플라스틱 기판위에 알루미늄 또는 갈륨을 도핑한 투명전극용 ZnO 박막의 전기광학적 특성 연구

Abstract

21세기에 접어들면서 각종 정보통신의 발달과 함께 멀티미디어의 시대가 도래함에 따라 언제 어디서나 정보를 주고 받을 수 있어야 하는 필요성이 점점 더 요구되고 있다. 이에 따른 정보 디스플레이 제품은 기존 CRT 디스플레이에서부터 평판 디스플레이들로 빠르게 전환되고 있다. 현재 LCD, PDP 및 OLED가 평판 디스플레이 시장을 대부분 차지하고 있으며, 디스플레이의 휴대화, 저소비 전력화, 경량화 등이 더욱 요구되어 차세대 디스플레이라 지칭되는 3D 디스플레이나 flexible 디스플레이가 가까운 미래에 등장할 것으로 예측된다. 이에 따라 디스플레이 강국이라 자부하는 한국 및 전세계적으로 디스플레이 재료의 개발이 진행되고 있다. 재료개발의 한가지 예로써 현재 평판 디스플레이의 공통전극 및 화소전극으로 이용되는 투명전극은 전기적으로 낮은 비저항 특성과 광학적으로 가시광선 영역에서의 높은 광투과성, 적외선 영역에서의 높은 반사율 특성, 그리고 화학적으로 용이한 습식에칭 특성을 필요로 한다. 이런 특성을 충족시키는 투명전극재료로 현재 ITO(Indium Tin Oxide) 박막이 사용되고 있다. 그러나 ITO는 주원료로 사용되는 In에 의해 여러 가지 문제점이 발생하게 된다. In이 희귀원소이기 때문에 원료수급이 수월하지 못해 가격이 비싸며 또한 ITO는 독성 물질이고, 고온 공정시 In의 확산으로 인한 소자열화문제, 수소 plasma 하에서 In과 Sn의 금속으로 환원됨으로써 불안정해진다는 단점을 가진다. 따라서, 이러한 문제점을 보완할 수 있는 새로운 물질의 개발이 요구되었고, 많은 개발들이 이루어져 왔다. SnO2(Tin Oxide)는 ITO보다는 값이 싸며 화학적으로 안정하여 연구된 재료이지만, 전극 패턴 형성 시 에칭이 어렵다는 것과 저항이 크다는 단점을 지닌다. 이에 비하여 ZnO(Zinc Oxide)는 3.3eV 근처의 band gap을 갖는 전형적인 n-type 반도체로서, 광전 소자로 사용하기 위한 투명 전도 물질로 많은 장점을 가지고 있다. 다만 진성 ZnO의 경우 전기적인 성질은 거의 부도체에 가깝기 때문에 전도성을 부여하기 위한 별도의 공정이 필요하다. 하지만 ZnO 박막은 도핑(doping)이 용이하며, 좁은 전도대역을 가지기 때문에 도핑 물질에 따라 전기적, 광학적 성질을 쉽게 바꿀 수 있다. ZnO의 기본적인 band gap 특성 때문에 자외선 흡수에도 사용할 수 있으며 적은 비용으로 제작 가능하며 높은 광투과성과 전도도 특성을 가지므로 실용적인 투명전도막 재료로 쓰이게 될 것으로 예상된다. 본 연구에서는 ZnO에 Al과 Ga을 도핑한 타겟을 사용하여 높은 carrier mobility와 concentration을 지닌 박막을 제조하는 것에 그 목표가 있으며 또한 궁극적으로는 플라스틱 기판 위에 박막을 증착시켜 차세대 flexible 디스플레이로의 적용이 가능한지를 논의하고자 한다. 이에 따라 공정압력과 방전 전력에 따른 실험을 통하여 박막 특성을 평가하고 이들 분석으로부터 얻은 데이터를 토대로 구조 및 전기·광학적 특성을 연구하였다.; The development of transparent conductive oxide (TCO) thin films has been a main theme of research for an application of flat panel displays (FPD), and it is necessary that the research for adapting TCO to the flexible display expected to be the next generation display at this time. Nowadays, the primary TCO is Sn - doped indium oxide (ITO), which has a low resistivity and a high transmittance in the visible light range. However, ITO is very expensive and toxic material. Also, ITO is unstable in a H2 plasma. Therefore, there is much research for alternative TCO materials. In recent years, doped zinc oxide (ZnO) has been attractive. Zinc is very cheep, non toxic, chemically inert, and stable in H2 plasma. ZnO is a Ⅱ-Ⅵ compound semiconductor and has a wide band gap of about 3.3 eV, but the electrical properties of intrinsic ZnO thin films are not good. Therefore, some elements (Al, Ga, In, Ti, B etc.) are added in order to improve the conductivity of intrinsic ZnO films. Especially, Al and Ga doped ZnO (ZnO:Al, ZnO:Ga) thin films show relative low resistivity and high transmittance in the visible light range. In this experiment, in order to obtain the excellent transparent conducting film with low resistivity and high optical transmittance for flexible display, Al and Ga doped ZnO thin films were deposited on polycarbonate plastic substrate by dc magnetron sputtering and we studied the influence of the working gas pressure and the discharge power on the structural, electrical, optical and morphological properties of Al and Ga doped ZnO thin films. Also, to adapt the flexible display, we estimated the properties of each film after bending test. The obtained films were polycrystalline with preferentially oriented in the (002) crystallographic direction. At Al doped ZnO thin films, the lowest resistivity was 2.35×10^(-2) Ωcm with Hall mobility of 1.36 ㎠/Vs and carrier concentration of 2.0×10^(20)cm^(-3), which deposited at 5mTorr and 0.5 W/㎠. The average transmittance was 86 % in the visible wavelength range; 300~800nm. And these properties were sustained until the 3 cm of bending curvature radius and the 30th of bending frequency in bending test. In case of Ga doped ZnO thin film, the lowest resistivity was 4.58×10^(-3) Ωcm with Hall mobility of 4.87 ㎠/Vs and carrier concentration of 2.8×10^(20)cm^(-3), which deposited at 5mTorr and 0.75 W/㎠. The average transmittance was 88 % in the visible wavelength range. And these properties were sustained until the 2 cm of bending curvature radius and the 50th of bending frequency in bending test.