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문제 정의
- 본 연구에서는 고속 전자소자에 응용하기 위하여 높은 광학 투과도와 전기 전도성을 갖는 InN 박막을 성장하기 위하여 증착 온도를 변수로 선택하였으며, rf 반응성 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 유리 기판 위에 InN 박막을 성장시켰다. 양질의 박막을 성장시키기 위하여 아르곤 (Ar) 가스와 질소 가스의 비를 1:9로 혼합하여 공급하였으며, 증착 온도의 범위를 실온에서 400℃로 정하여 온도를 변화시키면서 InN 박막을 성장시켜 그것의 구조, 표면, 광학, 전기적 특성을 조사하였다.
제안 방법
- 양질의 박막을 성장시키기 위하여 아르곤 (Ar) 가스와 질소 가스의 비를 1:9로 혼합하여 공급하였으며, 증착 온도의 범위를 실온에서 400℃로 정하여 온도를 변화시키면서 InN 박막을 성장시켜 그것의 구조, 표면, 광학, 전기적 특성을 조사하였다. InN 박막의 광학 밴드갭 에너지는 Tauc 모델을 사용하여 높은 흡수 영역에서 결정한 결과를 제시한다.
- 박막의 두께는 표면 측정기 (Dektak 3030 Surface Profiler)를 사용하여 측정하였는데, 모든 시편의 두께는 약 400 nm 이었다. InN 박막의 광학 특성은 자외선가시광 분광계 (UV-VIS spectrophotometer)를 사용하여 파장 300-1000 nm 영역에서 광학 흡수율을 측정하였고, 이 측정 결과를 사용하여 광학 투과율과 밴드갭 에너지를 계산하였다. 박막의 전하 운반자 농도, 홀 이동도와 비저항 값은 van der Pauw 방법을 이용하여 측정하였다.
- RF 반응성 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 증착 온도를 각각 25℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃로 변화시키면서 유리 기판 위에 InN 박막을 성장시켰다. 증착 온도가 증가함에 따라 (002)면 회절 피크의 상대적인 세기가 증가하면서 c-축 방향으로 결정성이 향상됨을 관측할 수 있었고, 박막 성장시 증착 온도가 결정 입자의 크기, 광학 및 전기적 특성에 상당한 영향을 미치는 중요한 증착 변수임을 입증하였다.
- 2x10-2 Torr로 고정하였고, 기판 온도는 시편 고정대 뒤에 장착되어 있는 할로겐 램프를 사용하여 25℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃로 각각 유지하였다. 균일한 박막을 성장하기 위하여 모터로 시편 고정대를 10 rpm의 속도로 회전시켰으며, 먼저 30분 동안 예비 스퍼터링을 수행하여 타겟 표면의 이물질을 제거한 후에 박막 증착을 위한 본 스퍼터링을 수행하였다.
- 본 연구에서는 고속 전자소자에 응용하기 위하여 높은 광학 투과도와 전기 전도성을 갖는 InN 박막을 성장하기 위하여 증착 온도를 변수로 선택하였으며, rf 반응성 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 유리 기판 위에 InN 박막을 성장시켰다. 양질의 박막을 성장시키기 위하여 아르곤 (Ar) 가스와 질소 가스의 비를 1:9로 혼합하여 공급하였으며, 증착 온도의 범위를 실온에서 400℃로 정하여 온도를 변화시키면서 InN 박막을 성장시켜 그것의 구조, 표면, 광학, 전기적 특성을 조사하였다. InN 박막의 광학 밴드갭 에너지는 Tauc 모델을 사용하여 높은 흡수 영역에서 결정한 결과를 제시한다.
- 유리 기판은 시편 고정대의 크기에 맞게 면적 10 mm × 10 mm의 크기로 절단하였고, 아세톤, 메탄올, 증류수의 순서대로 각각 10분 동안 초음파 세척을 한 다음에, 질소 가스로 습기를 제거하고 스퍼터링 챔버에 장입하였다.
- 챔버의 초기 진공도는 로타리 펌프와 터보 펌프를 사용하여 4x10-6 Torr 이하로 배기하였다. 증착 온도가 InN 박막의 결정성, 광학 및 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 스퍼터링 가스 투입 후에 챔버의 진공도를 3.2x10-2 Torr로 고정하였고, 기판 온도는 시편 고정대 뒤에 장착되어 있는 할로겐 램프를 사용하여 25℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃로 각각 유지하였다. 균일한 박막을 성장하기 위하여 모터로 시편 고정대를 10 rpm의 속도로 회전시켰으며, 먼저 30분 동안 예비 스퍼터링을 수행하여 타겟 표면의 이물질을 제거한 후에 박막 증착을 위한 본 스퍼터링을 수행하였다.
- 그림 5. 증착 온도의 함수로 측정한 InN 박막의 전하 운반자 농도, 홀 이동도, 전기 비저항.
대상 데이터
- 154 nm를 갖는 Cu-Kα 복사선을 사용하여 X-선 회절법 (X-ray diffraction: XRD)으로 조사하였으며, 박막의 표면 형태는 주사전자현미경 (scanning electron microscopy: SEM)을 사용하여 관측하였다. 박막의 두께는 표면 측정기 (Dektak 3030 Surface Profiler)를 사용하여 측정하였는데, 모든 시편의 두께는 약 400 nm 이었다. InN 박막의 광학 특성은 자외선가시광 분광계 (UV-VIS spectrophotometer)를 사용하여 파장 300-1000 nm 영역에서 광학 흡수율을 측정하였고, 이 측정 결과를 사용하여 광학 투과율과 밴드갭 에너지를 계산하였다.
- 스퍼터링 타겟으로는 상업적으로 이용 가능한 직경 2", 두께 0.25"를 갖는 금속 In (순도: 99.99%)을 사용하였으며, 타겟과 기판 사이의 간격은 6 cm로 고정하였다.
이론/모형
- InN 박막의 광학 특성은 자외선가시광 분광계 (UV-VIS spectrophotometer)를 사용하여 파장 300-1000 nm 영역에서 광학 흡수율을 측정하였고, 이 측정 결과를 사용하여 광학 투과율과 밴드갭 에너지를 계산하였다. 박막의 전하 운반자 농도, 홀 이동도와 비저항 값은 van der Pauw 방법을 이용하여 측정하였다.
- 증착된 박막의 결정 구조는 파장 0.154 nm를 갖는 Cu-Kα 복사선을 사용하여 X-선 회절법 (X-ray diffraction: XRD)으로 조사하였으며, 박막의 표면 형태는 주사전자현미경 (scanning electron microscopy: SEM)을 사용하여 관측하였다.
성능/효과
- 상온에서 성장된 InN 박막의 경우에, 비교적 균일한 나노 크기의 분포를 갖는 작은 입방체 형태의 결정 입자들이 유리 기판 위에 성장되어 있음을 관측할 수 있다 [그림 2(a) 참조]. 그림 2(b)-(e)에서 알 수 있듯이, 증착 온도가 점점 증가함에 따라 형성되는 결정 입자의 크기는 전체적으로 증가하였으며, 증착 온도 400℃에서는 결정 입자의 경계면들이 융해되어 합쳐지면서 비교적 큰 결정 입자들이 나타남을 관측할 수 있었다. 측정한 XRD 데이터를 사용하여 널리 잘 알려져 있는 Scherrer의 식으로 계산한 InN 박막의 결정 입자의 크기는 10-23 nm 이었다[11].
- 증착 온도가 증가함에 따라 (002)면 회절 피크의 상대적인 세기가 증가하면서 c-축 방향으로 결정성이 향상됨을 관측할 수 있었고, 박막 성장시 증착 온도가 결정 입자의 크기, 광학 및 전기적 특성에 상당한 영향을 미치는 중요한 증착 변수임을 입증하였다. InN 박막의 광학 흡수율 스펙트럼 측정을 통하여 서로 다른 증착 온도로 성장된 모든 시편은 파장 400-1000 nm의 영역에서 90% 이상의 평균 투과율을 나타냄을 알 수 있었다. Tauc의 모델을 사용하여 InN 박막의 광학 밴드갭 에너지를 계산하였으며, 증착 온도가 증가함에 따라 전체적으로 밴드갭 에너지, 전하 운반자의 농도와 홀 이동도는 증가하였으나, 비저항 값은 감소하였다.
- InN 박막의 광학 흡수율 스펙트럼 측정을 통하여 서로 다른 증착 온도로 성장된 모든 시편은 파장 400-1000 nm의 영역에서 90% 이상의 평균 투과율을 나타냄을 알 수 있었다. Tauc의 모델을 사용하여 InN 박막의 광학 밴드갭 에너지를 계산하였으며, 증착 온도가 증가함에 따라 전체적으로 밴드갭 에너지, 전하 운반자의 농도와 홀 이동도는 증가하였으나, 비저항 값은 감소하였다.
- 증착 온도가 증가함에 따라 전하 운반자의 농도와 홀 이동도의 값은 증가하였으나, 비저항 값은 점차적으로 감소하였다. 따라서 증착 온도가 증가함에 따라 InN 박막의 전기 전도도의 값은 증가하고, 결정 입자들이 서로 융해되어 그 크기가 증가함을 알 수 있었다. 이것은 높은 증착 온도에서 InN 박막의 비저항 ρ 값이 최소로 작기 때문에, 전하 운반자의 농도 n와 홀 이동도 μ의 값이 증가하는 잘 알려진 관계식 ρ = 1/enμ와 일치함을 알 수 있다[14].
- 4-13 Pa에서 InN 박막을 성장시켰다. 스퍼터링 가스 압력이 증가함에 따라 증착율이 감소하였고, 박막의 구조가 육방 울짜이트 (hexagonal wurtzite)를 갖는 결정 구조에서 비정질계로 전환됨을 관측하였다. Ikuta 등[10]은 사파이어 기판 위에 InN 박막을 성장시키기 전에 먼저 울짜이트 결정 구조를 갖는 ZnO 버퍼층을 성장시킴으로써 InN 박막의 전기적 특성이 향상됨을 보고하였다.
- RF 반응성 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 증착 온도를 각각 25℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃로 변화시키면서 유리 기판 위에 InN 박막을 성장시켰다. 증착 온도가 증가함에 따라 (002)면 회절 피크의 상대적인 세기가 증가하면서 c-축 방향으로 결정성이 향상됨을 관측할 수 있었고, 박막 성장시 증착 온도가 결정 입자의 크기, 광학 및 전기적 특성에 상당한 영향을 미치는 중요한 증착 변수임을 입증하였다. InN 박막의 광학 흡수율 스펙트럼 측정을 통하여 서로 다른 증착 온도로 성장된 모든 시편은 파장 400-1000 nm의 영역에서 90% 이상의 평균 투과율을 나타냄을 알 수 있었다.
- 1⨉10-1 Ωcm이었다. 증착 온도가 증가함에 따라 전하 운반자의 농도와 홀 이동도의 값은 증가하였으나, 비저항 값은 점차적으로 감소하였다. 따라서 증착 온도가 증가함에 따라 InN 박막의 전기 전도도의 값은 증가하고, 결정 입자들이 서로 융해되어 그 크기가 증가함을 알 수 있었다.
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