnN2 thin film formed on the ZnO buffer layer.

도 2는 그 결과를 보여주는 스펙트럼으로, 도 2의 (a)는 450 및 550℃에서 성장된 박막의 XRD θ-2θ 측정 결과를 보여주며, ■는 사파이어 기판에 의한 피크를 나타낸다. FIG. 2 shows spectra of the results. FIG. 2 (a) shows XRD θ-2 θ measurement results of the thin films grown at 450 and 550 ° C., and FIG. 2 shows peaks due to the sapphire substrate.

두 시료 모두 ZnSnN2에 대해 32.65°의 2θ 위치인 68.35°에서 동일한 피크가 관측되었는데, 이는 슈도-우르츠광 구조의 (0002) 및 (0004) ZnSnN2 회절에 기인한다. 아연 질산화물(ZnN)이나 주석질산화물(SnN)의 피크는 관측되지 않았다. 450℃에서 성장된 박막은 550℃에서 성장된 박막에 비해 폭이 좁고 예리한 피크를 보여 결정성이 더 우수함을 나타내었다. (0002) 및 (0004) ZnSnN2 피크의 위치는 c-축 격자 파라메타가 평균 5.480 Å임을 나타내는데 이는 N. Feldberg 등에 의해 보고된 5.416 ~ 5.567 Å에 상응하였다. ZnSnN2의 (0002) 및 (0004) 피크의 부근인 34.44°와 72.370°에는 각각 ZnO의 (0002) 및 (0004) 피크가 관측되으며, 이로부터 계산된 우르츠광 ZnO의 c-축 격자 파라메타는 평균 5.201 Å로 종래 알려진 5.207 Å가 일치하였다. ZnSnN2와 ZnO의 회절 피크 이외에는 어떠한 다른 피크도 관측되지 않아 박막의 c-축 성장이 우세함을 나타내었다. Both samples showed the same peak at 68.35 ° at a 2θ position of 32.65 ° for ZnSnN 2, which is attributed to (0002) and (0004) ZnSnN 2 diffraction of the pseudo-wurtzite structure. No peaks of zinc oxide (ZnN) or tin oxide (SnN) were observed. Thin films grown at 450 ℃ showed narrower and sharp peaks compared to the films grown at 550 ℃, showing better crystallinity. The positions of the (0002) and (0004) ZnSnN2 peaks indicate that the c-axis lattice parameters averaged 5.480 Å, corresponding to 5.416-5.567 Å reported by N. Feldberg et al. (0002) and (0004) peaks of ZnO are observed at 34.44 ° and 72.370 ° near the (0002) and (0004) peaks of ZnSnN 2, respectively, and the c-axis lattice parameters of the calculated wurtzite ZnO are averaged 5.201 Å, which is known as 5.207 Å. No other peaks were observed except for the diffraction peaks of ZnSnN2 and ZnO, indicating that the c-axis growth of the thin film predominated.

도 2의 (b)는 450℃에서 성장된 ZnSnN2 박막으로부터 측정된 (1011) ZnSnN2 및 (1011) ZnO 회절에 대한 phi 스탠 결과로, (1010) ZnO에 대하여 ZnSnN2dl 동일 평면에 배열(in-plane alignment)되어 있음을 확인할 수 있다. ZnSnN2에 대한 XRD phi 스캔 조건은 N. Feldberg 등에 의해 보고된 슈도-우르츠광 구조에 기반한 결정 구조에 맞춰 조절하였다. 슈도-우르츠광 ZnSnN2 phi 스캔 회절 피크는 (1011) ZnSnN2의 2θ 34.68°, ZnSnN2의 (1011)과 (0001)의 각도를 나타내는 χ값 62.15°로부터 예측된 정확한 위치에서 관측되었다. (1011) ZnSnN2와 (1011) ZnO로부터 피트들은 phi 각 60° 간격으로 분리되어 나타나, 우르츠광 결정 구조의 특징인 60°회전대칭을 확인할 수 있었다. XRD θ-2θ 측정에서 ZnSnN2와 ZnOdml [000L] 피크만이 관측된다는 것과 (0011) ZnSnN2과 (0011) ZnO로부터 60° 회전대칭을 갖는다는 사실은 ZnO 버퍼층과 함께 ZnSnN2 박막이 모두 단결정 박막임을 나타낸다.FIG. 2 (b) shows the results of phi stanting for the (1011) ZnSnN 2 and (1011) ZnO diffraction measured from the ZnSnN 2 thin film grown at 450 ° C., and the ZnSnN 2dl in-plane alignment ). The XRD phi scan conditions for ZnSnN2 were tailored to the crystal structure based on the Pseudo-Wurtzite structure reported by N. Feldberg et al. The Pseudo-Wurtzite ZnSnN2 phi scan diffraction peak was observed at the correct position predicted from 2θ 34.68 ° of (1011) ZnSnN 2 and χ value 62.15 ° representing the angle (1011) and (0001) of ZnSnN 2. (1011) ZnSnN2 and (1011) ZnO, the pits were separated at intervals of 60 degrees of phi, and 60 ° rotational symmetry, which is characteristic of the Wurtzite crystal structure, was confirmed. The fact that only ZnSnN2 and ZnOdml [000L] peaks are observed in the XRD θ-2θ measurement and that the ZnSnN2 thin film is a single crystal thin film together with the ZnO buffer layer in the fact that the ZnOnN2 and ZnOdml [000L] peaks are observed from (0011) ZnSnN2 and (0011) ZnO.

ZnO 버퍼층과 ZnSnN2 박막의 결정성은 도 2의 (c)에 도시된 omega rocking curves로부터 알 수 있다. omega rocking curve의 (0002) 반사의 반치폭(FWHM, full width at half maximum)은 일반적으로 에피택셜 박막의 경사 모자이크(tilt mosaic) 구조를 나타낸다. ZnSnN2의 FWHM은 450℃에서 제조된 박막이 0.52 또는 550℃에서 제조된 박막이 0.71°로 450℃에서 제조된 박막의 결정성이 더 우수함을 나타낸다. Crystallinity of the ZnO buffer layer and the ZnSnN2 thin film can be seen from the omega rocking curves shown in Fig. 2 (c). The full width at half maximum (FWHM) of the (0002) reflection of the omega rocking curve generally represents the tilt mosaic structure of the epitaxial film. The FWHM of ZnSnN2 indicates that a thin film prepared at 450 ° C has a crystallinity of 0.50 or 550 ° C and a thin film made at 450 ° C has a crystallinity of 0.71 °.

ZnSnN2 박막의 미세구조를 확인하기 위하여, TEM (JEOL JEM-ARM200F)으로 단면을 관측하고 그 결과를 도 3에 도시하였다. TEM 시료는 focus ion beam process (FEI Nova 200)를 사용하여 제작하였다. In order to confirm the microstructure of the ZnSnN2 thin film, a cross section was observed with a TEM (JEOL JEM-ARM200F), and the results are shown in Fig. TEM samples were prepared using the focus ion beam process (FEI Nova 200).

도 2의 (a)는 450℃에서 성장된 ZnSnN2 박막 시료 단면의 명시야(bright-field) TEM 이미지이며, (b)는 EDS 원소 맵핑으로 시편이 ZnSnN2/ZnO/Al2O3 구조를 갖는 것을 명확하게 보여준다. 도 3의 (a)에서 ZnO 버퍼층과 ZnSnN2 층 사이의 경계를 점선으로 표시하였다. 도 3의 (c)와 (d)는 각각 (a)에서 원으로 표시된 ZnO/Al2O3 및 ZnSnN2/ZnO 경계면의 영역의 회절 패턴(SAD pattern)이다. 도 3의 (c)로부터 [1010] Al2O3 단결절 회절 패턴과 ZnO의 [1120] 단결정 회절 패턴을 확인할 수 있다. 도 3의 (d)는 ZnO [1120] 단결정 회절 패턴과 ZnSnN2 [1120] 회절 패턴을 보여준다. ZnSnN2의 SAD 패턴은 전술한 결과와 마찬가지로 슈도-우르츠광 구조의 패턴에 해당한다. 따라서 [1010] ZnSnN2 // [1010] ZnO // [1120] Al2O3, [1120] ZnSnN2 // [1120] ZnO // [10100] Al2O3 및 [0001] ZnSnN2 // [0001] ZnO // [0001] Al2O3 에피택셜 관계를 결정하였으며, 이는 상기의 RHEED 및 XRD 결과와 일치한다. ZnSnN2 박막에 대한 정량적인 EDS 분석에 의하면, Zn/Sn의 원자비는 1.3:1 이었다. FIG. 2 (a) is a bright-field TEM image of a ZnSnN 2 thin film sample grown at 450 ° C., and FIG. 2 (b) is an EDS element mapping showing that the sample has a ZnSnN 2 / ZnO / Al 2 O 3 structure It clearly shows. In FIG. 3 (a), the boundary between the ZnO buffer layer and the ZnSnN2 layer is indicated by a dotted line. (C) and (d) of FIG. 3 are the diffraction patterns (SAD patterns) of the regions of the ZnO / Al 2 O 3 and ZnSnN 2 / ZnO interfaces, respectively, circled in (a). From FIG. 3 (c), the [1010] Al 2 O 3 single-stage diffraction pattern and the [1120] single crystal diffraction pattern of ZnO can be confirmed. 3 (d) shows a ZnO [1120] single crystal diffraction pattern and a ZnSnN2 [1120] diffraction pattern. The SAD pattern of ZnSnN2 corresponds to the pattern of Pseudo-Wurtzite structure like the above-mentioned result. Therefore, [1010] ZnSnN2 // [1010] ZnO // [1120] Al 2 O 3, [1120] ZnSnN2 // [1120] ZnO // [10100] Al 2 O 3 , and [0001] ZnSnN2 // [0001] ZnO // [0001] Al 2 O 3 was determined for an epitaxial relationship, which is consistent with the results of RHEED and XRD. According to quantitative EDS analysis of the ZnSnN2 thin film, the atomic ratio of Zn / Sn was 1.3: 1.

도 4는 (a) ZnO/ZnSnN2 계면과 (b) 상부 ZnSnN2 영역의 결정구조를 HRTEM으로 관측한 이미지이다. 도 4의 (a)는 ZnO가 우르츠광 구조를 갖는 것을 명확하게 보여주며, (1010)과 (0001) 평면의 d-간격을 도면에 기재하였다. 계면에서의 ZnSnN2 영역의 격자 이미지는 ZnO나 상면보다는 명확하지 않으나 (0001) 및 (1010) 평면의 d-간격은 각각 5.47 및 2.90 Å임을 측정할 수 있었다. 계면의 격자 구조가 다소 명확하지 않은 것은 ZnO 버퍼층 상에 ZnSnN2가 성장하는 초기에 약간의 과도기가 존재함을 시사한다. 도 4의 (a)에 의하면 과도기에 해당하는 시기는 약 2nm 박막 성장 기간으로 예측된다. 도 5는 2nm에 해당하는 ZnSnN2 박막 성장 5분 후의 RHEED 패턴으로 (a)~(d)는 각각 340, 450, 550 및 650℃에서 성장된 박막을 나타낸다. 박막 성장 2시간 후의 RHEED 패턴보다 다소 패턴의 선명도가 떨어지기는 하지만 여전히 슈도-우르츠광 구조의 ZnSnN2 박막이 생성됨을 확인할 수 있다.4 is an image obtained by observing the crystal structure of the (a) ZnO / ZnSnN2 interface and (b) the upper ZnSnN2 region by HRTEM. Fig. 4 (a) clearly shows that ZnO has a wurtzite structure, and the d-spacing of (10O10) and (0001) planes is shown in the figure. The lattice image of the ZnSnN2 region at the interface was not clearer than that of ZnO or the top surface, but the d-spacings of the (0001) and (1010) planes were 5.47 and 2.90 Å, respectively. The somewhat unclear lattice structure at the interface suggests that there is some transient at the beginning of ZnSnN2 growth on the ZnO buffer layer. According to Fig. 4 (a), the transition period is estimated to be about 2 nm in the thin film growth period. FIG. 5 is a RHEED pattern after 5 minutes of ZnSnN2 thin film growth corresponding to 2 nm. FIGS. 5A to 5D show thin films grown at 340, 450, 550 and 650 ° C., respectively. Although the pattern sharpness is somewhat lower than the RHEED pattern after 2 hours of thin film growth, it can be confirmed that a ZnSnN2 thin film having a Pseudo-Wurtz structure is still produced.

모든 온도에서 제조된 ZnSnN2 박막은 눈으로 보았을 때 연한 갈색을 나타내었으며, 통상 성장 표면에 마이크로미터 크기로 생성되는 과량의 금속 액적은 관측되지 않았다. 이를 보다 자세히 관측하기 위하여 원자력 현미경(AFM, atomic force microscope)(Asylum Research MFP-3D model)을 사용하여 표면 구조를 확인하고 표면 거칠기를 측정하였다. 도 6은 450℃(a, c)와 550℃(b, d)에서 성장된 박막의 AFM 이미지로 금속 액적은 관측되지 않았으며, RMS 표면거칠기는 각각 1.12와 1.02였다.The ZnSnN2 thin films prepared at all temperatures showed a pale brown color when viewed from the eye, and no excess metal liquid droplets produced on the growth surface in micrometer size were observed in general. In order to observe it more closely, the surface structure was confirmed and the surface roughness was measured using an atomic force microscope (AFM, Asylum Research MFP-3D model). FIG. 6 shows AFM images of the thin films grown at 450 ° C. (a, c) and 550 ° C. (b, d), and no metal droplets were observed and the RMS surface roughnesses were 1.12 and 1.02, respectively.

실시예 3 : ZnSnN2 박막의 광학 특성 평가Example 3 Evaluation of Optical Properties of ZnSnN2 Thin Films

ZnSnN2 박막의 광학 밴드갭을 Shimadzu UV-2600 분광기를 사용하여 상온에서 측정한 흡광스펙트럼으로부터 계산하였다. 도 7은 각 온도에서 성장시킨 ZnSnN2 박막의 밴드갭을 측정하기 위하여 흡광 스텍트럼으로부터 (αhν)2 vs photon energy (hν)를 도시한 것이다. 밴드갭 계산을 위하여 ZnSnN2는 직접적인 밴드갭을 갖는다고 가정하였으며, 직접적인 밴드갭(Eg)은 하기 수식으로부터 계산하였다.The optical band gap of the ZnSnN2 thin film was calculated from the absorption spectrum measured at room temperature using a Shimadzu UV-2600 spectrometer. FIG. 7 shows (? Hν) 2 vs photon energy (h?) From the absorption spectrum to measure the band gap of the ZnSnN2 thin film grown at each temperature. For band gap calculation, it is assumed that ZnSnN2 has a direct bandgap, and the direct bandgap (Eg) is calculated from the following equation.

(αhν)2= A(hν-Eg)(? h?) 2 = A (h? n-Eg)

α : 흡광 계수, 투과율 실험에서 측정α: Measurement of extinction coefficient and transmittance

A : 상수 A: constant

hν : 입사광의 에너지hν: energy of incident light

350℃, 450℃, 550℃ 및 650℃에서 제조된 ZnSnN2 박막에 대해 도 6으로부터 계산된 밴드갭 에너지는 각각 1.85, 2.0, 2.05 및 2.15 eV로, 박막 성장 온도가 증가할수록 밴드갭 에너지 역시 증가하였다. 이로부터 단순히 온도를 변화시키는 것만으로 밴드갭 에너지를 조절할 수 있음을 알 수 있다. For the ZnSnN2 thin films prepared at 350 ° C, 450 ° C, 550 ° C and 650 ° C, the band gap energies calculated from Fig. 6 were 1.85, 2.0, 2.05 and 2.15 eV, respectively, . From this, it can be seen that the band gap energy can be controlled by simply changing the temperature.

Claims (8)

(A) 기판 상에 우르츠광 구조의 ZnO 단결정 박막 버퍼층을 형성하는 단계; 및
(B) ZnO 버퍼층 상에 ZnSnN2 단결정 박막을 에피 성장시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법.
(A) forming a ZnO single crystal thin film buffer layer of a Wurtzite structure on a substrate; And
(B) epitaxially growing a ZnSnN2 single crystal thin film on a ZnO buffer layer;
Wherein the ZnSnN2 single crystal thin film has a thickness of 10 nm or less.
제 1 항에 있어서,
상기 ZnSnN2 단결정 박막은 슈도-우르츠광 구조인 것을 특징으로 하는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ZnSnN2 single crystal thin film has a Pseudo-Wurtzite structure.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 (B) 단계는 분자선 에피택시법, 스퍼터링, 화학기상증착, 원자층증착 또는 펄스레이저증착에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the step (B) is performed by a molecular beam epitaxy method, sputtering, chemical vapor deposition, atomic layer deposition or pulse laser deposition.
제 3 항에 있어서,
상기 (B) 단계는 분자선 에피택시법에 의해 이루어지며,
ZnSnN2 단결정 박막 성장 시 Zn와 Sn의 공급비는 10:1~40:1 atom비인 것을 특징으로 하는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 3,
The step (B) is performed by a molecular beam epitaxy method,
Wherein the supply ratio of Zn and Sn in the growth of the ZnSnN2 single crystal thin film is in the range of 10: 1 to 40: 1 atomic ratio.
제 4 항에 있어서,
상기 (B) 단계에서 ZnSnN2 단결정 박막의 성장 온도는 350~550℃인 것을 특징으로 하는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the growth temperature of the ZnSnN2 single crystal thin film in the step (B) is 350 to 550 ° C.
제 5 항에 있어서,
상기 ZnSnN2 단결정 박막의 밴드갭 에너지는 1.8~2.2 eV인 것을 특징으로 하는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the band gap energy of the ZnSnN2 single crystal thin film is 1.8 to 2.2 eV.
제 6 항에 있어서,
상기 ZnSnN2 단결정 박막의 밴드갭 에너지는 ZnSnN2 단결정 박막의 성장 온도에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 ZnSnN2 단결정 박막의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the band gap energy of the ZnSnN2 single crystal thin film is controlled by the growth temperature of the ZnSnN2 single crystal thin film.
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