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문제 정의
- 0 nm로 O2의 혼합양이 증가함에 따라 결정립의 크기가 감소하였다. 또한 X선 회절 피크의 이동은 Si 기판과 ZnO 사이에 응력이 존재하고 있음을 의미하며,2,11) 이에 대해서는 보다 자세한 연구를 통해 보고할 것이다. 이로부터 본 논문에서와 같이 ZnO 박막을 성장시킬 때 Zn와 O의 결합을 제어하기 위해 플라즈마 가스에 O2를 혼합하는 경우 결정의 품질을 향상시키기 위한 별도의 방법을 모색하여야 할 필요가 있음을 알 수 있었다.
- /Ar 혼합 비율을 서로 달리하여 100 nm의 두께로 ZnO를 성장시켰다. 박막의 성장 조건이 ZnO의 구조적 특성에 미치는 영향을 조사하였고, 그에 따른 광학적 특성과의 관계를 알아보았다. 또한 최적의 조건에서 성장된 ZnO 박막을 이용하여 광식각 공정으로 n-ZnO/p-Si 이종접합 다이오드를 제작하고 바이어스 전압에 따른 전류-전압 특성과 광응답 특성을 조사하였다.
- 본 연구에서는 RF 스퍼터링 방법으로 Si 기판 위에 100 nm의 두께로 성장시켜 ZnO의 특성과 n-ZnO/p-Si 이종접합 구조의 광응답 특성을 조사하였다.
제안 방법
- 0 × 10-3torr 로 유지하였다. Al이 증착된 시료를 lift-off 방법으로 감광제을 제거시켜 전면 전극을 형성하였다.
- ZnO의 결정구조는 CuKα1선을 사용하는 X선 회절분석기(XRD; D/MaX-2500U, Rigaku)로 분석하였다.
- n-ZnO/p-Si 이종접합 다이오드는 후면 전극에 실버 페 이스트를 도포해 소자 지지대에 부착시키고, 전면 전극에 Al 극세선을 인듐(In)으로 연결하여 제작하였다. 반도체 파라미터 분석기(HP4155B, Hewlett-Packard)를 이용하여 암실 상태와 0.
- ZnO의 결정구조는 CuKα1선을 사용하는 X선 회절분석기(XRD; D/MaX-2500U, Rigaku)로 분석하였다. 광학적 특성은 여기광원으로 광출력이 200 mW인 He-Cd 레이저를 사용하는 마이크로 광루미네센스(photoluminescence;PL) 분석장치(DW-100408, Dongwoo Optron)를 이용해 실온에서 측정하였다. 한편, 전기적 성질은 전기적 부도체인 사파이어 기판 위에 성장된 ZnO 박막을 van der Pauw법에 의한 홀효과를 측정해 알아보았다.
- 따라서 본 연구에서는 RF 스퍼터링 방법으로 p-Si(111) 기판의 온도와 O2/Ar 혼합 비율을 서로 달리하여 100 nm의 두께로 ZnO를 성장시켰다. 박막의 성장 조건이 ZnO의 구조적 특성에 미치는 영향을 조사하였고, 그에 따른 광학적 특성과의 관계를 알아보았다.
- 5 mW의 백색광 조사 상태에서 전류-전압 특성을 측정하였다. 또한 광출력이 0.04 mW인제논(Xe) 램프의 백색광을 40 Hz의 주기로 쵸핑하여 다이오드 표면에 수직으로 입사시키면서 오실로스코프에 연결해 신호의 변화를 관찰하였으며, 분광기를 이용해 파장에 따른 광응답 특성을 조사하였다.
- 박막의 성장 조건이 ZnO의 구조적 특성에 미치는 영향을 조사하였고, 그에 따른 광학적 특성과의 관계를 알아보았다. 또한 최적의 조건에서 성장된 ZnO 박막을 이용하여 광식각 공정으로 n-ZnO/p-Si 이종접합 다이오드를 제작하고 바이어스 전압에 따른 전류-전압 특성과 광응답 특성을 조사하였다.
- 먼저 6인치 크기의 Si 기판을 25 mm × 25 mm 크기로 절단하고 자연 산화막을 제거하기 위해 10 % HF 용액에 1분 동안 담근후 이온 정제수, 아세톤, 에탄올 순으로 각각 5분 동안 초음파 세척을 하고 질소 가스로 건조시켰다.
- n-ZnO/p-Si 이종접합 다이오드는 후면 전극에 실버 페 이스트를 도포해 소자 지지대에 부착시키고, 전면 전극에 Al 극세선을 인듐(In)으로 연결하여 제작하였다. 반도체 파라미터 분석기(HP4155B, Hewlett-Packard)를 이용하여 암실 상태와 0.5 mW의 백색광 조사 상태에서 전류-전압 특성을 측정하였다. 또한 광출력이 0.
- 성장된 ZnO 박막의 표면 상태를 전계방출형 주사전자 현미경(FE-SEM; SU5000, HITACHI)을 이용하여 관찰하였다. ZnO의 결정구조는 CuKα1선을 사용하는 X선 회절분석기(XRD; D/MaX-2500U, Rigaku)로 분석하였다.
- 후면 전극을 형성하기 위해 진공증착장치(DaON-1000TE, VTS) 의 기판 지지대에 세척된 p-Si 기판을 고정한 후 초기 진공도가 2.8 × 10-6torr에 도달할 때까지 배기시켰다.
대상 데이터
- ZnO 박막을 성장시키기 위해 전기 비저항이 10~15 Ω ·cm인 p-Si(111) 기판을 사용하였다.
- 사용된 ZnO 타겟(99.999 %)은 6 인치 크기로서 진공 챔버의 아래 부분에 위치하였으며, 기판에 대해 25° 기울여져 있고 기판과의 거리는 22 cm이었다.
이론/모형
- 광학적 특성은 여기광원으로 광출력이 200 mW인 He-Cd 레이저를 사용하는 마이크로 광루미네센스(photoluminescence;PL) 분석장치(DW-100408, Dongwoo Optron)를 이용해 실온에서 측정하였다. 한편, 전기적 성질은 전기적 부도체인 사파이어 기판 위에 성장된 ZnO 박막을 van der Pauw법에 의한 홀효과를 측정해 알아보았다.
성능/효과
- Sherrer식을 이용하여 회절선의 반치폭으로부터 결정립의 크기를 알 수 있다.10) 순수한 Ar 분위기에서 성장된 경우 결정립의 크기는 55.5 nm이었고, O2의 혼합 비율이 20 %일 때 50.5 nm, 80 %일 때 47.0 nm로 O2의 혼합양이 증가함에 따라 결정립의 크기가 감소하였다. 또한 X선 회절 피크의 이동은 Si 기판과 ZnO 사이에 응력이 존재하고 있음을 의미하며,2,11) 이에 대해서는 보다 자세한 연구를 통해 보고할 것이다.
- 14) 빛의 신호에 따라 전류 신호의 상승과감쇠 구간으로부터 구해진 상승 시간(τr)과 감쇠 시간(τd) 은 각각 0.5 msec와 0.4 msec로서 빛에 대해 매우 민감하게 동작하였다.
- 5) 특히 ZnO 분말의 (002) 회절선의 위치가 2θ = 34.43° 임을 고려하였을 때(JCPDS No. 36-1451), ZnO 박막의 (002)면에 의한 회절선 이외에 다른 회절선이 관찰되지 않은 사실로부터 본 연구에서 성장시킨 ZnO 박막은 결정성이 양호하고 불순물이 포함되지 않은 상태로 성장되었음을 알 수 있다.
- 자외 영역의 발광은 ZnO의 에너지갭 부근의 여기자(exciton)와 관련된 것이고, 가시광 영역에서의 발광은 ZnO의 산소 공공(VO), 침입형 Zn(Zn i ), 침입형 산소(Oi), Zn 공공(VZn) 등의 진성 점결함 뿐만 아니라 ZnO와 Si 경계면에 존재하는 포획준위와 결정립 경계 등계면 상태에 의해 형성된 깊은 준위들과 관련이 있다.7,12) 순수한 Ar 분위기에서 성장된 ZnO에서는 깊은 준위와관련된 발광이 거의 나타나지 않았으나 O2의 혼합비율이 증가함에 따라 깊은 준위와 관련된 발광이 현저하게 관찰되었다. 이와 같은 결과는 X선 회절선 반치폭의 변화와 잘 일치하는 경향으로서 결정의 불완전성과 광학적 성질은 밀접한 관계가 있음을 보여준다.
- 1은 기판 온도 400℃에서 p-Si(111) 기판 위에 O2의 혼합 비율 [O2/(O2+Ar)]을 각각 (a) 0 %, (b) 20 %, (c) 40 % 및 (d) 80 %로 달리하여 100 nm의 두께로 성장시킨 ZnO 박막의 표면을 FE-SEM으로 관찰한 사진이다. ZnO 박막의 표면은 균일한 크기를 갖는 작은 결정립들이 조밀하게 응집된 형태를 나타내었으며, O2의 혼합 비율이 증가함에 따라 결정립의 크기가 점차 작아지는 것을 알 수 있었다. Fig.
- 300nm 부근에서 광응답이 나타나는 것은 ZnO를 통과한 빛이 Si과의 경계면에서 흡수됨으로써 광-전자 쌍이 발생하여 광전류가 생성되기 때문이다. 광응답은 460 nm에서 최대값을 나타내었고 400 nm에서 800 nm의 파장 범위에서 약 70 % 이상의 광응답을 나타내었다.
- 1) 최근 들어 비교적 간단하고 저렴한 방법으로 ZnO 박막을 성장시키고자 하는 연구가 많이 이루어졌고, 이를 다양한 분야에 응용하고자 하는 노력이 있었다. 그 결과 ZnO 박막을 이용한 자외선(UV) 발광다이오드(LED)와 UV 수광소자 등이 실현 되었다.2-6)
- 7이었다. 따라서 본 연구에서 제작한 n-ZnO/p-Si 이종접합 다이오 드는 캐리어의 비복사 재결합 전류 성분이 지배적임을알 수 있다. 그 원인으로는 ZnO와 Si 기판 사이의 계면에 존재하는 SiO2 절연막, 결정 결함, 내부 응력, 결정립 계 등이 캐리어의 이동을 방해하는 요인으로 작용 하기 때문이다.
- 62 × 10-2mA로 증가하였다. 빛 조사에 따른 광기전력은 1.8 V이었고, 광전류의 상승 시간과 하강 시간은 각각 0.5 msec와 0.4 msec로서 빛에 대해 매우 민감하게 동작하였으며, 파장에 따른 광응답은 가시광 영역에서 70 % 이상 응답하였다.
- 빛을 조사시켰을 때 순방향 문턱 전압은 0.21 V 증가하였고, 역방향 전류는 7.62 × 10-2mA로 증가하였다.
- 빛을 쪼였을 때 순방향 문턱 전압은 암실 환경에 비해 0.21 V 증가하였고, 역방향 전류는 7.62 × 10-2mA로 증가하였다.
- 22이었다. 빛이 조사되는 동안 광 생성된 전자-정공 쌍이 전류에 기여하고, 빛이 차단된 상태에서는 다이오드의 전류가 감소하여 초기 값으로 복구되었다. n-ZnO/p-Si 이종접합 다이오드의 빛의 유무에 따른 전기 신호의 상승 시간과 하강 시간은 광전도 특성의 중요한 인자로서 ZnO 물질에 존재하는 비복사 재결합 중심에 의존한다.
- 우선 O2의 혼합 비율이 20 %인 조건에서 성장된 시료는 육방정계 구조를 갖는 ZnO의 c-축에 해당하는 (002) 면으로부터의 회절선이 34.5° 부근에서 강한 세기로 검출되었고, Si 기판의 (111)면에 의한 회절선이 28.55°에서 약하게 검출되었다.
- 한편, Fig. 2 안에 나타낸 것과 같이 O2의 혼합 비율이 증가함에 따라 (002)면으로부터의 회절선은 회절각 2θ 가 작아지는 방향으로 이동함과 동시에 반치폭이 증가 하는 경향을 보였다.
후속연구
- 또한 X선 회절 피크의 이동은 Si 기판과 ZnO 사이에 응력이 존재하고 있음을 의미하며,2,11) 이에 대해서는 보다 자세한 연구를 통해 보고할 것이다. 이로부터 본 논문에서와 같이 ZnO 박막을 성장시킬 때 Zn와 O의 결합을 제어하기 위해 플라즈마 가스에 O2를 혼합하는 경우 결정의 품질을 향상시키기 위한 별도의 방법을 모색하여야 할 필요가 있음을 알 수 있었다.
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