Mg 및 Ga의 몰 농도가 Zn1-xMgxO:Ga 박막의 특성에 미치는 영향 연구

Abstract

산화아연(Zinc Oxide, ZnO)은 Ⅱ-Ⅵ 족 화합물 반도체 및 넓은 직접 천이형 밴드갭을 갖는 산화물 반도체의 대표적인 재료이다. ZnO의 우수한 물성때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다. 또한, ZnO에 MgO를 적절히 고용하여 밴드갭 에너지를 조절할 수 있어 UV-LED의 활성층, 전계효과 트랜지스터 및 태양전지용 window 층에 응용할 수 있다. 그리고 ZnO에 MgO를 고용함으로써 산소 공공을 억제할 수 있다. 하지만 비저항이 크게 증가하게된다. 따라서 3족 원소 (Al, In, Ga 등) 들을 도너로 이용하여 전자 농도를 증가시켜 다양한 소자에 응용할 수 있다. 특히 Ga3+ 이온은 ZnO2+ 이온과 가장 유사한 원자 반경을 가졌으며 Ga-O 및 Zn-O의 공유 결합 길이는 각각 1.92 Å 및 1.97 Å로 Ga이 고농도로 첨가되어도 ZnO 격자 변형을 최소화할 수 있다. ZnMgO:Ga 박막을 졸-겔 법을 이용하여 유리 기판 위에 제조하였다. 용액 합성을 위해 용매인 2-methoxyethanol (2-ME)에 Zn 전구체 (Zinc acetate dihydrate), Mg 전구체 (Mg acetate tetrahydrate) 및 Ga 전구체 (Ga nitrate hydrate)를 용해시켜 합성 용액을 합성했다. 그리고 졸 안정제로서 monoethanolamine (MEA)을 사용하였다. ZnO의 몰 농도는 0.3 M로 고정하고 Mg은 각각 Mg / Zn이 각각 5 mol.% 및 25 mol.% 첨가하였다. 다음으로 Ga을 Ga / Zn이 각각 1 mol.% 및 10 mol.%가 되도록 첨가하였다. 또한, 몰 농도에 따라 특성을 비교하기 위해 몰 농도를 0.1 M, 0.3 M 및 0.5 M으로 제작하였으며 Mg과 Ga은 각각 25 mol.% 및 10 mol.%로 용액을 제작하였다. 완성된 용액은 유리 기판 위에 스핀 코팅을 이용하여 증착하였다. 제작된 박막은 XRD, XPS 및 UV-vis을 통해 구조적, 화학적 결합 및 광학적 특성을 분석했다. 먼저 0.3 M로 고정하여 제작한 박막은 Mg과 Ga의 농도가 증가할수록 박막 성장 기구는 c-축 우선 배향 성장에서 무작위 성장으로 변화하였다. XPS를 이용하여 O (1s)의 화학 결합 상태를 분석한 결과, Mg과 Ga 의 첨가에 따른 산소이온 (OI) / 산소공공 (OII) 비는 증가하였다. 반응 소스의 Ga 전구체 함량이 증가할수록 박막 내로 함유되는 Mg의 농도가 반응 소스의 Mg 전구체 함량보다 작아졌다. 대부분의 시료는 가시광 영역에서 80% 이상의 투과율을 보여주었지만, Mg 25 mol.% 및 Ga 10 mol.% 첨가된 시료는 약 400 nm에서 비교적 낮은 투과율을 보여주었다. 몰 농도에 따라 비교하기 위해 제작한 0.1M, 0.3M 및 0.5M 박막은 몰 농도가 증가할수록 c-축 우선 배향 성장에서 무작위 성장으로 변화하였다. XPS 결과, 0.3M에서 산소이온 (OI) / 산소공공 (OII) 비가 가장 큰 값을 가졌다.

Zinc oxide (ZnO) is a representative material for II-VI group compound semiconductors and oxide semiconductors with a wide direct transition bandgap. Due to the excellent physical characteristics of ZnO, research is being carried out in various fields. In addition, the bandgap energy can be adjusted by appropriately replaced MgO for ZnO, and it can be applied to the field effect transistor, the active layer of UV-LED, and the window layer for solar cells. Then, by replacing MgO for ZnO, oxygen vacancies can be suppressed. However, the resistivity will increase significantly. Therefore, Group 3 elements (Al, In, Ga, etc.) can be used as donors to increase the electron concentration and be applied to various devices. In particular, the Ga3+ ion has an atomic radius most similar to that of the ZnO2+ ion, and the covalent bond lengths of Ga−O and Zn−O are 1.92 Å and 1.97 Å, respectively, and even if Ga is added at a high concentration, the ZnO lattice distortion can be minimized. A ZnMgO: Ga thin film was deposited on a glass substrate using a sol-gel method. For solution synthesis, a synthesis solution was synthesized by dissolving a Zn precursor (Zinc acetate dihydrate), a Mg precursor (Mg acetate tetrahydrate), and a Ga precursor (Ga nitrate hydrate) in 2-methoxyethanol (2-ME). And monoethanolamine (MEA) was used as a sol stabilizer. The molar concentration of ZnO was fixed at 0.3 M, and Mg/Zn was added at 5 mol.% and 25 mol.%, respectively. The molar concentration of ZnO was fixed at 0.3 M, and Mg was added 5 mol.% and 25 mol.% each for Mg / Zn, respectively. Next, Ga was added 1 mol.% and 10 mol.% each for Ga / Zn, respectively. In addition, molar concentrations were prepared at 0.1 ~ 0.5 M to compare the characteristics according to the molar concentration, and Mg and Ga were added at 25 mol.% and 10 mol, respectively. The completed solution was deposited on a glass substrate using spin coating. The deposited thin film analyzed structural, chemical bonding, and optical properties through XRD, XPS, and UV-vis. First, as the concentrations of Mg and Ga were increased, the growth mechanism changed from a c-axis preferential orientation growth to random growth. As a result of analyzing the chemical bond state of O (1s) using XPS, the ratio of oxygen ions (OI) / oxygen vacancy (OII) increased with the addition of Mg and Ga. As the content of the Ga precursor in the reaction source was increased, the concentration of Mg contained in the film became smaller than the content of the Mg precursor in the reaction solution. Most of the samples showed a transmittance of 80% or more in the visible light region, but the samples added with Mg 25 mol.% and Ga 10 mol.% showed relatively low transmittance at about 400 nm. The 0.1M, 0.3M, and 0.5M thin films prepared for comparison according to the molar concentration changed from c-axis preferential orientation growth to random growth as the molar concentration increased. As a result of XPS, the oxygen ion (OI) / oxygen vacancy (OII) ratio had the largest value at 0.3M.