졸-겔법으로 성장시킨 MgxZn1-xO:In 박막의 전구체의 종류와 농도에 따른 물성에 관한 연구

Abstract

ZnO is a representative n-type oxide semiconductor material and is widely used in electrical, optical applications. Also, ZnO is rich in resources and can be processed at low temperature, so it has good cost competitiveness compared to expensive ITO. Furthermore, a lot of research is being conducted on band gap engineering that increases band gap energy by adding MgO to ZnO properly. Due to these advantages, MgZnO is a very promising material and is used in various fields such as solar cells and electrode of display device. However, the MgZnO thin film without impurities not only has a high specific resistance compared to ITO, but also has a disadvantage in that electrical properties change and become unstable when exposed to the atmosphere. The solution is synthesized by dissolving Zn acetate and Mg acetate in 2-methoxyethanol solvent. Also, for the stable thin film, we add indium precursor. While stirring the solution, monoethanolamine (MEA) is added to the solution as sol stabilizer. After aging the finished solution for more than 24 hours, spin coating was performed 20 times each 30 seconds in the air. Finally, after depositing the thin film, annealing is performed at 500°C for 2 hours. In-doped MgZnO are grown on sapphire substrate by sol-gel method to reduce the resistivity and prepare a stable thin film in the air. While controlling MgO concentration in ZnO to 5 - 30 mol%, the concentration of Indium will also be changed to 1 - 10 mol %. Fabricated thin films are analyzed structural, electrical, and optical properties through X-ray diffraction, Hall measurement, and UV-vis. In addition, to investigate the effect of magnesium and indium concentration on the property of MgZnO, were measured by using XPS. According to the binding state of oxygen, as the dopant concentration is increased, the OⅠ/OⅡ value decreased, confirming that the number of oxygen vacancies are increased. At this time, OⅠ is the binding energy between metal ions and O2- ions in the crystal structure, and OⅡ is the binding energy due to oxygen vacancies. Therefore, through this experiment, it was confirmed that the oxygen vacancy of the MgZnO:In thin film was reduced and the bonding with the metal was increased when dopant was added in small amounts.

ZnO는 대표적인 n형 산화물 반도체 재료로 전기, 광학 분야에 널리 사용되며 자원이 풍부하고 저온에서 가공할 수 있어 고가의 ITO에 비해 원가경쟁력이 좋다. 또한, ZnO에 MgO를 적절히 첨가하여 밴드갭 에너지를 증가시키는 밴드갭 공학에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 장점으로 인해 MgZnO는 매우 유망한 물질로 태양전지, 디스플레이 소자의 전극 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 불순물이 없는 MgZnO 박막은 ITO에 비해 비저항이 높을 뿐만 아니라 대기에 노출되면 전기적 특성이 변하여 불안정해지는 단점이 있다. 따라서 3족 원소인 인듐을 도너로 첨가하여 안정한 전기적 특성을 얻고자 하였다. MgxZn1-xO:In 박막의 저항률을 낮추고 안정적으로 제조하기 위해 졸-겔 법을 이용해 유리와 사파이어 기판에 제조하였다. 용액은 Zn 아세테이트 및 Mg 아세테이트를 2-메톡시에탄올 용매에 안정적인 박막을 위해 인듐 전구체를 첨가하여 합성한다. 용액을 교반하면서 모노에탄올아민(MEA)을 졸 안정제로 용액에 첨가한다. 완성된 용액을 24시간 이상 숙성시킨 후 공기 중에서 총 20회, 30초씩 스핀 코팅하였다. 마지막으로 박막 증착 후 500℃에서 2시간 열처리를 진행했다. 유리 기판 상에는 인듐 전구체를 아세테이트. 염화물, 질화물의 세 가지 종류로 하고, 마그네슘과 인듐 전구체의 농도를 변화시켜 실험을 진행하였다. 그리고 사파이어 기판 상에는 유리 기판 실험 결과 가장 특성이 좋다고 판단한 인듐 염화물 전구체를 사용하여 Mg 농도를 5 - 30 mol%로, Indium의 농도를 1 - 10 mol%로 변화하며 실험을 진행하였다. 제작된 박막은 XRD, UV-vis, Hall 측정, EDS, XPS를 통해 구조적, 전기적, 광학적 특성을 분석했다. XRD 측정 결과 모든 샘플에서 (002) 배향성이 높게 나오는 것을 확인할 수 있었고, UV-vis 측정시 대부분의 샘플이 80% 이상의 투과도를 나타내는 것을 볼 수 있었다. 또한 EDS 측정 결과 용액 기반의 합성법임에도 불구, 박막의 조성이 유사하게 형성된 것을 확인할 수 있다. XPS 측정 결과 산소의 결합상태에 따라 도펀트 농도가 증가할수록 OⅠ/OⅡ값이 감소하여 산소 공공 수가 증가함을 확인하였다. 이때, OⅠ은 결정 구조에서 금속 이온과 O2- 이온의 결합 에너지이고, OⅡ는 산소 공공에 의한 결합 에너지이다. 따라서 본 실험을 통해 MgZnO:In 박막의 산소 공공이 감소하고 도펀트를 소량 첨가할 경우 금속과의 결합이 증가함을 확인하였다.