RF Magnetron Sputtering 법으로 증착한 Al-doped ZnO 투명 전극 박막

Abstract

투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)은 태양전지, 디스플레이, 광학 소자 등 다양한 분야에서 전극용 재료로서 사용되고 있다. 현재 투명전극 물질로서 가장 많이 사용되고 있는 재료는 전기적, 광학적으로 우수한 특성을 보이는 ITO(Sn-doped indium oxide)이지만 고가인 인듐의 양을 줄이거나 완전히 대체할 수 있는 물질의 연구개발 필요성이 크게 대두되고 있다. 이러한 목적으로 본 연구에서는 AZO(Al-doped ZnO)에 대하여 박막제조 공정 및 박막의 배향성 제어를 통해 전기적 특성을 최적화함으로서 ITO 대체 가능성을 규명하고자 하였다. 본 실험에서는 먼저 소결온도 1500℃, 1650℃에서 1, 2, 3 wt%의 Al2O3가 도핑된 ZnO 타겟을 제조하였고, 이 타겟들을 사용하여 RF magnetron sputtering법으로 α-sapphire(0001), MgO(100), 그리고 fused silica glass 기판 위에 AZO 박막을 성장시켰다. 기판과 타겟 사이의 거리(DTS) 10 cm에서, 기판온도(200∼600℃)와 아르곤 분압(1, 3, 5 mTorr)을 조절함으로서 박막의 전기적 특성을 최적화하였고, 그 후 5 cm의 DTS에서 스퍼터링 파워(40∼220 W), 기판온도(300∼450℃) 및 아르곤 분압(1, 3, 5 mTorr)을 조절함으로서 공정조건을 최적화 하고자 하였다. 여러 공정 변수를 변화시켜가며 증착된 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 다양한 분석 방법을 통하여 살펴보았다. 본 실험결과, 모든 타겟은 96%이상의 높은 소결 밀도를 가졌고, 도핑 농도가 증가할수록 비저항이 낮아지는 결과를 보였다. XRD 분석을 통해서 소결 온도가 높을수록 이차상인 AlZn2O4 spinel상의 양이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. θ-2θ 분석과 pole-figure를 통한 박막의 구조 분석을 통해서 sapphire, MgO, 유리 기판 위에 박막이 각각 biaxial texture, mixed biaxial texture, 그리고 fiber texture의 배향성을 갖고 성장한 것을 확인할 수 있었고, 이러한 박막의 구조적 차이에 의해 AZO 박막이 다른 전기적 특성을 보이는 것을 확인하였다. 10 cm의 DTS와 200 W의 스퍼터링 파워에서 sapphire 단결정 기판 위에 증착된 AZO 박 막은 기판온도가 증가함에 따라 전하이동도는 계속해서 증가하였지만 전하밀도가 450℃부터 감소하여 450℃에서 가장 낮은 비저항을 보였다. MgO 단결정 위에서 증착된 박막은 전하밀도와 전하이동도가 모두 기판온도가 증가함에 따라서 증가하다가 감소하는 경향을 보이면서 425℃에서 가장 낮은 비저항을 나타내었고, glass 기판 위에 증착된 박막도 유사한 경향성을 보이며 375℃에서 가장 좋은 비저항을 나타내었다. 모든 기판 위에서 1 mTorr의 아르곤 분압에서 가장 좋은 비저항 값을 나타내었고 sapphire, MgO, glass기판 위에서 각각 5.18x10-4Ω-cm, 7.31x10-4Ω-cm, 4.36x10-4Ω-cm의 비저항을 나타내었다. 5 cm의 DTS에서 증착된 박막은 sapphire, MgO 위에 증착된 박막은 200W-375℃, glass 기판 위에서 증착된 박막은 80W-325℃에서 최적의 전기적 특성을 나타내었고, 모든 기판 위에서 1 mTorr의 아르곤 분압에서 각각 3.35x10-4Ω-cm, 3.57x10-4Ω-cm, 4.22x10-4Ω-cm의 낮은 비저항을 나타내었다. 모든 기판 위에서 1650℃에서 소결된 1wt% 도핑된 AZO 타겟을 사용하였을 때 가장 우수한 전기적 특성(∼10-4Ω-cm)과 광학적 특성(투광도∼85%)을 얻을 수 있었다. 결론적으로 AZO 박막 제조 공정의 최적화와 박막의 배향성을 제어함으로서 기존의 ITO 박막에 버금가는 우수한 전기 전도성을 얻을 수 있었다. 이를 통해서 산업용 유리 기판 위에 epitaxy MgO나 sapphire 층을 올린 후 AZO 박막을 제조할 수 있는 기술이 발전된다면 현재 사용되고 있는 값비싼 ITO를 충분히 대체할 수 있을 것으로 사료된다.