본 연구에서는 RF magnetron sputtering 법으로 AZO 세라믹 타켓 ($Al_2O_3$ : 3 wt%)을 이용하여 Eagle 2000 유리 기판위에 기판온도 ($100{\sim}500^{\circ}C$)와 공정압력 (10 ~ 40 mTorr)에 따른 AZO 박막을 제작하여, 결정화 특성과 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. 모든 AZO 박막은 육방정계구조를 가지는 다결정 이었고, (002)우선 배향성이 관찰되었다. 기판온도 $300^{\circ}C$, 10 mTorr에서 제작한 AZO 막에서 가장 우수한 (002) 배향성을 나타냈으며, 이때의 반가폭 값은 $0.42^{\circ}$였다. 전기적 특성은 기판온도 $300^{\circ}C$, 10 mTorr에서 가장 낮은 비저항 $2.64{\times}10^{-3}\;{\Omega}cm$과 우수한 캐리어 농도 및 이동도를 $5.29{\times}10^{20}\;cm^{-3}$, $6.23\;cm^2/Vs$를 나타내었다. 모든 AZO 박막은 가시광 영역에서 80%의 투과율을 나타내었으며, 기판온도 증가와 공정압력 감소에 따른 Al 도핑효과의 증가로 밴드 갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과가 관찰 되었다.
본 연구에서는 RF magnetron sputtering 법으로 AZO 세라믹 타켓 ($Al_2O_3$ : 3 wt%)을 이용하여 Eagle 2000 유리 기판위에 기판온도 ($100{\sim}500^{\circ}C$)와 공정압력 (10 ~ 40 mTorr)에 따른 AZO 박막을 제작하여, 결정화 특성과 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. 모든 AZO 박막은 육방정계구조를 가지는 다결정 이었고, (002)우선 배향성이 관찰되었다. 기판온도 $300^{\circ}C$, 10 mTorr에서 제작한 AZO 막에서 가장 우수한 (002) 배향성을 나타냈으며, 이때의 반가폭 값은 $0.42^{\circ}$였다. 전기적 특성은 기판온도 $300^{\circ}C$, 10 mTorr에서 가장 낮은 비저항 $2.64{\times}10^{-3}\;{\Omega}cm$과 우수한 캐리어 농도 및 이동도를 $5.29{\times}10^{20}\;cm^{-3}$, $6.23\;cm^2/Vs$를 나타내었다. 모든 AZO 박막은 가시광 영역에서 80%의 투과율을 나타내었으며, 기판온도 증가와 공정압력 감소에 따른 Al 도핑효과의 증가로 밴드 갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과가 관찰 되었다.
In this study Al-doped ZnO (AZO) thin films have been fabricated on Eagle 2000 glass substrates at various substrate temperature ($100{\sim}500^{\circ}C$) and working pressure (10 ~ 40 mTorr) by RF magnetron sputtering in order to investigate the structural, electrical, and optical proper...
In this study Al-doped ZnO (AZO) thin films have been fabricated on Eagle 2000 glass substrates at various substrate temperature ($100{\sim}500^{\circ}C$) and working pressure (10 ~ 40 mTorr) by RF magnetron sputtering in order to investigate the structural, electrical, and optical properties of the AZO thin films. The obtained films were polycrystalline with a hexagonal wurtzite structure and preferentially oriented in the (002) crystallographic direction. The AZO thin films, which were deposited at $T=300^{\circ}C$ for 10 mTorr, shows the highest (002) orientation, and the full width at half maximum (FWHM) of the (002) diffraction peak is $0.42^{\circ}$. The lowest resistivity ($2.64{\times}10^{-3}\;{\Omega}cm$) with the highest cartier concentration ($5.29{\times}10^{20}\;cm^{-3}$) and a Hall mobility of ($6.23\;cm^2/Vs$) are obtained in the AZO thin films deposited at $T=300^{\circ}C$ for 10 mTorr. The optical transmittance in the visible region is approximately 80%, regardless of process conditions. The optical band-gap depends on the Al doping level as the substrate temperature increases and the working pressure decrease. The optical band-gap widening is proportional to cartier concentration due to the Burstein-Moss effect.
In this study Al-doped ZnO (AZO) thin films have been fabricated on Eagle 2000 glass substrates at various substrate temperature ($100{\sim}500^{\circ}C$) and working pressure (10 ~ 40 mTorr) by RF magnetron sputtering in order to investigate the structural, electrical, and optical properties of the AZO thin films. The obtained films were polycrystalline with a hexagonal wurtzite structure and preferentially oriented in the (002) crystallographic direction. The AZO thin films, which were deposited at $T=300^{\circ}C$ for 10 mTorr, shows the highest (002) orientation, and the full width at half maximum (FWHM) of the (002) diffraction peak is $0.42^{\circ}$. The lowest resistivity ($2.64{\times}10^{-3}\;{\Omega}cm$) with the highest cartier concentration ($5.29{\times}10^{20}\;cm^{-3}$) and a Hall mobility of ($6.23\;cm^2/Vs$) are obtained in the AZO thin films deposited at $T=300^{\circ}C$ for 10 mTorr. The optical transmittance in the visible region is approximately 80%, regardless of process conditions. The optical band-gap depends on the Al doping level as the substrate temperature increases and the working pressure decrease. The optical band-gap widening is proportional to cartier concentration due to the Burstein-Moss effect.
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문제 정의
본 연구에서는 RF magnetron sputtering 법을 사용하여 기판온도와 공정 압력 변화에 따른 AZO 박막을 제작하고 구조적, 전기적 및 광학적 특성을 조사하여 투명 전도막으로서의 응용가능성을 알아보고자 하였다.
제안 방법
AZO 박막을 20 X 20 mm 크기 의 코닝 (Eagle 2000) 유리 기판 위에 RF magnetron sputtering 방법으로 증착하였다. 타겟과 기판과의 거 리는 예비실험을 통해 높은 플라즈마 안정성과 우수한 박막 특성을 보인 60mm 로 고정하였으며, 균일한 증착을 위하여 기판 홀더를 8rpm 의 속도로 회전 시키며 증착하였다.
PW3020) 를 사용하여 2。가 20° 〜 60° 범 위 에서 측정하였고, Atomic Force Microscope (VG, Microlab 310F, AFM) 로 박막의 3차원 표면형상을 조사 하였다. 전기 적 특성은 van der Pauw 법을 이용한 hall effect measurement (Accent, HL55OOPC) 로 비 저 항, 캐리어 농도 및 이동도를 측정하였다.
전기 적 특성은 van der Pauw 법을 이용한 hall effect measurement (Accent, HL55OOPC) 로 비 저 항, 캐리어 농도 및 이동도를 측정하였다. 광학적 특성인 투과율과 밴드갭 에너지는 UV / VIS spectro-phometer (Carry-500, Varian, Mulgrave, Australia) 를 이 용하여 상온에서 가시광 영역의 투과도 스펙트럼을 측정하여 조사하였다.
AZO 박막 증착에는 A1 이 도핑 된 2 인치 세 라믹 타겟 (A12O3: 3 wt %, ZnO : 97 wt %) 을 사용하였다. 박막 증착은 기판온도 및 공정압력에 대한 특성을 분석하기 위해 RFpower 는 100W 로 고정하였으며, 기판온도 및 공정 압력을 각각 100 〜 500 °C, 10 〜 40 mTorr 로 변화시 켜 가며 실험하였다.
본 연 구 에 서 는 RF magnetron sputter 법 으로Eagle 2000 기판위에 기판온도 및 공정 압력에 따른 AZO 박막을 제작하여, 결정화 특성과 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. XRD 측정으로부터 300 °C, 10 mTorr 에서 증착한 AZO 박막이 가장 우수한(002) 배향성을 나타내 었다.
타겟과 기판과의 거 리는 예비실험을 통해 높은 플라즈마 안정성과 우수한 박막 특성을 보인 60mm 로 고정하였으며, 균일한 증착을 위하여 기판 홀더를 8rpm 의 속도로 회전 시키며 증착하였다.
대상 데이터
증착 전 유리 기판위 에 유기물 및 오염물질을 제거하기 위해 일반적인 세척 법 (아세톤, 메탄올, 증류수 순서 로 각각 10 분씩 초음파 세 척 을 한 후질 소로 건조) 을 이용하였다. AZO 박막 증착에는 A1 이 도핑 된 2 인치 세 라믹 타겟 (A12O3: 3 wt %, ZnO : 97 wt %) 을 사용하였다. 박막 증착은 기판온도 및 공정압력에 대한 특성을 분석하기 위해 RFpower 는 100W 로 고정하였으며, 기판온도 및 공정 압력을 각각 100 〜 500 °C, 10 〜 40 mTorr 로 변화시 켜 가며 실험하였다.
공정 가스는 순도 99.999 % 의 Ar 가스를 사용하였으며, 전체 가스 유량은 20 seem 을 유지 시 켜 AZO 박막을 제작하였다. 증착 전 유리 기판위 에 유기물 및 오염물질을 제거하기 위해 일반적인 세척 법 (아세톤, 메탄올, 증류수 순서 로 각각 10 분씩 초음파 세 척 을 한 후질 소로 건조) 을 이용하였다.
이론/모형
하였다. 전기 적 특성은 van der Pauw 법을 이용한 hall effect measurement (Accent, HL55OOPC) 로 비 저 항, 캐리어 농도 및 이동도를 측정하였다. 광학적 특성인 투과율과 밴드갭 에너지는 UV / VIS spectro-phometer (Carry-500, Varian, Mulgrave, Australia) 를 이 용하여 상온에서 가시광 영역의 투과도 스펙트럼을 측정하여 조사하였다.
999 % 의 Ar 가스를 사용하였으며, 전체 가스 유량은 20 seem 을 유지 시 켜 AZO 박막을 제작하였다. 증착 전 유리 기판위 에 유기물 및 오염물질을 제거하기 위해 일반적인 세척 법 (아세톤, 메탄올, 증류수 순서 로 각각 10 분씩 초음파 세 척 을 한 후질 소로 건조) 을 이용하였다. AZO 박막 증착에는 A1 이 도핑 된 2 인치 세 라믹 타겟 (A12O3: 3 wt %, ZnO : 97 wt %) 을 사용하였다.
성능/효과
AZO 박막의 평 균 투과율은 공정조건에 상관없이 가시광 영역 (400~ 700nm) 에서 대략 80 % 를 나타내었다. 또한 박막 두께에 의존한 간섭현상에 의해 투과도 곡선이 파장에 따라 진동하는 것을 볼 수 있다.
XRD 측정으로부터 300 °C, 10 mTorr 에서 증착한 AZO 박막이 가장 우수한(002) 배향성을 나타내 었다. 전기 적 특성을 조사한 결과, 300 °C, 10mTorr 에 서 제작한 AZO 박막에서 가장 낮은 비저항 (2.
23 cm2/Vs) 를 나타내었다. 광학적 특성으로는 모든 박막에서 80 % 의 투과율을 나타내 었으며 기 판온도 및 공정 압력 변화에 따른 A1 도핑효과의 증가로 밴드갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과가 관찰되 었다.
AZO 투명 전도막은 우수한 전기적 . 광학적 특성을 나타내어 차세대 평판 디스플레이나 광전소자로 응용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한 향후 저온공정 개발 및 대면적 증착에 대한 연구가 이루어진다면 ZnO 계 투명 전도막이 ITO 를 대체할 수 있는 유망한 재료임도 확인할 수 있었다.
이는 과도한 열에너지 공급으로 인한 Zn 의 휘발이 발생하였기 때문이다[13]. 또한 캐리어 농도와 이동도는 기판온도 300 笆 에서 각각 5.29X1020 cm' 와 6.23 cm2/Vs 로 가장 우수한 값을 나타내었다. 이러한 현상은 기판온도의 증가에 따라 활성화 된 A1 원자들의 증가로 인해 결정성이 개선되어 캐리어 산란이 크게 감소하고, 산소 분리의 촉진으로 인해 Al3+ 가 Zn2+ 를 효과적으로 치환해 더 많은 도너를 제공하기 때문인 것으로 생각된다.
모든 AZO 박막은 공정조건에 상관없이 표준 ZnO 의회 절 피 크 (29 = 34.45°) 근처 인 34.3° 에서 (002) 피 크만이 관찰 되 어 기판에 수직 인 c-축으로 성장하였음을 알 수 있었다. 또한 AI2O3 와 관련된 피크는 관찰되지 않았다.
본 연구를 통해 RF magnetron sputtering 법으로 제작한 AZO 투명 전도막은 우수한 전기적 . 광학적 특성을 나타내어 차세대 평판 디스플레이나 광전소자로 응용될 수 있음을 알 수 있었다.
XRD 측정으로부터 300 °C, 10 mTorr 에서 증착한 AZO 박막이 가장 우수한(002) 배향성을 나타내 었다. 전기 적 특성을 조사한 결과, 300 °C, 10mTorr 에 서 제작한 AZO 박막에서 가장 낮은 비저항 (2.64勺0'3 Qcm) 과 가장 높은 캐리어 농도 (5.29시研 cm') 및 이동도 (6.23 cm2/Vs) 를 나타내었다. 광학적 특성으로는 모든 박막에서 80 % 의 투과율을 나타내 었으며 기 판온도 및 공정 압력 변화에 따른 A1 도핑효과의 증가로 밴드갭이 넓어지는 Burstein-Moss 효과가 관찰되 었다.
후속연구
광학적 특성을 나타내어 차세대 평판 디스플레이나 광전소자로 응용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한 향후 저온공정 개발 및 대면적 증착에 대한 연구가 이루어진다면 ZnO 계 투명 전도막이 ITO 를 대체할 수 있는 유망한 재료임도 확인할 수 있었다.
참고문헌 (14)
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