[논문]Cosputtering법으로 증착한 ZnO박막의 Al도핑농도가 미세구조 및 물리적 특성에 끼치는 효과

임근빈; 이종무

doi:10.3740/mrsk.2005.15.9.604

Cosputtering법으로 증착한 ZnO박막의 Al도핑농도가 미세구조 및 물리적 특성에 끼치는 효과
Effects of Al Doping Concentration on the Microstructure and Physical Properties of ZnO Thin Films Deposited by Cosputtering 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.15 no.9, 2005년, pp.604 - 607

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Dependence of the crystallinity, surface roughness, carrier concentration, carrier mobility, electrical resistivity and transmittance of Al-doped ZnO films deposited on glass substrates by RF-magnetron sputtering on effects of the ratio of the RF power for AlZnO to that for ZnO (R) have been investigated. X-ray diffraction spectra show strong preferred orientation along the c-axis. The full width at half maximum (FWHM) of the ZnO (002) peak decreases slightly as R increases in the range of R1.0. Scanning electron micrographs (SEM) show that the ZnO film surface becomes coarse as R increases. The carrier concentration and the carrier mobility in the ZnO thin film are maximal for R=1.5 and 1.0, respectively. The electrical resistivity is minimal for R=1.0 The transmittance of the ZnO:Al film tends to increase, but to decrease slightly in the range of R>0.5. It may be concluded that the optimum R value is 1.0, considering all these analysis results. The cause of the changes in the structure and physical properties of ZnO thin films with R are also discussed.

주제어

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문제 정의

6)그러나 알루미늄 도핑으로 ZnO의 전기전도도는 쉽게 높일 수 있지만 높은 투과도가 필요한 평판디스플레이 패널의 투명전극으로 사용하기 위해서는 투과도를 개선하기 위한 더 많은 노력이 요청된다. 여기서는 RF 마그네트런 스퍼터링 법으로 AZO 박막을 증착함에 있어 투과도에 가장 많은 영향을 끼치는 것으로 생각되는 A1 농도를 RF 전력비에 변화 시켜 A1 농도의 최적조건을 결정하는 연구를 수행하였다. 즉, ZnO의 RF 전력에 대한 AlZnO의 RF 전력비 (R)가 AZO박막의 구조와 전기적, 광학적 성질에 끼치는 효과를 조사하였다.

제안 방법

이와 같이 만들어진 시편들에 대해 Cu Ka특성 X선을 사용하는 X-ray 회절 (XRD:Rigaku 2500PC)에 의하여 AZO박막의 결정성을 조사하였다. 그리고 SEM을 이용하여 AZO막의 미세구조를 관찰하였으며, a-step (Dektak- 3)을 사용하여 AZO막의 두께를 측정하였다. 또한 Hall 측정장비(HEM-2000)를 이용하여 캐리어 농도, 캐리어 이동도, 전기적 비저항을 측정하였으며, UV/VIS 분광기를 사용하여 AZO막의 투과도를 측정하였다.
그리고 SEM을 이용하여 AZO막의 미세구조를 관찰하였으며, a-step (Dektak- 3)을 사용하여 AZO막의 두께를 측정하였다. 또한 Hall 측정장비(HEM-2000)를 이용하여 캐리어 농도, 캐리어 이동도, 전기적 비저항을 측정하였으며, UV/VIS 분광기를 사용하여 AZO막의 투과도를 측정하였다.
기판온도 역시 200℃ 로 고정시켰고, 균일한 AZO박막을 얻기 위해 기판을 회전시켰다. 또한 ZnO에 대한 RF 전력는 100 W로 고정한 상태에서 AlZnO에 대한 RF 전력을 0, 50, 100, 150, 200 W로 변화시켰다. Table 1은 ZnO의 RF 전력에 대한 AlZnO의 RF 전력비(R)의 변화에 따른 AZO 박막에서의 A1 농도를 X-ray 분광기 (EDX)를 통해 관찰한 결과값이다.
유리 기판 (Coming 7059) 위에 3인치의 ZnO(99.9wt%) 와 AlZnO(ZnO: 97wt%, Al: 3wt%)의 타깃을 각각 사용하여 cosputtering법으로 AZO박막을 성장시켰다. 이때 각각의 타깃과 기판 사이의 거리는 8 cm였다.
또한 Table 2는 자세한 실험조건을 나타냈다. 이와 같이 만들어진 시편들에 대해 Cu Ka특성 X선을 사용하는 X-ray 회절 (XRD:Rigaku 2500PC)에 의하여 AZO박막의 결정성을 조사하였다. 그리고 SEM을 이용하여 AZO막의 미세구조를 관찰하였으며, a-step (Dektak- 3)을 사용하여 AZO막의 두께를 측정하였다.
여기서는 RF 마그네트런 스퍼터링 법으로 AZO 박막을 증착함에 있어 투과도에 가장 많은 영향을 끼치는 것으로 생각되는 A1 농도를 RF 전력비에 변화 시켜 A1 농도의 최적조건을 결정하는 연구를 수행하였다. 즉, ZnO의 RF 전력에 대한 AlZnO의 RF 전력비 (R)가 AZO박막의 구조와 전기적, 광학적 성질에 끼치는 효과를 조사하였다.

성능/효과

ZnO(002) 피크만 유일하게 관찰되는 것으로 보아 자기조직화(selftexturing phenomenon) 으로 인해 c-축 우선배향성이 강함을 알 수 있다. 7)R값이 증가함에 따라 (002)피크 강도는 아주 조금씩 증가하다가 R=1 일 때 최대가 되고, R>1 로 증가할 경우는 강도가 다시 줄어들었다. 강도가 줄어드는 결과와 Fig.
투과도 측정결과 undoped-ZnO(R= 0)를 제외한 모든 AZO박막 (R*0)에 대해 평균 80% 이상의 높은 투과율이 측정되었고, 500nm의 파장대에서는 모든 샘플이 대략 90%의 높은 투과도를 나타내었다. R 가 증가할수록 투과도는 두드러지게 향상되는 경향을 보이며 R=1.0과 1.5에서 특히 높은 투과도가 관찰되었다. 그러나 #가 2.
RF 마그네트런 스퍼터링법에 의하여 AZO박막을 증착함에 있어 R (ZnO 타깃의 RF 전력에 대한 AlZnO 타깃의 RF power 비)값을 변화시킴으로써 A1 도핑농도를 변화시킴에 따라 AZO박막의 구조적, 전기적 및 광학적 성질이 크게 달라지는 것으로 조사되었다. 투명전극용 AZO 박막을 증착할 경우 적정 R값은 1.
또한 R값에 따른 표면 거칠기의 변화는 결정성의 변화와도 잘 일치한다. 따라서 결론적으로 말하면 RF마그네트런 스퍼터링 법으로 AZO 박막을 증착함에 있어 R<1.0일 때 결정성과 표면형상이 우수한 막을 성장시킬 수 있다.
0이다. 또한 R=1.0인 경우의 캐리어 농도, 이동도 및 비저항값은 각각 1019 2.35X / cm ³ , 3.62cm²/Vs, 2.25X IbPcm로 조사 되었고, 투과율은 90% 정도로 높게 측정되었다.
R>1 인 범위에서 ZnO (002)피크가 큰 이동을 보이는데, 이것으로부터 상당량의 AF+이온이 Zn2+ 이온 자리에 치환되어 들어가기 보다는 틈새 자리에 들어 감을 알 수 있다. 또한 ZnO (002)피크의 반가폭은 A1 에 대한 R=1 일 때 가장 작았으며 R값을 1.0 이상으로 증가시킬 경우 반가 폭이 증가함으로써 결정성이 현저히 저하되는 경향을 나타내었다. AZO박막을 제조함에 있어 결정립의 배향성이 좋은 우수한 결정을 얻기 위해서는 R를 잘 조절하는 것이 매우 중요함을 알 수 있다.
투과도 곡선은 정상파 (standing wave)의 특성을 보이는데, 이것은 AZO막과 유리 기판의 경계에서 반사되어 나오는 광과 입사광간의 간섭으로 인한 것이다. 투과도 측정결과 undoped-ZnO(R= 0)를 제외한 모든 AZO박막 (R*0)에 대해 평균 80% 이상의 높은 투과율이 측정되었고, 500nm의 파장대에서는 모든 샘플이 대략 90%의 높은 투과도를 나타내었다. R 가 증가할수록 투과도는 두드러지게 향상되는 경향을 보이며 R=1.

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