Hot Wall Epitaxy(HWE)법에 의한 MnAl2S4단결정 박막 성장과 광전도 특성

Abstract

수평 전기로에서 <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> 다결정을 합성하여 HWE(Hot Wall Epitaxy)방법으로 <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> 단결정 박막을 반절연성 GaAs(100)기판에 성장시켰다. <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> 단결정 박막의 성장 조건은 증발원의 온도 <TEX>$630^{\circ}C$</TEX>, 기판의 온도 <TEX>$410^{\circ}C$</TEX>였고 성장 속도는 <TEX>$0.5{\mu}m/hr$</TEX>였다. 이때 <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> 단결정 박막의 결정성의 조사에서 이중결정 X-선 요동곡선(DCRC)의 반폭치(FWHM)도 132 arcsec로 가장 작아 최적 성장 조건임을 알 수 있었다. <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX>/SI(Semi-Insulated) GaAs(100) 단결정 박막의 광흡수를 293 K에서 10 K까지 측정하였다. 광흡수 스펙트럼으로부터 band gap <TEX>$E_g(T)$</TEX>는 Varshni 공식에 따라 계산한 결과 <TEX>$E_g(T)=3.7920eV-(5.2729{\times}10^{-4}eV/K)T^2/(T+786K)$</TEX>였다. <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> 단결정 박막의 응용소자인 photocell로 사용할 수 있는 pc/dc 값이 가장 큰 광전도셀은 S 증기분위기에서 열처리한 셀로 <TEX>$1.10{\times}10^7$</TEX>이었으며, 광전도 셀의 감도(sensitivity)도 S 증기분위기에서 열처리한 셀이 0.93로 가장 좋았다. 또한 최대 허용소비전력(MAPD)값도 S 증기분위기에서 열처리한 셀이 316 mW로 가장 좋았으며, S 증기분위기에서 열처리한 셀의 응답시간은 오름시간 14.8 ms, 내림시간 12.1 ms로 가장 빠르게 나타나, <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> 단결정 박막을 S 분위기에서 <TEX>$290^{\circ}C$</TEX>로 30분 열처리한 photocell이 상용화가 가능할 것으로 여겨진다. A stoichiometric mixture of evaporating materials for <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> single crystal thin films was prepared from horizontal electric furnace. To obtain the single crystal thin films, <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> mixed crystal was deposited on thoroughly etched semi-insulating GaAs(100) substrate by the Hot Wall Epitaxy (HWE) system. The source and substrate temperatures were <TEX>$630^{\circ}C$</TEX> and <TEX>$410^{\circ}C$</TEX>, respectively. The crystalline structure of the single crystal thin films was investigated by the photoluminescence and double crystal X-ray diffraction (DCXD). The temperature dependence of the energy band gap of the <TEX>$MnAl_2S_4$</TEX> obtained from the absorption spectra was well described by the Varshni's relation, <TEX>$E_g(T)=3.7920eV-5.2729{\times}10^{-4}eV/K)T^2/(T+786 K)$</TEX>. In order to explore the applicability as a photoconductive cell, we measured the sensitivity (<TEX>${\gamma}$</TEX>), the ratio of photocurrent to dark current (pc/dc), maximum allowable power dissipation (MAPD) and response time. The results indicated that the photoconductive characteristic were the best for the samples annealed in S vapour compare with in Mn, Al, air and vacuum vapour. Then we obtained the sensitivity of 0.93, the value of pc/dc of <TEX>$1.10{\times}10^7$</TEX>, the MAPD of 316 mW, and the rise and decay time of 14.8 ms and 12.1 ms, respectively.