[논문]SiC 매트릭스를 이용한 실리콘 양자점 초격자 박막 제조

김현종; 문지현; 조준식; 장보윤; 고창현; 박상현; 윤경훈; 송진수; 오병성; 이정철

SiC 매트릭스를 이용한 실리콘 양자점 초격자 박막 제조
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김현종 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 문지현 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 조준식 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 장보윤 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 고창현 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 박상현 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 윤경훈 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 송진수 (한국에너지기술연구원 태양광연구단) , 오병성 (충남대학교 물리학과) , 이정철 (한국에너지기술연구원 태양광연구단

다중접합 초 고효율 태양전지 제조를 위해 SiC 매트릭스를 이용한 실리콘 양자점 초격자 박막을 제조하고 특성을 분석하였다. $SiC/Si_{1-x}C_x$(x ~ 0.31)로 실리콘 양자점 초격자 박막을 Si과 C target을 이용한 co-sputtering법으로 초격자 박막을 제조하고, $1000^{\circ}C$에서 20분간 열처리를 하였다. high resolution transmission electron microscopy 사진으로 약1~7nm 크기인 양자점 생성과 분포 밀도를 확인할 수 있었으며, grazing incident X-ray diffraction (GIXRD)를 통해서 Si(111)과 $\beta$-SiC(111)이 생성되었음을 알 수 있었다. Auger electron spectroscopy (AES)측정에서 stoichiometric SiC층과 Si-rich SiC층의 Si 원자농도 (56%, 69%)와 C 원자 농도 (44%, 31%)를 알 수 있었으며, Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR)측정에서 SiC 픽의 위치가 767에서 $800cm^{-1}$으로 이동하는 것을 알 수 있었다.

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문제 정의

0eV 정도로 높은 전위 장벽에 의해 태양전지로의 실현에 어려움이 따르고 있다. 따라서 본 연구에서는 보다 낮은 전위 장벽을 갖는 SiC (2.5eV)^[4]를 이용하여 양자점 초격자 박막을 제조하고 그 특성을 분석하였다.

제안 방법

초격자 박막내의 양자점 크기와 분포밀도를 확인하기 위해 High resolution transmission electron microscopy (HRTEM)을 측정하였으며, 온도에 따른 Si 양자점과 matrix의 형성을 확인하기 위해 grazing incident X-ray diffraction (GIXRD)를 분석하였다. Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR, Shimadzu)장치를 이용하여 Si-C 결합구조를 분석하였다.
31)의 양자점 초격자 박막을 제작하고 열처리 후 특성을 분석하였다. TEM 사진으로 평균크기가 1~7nm인 양자점 생성과 분포밀도를 확인하였다. AES 분석에서 stoichiometric SiC층은 Si 농도가 56% (x~0.
rf co-sputter를 이용하여 SiC/Si_1-xC_x(x ~ 0.31)의 양자점 초격자 박막을 제작하고 열처리 후 특성을 분석하였다. TEM 사진으로 평균크기가 1~7nm인 양자점 생성과 분포밀도를 확인하였다.
증착 장비는 co-sputtering 장치로서 Si과 C 증착을 위해 두 개의 마그네틱 건이 장착이 되어 있다. 각각의 건에 rf power와 증착시간을 프로그램으로 자동제어 할 수 있게 설계하였으며, CH₄와 Ar 가스와 함께 반응실로 주입시킬 수 있게 설계하여 Si와 C의 조성제어를 할 수 있게 하였다. 초격자 박막 증착을 위한 연구로 Si_1-xC_x에서 x의 조성비를 알아보기 위해 Si target power를 200 W로 고정을 시킨 후 C target power를 0 ~ 400 W까지 변화를 시켜 단위 박막을 제작하였다^[5].
증착된 박막의 두께는 thickness profiler (α -step, Tencor)를 이용하였으며, 박막의 조성은 Auger electron spectroscopy (AES)를 이용하여 Si, C, O 농도를 정량적으로 분석하였다.
각각의 건에 rf power와 증착시간을 프로그램으로 자동제어 할 수 있게 설계하였으며, CH₄와 Ar 가스와 함께 반응실로 주입시킬 수 있게 설계하여 Si와 C의 조성제어를 할 수 있게 하였다. 초격자 박막 증착을 위한 연구로 Si_1-xC_x에서 x의 조성비를 알아보기 위해 Si target power를 200 W로 고정을 시킨 후 C target power를 0 ~ 400 W까지 변화를 시켜 단위 박막을 제작하였다^[5]. 각각 x의 조성비를 알아본 결과로 stoichiometric SiC 층으로는 Si power 200W에 C power 400 W (x ~ 0.
증착된 박막의 두께는 thickness profiler (α -step, Tencor)를 이용하였으며, 박막의 조성은 Auger electron spectroscopy (AES)를 이용하여 Si, C, O 농도를 정량적으로 분석하였다. 초격자 박막내의 양자점 크기와 분포밀도를 확인하기 위해 High resolution transmission electron microscopy (HRTEM)을 측정하였으며, 온도에 따른 Si 양자점과 matrix의 형성을 확인하기 위해 grazing incident X-ray diffraction (GIXRD)를 분석하였다. Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR, Shimadzu)장치를 이용하여 Si-C 결합구조를 분석하였다.
1은 본 실험의 양자점 초격자 박막의 구조 및 co-sputtering시 시간에 따른 Si 및 C의 rf power의 변화를 나타낸 것이다. 초격자 박막의 내부에 실리콘 양자점 형성을 위하여 quartz furnace를 이용하여, 1000℃에서 약 20분 동안 열처리를 하였고, 열처리 중 초 고순도 질소 가스를 내부로 주입시켜 시료의 오염을 방지하였다. 증착된 박막의 두께는 thickness profiler (α -step, Tencor)를 이용하였으며, 박막의 조성은 Auger electron spectroscopy (AES)를 이용하여 Si, C, O 농도를 정량적으로 분석하였다.
Ar 유량은 30sccm, 증착압력 5mTorr, 기판온도는 200℃로 일정하게 유지하였다. 프로그램을 통해 각 층의 증착시간은 5분으로 제어하고 총 20층의 박막을 연속적으로 증착하였 다. 그림.

대상 데이터

SiC/Si1-xCx 양자점 초격자 박막 증착을 위해 20× 20mm quartz 기판과 (100) p-type Si 웨이퍼를 사용하였다.
어두운 색으로 보여지는 stoichiometric SiC층의 두께는 약 9~10nm이며, 밝게 보이는 Si-rich SiC 층은 약 7~8nm의 두께를 가진다. 총 박막의 두께는 약 180nm로 총 20층이 증착되었다. 또한 매트릭스에 따른 층간 구분이 명확히 구별되었다.

성능/효과

stoichiometric SiC층의 두께는 약 11~12nm이며, Si-rich SiC층의 두께는 약 7nm임을 알 수 있다. (a) 사진으로부터 열처리 후 Si-rich층에서 평균크기 1~7nm의 결정질의 양자점이 형성되었음을 확인할 수 있는데, 양자점의 크기는 Si-rich 층의 두께제어로 가능하다. 알려진 바와 같이 stoichiometric SiC층에서도 결정질의 양자점이 형성됨을 알 수 있는데, 이는 실리콘이 아닌 SiC 양자점으로 보인다.
TEM 사진으로 평균크기가 1~7nm인 양자점 생성과 분포밀도를 확인하였다. AES 분석에서 stoichiometric SiC층은 Si 농도가 56% (x~0.56), C 농도는 44%(x~0.44), Si-rich SiC 층은 Si 농도가 69% (x~0.69), C 농도가 31% (x~0.31)임을 알 수 있었으며, XRD를 통해서 Si(111)을 확인할 수 있었다. FTIR 측정에서 SiC 픽의 위치가 767에서 800㎝^-1으로 이동하는 것을 알 수 있었다.
31)임을 알 수 있었으며, XRD를 통해서 Si(111)을 확인할 수 있었다. FTIR 측정에서 SiC 픽의 위치가 767에서 800㎝^-1으로 이동하는 것을 알 수 있었다.

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