• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.104-104
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• 2011

ZnO는 3.37 eV의 넓은 에너지 밴드갭을 갖는 투명 전도성 반도체이며 우수한 전기적, 광학적 특성으로 인해 광원소자 개발을 위한 새로운 물질로 많은 주목을 받아왔다. 더욱이, ZnO는 쉽게 나노구조 형성이 가능하기 때문에 이를 응용한 가스센서, 염료감응태양전지, 광검출기 등의 소자 개발이 활발히 이루어지고 있다. 최근에는 GaN 기반 발광다이오드 (light emitting diode, LED)의 광추출 효율을 향상시키기 위한 ZnO 나노구조 응용에 관한 연구가 보고되고 있다. GaN 기반 LED의 경우 반도체 물질과 공기 사이의 높은 굴절률 차이로 인하여 낮은 광추출 효율을 나타낸다. 이를 해결하기 위한 방법으로 표면 roughening, texturing 등 에칭공정을 이용해 광추출 효율을 개선하려는 연구들이 보고되고 있으나, 복잡한 공정과정을 필요로 하고 에칭공정에 의한 소자 표면 손상으로 전기적 특성이 나빠질 수 있다. 반면 전기화학증착법으로 성장된 ZnO 나노구조를 이용할 때, 보다 간단한 방법으로 쉽고 빠르게 나노구조를 형성할 수 있고 낮은 공정온도를 가지기 때문에 소자의 전기적 특성에 큰 영향을 주지 않는다. 수직방향으로 잘 정렬된 ZnO 나노구조를 갖는 LED의 경우 내부 Fresnel 반사 손실을 효과적으로 줄여 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서, ZnO 나노구조의 성장제어 및 성장특성을 분석하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 ITO glass 위에 ZnO 나노구조를 성장하고 그 특성을 분석하였다. ITO glass 기판 위에 RF magnetron 스퍼터를 사용하여 Al 도핑된 ZnO (AZO)를 얇게 증착한 후 전기화학증착법으로 ZnO 나노구조를 성장하였다. 농도, 인가전압, 공정시간 등 다양한 공정조건을 변화시키면서 성장 메커니즘을 분석하였고, scanning electron microscope (SEM) 및 X-ray diffraction (XRD)을 통하여 구조 및 결정성 등을 분석하였다. 또한, UV-Visible-NIR spectrophotometer를 사용하여 투과율을 실험적으로 측정하여 ZnO 나노구조의 광학적 특성을 분석하였고, rigorous coupled wave analysis (RCWA) 방법을 사용하여 계면에서 발생하는 내부 반사율을 계산함으로써 나노구조의 효과를 이론적으로 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.208-208
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• 2010

본 연구에서는 투명전도성산화막으로 적용 가능한 Ga이 도핑된 ZnO(GZO)의 성장 및 후처리 과정에 따른 구조적, 전기적, 광학적 특성을 관찰하였다. GZO 박막은 상온과 $200^{\circ}C$, 50~250 mTorr (50 mTorr 단계)에서 RF 마그네트론 스퍼터법으로 증착하였다. 이와 같은 조건에서 성장 된 박막의 특성을 분석하여 최적의 온도 및 작업압력에서 RF power를 변화시켜 박막을 성장한 후 질소 및 수소를 이용한 후처리 공정을 통하여 GZO 박막을 제작, 각 조건에 따른 구조적, 전기적 및 광학적 특성 변화를 조사하였다. XRD 측정에서, 열처리 전 시료에서는 GZO (002) 상의 Bragg-Angle 위치가 호스트 물질 ZnO의 기준위치보다 낮은 각도 쪽에서 나타났으며, 이는 Ga이 Zn와 치환되지 못하고 격자 내에 침입형태로 존재함에 따른 것으로 판단된다. 열처리 이후 전반적으로 분위기 가스의 종류에 관계없이 결정성, 광투과율 및 전기적 특성이 향상되는 것이 관측되었다. 질소 분위기에서 열처리된 GZO 박막의 경우, 전반적으로 박막 증착 시 초기 작업압력의 증가에 따라 비저항이 증가하는 현상이 관측되었다. 반면, 수소 분위기에서 열처리된 박막에서는 박막 증착 초기 작업 압력이 증가함에 따라 비저항이 감소하는 경향이 관측되었다. 이러한 결과는 XPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy)로 분석한 결과, 질소 분위기에서 열처리된 GZO 박막은 O-H 결합이 Zn-O 결합에 비해 과도하지 않은 반면, 수소화 처리된 GZO 박막에서 Zn-O 결합에 비해 과도한 O-H 결합이 존재하기 때문으로 관측되었다. 그러한 이유는 O-H 결합이 GZO 박막 내 산소 결공($V_o$)과 밀접한 관계가 있기 때문이며, O-H 결합의 증가는 $V_o$-H 결합체의 증가를 의미하기 때문이다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.10a
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• pp.41.1-41.1
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• 2011

본 연구에서는 MOCVD법으로 사파이어 기판위에 u-GaN를 성장한 후 Mg을 도핑시켜 p-GaN를 성장하고, RF 스퍼터를 이용하여 n-ZnO를 도포하여 n-ZnO/p-GaN 이종접합을 형성한 후 진공증착기를 이용하여 Au/Ni를 증착시켜 발광다이오드(LED)를 제작하고 전기 광학적 특성을 조사하였다. 두께가 500 nm인 u-GaN 위에 성장된 p-GaN의 운반자 농도는 $1.68{\times}10^{17}\;cm^{-3}$ 이었다. 그리고 150, 300 nm 두께의 p-GaN에 대하여 측정된 DXRD 반치폭은 각각 450 arcsec, 396 arcsec 이었고, 상온에서 2.8~3.0 eV 영역에서 Mg 억셉터와 관련된 광루미네센스가 검출되었다. RF 스퍼터링에 의해 0.7 nm/min의 속도로 증착된 n-ZnO 박막은 증착 두께에 따라 비저항이 27.7 $m{\Omega}{\cdot}cm$ 에서 6.85 $m{\Omega}{\cdot}cm$ 까지 감소하였다. 그리고 n-ZnO 박막은 (0002)면으로 우선 배향되었으며, 상온에서 에너지갭 관련된 광루미네센스가 3.25 eV 부근에서 주되게 검출되었다. n-ZnO/p-GaN 이종접합 LED의 전류전압 특성곡선은 다이오드 방정식에 만족하는 특성을 나타내었다. 다이오드 지수는 3 V 이하 영역에서 1.64, 3~5 V 영역에서 0.85이었다. 그리고 5 V 이상 영역에서 공간전하의 제한을 받았으며, 다이오드 지수는 3.36이었다. 한편, 역방향 전류전압 특성은 p-GaN 박막의 두께에 영향을 받았으며, p-GaN 박막의 두께가 150, 300 nm 일 때 각각의 누설 전류는 $1.3{\times}10^{-3}$ mA와 $8.6{\times}10^{-5}$ mA 이었다. 상온에서 측정된 EL 스펙트럼의 주된 발광피크는 430 nm이었고, 반치폭은 49.5 nm이었다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.16 no.5
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• pp.359-365
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• 2007

In this paper we present a bottom-gate type of zinc oxide (ZnO) and Gallium (Ga) doped zinc oxide (GZO) based thin film transistors (TFTs) through applying a radio frequency (RF) magnetron sputtering method at room temperature. The gate leakage current can be reduced up to several ph by applying $SiO_2$ thermally grown instead of using new gate oxide materials. The root mean square (RMS) values of the ZnO and GZO film surface were measured as 1.07 nm and 1.65 nm, respectively. Also, the transmittances of the ZnO and GZO film were more than 80% and 75%, respectively, and they were changed as their film thickness. The ZnO and GZO film had a wurtzite structure that was arranged well as a (002) orientation. The ZnO TFT had a threshold voltage of 2.5 V, a field effect mobility of $0.027\;cm^2/(V{\cdot}s)$, a on/off ratio of $10^4$, a gate voltage swing of 17 V/decade and it operated in a enhancement mode. In case of the GZO TFT, it operated in a depletion mode with a threshold voltage of -3.4 V, a field effect mobility of $0.023\;cm^2/(V{\cdot}s)$, a on/off ratio of $2{\times}10^4$ and a gate voltage swing of 3.3 V/decade. We successfully demonstrated that the TFTs with the enhancement and depletion mode type can be fabricated by using pure ZnO and 1wt% Ga-doped ZnO.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.486-486
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• 2014

CIGS 박막태양 전지는 I-III-VI2 Chalcopyrite 결정구조를 가진 화합물 반도체 태양전지로 인위적인 밴드갭 조작이 용이하여 효율 향상에 높은 가능성을 보이고 있다. 4원소 화합물인 CIGS 광흡수층의 대표적인 제조 방법으로는 co-evaporation 공정법이 있다. 동시 증발법은 CIGS 결정을 최적화하기 위하여 박막이 증착되는 동안 기판의 온도를 3단계로 변화시켜주는 3-stage 공정을 통하여 제작된다. 일반적으로 CIGS 박막태양전지는 전면전극으로 투명전도막이 사용되며 높은 광투과성과 전기전도성을 가져야 한다. 투명전도막의 광학적, 전기적 특성은 CIGS 박막태양전지의 효율에 영향을 미치기 때문에 최적화된 조건이 요구된다. 본 연구에서는 CIGS 광흡수층은 Ga/(In+Ga)=0.31, Cu/(In+Ga)=0.86으로 최적화 시켰으며, 투명전도막은 Al이 도핑된 ZnO 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 증착하였다. ZnO:Al 박막의 두께를 가변하여 증착하였으며 박막의 특성을 평가하고, CIGS 광흡수층에 이를 적용함으로써 태양전지 변환효율 특성을 연구하였다. CIGS 박막 태양전지의 투명전극인 ZnO:Al 박막의 두께가 500 nm 일 때, Jsc=29.521 mA/cm2, Voc=564 mV, FF factor=71.116%, Efficiency=12.375%의 광 변환효율을 얻을 수 있었으며, 이에 따른 투명 전도막의 전기적, 광학적 특성을 통해 CIGS 박막태양전지에 미치는 영향에 대해 조사하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2006.11a
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• pp.145-146
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• 2006

The most Important research topic in the development of ZnO LED and LD is the production of p-type ZnO thin film that has minimal stress with outstanding stoichiometric ratio. In this study, Phosphorus diffused into the undoped ZnO thin films using the ampoule-tube method for the production of p-type znO thin films. The undoped ZnO thin films were deposited by RF magnetron sputtering system on $GaAs_{0.6}P_{0.4}$/GaP and Si wafers. 4N Phosphorus (P) was diffused into the undoped ZnO thin films in ampoule-tube which was performed and $630^{\circ}C$ during 3hr. We found the diffusion condition of the conductive ZnO films which had p-type properties with the highest mobility of above 532 $cm^2$/Vs compared with other studies PL spectra measured at 10K for the purpose of analyzing optical properties of p-type ZnO thin film showed strong PL intensity in the UV emission band around 365nm ~ 415nm and 365nm ~ 385nm.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.11a
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• pp.91-91
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• 2008

ZnO는 넓은 밴드갭(3.37eV)과 큰 엑시톤(exciton) 결합에너지(60meV) 를 가지는 II-VI족 산합물 반도체로, 상온에서도 높은 재결합 효율이 기대되는 엑시톤 전이가 가능하여 자발적인 발광특성 및 레이저 발진을 위한 낮은 임계전압을 보여주는 장점을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용해, 최근 ZnO 박막을 이용한 LED 및 LD 소자 제작에 대한 연구가 국내외적으로 매우 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 아직까지 p-type ZnO는 전기적 특성 및 재현성 문제를 극복하지 못하고 있기 때문에 ZnO를 이용한 동종접합구조를 이용한 소자제작은 어려움이 따른다. 이런 문제점을 극복하기 위해 최근 p-type 물질을 ZnO와 결정구조 및 특성이 거의 유사한 GaN를 많이 이용하고 있다. 또한 RF 스퍼터링법을 이용해 박막을 성장할 경우 성장조건 및 불순물 도핑 등에 따라 성장되는 n-type ZnO의 전기적 특성 및 밴드갭을 조절할 수 있다. 본 연구에서는 RF 스퍼터링법을 이용해 p-type GaN 기판위에 n-type ZnO를 성장한 이종접합구조를 이용해 발광 다이오드를 제작하고 그에 대한 특성 평가를 하였다. 이때 성장시킨 n-type ZnO는 여러 가지 성장 변수 및 불순물 도핑으로 전기전 특성 변화 및 밴드갭 조절을 통해 발광특성 변화에 대해 특성 평가를 하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.259-259
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• 2011

염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells:DSSC)는 환경 친화적이며, 저가의 공정에 대한 가능성으로 기존의 고가의 결정질 실리콘 태양전지의 경제적인 대안으로 각광을 받고 있다. 최근 염료감응형 태양전지는 투명 전도성 산화막(Transparent Conducting Oxide : TCO)으로 사용되는 Fluorine Tin Oxide (FTO)가 증착된 유리기판 위에 주로 제작된다. FTO는 낮은 비저항과 가시광선 영역에서 높은 투과도를 가지는 우수한 전기-광학적 특성을 갖지만, 비교적 공정이 까다로운 Chemical Vapor Deposition (CVD)법으로 제조하며, 전체 공정비용의 60%를 차지하는 높은 생산단가로 인해 현재 FTO를 대체할 재료개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 ZnO (Zinc Oxide)는 우수한 전기-광학적 특성과 비교적 저렴한 가격으로 새로운 TCO로써 주목받고 있다. ZnO는 넓은 energy band gap (3.4 [eV])의 육방정계 울자이트(hexagonal wurtzite) 결정 구조를 가지는II-VI족 n형 반도체 물질이며, III족 금속원소인 Al, Ga 및 In 등의 불순물을 첨가하면 TCO로서 우수한 전기-광학적 특성과 안정성을 나타낸다. 이들 물질중 $Zn^{2+}$ (0.060 nm)의 이온반경과 유사한 $Ga^{2+}$0.062 nm) 이온이 ZnO의 격자반경을 최소화 시킬 수 있다는 장점으로 최근 주목 받고 있다. 하지만 Ga-doped ZnO (GZO)의 경우 DSC에 사용되는 루테늄 계열의 산성 염료 하에 장시간 두면 표면이 파괴되는 문제가 발생하며, $TiO_2$ paste를 Printing 후 열처리하는 과정에서도 박막의 파괴가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 $TiO_2$ Blocking Layer를 GZO 투명전극 위에 증착하였다. 또한, $TiO_2$ Blocking Layer를 적용한 GZO 박막을 전면전극으로 이용하여 DSC를 제작하여 효율을 확인하였다. 2wt%의 $Ga_2O_3$가 도핑된 ZnO 박막은 20mTorr 400$^{\circ}C$에서 Pulsed Laser Deposition (PLD)에 의해 성장되었고, $TiO_2$박막은 Ti 금속을 타겟으로 이용하여 30mTorr 400$^{\circ}C$에서 증착되었다. Scanning electron microscopy (FE-SEM)을 이용한 박막 분석 결과 $TiO_2$가 증착된 GZO 박막의 경우 표면 파괴가 일어나지 않았다. Solar Simulator을 이용하여 I-V특성 측정결과 상용 FTO를 사용한 DSC 수준의 효율을 나타내었다. 이에 따라 Pulsed Laser Deposition을 이용해 제작된 GZO 기판은 $TiO_2$ Blocking Layer를 이용하여 표면 파괴를 방지할 수 있었으며, 이는 향후 염료감응형 태양전지의 투명전극에 적용 가능 할 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2003.11a
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• pp.59-59
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• 2003

ZnO는 상온에서 3.37 eV의 넓은 밴드갭을 가지는 직접천이형 반도체이다. 상온에서 60 meV의 큰 엑시톤 결합에너지를 가짐으로 인해 엑시톤 재결합에 의한 강한 UV 레이저 발진효과를 기대할 수 있다. 이러한 장점을 갖는 ZnO 박막을 이용하여 광소자 등에 응용하기 위하여 양질의 ZnO 박막성장이 필수적이며, 이를 위해 MBE, MOCVD, PLD, rf magnetron sputtering 등 다양한 증착방법을 통한 연구결과가 보고되고 있다. 또한 p형 불순물인 As과 N 도핑 및 Ga과 N의 co-doping 방법 등을 통하여 p형 ZnO 박막을 제조하였음이 보고되고 있으나 재현성 문제 등으로 인해 계속적인 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 MOCVD를 이용하여 A1$_2$O$_3$(0001) 기판 위에 ZnO 박막을 성장시켰다. Zn 전구체로 DEZn을 사용하였으며, 산소 source로 $O_2$를 사용하였다. 증착온도, Ⅵ/II 비율, 반응기 압력 등 MOCVD의 중요한 공정변수들의 체계적인 변화에 따른 박막성장 양상을 조사하였다. 증착 조건에 따라 ZnO 입자의 모양이 주상(column), nano-rod, nano-needle, nano-wire 등으로 급격하게 변화됨을 확인하였으며, 이러한 입자의 모양과 결정성장 방향 및 광학적 특성과의 상관관계의 해석을 시도하였다.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.21 no.3
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• pp.144-148
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• 2011

We have investigated the structural and optical properties of Ga-doped ZnO (GZO) thin films deposited by RF magnetron sputtering at various deposition temperatures from 100 to $500^{\circ}C$. All the GZO thin films are grown as a hexagonal wurtzite phase with highly c-axis preferred parameter. The structural and electrical properties are strongly related to deposition temperature. The grain size increases with the increasing deposition temperature up to $400^{\circ}C$ and then decreases at $500^{\circ}C$. The dependence of grain size on the deposition temperature results from the variation of thermal activation energy. The resistivity of GZO thin film decreases with the increasing deposition temperature up to $300^{\circ}C$ and then decreases up to $500^{\circ}C$. GZO thin film shows the lowest resistivity of $4.3{\times}10^{-4}\;{\Omega}cm$ and highest electron concentration of $1.0{\times}10^{21}\;cm^{-3}$ at $300^{\circ}C$. The mobility of GZO thin films increases with the increasing deposition temperature up to $400^{\circ}C$ and then decreases at $500^{\circ}C$. GZO thin film shows the highest resistivity of 14.1 $cm^2/Vs$. The transmittance of GZO thin films in the visible range is above 87% at all the deposition temperatures. GZO is a feasible transparent electrode for the application to the transparent electrode of thin film solar cells.