ZnO with wurtzite structure has a wide band gap of 3.37 eV. Because ZnO has a direct band gap and a large exciton binding energy, it has higher optical efficiency and thermal stability than the GaN material of blue light emitting devices. To fabricate ZnO devices with optical and thermal advantages,...
ZnO with wurtzite structure has a wide band gap of 3.37 eV. Because ZnO has a direct band gap and a large exciton binding energy, it has higher optical efficiency and thermal stability than the GaN material of blue light emitting devices. To fabricate ZnO devices with optical and thermal advantages, n-type and p-type doping are needed. Many research groups have devoted themselves to fabricating stable p-type ZnO. In this study, $As^+$ ion was implanted using an ion implanter to fabricate p-type ZnO. After the ion implant, rapid thermal annealing (RTA) was conducted to activate the arsenic dopants. First, the structural and optical properties of the ZnO thin films were investigated for as-grown, as-implanted, and annealed ZnO using FE-SEM, XRD, and PL, respectively. Then, the structural, optical, and electrical properties of the ZnO thin films, depending on the As ion dose variation and the RTA temperatures, were analyzed using the same methods. In our experiment, p-type ZnO thin films with a hole concentration of $1.263{\times}10^{18}cm^{-3}$ were obtained when the dose of $5{\times}10^{14}$ As $ions/cm^2$ was implanted and the RTA was conducted at $850^{\circ}C$ for 1 min.
ZnO with wurtzite structure has a wide band gap of 3.37 eV. Because ZnO has a direct band gap and a large exciton binding energy, it has higher optical efficiency and thermal stability than the GaN material of blue light emitting devices. To fabricate ZnO devices with optical and thermal advantages, n-type and p-type doping are needed. Many research groups have devoted themselves to fabricating stable p-type ZnO. In this study, $As^+$ ion was implanted using an ion implanter to fabricate p-type ZnO. After the ion implant, rapid thermal annealing (RTA) was conducted to activate the arsenic dopants. First, the structural and optical properties of the ZnO thin films were investigated for as-grown, as-implanted, and annealed ZnO using FE-SEM, XRD, and PL, respectively. Then, the structural, optical, and electrical properties of the ZnO thin films, depending on the As ion dose variation and the RTA temperatures, were analyzed using the same methods. In our experiment, p-type ZnO thin films with a hole concentration of $1.263{\times}10^{18}cm^{-3}$ were obtained when the dose of $5{\times}10^{14}$ As $ions/cm^2$ was implanted and the RTA was conducted at $850^{\circ}C$ for 1 min.
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제안 방법
15406 nm의 Cu-K alpha 선을 사용하였다(SWXD X-MAX/2000-PC, Rigaku). Photoluminescence (PL)를 이용하여 ZnO의 불순물의 에너지 준위를 분석하고자 하였다. 광원은 325nm He-Cd laser를 이용하였으며 시편의 PL 분석은 모두 저온(13 K)에서 이루어졌다.
As이 도핑된 ZnO 박막의 표면 변화를 관찰하기 위해 전계방사형 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscopy, FE-SEM)을 사용하였다. ZnO 박막의 이온 주입 및 열처리에 따른 결정의 변화를 확인하기 위해 X-선 회절 패턴(X-ray diffraction pattern) 분석을 실시하였다. θ-2θ 방식을 이용하였으며 0.
각각 5 × 1014, 1 × 1015, 5 × 1015cm−2 의 이온 도즈(ion dose)를 주입하였다.
본 연구에서는 PLD 방법으로 성장된 ZnO 박막에 이온 주입법을 이용하여 As+ 주입하였다. 그리고 주입된 As+를 활성화시키기 위해 급속 열처리(rapid thermal annealing, RTA)를 실시하였다.
본 논문에서는 PLD에 의해 성장된 ZnO 박막에 이온주입법을 이용하여 As+ 이온을 주입하였고 급속 열처리를 실시하여 p-type ZnO 박막을 제조하였다. 주입된 As+의 도즈가 증가할수록 표면 데미지가 증가하는 것으로 나타났다.
이온 주입에 의한 구조적 결함의 회복 및 주입된 이온의 활성화를 위해 750-950 ℃에서 급속 열처리를 실시하였다. 산소 분위기에서 열처리하기 위해 챔버에 산소를 공급하여 내부 압력을 400 mTorr로 유지하면서 열처리 온도(750-950 ℃) 까지 1분 동안 가열하였고, 1분 동안 그 온도를 유지하여 열처리를 실시하였다.
각각 5 × 1014, 1 × 1015, 5 × 1015cm−2 의 이온 도즈(ion dose)를 주입하였다. 이온 주입에 의한 구조적 결함의 회복 및 주입된 이온의 활성화를 위해 750-950 ℃에서 급속 열처리를 실시하였다. 산소 분위기에서 열처리하기 위해 챔버에 산소를 공급하여 내부 압력을 400 mTorr로 유지하면서 열처리 온도(750-950 ℃) 까지 1분 동안 가열하였고, 1분 동안 그 온도를 유지하여 열처리를 실시하였다.
torr, 성장 압력 1-100 mtorr, 성장 온도 300K의 조건에서 합성되었다. 합성된 ZnO 박막에As 도핑을 위해 midium-current 이온주입기를 이용하여 75As+ 이온을 주입하였다. 각각 5 × 1014, 1 × 1015, 5 × 1015cm−2 의 이온 도즈(ion dose)를 주입하였다.
대상 데이터
Photoluminescence (PL)를 이용하여 ZnO의 불순물의 에너지 준위를 분석하고자 하였다. 광원은 325nm He-Cd laser를 이용하였으며 시편의 PL 분석은 모두 저온(13 K)에서 이루어졌다. Hall 측정 장비(ACCENT, L5500PC model)를 사용하여 As이 도핑된 ZnO의 전기적 특성을 van der Pauw 법을 이용하여 운반자의 종류와 그 농도를 분석하였다.
본 실험에 사용된 ZnO 박막은 펄스레이저 증착법에 의하여 베이스프레셔(base pressure) 10−6 torr, 성장 압력 1-100 mtorr, 성장 온도 300K의 조건에서 합성되었다.
이론/모형
As이 도핑된 ZnO 박막의 표면 변화를 관찰하기 위해 전계방사형 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscopy, FE-SEM)을 사용하였다. ZnO 박막의 이온 주입 및 열처리에 따른 결정의 변화를 확인하기 위해 X-선 회절 패턴(X-ray diffraction pattern) 분석을 실시하였다.
광원은 325nm He-Cd laser를 이용하였으며 시편의 PL 분석은 모두 저온(13 K)에서 이루어졌다. Hall 측정 장비(ACCENT, L5500PC model)를 사용하여 As이 도핑된 ZnO의 전기적 특성을 van der Pauw 법을 이용하여 운반자의 종류와 그 농도를 분석하였다.
15) 그러므로 이온 주입법을 이용하여 도핑을 시도하면 충분히 p형 ZnO의 제조가 가능하다고 판단된다. 본 연구에서는 PLD 방법으로 성장된 ZnO 박막에 이온 주입법을 이용하여 As+ 주입하였다. 그리고 주입된 As+를 활성화시키기 위해 급속 열처리(rapid thermal annealing, RTA)를 실시하였다.
성능/효과
Fig. 6(b) 열처리 후 주입된 도즈에 관계없이 3.353, 3.296 eV의 피크가 확인되었다. 3.
11) 본 실험에서 제조된 As 도핑된 ZnO의 홀 농도를 단위 부피가 아닌 단위 면적으로 환산하여 비교해보면 3.7 × 1013 cm−2로 약간 더 큰 홀 농도를 보였다.
12) p형 ZnO 제조를 위해 주로 N+, As+ 이온을 주입하여 도핑을 시도했었다.11,13,14) 이온 주입법으로 N을 도핑한 ZnO의 경우 홀의 농도가 ~1017 cm−3으로 보고되었다.
0 eV 근처의 PL 강도가 덜 감소한 것이라고 할 수 있다.17) 반면에 950 ℃에서 열처리한 경우 데미지는 대부분 회복되었으나 2.5 eV에서 넓은 범위의 피크는 photon energy가 감소하는 방향으로 이동했다. 이는 더 많은 열에 의해 ZnO에 결합되어 있던 산소의 결합이 파괴되어 VO가 형성되었기 때문이다.
5 eV 부근에서 넓은 영역의 피크가 관찰되며 이는 억셉터 역할을 하는 VZn의 피크와 일치한다.21) 이온 주입량이 증가할수록 약 2 eV 부근의 피크가 증가하는데 이는 주입된 이온에 의해 감소한 c-축 방향의 규칙성이 완벽히 회복되지 않은 것으로 판단된다.
1-3) ZnO는 성장 시 산소 공공(oxygen vacancy)이나 침입형 아연(Zn interstitial)에 의한 결함으로 인해 자체적으로 n형 반도체의 특성을 띄게 된다.4) P형 도핑 시 n형 특성에 의한 자체보상(selfcompensation) 효과, 억셉터들의 높은 활성화 에너지 그리고 억셉터 도펀트들의 낮은 용해도 때문에 재현성 있는 ZnO의 소자의 제조가 어렵다. 현재까지 1족, 4족, 5족 원소들을 이용하여 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition, PLD), 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE), 화학기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 스퍼터링(sputtering), 졸-겔(sol-gel), 수열합성(hydrothermal synthesis), 이온 주입법(ion implantation) 등과 같은 다양한 방법으로 p형 ZnO의 제작이 시도되고 있다.
4 eV에서 PL 피크가 나타났다. As가 도핑된 ZnO도 이 영역에서 피크가 나타난 것으로 보아 열처리 후 결정성이 회복된 것이 확인되었다. 도핑되지 않은 ZnO 박막과 달리 As이 도팡된 ZnO에서는 약 3.
또한, 도즈가 증가할수록 열처리 후 (0002) 피크의 강도가 감소하고, 반가폭이 증가하는 경향을 나타냈다. PL 분석 결과 이온 주입 후 어닐링한 모든 시편에서 As이 활성화되어 도핑된 것을 확인할 수 있었다. 열처리 온도에 따른 특성을 확인해보면 온도가 증가할수록 (0002) 피크의 2θ 값과 강도는 증가하였으며, 반가폭은 감소하였다.
그러므로 열처리 온도가 높을수록 더 많은 구조적 회복이 일어난 것을 알 수 있다. PL 분석 결과를 850 ℃에서 열처리한 경우를 제외하고 2.0 eV 영역의 피크 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 이는 보상도핑이 덜 이루어졌거나 높은 열에 의해 VO의 양이 증가한 결과라고 사료된다. 오직 5 × 1014 cm−2의 이온을 주입했을 때 2.
3(a)에 나타냈다. PLD에 의해 성장한 ZnO 박막은 모든 조건에서 (0002) 피크의 강도가 매우 크게 나타났으며 본 실험 조건에서 ZnO의 c축 배향성이 높은 것이 확인되었다. Fig.
결과적으로 5 × 1014 cm−2의 도즈를 주입하고, 850 ℃에서 1분 동안 급속 열처리했을 때 1.162 × 1018 cm−3의 홀 농도를 갖는 p형 ZnO를 제조할 수 있었다.
23으로 RTA 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 그러므로 열처리 온도가 증가하면 이온 주입에 의해 형성된 결함들이 더 많이 회복되어 박막의 품질이 우수해지는 것을 확인할 수 있었다.
열처리에 의해 주입된 이온에 의해 발생된 구조적 결함이 회복되는 과정에서 표면이 변한 것이라 생각된다. 도즈가 증가할수록 ZnO 박막 표면에 더 많은 구조적 결함이 발생한 것이 확인되었다. 주입된 도즈와 RTA온도 조건에 따른 시편의 명칭은 Table 1에 나타냈다.
6(a)는 주입된 As 도즈에 따른 PL 분석 결과이다. 도즈에 상관없이 열처리 후 3.2~3.4 eV에서 피크가 관찰된 것으로 보아 결정성이 회복된 것을 알 수 있다. Fig.
As가 도핑된 ZnO도 이 영역에서 피크가 나타난 것으로 보아 열처리 후 결정성이 회복된 것이 확인되었다. 도핑되지 않은 ZnO 박막과 달리 As이 도팡된 ZnO에서는 약 3.2 eV 이하의 구간에서 PL 피크가 넓은 영역으로 나타났다. 이러한 결과는 As 도핑에 의한 결과로 사료된다.
61°와 거의 유사한 값을 보였다. 또, FWHM은 0.33, 0.25, 0.23으로 RTA 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 그러므로 열처리 온도가 증가하면 이온 주입에 의해 형성된 결함들이 더 많이 회복되어 박막의 품질이 우수해지는 것을 확인할 수 있었다.
어닐링 후 결정성이 일부 회복되면서 피크의 강도가 다시 증가하고, 반가폭이 감소하는 경향을 보였다. 또한, 도즈가 증가할수록 열처리 후 (0002) 피크의 강도가 감소하고, 반가폭이 증가하는 경향을 나타냈다. PL 분석 결과 이온 주입 후 어닐링한 모든 시편에서 As이 활성화되어 도핑된 것을 확인할 수 있었다.
열처리 온도에 따른 운반자 종류 및 농도를 확인하면 오직 850 ℃에서 열처리 했을 때만 p형 특성을 보였으며 750, 950 ℃에서 어닐링한 경우 n형 특성을 나타냈다. 750 ℃에서 어닐링한 경우 1.
열처리 온도에 따른 특성을 확인해보면 온도가 증가할수록 (0002) 피크의 2θ 값과 강도는 증가하였으며, 반가폭은 감소하였다.
4에 나타냈다. 열처리 후 (0002) 피크는 열처리 전에 비해 강도가 증가하였으며, 온도가 증가할수록 (0002) 피크의 강도가 점점 더 큰 값을 보였다. 2θ 값은 750 ℃일 때 34.
25° 로 이온 주입 후 증가했다가 열처리 후 감소하였다. 이온 주입 공정에 의해 감소되었던 결정성이 열처리 후 회복되었기 때문이며, 본 실험의 경우 심지어 이온 주입 전보다 향상된 것을 확인할 수 있다.16) 즉, 본 실험 조건으로부터 성장한 ZnO는 결정성이 높지 않은 것을 알 수 있다.
이온 주입 없이 열처리한 ZnO 박막의 반가폭은 0.24° 보다 모두 큰 값을 지닌 것으로 보아 이온 도즈가 증가할수록 ZnO의 주입된 이온에 의한 구조적 결함이 증가하여 동일한 열처리 조건에서 그 차이 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
주입된 As+의 도즈가 증가할수록 표면 데미지가 증가하는 것으로 나타났다. 이온 주입 후 주입된 As+ 이온으로부터 발생한 구조적 결함에 의해 ZnO (0002) XRD 피크의 강도는 감소하였고, 반가폭은 증가하였다. 어닐링 후 결정성이 일부 회복되면서 피크의 강도가 다시 증가하고, 반가폭이 감소하는 경향을 보였다.
162 × 1018 cm−3의 운반자 농도를 보이며 모두 n형 특성을 나타냈다. 이온 주입량이 증가할수록 n형 운반자의 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 이온 주입량이 많을수록 ZnO 박막 내부에 더 많은 결함이 발생하며 이것을 회복하기 위해 더 많은 에너지가 필요하기 때문인 것으로 판단된다.
5에 나타냈다. 이온주입 전 ZnO 박막은 photon energy가 작아질수록 PL강도가 점점 증가하는 것으로 확인되었다. 이러한 이유는 c-축 방향의 규칙성이 나쁘기 때문에 나타나는 결과이며, 이는 Fig.
이온을 주입하였고 급속 열처리를 실시하여 p-type ZnO 박막을 제조하였다. 주입된 As+의 도즈가 증가할수록 표면 데미지가 증가하는 것으로 나타났다. 이온 주입 후 주입된 As+ 이온으로부터 발생한 구조적 결함에 의해 ZnO (0002) XRD 피크의 강도는 감소하였고, 반가폭은 증가하였다.
주입된 이온 도즈에 따른 결과를 분석해보면 Fig. 3에서 볼 수 있듯이 도즈가 5 × 1014, 1 × 1015, 5 × 1015 cm−2로 증가할수록 (0002) 피크의 강도는 감소하였으며, 반가폭은 0.25, 0.26, 0.3°로 소폭 증가하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
p형 ZnO의 제작 방법은?
4) P형 도핑 시 n형 특성에 의한 자체보상(selfcompensation) 효과, 억셉터들의 높은 활성화 에너지 그리고 억셉터 도펀트들의 낮은 용해도 때문에 재현성 있는 ZnO의 소자의 제조가 어렵다. 현재까지 1족, 4족, 5족 원소들을 이용하여 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition, PLD), 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE), 화학기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 스퍼터링(sputtering), 졸-겔(sol-gel), 수열합성(hydrothermal synthesis), 이온 주입법(ion implantation) 등과 같은 다양한 방법으로 p형 ZnO의 제작이 시도되고 있다.5-11)
ZnO이 자외선 및 청색 영역의 발광소자 재료로 매우 유망한 물질인 이유는?
우르짜이트(wrutzite) 구조의 ZnO는 3.37 eV의 직접천이형 밴드갭(direct bandgap), 상온의 열에너지 25 meV보다 큰 60 meV의 엑시톤 결합에너지(exciton binding energy)를 갖고 있기 때문에 자외선 및 청색 영역의 발광소자 재료로 매우 유망한 물질이다. 또 낮은 문턱 전압을 갖고 있기 때문에 열적 안정성이 우수하여 소자의 수명을 증가시키게 된다.
ZnO 제조를 위해 p형 도핑 시 재현성 있는 소자의 제조가 어려운 이유는?
1-3) ZnO는 성장 시 산소 공공(oxygen vacancy)이나 침입형 아연(Zn interstitial)에 의한 결함으로 인해 자체적으로 n형 반도체의 특성을 띄게 된다.4) P형 도핑 시 n형 특성에 의한 자체보상(selfcompensation) 효과, 억셉터들의 높은 활성화 에너지 그리고 억셉터 도펀트들의 낮은 용해도 때문에 재현성 있는 ZnO의 소자의 제조가 어렵다. 현재까지 1족, 4족, 5족 원소들을 이용하여 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition, PLD), 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE), 화학기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 스퍼터링(sputtering), 졸-겔(sol-gel), 수열합성(hydrothermal synthesis), 이온 주입법(ion implantation) 등과 같은 다양한 방법으로 p형 ZnO의 제작이 시도되고 있다.
참고문헌 (21)
T. Atsushi, K. Masashi, O. Akira, O. Takeyoshi, O. Keita, O. Hideo, F. C. Shigefusa and K. Masashi, Jpn. J. Appl. Phys., 44, L643 (2005).
Y. F. Hsu, Y. Y. Xi, K. H. Tam, A. B. Djurisi , J. Luo, C. C. Ling, C. K. Cheung, A. M. C. Ng, W. K. Chan, X. Deng, C. D. Beling, S. Fung, K. W. Cheah, P. W. K. Fong and C. C. Surya, Adv. Funct. Mater., 18, 1020 (2008).
Q. L. Gu, C. C. Ling, G. Brauer, W. Anwand, W. Skorupa, Y. F. Hsu, A. B. Djurisi , C. Y. Zhu, S. Fung and L. W. Lu, Appl. Phys. Lett., 92, 222109 (2008).
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