[논문]열처리로 제조된 In2Se3 박막의 구조 및 광학적 특성 연구

박재형; 김대영; 박광훈; 한명수; 김효진; 신재철; 하준석; 김광복; 고항주

doi:10.5757/jkvs.2012.21.3.136

열처리로 제조된 In2Se3 박막의 구조 및 광학적 특성 연구
Investigation of Structural and Optical Characteristics of In2Se3 Thin Films Fabricated by Thermal Annealing 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.21 no.3, 2012년, pp.136 - 141

박재형 (한국광기술원 광에너지연구센터) , 김대영 (한국광기술원 광에너지연구센터) , 박광훈 (한국광기술원 광에너지연구센터) , 한명수 (한국광기술원 광에너지연구센터) , 김효진 (한국광기술원 광에너지연구센터) , 신재철 (한국광기술원 광에너지연구센터) , 하준석 (전남대학교 신화학소재공학과) , 김광복 (금호전기프론티어연구센터) , 고항주 (한국광기술원 광에너지연구센터)

초록
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열처리 공정으로 제조한 $In_2Se_3$ 박막의 구조 및 광학적 물성을 조사하여 보고한다. 기판위에 스퍼터링 방법으로 인듐(In: indium)을 증착하고 셀레늄 분위기에서 열처리 온도를 변화시키며 In-Se 박막을 제조하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 $In_2Se_3$ 박막의 형성과 상의 변화를 관찰 할 수 있었다. 낮은 열처리 온도(${\leq}150^{\circ}C$)에서는 In의 뭉침 현상을 관찰할 수 있었고 열처리 온도가 $250^{\circ}C$ 부터 $In_2Se_3$ 박막이 형성되며 $350^{\circ}C$ 에서 ${\gamma}-In_2Se_3$ 상이 형성됨을 알 수 있었다. 열처리 온도가 $400^{\circ}C$로 증가면 wurtzite 구조의 고품질 ${\gamma}-In_2Se_3$ 박막을 얻을 수 있었다. 열처리 온도가 증가함에 따라 $In_2Se_3$ 박막의 밴드갭이 증가함을 알 수 있었고, 열처리 온도 $400^{\circ}C$에서 제조된 ${\gamma}-In_2Se_3$ 결정질 박막의 밴드갭이 1.796eV임을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

We report investigation of structural and optical characteristics of $In_2Se_3$ thin films fabricated by thermal annealing process. Indium (In) is deposited on substrates by sputtering methods and $In_2Se_3$ thin films are fabricated by thermal annealing it with selenium vapor. The annealing temperature was changed from $150^{\circ}C$ to $400^{\circ}C$. We observe formation and phase changes of $In_2Se_3$ thin films with increase of annealing temperature. Conglomeration of In is observed at low annealing temperature (${\leq}150^{\circ}C$). $In_2Se_3$ phases are started to form at $200^{\circ}C$ and ${\gamma}-In_2Se_3$ phase form at $350^{\circ}C$. High-quality ${\gamma}-In_2Se_3$ thin film with wurtzite structure is obtained at $400^{\circ}C$ of annealing temperature. Furthermore, we confirm that band gaps of $In_2Se_3$ thin films are increased according to increase of annealing temperature. Optical band gap of high-quality ${\gamma}-In_2Se_3$ is found to be 1.796eV.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

상기의 다양한 연구에도 불구하고 스퍼터링법으로 증착된 인듐 박막/Molybdenum (Mo: 몰리브데늄)을 셀레늄 분위기에서 열처리 온도변화에 따라 InSe 박막을 제조하고 그 박막의 구조 및 광학적 특성을 심도 깊게 연구한 결과는 발표되어 있지 않다. 본 연구에서는 In₂Se₃ 박막의 구조 및 광학적 특성 연구를 위하여 스퍼터링법으로 증착시킨 In 박막을 셀레늄 분위기에서 열처리하는 공정방법을 이용하였다. 이러한 열처리 공정에서 열처리 온도 변화에 따른 In₂Se₃의 형성과 구조 및 광학적 물성 변화를 x-ray diffractometer (XRD: x-선회절기)와 scanning electron microscope (SEM: 주사전자현미경), UV-VIS-NIR spectrophotometer를 이용하여 조사 연구하였다.

제안 방법

기판으로 사용된 판상 소오다 석회 유리(soda lime glass, SLG)는 아세톤, IPA (isopropyl alcohol, 이소프로필 알콜), 탈이온수에 넣고 각각 10분, 10분 그리고 5분간 초음파 세척한 후 질소 가스를 이용하여 건조 시켰다. 기판은 스퍼터의 도입 챔버에 로딩되어 고주파 전력 50 W로 1분간 표면식각 처리된다.
다양한 열처리 온도에서 제조된 InXSeY 박막을 SEM으로 표면형상을 관찰하였고 박막의 결정 구조 변화를 조사하기 위하여 고품질의 Cu Kα1 (λ=1.5405Å)를 소스로 하는 XRD를 이용하여 측정하고 분석하였다.
5405Å)를 소스로 하는 XRD를 이용하여 측정하고 분석하였다. 또한, 박막의 투과도를 UV-VIS-NIR spectrophotometer를 이용하여 측정하고 그 데이터 분석하여 밴드갭을 구하였다.
본 연구에서 열처리 시 가열하는 온도를 150∼400℃까지 50℃ 간격으로 변화시키며 InX SeY 박막을 제조하였다.
샘플의 밴드갭은 αhv=A(hv-Eg)1/2 관계식에 따라서 광에너지에 대한(αhv)2 그래프의 선형 피팅을 통해 구했다 [14-16].
스퍼터링 방법으로 증착한 In 박막을 셀레늄 분위기에서 열처리하여 In₂Se₃ 박막을 제조 하였고, 열처리 온도를 달리하여 제조한 In₂Se₃ 박막의 물성을 조사 분석하였다. 200℃ 이하의 열처리 온도에서는 In-Se박막의 표면 충진율이 낮은 것을 알 수 있었고 적어도 250℃가 되어야 In-Se박막이 표면을 완전히 덮는다는 것을 SEM 관찰로 알 수 있었다.
열처리 온도를 변화시켜 제조한 In-Se 박막의 투과도를 측정하여 샘플의 밴드갭 변화를 알아보았다. Fig.
열처리 온도에 따른 In-Se 박막의 표면구조 변화를 SEM을 이용하여 관찰하였다. Fig.
본 연구에서는 In₂Se₃ 박막의 구조 및 광학적 특성 연구를 위하여 스퍼터링법으로 증착시킨 In 박막을 셀레늄 분위기에서 열처리하는 공정방법을 이용하였다. 이러한 열처리 공정에서 열처리 온도 변화에 따른 In₂Se₃의 형성과 구조 및 광학적 물성 변화를 x-ray diffractometer (XRD: x-선회절기)와 scanning electron microscope (SEM: 주사전자현미경), UV-VIS-NIR spectrophotometer를 이용하여 조사 연구하였다.

대상 데이터

Mo와 In 박막을 증착할 때 유리기판의 온도는 상온이다. In/Mo/유리기판 샘플은 열처리 챔버로 옮겨져 In_XSe_Y 박막으로 제조되었다. 이 때 열처리는 In/Mo/유리 샘플에 Se 증기를 3∼4 nm/sec 정도 량으로 조사하며 열을 가했다가 식히는 공정으로 Se 분위기에서 In에 열을 가해 In-Se을 반응시켜 결정화시키는 공정이다.

이론/모형

흡수계수는 투과도를 흡광도(log(TO/T), TO: 박막 투과전 빛의 강도, T: 박막 투과후 빛의 강도)로 변환하고 Lambert’s law [13], α=(흡광도)/(샘플의 박막두께),를 이용하여 계산되었다.

성능/효과

200℃ 이하의 열처리 온도에서는 In-Se박막의 표면 충진율이 낮은 것을 알 수 있었고 적어도 250℃가 되어야 In-Se박막이 표면을 완전히 덮는다는 것을 SEM 관찰로 알 수 있었다.
In2Se3 박막의 결정은 200℃ 이상에서 형성되어 열처리 온도가 증가할수록 양질의 γ-In2Se3 결정이 형성됨을 알 수 있었다.
열처리 온도 250℃이상의 기판온도에서부터 γ-In2Se3의 회절피크가 강하게 관찰되었고 400℃의 열처리 온도에서 γ-In2Se3의 XRD 피크가 가장 높게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	InXSeY 박막의 물성은 무엇에 민감한가?	특히 MOCVD (유기금속화학증착법) [1], thermal evaporation (열증착법) [2], chemical reaction (화학반응법) [3] 등의 다양한 제조방법이 연구되고 있고, In2Se3 물질의 구조 [4], 전기 및 광학적 특성 [5,6]에 관해서도 연구되고 있다. 그럼에도 불구하고 InXSeY 박막의 물성은 제조공정, 증발 소스, 물질과 온도 등에 따라 매우 민감하기 때문에 아직까지 InXSeY 박막의 물성을 제어하는데 어려움을 겪고 있다 [7]. InXSeY 박막의 물성제어는 태양전지와 같은 소자의 작동에 큰 영향을 끼침으로 심도 깊은 연구가 반드시 필요하다.
	판상 소오다 석회 유리는 어떻게 표면 식각 처리되는가?	기판으로 사용된 판상 소오다 석회 유리(soda lime glass, SLG)는 아세톤, IPA (isopropyl alcohol, 이소프로필 알콜), 탈이온수에 넣고 각각 10분, 10분 그리고 5분간 초음파 세척한 후 질소 가스를 이용하여 건조 시켰다. 기판은 스퍼터의 도입 챔버에 로딩되어 고주파 전력 50 W로 1분간 표면식각 처리된다. 표면 식각 처리된 기판은 DC magnetron sputter (직류 마그네트론 스퍼터)로 이동되어 Mo 박막이 증착된다.
	박막 형태 In2Se3 제조 방법은?	최근, III-VI족 화합물 반도체인 In2Se3는 태양전지로의 응용 가능성 때문에 박막형태로 활발히 연구되고 있다. 특히 MOCVD (유기금속화학증착법) [1], thermal evaporation (열증착법) [2], chemical reaction (화학반응법) [3] 등의 다양한 제조방법이 연구되고 있고, In2Se3 물질의 구조 [4], 전기 및 광학적 특성 [5,6]에 관해서도 연구되고 있다. 그럼에도 불구하고 InXSeY 박막의 물성은 제조공정, 증발 소스, 물질과 온도 등에 따라 매우 민감하기 때문에 아직까지 InXSeY 박막의 물성을 제어하는데 어려움을 겪고 있다 [7].

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S. Cho and M. Kim, J. Korean Vacuum Soc. 19, 287 (2010).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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