ZnO is of great interest for various technological applications ranging from optoelectronics to chemical sensors because of its superior emission, electronic, and chemical properties. In addition, vertically well-aligned ZnO nanorods on large areas with good optical and structural properties are of special interest for the fabrication of electronic and optical nanodevices. To date, several approaches have been proposed for the growth of one-dimensional (1D) ZnO nanostructunres. Several groups have been reported the MOCVD growth of ZnO nanorods with no metal catalysts at $400^{\circ}C$, and fabricated a well-aligned ZnO nanorod array on a PLD prepared ZnO film by using a catalyst-free method. It has been suggested that the synthesis of ZnO nanowires using a template-less/surfactant-free aqueous method. However, despite being a well-established and cost-effective method of thin film deposition, the use of magnetrons puttering to grow ZnO nanorods has not been reported yet. Additionally,magnetron sputtering has the dvantage of producing highly oriented ZnO film sat a relatively low process temperature. Currently, more effort has been concentrated on the synthesis of 1D ZnO nanostructures doped with various metal elements (Al, In, Ga, etc.) to obtain nanostructures with high quality,improved emission properties, and high conductance in functional oxide semiconductors. Among these dopants, Ga-doped ZnO has demonstrated substantial advantages over Al-doped ZnO, including greater resistant to oxidation. Since the covalent bond length of Ga-O ($1.92\;{\AA}$) is nearly equal to that of Zn-O ($1.97\;{\AA}$), high electron mobility and low electrical resistivity are also expected in the Ga-doped ZnO. In this article, we report the successful growth of Ga-doped ZnO nanorods on c-Sapphire substrate without metal catalysts by magnetrons puttering and our investigations of their structural, optical, and field emission properties.
In-line magnetron sputtering system을 사용하여 대면적($60{\times}60cm^2$) 소다라임 유리기판위에 투명전도성 ZnO(Al)와 ZnO(AlGa) 박막을 500 nm에서 1,450 nm까지 두께별로 증착하여 전기적, 광학적 특성을 연구하였다. XRD를 통해 c-축 방향성(002)을 가지고 성장된 것을 확인 하였다. Hall 특성 분석을 통해 이동도 및 캐리어 농도의 특성을 확인 하였으며, 그에 따른 ZnO(AlGa)의 비저항이 $9.03{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$에서 $7.83{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$으로 ZnO(Al) 보다 높게 나타났으며, 가시광선 영역에서 투과율은 87.6%에서 84.3%으로 나타났다. 따라서 ZnO(AlGa)는 전기적 특성이 우수하고 높은 투과율로 대면적용 투명전도성 재료로의 활용에 적합한 특성을 지닌 것을 확인 할 수 있었다.
ZnO varistor에서 희토류 산화물의 첨가는 비선형계 높게 만든다. 회토류 금속의 첨가로 높아진 비저항을 낮추기 위하여 3족 원소인 Al, Ga을 첨가하여 첨가 함량에 따른 ZnO-$Pr_6O_{11}$ varistor의 비저항을 낮추고자 한다. 따라서 본 연구에서는 Al과 Ga 첨가에 따른 ZnO-$Pr_6O_{11}$을 일반적인 세라믹 공정에 따라 제조하여, Al과 Ga 첨가에 따른 ZnO-$Pr_6O_{11}$ varistor의 특성을 미세구조 조직, 밀도, I-V 특성, 비저항 측정하였다. ZnO의 bulk 및 grain boundary 특성 변화를 각종 유전함수($Z^*$, $Y^*$, $M^*$, $\varepsilon^*$, $tan{\delta}$)를 이용하여 고찰하였다.
Lighting emitting diodes of n-ZnO/MQW/p-GaN structure are fabricated and investigated. To realize this LED structure, n-ZnO/MQW/p-GaN are grown by MOCVD. At several bias voltages, blue-green light is emitted from the ZnO mesa edge. However, the emission is restricted near the mesa edge. It is seen that the hole current does not spread well. It is because conductivity of p-GaN is extremely small. The break down voltage of the device is small compared to conventional InGaN/GaN LEDs. It is seen that ZnO columnar grain boundaries act as leakage current paths and non-radiative recombination center.
유리기판 위에 약 500 nm 의 두께로 성장된 ZnO층의 구조적, 광학적, 전기적 성질에 미치는 갈륨도핑의 영향에 대하여 연구 하였다. 다결정 ZnO 와 GZO 층은 상온에서 radio frequency magnetron sputtering 법을 사용하여 성장되었다. 투과전자현미경 (TEM)과 x-ray 회절분석 (XRD)에 의하면, 갈륨이 도핑된 ZnO 박막의 결정성은 ZnO에 비하여 향상되었고 (002)방향을 따라 우선성장 되었음이 발견되었다. GZO 박막의 투과도는 가시광 영역에서 ZnO 박막에 비해 약 10% 정도 향상된 것으로 나타났다. PL 분석에 따르면, NBE emission 세기와 DL emission 세기의 비는 GZO 와 ZnO의 경우 각각 2.65:1 과 1.27:1로 나타났다. GZO와 ZnO의 비저항은 각각 1.27과 1.61 $\Omega{\cdot}cm$로서 GZO의 전기전도도가 높았다. GZO 와 ZnO의 캐리어농도는 각각 $10^{18}$ and $10^{20}cm^2$/Vs으로 측정되었다. 본 실험결과 따르면, Ga 도핑으로 인해 ZnO 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성이 향상되었음을 알 수 있었다.
ZnO materials with a wide band gap of approximately 3.3 eV has been used in transparent conducting oxides (TCO) due to exhibitinga high optical transmission, but its low conductivity acts as role of a limitation for conducting applications. Recently, Ga or Al-doped ZnO (GZO, AZO) becomes transparent conducting materials because of high optical transmission and excellent conductivity. However, the fundamental mechanism underlying the improvement of electrical conductivity of the GZO is still the subject of debate. In this study, we have fully investigated the reasons of high conductivity through the characterization of plane defects, crystal orientation, doping contents, crystal structure in Zn1-xGaxO (x=0, 3, 5.1, 5.6, 6.6 wt%). We manufactured Zn1-xGaxO by sintering ZnO and Ga2O3 powers, having a theoretical density of 99.9% and homogeneous Ga-dopant distribution in ZnO grains. The GZO containing 5.6 wt% Ga represents the highest electrical conductivity of $7.5{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}m$. In particular, many twins and superlattices were induced by doping Ga in ZnO, revealed by X-ray diffraction measurements and TEM (transmission electron microscopy) observations. Twins developed in conventional ZnO crystal are generally formed at (110) and (112) planes, but we have observed the twins at (113) plane only, which is the first report in ZnO material. Interestingly, the superlattice structure was not observed at the grains in which twins are developed and the opposite case was true. This structural change in the GZO resulted in the difference of electrical conductivity. Enhancement of the conductivity was closely related to the extent of Ga ordering in the GZO lattice. Maximum conductivity was obtained at the GZO with a superlattice structure formed ideal ordering of Ga atoms.
The $ZnGa_2O_4$:Cr phosphor was synthesized through solid-state reactions at the various molar ratio of Cr from 0.002 % to 0.01 %. The XRD patterns show that the Cr-doped $ZnGa_2O_4$ has a (311) main peak and a spinel phase. Also the emission wavelength shills from 510 to 705 nm in comparison with $ZnGa_2O_4$:Mn when Cr is doped in $ZnGa_2O_4$. These results indicate that $ZnGa_2O_4$ phosphors hold promise for potential applications in field-emission display devices with high brightness operating in full color regions.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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제12권1호
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pp.11-15
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2011
In this study, $ZnGa_2O_4$ phosphors in its application to field emission displays and electroluminescence were synthesized through the precipitation method and $Mn^{2+}$ ions. A green luminescence activator, $Cr^{3+}$ ions, and a red luminescence activator were separately doped into $ZnGa_2O_4$, which was then screen printed to an indium tin oxide substrate. The thick films of the $ZnGa_2O_4$ were deposited with the various thicknesses using nano-sized powder. The best luminescence characteristics were shown at a thickness of 60 ${\mu}m$. Additionally, green-emission $ZnGa_2O_4:Mn^{2+}$ and red-emission $ZnGa_2O_4:Cr^{3+}$ phosphor thick films, which have superior characteristics, were manufactured through the screen-printing method. These results indicate that $ZnGa_2O_4$ phosphors prepared through the precipitation method have wide application as phosphor of the full color emission.
본 연구에서는 박막형 $ZnGa_2O_4:Mn$ 산화물 형광체의 음극선루미느센스 특성과 구조적 성질에 대하여 field emission scanning electron microscopy (FESEM), atomic force microscopy (AFM), photoluminescence (PL), 그리고 cathodoluminescence (CL) 방법을 이용하여 조사하였다. $ZnGa_2O_4:Mn$ 형광체 타겟으로부터 $Mn^{2+}$ 이온의 $^4T_1{\rightarrow}^6A_1$ 전이에 의한 506nm 파장에서의 PL emission 스펙트럼이 관찰되었다. 색좌표는 x = 0.09, y = 0.67 이었다. $ZnGa_2O_4:Mn$ 박막의 여기 스펙트럼은 $Mn^{2+}$ 이온 흡수에 의한 294 nm의 피크 파장을 나타내었다. 낮은 압력에서 증착한 $ZnGa_2O_4:Mn$ 형광체 박막은 고밀도의 치밀한 단면구조를 보였고, 높은 세기의 음극선루미느센스가 505 nm 피크 파장에서 나타났다. 표면 거칠기가 음극선루미느센스의 세기에 미치는 영향은 관찰되지 않았다.
고상반응법에 의한 제조한 ZnGa$_2$O$_4$형광체에 Li 및 Tm 원소를 도핑함에 따른 발광특성을 조사하였다. 254nm 여기 하에서, 환원 처리된 ZnGa$_2$O$_4$형광체는 245nm에서 흡수피크와 380nm에서 발광피크를 나타내며, 이는 스피넬 구조에서 Ga$^{3+}$ 이온의 $^4$T$_2$$\longrightarrow$$^4$A$_2$천이에 기인한다. ZnGa$_2$O$_4$형광체에 있어서 Li 및 Tm을 도핑했을 경우가 도핑하지 않은 시료에 비해 발광강도 및 색순도가 개선되었으며, Li 및 Tm을 각각 0.1 mol, 0.01 mol 첨가했을 때 가장 우수한 발광강도 및 색순도 특성을 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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