[논문]Al-doped ZnO 박막의 기판 온도에 따른 전기적, 광학적 특성

김봉석; 김응권; 이규일; 오수영; 송준태

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In this paper, the effect of substrate temperature on structural, electrical and optical properties of aluminium-doped zinc oxide (AZO) films were investigated. AZO thin films were prepared on glass substrate by pulsed DC magnetron sputtering technique. The properties of AZO were measured by using X...

In this paper, the effect of substrate temperature on structural, electrical and optical properties of aluminium-doped zinc oxide (AZO) films were investigated. AZO thin films were prepared on glass substrate by pulsed DC magnetron sputtering technique. The properties of AZO were measured by using XRD, AFM, UV spectrophotometer, and hall effect measurement system. The resistivity of AZO films was improved under the condition of high substrate temperature. The resistivity decreased from $9.95{\times}10^{-2}\;{\Omega}-cm\;to\;1.1{\times}10^{-3}\;{\Omega}-cm$ as a result of high substrate temperature and the average transmittances in visible range were above 80%.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 AZO 박막 성장시 기판온도에 따른 전기적, 광학적 특성에 대하여 연구하였다. 펄스 DC 마그네트론스퍼 터 링법을 이용하여 coming 7059 glass 위에 AZO 박막을 성장시켰으며 기타 증착조건은 동일하게 유지하그 기판 온도를 25 ℃에서 500 ℃까지 달리하여 제작하였다.

제안 방법

AZO 박막의 구체적인 증착 조건을 표 1에 나타내었다. 기판 온도를 달리하여 제조한 박막의 c축 배향성과 결정학적 특성을 알아보기 위하여 20-80° 구간에서 X선 회절 실험을 행하였고 AZO의 표면 거칠기를 관찰하기 위하여 AFM 실험을 실시하였다. 또한 성장된 박막의 투과도를 측정하기 위하여 먼저 bare 기판을 이용하여 기준 투과율을 설정한 후 제조된 시편으로 실험을 실시하여 AZO박막의 투과율을 측정하였다.
기판온도에 따라 성장시킨 AZO박막의 결정성을 분석하기 위하여 XRD 분석을 행하였고, 그 결과를 그림 1에 나타내었다. 실험 결과 도펀트로 첨가한 A1 원소의 피크는 발견되지 않았으며 ZnO의 수직 성장에 따른 (002) 피크만 관찰되었다.
기판 온도를 달리하여 제조한 박막의 c축 배향성과 결정학적 특성을 알아보기 위하여 20-80° 구간에서 X선 회절 실험을 행하였고 AZO의 표면 거칠기를 관찰하기 위하여 AFM 실험을 실시하였다. 또한 성장된 박막의 투과도를 측정하기 위하여 먼저 bare 기판을 이용하여 기준 투과율을 설정한 후 제조된 시편으로 실험을 실시하여 AZO박막의 투과율을 측정하였다.
투명전도막으로 응용하기 위해서는 ZnO 박막을 성장시킬 때 일반적으로 산소 결핍 분위기에서 성장시키며 기판온도의 조절에 따라 전도도를 향상시키는 것이 가능하다. 본 연구에서는 화학적 안정성과 비저항 향상을 목적 으로 ZnO에 A1 을 1.0 at% 도핑한 타겟을 이 용하였다 [1], 펄스 DC스퍼 터 링법을 이용하여 200 nm 두께의 박막을 형성하였으나 기판온도에 의한 전기, 광학적 특성의 영향을 알아보기 위하여 상온에서 500℃ 까지 기판온도를 달리 하여 증착하였다.
광학적 특성에 대하여 연구하였다. 펄스 DC 마그네트론스퍼 터 링법을 이용하여 coming 7059 glass 위에 AZO 박막을 성장시켰으며 기타 증착조건은 동일하게 유지하그 기판 온도를 25 ℃에서 500 ℃까지 달리하여 제작하였다. 제작된 시편에서 전체적으로 광투과도는 80% 이상으로 투명 전도막으로 양호한 결과를 보였으며 기판온도가 높을수록 박막의결정성은 향상되었다.

대상 데이터

준비하였다. 기판의 세척을 위해 DI water, acetone, isopropyl alcohol, DI water 순서로 각각 10분간 초음파세척을 실시한 후 N₂ 가스로 통풍건조하여 실험에 필요한 기판을 준비하였다. 박막의 증착은 펄스 DC 마그네트론스퍼 터 링법으로 A1 을 1.
기판의 세척을 위해 DI water, acetone, isopropyl alcohol, DI water 순서로 각각 10분간 초음파세척을 실시한 후 N₂ 가스로 통풍건조하여 실험에 필요한 기판을 준비하였다. 박막의 증착은 펄스 DC 마그네트론스퍼 터 링법으로 A1 을 1.0 at% 첨가한 직경 2인치 의 ZnO 타겟을 이용하였으며 Ar가스 20 seem만을 주입하였다. 약 200 nm두께의 AZO 박막을 상온에서 500℃까지 기판 온도 조건에 변화를 주며 glass 기판위에 제조하였다.
실험에 앞서 20x20 mm 크기의 corning 7059 glass 기판을 준비하였다. 기판의 세척을 위해 DI water, acetone, isopropyl alcohol, DI water 순서로 각각 10분간 초음파세척을 실시한 후 N₂ 가스로 통풍건조하여 실험에 필요한 기판을 준비하였다.
0 at% 첨가한 직경 2인치 의 ZnO 타겟을 이용하였으며 Ar가스 20 seem만을 주입하였다. 약 200 nm두께의 AZO 박막을 상온에서 500℃까지 기판 온도 조건에 변화를 주며 glass 기판위에 제조하였다. AZO 박막의 구체적인 증착 조건을 표 1에 나타내었다.

성능/효과

그림 3은 기판 온도를 달리하여 제작한 AZO 박막의 AFM 이미지를 나타내고 표면거칠기를 표 3에 나타내었다. AFM 결과에서 확인할 수 있듯이 200 ℃에서 RMS 표면거칠기는 5.085 nm로 거칠게 나타났지만 기판의 온도가 높을수록 표면이 평탄화되는형상을 보였고 거칠기는 L053 nm까지 감소하였다. 이러한 결과는 주입된 열에너지로 인하여 원자의 활발한 표면 이동을 통한 에너지 전달 작용에서 기인한 것으로 판단된다[7].
상온에서 증착시킨 박막은 피크의 크기가 작아 피크의 각도와 FWHM 값이 정확하지 않아 계산에서 제외시켰다. 계산 결과에서 기판온도가 높을수록 결정의 크기는 증가하고 응력의 크기는 감소하였다. 웅력의 크기에서 마이너스(-)는 압축응력이 발생하였음을 의미한다.
제작된 시편에서 전체적으로 광투과도는 80% 이상으로 투명 전도막으로 양호한 결과를 보였으며 기판온도가 높을수록 박막의결정성은 향상되었다. 또한 전기적 특성은 기판온도에 따라 점차 향상되어 400 ℃에서 1.1x10-3 n-cm 가장 우스한 값을 보였다. 실험으로부터 기판온도에 따른 전기, 광학적 특성 변화와 투명전도막으로의 응용가능성을 확인할 스 있었다.
실험 결과 도펀트로 첨가한 A1 원소의 피크는 발견되지 않았으며 ZnO의 수직 성장에 따른 (002) 피크만 관찰되었다. 이러한 결과는 A1 원자가 독립적인 상으로 존재하지 않고 ZnO 격자에 치환되어 혼합상으로 존재하기 때문인것으로 판단된다[2].
펄스 DC 마그네트론스퍼 터 링법을 이용하여 coming 7059 glass 위에 AZO 박막을 성장시켰으며 기타 증착조건은 동일하게 유지하그 기판 온도를 25 ℃에서 500 ℃까지 달리하여 제작하였다. 제작된 시편에서 전체적으로 광투과도는 80% 이상으로 투명 전도막으로 양호한 결과를 보였으며 기판온도가 높을수록 박막의결정성은 향상되었다. 또한 전기적 특성은 기판온도에 따라 점차 향상되어 400 ℃에서 1.
나타냈다. 투과도에서 약간의 차이는 보였지만 가시광 영역에서 평균 80 % 이상을 보여 투명전도막으로 양호한 광학특성을 보였다. 하지만 기판온도에 따라 광투과 특성은 크게 변하지 않는 것으로 판단된다.

후속연구

1x10-3 n-cm 가장 우스한 값을 보였다. 실험으로부터 기판온도에 따른 전기, 광학적 특성 변화와 투명전도막으로의 응용가능성을 확인할 스 있었다.

참고문헌 (7)

P. Nunes, E. Fortunato, P. TonelIo, F. Braz Fernandes, P. Vilarinho, R. Martins, 'Effect of different dopant elements on the properties of ZnO thin films', Vacuum 64, 281-285, 2002

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H.T. Cao, Z.L. Pei, J. Gong, C. Sun, R.F. Huang, L.S. Wen, 'Transparent conductive Al and Mn doped ZnO thin films prepared by DC reactive magnetron sputtering', Surface and Coatings Technology 184, 84-92, 2004

상세보기
W. Li, Y. Sun. Y. Wang, H. Cai, F. Liu, Q. He, 'Effects of substrate temperature on the properties of facing-target sputtered AI-doped ZnO films', Solar Energy Materials & Solar Cells, V.91, 659-663, 2007

상세보기
J. Mass, P. Bhattacharya, R.S. Katiyar, 'Effect of high substrate temperature on AI-doped ZnO thin films grown by pulsed laser deposition', Materials Science and Engineering B103, 9-15, 2003
J. B. Lee, H. J. Lee, S. H Seo, J. S. Park, 'Deposition of ZnO thin films by RF magnetron sputtering and Cu-doping effects', KIEE, v. 49 no.12, 654-664, 2000
X. Z. Qiang, D. Hong, L. Yan, C. Hang, 'AI-doped effects on structure, electrical and optical properties of c -axis-oriented ZnO:AI thin films', Materials Science in Semiconductor Processing, v.9 no.1, 132-135, 2006

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I. W. Kim, S. J. Doh, C. C. Kim, H. J. Jung, J. Tashiro, M. Yoshimoto, 'Effect of evaporation on surface morphology of epitaxial ZnO films during postdeposition annealing', Applied Surface Science, 241, 179- 182, 2005

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