[논문]Sol-gel 법으로 제작한 Al-doped ZnO 박막의 도핑 농도 및 열처리 온도에 따른 광학적 및 전기적 특성

신현호; 강성준; 윤영섭

Sol-gel 법으로 제작한 Al-doped ZnO 박막의 도핑 농도 및 열처리 온도에 따른 광학적 및 전기적 특성
Optical and Electrical Properties of Al-doped ZnO Thin Films Fabricated by Sol-gel Method with Various Al Doping Concentrations and Annealing Temperatures 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SD, 반도체, v.44 no.5 = no.359, 2007년, pp.1 - 7

신현호 (인하대학교 전자공학과) , 강성준 (전남대학교 전기 및 반도체 공학과) , 윤영섭 (인하대학교 전자공학과)

초록
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Sol-gel 법으로 quartz 기판 위에 Al 도핑 농도와 열처리 온도에 따른 AZO 박막을 제작하였다. 1 % Al 이 도핑되고 550 $^{\circ}C$ 에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 우수한 (002) 배향성과 가장 평탄한 박막 (1.084 nm) 이 제작되었다. 모든 박막은 가시광 영역에서 약 80 % 이상의 투과율을 보였으며, Al 농도가 증가할수록 에너지 밴드 갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과가 관찰되었다. Hall 측정 결과, 순수한 ZnO 박막보다 Al 이 도핑된 ZnO 박막에서 캐리어 농도의 증가와 비저항 값의 감소가 나타났다. 또, Al 의 도핑 농도가 증가함에 따라 segregation 효과로 인한 캐리어 농도의 감소와 비저항 값의 증가가 관찰되었다. 1% Al 이 도핑되고 550 $^{\circ}C$ 에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 큰 캐리어 농도 ($1.80{\times}10^{19}\;cm^{-3}$) 와 가장 낮은 비저항 (0.84 ${\Omega}cm$) 값을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

AZO thin films have been fabricated on quartz substrate with various Al doping concentrations and annealing temperatures by sol-gel method. The bset condition of (002) orientation and smooth surface (rms = 1.082 nm) is obtained for the AZO thin film doped with 1 mol % Al and annealed at 550 $^{\circ}C$. The optical transmittance of AZO thin films is higher than 80 % in the visible region. We observe that the energy band gap extends with increasing the Al doping concentration. This phenomenon is due to the Burstein-Moss effect. Through the measurement of Hall effect, it is observed that the AZO thin film has larger carrier concentration and smaller electrical resistivity than the pure ZnO thin film. However, the AZO thin film shows the decrease of carrier concentration and the increase of resistivity with the increase of Al concentration, that is due to the segregation of Al at grain boundaries. The maximum carrier concentration of $1.80{\times}10^{19}\;cm^{-3}$ and the minimum resistivity of 0.84 ${\Omega}cm$ are obtained for the AZO thin film doped with 1 mol % Al and annealed at 550 $^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 A1 도핑 농도와 열처리 온도에 따른 AZO 박막의 구조적, 광학적, 전기적 특성 변화를 조사하여 AZO 박막의 투명 전도막으로의 응용 가능성에 대해서 알아보았다.
본 연구에서는 sol-gel 방법으로 quartz 기판위에 A1 도핑 농도와 열처리 온도에 따른 AZO 박막을 제작하여구조적, 광학적, 전기적 특성을 조사하였다. 1 mol% Al 이 도핑되고 550 ℃에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 우수한 (002) 배향성을 나타내었다.

제안 방법

AZO 박막의 구조적 특성을 분석하기 위해 X-ray Diffractometer(XRD, Philips, PW 3020)을 이용하였고, 박막의 표면 상태는 Atomic Force Microscope(AFM, VG, Microlab 310F)을 사용하여 조사하였다. AZO 박막의 투과도 특성은 UV-vis spectrometer (V arian, Cary-500)을 이용하여 측정하였다.
코팅과 건조과정을 4회 반복하여 원하는 두께를 얻었다. 그 후, 분위기 제어 없이 450℃에서 650℃ 사이의 온도에서 1 시간동안 열처리를 실시하여 AZO 박막의 제작을 완료하였다.

대상 데이터

2氏0)를 사용하였으며, 솔벤트와 안정화제로 각각 2-metho- xyetanoKCHMCHzCHzOH) 과 MEA (C₂H₇NO) 를 사용하였다. 도핑 믈질로는 aluminum nitrate (A1(NC)3)3 , 9压0)를 사용하였다.
2氏0)를 사용하였으며, 솔벤트와 안정화제로 각각 2-metho- xyetanoKCHMCHzCHzOH) 과 MEA (C₂H₇NO) 를 사용하였다. 도핑 믈질로는 aluminum nitrate (A1(NC)3)3 , 9压0)를 사용하였다. A1 도핑 농도는 0에서 4 mol%로 변화시 켰다.

이론/모형

Microlab 310F)을 사용하여 조사하였다. AZO 박막의 투과도 특성은 UV-vis spectrometer (V arian, Cary-500)을 이용하여 측정하였다. 또, Van der Pauw 법을 이용한 Hall effect measurement(Accent, HL5500PC)을 실시하여 AZO 박막의 캐리어 농도와 비저항 값을 조사하였다.
AZO 박막의 투과도 특성은 UV-vis spectrometer (V arian, Cary-500)을 이용하여 측정하였다. 또, Van der Pauw 법을 이용한 Hall effect measurement(Accent, HL5500PC)을 실시하여 AZO 박막의 캐리어 농도와 비저항 값을 조사하였다.

성능/효과

광학적, 전기적 특성을 조사하였다. 1 mol% Al 이 도핑되고 550 ℃에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 우수한 (002) 배향성을 나타내었다. A1 도핑 농도가 1 mol% 이상으로 증가하면, Zn와 A1의 이온 반지름의 차이로 인하여 결정성은 악화되었다.
1 mol% Al이 도핑 된 ZnO 박막에서 가장 좋은 투과도를 보였다. 이는 박막 표면이 평탄하고 결정 립의 밀도 증가에 의해 박막 내에서 산란되는 빛이 감소하
A1 도핑 농도가 1 mol% 이상으로 증가하면, Zn와 A1의 이온 반지름의 차이로 인하여 결정성은 악화되었다. AFM 측정을 통한 박막의 표면형상 분석 결과, 모든 박막은 거의 비슷한 결정립 크기를 나타냈으며, 1 mol% Al이 도핑되고 550 ℃ 에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 평탄한 박막(L084 nm) 이 얻어졌다. 박막의 투과도는 모든 박막에서 약 80 % 이상의 투과율을 나타내었으며, A1 도핑 농도가 증가함에 따라 밴드 갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과가 관찰되었다.
모든 박막은 가시광 영역에서 약 87%의 투과도를 보이며, blue 영역이 red 영역에서 보다 더 좋은 투과율을 나타내었다. 1 mol% Al이 도핑 된 ZnO 박막에서 가장 좋은 투과도를 보였다.
따른 투과도 곡선을 나타낸 것이다. 모든 박막이 400에서 800nm의 가시광 영역에서 약 80% 이상의 높은 투과도를 나타내었다. red 영역에서는 모든 박막에서 비슷한 투과율을 보였지만, blue 영역에서는 열처리 온도가 550℃까지 상승함에 따라 투과율이 약 91 % 까지 증가하는 것이 관찰되었다.
AFM 측정을 통한 박막의 표면형상 분석 결과, 모든 박막은 거의 비슷한 결정립 크기를 나타냈으며, 1 mol% Al이 도핑되고 550 ℃ 에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 평탄한 박막(L084 nm) 이 얻어졌다. 박막의 투과도는 모든 박막에서 약 80 % 이상의 투과율을 나타내었으며, A1 도핑 농도가 증가함에 따라 밴드 갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과가 관찰되었다. 전기적 특성은 1 % A1 이 도핑되고 550 ℃에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 높은 캐리어 농도 (1.
그림 8(b)에서는 열처리 온도에 따른 투과도곡선을 나타내었다. 열처리 온도가 450℃에서 550℃로 높아짐에 따라 에너지 밴드 갭은 3.34 eV 로 일정한 값을 나타냈지만, 550℃ 이상의 온도에서 열처리 시에 에너지밴드 갭이 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
박막의 투과도는 모든 박막에서 약 80 % 이상의 투과율을 나타내었으며, A1 도핑 농도가 증가함에 따라 밴드 갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과가 관찰되었다. 전기적 특성은 1 % A1 이 도핑되고 550 ℃에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 높은 캐리어 농도 (1.80X1019 cm³)와 가장 낮은 비저항 값©& Qcm)을 나타내었다. 본 연구결과를 통해, sol-gel 법으로 제작한 AZO 븐F므/ 이 비교적 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있었고, 향후, 용액 제조법을 좀 더 개선하여 박막의 결정성을 향상시키고, 가스 분위기에 따른 열처리시 박막의 특성에 대해서 좀 더 세밀한 연구가 이어진다면 평판 디스플레이 산업이나 태양전지 등의 분야에 투명 전도막으로 매우 유용하개 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
AZO 박막의 표면 형상은 열처리 온도에 상관없이 비슷한 크기의 결정립을 나타내었다. 표면 거칠기 값은 열처리 온도가 550℃ 까지 상승함에 따라 1.531nm에서 1.084nnml로 감소하였으며, 550℃에서 열처리한 박막이 가장 평탄한 표면을 갖고있음을 확인할 수 있다. 한편, 650℃에서 증착한 박막에서 가장 거친 표면 (rms = 3.

후속연구

Sol-gel 법으로 제작된 AZO 박막의 특성은 A1 도핑 농도와 열처리 온도에 특히 많은 영향을 받는다. 따라서 AZO 박막이 투명 전도막으로 사용되기 위해서는 최적의 도핑 농도와 열처리 온도를 찾는 것이 무엇보다 선행되어야 하고, 이를 바탕으로 박막의 배향성 및 표면 거칠기등의 구조적 특성과 광학적 및 전기적 특성과의 상관관계에 대한 연구도 필요하다.
80X1019 cm³)와 가장 낮은 비저항 값©& Qcm)을 나타내었다. 본 연구결과를 통해, sol-gel 법으로 제작한 AZO 븐F므/ 이 비교적 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있었고, 향후, 용액 제조법을 좀 더 개선하여 박막의 결정성을 향상시키고, 가스 분위기에 따른 열처리시 박막의 특성에 대해서 좀 더 세밀한 연구가 이어진다면 평판 디스플레이 산업이나 태양전지 등의 분야에 투명 전도막으로 매우 유용하개 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
그러나 그 이상의 열처리 온도에서는 blue 영역에서의 투과도도 80 % 대로 급격히 떨어졌다. 이러한 특징은 blue 발광 다이오드에 대한 투명 전도막으로의 응용에 기여 할 수 있으리라 생각된다.

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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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