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CHARACTERIZATION OF LASER PROCESSED In_(x)Ga_(1-X)As AND CuInSe_(2) THIN FILMS

Title
CHARACTERIZATION OF LASER PROCESSED In_(x)Ga_(1-X)As AND CuInSe_(2) THIN FILMS
Authors
박정혜
Issue Date
1994
Department/Major
대학원 물리학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
양인상
Abstract
Laser processed In(x)Ga(1)xAs and CuInSe(2) ternary compounds are characterized using micro Raman spectroscopy, micro photoluminescence (PL) and Auger electron spectroscopy (AES). In(x)Ga(1)xAs spots, laser processed with the 1.064 ?m line of an Nd-YAGpulsed laser of various energy densities, are characterized and compared with samples prepared by the conventional rapid-thermal-annealing (RTA) method. The laser-processing method has been successfully employed in both tin and phosphorus-diffused GaAs. However, it is for the first time that the method is used in fabricating indium-diffused samples. The spot processed with an energy density of 3.2× 10^(-4) mJ/cm^(2) shows In(x)Ga(1)xAs phases with an indium concentration of 60 % and below. An abrupt boundary in the indium concentration is observed at the edge of the laser annealed spot. The diffusion depth is less than 1000 ?. The spot annealed with an energy density of 6.4×10^(-4) mJ/cm^(2) shows considerable damage from the irradiation resulting in strain in the lattice. The samples prepared by the RTA method show similar results to the laser-diffused samples. However, unlike the laser-processed samples there is a problem of arsenic-loss, It can be concluded that laser-induced alloying of indium into GaAs can be achieved with less arsenic loss than the RTA method provided the conditions for minimum laser damage are found. Microprobe analysis methods have been used to identify the different crystalline grains found on CuInSe(2) thin films. Cu and In Films were deposited by the rf sputtering method and then selenized at various conditions. The Raman peaks of the thin films are found to be strongly dependent on the surface morphology. Grains larger than 2 ?m in the films annealed at 315 ℃ show Raman peaks at 174 cm^(-1) and 258 cm^(-1). The In content is very low and the Cu:Se ratio is about 1:1 in these grains. The low In concentration is thought to be due to the formation of In(2)O(3) on the surface. The 258 cm^(-1) peak is thought to originate from the vibrational motion in copper-selenide crystalline phases. On the other hand, random structures of 1-2 ?m grains found in films annealed at temperatures below 305 ℃ show peaks at 174 cm^(-1) and 186 cm^(-1) instead of 258 cm^(-1) and have the Cu:In:Se ratio of 1:1:3-4. Thus the 186 cm^(-1) peak is thought to be related to a Cu, In - deficient phase when compared to stoichiometric CuInSe(2). The optimum annealing condition was found by analyzing the Raman spectra and composition of different crystalline CuInSe(2) grains. Films annealed under this condition showed a clear Raman peak at 174 cm^(-1) and consisted of clusters of crystals less than 1 ?m in size. ;레이저로 처리한 In(x)Ga(1-x)As과 CuInSe(2) 얇은 박막을 마이크로 라만, 마이크로 PL 그리고 Auger 전자 분광학으로 조사하였다. 다양한 에너지 밀도의 Nd-YAG 레이저의 1.064 ?m 파장의 빛으로 In(x)Ga(1-x)As을 제작하였으며, 이를 급속 열처리 (RTA) 방법으로 제작한 시료와 비교하였다. 레이저를 이용하여 Sn과 P를 각각 GaAs에 투입시키는 방법은 이미 연구된 바가 있으나, In 을 치환시키는 시도는 처음이다. 3.2×10^(-4) mJ/cm^(2)의 에너지 밀도를 가지고 열처리한 시료는 60% 이하의 In 농도를 가진 In(x)Ga(1)xAs 상을 보인다. 레이저로 열처리된 부분의 경계에서 In 농도의 급격한 변화를 관찰할 수 있으며 확산 깊이는 1000 ? 미만이다. 에너지 밀도 6.4×10^(-4) mJ/cm^(2)로 열처리한 부분은 레이저의 빛에 의해 격자의 변형이 일어날 정도의 많은 손상을 받았다. 급속 열처리 방법에 의해 준비된 시료는 레이저로 처리한 시료와 비슷한 결과를 보이는데, 레이저로 처리한 시료와는 달리 As의 손실 문제가 있다. 레이저에 의한 손상을 최소로하는 조건을 발견하게 되면 GaAs에 In을 치환시키는 방법으로 급속 열처리 방법보다 레이저에 의한 방법이 As 손실이 적어 더 우수하다는 결론을 내릴 수 있다. Rf sputtering 방법으로 제작된 Cu,In 박막을 셀렌화하는 과정에서 미세결정들의 형성 과정을 micro Raman Spectroscopy로 조사하였다. 표면 형상이 다른 여러 미세결정의 라만 스펙트럼과 Auger Electron Spectroscopy를 통해 조사한 성분비를 분석하여 이상적인 박막 조건을 찾았다. In을 Cu위에 중착시키고 315 ℃에서 소결한 박막상에 있는 2 ?m 이상 크기의 결정은 174 cm^(-1) 뿐아니라 258 cm^(-1)에서도 라만 피크가 나타난다. 이들 결정 내부의 성분비를 조사한 결과 grain 표면에는 In(2)O(3)가 생성되었고, grain 내에서는 In 함량이 매우 적고 Cu:Se의 비는 약 1:1이었다. In의 함량이 이처럼 낮은 이유는 표면에 In이 산소와 결합하여 In(2)O(3)을 형성했기 때문이라고 생각된다. 258 cm^(-1) 진동 모드는 Cu-Se 원자의 진동 운동에서 유래되어지는 것으로 추측된다. 한편 305 ℃ 이하의 낮은 온도에서 소결한 박막상에 있는 1-2 ?m 크기의 결정성이 없는 grain들의 경우, 앞에서 언급한 258 cm^(-1) 피크는 나타나지 않고 대신에 174 cm^(-1)와 186 cm^(-1)에 라만 피크가 나타난다. 이들 grain의 Cu:In:Se의 성분비는 1:1:3-4 정도였다. 따라서 186 cm^(-1) 진동 모드는 이상적인 CuInSe(2)에 비해 Cu와 In의 함량이 조금 모자라는 상에서 비롯되는 것으로 생각된다. 열처리 시간을 길게하거나, 좀더 높은 온도에서 소결한 박막은 1 ?m 크기 이하의 결정의 모임이 균일하게 표면에 분포되어 있으며 174 cm^(-1)에 강한 라만 피크를 보인다. 위 결과들로부터 CuInSe(2) 박막의 이상적인 열처리 조건과 표면 형상을 찾았다.
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