The electrical and optical properties of the Ga-doped ZnO thin films grown on transparent sapphire substrate

In this study, Ga-doped ZnO (GZO) thin films were fabricated on transparent sapphire substrate by RF magnetron sputtering method and then investigated the effect of various substrate temperature on the electrical, optical properties and characteristic of crystallization of the GZO thin films. The electrical property indicated that the lowest resistivity ($4.18{\times}10^{-4}{\Omega}cm$), the highest carrier concentration ($6.77{\times}10^{20}cm^{-3}$) and Hall mobility ($22cm^2/Vs$) were obtained in the GZO thin film fabricated at $300^{\circ}C$. And for this condition, the highest c-axis orientation and (002) diffraction peak which exhibits a FWHM of $0.34^{\circ}$ were obtained. From the results of AFM measurements, it is known that the highest crystallinity is observed at $300^{\circ}C$. The transmittance spectrum in the visible range was approximately 80 % regardless of substrate temperature. The optical band-gap showed the blue-shift as increasing the substrate temperature to $300^{\circ}C$, and they are all larger than the band gap of bulk ZnO (3.3 eV). It can be explained by the Burstein-Moss effect.

투명 사파이어 기판위에 성장시킨 Ga-doped ZnO 박막의 전기적·광학적 특성

본 연구에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 기판온도 변화에 따른 GZO 박막을 투명 사파이어 기판위에 제작하여, 박막의 전기적 광학적 특성 및 결정화 특성을 조사하였다. 전기적 특성을 조사한 결과, 기판온도 $300^{\circ}C$에서 가장 낮은 $4.18{\times}10^{-4}{\Omega}cm$의 비저항을 나타내었고, 이때의 캐리어 농도는 $6.77{\times}10^{20}cm^{-3}$, 홀 이동도는 $22cm^2/Vs$를 나타내었다. 또한 이 조건에서 가장 큰 c-축 배향성을 얻을 수 있었고, 그 때의 반가폭은 $0.34^{\circ}$이었다. AFM 표면형상에서도 기판온도 $300^{\circ}C$에서 가장 우수한 결정성을 확인하였다. 모든 GZO 박막은 기판온도와 무관하게 가시광 영역에서 80 % 정도의 투과율을 보였고, 광학적 밴드갭은 기판온도가 $300^{\circ}C$ 까지 증가함에 따라 3.52 eV 로 증가하여 blue-shift 의 경향이 관찰되었으며, 벌크 ZnO 의 밴드갭인 3.3 eV 보다 높은 것을 확인하였다. 이는 기판온도 증가에 따른 캐리어 농도의 증가로 에너지 밴드갭이 확장된다는 Burstein-Moss 효과로 설명될 수 있다.