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이온 주입법을 이용한 ZnO 박막의 As 도핑
Arsenic Doping of ZnO Thin Films by Ion Implantation 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.26 no.6, 2016년, pp.347 - 352  

최진석 (금오공과대학교 신소재공학부) ,  안성진 (금오공과대학교 신소재공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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,...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (21)

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  12. J. C. Fan, K. M. Sreekanth, Z. Xie, S. L. Chang and K. V. Rao, Prog. Mater Sci., 58, 874 (2013). 

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  17. G. Manabu, O. Naoko, O. Kenichi and K. Mikio, Jpn. J. Appl. Phys., 42, 481 (2003). 

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  19. W. Lee, M.-C. Jeong and J.-M. Myoung, Appl. Phys. Lett., 85, 6167 (2004). 

  20. T. S. Jeong, M. S. Han, C. J. Youn and Y. S. Park, J. Appl. Phys., 96, 175 (2004). 

  21. U. Ilyas, R. S. Rawat, T. L. Tan, P. Lee, R. Chen, H. D. Sun, L. Fengji and S. Zhang, J. Appl. Phys. 110, 093522 (2011). 

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