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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 n-ZnO 박막을 이용한 이종접합 LED를 제작하기 위한 선행실험으로서 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 ZnO 박막을 사파이어기판 위에 RF출력을 달리하여 동일한 시간동안 성장 시킨 후 박막의 구조적 특성과 전기적·광학적 특성을 조사하였다.
제안 방법
- RF 스퍼터링법을 이용하여 사파이어 기판위에 RF 출력을 달리하여 ZnO를 성장시키고, ZnO의 구조적 특성과 전기적·광학적 성질을 조사하였다.
- 사파이어 기판위에 성장된 ZnO의 두께를 엘립소미터 (Nano View, Mg-1000UV)를 이용하여 측정하였고, Cukα1선을 사용하는 X선 회절분석기(Rigaku, D/MAX-2500U) 를 이용하여 결정구조를 분석하였고, 원자힘현미경(atomic force microscope; AFM, Veeco, D-3100SPM)을 사용하여 표면상태를 확인하였다.
- 사파이어 기판위에 성장된 ZnO의 두께를 엘립소미터 (Nano View, Mg-1000UV)를 이용하여 측정하였고, Cukα1선을 사용하는 X선 회절분석기(Rigaku, D/MAX-2500U) 를 이용하여 결정구조를 분석하였고, 원자힘현미경(atomic force microscope; AFM, Veeco, D-3100SPM)을 사용하여 표면상태를 확인하였다. 전기적 특성은 상온에서 홀효과를 측정하여 평가하였고, 광학적 특성은 여기광원으로 He-Cd 레이저를 사용하는 마이크로 광루미네센스(photo-luminescence; PL) 장치(Dongwoo optron, DW-100408)를 사용하여 상온에서 PL 스펙트럼을 측정하여 평가하였다.
- 진공 챔버 내부의 진공도가 1.0 × 10−6 Torr에 도달하면 고순도 Ar 가스(99.999%, PS Chem.)를 30 sccm으로 일정하게 주입하고 자동밸브를 작동시켜 챔버 내부 진공도가 2.0 × 10−2Torr로 유지되도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 RF 스퍼터링법으로 ZnO를 성장시키기 위한 기판으로 (0001)면의 2인치 사파이어 기판을 10 × 10 mm의 크기로 잘라 사용하였다.
- 지름이 6인치인 ZnO 타겟(99.9999%, LTS Inc.)은 기판에 대해 30o 기울어져 있으며, 기판과의 거리는 20 cm로고정하였고 셔터에 의해 표면의 오염을 방지할 수 있도록 설계되었다. 진공 챔버 내부의 진공도가 1.
성능/효과
- 이는 RF 출력이 증가 함에 따라 ZnO 박막의 결정성이 개선됨으로써 회절선의 강도가 증가하고 반치폭이 감소하는 것으로 여겨지며, 회절선의 회절각이 작아지는 쪽으로 이동하는 것은 정확한 원인이 밝혀지지 않았지만 표면에 도달하는 원자의 에너지가 증가하여 결정립계로 원자들이 이동해 압축응력이 발생하여 이동한 것으로 여겨진다.11) 이로부터 RF 출력을 달리하여 성장시킨 ZnO 박막은 사파이어 기판의 결정방향과 같은 방향, 즉 C-축 방향으로 우선적으로 배향되어 성장되는 것을 확인하였으며, RF 출력에따라 결정성이 개선되고 동시에 압축응력이 존재하게 됨을 알 수 있었다.
- 12) RF 스퍼터링법으로 ZnO 박막을 성장하는데 있어서 이온화 에너지가 Zn 원자는 906.4 kJ/mol 로 산소원자의 1319.9 kJ/mol 보다 작기 때문에 RF 출력이 증가함에 따라 Zn 원자의 스퍼터율이 높아져 박막을 구성 하는 Zn의 양이 증가하며,14) 이로 인해 산소원자 보다 지름이 큰 과잉된 Zn 원자들이 격자사이에 존재하게 됨으로써 면간 간격을 넓히게 되어 응력을 발생시키고 격자상수의 변화와 함께 변형율을 증가시켜 반치폭은 증가 하게 된다. 그러나 본 실험에서는 RF 출력이 증가함에 따라 반치폭이 감소하였는데, 이는 RF 출력의 증가에 따라 스퍼터율이 증가함으로 성장되는 ZnO 박막 두께의 증가와 함께 결정립과 미소결정립의 크기가 증가하고, ZnO 박막 내에 존재하는 결정결함이 감소하여 결정성이 향상되었기 때문이라 여겨진다.
- RF 스퍼터링법에 의해 사파이어 기판 위에 성장된 ZnO 의 표면은 RF 출력의 변화에 대해 특이점이 관찰되지 않았으며, 모든 시료가 무색투명하였다. RF 출력을 달리하여 30분 동안 성장시킨 ZnO 박막의 두께는 RF 출력이 200 W에서 29 nm이었고, 500 W에서 119 nm로서 RF출력이 증가함에 따라 성장되는 ZnO 박막의 두께가 증가하였다.
- RF 출력을 달리하여 성장시킨 ZnO 박막의 전기전도형은 n형이었고, 전자농도는 RF 출력이 200 W일 때 1.40 × 1019cm−3이었고, 400 W일 때 6.98 × 1018 cm−3로 가장 적은 값을 보인 후 500 W에서 1.35 × 1019cm−3 로 다시 증가하였다.
- 0 eV 부근에서 약한 신호의 깊은 준위로부터의 발광이 관찰되었다. RF 출력이 증가함에 따라 에너지갭 부근에서의 발광 강도가 증가하였으며 반치폭이 증가함과 동시에 red-shift하였다. 이는 200 W에서 깊은 준위의 발광이 관찰되지만 RF 출력이 증가함에 따라 박막의 두께가 증가하고 결정질이 향상 되어 에너지 밴드갭 부근의 발광강도가 증가하면서 깊은 준위의 발광이 관찰되지 않은 것이다.
- 2는 AFM을 이용하여 관찰한 ZnO 박막의 표면 구조를 나타낸 것이다. RF 출력이 증가함에 따라 표면의 거칠기가 증가함과 동시에 결정립의 크기가 증가하는 경향을 보였다. 또한 AFM을 이용하여 측정한 표면의 거칠기(RMS roughness)와 결정립의 크기는 Fig.
- ZnO 박막의 전기전도형은 n형이었고, 운반자농도는 RF 출력이 200 W일 때 1.40 × 1019cm−3 이었고, 400 W일 때 6.98 × 1018cm−3로 가장 적은 값을 보인 후 500 W에서 1.35 × 1019cm−3 로 다시 증가하였다.
- RF 출력이 증가함에 따라 표면의 거칠기가 증가함과 동시에 결정립의 크기가 증가하는 경향을 보였다. 또한 AFM을 이용하여 측정한 표면의 거칠기(RMS roughness)와 결정립의 크기는 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 RF 출력이 200 W에서 500 W로 증가함에 따라 결정립의 크기는 70 nm에서 136 nm로 증가하였고, 표면의 거칠기 또한 200 W에서 2.38 nm로 가장 작은 값을 보이고 300 W에서 가장 큰 4.61 nm의 값을 보인 후 점차 감소하였다. 이는 RF 출력이 증가함에 따라 원자들이 기판으로 빠르게 도달하여 표면의 거칠기가 증가하고, 동시에 원자들의 운동에너지가 증가함에 따라 300 W 에서 표면 확산이 원활하게 이루어져 결정립의 크기가 증가하여 표면 거칠기가 감소한 것으로 여겨진다.
- 사파이어 기판위에 성장된 ZnO의 박막은 (0002)면 방향, 즉 C-축 방향으로 우선 배향되어 성장되었고, RF 출력이 200 W에서 500 W로 증가함에 따라 X선 회절각이 34.218°부터 34.088° 까지 변화되었고, 반치폭이 0.440° 에서 0.285° 로 감소하였으며, 반치폭으로 부터 구한 미소결정의 크기는 19.7 nm에서 30.4 nm로 증가하였다.
- 이와 같이 사파이어 기판 위에 ZnO 박막을 RF 스퍼터링법으로 성장함에 있어 RF 출력이 증가함에 따라 ZnO 박막의 결정성은 향상되지만, 과잉된 Zn의 영향으로 박막의 구조적특성과 전기·광학적 성질에 크게 영향을 미치게 됨을 알 수 있었으며, 이는 LED 소자의 제작에 있어서 특성을 저하시키는 요인으로 작용할 것으로 여겨진다.
- 즉, RF출력이 증가함에 따라 ZnO의 스퍼터율이 증가하고 박막의 성장률은 0.16 Å/sec에서 0.66 Å/sec로 증가하였다.
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