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문제 정의
- (GZO) 투명 전도 박막들을 대향 타겟식 스퍼터 공정에 의해서 제작하였으며, 이들 박막들의 전기적 특성과 광학적 특성 그리고 구조적 특성들이 조사하였다. 특히, 기판온도가 GZO 박막들의 전기적 특성에 미치는 영향을 GZO 박막의 구조적 변화와 연계하여 조사함으로써 투명전도성 GZO 박막의 최적 공정 조건을 제시하고, GZO 박막이 기존의 ITO 박막을 대체할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다.
제안 방법
- Spectrophotometer (Shimadzu, Japan)를 사용해 250∼1,000 nm 파장 범위에서 광투과도를 측정하고, 이로부터 광학적 밴드갭 (optical band gap)을 계산하였다.
- Spectrophotometer (Shimadzu, Japan)를 사용해 250∼1,000 nm 파장 범위에서 광투과도를 측정하고, 이로부터 광학적 밴드갭 (optical band gap)을 계산하였다. 그리고 박막들의 결정성과 표면 미세구조 분석으로는 각각 XRD (X-ray diffraction, Rikagu, Japan)에 의한 회절 패턴과 AFM (atomic forced microscope, Digital Instrument Co.) 이미지와 SEM (scanning electromocroscopy, Hitachi, Japan) 이미지를 관측하였다. 성막된 GZO 박막들의 두께 측정은 α-step (VEECO Co.
- 열처리된 혼합분말은 다시 핸드밀과 볼밀 방법으로 24시간 동안 교반 및 분쇄 작업을 반복하고, 1,200 kg ∙ weight/cm2의 압력으로 두께 5 mm 지름 3인치의 원형 디스크 형태로 압착한 후에 250℃와 500℃에서 각각 1시간 씩 소결 과정을 거쳐 고형화하였다. 기판으로는 유리 (soda lime glass)를 사용하였으며, 박리, 핀홀 등의 현상과 막의 부착성 저하의 요인이 되는 불순물을 제거하기 위하여 알코올 증류수에 의한 열 세척과 초음파 세척을 반복하였다. 세척한 기판은 마주하고 있는 두 타겟과 수직한 방향에 있는 기판 홀더에 장착하였다.
- 본 연구는 대향 타겟식 스퍼터링 방법을 사용하여 Ga2O3가 도핑된 ZnO(GZO) 박막의 전기적, 구조적 및 광학적 특성을 분석하였다. Ga2O3 농도가 7 wt%일 때 가장 우수한 전기 전도성을 나타내었으며, 광투과도 또한 가시광 영역에서 평균 83% 이상의 우수한 광학적 특성을 가지는 걸로 확인되었다.
- 본 연구에서는 ZnO를 기반으로 하여 Ga이 도핑된 (Ga2O3)x(ZnO)100-x (GZO) 투명 전도 박막들을 대향 타겟식 스퍼터 공정에 의해서 제작하였으며, 이들 박막들의 전기적 특성과 광학적 특성 그리고 구조적 특성들이 조사하였다. 특히, 기판온도가 GZO 박막들의 전기적 특성에 미치는 영향을 GZO 박막의 구조적 변화와 연계하여 조사함으로써 투명전도성 GZO 박막의 최적 공정 조건을 제시하고, GZO 박막이 기존의 ITO 박막을 대체할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다.
- %)의 다양한 성분을 갖도록 혼합하였으며, 이 혼합된 분말들 상에서 습기를 제거하기 위하여 진공 오븐을 사용하여 150℃에서 30분 동안 열처리한 후 볼밀 (ball mill)에 의해 2시간 동안 혼합한 후 600℃에서 60분 동안 다시 열처리하였다. 열처리된 혼합분말은 다시 핸드밀과 볼밀 방법으로 24시간 동안 교반 및 분쇄 작업을 반복하고, 1,200 kg ∙ weight/cm2의 압력으로 두께 5 mm 지름 3인치의 원형 디스크 형태로 압착한 후에 250℃와 500℃에서 각각 1시간 씩 소결 과정을 거쳐 고형화하였다. 기판으로는 유리 (soda lime glass)를 사용하였으며, 박리, 핀홀 등의 현상과 막의 부착성 저하의 요인이 되는 불순물을 제거하기 위하여 알코올 증류수에 의한 열 세척과 초음파 세척을 반복하였다.
- 세척한 기판은 마주하고 있는 두 타겟과 수직한 방향에 있는 기판 홀더에 장착하였다. 이 때 T-S와 T-T는 각각 90 mm와 120 mm를 유지하였으며, 타겟 표면의 불순물과 산화층을 제거하기 위하여 매 증착 시 40 sccm의 Ar 가스를 유입하여 10분 동안 pre 스퍼터링을 실시하였다. 쳄버 내의 초기 진공도는 10-5 Torr이었으며, 활성화 가스로는 Ar 가스를 유입시켜 진공도를 2×10-3 Torr로 일정하게 유지하면서 증착을 시작하였다.
- 그리고 기판의 온도를 조절할 수 있도록 카본 히터를 기판 뒤에 부착하였다. 전원공급 장치로는 pulsed DC를 사용하여 bipolar, unipolar, DC 모두 사용할 수 있도록 설계하였다.
- 플라즈마용 활성화 가스는 Ar을 그리고 반응용 가스로는 산소 또는 질소를 미세유량 자동조절 밸브 (mass flow-controller, MFC)를 사용하여 gas의 양을 0∼200 sccm까지 조절이 가능하도록 하였다.
- 한편, 본 연구에서는 GZO 박막의 전기적 특성을 향상시키기 위하여 전기전도성이 가장 우수한 (Ga2O3)x(ZnO)100-x(x= 7) 타겟을 선택하여 기판온도를 달리하여 박막을 제작하였다. 이들 박막들의 면저항을 두께의 함수로 조사하여 그 결과를 그림 5에 나타내었다.
대상 데이터
- GZO 박막을 제작하기 위한 스퍼터용 타겟은 일본 고순도사의 4N(99.99%)분말을 사용하여 (Ga2O3)x(ZnO)100-x, (x= 3, 5, 7, 9 wt.%)의 다양한 성분을 갖도록 혼합하였으며, 이 혼합된 분말들 상에서 습기를 제거하기 위하여 진공 오븐을 사용하여 150℃에서 30분 동안 열처리한 후 볼밀 (ball mill)에 의해 2시간 동안 혼합한 후 600℃에서 60분 동안 다시 열처리하였다. 열처리된 혼합분말은 다시 핸드밀과 볼밀 방법으로 24시간 동안 교반 및 분쇄 작업을 반복하고, 1,200 kg ∙ weight/cm2의 압력으로 두께 5 mm 지름 3인치의 원형 디스크 형태로 압착한 후에 250℃와 500℃에서 각각 1시간 씩 소결 과정을 거쳐 고형화하였다.
- 모든 박막들은 순수한 Ar 분위기에서 100 nm∼500 nm 범위의 두께를 갖도록 제작하였다.
이론/모형
- 증착된 박막들에 대한 전기적 특성으로는 Lonesta-EP 장치 (Mitubishi Chemical Co.)를 사용해 4-point probe 법에 의한 면저항 (sheet resistance)을 박막 두께와 기판 온도 도핑량의 함수로 측정하였으며, Van der paw 방법을 이용한 Hall effect 측정으로부터 GZO 박막의 이동도와 캐리어 농도를 분석하였다.
성능/효과
- 가 도핑된 ZnO(GZO) 박막의 전기적, 구조적 및 광학적 특성을 분석하였다. Ga2O3 농도가 7 wt%일 때 가장 우수한 전기 전도성을 나타내었으며, 광투과도 또한 가시광 영역에서 평균 83% 이상의 우수한 광학적 특성을 가지는 걸로 확인되었다. 특히, 박막 증착 시 기판 온도가 증가함에 따라 비저항이 크게 개선되는 것을 확인하였으며, 300℃의 기판 온도에서 제작된 박막에서 2.
- 성분에 따른 광 투과도의 변화를 나타낸 것이다. 각 박막들은 두께가 같기 때문에 가시광 영역에서 Bragg 반사에 의한 광투과율의 최대와 최소에 의한 진동피크들이 거의 비슷한 것을 보여주며, 가시광 영역에서 평균 투과율이 약 83% 이상의 매우 우수한 광 투과 특성을 보여주고 있다. 광 투과도 스펙트럼의 흡수단 (absorption edge) 영역에서의 광 투과율 (T)는 식 (6)과 같이 주어진다.
- 그림 6(a)는 기판온도를 달리하여 제작된 300 nm의 두께를 갖는 GZO 박막들의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 기판온도가 증가할수록 결정립이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 크기 또한 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 다양한 공정 특성을 조사하기 위해 타겟과 타겟 (T-T) 그리고 타겟과 기판 (T-S) 사이의 거리를 자유롭게 변화시킬 수 있도록 설계하였으며, T-T와 T-S에 대한 정의를 그림 1(d)에 나타내었다. 다양한 공정을 통해서 본 장치의 최적 증착 조건은 T-T와 T-S가 각각 120 mm와 90 mm인 경우로 확인되었으며, 모든 GZO 박막들은 이 최적 조건에서 제작되었다.
- 또한 Hall 효과 측정 결과, 기판의 온도에 따른 박막들의 캐리어 농도와 이동도의 결과 (그림 5(b))에서 확인할 수 있듯이 기판의 온도가 300℃인 박막에서 가장 높은 캐리어 농도 (1.79×1020 cm-3)와 이동도 (81.5 cm2/Vsec)를 갖는 것으로 확인되었다.
- 따라서 그림 2에서 보다시피 GZO 박막의 면저항은 두께가 증가할수록 현저하게 감소한다. 모든 두께에 대해서 Ga2O3의 도핑량이 증가할수록 면저항이 감소하여, x= 7 wt.%일 때 가장 은 면저항을 나타낸다.
- %일 때 도핑량이 증가함에 따라 캐리어 농도와 이동도가 함께 증가하는 것을 볼 수 있다. 이 결과는 앞에서 설명한 도핑량 증가에 따른 광학적 밴드갭의 증가가 캐리어 농도 증가로서 설명된 Burnstine Moss 효과 일치하는 것을 보여 준다. 그러나 9 wt.
- 기판 온도가 증가할수록 비저항이 현저하게 감소한다. 이러한 결과는 SEM을 측정한 결과 온도가 높아짐에 따라 GZO박막의 결정립 (grain)의 크기가 가장 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 300℃의 기판에서 성막된 GZO 박막의 비저항은 2.
- Ga2O3 농도가 7 wt%일 때 가장 우수한 전기 전도성을 나타내었으며, 광투과도 또한 가시광 영역에서 평균 83% 이상의 우수한 광학적 특성을 가지는 걸로 확인되었다. 특히, 박막 증착 시 기판 온도가 증가함에 따라 비저항이 크게 개선되는 것을 확인하였으며, 300℃의 기판 온도에서 제작된 박막에서 2.8 × 10-4Ω ∙ cm의 가장 우수한 비저항을 얻을 수 있었다.
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