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문제 정의
- 최근에 ITO 박막의 전기 비저항 보다 비저항 값은 다소 크지만 옥살산 계통의 약한 산에 에칭이 가능한 비정질 투명 전도막인 Zn 첨가 In2O3(IZO) 박막이 발견되었다.[6] 본 연구에서는 이 IZO 박막을 성장 온도를 달리하여 증착하고, 성장 온도에 따른 구조 및 결정성을 조사 하였으며, 전기적 광학적 특성 및 전도 전자의 충돌 과정에 관한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 999%)의 질소 기체를 분사하여 기판 표면을 건조시킨 후 사용하였다. Ar과 O2의 혼합가스 분위기(함량비 O2/Ar= 1/200)로 증착 압력을 5 mTorr로 유지하면서 상온에서 400℃까지 50℃ 간격으로 제작 온도를 증가시키면서 IZO 박막을 제조하였다. 박막의 구성 성분을 조사하기 위하여 입사 이온으로 3.
- IZO 박막의 표면 상태를 관측하기 위하여 원자력간 현미경 (AFM)을 이용하였으며, 상온 Hall 측정을 통하여 전하농도 (nH)와 전하 유동도 (μH)를 조사하였다. Hall 측정을 위한 Hall bar는 금속 마스크를 이용하여 6 접합점을 가진 긴 막대형태로 IZO 박막 제작시 in-situ 로 제작하였다. 성장 온도에 의존하는 IZO 박막 비저항의 온도 의존성 측정은 자체 제작한 비저항 측정 장치에 HaU 측정에 사용한 동일한 IZO 박막을 장착하여 온도범위 80K~320K에서 측정하였다.
- 02° 간격으로 20°≤2θ≤60°의 영역을 측정하였다. IZO 박막의 표면 상태를 관측하기 위하여 원자력간 현미경 (AFM)을 이용하였으며, 상온 Hall 측정을 통하여 전하농도 (nH)와 전하 유동도 (μH)를 조사하였다. Hall 측정을 위한 Hall bar는 금속 마스크를 이용하여 6 접합점을 가진 긴 막대형태로 IZO 박막 제작시 in-situ 로 제작하였다.
- 성장 온도에 의존하는 IZO 박막 비저항의 온도 의존성 측정은 자체 제작한 비저항 측정 장치에 HaU 측정에 사용한 동일한 IZO 박막을 장착하여 온도범위 80K~320K에서 측정하였다. 광투과도를 측정을 위하여 백색광원인 Xe램프(150W)를 사용하여 300~750nm 까지 파장을 변화시키면서 파장 변화에 따른 광투과도 측정을 하였다.
- 05 MeV He2+를 이용한 Rutherford Back Scattering(RBS)으로 분석한 결과 박막의 구성 성분(In 과 Zn의 비)은 실험 오차 내에서 세라믹 타겟의 함량비와 일치하였다. 박막 두께 측정을 위하여 α-step을 사용하였다. 박막의 구조와 결정성을 조사하기 위하여 X-선 회절 장치(XRD)를 사용하였다.
- 박막 제작 온도에 의존하는 IZO 박막의 구조와 결정성을 조사하기 위하여 XRD측정을 하였고 그 결과를 [그림 1]에 나타내었다. 박막 제작온도가 300℃이하인 시료는 X-ray 회절도의 피이크가 없는 것으로 보아 IZO 박막이 비정질 상태로 존재하는 것으로 추정이 된다.
- Hall 측정을 위한 Hall bar는 금속 마스크를 이용하여 6 접합점을 가진 긴 막대형태로 IZO 박막 제작시 in-situ 로 제작하였다. 성장 온도에 의존하는 IZO 박막 비저항의 온도 의존성 측정은 자체 제작한 비저항 측정 장치에 HaU 측정에 사용한 동일한 IZO 박막을 장착하여 온도범위 80K~320K에서 측정하였다. 광투과도를 측정을 위하여 백색광원인 Xe램프(150W)를 사용하여 300~750nm 까지 파장을 변화시키면서 파장 변화에 따른 광투과도 측정을 하였다.
- 직류 스퍼터링 방법으로 성장 온도를 달리하여 제작한 IZO 박막의 전기적·광학적 특성을 조사하였다. IZO 박막의 In : Zn의 성분비는 타겟의 In과 Zn의 성분비와 박막 제조 온도와는 무관하게 일치하였다.
대상 데이터
- 7 wt% ZnO인 세라믹 타깃을 이용하여 직류 마그네트론 스퍼터링 방법으로 제작하였다. IZO 박막 제작을 위하여 사용한 기판은 LCD-TFT 제작에 사용하는 코닝 유리를 이용하였다. 직류 마그네트론 스퍼터링 장비의 초기 진공도는 5×10-7 torr로 유지하였으며 IZO 박막의 증착 속도와 두께는 3.
- 박막 두께 측정을 위하여 α-step을 사용하였다. 박막의 구조와 결정성을 조사하기 위하여 X-선 회절 장치(XRD)를 사용하였다. 주사속도는 분당 0.
- 본 실험에서 이용한 Zn이 첨가된 In2O3(IZO) 박막은 함량이 89.3 wt% In2O3와 10.7 wt% ZnO인 세라믹 타깃을 이용하여 직류 마그네트론 스퍼터링 방법으로 제작하였다. IZO 박막 제작을 위하여 사용한 기판은 LCD-TFT 제작에 사용하는 코닝 유리를 이용하였다.
- 수행하였고 그림 3은 Hall 실험 결과이다. 실험에 사용한 Hall 구조는 6개의 접합이 가능한 긴 직사각형 구조로 길이 6.6 mm, 넓이 1 mm로서 [그림 3]의 삽화(inset)로 그려져 있다. 상온 제작한 IZO 박막의 비저항은 1.
- 6Å/sec, 약 1800Å이었다. 코닝 유리 기판세척은 아세톤, 에탄올, 메탄올, 증류수 순으로 각 단계마다 5분간 초음파 세척을 한 후 고순도(99.999%)의 질소 기체를 분사하여 기판 표면을 건조시킨 후 사용하였다. Ar과 O2의 혼합가스 분위기(함량비 O2/Ar= 1/200)로 증착 압력을 5 mTorr로 유지하면서 상온에서 400℃까지 50℃ 간격으로 제작 온도를 증가시키면서 IZO 박막을 제조하였다.
성능/효과
- 하지만 이에 대한 세밀한 연구가 요구된다. 150℃에서 제작한 IZO 박막은 전하농도는 적지만 전하 유동도가 커서 비저항이 작게 나왔고, 250℃에서 제작한 IZO 박막은 전하 유동도는 작지만 전하농도가 커서비저항이 적은 것으로 관측되었다. 투명 전도막의 특징이 높은 광투과도와 전기 전도성을 동시에 가지는 것이므로 작은 전하 농도로서 높은 전하 유동도 가지는 것이 더 높은 광투과도를 가지게 됨으로 150℃에서 제작한 IZO 박막이 250℃에서 제작한 IZO 박막 보다 우수하다고 판단된다.
- 전기적·광학적 특성을 조사하였다. IZO 박막의 In : Zn의 성분비는 타겟의 In과 Zn의 성분비와 박막 제조 온도와는 무관하게 일치하였다. XRD의 측정결과 IZO 박막은 300℃ 이하에서는 비정질, 350℃ 이상에서는 결정질 상태로 존재하는 것으로 추정된다.
- 29 mΩcm이었다. IZO 박막의 광투과율은 가시 광 영역에서 75-98% 이었으며 박막 제조온도가 증가할수록 광투과율은 대체적으로 감소하는 경향을 보였다. IZO 박막은 저온 생장이 가능하고 비정질형임에도 불구하고 낮은 비저항 값과 높은 광 투과도를 보이므로 매우 우수한 차세대 투명전도막으로 응용될 가능성이 매우 크다고 할 수 있다.
- 예로서 비정질 HO의 비저항은 결정질 ITO보다 월등히 큰 것과 대조를 보여주고 있다.[8] IZO 박막의 전도전자는 n형의 특성을 가지고 있었고 전하농도는 상온에서 제작한 IZO 박막의 경우 3×1020/cm3이었다가 제작온도가 상승함에 따라 증가하여 제작온도 250℃일 때 최대치 5×1020cm3이었다. IZO 박막의 제작온도가 더욱 상승하여 결정질로 되는 온도에서는 전하농도가 급격히 감소하였다.
- 그림 4에서 보이는 것처럼 IZO 박막은 온도가 감소함에 따라 비저항은 감소하는 금속성의 전기 저항 특성을 보여주고 있다. 또한 비저항의 온도 의존성은 비정질과 결정질 IZO 박막에서 유사하게 나타났으며 320K에서 측정한 비저항 값 ρ320K과 80K에서 측정한 비저항 값 ρ80K과의 차이 (ρ320K-ρ80K)/ρ80K×100(%)는 10~15(%) 정도로 온도 의존성이 적었다. 일반적으로 투명전도막의 경우 전도 전자가 많고 (n>1020/cm3) 이온화된 불순물에 의한 충돌이 주된 충돌 과정이고 알갱이 경계와 격자 충돌의 기여는 작은 것으로 알려져 있다.
- Ar과 O2의 혼합가스 분위기(함량비 O2/Ar= 1/200)로 증착 압력을 5 mTorr로 유지하면서 상온에서 400℃까지 50℃ 간격으로 제작 온도를 증가시키면서 IZO 박막을 제조하였다. 박막의 구성 성분을 조사하기 위하여 입사 이온으로 3.05 MeV He2+를 이용한 Rutherford Back Scattering(RBS)으로 분석한 결과 박막의 구성 성분(In 과 Zn의 비)은 실험 오차 내에서 세라믹 타겟의 함량비와 일치하였다. 박막 두께 측정을 위하여 α-step을 사용하였다.
- 6 mm, 넓이 1 mm로서 [그림 3]의 삽화(inset)로 그려져 있다. 상온 제작한 IZO 박막의 비저항은 1.2mΩcm이었고 제작 온도가 높아질수록 비저항은 감소하여 제작온도 100℃에서 300℃에서 거의 일정한 비저항 값 ~0.3mΩcm의 값을 가지는 것으로 나타났다. 특히 제작 온도가 300℃ 이하에서 제작한 IZO 박막은 비정질 상을 가짐에도 불구하고 최저 비저항 값은 0.
- 150℃에서 제작한 IZO 박막은 전하농도는 적지만 전하 유동도가 커서 비저항이 작게 나왔고, 250℃에서 제작한 IZO 박막은 전하 유동도는 작지만 전하농도가 커서비저항이 적은 것으로 관측되었다. 투명 전도막의 특징이 높은 광투과도와 전기 전도성을 동시에 가지는 것이므로 작은 전하 농도로서 높은 전하 유동도 가지는 것이 더 높은 광투과도를 가지게 됨으로 150℃에서 제작한 IZO 박막이 250℃에서 제작한 IZO 박막 보다 우수하다고 판단된다.[9]
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