[논문]N-doped ZnO 박막의 미세 구조 특성

이은주; 박재돈; 윤기완

doi:10.6109/jkiice.2009.13.11.2385

초록
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본 연구에서는 C-축 우선 배향 특성을 가지는 N-doped ZnO 박막을 증착하고 그 미세구조의 특성을 분석 비교하였다. ZnO박막은 $N_2O$ 가스 분위기에서 RF reactive magnetron sputtering 시스템을 사용하여 p-Si(100) 웨이퍼 위에 증착되었다. $N_2O$ 가스는 N doping source로 사용되었으며, 전체 가스 유량에 대한 $N_2O$ 가스의 비율 $N_2O/(N_2O+Ar)$과 증착 전력을 증착의 주요 공정 변수로 선택하여 다양한 가스 비율과 증착 전력에 대한 박막의 미세 구조 특성을 비교 분석하였다. 특히, Auger electron spectroscopy (AES)를 이용하여 ZnO 박막 내에 들어가 존재하는 불순물 N의 수직분포를 분석하였고, 여러 가지 증착 조건에서 제작된 ZnO 박막의 표면형상 및 미세구조 특성을 Scanning Electron Microscope (SEM)를 이용하여 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

N-doped ZnO thin films with c-axis preferred orientation were prepared on p-Si(100) wafers, using an RF magnetron sputter deposition. For ZnO deposition, $N_2O$ gas was employed as a dopant source and various deposition conditions such as $N_2O$ gas fraction and RF power were a...

N-doped ZnO thin films with c-axis preferred orientation were prepared on p-Si(100) wafers, using an RF magnetron sputter deposition. For ZnO deposition, $N_2O$ gas was employed as a dopant source and various deposition conditions such as $N_2O$ gas fraction and RF power were applied. The depth pofiles of the nitrogen [N] atoms incorporated into the ZnO thin films were investigated by Auger Electron Spectroscopy(AES) and the nano-scale structural characteristics of the N-doped ZnO thin films were also investigated by a scanning electron microscope (SEM) technique.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 도핑 소스 (doping source)로 NzO가스를 이용하여 RF 스퍼 터 링 방식으로 성 장시 킨 N-doped ZnO 박막의 표면 조성 원소를 분석하고, 공정조건의 변화가 결정성에 미치는 영향을 조사하였다. n2o 가스로 도핑된 ZnO 박막에서 대략 1% 전후의 N불순물이 안정적 으로 치환되어 있음을 AES 분석을 통하여 확인하였다.
본 연구에서는 도핑 소스로N₂O 가스를 사용하여 RF 스퍼 터 링 방식으로 증착된 ZnO 박막에 대해 N이 ZnO 박막 내로 안정적으로 치환되어 들어가 존재하고 있는지를 AES를 이용하여 분석하고, 또 증착 공정 조건의 변화에 따른 박막의 구조적 특성을 연구하였다.

제안 방법

ZnO 박막 증착 시에 필요한 공정 변수로 RF 전력을 각각 80W, 120W, 180W, 240W로 인가하여 실험을 진행하였다. 이때, NQ가스 비율은 앞선 실험결과를 참고하여 기판에 수직으로 잘 정립된 균일한 ZnO 결정을 얻도록 하는 40%의 비율로 유지하였다.
은 RF 전력을 변화시켰을 때, N-doped ZnO의 표면 원소의 조성 변화 및 화학 상태를 AES를 이용하여 분석 한 depth profile을 나타내고 있다. depth profile 해 석의 편의를 위해 질소 함량의 크기를 10배 확대한 추세선을 함께 도시하였다. 모든 경우에 있어서 질소 원자는 전체의 약 1~2% 이내의 비율로 치환되어 있으며, 상당한 양의 불순물 N이 박막 내로 주입되어 치환되었음을 확인할 수 있다.
각 증착 조건에서 제작된 시편의 표면 형상 및 ZnO 빅막의 미 세 구조의 특성은 Scanning Electron 를Microscope (SEM) 를 이용하여 조사하였고, Auger Electron Spectroscopy (AES) 를 이용하여 박막의 깊이에 따른 표면 원소의 조성 변화 및 화학 상태를 분석하였다.
n2o 가스로 도핑된 ZnO 박막에서 대략 1% 전후의 N불순물이 안정적 으로 치환되어 있음을 AES 분석을 통하여 확인하였다. 또한 공정조건 중 NQ 반응 가스의 비율과 인가 RF 전력의 변화에 따른 결정 입자의 크기와 입계의 균일성, c축 우선배향 특성 및 증착 속도에 미치는 영향을 알아보았다. 이와 같은 N 도핑된 ZnO 박막의 결정성 연구를 바탕으로 보다 더 안정되고 향상된 p형 전도성을 가지 는고품위의 박막 제조를 위한 최적의 공정 조건에 대한 더욱 체계적인 연구가 이루어질 것을 기대한다.
일정하고 균일 한 박막 형성을 위해 증착 중 8rpm의 속도로 기판을 회 전시켰다. 전체 가스 유량에 대한N₂O 가스의 비율[NQ/CNzO+Ar)]과 증착 전력을 증착의 주요 공정 변수로 선택하여, 다양한 가스 비율과 증착 전력에 대한 박막의 특성을 조사하였다.

대상 데이터

이용하여 ZnO 박막을 증착하였다. 직경 4인치 의 ZnO 세라믹 타겟(순도 99.99%)을 이용하였고, 기판은 4인치 p-Si(lOO) 웨 이 퍼를 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 RF reactive magnetron sputtering 방식을 이용하여 ZnO 박막을 증착하였다. 직경 4인치 의 ZnO 세라믹 타겟(순도 99.

성능/효과

결정성에 미치는 영향을 조사하였다. n2o 가스로 도핑된 ZnO 박막에서 대략 1% 전후의 N불순물이 안정적 으로 치환되어 있음을 AES 분석을 통하여 확인하였다. 또한 공정조건 중 NQ 반응 가스의 비율과 인가 RF 전력의 변화에 따른 결정 입자의 크기와 입계의 균일성, c축 우선배향 특성 및 증착 속도에 미치는 영향을 알아보았다.
인가 RF 전력이 80W일 때, 매우 미세하고 균일한 결정의 ZnO 박막이 얻어졌으나, 인가 전력을 점차 증가시킴에 따라 결정 입자의 크기가 증가하고 매우 불균일해 지는 것을 확인할 수 있다. 또한 증착된 박막의 두께가 증가하여 증착 속도와 c 축 우선 배 향 특성도 점차 향상되 는 것을 확인할 수 있다.
그림에서 알 수 있듯이 NQ 의 비율이 30% 이 하에서 는 입자 크기가 비교적 크며 균일하지 않은 ZnO 다결정이 얻어졌으나, NzO의 비율이 40% 이 상에서 는 미 세 하고 균일 한 크기의 ZnO 다결정 이형성됨을 관찰할 수 있다. 또한NzO가스를 체임버 내로 유입시키지 않은 채 Ar 가스만으로 공정을 진행한 경우 (a)와 비교할 때, NzO 가스를 유입 시 킨 경우의 ZnO 박막의 c축 우선 배향 특성이 향상되었음을 알 수 있다. 그러나 n2O 가스 비율 변화에 따른 ZnO 박막의 c 축 우선 배향특성은큰차이 없이 모두 기판에 수직한결정 립 구조로 형성되었음을 확인할 수 있다.
depth profile 해 석의 편의를 위해 질소 함량의 크기를 10배 확대한 추세선을 함께 도시하였다. 모든 경우에 있어서 질소 원자는 전체의 약 1~2% 이내의 비율로 치환되어 있으며, 상당한 양의 불순물 N이 박막 내로 주입되어 치환되었음을 확인할 수 있다. 다만, 인가 전력의 변화에도 불구하고 각각의 경우N 함량의 변화는 크지 않다.
인가 RF 전력이 80W일 때, 매우 미세하고 균일한 결정의 ZnO 박막이 얻어졌으나, 인가 전력을 점차 증가시킴에 따라 결정 입자의 크기가 증가하고 매우 불균일해 지는 것을 확인할 수 있다. 또한 증착된 박막의 두께가 증가하여 증착 속도와 c 축 우선 배 향 특성도 점차 향상되 는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

적다. 이러한 관점에서 볼 때, 더 체계적인p형 전도성 향상 연구와 정밀한 물질의 특성 조절을 위해서는 도핑된 ZnO 박막의 미세 구조적 분석" 선행될 필요가 있다. 또한 박막의 결정성을 향상시키는 것이 우수한 P-tym 특성을 얻는데 기여할 수 있다는 연구 결과도 보고된 바 있어 [2], 도핑된 ZnO 박막의 구조적 특성 연구는 더 의미를 가질 수 있다.
또한 공정조건 중 NQ 반응 가스의 비율과 인가 RF 전력의 변화에 따른 결정 입자의 크기와 입계의 균일성, c축 우선배향 특성 및 증착 속도에 미치는 영향을 알아보았다. 이와 같은 N 도핑된 ZnO 박막의 결정성 연구를 바탕으로 보다 더 안정되고 향상된 p형 전도성을 가지 는고품위의 박막 제조를 위한 최적의 공정 조건에 대한 더욱 체계적인 연구가 이루어질 것을 기대한다.

참고문헌 (7)

Park C. H., Zhang S. B. and Wei S. H., "Originofp-type doping difficulty in ZnO : The impurity perspective", Phys.Rev.B, 66, 073202, 2002

상세보기
J.G. Lu, L.P. Zhu, Z.Z. Ye, F. Zhuge, B.H. Zhao, J.Y. Huang, L. Wang, and J. Yuan, "p-type ZnO films by codoping of nitrogen and aluminum and ZnO-based p-n homojunctions", J. Cryst. Growth, 283, 413-417, 2005

상세보기
Xin-Li Guo, Hitoshi Tabata, and Tomoji Kawai, "Epitaxial growth and optoelectronic properties of nitrogen doped ZnO films on (1120) A1203 substrate", J. Cryst. Growth, 237-239, 544-547, 2002
W. Walukiewicz, "Defect formation and diffusion in heavily doped semiconductors", Phys. Rev. B, 50, 5221, 1994

상세보기
C. G. Van de Walle, D. B. Laks, G. F. Neumark, and S. T. Pantelides, "First-principles calculations of solubilities and doping limits: Li, Na, and N in ZnSe", Phys. Rev. B,47,9425, 1993

상세보기
H. P. He, F. Zhuge, Z.Z. Ye, LP. Zhu, F.Z. Wang, B.H. Zhao, and J. Y. Huang, "Strain and its effect on optical properties of Al-N codoped Zno films", J. Appl. Phys. 99,023503,2006

상세보기
Wu. S, G. Yan, M. Lee, R. Ro, and Chen. K.I, "Sputtering Zno films on Langasite and its SAW properties", IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control, Volume 54, Issue 12, pp. 2456 -2461, December 2007

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