WO2011102627A2 - ＺｎＯ에 격자 정합된 자외선용 단결정 ＺｎＭｇＡｌＯ 박막 및 그 제조방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a single crystal ZnMgAlO thin film for ultraviolet lattice matched to ZnO and a method for manufacturing the same, and more specifically, by adding magnesium oxide (MgO) and alumina (Al 2 O 3 ) to zinc oxide (ZnO),
  • the present invention relates to a ZnMgAlO thin film having a matching lattice constant (atomic plane-to-atomic distance) and having a high energy band gap, that is, a single crystal ZnMgAlO thin film for ultraviolet lattice matched to ZnO.
  • UV LEDs ultraviolet light emitting devices
  • ZnO and ternary ZnMgO alloys have been studied very much for the UV light emitting device, and the energy band gap is modulated to about 4.05 eV by adding MgO up to approximately 49 mol%.
  • ZnMgO thin film has a problem that the degree of lattice mismatch increases with increasing Mg content, which causes defects such as cracks and dislocations in the thin film, thereby adversely affecting the performance of the optoelectronic device.
  • UV ultraviolet
  • the present invention is to solve the above problems, the object is to grow by adding magnesium oxide (MgO) and alumina (Al 2 O 3 ) to zinc oxide (ZnO), the lattice constant (atomic interplanar distance) is the same
  • the present invention provides a ZnMgAlO thin film that can be used in the ultraviolet region and has a large energy band gap, that is, a single crystal ZnMgAlO thin film for ultraviolet lattice matched to ZnO and a method of manufacturing the same.
  • a single crystal ZnMgAlO thin film for lattice matching to ZnO has a mixing ratio of magnesium oxide (MgO) and alumina (Al 2 O 3 ) to a ZnO material in a range of 5.5 to 5.7: 1. Alloy powder mixed at the ratio of.
  • the mixing ratio of magnesium (Mg) and aluminum (Al) is in a ratio of 2.7 to 2.9: 1.
  • the ZnO lattice matched UV single crystal ZnMgAlO thin film manufacturing method a ZnO substrate is prepared, the mixing ratio of magnesium oxide (MgO) and alumina (Al 2 O 3 ) is 5.5 ⁇ 5.7: And growing a ZnMgAlO thin film of 1 on the ZnO substrate through a sputtering technique.
  • the ZnMgAlO thin film is manufactured with a process pressure of 9 mTorr to 11 mTorr, a growth temperature of 580 ° C. to 620 ° C., and an RF applied power of 90 W to 110 W.
  • the mixing ratio of magnesium (Mg) and aluminum (Al) is in a ratio of 2.7 to 2.9: 1.
  • a lattice constant is added by growing magnesium oxide (MgO) and alumina (Al 2 O 3 ) to zinc oxide (ZnO).
  • MgO magnesium oxide
  • Al 2 O 3 alumina
  • ZnO zinc oxide
  • the ZnMgAlO thin film can be used in the ultraviolet region with the same distance between planes and has a large energy band gap.
  • Fig. 1 shows the lattice constant and the state of the energy band gap of a Zn 1-xy Mg x Al y O thin film calculated by Vega's law.
  • FIG. 3 is a graph showing CL UV peak positions and lattice constants of ZnMgAlO and ZnMgO thin films measured in FIG. 2.
  • FIG. 5 shows (a) cross-sectional SEM image and (b) XRD 2-theta ( ⁇ ) spectrum of Zn 0.78 Mg 0.16 Al 0.06 O / ZnO thin film.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating lattice constants and energy band gap states of Zn 1-xy Mg x Al y O thin films calculated by Vega's law
  • FIG. 2 is Zn 1-xy Mg x Al y having Mg and Al compositions.
  • A XRD 2-theta ((theta)) and
  • B CL spectrum of O film thin film.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating CL UV peak positions and lattice constants of the ZnMgAlO and ZnMgO thin films measured in FIG. 2, and
  • FIG. 4 is (a) CL spectrum and (b) XRD (002) locking curve of ZnMgAlO and ZnMgO thin films.
  • 5 is a diagram showing (a) cross-sectional SEM images and (b) XRD 2-theta ( ⁇ ) spectra of a Zn 0.78 Mg 0.16 Al 0.06 O / ZnO thin film.
  • ZnMgAlO which is a single crystal thin film for ultraviolet lattice matched to ZnO according to an aspect of the present invention, has a mixture ratio (%) of magnesium oxide (MgO) and alumina (Al 2 O 3 ) to a zinc oxide (ZnO) material in a range of 5.5 to 5.7. It was prepared by mixing at a ratio of: 1, preferably at a ratio of 5.6: 1. Further, in magnesium oxide (MgO) and alumina (Al 2 O 3 ), the mixing ratio (%) of magnesium oxide (Mg) and aluminum (Al) is in a ratio of 2.7 to 2.9: 1, preferably 2.8: 1. It was prepared by mixing.
  • ZnMgAlO which is a single crystal thin film for ultraviolet lattice matched to ZnO, may replace alumina (Al 2 O 3 ) with strontium oxide (SrO) or barium monoxide (BaO) to make the same lattice constant as ZnO.
  • a method for producing a single crystal ZnMgAlO thin film for ultraviolet lattice matched to ZnO preparing a ZnO substrate, the mixing ratio of magnesium oxide (MgO) and alumina (Al 2 O 3 ) is 5.5 ⁇ 5.7
  • the process pressure is set to 9mTorr ⁇ 11mTorr
  • the growth temperature is 580 °C ⁇ 620 °C
  • RF applied power was set to 90W ⁇ 110W, prepared in a pure oxygen atmosphere.
  • the single crystal ZnMgAlO thin film for ultraviolet lattice matched to ZnO prepared according to the manufacturing method of the present invention was calculated through X-diffraction analysis (XRD) and confirmed whether the lattice constant coincided with the ZnO thin film.
  • the spectrum was obtained through cathodoluminescence analysis to determine the UV peak position emitted from the ZnMgAlO thin film according to the present invention.
  • SEM scanning electron microscope
  • AFM atomic force microscope
  • FIG. 1 is a diagram showing the lattice constant and the state of the energy band gap of a theoretically designed Zn 1-xy Mg x Al y O thin film.
  • the lattice constant and energy band gap were calculated using the Vegard's rule, which can be found in Zn 0.81 Mg 0.14 Al 0.05 O, Zn 0.62 Mg 0.28 Al 0.10 O and Zn 0.34 Mg 0.56 Al 0.20 O of FIG. As shown, the mixing ratio of Mg and Al was approximately 2.8: 1 (the mixing ratio of MgO and Al 2 O 3 was consistent with the lattice constant of ZnO at 5.6: 1), as can be seen in Mg 0.85 Al 0.15 O of FIG. 1.
  • ZnO has a 0.3-nm interplanar spacing of the dense hexagonal structure (hcp), and a-axis interplanar spacing of Al 2 O 3 (hcp) is large at 0.476 nm.
  • MgO is a cubic structure, and the distance between d (110) planes corresponding to the a-axis of the hcp structure is 0.298 nm.
  • the dotted line shown in FIG. 1 indicates a condition that the lattice match between ZnO and 5.6: 1 is the mixing ratio of MgO and Al 2 O 3 , Al 2 O 3 has an energy band gap of 7.0 eV, and MgO of 7.8 eV to be.
  • Figure 2 (a) shows a high-resolution X-ray diffraction (XRD) spectrum results of the ZnMgAlO thin film in which the mixing ratio of Mg and Al grown at a lattice matching ratio of approximately 2.8: 1.
  • the peak corresponding to the (002) plane is observed at the same 34.42 °, which corresponds to the XRD peak position obtained in the pure ZnO thin film, indicating that the lattice match with ZnO.
  • (b) of FIG. 2 shows cathode light emission (CL) spectra of ZnMgAlO thin films lattice matched to ZnO, and CL ultraviolet rays in a short wavelength (high energy) direction from 376 nm to 300 nm by adding MgO and Al 2 O 3. The (UV) peak was observed to shift.
  • CL cathode light emission
  • Figure 3 summarizes the CL and XRD results of the ZnMgAlO thin film having a variety of compositions, but the mixing ratio of Mg and Al is about 2.8: 1.
  • the ZnMgO thin films of FIG. 3 are shown together to compare with the lattice matched ZnMgAlO thin films.
  • the quaternary ZnMgAlO thin film lattice matched to the ZnO substrate was calculated to be 0.521 nm which is very consistent with the c-axis lattice constant of the ZnO thin film, and was within ⁇ 0.03%.
  • the energy value of the ZnMgO thin film in FIG. 3 increases along the dotted line by the addition of Al 2 O 3 .
  • the reason that the energy band gap is significantly lower than the theoretical value is considered to be due to the difference in the crystal structure of ZnO (hexagonal dense structure) and MgO (square structure) and the presence of residual stress due to lattice mismatch.
  • the energy band gap was close to the theoretical value by solving the problem occurring in the ternary system.
  • Figure 4 (a) shows the CL spectrum of the ZnMgO and ZnMgAlO thin film
  • the quaternary ZnMgAlO thin film has a significantly lower peak intensity in the visible region compared to the ternary ZnMgO. Peaks in the visible region are generally due to various point defects, and it can be seen that the defects are reduced in the quaternary ZnMgAlO.
  • the surface roughness value measured by the atomic force microscope (AFM) was 0.88 nm, which was very small.
  • the XRD spectrum of FIG. 5B only peaks corresponding to the (002) plane and the (004) plane were observed at 34.42 ° and the (004) plane at 72.56 °, and no peaks of other crystallographic planes were observed. This means that the single crystal thin film was grown while the ZnMgAlO thin film had the same lattice constant as the ZnO substrate.
  • the XRD pole figure pattern and the other patterns other than the hexagonal dot pattern were not observed, thereby demonstrating that the excellent single crystal ZnMgAlO thin film was grown.
  • the lattice constant of the ZnMgAlO thin film was matched to the ZnO substrate at the mixing ratio of MgO and Al 2 O 3 of 5.6: 1 (the mixing ratio of Mg and Al was approximately 2.8: 1), and the Zn 0.78 Mg 0.16 Al 0.06 O / ZnO thin film
  • the energy band gap had a value of 4.2 eV.

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Abstract

본 발명은 산화아연(ZnO)에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막 및 그 제조방법으로서, ZnO 기판을 준비하고, 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 혼합비가 5.5~5.7 : 1인 ZnMgAlO 박막을 스퍼터링 기법을 통해 상기 ZnO 기판 상에 성장시킴으로써, 격자 상수(원자 면간 거리)가 일치하면서도 자외선 영역에서 사용할 수 있으며 에너지 밴드 갭이 큰 ZnMgAlO 박막을 얻을 수 있다.

Description

ＺｎＯ에 격자 정합된 자외선용 단결정 ＺｎＭｇＡｌＯ 박막 및 그 제조방법
본 발명은 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)를 산화아연(ZnO)에 첨가하여 성장시킴으로써, 격자 상수(원자 면간 거리)가 일치하면서도 자외선 영역에서 사용할 수 있으며 에너지 밴드 갭이 큰 ZnMgAlO 박막, 즉 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막 및 제조방법에 관한 것이다.
최근, 광학소자에 대한 연구동향은 고밀도 광기록 장치의 광원, 멸균 작용, 에너지 절감형 조명 등에 중요하게 응용되는 자외선 발광소자(UV LED)로 이동하고 있다.
상기 자외선(UV) 발광소자에 대하여 ZnO와 3원계 ZnMgO 합금은 매우 많이 연구가 진행되어 왔고, ZnO에 MgO를 대략 49mol% 까지 첨가하는 방법을 통해 에너지 밴드 갭을 대략 4.05eV까지 변조하였다.
하지만, ZnMgO 박막은 Mg 함량이 증가할수록 격자 불일치 정도가 함께 증가하는 문제가 발생되는데, 이러한 격자 불일치는 박막에 균열 및 전위와 같은 결함을 생성시켜서 광전소자의 성능에 악영향을 미친다.
즉, ZnMgO 박막의 경우에도 에너지 밴드 갭을 키울 수 있지만, Mg 함량이 증가할수록 ZnO 물질과 격자 상수의 차이가 증가하는 문제점이 있으며, 이러한 문제점은 추후 광전소자 제작시 결함을 형성하여 소자의 특성에 악영향을 발생시킨다.
또한, GaN계 질화물 반도체의 경우에도 상술한 바와 같은 유사한 문제가 발생되고 있으며, 자외선(UV) 발광소자에서 가장 중요하게 연구되는 부분이다.
즉, GaN 기판 위에 높은 AlN 함량을 가진 AlGaN 박막이 성장하는 동안에, 박막 사이의 격자 불일치에 의한 인장 응력이 작용하고, 이러한 응력이 완화되는 과정에서 균열이 발생된다.
또한, AlGaN/GaN 박막에서 격자 불일치에 의한 높은 전위 밀도가 존재하고, 이들 전위가 소자에서 비발광 재결합 센터(non-radiative recombination center)로 작용하기 때문에, 전위에 매우 민감하게 작용하는 AlGaN 박막을 이용하여 360nm (Eg ~3.4) 이하의 단파장을 가진 효율적인 자외선(UV) 소자를 제작하는데 어려움이 크다.
그러므로, 자외선 영역에서 사용이 가능하면서 ZnO 또는 GaN 물질에 격자 상수가 일치되는 새로운 물질의 개발이 중요할 뿐만 아니라 고효율의 자외선(UV) 광전소자를 제작하기 위해 단결정 박막을 제작할 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)를 산화아연(ZnO)에 첨가하여 성장시킴으로써, 격자 상수(원자 면간 거리)가 일치하면서도 자외선 영역에서 사용할 수 있으며 에너지 밴드 갭이 큰 ZnMgAlO 박막, 즉 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막은, ZnO 물질에 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 혼합비를 5.5~5.7 : 1의 비율로 혼합한 합금분말이다.
바람직하게, 마그네슘(Mg)과 알루미늄(Al)의 혼합비는 2.7~2.9 : 1의 비율이다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막의 제조방법은, ZnO 기판을 준비하고, 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 혼합비가 5.5~5.7 : 1인 ZnMgAlO 박막을 스퍼터링 기법을 통해 상기 ZnO 기판 상에 성장시키는 과정을 포함한다.
바람직하게, 상기 ZnMgAlO 박막은 성장시, 공정 압력이 9mTorr ~ 11mTorr, 성장 온도가 580℃ ~ 620℃, RF 인가전력이 90W ~ 110W로 설정되어 제조된다.
더 바람직하게, 마그네슘(Mg)과 알루미늄(Al)의 혼합비는 2.7~2.9 : 1의 비율이다.
본 발명에 따른 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막 및 그 제조방법에 따르면, 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)를 산화아연(ZnO)에 첨가하여 성장시킴으로써, 격자 상수(원자 면간 거리)가 일치하면서도 자외선 영역에서 사용할 수 있으며 에너지 밴드 갭이 큰 ZnMgAlO 박막을 얻을 수 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예에 대한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
도 1은 베가드 법칙에 의해 계산된 Zn1-x-yMgxAlyO 박막의 격자 상수와 에너지 밴드 갭의 상태를 나타내는 도면.
도 2는 Mg와 Al 조성을 가진 Zn1-x-yMgxAlyO 필름 박막의 (a) XRD 2-세타(θ) 및 (b) CL 스펙트럼을 나타내는 도면.
도 3은 도 2에서 측정된 ZnMgAlO와 ZnMgO 박막의 CL UV 피크 위치와 격자 상수를 나타내는 도면.
도 4는 ZnMgAlO와 ZnMgO 박막의 (a) CL 스펙트럼 및 (b) XRD(002) 락킹 커브를 나타내는 도면.
도 5는 Zn0.78Mg0.16Al0.06O/ZnO 박막의 (a) 단면 SEM 이미지와 (b) XRD 2-세타(θ) 스펙트럼을 나타내는 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막 및 그 제조방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 베가드 법칙에 의해 계산된 Zn1-x-yMgxAlyO 박막의 격자 상수와 에너지 밴드 갭의 상태를 나타내는 도면이고, 도 2는 Mg와 Al 조성을 가진 Zn1-x-yMgxAlyO 필름 박막의 (a) XRD 2-세타(θ) 및 (b) CL 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
또한, 도 3은 도 2에서 측정된 ZnMgAlO와 ZnMgO 박막의 CL UV 피크 위치와 격자 상수를 나타내는 도면이고, 도 4는 ZnMgAlO와 ZnMgO 박막의 (a) CL 스펙트럼 및 (b) XRD(002) 락킹 커브를 나타내는 도면이며, 도 5는 Zn0.78Mg0.16Al0.06O/ZnO 박막의 (a) 단면 SEM 이미지와 (b) XRD 2-세타(θ) 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
먼저, 본 발명의 일측면에 따른 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 박막인 ZnMgAlO는 산화아연(ZnO) 물질에 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 혼합비(%)를 5.5~5.7 : 1의 비율, 바람직하게는 5.6 : 1의 비율로 혼합하여 제조하였다. 또한, 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)에서, 산화 마그네슘(Mg)과 알루미늄(Al)의 혼합비(%)는 2.7~2.9 : 1의 비율, 바람직하게는 2.8 : 1의 비율로 혼합하여 제조하였다.
이때, 상기 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 박막인 ZnMgAlO는 알루미나(Al2O3)를 산화스트론튬(SrO) 또는 일산화바륨(BaO)로 대체하여 ZnO와 동일한 격자 상수를 만들 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 따른 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막의 제조방법은, ZnO 기판을 준비하고, 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 혼합비가 5.5~5.7 : 1인 ZnMgAlO 박막, 바람직하게는 5.6 : 1의 혼합비를 갖는 박막을 스퍼터링 기법을 통해 상기 ZnO 기판 상에 성장(증착)시켜 제조하였다.
이때, 상기 ZnMgAlO 박막 성장시, 공정 압력은 9mTorr ~ 11mTorr, 성장 온도는 580℃ ~ 620℃, RF 인가전력은 90W ~ 110W로 설정하고, 순수한 산소 분위기에서 제조하였다.
구체적으로, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막은 X-회절 분석(XRD)을 통하여 격자 상수를 계산하고 ZnO 박막과의 격자 상수 일치 여부를 확인하였다.
그리고, 본 발명에 따른 ZnMgAlO 박막에서 방출되는 자외선 피크의 위치(UV peak position)를 알아보기 위해서 음극선 발광(cathodoluminescence) 분석을 통하여 스펙트럼을 얻었다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 ZnMgAlO 박막의 미세구조를 관찰하기 위해서 주사전자현미경(SEM) 및 원자간력현미경(AFM)을 이용하였으며, 정량분석(quantitative chemical analysis) 은 전자현미분석기(electron probe micro-analyzer; EPMA)를 이용하여 실험하였다.
한편, 도 1은 이론적으로 설계된 Zn1-x-yMgxAlyO 박막의 격자 상수와 에너지 밴드 갭의 상태를 나타내는 도면이다.
격자 상수와 에너지 밴드 갭은 베가드 법칙(Vegard's rule)을 이용하여 계산하였으며, 도 1의 Zn0.81Mg0.14Al0.05O, Zn0.62Mg0.28Al0.10O 및 Zn0.34Mg0.56Al0.20O 에서 알 수 있는 바와 같이, Mg와 Al의 혼합비가 대략 2.8 : 1(MgO와 Al2O3의 혼합비는 도 1의 Mg0.85Al0.15O에서 알 수 있듯이 5.6 : 1)에서 ZnO의 격자 상수와 일치하였다.
이때, ZnO는 조밀육방구조(hcp)의 a-축 면간거리는 0.325nm 이고, Al2O3 (hcp)의 a-축 면간거리는 0.476nm로 크다. 그리고, MgO는 큐빅 구조로 hcp 구조의 a-축에 해당되는 d(110) 면간 거리는 0.298nm로 작다.
또한, 도 1에 도시된 점선은 MgO와 Al2O3의 혼합비인 5.6 : 1이 ZnO에 격자 정합이 되는 조건을 나타내고 있으며, Al2O3는 에너지 밴드 갭이 7.0eV 이고, MgO 는 7.8eV이다.
따라서, ZnO(Eg=3.3eV)에 격자 정합이 되면서 에너지 밴드 갭을 7.64eV 까지 증가시키는 것이 이론적으로 가능하다.
한편, 도 2의 (a)는 Mg와 Al의 혼합비가 대략 2.8 : 1의 격자 정합 비율에서 성장된 ZnMgAlO 박막의 고분해능 X-레이 회절(XRD) 스펙트럼 결과를 보여주고 있다.
모든 시료에 대하여 동일한 34.42°에서 (002)면에 해당되는 피크가 관찰되는데, 이것은 순수한 ZnO 박막에서 얻어지는 XRD 피크 위치에 해당되는 것으로서 ZnO와 격자 정합이 되었음을 의미한다.
또한, 도 2의 (b)에는 ZnO에 격자 정합된 ZnMgAlO 박막들의 음극선발광(CL) 스펙트럼을 보여주고 있는데, MgO와 Al2O3 가 첨가됨으로써 376nm에서 300nm까지 단파장(높은 에너지) 방향으로 CL 자외선(UV) 피크가 이동하는 것을 관찰하였다.
한편, 도 3에는 다양한 조성을 가지지만 Mg와 Al의 혼합비가 대략 2.8:1에서 제조된 ZnMgAlO 박막의 CL 및 XRD 결과를 정리하였다.
도 3의 ZnMgO 박막은 격자 정합된 ZnMgAlO 박막과 비교하기 위하여 함께 도시하였다.
도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, ZnO 기판에 격자 정합된 4원계 ZnMgAlO 박막은 ZnO 박막의 c-축 격자 상수와 매우 일치되는 0.521nm로 계산되었으며, ±0.03% 이내에서 일치하였다.
또한, 도 3에는 4원계 ZnMgAlO 박막의 CL UV 방출 피크의 위치를 에너지로 변환하여 도시하였다. 도 3에서, MgO와 Al2O3의 함량이 증가할수록 ZnMgAlO 박막의 에너지는 376nm(3.3eV) 에서 300nm(4.13eV) 까지 증가하였다.
그리고, 도 3에서 보여주는 ZnMgAlO 박막의 CL UV 피크의 에너지는 상기 도 1에서 계산된 이론값에 매우 근접하였다.
예를 들어, Zn0.78Mg0.16Al0.06O 박막의 경우, 베가드 법칙에 의해 계산된 값은 4.24eV를 나타내었는데, 실제 박막의 경우에서도 4.13eV 의 CL UV 피크의 위치를 가졌다.
실제로, CL UV 피크의 위치는 박막의 고유한 밴드 갭 에너지보다 조금 낮게 관찰되기 때문에 4.13eV의 에너지 값은 이론값인 4.24eV 에 더욱 근접하였다고 볼 수 있다. 반면에, 3원계 Zn0.84Mg0.16O 박막의 경우는 이론값인 4.02eV 보다 현저하게 낮은 3.53eV의 피크 위치를 나타내었다.
실제로, 도 3에서 ZnMgO 박막의 에너지 값은 Al2O3가 추가적으로 첨가됨으로써, 점선을 따라서 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 3원계 ZnMgO 의 경우, 에너지 밴드 갭이 이론값보다 현저하게 낮은 이유는 ZnO(육방조밀구조)와 MgO(정방구조) 의 결정구조가 다르고, 격자 불일치에 의한 잔류응력의 존재 때문인 것으로 사료된다. 반면에. 격자 정합된 ZnMgAlO 박막의 경우에는 3원계에서 발생되는 문제를 해결하여 줌으로써 에너지 밴드 갭을 이론값에 근접하게 할 수 있었다.
한편, 도 4의 (a)에는 ZnMgO 와 ZnMgAlO 박막의 CL 스펙트럼을 보여주고 있는데, 4원계 ZnMgAlO 박막의 경우 가시광 영역의 피크 강도가 3원계 ZnMgO 와 비교하여 현저하게 낮다. 가시광 영역의 피크는 일반적으로 다양한 점결함에 기인된 것으로 4원계 ZnMgAlO 에서는 결함이 감소하였음을 알 수 있다.
또한, 도 4의 (b)에서 보여주는 XRD 락킹커브의 반치폭 값을 비교하여도 3원계 Zn0.84Mg0.16O (173 arcsec) 박막보다 4원계 Zn0.78Mg0.16Al0.06O (97 arcsec) 박막의 반치폭 값이 현저하게 작다. 이것은 ZnMgAlO 박막의 결정성이 매우 우수하다는 것을 의미하는 것으로, 격자 부정합 정도가 매우 작아서 결함 밀도가 매우 낮기 때문이다.
한편, 도 5는 Zn0.78Mg0.16Al0.06O/ZnO 박막의 (a) 단면 SEM 이미지와 (b) XRD 스펙트럼 결과를 나타내고 있다.
도 5의 (a)의 SEM 이미지로부터 매우 평탄한 표면 형상을 보여주고 있고, 이는 고품위의 박막이 성장하였음을 의미한다.
또한, 원자간력현미경(AFM) 으로 측정된 표면 거칠기 값은 0.88nm로 매우 작은 값을 얻었다. 그리고, 도 5의 (b)의 XRD 스펙트럼에서도 34.42°에서 (002)면과 72.56°에서 (004) 면에 해당되는 피크만 관찰되어지고 다른 결정학적인 면의 피크는 관찰되지 않았다. 이는 ZnMgAlO 박막이 ZnO 기판과 동일한 격자 상수를 가지면서 단결정 박막이 성장되었음을 의미한다. 도 5의 (b) 내에 XRD pole figure 패턴 또한 육각형 모양의 점 패턴 이외에 다른 패턴은 관찰되지 않아 단결정질의 우수한 ZnMgAlO 박막이 성장되었음을 증명하고 있다.
상술한 실험을 통해, ZnO 기판에 격자 정합된 4원계 ZnMgAlO 박막을 설계하고 성장하였으며 그 특성을 평가하였다. 스퍼터링법에 의해 성장된 ZnMgAlO 박막의 XRD와 CL 스펙트럼 결과, 격자 상수와 에너지 밴드 갭(Eg)은 베가드 법칙에 의해 계산된 값과 매우 근사하였다.
즉, MgO 와 Al2O3의 혼합비가 5.6 : 1(Mg와 Al의 혼합비가 대략 2.8 : 1)에서 ZnO 기판에 ZnMgAlO 박막의 격자 상수가 일치되었으며, Zn0.78Mg0.16Al0.06O/ZnO 박막에서 에너지 밴드 갭은 4.2eV 값을 가졌다.
이상에서는 본 발명의 일실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.

Claims (5)

  1. 산화아연(ZnO)에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막으로서,
    ZnO 물질에 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 혼합비를 5.5~5.7 : 1의 비율로 혼합한 합금분말인 것을 특징으로 하는 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막.
  2. 제 1항에 있어서,
    마그네슘(Mg)과 알루미늄(Al)의 혼합비는 2.7~2.9 : 1의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막.
  3. 산화아연(ZnO)에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막의 제조방법으로서,
    ZnO 기판을 준비하고, 산화 마그네슘(MgO)과 알루미나(Al2O3)의 혼합비가 5.5~5.7 : 1인 ZnMgAlO 박막을 스퍼터링 기법을 통해 상기 ZnO 기판 상에 성장시키는 것을 특징으로 하는 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 ZnMgAlO 박막은 성장시, 공정 압력이 9mTorr ~ 11mTorr, 성장 온도가 580℃ ~ 620℃, RF 인가전력이 90W ~ 110W로 설정되어 제조되는 것을 특징으로 하는 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막의 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    마그네슘(Mg)과 알루미늄(Al)의 혼합비는 2.7~2.9 : 1의 비율인 것을 특징으로 하는 ZnO에 격자 정합된 자외선용 단결정 ZnMgAlO 박막의 제조방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080008306A (ko) * 2007-10-31 2008-01-23 주식회사 퀀텀디바이스 자외선 발광소자와 그 제조방법
WO2008050479A1 (fr) * 2006-10-25 2008-05-02 Stanley Electric Co., Ltd. Couche de zno et dispositif électroluminescent à semi-conducteur
JP2009196867A (ja) * 2008-02-23 2009-09-03 Citizen Holdings Co Ltd ＭｇａＺｎ１−ａＯ単結晶薄膜の作製方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4982423B2 (ja) 2008-04-24 2012-07-25 株式会社日立製作所 酸化亜鉛薄膜形成用スパッタターゲットと、それを用いて得られる酸化亜鉛薄膜を有する表示素子及び太陽電池

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008050479A1 (fr) * 2006-10-25 2008-05-02 Stanley Electric Co., Ltd. Couche de zno et dispositif électroluminescent à semi-conducteur
KR20080008306A (ko) * 2007-10-31 2008-01-23 주식회사 퀀텀디바이스 자외선 발광소자와 그 제조방법
JP2009196867A (ja) * 2008-02-23 2009-09-03 Citizen Holdings Co Ltd ＭｇａＺｎ１−ａＯ単結晶薄膜の作製方法

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