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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 RF 스퍼터링법으로 ZnO 박막을 성장시키는데 있어 RF 출력의 변화가 ZnO의 특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 (1) 사파이어 기판위에 100 nm 두께의 ZnO 박막을 성장 시킨 후 박막의 구조적 특성과 전기적·광학적 특성을 조사하였으며, (2) MOCVD법으로 사파이어 기판 위에 성장된 p형 GaN template 위에 RF 출력을 달리하여 ZnO를 성장시켜 n-ZnO/p-GaN LED를 제작하고 동작특성에 미치는 영향에 대하여 알아보았다.
- 본 연구에서는 RF 스퍼터링법으로 사파이어 기판위에 RF 출력과 성장시간을 달리하여 100 nm의 동일한 두께로 ZnO 박막을 성장시킨 후 특성을 평가하고, n-ZnO/ p-GaN 이종접합다이오드를 제작하여 RF 출력이 소자의 동작특성에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- RF 스퍼터링법으로 ZnO를 성장시키기 위하여 (0001)면의 2인치 사파이어 기판을 10 × 10 mm2의 크기로 잘라 에탄올에서 초음파로 세척한 후 질소가스로 건조시키고, RF 마그네트론 스퍼터링 장치(DaON-1000S, VTS)의 기판홀더에 고정하였다.
- RF 출력을 달리하여 제작되어진 p-n접합 다이오드의 전류-전압 특성은 반도체파라미터 분석기(HP4155B, Hewlett-Packard)를 이용하여 측정하였다. 광학적 특성은 전류주입장치(236, KEITHLEY)를 사용하여 전기루미네센스(electro-luminescence; EL)측정 장치(Dongwoo optron, DW-100408)로 측정하였다.
- RF 출력을 달리하여 제작되어진 p-n접합 다이오드의 전류-전압 특성은 반도체파라미터 분석기(HP4155B, Hewlett-Packard)를 이용하여 측정하였다. 광학적 특성은 전류주입장치(236, KEITHLEY)를 사용하여 전기루미네센스(electro-luminescence; EL)측정 장치(Dongwoo optron, DW-100408)로 측정하였다.
- 진공챔버 내부의 진공도가 안정화되면 성장되는 ZnO의 결정성을 향상시키기 위해 기판의 온도를 200 ℃로 가열하였고, 박막의 균질성을 위해 기판을 10 rpm의 속도로 회전시켰다. 그리고 ZnO 타겟의 셔터를 열고 RF 출력을 200 W에서 500 W의 범위로 변화시키며 성장하였고, ZnO 박막을 100 nm 두께로 성장시키기 위해 RF 출력에 따른 ZnO의 성장률을 고려하여 증착시간을 25분에서 104분으로 달리하였다.
- 사파이어 기판위에 성장된 ZnO의 결정구조는 Cukα1선을 사용하는 X선 회절분석기(Rigaku, D/MAX-2500U)를 이용하여 분석하였고, 원자힘현미경(Atomic Force Micro-scope; AFM, Veeco, D-3100SPM)을 사용하여 표면상태를 확인하였다.
- RF 출력이 증가하면서 과잉된 Zn가 격자사이에 존재하여 전자의 이동을 방해하여 비저항은 증가하였고, 이동도는 감소하였다. 상온에서의 PL 스펙트럼은 ZnO의 에너지 밴드갭에 대한 3.2 eV 부근에서 발광이 일어났고, 반치폭은 증가함과 동시에 과잉된 Zn가 ZnO 에너지 밴드갭 내에서 얕은 에너지 준위로 작용하여 red-shift 하였다.
- 선을 사용하는 X선 회절분석기(Rigaku, D/MAX-2500U)를 이용하여 분석하였고, 원자힘현미경(Atomic Force Micro-scope; AFM, Veeco, D-3100SPM)을 사용하여 표면상태를 확인하였다. 전기적 특성은 상온에서 홀효과를 측정하였고, 광학적 특성은 여기광원으로 325 nm의 파장을 가지는 He-Cd 레이저를 사용하는 마이크로 광루미네센스(Photoluminescence; PL)장치 (Dongwoo optron, DW-100408)를 사용하여 상온에서 PL 스펙트럼을 측정하여 평가하였다.
대상 데이터
- ZnO 타겟(99.9999 %, LTS Inc.)의 크기는 6인치이며 기판에 대해 30° 기울어져 있고, 기판과의 거리는 20 cm로 유지하였다.
- p-GaN/Al2O3기판은 에탄올에서 초음파로 세척한 후 질소가스로 건조시키고, RF 출력을 달리하여 100 nm의 동일한 두께로ZnO를 성장하였다. 그리고 전자선 진공증착기(DaON-1000TE, VTS)를 이용하여 전극으로 인듐을 500 nm의 두께로 증착하였다. 이와 같은 방법으로 제작되어진 다이오드의 구조를 Fig.
- 이종접합 다이오드를 제작하기 위해 MOCVD(260S, SYSNEX)를 이용하여 (0001)면의 2인치 사파이어 기판위에 Mg을 도핑한 p형 GaN를 300 nm의 두께로 성장시킨후 5× 5mm2의 크기로 잘라 사용하였다.
성능/효과
- Fig. 8과 같이 RF 출력의 증가에 따른 최대 발광 강도가 10 mA에서 1881 cps에서 861 cps로 감소하였고, 측정된 EL 스펙트럼은 367 nm, 420 nm, 435 nm, 그리고 460 nm에서 나타났다. 이는 RF 출력의 증가에 따라 ZnO 박막의 결정성과 전기적 특성의 저하로 발광 강도가 감소되었으며, GaN의 NBE(near-band-edge)에 의한 367 nm의발광스펙트럼과 p형 GaN의 도펀트로 주입되어진 Mg에의한 DAP(donor-acceptor pair)의 재결합과 관련하여 420 nm, 435 nm 및 460 nm의 위치에서 발광이 나타났다.
- RF 출력에 따라 제작된 LED의 특성은 순방향의 전류는 ZnO 박막이 가지는 이동도의 감소와 비저항의 증 가로 감소하였고, 문턱전압은 증가하였으며 역방향 전압에서의 누설전류는 5.0 × 10−5mA로 측정되었다.
- RF 출력에 따라 제작된 LED의 특성은 순방향의 전류는 ZnO 박막이 가지는 이동도의 감소와 비저항의 증가로 감소하였고, 문턱전압은 증가하였으며 역방향 전압에서의 누설전류는 5.0 × 10−5mA로 측정되었다.
- RF 출력을 달리하여 성장된 ZnO의 표면 거칠기는 400 W까지 증가하다가 500 W에서 감소하면서 결정립의 크기는 불균일해졌다. 한편, X선 회절패턴에 의하여 ZnO 박막은 c-축 면 방향인 (0002)면으로 우선 배향되어 성장되었고, RF 출력이 증가함에 따라 격자 내에 압축응력이 증가하여 회절각이 낮은 각으로 이동하였으며, c-축의 격자상수는 증가하였다.
- 97 × 1018cm−3로 가장 적은 값을 보인 후 500 W에서 과잉된 Zn의 영향으로 다시 증가하였다. RF 출력이 증가하면서 과잉된 Zn가 격자사이에 존재하여 전자의 이동을 방해하여 비저항은 증가하였고, 이동도는 감소하였다. 상온에서의 PL 스펙트럼은 ZnO의 에너지 밴드갭에 대한 3.
- 비교를 위해 그림의 안쪽에 RF 출력에 따라 제작된 LED의 순방향 I-V 특성을 나타내었다. RF 출력이 증가함에 따라 20 V의 순방향 전압에서 전류는 10.8 mA에서 2.1 mA로 감소하였고, 문턱전압은 증가하는 경향을 보였다. log(I)-V 특성 곡선에서 알 수 있듯이 역방향 누설전류가 5.
- Table 1과 같이 RF 출력이 증가함에 따라 (0002)면에서 회절선의 회절각은 34.42°에서 34.15°의 낮은 각으로 이동하였고, c 축의 격자상수와 박막내의 응력은 0.521 nm에서 0.525 nm로, −0.174 GPa에서 −3.660 GPa로 각각 증가하여 압축응력이 작용함을 알았다.
- ZnO 박막의 전기전도형은 n형 이었고, 전자농도는 RF 출력이 증가함에 따라 전기전도 메커니즘으로 작용하는 산소공공의 감소로 감소하면서 400 W일 때 6.97 × 1018cm−3로 가장 적은 값을 보인 후 500 W에서 과잉된 Zn의 영향으로 다시 증가하였다.
- ZnO 박막의 전기전도형은 n형이었고, 전자농도는 RF 출력이 증가함에 따라 전기전도 메커니즘으로 작용하는 산소공공의 감소로 감소하면서 400 W일 때 6.97 × 1018cm−3로 가장 적은 값을 보인 후 500 W에서 과잉된 Zn의 영향으로 다시 증가하였다.
- 0 × 10−5mA로 측정되었다. 그리고 EL 스펙트럼이 p-GaN 내의 Mg과 연관된 435 nm 부근에서 검출되면서 발광강도는 감소되었고, 광-전류특성으로부터 최대 발광강도의 전류값은 낮아졌으며 L~Im 의 관계로부터 기울기 m은 1.07에서 0.83으로 변화하였고 일정한 경향을 보이지 않았다. 이와 같이 RF 출력이 변화함에 따라 ZnO 박막이 가지는 구조적, 전기적, 광학적 특성의 변화는 n-ZnO/p-GaN 이종접합 LED의 동작 특성에 밀접한 영향을 미치며, 본 실험에서는 200 W일 때 ZnO 박막이 가지는 특성이 가장 우수하였고, LED제작에 적용되었을 때에도 가장 우수한 동작특성을 나타냈다.
- 이와 같이 RF 출력이 변화함에 따라 ZnO 박막이 가지는 구조적, 전기적, 광학적 특성의 변화는 n-ZnO/p-GaN 이종접합 LED의 동작 특성에 밀접한 영향을 미치며, 본 실험에서는 200 W일 때 ZnO 박막이 가지는 특성이 가장 우수하였고, LED제작에 적용되었을 때에도 가장 우수한 동작특성을 나타냈다. 따라서 RF 스퍼터링법으로 n-ZnO/p-GaN 이종접합 LED를 제작하는데 있어 적정이상의 RF 출력은 LED의 동작 특성을 저하 시키는 것을 확인할 수 있었다.
- 17) 즉, RF 출력이 증가함에 따라 ZnO 박막내의 과잉된 Zn 원자들이 결함으로 존재하게 되어 반치폭이 증가하면서 에너지 밴드갭 내에 발광재결합으로 작용하는 얕은 에너지준위를 형성하여 에너지 갭이 작아지는 것이다. 따라서 RF 출력은 ZnO 박막의 PL 스펙트럼에 밀접한 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 이로부터 사파이어 기판위에 성장되어진 ZnO박막은 기판의 결정방향과 같은 C-축 방향으로 우선 배향되어 성장된 것으로 확인되었다. 또한, RF 출력이 증가할 수록 (0002)면에서 회절선의 강도는 감소하였으며,회절각이 낮아지는 쪽으로 이동하였다. 이는 표면의 형상과 박막 내의 응력으로 인한 격자의 압축 또는 팽창을 원인으로 볼 수 있다.
- 모든 ZnO 박막의 시편은 n형 전기전도도를 나타냈고, 전자농도는 RF 출력이 200 W일 때 2.84 × 1019 cm-3이었고, 400W일 때 6.97 × 1018 cm-3로 가장 적은 값을 보인 후 500W에서 1.59x1019cm-3로 다시 증가하였다.
- 모든 ZnO 박막의 시편은 n형 전기전도도를 나타냈고, 전자농도는 RF 출력이 200 W일 때 2.84 × 1019cm-3이었고, 400W일 때 6.97 × 1018cm-3로 가장 적은 값을 보인 후 500W에서 1.59x1019cm-3로 다시 증가하였다.
- 7은 RF 출력이 각각 (a) 200 W, (b) 300 W, (c) 400 W 및 (d) 500 W에서 제작되어진 p-n접합 다이오드의 전류변화에 따른 EL 스펙트럼과 발광 이미지를 나타낸 것이다. 모든 시편은 각각 2mA에서 20 mA로 전류를 주입시켰을 때 430 nm 파장 부근의 청색 발광이나타났고, RF 출력이 증가함에 따라 발광 강도는 감소하였다.
- 97로 다시 증가하였다. 이는 RF 출력이 증가하면서 성장된 ZnO 박막내의 구조적, 전기적 특성의 저하로 최대발광강도의 전류값은 감소하였고, 주입전류의 증가에 따라 발광강도는 RF 출력에 따른 각각의 기울기를 가지며 증가하다가 높은 전류밀도에서의 Auger recombination,저항성분 및 열에 의하여 발광강도가 포화되었으며,21) Fig. 4에 나타낸 바와 같이 운반자농도가 과잉된 Zn에 의하여 500 W에서 다시 증가하여 L~Im 그래프의 500 W에서 발광강도가 다시 증가하다 저항의 증가로 포화 된 것으로 여겨진다.
- 97로 다시 증가하였다. 이는 RF 출력이 증가하면서 성장된 ZnO 박막내의 구조적, 전기적 특성의 저하로 최대발광강도의 전류값은 감소하였고, 주입전류의 증가에 따라 발광강도는 RF 출력에 따른 각각의 기울기를 가지며 증가하다가 높은 전류밀도에서의 Auger recombination,저항성분 및 열에 의하여 발광강도가 포화되었으며,21) Fig. 4에 나타낸 바와 같이 운반자농도가 과잉된 Zn에 의하여 500 W에서 다시 증가하여 L~Im 그래프의 500 W에서 발광강도가 다시 증가하다 저항의 증가로 포화 된 것으로 여겨진다.
- 83으로 변화하였고 일정한 경향을 보이지 않았다. 이와 같이 RF 출력이 변화함에 따라 ZnO 박막이 가지는 구조적, 전기적, 광학적 특성의 변화는 n-ZnO/p-GaN 이종접합 LED의 동작 특성에 밀접한 영향을 미치며, 본 실험에서는 200 W일 때 ZnO 박막이 가지는 특성이 가장 우수하였고, LED제작에 적용되었을 때에도 가장 우수한 동작특성을 나타냈다. 따라서 RF 스퍼터링법으로 n-ZnO/p-GaN 이종접합 LED를 제작하는데 있어 적정이상의 RF 출력은 LED의 동작 특성을 저하 시키는 것을 확인할 수 있었다.
- RF 출력을 달리하여 성장된 ZnO의 표면 거칠기는 400 W까지 증가하다가 500 W에서 감소하면서 결정립의 크기는 불균일해졌다. 한편, X선 회절패턴에 의하여 ZnO 박막은 c-축 면 방향인 (0002)면으로 우선 배향되어 성장되었고, RF 출력이 증가함에 따라 격자 내에 압축응력이 증가하여 회절각이 낮은 각으로 이동하였으며, c-축의 격자상수는 증가하였다. ZnO 박막의 전기전도형은 n형 이었고, 전자농도는 RF 출력이 증가함에 따라 전기전도 메커니즘으로 작용하는 산소공공의 감소로 감소하면서 400 W일 때 6.
- RF 출력을 달리하여 성장된 ZnO의 표면 거칠기는 400 W까지 증가하다가 500 W에서 감소하면서 결정립의 크기는 불균일해졌다. 한편, X선 회절패턴에 의하여 ZnO 박막은 c-축 면 방향인 (0002)면으로 우선 배향되어 성장되었고, RF 출력이 증가함에 따라 격자 내에 압축응력이 증가하여 회절각이 낮은 각으로 이동하였으며, c-축의 격자상수는 증가하였다. ZnO 박막의 전기전도형은 n형 이었고, 전자농도는 RF 출력이 증가함에 따라 전기전도 메커니즘으로 작용하는 산소공공의 감소로 감소하면서 400 W일 때 6.
- 한편, 반치폭은 200 W에서 0.26°로 가장 작은 값을 가지며 300 W까지0.29o로 증가하다가 감소하였고, 미소결정립의 크기는 200 W에서 33.0 nm로 가장 큰 값을 가지며 300 W까지 30.3 nm로 감소하다가 증가하였다.
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