Zn0 is attracting more attention because of the good optical, electrical, and piezoelectrical properties. It has potential uses in optoelectronical systems such as photodetectors, light emitting diodes, electroluminescence devices, solar cells, and flat cathode ray tubes. Its band gap is wide (3.3 eV). Recently, optically pumped ultraviolet (UV) ZnO-based lasers have been demonstrated at room temperature. . Some research have shown that textured Zn0 films might have higher quantum efficiency than GaN and could become the next generation UV semiconductor laser. Since Zn0 has large piezoelectrical and optical efficiency, it is also a promising material for the surface acoustic wave (SAW) device, a component of optical integrated circuit. Fabrication of Zn0/GaAs SAW devices has already been reported.
Although some works concerning Zn0/Si heterostructures have been reported, almost all the heterostructures were grown by using either molecular beam epitaxy or metalorganic chemical vapor deposition. However, very few studies on ZnO/Si heterostructures with high-quality films grown via a simple method have been performed. Since the microstructural properties of ZnO thin films are strongly affected by their electrical and optical properties, studies concerning the effects of annealing and substrate temperature on the microstructural properties of ZnO thin films and ZnO/Si heterostructures are necessary for fabricating high-quality optoelectronic devices utilizing ZnO/Si heterostructures. In particular, since mismatches in the crystal lattices on opposite sides of the ZnO grain boundaries significantly deteriorate the optical properties of thin films, the atomic structure of [00011-tilt grain boundaries in ZnO was investigated using high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and atomistic calculations. HRTEM observation was conducted for [0001) fiber-textured ZnO thin films. The atomic structure of the boundaries is discussed with a focus on grain boundary at the triple point.
This study reports effects of the annealing and growth-temperature on columnar structures in ZnO thin films grown on p-Si (100) substrates by using radio-frequency magnetron sputtering. X-ray diffraction (XRD) measurements were carried out to investigate the crystallization of the ZnO thin film. Electron energy loss spectroscopy (EELS) have been conducted to determine distribution of elements. And transmission electron microscopy (TEM) and selected-area electron diffraction (SADP) measurements were carried out investigate the microstructuraI properties of the Zn0/p-Si (100) heterostructures.
ZnO는 육방정계 우르짜이트(wurizite)의 구조를 가지며, 넓은 에너지 밴드 갭(3.2 eV), 화학적 안정성, 경제성 등으로 그 응용성은 널리 알려져 있다. 따라서 최근까지 ZnO 박막이 갖는 이러한 특성을 이용해 소자 제작 및 물성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 ZnO박막에서의 결함과 관련된 미세구조적 특성은 소자에서의 전기적, 광학적 특성과 밀접한 관련이 있기 때문에 본 연구에서는 투과전자현미경을 이용하여 ZnO박막의 미세 구조적 특성을 연구하였다.
RF 마그네트론 스퍼터링법은 현제 가장 널리 사용되고 있는 ZnO 방박의 증착법으로서 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 ZnO박막을 증착할 경우 c축으로 우선 배양된 주상정 구조를 가지게 되는데 이때 생성된 [0001] 경각경계는 ZnO박막의 미세구조적 특성을 저하시키는 주요한 원인이 되며 이러한 이유로 [0001] 경각경계에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구들은 이론적인 연구였으며 고분해능 투과 전자현미경으로 수행된 몇몇 연구도 대부분 간단한 구조를 가지는 결정립계에 대한 연구에 국한되어 왔다. 또한 3개의 결정립이 만나는 triple junction에서의 각 결정립계들간의 관계에 대한 연구는 아직 발표된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 고분해능 투과 전자 현미경으로 triple junction에서 원자단위에서 구조분석을 통해 다양한 [0001]경각경계의 미세구조뿐만 아니라 각 결정립계들간의 방향관계에 대해서 분석하였다. 본 실험에서는 ${2 3 \overline 5 0}$, ${3 4 \overline7 0}$ 그리고 ${4 5 \overline 8 0}$ 의 3개의 symmetry구조와 ${1 1 \overline 2 0}$ 면족들로 7대1의 규칙적인 배열을 가지는 ${1 7 \overline 8 0}의 asymmetry구조가 관찰되었다. triple junction에서 asymmetry구조가 1/3[1 1 \overline 2 0]$ 의 버거스 벡터를 가지는 전위에 의해 뒤틀림이 완화될 수 있는 안정한 구조인 symmetry 구조로 바뀌어 간다는 것과, 경각경계에서의 표면에너지와 symmetry 결정립면의 면지수는 두 결정립사이의 뒤틀림 각도에 따라 정해짐을 확인할 수 있었다. 또한 각 결정립계들은 각각 120˚ 내외에서 안정한 symmetry구조를 가지는 면에서 면간 각도가 정해짐을 알 수가 있었다.
또한 ZnO 박막에 대한 열처리와 기판온도에 따른 다양한 연구 결과가 발표된 바 있다. 그러나 이러한 결과들은 일관성 있는 경향성을 따르지 않고 열처리와 높은 기판온도에 따라 긍정적이 효과와 부정적이 효과가 동시에 발표되고 있다. 그래서 본 연구에서는 투과전자현미경으로 그 원인을 밝히고자 하였다.
열처리되지 않은 시편의 경우 박막의 밑부분에서 많은 뒤틀림이 관찰되었고 위로 갈수록 적층 결함이 줄어드는 안정한 구조를 형성해나갔다. 열처리된 시편의 경우 산소의 확산으로 인해 옥사이드 층이 두꺼워졌으며 박막의 윗부분으로 갈수록 적층결함이 늘어나는 것으로 관찰되었다. EELS와 NCMSS 시물레이션 결과에 따라 열처리 되지 않은 시편의 경우 결함의 원인은 박막의 초기 생성 시 원자들의 과포화에 따른 기계적 원인으로, 열처리 된 시편의 경우 높은 온도에서 산소원자의 외부 확산에 따른 화학양론적인 원인으로 밝혀졌다.
기판온도를 달리해서 실험했을 경우, 기판 온도가 올라갈수록 결정의 크기가 커졌고, 좀 더 안정한 결정이 형성됨을 관찰 할 수 있었다. 또한 낮은 온도에서 표면에서의 ${0 2 \overline 2 3}$ 의 불안정한 면이 기판온도를 높임에 따라 ZnO 구조에서 가장 안정한 {0001}면으로 바뀌어감을 관찰 할 수 있었다. 이러한 현상들은 온도가 높아질수록 원자들의 확산도가 증가됨으로 설명 가능하다.
