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산소 유량비 변화에 따른 Al 도핑된 ZnO 박막의 구조 및 광학적 특성
Effects of Oxygen Flow Ratio on the Structural and Optical Properties of Al-doped ZnO Thin Films 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.16 no.4, 2007년, pp.267 - 272  

손영국 (부산대학교 공과대학 재료공학부) ,  황동현 (부산대학교 공과대학 재료공학부) ,  조신호 (신라대학교 공과대학 전자재료공학과)

초록
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라디오파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리 기판 위에 Al 도핑된 ZnO (AZO) 박막을 성장시켰다. 증착시 스퍼터링 가스로 사용하는 산소 유량비의 변화에 따른 AZO 박막의 특성을 X-선 회절법, 원자 주사 현미경, 홀 효과 측정법으로 조사하였다. 증착 온도 $400^{\circ}C$에서 산소 유량비 0%로 증착된 AZO 박막은 가장 큰 c-축 우선 배향성과 최저의 비저항값 $6.9{\times}10^{-4}{\Omega}cm$을 나타내었다. 산소 유량비가 증가함에 따라 ZnO (002)면의 회절 피크의 세기는 실질적으로 감소하는 경향을 보였다. 또한, 산소 유량비가 감소함에 따라 전하 운반자의 농도와 홀 이동도는 증가하였으나, 전기 비저항은 감소하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Al-doped ZnO (AZO) thin films were grown on glass substrates by radio-frequency magnetron sputtering. The effects of oxygen flow ratio, which was used for a sputtering gas, on the AZO thin films were investigated by using the X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), and Hall effects m...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 그들은 증착 온도에 따라 박막의 전도성이 절연체, P형, n형으로 분리되어 나타나며, 특히, p형의 반도체가 되는 매우 좁은 온도 영역이 존재함을 제안하였다. Lin등 ⑻은 라디오파 스퍼터링 방법을 사용하여 50-300W의 파워를 변화시키면서 불순물을 도핑하지 않은 ZnO 박막을 성장시켜 그것의 광학 및 전기적 특성을 조사하였다. 청색과 녹색 발광은 산소 빈자리 깊은 준위와 관련되며, 노란색 발광은 전도대에서 억셉터로 전이하면서 방출이 발생한다고 주장하였다.
  • 이중에서, 라디오파 마그네트론 스퍼터링 (radio-frequency magnetron sputtering)은 비교적 장치가 간단하여 경제적이며, 박막의 물성 조절이 쉽고, 대면적 증착이 용이한 장점을 갖고 있다. 따라서, 본 연구에서는 이 증착법을 사용하였다.
  • 었다. 박막의 구조적 특성을 분석하기 위하여 X-선 회절 (X-ray diffraction: XRD) 측정을 수행하였으며, 박막의 광학적 특성은 자외선-가시광 분광계 (UV-VIS spectrophotometer)를 사용하여 파장 300-1100nm 영역에서 광투과도를 측정하였다. 이 측정 결과를 사용하여 광학적 밴드갭 에너지를 계산하였다.
  • 산소 유량비를 각각 0%, 10%, 30%, 50%으로 변화시키면서 양질의 AZO 박막을 유리 기판 위에 성장시켰다. 성장된 박막의 평균 투과율은 90% 이상이었으며, 비저항 값은 4.
  • 이 측정 결과를 사용하여 광학적 밴드갭 에너지를 계산하였다. 원자 주사 현미경 (atomic force microscope: AFM)으로 박막의 미세 표면 상태를 3차원 형상으로 관측하였으며, 박막의 전기적 특성은 van der Pauw 방법을 이용하는 Hall 측정 장비를 사용하여 박막의 비저항, 전하 운반자의 농도, 홀 이동도를 측정하였다.
  • 일반적으로, 불순물이 첨가되지 않은 ZnO 박막이 대기 중에 장시간 노출되면 산소의 영향으로 표면과 결정립계에 과다한 산소 흡착이 발생하여 시간이 경과함에 따라 박막의 비저항값이 급격히 커지는 전기적 특성의 변화 때문에 실제 전극으로 응용하기에는 상당한 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본연구에서는 A1 이 불순물로 도핑된 AZO 물질을 타겟으로사용하였고, 스퍼터링 가스로는 산소 (。2)와 아르곤 (Ar) 의혼합 가스양을 조절하여 산소 유량비의 변화에 따른 AZO 박막의 특성 변화를 관찰하여 높은 투과성과 전기전도도를 갖는 양질의 AZO 박막을 성장하였다.
  • 진공 조는 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하여 초기 진공도를 4 X10-6 Torr로 배기하였고, 스퍼터링 가스로는 산소와 아르곤의 혼합 가스양에 대한 산소의 유량비 (Q/Ar+G)를 0%, 10%, 30%, 50%로 조절하여 공급하였다. 이때 공급되는 Ar과 02 가스양은 각각 독립적인 유량 제어기 (mass flow controller)로 조절되었다.
  • 타겟과 기판 사이의 간격은 예비 실험을 통하여 최적의 조건인 4 cm로 고정하였고, 증착 온도를 400℃ 에 고정하여 증착하였다. 타겟 표면의 이물질을 제거하기 위하여 20분 동안 예비 스퍼터링을 수행한 다음에 본 스퍼터링을 수행하였다.
  • X선 회절 분석 결과, 모든 AZO 박막은 기판에 수직인 c축 방향으로 우선 배향 성장된 것으로 나타났고, 산소 유량비 0%에서 성장된 AZO 박막의 회절 피크의 세기가 최대이었고, 박막 성장시 산소 유량 비가 결정 낟알과 표면 거칠기의 크기에 영향을 미치는 중요한 변수임을 확인할 수 있었다. 파장 300-1100 nm 영역에서 광투과 스펙트럼을 측정한 결과, 산소 유량비 0%에서 성장된 시편의 경우에 최대 평균 투과율 94%를 얻었으며, Tauc의 모델을 사용하여 광학 밴드갭 에너지를 계산하였다. 박막의 전기적 특성의 경우에, 산소 유량비 0%에서성장된 AZO 박막은 6.

대상 데이터

  • 이때 공급되는 Ar과 02 가스양은 각각 독립적인 유량 제어기 (mass flow controller)로 조절되었다. 기판은 두께가 0.5mm이고, 넓이가 10mmX 10mm인 코닝 유리 (Corning 7059)를사용하였으며, 기판을 시편 고정대에 장착하기 직전에 표면의 유기물을 제거하기 위하여 아세톤, 메탄올의 순서로 각각 10분 동안 초음파 세척하였다. 그 후에, 증류수로 세척하고 질소 가스로 습기를 제거한 후에, 진공조에 장착하였다.
  • 본 실험에서는 직경 2인치, 두께 1/4인치인 AZO (A1: 2 wt%) 타겟을 사용하였고, 라디오파 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리 기판 위에 AZO 박막을 성장시켰다. 진공 조는 로터리 펌프와 터보 펌프를 사용하여 초기 진공도를 4 X10-6 Torr로 배기하였고, 스퍼터링 가스로는 산소와 아르곤의 혼합 가스양에 대한 산소의 유량비 (Q/Ar+G)를 0%, 10%, 30%, 50%로 조절하여 공급하였다.
  • 으로 나타낼 수 있다. 본 연구에 사용된 모든 AZO 박막의 두께 d 는 400nm 이었다. 한편, 박막의 광학 밴드갭 에너지는 Tauc 모델을 사용하여 높은 흡수 영역에서 결정할 수 있다 [11]:

데이터처리

  • 박막의 구조적 특성을 분석하기 위하여 X-선 회절 (X-ray diffraction: XRD) 측정을 수행하였으며, 박막의 광학적 특성은 자외선-가시광 분광계 (UV-VIS spectrophotometer)를 사용하여 파장 300-1100nm 영역에서 광투과도를 측정하였다. 이 측정 결과를 사용하여 광학적 밴드갭 에너지를 계산하였다. 원자 주사 현미경 (atomic force microscope: AFM)으로 박막의 미세 표면 상태를 3차원 형상으로 관측하였으며, 박막의 전기적 특성은 van der Pauw 방법을 이용하는 Hall 측정 장비를 사용하여 박막의 비저항, 전하 운반자의 농도, 홀 이동도를 측정하였다.
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참고문헌 (12)

  1. H. M. Cheng, K. F. Lin, H. C. Hsu, and W. F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 88, 261909 (2006) 

  2. Z. K. Tang, G. K. L. Wong, P. Yu, M, Kawasaki, A. Ohtomo, H. Koinuma, and Y. Segawa, Appl. Phys. Lett. 72, 3270 (1998) 

  3. S. Bandyopadhyay, G. K. Paul, and S. K. Sen, Solar Energy Materials & Solar Cells, 71, 103 (2002) 

  4. Y. Liu and J. Lian, Appl. Surf. Sci. 253, 3727 (2007) 

  5. W. Z. Xu, Z. Z. Ye, Y. J. Zeng, L. P. Zhu, B. H. Zhao, L. Jiang, J. G. Lu, H. P. He, and S. B. Zhang, Appl. Phys. Lett. 88, 173506 (2006) 

  6. I. S. Kim, S. H. Jeong, S. S. Kim, and B. T. Lee, Semicond. Sci. Technol. 19, L29 (2004) 

  7. H. S. Kang, G. H. Kim, D. L. Kim, H. W. Chang, B. D. Ahn, and Y. Lee, Appl. Phys. Lett. 89, 181103 (2006) 

  8. Y. J. Lin, C. L. Tsai, Y. M. Lu, and C. J. Liu, J. Appl. Phys. 99, 093501 (2006) 

  9. J. G. Lu, Z. Z. Ye, J. Y. Huang, L. P. Zhu, and B. H. Zhao, Appl. Phys. Lett. 88, 063110 (2006) 

  10. S. T. Tan, X. M. Sun, X. H. Zhang, S. J. Chua, B. J. Chen, and C. C. Teo, J. Appl. Phys. 100, 033502 (2006) 

  11. F. Yakuphanoglu, M. Sekerci, and O. F. Ozturk, Opt. Comm. 239, 275 (2004) 

  12. K. Prabakar, C. Kim, and C. Lee, Cryst. Res. Technol. 40, 1150 (2005) 

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