• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.143-144
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• 2010

3-5족 화합물 반도체를 이용한 집광형 삼중 접합 태양전지는 40% 이상의 광변환 효율로 많은 주목을 받고 있다[1]. 삼중 접합 태양전지의 하부 셀은 기계적 강도가 높고 장파장을 흡수할 수 있는 Ge이 사용된다. Ge위에 성장될 III-V족 단결정막으로서 Ge과 격자상수가 일치하는 GaInP나 GaAs가 적합하고, 성장 중 V족 원소의 열확산으로 인해 Ge과 pn접합을 형성하게 된다. 이때 GaInP의 P의 경우 GaAs의 As보다 확산계수가 낮아 태양전지 변환효율향상에 유리한 얇은 접합 형성이 가능하고, 표면 에칭효과가 적기 때문에 GaInP를 단결정막으로 선택하여 p-type Ge기판 위 성장으로 단일접합 Ge구조 제작이 가능하다. 하지만 이종접합 구조 성장으로 인해 발생한 계면사이의 전위나 미세결함들이 결정막내부에 존재하게 되며 이러한 결함들은 광학소자 응용 시 비발광 센터로 작용할 뿐 아니라 소자의 누설전류를 증가시키는 원인으로 작용하여 태양전지 변환효율을 감소시키게 된다. 이에 결함감소를 통해 소자의 전기적 특성을 향상시키고자 수소 열처리나 플라즈마 공정을 통해 수소 원자를 박막내부로 확산시키고, 계면이나 박막 내 결함들과 결합시킴으로서 결함들의 비활성화를 유도하는 연구가 많이 진행되어 왔다 [2][3]. 하지만, 격자불일치를 갖는 GaInP/Ge 구조에 대한 수소 열처리 및 불순물 준위의 거동에 대한 연구는 많이 진행되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 Ga0.45In0.55P/Ge구조에 수소 열처리 공정을 적용을 통하여 단결정막 내부 및 계면에서의 결함밀도를 제어하고 이를 통해 태양 전지의 변환효율을 향상시키고자 한다. <111> 방향으로 $6^{\circ}C$기울어진 p-type Ge(100) 기판 위에 유기금속화학증착법 (MOCVD)을 통해 Si이 도핑된 200 nm의 n-type GaInP층을 성장하여 Ge과 단일접합 n-p 구조를 제작하였다. 제작된 GaInP/Ge구조를 furnace에서 250도에서 90~150분간 시간변화를 주어 수소열처리 공정을 진행하였다. 저온 photoluminescence를 통해 GaInP층의 광학적 특성 변화를 관찰한 결과, 1.872 eV에서 free-exciton peak과 1.761 eV에서 Si 도펀트 saturation에 의해 발생된 D-A (Donor to Acceptor)천이로 판단되는 peak을 검출할 수 있었다. 수소 열처리 시간이 증가함에 따라 free-exciton peak 세기 증가와 반가폭 감소를 확인하였고, D-A peak이 사라지는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 수소 열처리에 따른 단결정막 내부의 수소원자들이 얕은 불순물(shallow impurity) 들로 작용하는 도펀트들이나, 깊은 준위결함(deep level defect)으로 작용하는 계면근처의 전위, 미세결함들과의 결합으로 결함 비활성화를 야기해 발광세기와 결정질 향상효과를 보인 것으로 판단된다. 본 발표에서는 상술한 결과를 바탕으로 한 수소 열처리를 통한 박막 및 계면에서의 결함준위의 거동에 대한 광분석 결과가 논의될 것이다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2000.02a
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• pp.115-115
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• 2000

Wide band gap을 갖는 III-V족 반도체인 GaN는 파란색에서 자외선영역에 이르는 발광소자용으로, 그리고 최근에는 전자소자로도 가장 유망한 반도체 중의 하나이다. 하지만 격자상수가 일치하는 적당한 기판이 존재하지 않아 성장된 GaN 박막 내에는 많은 결함들이 존재하게 된다. 일반적으로 가장 널리 쓰이는 기판은 사파이어 기판이 주로 이용되고 있는데 사파이어는 GaN와 격자상수 불일치가 16%에 이르므로 고품질의 GaN 박막을 성장시키기 위해서는 격자상수 불일치를 어느 정도 완화시키면서 초기성장과정의 컨트롤이 매우 중요하다. 이러한 방법들로는 GaN박막 성장 전에 사파이어 기판 질화처리를 하거나 buffer 층을 도입하는 것인데, 이에 관한 많은 연구들이 보고되고 있다. 하지만 각각 두 공정에 관한 연구는 많이 되어 있지만 두 공정사이를 연결해 주는 공정처리법에 관한 연구는 보고되고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 사파이어기판 질화처리를 한 후 buffer 층을 성장시키기 전까지 chamer 내부의 분위기 가스가 GaN 박막성장 거동에 어떤 영향을 주는지에 관해 연구하였다. 질화처리 후 chamber 내부의 분위기 가스가 GaN 박막 성장 거동에 미치는 영향을 연구하기 위하여 두 개의 시편 A,B를 준비하였다. 시편 A는 먼저 사파이어 기판을 유기용매를 이용하여 cleaning 한 후 장비에 장입되었다. 수소분위기하에서 10nsrks 104$0^{\circ}C$에서 가열한 후 30초간 암모니아 유속을 900sccm으로 유지하며 사파이어 기판 질화처리를 수행하였다. GaN buffer 층을 성장하기 위하여 104$0^{\circ}C$에서 56$0^{\circ}C$로 온도를 내리는 과정중 질화처리를 위하여 흘려주었던 암모니아 유속을 차단한 채 수소분위기에서만 온도를 내렸다. 56$0^{\circ}C$에서 GaN buffer 층을 300 성장시킨 후 102$0^{\circ}C$의 고온에서 2$\mu\textrm{m}$ 두께로 GaN 박막을 성장하였다. 시편 B는 질화처리 후 단계부터 GaN 박막성장 단계에 이르기까지 AFM을 이용하여 두 시편의 성장거동을 비교 분석하였다. 두 시편의 표면을 관찰한 결과 시편 A는 2차원적 성장을 하며 매우 매끄러운 표면을 갖는데 반해, 시편 B는 3차원적 성장을 하며 매우 거친 표면을 보였다. 또한 두 시편 A, B를 XRD, PL, Hal 측정으로 분석한 결과 시편 A가 시편 B보다 우수한 구조적, 광학적, 전기적 특성을 보였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.110-110
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• 2010

본 실험에서는 Silicon (001) 기판을 사용하여 silicon 기판상에 modified Stranski-Krastanow(S-K) 방식으로 InAs quantum dot (QD) 을 성장하고 그 위에 InSb layer를 형성하였다. 기판온도 $390^{\circ}$에서 In injection period를 4번 반복하여 제작된 InAs quantum dot layer를 buffer로 사용하였으며, QD layer의 밀도는 $1{\mu}m^2$ 당 600개, height가 $6.2\;{\pm}\;2.0\;nm$, width가 $36.1\;{\pm}\;9.2\;nm$ 정도이다. 성장된 $2.8{\mu}m$ 두께의 InSb film의 특성을 분석해 보면 AFM 상에서의 root mean square (rms) roughness는 5.142nm정도이며, electron mobility는 340 K 에서 $41,352cm^2/Vs$, 1.8 K에서는 $4,215cm^2/Vs$ 정도를 나타내었다. 본 실험에서는 다른 실험과는 달리 InAs QD 을 buffer layer로 사용하였으며, silicon기판도 아무런 처리가 되지 않은 (001)기판을 사용하였으므로 기존의 다른 연구 결과와는 차별성을 가진다. 또한 buffer로 사용된 InAs quantum dot layer의 종류를 한 가지로 고정하고 실험을 하였지만 추후 더욱 다양한 밀도와 크기의 quantum dot layer를 적용시키고, 기존의 다른 논문에서 적용된 방법들을 추가로 적용시켜 본다면 mobility값은 더욱 증가할 것으로 생각된다. 이러한 연구를 통해 값이 싸고 구하기 쉬운 silicon기판상에 silicon에 비하여 더 좋은 특성을 갖는 III-V족 화합물 반도체 소자를 구현 할 수 있을 것으로 생각된다.

• Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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• v.23 no.5
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• pp.213-217
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• 2013

The GaN layer was typical III-V nitride semiconductor and was grown on the sapphire substrate which cheap and convenient. However, sapphire substrate is non-conductivity, low thermal conductivity and has large lattice mismatch with the GaN layer. In this paper, the poly GaN epilayer was grown by HVPE on the metallic compound graphite substrate with good heat dissipation, high thermal and electrical conductivity. We tried to observe the growth mechanism of the GaN epilayer grown on the amorphous metallic compound graphite substrate. The HCl and $NH_3$ gas were flowed to grow the GaN epilayer. The temperature of source zone and growth zone in the HVPE system was set at $850^{\circ}C$ and $1090^{\circ}C$, respectively. The GaN epilayer grown on the metallic compound graphite substrate was observed by SEM, EDS, XRD measurement.

• Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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• v.16 no.4
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• pp.157-161
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• 2006

InGaN layers on GaN templated sapphire (0001) substrates were grown by mixed-source hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method. In order to get InGaN layers, Ga-mixed In metal and $NH_3$ gas were used as group III and group V source materials, respectively. The InGaN material was compounded from chemical reaction between $NH_3$ and indium-gallium chloride farmed by HCl flowed over metallic In mixed with Ga. The grown layers were confirmed to be InGaN ternary crystal alloys by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In concentration of the InGaN layers grown by selective area growth (SAG) method was investigated by the photoluminescence (PL) and cathodoluminescence (CL) measurements. Indium concentration was estimated to be in the range 3 %. Moreover, as a new attempt in obtaining InAlGaN layers, the growth of the thick InAlGaN layers was performed by putting small amount of Ga and Al into the In source. We found the new results that the metallic In mixed with Ga (and Al) as a group III source material could be used in the growth process of the In(Al)GaN layers by the mixed-source HVPE method.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.305-305
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• 2014

양자점(Quantum dots)은 3차원적 운반자 구속과 낮은 전류와 높은 온도에서 작동하는 나노 크기의 전기적, 광학적 소자로 응용이 적합하기 때문에 그 특성을 이용한 단전자 트랜지스터, 적외선 검출기, 레이저, LED, 태양전지 등 반도체 소자로의 응용연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 양자점의 낮은 임계전류밀도와 높은 차동 이득(differential gain), 그리고 고온에서 작동이 용이하여 양자점 레이저로 활용되고 있다. 이러한 분야에 양자점을 응용하기 위해서는 양자점의 운반자 동역학을 이해하고 양자점의 모양, 크기, 크기 분포와 같은 특성 조절이 필요하다. 또한 기존의 연구들은 III-V족 화합물 반도체 양자점에 대한 연구가 대부분이며, II-VI족으로 구성된 연구가 미흡한 상황이기 때문에 II-VI족 화합물 반도체 양자점에 대한 많은 연구가 필요한 상황이다. II-VI 족 화합물 반도체 양자점은 기존의 III-V 족 양자점보다 더 큰 엑시톤 결합에너지(exciton binding energy)를 가지고 있으며, 이러한 특성을 가지는 II-VI 족 화합물 반도체 양자점 중에서도 CdTe 양자점은 높은 엑시톤 결합에너지와 녹색 스펙트럼 영역을 필요로 하는 광학적 장치들에 응용 가능성이 높기 때문에 더욱 주목받고 있다. 본 연구에서는 분자 선속 에피 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE)과 원자 층 교대 성장법(Atomic Layer Epitaxy; ALE)으로 CdTe/ZnTe 나노구조에서 ZnTe 완충층의 두께에 따른 운반자 동역학 및 광학적 특성을 연구 하였다. 저온 광루미네센스 측정(Photoluminescence; PL) 을 통하여 ZnTe 완충층 두께가 증가할수록 양자점의 광루미네센스 피크가 낮은 에너지로 이동함을 알 수 있었는데, 이는 ZnTe 완충층의 두께가 증가할수록 ZnTe 완충층과 CdTe 양자점의 격자 불일치(lattice mismatch)로 인한 구조 변형력이 감소하고 이에 따라 CdTe 양자점으로 가해지는 변형(Strain)이 감소하여 CdTe 양자점의 크기가 증가했기 때문이다. 그리고 ZnTe 완충층의 두께가 증가할수록 PL 세기가 증가함을 알 수 있었는데, 이는 ZnTe 완충층의 두께가 증가할수록 양자 구속 효과로부터 electronic state와 conduction band edge 사이의 에너지 차이의 증가 때문이다. 또한 시분해 광루미네센스 측정 결과 ZnTe의 두께가 증가할수록 양자점의 소멸 시간이 더 길게 측정되었는데, 이는 더 큰 양자점 일수록 엑시톤 오실레이터 강도가 감소하기 때문에 더 긴 소멸 시간을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 본 연구는 ZnTe 두께 변화를 통해 양자점의 에너지 밴드를 제어할 수 있으며, 양자점의 효율 향상을 할 수 있는 좋은 방법임을 제시하고 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2000.02a
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• pp.89-89
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• 2000

AlN 박막은 Al과 N원자의 부분적 이온결합 특성을 가진 공유결합을 한 육방정계의 wurtzite 경정구조의 화합물 반도체로서, III-V족 반도체 중 가장 큰 에너지 갭(6.2 eV), 결정 구조적 이방성, 화학 양론적 결합구조, 높은 탄성종과 전달속도(약 10$\times$106 m/s)와 높은 열전도도, 고온 안정성, 가시광성.적외선 영역에서의 좋은 투과성과 높은 굴절률, 상온 대기압에서의 유일하게 안정적인 특성을 가지고 있어, 절연재료, 내열재료, 저주파 영역 센서의 압전 트랜스듀서, 광전소자, 탄성파 소자 및 내환경 소자, MIS소자 등으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 BAW 공진기의 활용을 목적으로 반응성 마그네트론 스퍼터링 방법으로 AIN 압전박막을 제작하여, 증착 조건-질소 농도, 고주파 출력, 전체 스퍼터링 압력, 기판 온도-에 대한 박막의 특성을 조사하였다. AlN 박막의 c축 우선 방위 결정성 및 낮은 투과성, 적당한 굴절률의 특성이 BAW 공진기의 활용을 위한 요건이므로, 각각의 증착 조건하에 제작된 박막은 XRD의 $\theta$/2$\theta$ 스캔 회절상에 의한 결정성의 분석과 우선 성장 결정면의 rocking curve 및 XRD로 측정한 FWHM과 표준 편차로 결정성의 배열성과 소자 응용가능성을 조사하였다. 박막의 표면.단면 미세 구조 및 평활도는 SEM으로 관찰하였으며, Al-N 결합 상태는 XPS와 FT-IR로 분석 조사하였다. 제작된 AlN 박막의 결정성 분석 결과, c축 우선 방위 성장을 위한 스퍼터링 압력에 대한 임계 질소 농도와 임계 스퍼터링 압력이 관찰되었다. 전체 스퍼터링 압력이 6~8 mTorr의 범위에서 나타난 최소 임계질소 농도는 10%, 최대 임계 질소 농도는 60%이며, 4 m Torr 이하 10 m Torr 이상의 전체 스퍼터링 압력에서 박막의 우선 방위성장이 제재된다. 이는 AlN 박막이 형성에 관여하는 질소 이온 양의 충분한 형성에 필요로 하는 질소 가스의 유입량에 따른 것으로 판단된다. AlN 박막의 c축 결정면인 (002) 결정면의 성장을 유도하며 다른 방향으로의 성장을 제어하여 소자 활용에 유용한 박막을 제작하기 위한 고주파 출력은 300W 정도가 적당하며, 기판을 가열하지 않았을 때 낮은 투과도를 나타낸다. 본 연구에 의한 BAW 공진기 활용을 위한 AlN 압전박막의 제작을 위한 최적 증착 조건은 기판의 가열 없이 6~8 mTorr의 전체 스퍼터링 압력에 20~25%의 질소종도, 300W의 고주파 출력이다. 최적 조건에서의 AlN 박막은 약 0.19$^{\circ}$의 FWHM과 약 0.08$^{\circ}$의 표준편차를 가지며, 균일하고 조밀한 표면 미세구조와 주상정 구조의 측면구조, 파장에 대한 약 2.0의 굴절률, 낮은 투과도와 화학 양론적 구조를 가지는 우수한 박막이 형성되었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.57-58
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• 2011

III-V족 화합물 반도체의 일종인 InSb는 77 K에서 0.23 eV의 작은 밴드 갭을 가지며 높은 전하 이동도를 가지고 있기 때문에 대기권에서 전자파 흡수가 일어나지 않는 3~5 ${\mu}m$범위의 장파장 적외선 감지가 가능하여 중적외선 감지 소자로 이용되고 있다. 하지만 InSb는 밴드 갭이 매우 작기 때문에, 소자 제작시 누설전류에 의한 소자 특성의 저하가 문제시 되고 있다. 또한 다른 화합물 반도체에 비해 녹는점이 낮고, 휘발성이 강한 5족 원소인 Sb의 승화로 기판의 화학양론적 조성비(stoichiometry)가 변하기 쉬워, 계면특성 저하의 원인이 된다. 따라서 우수한 특성을 가지는 적외선 소자의 구현을 위해서, 저온에서 계면 특성이 우수한 고품질의 절연막 증착 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 InSb 기판 위에 $SiO_2$, $Si_3N_4$의 절연막 형성시 증착온도의 변화에 따른 계면 트랩 밀도를 분석하였다. $SiO_2$, $Si_3N_4$ 절연막은 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)을 이용하여 n형 InSb 기판 위에 증착하였으며, 증착온도를 $120^{\circ}C$부터 $240^{\circ}C$까지 변화시켰다. Metal oxide semiconductor(MOS) 구조 제작을 통하여, 커패시턴스-전압(C-V)분석을 진행하였으며, 절연막과 InSb 사이의 계면 트랩 밀도를 Terman method를 이용하여 계산하였다[1]. 또한, $SiO_2$와 $Si_3N_4$의 XPS 분석과 TOF-SIMS 분석을 통하여 계면 트랩 밀도의 원인을 밝혀 보았다. $120{\sim}240^{\circ}C$ 온도 범위에서 계면 트랩 밀도는 $Si_3N_4$의 경우 $2.4{\sim}4.9{\times}10^{12}cm^{-2}eV^{-1}$, $SiO_2$의 경우 $7.1{\sim}7.3{\times}10^{11}cm^{-2}eV^{-1}$ 값을 나타냈고, 두 절연막 모두 증착 온도가 증가할수록 계면 트랩 밀도가 증가하는 경향을 보였다. 그러나 모든 샘플에서 $Si_3N_4$의 경우, flat band voltage가 음의 전압으로 이동한 반면, $SiO_2$의 경우, 양의 전압으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 계면 트랩 밀도 증가의 원인을 확인하기 위해서, oxide를 $120^{\circ}C$, $240^{\circ}C$에서 증착시킨 샘플을 XPS 분석을 통하여 깊이에 따른 성분분석을 하였고, 그 결과, $240^{\circ}C$에서 증착된 샘플에서 계면에서 $In_2O_3$와 $Sb_2O_3$ 피크의 증가를 확인하였다. 이는 계면에서 oxide양이 증가함을 의미하며, 이렇게 생성된 oxide는 계면 트랩으로 작용하므로, 계면 특성을 저하시키는 원인으로 작용함을 알 수 있었다. Nitride 절연막을 증착시킨 샘플은 TOF-SIMS 분석을 통해, 계면에서의 성분 분석을 하였고, 그 결과, $240^{\circ}C$에서 증착된 샘플에서 In-N, Sb-N, Si-N 결합의 감소를 확인하였다. 이렇게 분해된 결합들의 dangling 결합이 늘어 계면 트랩으로 작용하므로, 계면 특성을 저하시키는 원인으로 작용함을 알 수 있었다. 최종적으로, 소자특성을 확인 하기 위하여 계면 트랩 밀도가 가장 낮게 측정된 $200^{\circ}C$ 조건에서 $SiO_2$ 절연막을 증착하여 InSb 적외선 소자를 제작하였다. 전류-전압(I-V) 분석 결과 -0.1 V에서 16 nA의 누설 전류 값을 보였으며, $2.6{\times}10^3{\Omega}cm^2$의 RoA(zero bias resistance area)를 얻을 수 있었다. 절연막 증착조건의 최적화를 통하여, InSb 적외선 소자의 특성이 개선됨을 확인할 수 있었다.