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논문 상세정보

RF 마그네트론 스퍼터링 법으로 사파이어 기판 위에 성장시킨 ZnO: Ga 박막의 RTA 처리에 따른 photoluminescence 특성변화

Enhancement of photoluminescence and electrical properties of Ga doped ZnO thin film grown on $\\alpha$-$Al_2O_3$(0001) single crystal substrate by RE magnetron sputtering through rapid thermal annealing

초록

RF마그네트론 스퍼터링법으로 사파이어 기판 위에 Ga을 1 wt% 첨가한 ZnO 박막(GZO)을 기판온도 $550^{\circ}C$에서 성장시켜 다결정 박막을 제조하였다. 이러한 박막은 불충분한 전기적 특성이나 PL(Photoluminescence) 특성을 보이고 있다. 이러한 전하농도, 이동도 그리고 PL특성 등과 같은 전기적 광학적 특성을 향상시키고자 질소분위기하에서 RTA(Rapid Thermal Annealing) 법으로 $800^{\circ}C$$900^{\circ}C$에서 각각 3분씩 후열처리 하였다. RTA법으로 후열처리한 GZO박막의 비저항은 $2.6\times10^{-4}\Omega$/cm 였으며 전자농도와 이동도는 각각 $3.9\times10^{20}/\textrm{cm}^3$과 60 $\textrm{cm}^2$/V.s 였다. 이러한 물리적 성질들의 향상은 열처리시 원자 크기가 비슷한 도핑된 Ga 원자들이 일부 휘발되는 Zn 빈자리로 치환하면서 침입자리 보다는 치환자리로의 전이에 기인한 것으로 생각된다.

Abstract

$Ga_2O_3$(1 wt%)-doped ZnO(GZO) thin films were grown on ${\alpha}-Al_2O_3$ (0001) by rf magnetron sputtering at $510^{\circ}C$, whose crystal structure was polycrystalline. As-grown GZO thin film shows poor electrical properties and photoluminescence (PL) spectra. To improve these properties, GZO thin films were annealed at 800-$900^{\circ}C$ in $N_2$atmosphere for 3 min. After the rapid thermal annealing(RTA), deep defect-level emission disappears and near-band emission is greatly enhanced. Annealed GZO thin films show very low resisitivity of $2.6\times10^{-4}\Omega$/cm with $3.9\times10^{20}/\textrm{cm}^3$ carrier concentration and exceptionally high mobility of 60 $\textrm{cm}^2$/V.s. These improved physical properties are explained in terms of translation of doped-Ga atoms from interstitial to substitutional site.

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