ZnO 박막을 사용한 P-N 이종접합 발광다이오드 소자에 대한 연구

Abstract

ZnO는 UV 영역에서의 광발광 (light emitting) 또는 레이저 다이오드 (laser diode)와 같은 광전자 디바이스를 위한 넓은 밴드 갭을 가진 반도체 물질이다. 상온에서 ZnO의 엑시톤(exciton)결합에너지는 60 meV로 기존의 GaN 및 ZnSe 의 경우 각각 25 및 19 meV에 비해서 상당히 크며, 진동자 강도 (0scillator strength)가 GaN 의 경우 100 cm^(-1)에 비해 ZnO는 300 cm^(-1)로 3배 정도 강하며, 또한 포화 속도 (saturation velocity; Vs)가 GaN에 비하여 크기 때문에 엑시톤을 이용하는 ZnO 광소자의 경우 높은 진동자 강도, 고광효율 및 고속의 광소자 성능을 기대할 수 있다. 여러 가지 광다이오드 및 광 발광다이오드 광소자의 제작 및 응용에 사용되는 박막의 구조는 주로 p-n 및 p-i-n 형태의 박막이며 박막의 두께가 μm 이하 또는 수 μm 크기로 사용되기 때문에, 각 층의 표면 조도 (morphology)가 증가하는 경우, 계면에서 국부적으로 틈 (void) 형성 등으로 인한 소자의 전기 누설, 불 균일 전하 주입 (injection) 및 특히 광다이오드의 경우 반사 공동 (cavity)으로 역할이 악화될 수 있다. 또한 전체적으로 박막의 두께의 불균일성으로 인하여 소자를 제작할 때 균일하지 않은 식각 결과를 초래할 수 있어 표면 조도를 낮추는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 ZnO의 광 발광 다이오드용 제작을 위해 RF 스퍼터링 방법을 이용하여 SiC 기판 위에 Cu가 도핑 되어진 ZnO의 타겟을 이용하여 2:1의 아르곤과 산소 비율을 혼합하여 온도 별로 증착 시킨 후 표면의 거칠기와 결정성이 가장 우수한 조건을 찾아보았다. 또한 P-type과 N-type의 오믹(ohmic)특성을 알아보기 위하여 기판이자 n-type으로 사용되어진 SiC의 오믹(ohmic)특성을 다층 전극 구조를 통해 적절한 조건을 발견하였다. 제작 되어진 p-n 이종접합 ZnO의 결정성과 결합에너지를 확인하기 위하여 XRD와 NEXAFS를 측정하였으며 전류-전압 특성을 통하여 낮은 p-type, n-type의 오믹 접촉과 다이오드 특성을 확인하였고 마지막으로 전기적 루미네센스와 광학적 루미네센스를 측정하였으며 실제로 육안으로 확인이 가능한 발광현상을 사진으로 찍어 보았다.