[논문]고 에너지 전자빔 조사에 따른 ZnO 기판의 결함생성 및 전기적 특성 변화

이동욱; 송후영; 한동석; 김선필; 김은규; 이병철

doi:10.5757/jkvs.2010.19.3.199

고 에너지 전자빔 조사에 따른 ZnO 기판의 결함생성 및 전기적 특성 변화
Electrical Properties and Defect States in ZnO Substrates Irradiated by MeV Electron-beam 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.19 no.3, 2010년, pp.199 - 205

이동욱 (한양대학교 물리학과, 양자기능 스피닉스 국가지정 연구실) , 송후영 (한양대학교 물리학과, 양자기능 스피닉스 국가지정 연구실) , 한동석 (한양대학교 물리학과, 양자기능 스피닉스 국가지정 연구실) , 김선필 (한양대학교 물리학과, 양자기능 스피닉스 국가지정 연구실) , 김은규 (한양대학교 물리학과, 양자기능 스피닉스 국가지정 연구실) , 이병철 (한국 원자력 연구소, 양자 광학 연구실)

초록
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수열합성법(hydrothermal) 방식으로 성장한 ZnO 기판에 고에너지의 전자빔을 조사시킨 후 쇼트키(Schottky)다이오드를 제작하여 결함상태와 전기적 특성 변화를 조사하였다. 1 MeV 및 2 MeV 전자빔으로 $1{\times}10^{16}$ electrons/$cm^2$ dose로 기판의 Zn 면에 조사하였다. 1 MeV 전자빔이 조사된 시료에서는 표면에 전자빔 유도결함을 형성시켜 누설전류를 증가시켰고, 2 MeV 전자빔의 경우는 오히려 다이오드 누설절류 감소와 on/off 특성을 향상시키는 것으로 나타났다. 이들 시료에 대한 DLTS (deep level transient spectroscopy) 측정결과 전자빔 조사에 따른 전기적 물성변화는 활성화에너지와 포획단면적이 각각 $E_c$-0.33 eV 및 $2.97{\times}10^{15}\;cm^{-2}$인 O-vacancy가 주된 연관성을 보였으며, 활성화에너지 $E_v$+0.8 eV인 결함상태도 새롭게 완성되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electrical properties and defect states in ZnO substrates were studied during high-energy electron beam irradiations. 1 MeV and 2 MeV electron-beam with dose of $1{\times}10^{16}$ electrons/$cm^2$ were irradiated on Zn-surface of the sample. In the sample irradiated by 1 MeV, the leakage current was increased by electron-beam induced surface defects, while the enhancement of on/off property and the decrease of leakage current appeared in the 2 MeV irradiated sample. From the deep level transient spectroscopy measurements for these samples, it showed that the defect states with the activation energies of $E_c$-0.33 eV and $E_v$+0.8 eV are generated during the high energy electron-beam irradiation. Especially, it considered that the $E_c$-0.33 eV state related with O-vacancy affects to their electrical properties.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

HYD 법으로 (0001) 방향인 Zn 면으로 성장된 ZnO 기판에 1 MeV 및 2 MeV의 에너지 및 1×1016 electrons/cm2의 dose로 전자빔을 조하하였다.
한편, 액체헬륨 냉각방식으로 12-350 K까지 가변시킬 수 있는 저온용기(cryostat)를 사용하여 시료의 온도를 변화시켰다. Hall 측정은 HL5500C를 사용하였으며, 또한 HP4156A 고정밀 반도체 파라미터분석기와 MONO CL₃+GATAN을 사용하여 전류-전압 특성과 CL 및 SEM 분석을 실시하였다.
93237 s^-1이다. 또한, 측정깊이에 따른 결함 농도변화를 보기 위해 측정전압을 -0.5 V, -1.0 V 및 -1.5 V로 변화시켰다. 이 그림들에서 1 MeV의 전자빔이 조사된 경우 A와 B로 명명된 DLTS 신호가 확인되었으나, 2 MeV의 전자빔이 조사된 경우 A의 DLTS 신호만이 나타남을 볼 수 있다.
본 연구에서는 HYD 방식으로 성장된 ZnO 기판에 1 MeV 및 2 MeV의 전자빔을 조사(irradiation)한 후 그 결함상태들을 DLTS 법으로 측정하였으며, 음극선 발광(cathodoluminescence : CL) 및 주사전자현미경(scanning electron microscope : SEM) 측정결과와 함께 분석하였다.
상기와 같이 제작된 ZnO Schottky 다이오드는 DLTS 측정을 통해 내부 결함상태를 분석하였다. 이 때 사용된 DLTS장치는 HP4280A 1-MHz 전기용량 분석기, Boonton 7200 1-MHz 전기용량 분석기, HP8116A 펄스 발생기, SR640 필터기 및 디지털 데이터 수집 장치로 구성되었다.
의 dose로 전자빔을 조하하였다. 전자빔 조사된 ZnO 기판에 Schottky 다이오드를 제작하여 전기적 특성을 측정하고 결함상태를 분석하였다. DLTS 측정결과 전자빔 조사에 따른 ZnO의 면저항 감소는 활성화에너지와 포획단면적이 각각 E_c-0.
전자빔은 한국원자력연구소의 전자빔가속 시설을 이용하여 0.40 mA의 beam currnet로 534초 동안 조사하여 1×1016 전자/cm2의 dose로 가지는 1 MeV 및 2 MeV 에너지의 전자빔을 조사하였다.
전자빔조사 이후 Schottky 다이오드를 제작하기 위하여 전자빔 증착장치 (electron-beam evaporation)를 사용하여 100 nm 두께로 200 μm 지름을 가지는 게이트 전극을 형성하였으며 Ohmic 전극을 형성하기 위하여 알루미늄을 150 nm 두께로 상대적으로 게이트 전극보다는 넓게 형성하였다.
이 때 사용된 DLTS장치는 HP4280A 1-MHz 전기용량 분석기, Boonton 7200 1-MHz 전기용량 분석기, HP8116A 펄스 발생기, SR640 필터기 및 디지털 데이터 수집 장치로 구성되었다. 한편, 액체헬륨 냉각방식으로 12-350 K까지 가변시킬 수 있는 저온용기(cryostat)를 사용하여 시료의 온도를 변화시켰다. Hall 측정은 HL5500C를 사용하였으며, 또한 HP4156A 고정밀 반도체 파라미터분석기와 MONO CL₃+GATAN을 사용하여 전류-전압 특성과 CL 및 SEM 분석을 실시하였다.

대상 데이터

ZnO 기판은 CERMET 사에서 HYD 방식으로 성장한 도핑하지 않은 것으로서, 기판의 크기는 5×5 mm2이며 (0001) 방향을 가지는 Zn 면을 이용하였다.
상기와 같이 제작된 ZnO Schottky 다이오드는 DLTS 측정을 통해 내부 결함상태를 분석하였다. 이 때 사용된 DLTS장치는 HP4280A 1-MHz 전기용량 분석기, Boonton 7200 1-MHz 전기용량 분석기, HP8116A 펄스 발생기, SR640 필터기 및 디지털 데이터 수집 장치로 구성되었다. 한편, 액체헬륨 냉각방식으로 12-350 K까지 가변시킬 수 있는 저온용기(cryostat)를 사용하여 시료의 온도를 변화시켰다.

성능/효과

DLTS 측정결과 전자빔 조사에 따른 ZnO의 면저항 감소는 활성화에너지와 포획단면적이 각각 Ec-0.33 eV 및 2.97×10-15 cm-2인 O-vacancy에 기인됨을 확인하였다.
2에서와 같이 ZnO Schottky 다이오드 전류-전압 곡선의 누설전류 증가를 유발했음을 알 수 있다. 그와 반면 2 MeV의 경우 표면에는 거의 전자빔 조사에 의한 영향이 없었으며 오히려 내부에 침투한 전자빔이 다이오드의 전기적 특성을 향상시키는 결과를 보였다. 또한 전자빔조사 전 면저항이 10.
또한 전자빔조사 전 면저항이 10.69 Ω/□으로 DLTS 측정이 불가능하였으나, 전자빔 조사에 의하여 면저항을 감소시켜 DLTS 측정이 가능하게 되었고, 전자빔 유도결함 생성으로 운반자 농도를 증가시키는 것으로 고려되었다.
6(c)와 거의 차이가 없어 보이며 특히 표면의 SEM 사진과 CL 사진과 차이가 없다. 또한 표면의 전자빔에 의한 물리적 충격으로 비발광 결함이 형성되지 않은 것으로 확인되었다. 그와는 반대로, Fig.
면저항은 전자빔조사 전 10.69 Ω/ □에서 7.75 Ω/ □및 7.60 Ω/ □으로 감소하였으며, 전자이동도는 전자빔조사 전 205 cm2/V-s에서 1 MeV 및 2 MeV 전자빔조사 후 146 cm2/V-s와 156 cm2/V-s로 각각 나타났다.
앞서 Hall 측정에서 확인할 수 있듯이 1 MeV 및 2 MeV의 전자빔을 조사 하였을 경우 운반자 농도가 증가하였음을 확인할 수 있었으며 특히 2 MeV의 전자빔을 조사한 경우 40 nm 깊이 까지 대략 350 K에서 1.5×1018 cm-3의 운반자 농도를 유지 하였으나, 1 MeV의 전자빔을 조사 한 경우 35 nm 이하에서 운반자 농도가 급격히 1.5×1017 cm-3로 감소하고 있는데 이는 1 MeV의 전자빔에 의하여 유도된 결함이 대부분 표면에 형성되었음을 의미하며 특히 350 K에서 급격하게 감소하는 형태를 보이는 것은 1 MeV의 전자빔을 조사하였을 때 2 MeV의 경우보다 적은 농도의 결함구조가 40 nm 이하에 형성되었음을 의미한다.
이때 전자빔 조사에너지는 빔 조사 전 Monte Carlo 전산모사를 통하여 ZnO 기판에 전자가 조사된 깊이를 확인하여 1 MeV와 2 MeV의 전자빔이 조사 되었을 경우 각각 90 μm 및 230 μm의 투과 깊이를 가지는 것을 확인하였다.
8 eV의 활성화에너지가 추정된다 [7,8]. 이상의 결과에서, 2 MeV의 전자빔을 조사한 경우 ZnO의 고유 결함만이 확인되고 1 MeV의 전자빔에 의해 유도된 B의 결함구조는 나타나지 않았으나, 이는 2 MeV의 전자빔조사 후의 시료는 운반자 농도가 상대적으로 낮아 ZnO Schottky 접합의 공핍(depletion) 영역이 더 깊게 형성되어 DLTS 측정에서 표면쪽 신호를 측정하지 못함에 기인한 것으로 고려되었다. 일반적으로 가속된 입자의 고체 내의 투과도 및 결함형성 깊이는 조사빔의 에너지와 비례하기 때문이다 [9-12].
8 eV인 결함상태가 생성되었다. 한편, 상대적은 저에너지 전자빔의 경우는 시료표면에 전자빔 유도 결함을 형성시켜 누설전류를 증가시켰고, 2 MeV 전자빔의 경우는 오히려 다이오드 누설절류 감소와 on/off 특성을 향상시키는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO는 어떤 밴드갭과 에너지를 가지고 있는가?	300 K에서 3.4 eV의 밴드갭과 60 mV의 엑시톤(exciton) 결합 에너지를 가지는 ZnO는 고효율 광전소자 특히, 자외선 영역의 발광소자로의 응용성이 높은 반도체 물질이다 [1]. 또한 상온에서의 높은 광효율과 낮은 동작전압의 소자를 제작 할 수 있어서, n형 및 p형 ZnO 층을 성장하기 위한 연구가 광범위하게 진행되고 있다.
	ZnO는 어떤 반도체 물질인가?	300 K에서 3.4 eV의 밴드갭과 60 mV의 엑시톤(exciton) 결합 에너지를 가지는 ZnO는 고효율 광전소자 특히, 자외선 영역의 발광소자로의 응용성이 높은 반도체 물질이다 [1]. 또한 상온에서의 높은 광효율과 낮은 동작전압의 소자를 제작 할 수 있어서, n형 및 p형 ZnO 층을 성장하기 위한 연구가 광범위하게 진행되고 있다.
	반도체 물질의 결함 구조의 근원을 규명하고 결함구조를 제어를 통해 얻는 이점은?	특히 도핑농도를 조절하기 위해서는 ZnO의 결함구조(defect structure)에 대한 이해가 필요하며, 일반적으로 반도체 물질의 결함(defect)에 대한 기초적인 물리적 분석과 이해가 없이는 p형 반도체 제작이 어렵다. 결함구조의 근원을 규명하고 결함구조 제어를 통해 발광 양자효율, 운반자농도 및 소수운반자 수명 등의 제어에 활용할 수 있다. 따라서, ZnO Schottky 다이오드 구조를 제작하고 전류-전압 및 전기용량-전압 특성과 DLTS (deep level transient spectroscopy) 측정 등을 통해 결함상태를 분석할 수 있다 [2-4].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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