Investigation of Zinc Oxide Thin Films for Optoelectronic Applications

Abstract

본 연구에서는 ZnO의 결함 상태가 바뀌면서 나타나게 되는 여러 가지 현상의 원인에 대해 논의하였다. Si(100) 면 위에 성장한 ZnO의 경우, 후열처리 과정을 통하여 비정질의 SiOx이 ZnO과 Si 기판 사이에 자연적으로 형성되는 것을 투과전자현미경을 통해서 확인하였다. 온도가 높은 경우 Si이 확산 과정을 통해 ZnO으로 침투하기 때문에 후열처리 온도가 중요한 요소임을 확인하였다. ZnO와 Si 계면에 형성된 비정질의 SiOx은 형성되기 위해 ZnO의 전자를 가져가게 되며 이 과정 때문에 ZnO의 electric potential이 높아지게 되는 것이다. 이 현상은 Si과 ZnO의 정류특성에 크게 영향을 주는 것을 확인하였다.

제작된 n-ZnO/p-Si 이종접합의 빛에 대한 반응을 조사하였다. ZnO의 두께를 증가시켰을 때, 자외선 근처의 빛에 대해 반응이 크게 증가하는 것을 확인하였고 가시광선 영역의 반응은 크게 감소하였다. 500 nm 두께의 ZnO의 경우 0.55 A/W 였으며, 420 nm의 빛에 파장에서 좁은 밴드가 형성된 것을 광전류 측정법을 이용하여 확인하였으며, 또한, 540, 560 nm의 빛에서는 빛에 대해 반응이 느린 것을 확인하였다. 이러한 현상은 아연 결함이 만들어 낸 두 가지 결함 상태 때문인 것으로 추측된다.

산소가 아닌 질소를 증착 과정에서 넣었을 때는 빛에 대해 오히려 전류가 감소하는 현상이 발견되었다. Negative photoconductivity는 빛의 파장이 자외선 영역에 도달하였을 때 발견되었다. 이러한 극성변화를 설명하기 위해 PL과 DLTS 측정을 실시하였다. DLTS 측정으로부터 활성화 에너지가 각각 0.51 eV, 0.54 eV인 두 가지 결함이 발견되었으며 이는 산소 부족에 의한 결함과 질소 원자의 치환에 의한 것으로 고려된다. 이러한 결함 상태는 바이어스 전압이 0일 때는 페르미 준위 아래에 있기 때문에 광전류 감소 현상이 보이지 않다가, 바이어스 전압을 인가함으로써 결함 상태의 일부가 페르미 준위 보다 높아지면서 광전류 감소 현상을 보이게 된다. 이 실험을 통해서 결함 상태의 비워져 있는 영역이 광전류 감소 현상에 큰 기여을 함을 알 수 있었다.

GaN 기판 위에 ZnO을 증착 시킨 경우 중간 계면에 비정질의 SiOx이 형성되지 않기 때문에 barrier가 형성되는 원인이 다소 다르다. 후열처리 온도를 증가시키면 전위 장벽 높이는 증가하나 ideality factor는 감소하였다. 표면 거칠기는 1 nm였으며 이는 증착하는 동안의 기판회전 속도와 무관하다. 하지만, PL 측정을 통하여 기판 회전속도를 증가시킴으로써 ZnO의 결함상태가 크게 증가하는 것을 확인하였다. 광전류 측정을 통해서는 아연 결핍 결함상태에 의한 photoresponse 현상과 slow relaxation photoresponse 현상이 발견되었다.