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문제 정의
- [5] 앞서 언급한 것처 럼 투명전도성 산화물의 F 도핑효과에 대한 연구는 주로 CVD 방법을 이용하였으며 F이 이동도의 향상에 기여한다고 한다. 이에 따라 본 연구에서는 PVD 방법인 RF magnet -ron sputtering을 이용하여 ZnO에 F의 도핑량을 변화시켜 박막을 증착하여 그에 따른 효과와 전기적, 구조적, 광학적 특성에 대해 조사하였다.
제안 방법
- 기술의 편의상 각각의 타겟들은 차례대로 ZO, LFZO, HFZO라고 표기하였다. F의 도핑량을 변화시키기 위해 ZO + LFZO와 LFZO + HFZO의 두 가지 조합에서 각각의 타겟들의 rf 파워를 조절 co-sputtering하여 ZnF2 wt%를 변화시켰다. 타겟들의 파워별 증착률을 측정하여 타겟의 ZnFz이 박막내로 모두 증착된다고 가정할 때 이에 대한 wt% 계산한 결과를 표 1에 나타내었다.
- RF magnetron sputtering을 이용하여 ZnO 박막에 F의 도핑량 변화에 따른 효과와 전기적, 구조적, 광학적 특성에 대하여 고찰하였다. 열처리 후 ZnF2 의 양이 1.
- 박막내의 F at%는 Auger 분석법을 이용하여 측정하였다. 광학적 특성은 250 ~ 1100 nm 파장 범위에서 UV-VIS 분광기를 이용하여 투과도와 반사도를 측정 박막의 흡수 계수를 계산하 였다.
- 농도, 이동도와 비저항을 측정하였다. 구조적 특성 분석을 위해 XRD 장비를 이용 전압 40 kV, 전류 100 mA를 인가하여 L54 A 파장의 Cu-Ka 엑스선을 박막에 주사하여 20 ~ 80도 범위에서 회절 패턴을 측정하였고 SEM 분석을 통해 표면 미세구조를 관찰하였다. 박막내의 F at%는 Auger 분석법을 이용하여 측정하였다.
- 기판과 타겟 사이의 거리는 5 cm로 고정하였고, 균일한 특성을 갖는 박막의 증착을 위해 기판을 11 rpm의 속도로 회전시켰으며 기판은 코닝 글래스(eagle 2000)를 사용하였다. 모든 박막의 두께는 a-step을 이용하여 증착률을 측정하여 200 nm로 고정하였고, 증착된 박막은 열처리에 따른 물성 변화를 분석하기 위해 5 X 10'7 torr 이하의 진공 분위기로 300 X:에서 2 시간 동안 열처리하였다.
대상 데이터
- 3 wt%) 그리고 ZnO : ZnF2(10 wt%) 3개의타겟들이 장착된 RF magnetron sputtering 장치를 이용하여 박막들을 증착하였다. 기술의 편의상 각각의 타겟들은 차례대로 ZO, LFZO, HFZO라고 표기하였다. F의 도핑량을 변화시키기 위해 ZO + LFZO와 LFZO + HFZO의 두 가지 조합에서 각각의 타겟들의 rf 파워를 조절 co-sputtering하여 ZnF2 wt%를 변화시켰다.
- 본 실험에서는 2인치 크기의 순수 ZnO, ZnO : ZnF2(1.3 wt%) 그리고 ZnO : ZnF2(10 wt%) 3개의타겟들이 장착된 RF magnetron sputtering 장치를 이용하여 박막들을 증착하였다. 기술의 편의상 각각의 타겟들은 차례대로 ZO, LFZO, HFZO라고 표기하였다.
이론/모형
- 구조적 특성 분석을 위해 XRD 장비를 이용 전압 40 kV, 전류 100 mA를 인가하여 L54 A 파장의 Cu-Ka 엑스선을 박막에 주사하여 20 ~ 80도 범위에서 회절 패턴을 측정하였고 SEM 분석을 통해 표면 미세구조를 관찰하였다. 박막내의 F at%는 Auger 분석법을 이용하여 측정하였다. 광학적 특성은 250 ~ 1100 nm 파장 범위에서 UV-VIS 분광기를 이용하여 투과도와 반사도를 측정 박막의 흡수 계수를 계산하 였다.
- 제작된 박막들의 전기적 특성 분석은 6, 000 G의 자기장을 인가된 Hall 측정 장비를 이용하여 Van der Pauw 방법으로 전기 전도도를 측정하여 캐리어 농도, 이동도와 비저항을 측정하였다. 구조적 특성 분석을 위해 XRD 장비를 이용 전압 40 kV, 전류 100 mA를 인가하여 L54 A 파장의 Cu-Ka 엑스선을 박막에 주사하여 20 ~ 80도 범위에서 회절 패턴을 측정하였고 SEM 분석을 통해 표면 미세구조를 관찰하였다.
성능/효과
- 표면 형상을 나타내었다. HFZO의 결정립 크기가 LFZO에 비해 크게 감소했음을 알 수 있으며 LFZO의 경우 열처리후의 결정립 크기의 증가를 확인할 수 있었다. 결정립 크기의 증가는 결정립계의 에너지 장벽을 낮추게 되며 이에 따라 HFZO에 비해 상대적으로 큰 LFZO의 이동도를 설명할 수 있다.
- 26 X 10-3 Ωcm의비저항을 나타내었다. ZnO 박막에 적정량의 F을 도핑하면 이에 따른 결정성의 향상이 이동도를 증가시키는 결과를 보였으며, 또한 ZnF2량의 증가에 따른 흡수 계수의 감소로 인한 광학적 특성의 향상을 볼 수 있었다. 비록 PVD 방식에 의한 박막내의 F 도핑량이 제한되어 화학적 방법으로 제작된 박막에 비하여 캐리어 농도가 낮은 단점이 보이기는 하였으나, 향후 공정 파라메터에 따른 도핑 효과의 추가 분석 연구를 통하여 우수한 전기적 광학적 특성을 가지는 투명전도성 산화물 재료를 합성하는 것이 가능하리라고 생각된다.
- 기인하는 것이다.[1] ZnFz이 포함된 박막들의 경우는 전반적으로 순수 ZnO보다 증가폭이큰 것을 볼 수 있다. 이는 산소 공공의 증가에 의한 캐리어 농도의 증가보다는 주로 격자 내에 침입된 F이 ZnO의 산소 정규 위치에 치환되어 그 수를 증가 시킬 것이라 예상된다.
- 25);">은 APCVD를 이용하여 ZnO에 F을 도핑하였으며, 금속 도펀트들은 격자 내 정규 Zn 위치에 치환되어 전도대의 금속 즉 Zn 오비탈을 교란시켜 이동도를 감소시키는 반면 F의 경우 가전자대의 산소 오비탈을 치환하기 때문에 전도대의 금속 오비탈에 영향을 주지 않아 상대적으로 이동도의 감소를 줄일 수 있다고 한다.[3] 또한 De Waale spray pyrolysis를 이용하여 SnCh에 Sb와 F을 도핑하였으며, 격자 내에서의 전자 파동의 진행은 양이온 즉 정규 Sn+4 위치에 집중되는데 Sb+5의 경우 Sn+4 위치에 치환되어 전자 파동의 진행을 교란 시키는 반면 F-1은 O-2 위치에 치환되어 상대적으로 이를 줄이게 되며 산란 인자로 작용하는 산소공공 위치에 F 자리하여 산란되는 정도를 감소시킨다고 추정하였다.[4] 한편 shanthi도 spray pyrolysis를이용하여 SnG에 Sb와 F을 도핑하였으나 앞의 고찰과는 다른 주장을 한다.
- 이 수식에서 A는 상수이며 (αhv)2 대 hv의 그래프에서 직선 구간을 외삽하여 X축과의 교점으로부터 밴드갭 에너지를 구할 수 있다. 구해진 값들은 Burstein- Moss 이동에 의해 캐리어 농도의 증가에 비례하여 증가하며 열처리 전의 경우 3.27 ~ 3.49 eV 범위에서 열처리 후 3.31 ~ 3.61 eV 범위로 증가하였다.
- 모든 박막들은 평균 81 % 이상의 투과도를 나타내었으며 2.7 wt% 이상일 경우 흡수 계수의 감소에 인해 85 % 이상의 높은 투과도를 나타내었다. ZnF2 함량의 증가와 열처리에 따른 평균 흡수 계수의 감소는 광학 밴드갭 에너지의 증가에 따른 흡수 단이 단파장 영역으로 이동함에 기인한다.
- Auger 분석 결과 F의 검출 한계 및 정량 분석의 어려움에 인해 정확한 측정이 힘들었다. 박막의 조성이 타겟의 조성과 동일하다고 가정하고 Zn, 0, F 의 원자량을 이용하여 at% 계산한 결과 HFZ0는 2.05 at%, HFZO는 15.78 at%에 비해 증착한 박막의 Auger 측정 결과는 다소 낮은 0.87 at%와 5.9 at%로 측정이 되었고 열처리 후에도 분석의 오차범위 정도의 변화밖에 없었다.
- 큰 변화는 없었으며 ZnO의 (00.2) 우선 방위 특성을 보였고 ZnF2 함량이 4.1 wt% 이상인 박막의 경우 (10.0), (10.1), (11.0)2] 약한 피크들이 나타났다. ZnO의 경우 열역학적 평형상태에서 증착할 때 즉 낮은 증착률과 높은 기판 온도에서 성막 할 경우 표면 에너지가 낮은 (00.
후속연구
- ZnO 박막에 적정량의 F을 도핑하면 이에 따른 결정성의 향상이 이동도를 증가시키는 결과를 보였으며, 또한 ZnF2량의 증가에 따른 흡수 계수의 감소로 인한 광학적 특성의 향상을 볼 수 있었다. 비록 PVD 방식에 의한 박막내의 F 도핑량이 제한되어 화학적 방법으로 제작된 박막에 비하여 캐리어 농도가 낮은 단점이 보이기는 하였으나, 향후 공정 파라메터에 따른 도핑 효과의 추가 분석 연구를 통하여 우수한 전기적 광학적 특성을 가지는 투명전도성 산화물 재료를 합성하는 것이 가능하리라고 생각된다.
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