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문제 정의
- 본 논문에서는 c-면 사파이어 기판 위에 펄스레이저 증착법으로 성장한 n-type ZnO 박막 위에 Ti/Au 금속의 Ohmic 접합 최적공정 조건을 연구하였다. 성장된 ZnO박 막위에 Ti/Au 박막을 35/90 nm의 두께로 증착한 후, 광리소그래피로 TLM 패턴을 형성하였다.
가설 설정
- (b) Optical microscopy of TLM patterns oriented in various direction with 6 to 61 μm contact spaces.
제안 방법
- ZnO 박막의 비저항을 구하기 위해 TLM방식을 채택하였는데, 본 실험에서는 mesa etch없이 시료표면에 패턴을 형성하여 수행하였다. TLM패턴전극을 형성하기 위해 전자빔 증착기를 이용하여 Ti를 35 nm 두께로 증착한 후, 90 nm 두께의 Au박막을 열 증착기로 증착하였다. 광 리소그래피 법으로 면적 100×100 μm2의 크기를 갖는 전극패턴을 간격 6∼61 μm로 형성하였다.
- 광 리소그래피 법으로 면적 100×100 μm2의 크기를 갖는 전극패턴을 간격 6∼61 μm로 형성하였다.
- 본 연구에서는 c-plane 사파이어 기판 위에 펄스레이저 증착법으로 성장한 n-type ZnO 박막을 이용하여 그 위에 TLM (transfer length method)패턴을 형성한 후 [10], Ti/Au의 금속 접합구조를 적용하였다. 금속과 반도체 박막의 Ohmic접합을 개선하는 방법은 BOE (buffered oxide etch)와 왕수를 이용한 표면처리, 플라즈마 이용, 레이저 이용 등 여러 가지 방법이 있으나, 본 실험에서는 열처리를 통한 방법을 이용하여 Ohmic접합을 개선하였다.
- 성장된 박막 위의 유기물제거는 Acetone, Methanol, DI-water 순으로 각각 5분씩 음파처리방법으로 세정하였고 N2가스를 이용하여 건조하였다. 또한, 성장한 ZnO 박막은 구조적, 전기적, 광학적 특성을 향상시키기 위해 1,000℃, O2가스 40 sccm의 분위기에서 1분간 급속 열처리(rapid thermal annealing)하였다. 홀측정 결과 ZnO 박막은 n-type이었고 운반자 농도는 1.
- 방향성을 가진 TLM 시료 들을 100, 200, 300, 400, 500℃에서 각각 열처리하여 거리가 11 μm인 전극패턴에서, 열처리 온도에 따른 전류-전압 특성곡선을 측정하여 Fig. 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 c-plane 사파이어 기판 위에 펄스레이저 증착법으로 성장한 n-type ZnO 박막을 이용하여 그 위에 TLM (transfer length method)패턴을 형성한 후 [10], Ti/Au의 금속 접합구조를 적용하였다. 금속과 반도체 박막의 Ohmic접합을 개선하는 방법은 BOE (buffered oxide etch)와 왕수를 이용한 표면처리, 플라즈마 이용, 레이저 이용 등 여러 가지 방법이 있으나, 본 실험에서는 열처리를 통한 방법을 이용하여 Ohmic접합을 개선하였다.
- 25 Å/sec였다. 성장된 박막 위의 유기물제거는 Acetone, Methanol, DI-water 순으로 각각 5분씩 음파처리방법으로 세정하였고 N2가스를 이용하여 건조하였다. 또한, 성장한 ZnO 박막은 구조적, 전기적, 광학적 특성을 향상시키기 위해 1,000℃, O2가스 40 sccm의 분위기에서 1분간 급속 열처리(rapid thermal annealing)하였다.
- 이러한 ZnO박막의 Ohmic 접합을 구현하기 위해 시료를 각각 as-deposited, 100, 200, 300, 400, 500℃의 열처리 조건으로 40 sccm의 O2가스 분위기에서 1분간 급속열처리를 진행하였다. 열처리한 시료의 면저항과 비저항을 알아보기 위해 semiconductor analyzer 4156A를 사용하여 전류-전압을 측정하였다. 측정한 전류-전압 그래프로부터 면저항과 비저항을 구하였고, ZnO Ohmic 조건을 확인하였다.
- 광 리소그래피 법으로 면적 100×100 μm2의 크기를 갖는 전극패턴을 간격 6∼61 μm로 형성하였다. 이러한 ZnO박막의 Ohmic 접합을 구현하기 위해 시료를 각각 as-deposited, 100, 200, 300, 400, 500℃의 열처리 조건으로 40 sccm의 O2가스 분위기에서 1분간 급속열처리를 진행하였다. 열처리한 시료의 면저항과 비저항을 알아보기 위해 semiconductor analyzer 4156A를 사용하여 전류-전압을 측정하였다.
- 열처리한 시료의 면저항과 비저항을 알아보기 위해 semiconductor analyzer 4156A를 사용하여 전류-전압을 측정하였다. 측정한 전류-전압 그래프로부터 면저항과 비저항을 구하였고, ZnO Ohmic 조건을 확인하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 ZnO 박막은 c-면 사파이어기판 위에 펄스레이저 증착법으로 ZnO target을 이용하여, 초기 압력 1.0×10-6 Torr, 성장 압력 1.0×10-4 Torr, O2가스 10 sccm, 기판온도 500℃에서 3시간 동안 성장하였다.
- 본 논문에서는 c-면 사파이어 기판 위에 펄스레이저 증착법으로 성장한 n-type ZnO 박막 위에 Ti/Au 금속의 Ohmic 접합 최적공정 조건을 연구하였다. 성장된 ZnO박 막위에 Ti/Au 박막을 35/90 nm의 두께로 증착한 후, 광리소그래피로 TLM 패턴을 형성하였다. 패턴 형성된 시료의 후열처리에 따른 전류-전압 특성곡선과 비저항 값의 변화를 분석한 결과, 300℃에서 1분간 급속열처리된 시료에서 가장 낮은 비저항 값 1.
- 0×10-4 Torr, O2가스 10 sccm, 기판온도 500℃에서 3시간 동안 성장하였다. 여기서 사용한 레이저는 YAG:Nd의 비선형 조화발진으로 파장 266 nm의 에너지 밀도 90 mJ/cm2를 가진 10 Hz 레이저펄스를 이용하였다. 비선형 조화 발진(266 nm)을 사용한 이유는 Fundamental (1,064 nm)와 Second Harmonic (532 nm) 보다 파장이 작기 때문에 ZnO 타겟에 더 큰 에너지를 주어 박막 증착이 유리하기 때문이다.
이론/모형
- 483×1018 cm-3으로 나타났다. ZnO 박막의 비저항을 구하기 위해 TLM방식을 채택하였는데, 본 실험에서는 mesa etch없이 시료표면에 패턴을 형성하여 수행하였다. TLM패턴전극을 형성하기 위해 전자빔 증착기를 이용하여 Ti를 35 nm 두께로 증착한 후, 90 nm 두께의 Au박막을 열 증착기로 증착하였다.
성능/효과
- 3은 거리에 따른 전극의 전류-전압을 측정하고 기울 기인 전체 저항을 나타내었다. 거리에 따른 전체 저항의 값은 비례관계를 나타내고 있으나 접합면의 간격이 멀수록 전체저항의 차이가 작았다. 위와 같은 현상을 나타낸 이유는 TLM패턴 제작 과정 중 mesa etch를 생략하여 전극 사이로만 흘러야 할 전류가 전극 사이가 아닌 측면 방향으로 흘러 저항이 낮게 측정된 것으로 생각된다.
- #과 LT는 각각 전체저항-거리 그래프에서 기울기와 절편에 해당된다. 여기서, 측정된 데이터를 선형 fitting함에 따른 표준편차는 기울기의 경우는 비교적 작았으나 y축 절편 값의 편차는 크게 나타났다. 그러나 상대적인 수치의 비교는 가능하였다.
- 2에 나타내었다. 열처리한 시료의 전류-전압 그래프에서 기울기는 300℃에서 가장 작은 것으로 나타났으며, 300℃의 열처리 온도가 Ohmic 접합을 형성하기 위한 최적의 조건임을 확인하였다. 열처 리온도를 500℃로 증가시킴에 따라 다시 저항이 높아지는 것은 Ti가 ZnO 박막 내부로 깊숙이 침투됨에 따라 ZnO 결정성이 좋지 않게 되어 나타나는 것으로 추측된다 [10].
- 즉, n-type 및 p-type ZnO박막으로 이루어진 LED (light emitting diode) 소자의 성능향상을 위해서는 ZnO 박막의 전기적 물성 연구가 필요하다. 특히, 소자구조에서 운반자를 잘 주입하기 위한 Ohmic접합을 구현 즉, n-type ZnO의 Ohmic조건을 구현함으로써 전극의 전압강하를 최소화하고, p-n접합 특성을 최대화하여 소자의 성능을 높일 수있다. n-type ZnO박막에 대한 Ohmic접합 연구는 Ti/Al/Pt/Au, Zn/Au, Al/Pt, Re/Ti/Au, Ru 등의 금속을 이용한 연구결과가 보고되고 있다 [5-9].
- 성장된 ZnO박 막위에 Ti/Au 박막을 35/90 nm의 두께로 증착한 후, 광리소그래피로 TLM 패턴을 형성하였다. 패턴 형성된 시료의 후열처리에 따른 전류-전압 특성곡선과 비저항 값의 변화를 분석한 결과, 300℃에서 1분간 급속열처리된 시료에서 가장 낮은 비저항 값 1.1×10-4 Ωㆍcm2을 나타내었다. 이 결과는 열처리에 의해 금속과 반도체계면에 티타늄 산화막이 형성되고 이 과정에서 ZnO 박막내에 형성된 산소 원자 빈자리 도너상태가 그 근원인 것으로 고려되었다.
- 홀측정 결과 ZnO 박막은 n-type이었고 운반자 농도는 1.483×1018 cm-3으로 나타났다.
후속연구
- 이 결과는 열처리에 의해 금속과 반도체계면에 티타늄 산화막이 형성되고 이 과정에서 ZnO 박막내에 형성된 산소 원자 빈자리 도너상태가 그 근원인 것으로 고려되었다. 본 실험결과는 Ti/Au의 금속-반도체 접합을 이용한 n-type ZnO 기반 소자에의 응용성이 기대된다.
- Ohmic 접합의 전류 메커니즘 에는 반도체에서의 전자가 금속-반도체 사이에 쇼트기 장벽을 넘어 방출하는 현상 또는 양자역학적인 관점에서 운반자의 농도가 높을 때 쇼트기 장벽이 폭이 좁아져 이를 뚫고 지나가는 전자 터널링 효과, 공간전하 영역에서의 운반 자의 재결합, 중성지역에서의 운반자의 재결합 등이 있다. 여러 가지 전류 메커니즘 중에서 Ti/ZnO 계면에 티타늄 산화막의 생성과 이로 인한 산소격자 빈자리로부터 생성된 전자의 증가를 고려해 본다면, 본 실험의 Ohmic 접합의 주된 전류흐름은 터널링에 의한 효과가 가장 클 것이라고 예상된다. 또한 300℃에서 비저항 값이 가장 낮은 원인은 열처리에 의한 Ti와 ZnO의 계면 접촉이 향상되었기 때문인 것으로 여겨진다.
- ZnO의 증착법에는 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy), rf 마그네트론 스퍼터링(rf magnetron sputtering), 화학기상 증착법(chemical vapor deposition), 분무 열분해법(spray pyrolysis), 원자층 증착법(atomic layer deposition)과 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition) 등의 매우 다양한 방법들이 사용되고 있다 [3,4]. 이러한 방법들로 제조된 ZnO박막의 구조적, 광학적, 전기적 특성을 연구한 결과들이 발표되고 있으나, 박막의 특성연구는 이종접합이나 동종접합 구조연구에 선행되어야 할 중요한 과제이다. 즉, n-type 및 p-type ZnO박막으로 이루어진 LED (light emitting diode) 소자의 성능향상을 위해서는 ZnO 박막의 전기적 물성 연구가 필요하다.
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