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ZnO 초박막의 두께 변화에 따른 구조적, 전기적, 광학적 특성 변화 연구
The Structural, Electrical, and Optical Properties of ZnO Ultra-thin Films Dependent on Film Thickness 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.2, 2019년, pp.15 - 21  

강경문 (연세대학교 신소재공학과) ,  (연세대학교 신소재공학과) ,  김민재 (연세대학교 신소재공학과) ,  이홍섭 (강원대학교 재료공학과) ,  박형호 (연세대학교 신소재공학과)

초록
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원자층 증착법(ALD: atomic layer deposition)으로 $150^{\circ}C$에서 성장된 zinc oxide (ZnO) 초박막의 두께 변화에 따른 구조적, 전기적, 광학적 특성을 조사하였다. ZnO 박막을 증착하기 위해 금속 전구체와 반응물로 각각 diethylzinc와 deionized water를 사용하였다. ALD 사이클 당 성장률은 $150^{\circ}C$에서 약 0.21 nm/cycle로 일정 하였으며, 50 사이클 이하의 샘플들은 초기 ALD 성장 단계에서 상대적으로 얇은 두께로 인하여 비정질 성질을 갖는 것으로 보였다. 100 사이클에서 200 사이클로 두께가 증가함에 따라 ZnO 박막의 결정성이 증가하였고 hexagonal wurtzite 구조를 보였다. 또한, ZnO 박막의 입자 크기가 ALD 사이클의 수의 증가에 따라 증가되었다. 전기적 특성 분석 결과 박막 두께의 증가에 따라서 비저항 값이 감소하였으며, 이는 박막 두께 증가에 따른 입자 크기 증가 및 결정성 개선으로 더 두꺼운 ZnO 박막에서 입자 경계의 농도 감소와 상관 관계가 있음을 알 수 있었다. 광학적 특성 분석 결과 근 자외선 영역 (300 nm~400 nm)에서의 밴드 엣지 흡수가 증가 및 이동되었는데 이 현상은 ZnO 박막 두께의 증가에 따른 캐리어 농도의 증가가 기인 한 것으로, 이 결과는 박막 두께의 증가에 따른 저항률 감소와 잘 일치한다. 결과적으로 박막의 두께가 증가하면 막 면의 응력이 완화되어 밴드 갭이 감소하고 결정성 및 전도성이 향상됨을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We investigated the structural, electrical and optical properties of zinc oxide (ZnO) ultra-thin films grown at $150^{\circ}C$ by atomic layer deposition (ALD). Diethylzinc and deionized water were used as metal precursors and reactants, respectively, for the deposition of ZnO thin films....

주제어

표/그림 (6)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서 ALD 사이클 수를 달리하여 두께의 함수로 ALD 기반의 ZnO 박막의 성장을 조사하였다. Zn 및 O 공급원으로 DEZ와 H2O를 사용하여 ALD로 ZnO 박막의 증착이 진행되었다.
  • 따라서 필름의 두께는 유기발광다이오드 및 유기 광전 변화 소자와 같은 광전자 장치의 투명 전극에 적용하는 데 중요하다. 본 연구에서는 ALD로 성장된 나노 스케일 ZnO 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성의 두께에 따른 변화가 연구되었다.
  • 따라서, ALD 사이클 수의 증가로 박막의 두께가 증가해 ZnO 막 면의 응력이 완화되어 밴드갭이 감소하고 결정성 및 전도성이 향상되었다. 이 연구는 ZnO 박막을 기반으로 하는 광전자 장치에 대한 향후 연구에 중요한 ZnO의 구조 및 광전자 특성의 두께에 따른 변화에 대한 정보를 제공할 것이다

가설 설정

  • 28 nm/cycle 사이의 다른 연구자들에 의해 보고된 값과 잘 일치한다.18,19)ALD 성장 막의 GPC 값은 결정학적 방향에 따라 성장 속도가 다르기 때문에 결정 방향에 따라 달라진다.20) GPC 값은 기판 표면에 의해 영향을 받아 ALD 성장의 초기 단계에서 핵 생성 지연을 초래한다.
  • 18,19)ALD 성장 막의 GPC 값은 결정학적 방향에 따라 성장 속도가 다르기 때문에 결정 방향에 따라 달라진다.20) GPC 값은 기판 표면에 의해 영향을 받아 ALD 성장의 초기 단계에서 핵 생성 지연을 초래한다.21) 이러한 성장 조건의 차이는 ALD로 성장된 ZnO 박막의 산란된 GPC 값을 설명한다.
  • 성장모드를 평면 (2D) 형태에서 섬 (3D) 형태로 전환하는 것은 박막 성장에서 알려진 현상이다.22) 텍스쳐 방향은 단위 면적당 에너지 손실 최소화에 해당하는 방향으로 바뀐다.23) Wurtzite ZnO 구조에서, 원자 충전 밀도는 (002)> (101) > (110)의 순서로 감소하며, 이는 증가하는 두께에 따라 우선 방향 변화로 반영된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
원자층 증착의 탁월한 특성은? 더욱이, 전구체의 별도 투여는 기체상 반응을 방지하여 반응성이 높은 전구체를 사용할 수 있게 하고 각 반응 단계가 완료 될 때까지 충분한 시간을 제공한다. 이러한 ALD 기술의 탁월한 특성은 상대적으로 낮은 온도에서 복잡한 구조의 전자 소자에 투명 산화물 반도체를 증착시켜 유연한 기판의 사용을 용이하게한다.
투명 전도성 산화물이란? 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide; TCO)은 가시 광선 영역에서 투명하고 전기 전도도를 제어 할 수 있는 산화물 반도체다.1)이러한 특성을 가지고 있는TCO는 평면 패널 디스플레이 및 광전지 장치, 유기 발광다이오드와 같은 차세대 광전자 분야에 사용되는 투명 전극에 적용하여 사용 할 수 있다.
TCO의 적용 범위는? 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide; TCO)은 가시 광선 영역에서 투명하고 전기 전도도를 제어 할 수 있는 산화물 반도체다.1)이러한 특성을 가지고 있는TCO는 평면 패널 디스플레이 및 광전지 장치, 유기 발광다이오드와 같은 차세대 광전자 분야에 사용되는 투명 전극에 적용하여 사용 할 수 있다.2-4)또한 많은 TCO가 광전자 응용 분야에서 점점 더 요구되는 특성인 유연 기판에 적용 할 수 있다.
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