[학위논문]기판온도와 분위기 가스에 따른 AZO 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성 Electrical, optical and structural properties of AZO thin films by substrate temperature and atmospheric gases원문보기
현재, 스마트폰, 웨어러블 기기, 태블릿 등과 같은 디스플레이 소자 및 광학 소자에서 전극 재료로 투명하면서도 전기가 통화는 특성을 투명 전도성 산화물(TCO, Transparent Conductive Oxide)이 사용되어지고 있다. 여러 투명 전도성 산화물 중 ITO는 낮은 비저항의 우수한 전기적 특성 및 ...
현재, 스마트폰, 웨어러블 기기, 태블릿 등과 같은 디스플레이 소자 및 광학 소자에서 전극 재료로 투명하면서도 전기가 통화는 특성을 투명 전도성 산화물(TCO, Transparent Conductive Oxide)이 사용되어지고 있다. 여러 투명 전도성 산화물 중 ITO는 낮은 비저항의 우수한 전기적 특성 및 가시광 영역에서의 높은 투과율을 갖는 광학적 특성으로 인해 가장 대중적으로 사용되어지고 있는 투명 전극 소재이다. 하지만, ITO는 박막 증착 과정에서 고온 증착 공정이 필수적이며 ITO의 주재료인 인듐(In)은 희소 물질로 가격 변동이 크고 전기화학적 안정성, 신뢰성 및 유연성이 떨어진다는 단점을 지니고 있다. 최근에는 이러한 ITO의 단점을 해결하고자 새로운 대체 물질들이 연구 및 개발 되어지고 있다. 여러 TCO 물질 중 인듐(In)이 들어가지 않은 ZnO 물질 계열의 박막이 주목받고 있다. 특히나 ZnO는 자원이 풍부하여 원자재의 가격이 낮으며 친환경적이라는 장점으로 인해 현재 많은 연구가 진행 되어지고 있다. 또한 Al, Ga, In, 등 불순물을 도핑하게 되면 시간의 경과에 따라 불안정한 산소 공공의 소멸에 따른 비저항 값의 상승이라는 ZnO 단점인 전기적 특성 변화를 해결할 수 있으며 적절한 화학적 조성 제어를 통해 산소 공공을 생성시켜 전기 전도성을 부여할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 ZnO에 Al을 도핑한 AZO 물질을 타겟으로 삼았다. AZO 박막은 저온 증착의 용이성이 존재하며 높은 전도도 효과에 따른 좋은 전기적 특성 및 가시광선 영역에서의 높은 투과율에 따른 훌륭한 광학적 특성으로 인해 ITO를 대체할 수 있는 물질로 주목받고 있으며 다양한 분야에서 많은 연구가 이뤄지고 있다. 이번 연구에서는 기판 온도와 증착 시, 수소 및 산소 분위기가 AZO 박막의 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 연구하였다. 이 연구를 위해 Al2O3 : 2wt%, ZnO : 97wt% 조성의 AZO target을 사용하였으며 RF magnetron sputtering의 방법을 이용하여 AZO 박막을 증착하였다. 타겟의 RF power는 70W로 고정하여 인가 시켰으며 기판 온도의 경우, 상온부터 400℃ 까지 변수를 두어 진행하였으며 스퍼터링 분위기 가스로 는 Ar, Ar+ H2 (5%), Ar+O2 혼합 가스를 사용하였다. Ar 가스의 경우 유량 40sccm으로 고정을 시켰으며 H2/(Ar+H2) gas flow ratio 및 O2/(Ar+O2) gas flow ratio의 경우, 0 ~ 10% 변수로 하여 2%씩 차등을 두고 박막을 증착하였다. 우선적으로 AZO의 모든 박막이 온도와 수소 및 산소 유량 조건에 상관없이 결정성을 나타내었으며 c-axis의 (002) 방향으로 우선 성장하였다. 기판 온도의 증가에 따라 반치폭 값이 감소하는 경향을 보였으며, 이는 AZO의 결정성이 기판 온도의 증가에 따라 향상됨을 의미한다. AZO 박막은 300℃, 수소 유량 5sccm일 때 1.073x10×−3Ω•cm으로 가장 낮은 비저항 값을 보였다. 이는 수소 분위기에서 스퍼터링을 할 시, 챔버 내에 환원성 분위기가 조성되어 산소 공공을 형성하였으며 이에 따라 캐리어 농도가 증가되어 전도도가 향상되었음을 의미한다. 광학적 특성의 경우, 기판 온도 및 수소, 산소 유량 조건과 상관없이 AZO박막 모두 가시광선 영역에서 80% 이상의 투과율을 보였다.
현재, 스마트폰, 웨어러블 기기, 태블릿 등과 같은 디스플레이 소자 및 광학 소자에서 전극 재료로 투명하면서도 전기가 통화는 특성을 투명 전도성 산화물(TCO, Transparent Conductive Oxide)이 사용되어지고 있다. 여러 투명 전도성 산화물 중 ITO는 낮은 비저항의 우수한 전기적 특성 및 가시광 영역에서의 높은 투과율을 갖는 광학적 특성으로 인해 가장 대중적으로 사용되어지고 있는 투명 전극 소재이다. 하지만, ITO는 박막 증착 과정에서 고온 증착 공정이 필수적이며 ITO의 주재료인 인듐(In)은 희소 물질로 가격 변동이 크고 전기화학적 안정성, 신뢰성 및 유연성이 떨어진다는 단점을 지니고 있다. 최근에는 이러한 ITO의 단점을 해결하고자 새로운 대체 물질들이 연구 및 개발 되어지고 있다. 여러 TCO 물질 중 인듐(In)이 들어가지 않은 ZnO 물질 계열의 박막이 주목받고 있다. 특히나 ZnO는 자원이 풍부하여 원자재의 가격이 낮으며 친환경적이라는 장점으로 인해 현재 많은 연구가 진행 되어지고 있다. 또한 Al, Ga, In, 등 불순물을 도핑하게 되면 시간의 경과에 따라 불안정한 산소 공공의 소멸에 따른 비저항 값의 상승이라는 ZnO 단점인 전기적 특성 변화를 해결할 수 있으며 적절한 화학적 조성 제어를 통해 산소 공공을 생성시켜 전기 전도성을 부여할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 ZnO에 Al을 도핑한 AZO 물질을 타겟으로 삼았다. AZO 박막은 저온 증착의 용이성이 존재하며 높은 전도도 효과에 따른 좋은 전기적 특성 및 가시광선 영역에서의 높은 투과율에 따른 훌륭한 광학적 특성으로 인해 ITO를 대체할 수 있는 물질로 주목받고 있으며 다양한 분야에서 많은 연구가 이뤄지고 있다. 이번 연구에서는 기판 온도와 증착 시, 수소 및 산소 분위기가 AZO 박막의 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 연구하였다. 이 연구를 위해 Al2O3 : 2wt%, ZnO : 97wt% 조성의 AZO target을 사용하였으며 RF magnetron sputtering의 방법을 이용하여 AZO 박막을 증착하였다. 타겟의 RF power는 70W로 고정하여 인가 시켰으며 기판 온도의 경우, 상온부터 400℃ 까지 변수를 두어 진행하였으며 스퍼터링 분위기 가스로 는 Ar, Ar+ H2 (5%), Ar+O2 혼합 가스를 사용하였다. Ar 가스의 경우 유량 40sccm으로 고정을 시켰으며 H2/(Ar+H2) gas flow ratio 및 O2/(Ar+O2) gas flow ratio의 경우, 0 ~ 10% 변수로 하여 2%씩 차등을 두고 박막을 증착하였다. 우선적으로 AZO의 모든 박막이 온도와 수소 및 산소 유량 조건에 상관없이 결정성을 나타내었으며 c-axis의 (002) 방향으로 우선 성장하였다. 기판 온도의 증가에 따라 반치폭 값이 감소하는 경향을 보였으며, 이는 AZO의 결정성이 기판 온도의 증가에 따라 향상됨을 의미한다. AZO 박막은 300℃, 수소 유량 5sccm일 때 1.073x10×−3Ω•cm으로 가장 낮은 비저항 값을 보였다. 이는 수소 분위기에서 스퍼터링을 할 시, 챔버 내에 환원성 분위기가 조성되어 산소 공공을 형성하였으며 이에 따라 캐리어 농도가 증가되어 전도도가 향상되었음을 의미한다. 광학적 특성의 경우, 기판 온도 및 수소, 산소 유량 조건과 상관없이 AZO박막 모두 가시광선 영역에서 80% 이상의 투과율을 보였다.
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