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Sol-gel 법으로 제작한 Ga-doped ZnO 박막의 도핑 농도와 열처리 온도가 전기적 및 광학적 특성에 미치는 효과
Effects of Doping Concentrations and Annealing Temperatures on the Electrical and Optical Properties of Ga-doped ZnO Thin Films by Sol-gel Method 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.16 no.3, 2012년, pp.558 - 564  

강성준 (전남대학교 전기 및 반도체 공학과) ,  정양희 (전남대학교 전기 및 반도체 공학과)

초록
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Sol-gel 법으로 Eagle 2000 유리 기판 위에 Ga 도핑 농도와 열처리 온도에 따른 GZO 박막을 제작하여, 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. 1 mol% Ga 이 도핑되고 $600^{\circ}C$에서 열처리한 GZO 박막에서 가장 우수한 (002) 배향성이 관찰되었다. Hall 측정 결과, Ga 도핑 농도가 증가함에 따라 segregation 효과로 인한 캐리어 농도의 감소와 비저항 값의 증가가 관찰되었다. 1 mol% Ga 이 도핑되고 $600^{\circ}C$에서 열처리한 GZO 박막에서 가장 큰 캐리어 농도($9.13{\times}10^{18}cm^{-3}$)와 가장 낮은 비저항 ($0.87{\Omega}cm$) 값을 나타내었다. 모든 박막은 가시광 영역에서 약 80 % 이상의 투과율을 보였으며, Ga 농도가 1 에서 4 mol% 로 증가함에 따라 에너지 밴드 갭이 좁아지는 Burstein-Moss 효과가 관찰되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We fabricated Ga doped ZnO (GZO) thin films on the glass substrate (Eagle 2000) with various of Ga doping concentration and annealing temperatures using sol-gel method, electrical and optical properties were investigated. When the GZO thin films doped with 1 mol% of Ga and annealed at $600^{\ci...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 Ga 도핑 농도와 열처리 온도에 따른 GZO 박막의 전기적 및 광학적 특성 변화를 조사하여 투명 전도막으로의 응용 가능성에 대해 알아보았다.
  • 본 연구에서는 sol-gel 방법으로 Eagle 2000 유리 기판위에 Ga 도핑 농도와 열처리 온도에 따른 GZO 박막을 제작하여 전기적 및 광학적 특성을 연구하였다. 1 mol% Ga 이 도핑되고 600 ℃ 에서 열처리한 ZnO 박막에서 가장 우수한 (002) 배향성을 나타내었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ITO (Indium tin oxide)의 문제점은? 투명 전도막은 태양전지, 평판디스플레이, 발광다이오드와 같은 광전소자의 수요가 증가함에 따라 그 중요성이 날로 커지고 있다[1][2]. ITO (Indium tin oxide) 는 오랫동안 투명 전도막의 대표 재료로 사용되어왔지만, In의 단가가 높고 플라즈마에 대한 안정성이 낮다는 문제점을 가지고 있다[3]. 따라서, ITO 박막을 대체할 새로운 투명 전도막에 대한 연구, 개발이 매우 필요한 시점에 도달하였다.
ZnO란? 따라서, ITO 박막을 대체할 새로운 투명 전도막에 대한 연구, 개발이 매우 필요한 시점에 도달하였다. ZnO 는 3.3 eV 의 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 Ⅱ-Ⅵ 족 화합물 반도체로서 Al, Ga 과 같은 3 족 원소를 도핑하면 투과도 및 전기적 특성을 개선시킬 수 있어 ITO 를 대체할 유망한 재료로 많은 주목을 받고 있다.[4][5] 특히, 3 족 원소 중에서 Ga 은 Al 과 비교하여 산화에 덜 민감하고 습도에 좀 더 안정한 특성을 나타낸다고 보고되고 있다[6][7].
Ga 이 도핑된 ZnO (GZO) 박막을 제작하는 방법 중 sol-gel 법의 장점은? 현재 Ga 이 도핑된 ZnO (GZO) 박막을 제작하는 방법으로는 sputtering 법[8], pulsed laser deposition 법[9], chemical vapor deposition 법[10], sol-gel 법[11] 등이 사용되고 있다. 이 중에서, sol-gel 법은 대면적 코팅이 가능하며 도핑 물질 및 조성을 조절하기가 용이하고 저비용으로 박막을 제작할 수 있어 GZO 박막에 대한 구조적 및 광학적 특성을 연구하기에는 아주 유용한 방법이다[12]. GZO 박막을 투명 전도막으로 사용하기 위해서는 최적의 도핑 농도와 열처리 온도를 찾는 것이 무엇보다 선행되어야하고, 이를 바탕으로 GZO 박막의 전기적 및 광학적 특성을 조사하는 것이 필요하다.
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참고문헌 (16)

  1. G.P.Crawford, Flexible Flat Panel Displays, NJ. U.S.A.: John Wiley & Sons Inc., 2005. 

  2. H.Ohta and H.Hosono, "Transparent oxide optoelectronics", Materials Today, vol. 7, pp. 42-51, 2004. 

  3. B.D.Ahn, J.H.Kim, H.S.Kang, C.H.Lee, S.H.Oh, K.W.Kim, G.E.Jang and S.Y.Lee, "Thermally stable, highly conductive, and transparent Ga-doped ZnO thin films", Thin Solid Films, vol. 516, pp. 1382-1385, 2008. 

  4. C.Guillen and J.Herrero, "High conductivity and transparent ZnO:Al films prepared at low temperature by DC and RF magnetron sputtering", Thin Solid Films, vol. 515, pp. 640-643, 2006. 

  5. V.Bhosle, A.Tiwari and J.Narayan, "Metallic conductivity and metal-semiconductor transition in Ga-doped ZnO", Appl. Phys. Lett., vol. 88, pp. 032106-032108, 2006. 

  6. K.Yim, H.W.Kim and C.Lee, "Effects of annealing on structure, resistivity and transmittance of Ga doped ZnO films", Mater. Sci. Technol., vol. 23, pp. 108-112, 2007. 

  7. O.Nakagawara, Y.Kishimoto, H.Seto, Y.Koshido, Y.Yoshino and T.Makino, "Moisture-resistant ZnO transparent conductive films with Ga heavy doping", Appl. Phys. Lett., vol. 89, pp. 091904-091906, 2006 

  8. X.Yu, J.Ma, F.Ji, Y.Wang, C.Cheng and H.Ma, "Thickness dependence of properties of ZnO:Ga films deposited by rf magnetron sputtering", Appl. Surf. Sci., vol. 245, pp. 310-315, 2005. 

  9. H.H.Shin, Y.H.Joung and S.J.Kang, "Influence of the Substrate Temperature on the Optical and Electrical Properties of Ga-doped ZnO Thin Films Fabricated by Pulsed Laser Deposition," J. Mater. Sci. : Mater. Electron, vol. 20, pp. 704-708, 2009. 

  10. J.J.Robbins, J.Harvey, J.Leaf, C.Fry and C.A.Wolden, "Transport phenomena in high performance nanocrystalline ZnO:Ga films deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition", Thin Solid Films, vol. 473, pp. 35-40, 2005. 

  11. K.Y.Cheong, N.Muti and S.R.Ramanan, "Electrical and optical studies of ZnO:Ga thin films fabricated via the sol-gel technique", Thin Solid Films, vol. 410, pp.142-146, 2002. 

  12. P.K.Nayak, J.H.Yang, J.W.Kim, S.J.Chung, J.W.Jeong, C.H.Lee and Y.T.Hong, "Spin-coated Ga-doped ZnO transparent conducting thin films for organic light-emitting diodes", J. Appl. Phys., vol. 42, pp. 035102-035107, 2009. 

  13. N.Fujimura, T.Nishihara, S.Goto, J.Xu and T.Ito, "Control of preferred orientation for ZnOx films control of self-texture", J. Cryst. Growth, vol. 130, pp. 269-279, 1993. 

  14. Z.Q.Xu, H.Deng, Y.Li and H.Cheng, "Al-doping effects on structure, electrical and optical properties of c-axis-oriented ZnO:Al thin films", Mater. Sci. Semicond. Process, vol. 9, pp. 132-135, 2006. 

  15. M.J.Alam and D.C.Cameron, "Preparation and properties of transparent conductive Aluminum-doped zinc oxide thin films by sol-gel process," J. Vac. Sci. Technol. A, vol. 19, pp. 1642-1645, 2001. 

  16. Q.B.Ma, Z.Z.Ye, H.P.He, L.P.Zhu, J.R.Wang and B.H.Zhao, "Structural, electrical, and optical properties of transparent conductive ZnO:Ga films prepared by DC reactive magnetron sputtering", J. Crystal. growth, vol. 304, pp. 64-68, 2007. 

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