대한전자공학회논문지SD (Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD)

대한전자공학회 (The Institute of Electronics and Information Engineers)
권호 표지

산소 어닐링이 마그네 트론 스퍼터링으로 증착된 undoped ZnO박막의 구조적, 광학적, 전기적 특성에 미치는 영향에 대한 연구

A Study on the Effect of O$_2$ annealing on Structural, Optical, and Electrical Characteristics of Undoped ZnO Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering

  • 윤의중 (호서대학교 시스템제어공학과) ;
  • 박형식 (성균관대학교 전기전자컴퓨터 공학과)
  • 발행 : 2009.07.25
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초록

본 연구에서는 어닐링조건이 ZnO 박막의 결정구조((002) 세기, FWHM d-간격, grain 크기, (002) 피크 위치) 광학 (UV 피크, UV 피크 위치) 및 전기적 성질 (전자농도, 비저항, mobility)에 미치는 영향을 조사하였다. ZnO 박막은 RF 마그네트론 스퍼터링으로 ZnO 타겟을 사용하여 SiO$_2$/Si 기판 상에 증착하였다. 증착도중 기판에 열을 가하지 않았고 ZnO 박막은 $500^{\circ}C\sim650^{\circ}C$의 온도범위와 5분$\sim$20분의 시간범위에서 어닐링 되었다. 샘플의 표면 거칠기 및 구조는 각각 SEM과 XRD로 분석하였다. 광학 성질은 He-Cd 325 nm 레이저를 사용하여 상온에서 측정된 photoluminescence (PL)로 평가 하였다. 어닐링 온도 및 시간 변화에 따라 다음과 같은 관계가 관찰되었다: (1) UV intensity, (002) intensity, grain size 사이에 비례관계가 성립하고, (2) UV intensity는 FWHM와 반비례하고, (3) UV intensity는 전자농도와 큰 상관관계가 없고, (4) d-spacing과 (002) peak position은 반비례 관계에 있고, (5) 3.20$\sim$3.24 eV 범위의 UV peak position은 ZnO 박막이 n-type 특성을 가진다는 것을 의미하며 이는 전기적인 특성의 결과와 일치하고, (6) 최고의 광학 및 구조적 특성을 갖기 위한 최적조건은 0.2의 산소분압(O$_2$/(O$_2$+Ar)), 240W의 PF 파워, 상온의 기판온도, 600$^{\circ}C$온도를 20분 유지하는 어닐링 조건, 그리고 20 mTorr의 스퍼터링 압력 등을 들 수 있다.

In this paper, the effects of annealing conditions on the structural ((002) intensity, FWHM, d-spacing, grain size, (002) peak position), optical (UV peak, UV peak position) and electrical properties (carrier concentrations, resistivity, mobility) of ZnO films were investigated. ZnO films were deposited onto SiO$_2$/si substrates by RF magnetron sputtering from a ZnO target. The substrate was not heated during deposition. ZnO films were annealed in temperature ranges of $500\sim650^{\circ}C$ in the O$_2$ flow for 5$\sim$20 min. The film average thicknesses were in the range of 291 nm. The surface morphologies and structures of the samples were characterize by SEM and XRD, respectively. The optical properties were evaluated by photoluminescence (PL) measurement at room temperature (RT) using a He-Cd 325 nm laser. As the annealing temperature and time vary, the following relations were also observed: (1) proportional relationships among UV intensity (002) intensity, and grain size exist, (2) UV intensity is inversely proportional to FWHM, (3) there is no special relationship between UV intensity and electron carrier concentrations, (4) d-spacing is inversely proportional to (002) peak position, (5) UV peak position in the range of 3.20$\sim$3.24 eV means that ZnO films have a n-type conductivity which was consistent with that obtained from the electrical property, (6) the optimal conditions for the best optical and structural characteristics were found to be oxygen fraction, (O$_2$/(O$_2$+Ar)) of 0.2, RF power of 240W, substrate temperature of RT, annealing condition of 600$^{\circ}C$ for 20 min, and sputtering pressure of 20 mTorr.

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참고문헌

  1. S. J. Pearton, D. P. Norton, K lp, Y. W. Heo, and T. Steiner, Prog in Materials Science. 50, 293(2005)
  2. S. B. Zhang, S. H. Wei, and Alex Zunger, Phys Rev B. 63, 075205 (2001) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.075205
  3. F. Oba, S. R. Nishitani, S. Isotani, and H. Adachi, J. Appl. Phys. 90, 824 (2001) https://doi.org/10.1063/1.1380994
  4. Anderson Janotti and Chris G. Van de WaIle, Appl. Phys. Lett. 87, 122102 (2005) https://doi.org/10.1063/1.2053360
  5. D. J. Chadi, Phys. Rev. B. 59, 15181 (1999) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.15181
  6. T. M. Barnes, K. Olson, and C. A. Wolden, Appl. Phys. Lett. 86, 112112 (2005) https://doi.org/10.1063/1.1884747
  7. S. Limpijumnong, S. B. Zhang, S. H. Wei, and C. H. Park, Phys. Rev. Lett. 92, 155504 (2004) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.155504
  8. Y. R. Ryu and T. S. Lee, J. H. Leem, Appl. Phys, Lett. 83, 4032 (2003) https://doi.org/10.1063/1.1625787
  9. G. Xiong, J. Wilkinson, B. Mischuck, S. Tuzemen, K. B. Ucer and, R. T. Williams, Appl. Phys. Lett. 80, 1195 (2002) https://doi.org/10.1063/1.1449528
  10. Y. Chen, F. Jiang, L. Wang, C. Mo, Y. Pu, W. Fang, J. Crys. Grow. 268, 71 (2004) https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.03.069
  11. B. D. Cullity, Elements of X-ray diffraction (Addison-Wesley, Massachusetts, 1978), p.102
  12. E.-j. Yun, H-S. Park, K H Lee and H G. Nam, 'Characterization of Undoped ZnO Films Post-Annealed by Using Helium Gas' J. Korean Phys. Soc. 54, 825 (2009) https://doi.org/10.3938/jkps.54.825
  13. H. S. Kang, G. H. Kim, S. H. Lim, and H. W. Chang, J. H. Kim, S. Y. Lee, Thin Solid Films (2007), doi:l0.l016/j.tsf.2oo7.08.084 https://doi.org/10.1016/j.tsf.2oo7.08.084
  14. E.-j. Yun, H-S. Park, K-H Cha, K H Lee, N.-I. Cho and H G. Nam, "Effect of Hydrogen Peroxide on the Stability of Undoped p-type ZnO Prepared by Magnetron Sputtering" J. Korean Phys. Soc. 52, 606 (2008) https://doi.org/10.3938/jkps.52.606