라디오주파수 스퍼터링 방법으로 제조된 Ga2O3 나노와이어의 구조적, 광학적 특성

Abstract

투명하고 전도성이 있는 박막 (Indium-Tin-Oxide(ITO))는 panel display, 발광소자, 태양전지 등의 전자산업에서 많이 이용되고 있다. 광전자소자의 성능 향상과 직결되는 투명전극의 특성 중 가장 중요한 점은 가시광선영역에서 광투과율이 높고, 전기전도도가 좋아야 하며, 광 효율이 좋아야 한다는 것 이다. 최근 ITO의 문제점인 연료의 고갈과 높은 가격으로 인하여 이를 대체하기 위한 투명전극 소재에 대한 연구가 진행 중에 있는데, Zn, Sn, In, Ga, Mg등으로 이루어진 다체계 산화물 조합이 많은 관심을 끌고 있다. 본 논문에서는 Gallium oxide(Ga2O3) 물질을 Radio Frequency magnetron sputtering방법을 이용하여 결정성이 없는 비정질 물질인 Glass 기판 위에 증착 하였다. 증착온도는 480~500⁰C, Working pressure은 5×10-3 torr에서 실시하였으며, 반응기체로는 불활성기체인 Ar gas 20 sccm (Standard Cubic Centimeters per Minute)을 주입하였고, RF input power는 100 W이다. 박막의 광학적, 구조적 특성에 변화를 주기위한 변수로는 박막의 두께, 첨가물(In2O3)을 선택하였다. 초기의 Ga2O3 박막은 평평한 구조인 Layer 형태로 성장을 하였지만 두께가 증가할수록 나노와이어가 뭉쳐져 있는 나노밤송이 모양의 구조 체를 만들어졌으며, 더욱 두께가 증가 할수록 더 많은 양의 나노밤송이가 성장이 되었다. In-doped Ga2O3 박막 또한 초기에는 평평한 Layer 형태로 성장을 하였지만 두께가 증가할수록 나노와이어가 뭉쳐져 있는 나노밤송이 모양의 구조체가 성장하였다. 구조적 그리고 광학적인 분석은 scanning electron microscopy(SEM), energy-dispersive x-ray spectroscopy(EDAX), transmission electron microscopy(TEM), x-ray diffraction(XRD) 그리고 UV-Transmittance 장비로 측정하였다. 여러 장비를 통한 분석 결과 증착되어져 있는 두께와 첨가물의 양에 따라서 구조적, 광학적 특성이 바뀌는 것을 알 수 있으며, 성장방법은 Self assembly VLS(Vapor Liquid Solid)에 의해서 성장하는 것을 알 수 있었으며, Ga2O3 박막과 In-doped Ga2O3 박막의 Seed 가 다르다는 것 또한 알 수 있다. 또한 박막의 두께와 첨가물의 양에 따라서 박막의 밴드 갭과 굴절률이 변화하는 것을 알 수 있었는데 이로 인하여 광소자 분야에 응용이 가능할 것으로 보이며 ITO의 대체 물질로서 사용이 가능 할 것으로 보인다.