분무열분해법으로 성장된 CdO:Ce 박막의 구조와 광학적 특성

Abstract

CdO(Cadmium Oxide)는 1907년에 Badeker에 의해 보고된 투명 전도성 산화물(Transperent Conducting Oxides ; TCO)의 첫 번째 예 중 하나이다[1]. CdO의 결정구조는 입방구조이며, Cd 격자간 결함과 산소 공격자와 같은 주개 결함의 Ⅱ-Ⅳ 반도체로 가시광선 영역에서 광투과율이 높고 전기적 전도성이 좋은 n-형 박막이다. CdO 박막은 실온에서 2.2-2.8 eV의 광학적 에너지 띠 간격을 갖는다고 알려져 있다. 또한 CdO 박막은 광전기적인 특성이 좋아서 최근에 투명한 전극, 태양전지, 광 트랜지스터(photo-transistor), 광 다이오드, 가스센서 등에 많이 이용되고 있다[2-5]. 이러한 응용성 때문에 투명한 전도성 산화물(transparent conducting oxides : TCO)이 광전소자 등에 많이 이용되고 있으며, 광전소자들의 효율과 성능은 TCO 물질의 전기적 광학적 특성에 의존한다. TCO 물질의 전기적인 특성을 개선하기 위하여 시료에 불순물을 주입하여 시료의 운반자 농도를 증가시키거나 이동도를 증가시켜서 TCO 물질의 전기전도도를 향상시킬 수 있으며 시료의 광학적 투과율은 운반자 농도에 의존함이 알려져 있다[6]. 또한 CdO 박막의 특성은 시료의 산화상태와 불순물로 첨가된 물질(F, Sn Ce, Cr 등)의 양과 원소에 의존하고, 증착기술 및 열처리 등의 조건에 따라 달라진다고 알려져 있다[1, 7, 8]. CdO:Ce 박막을 제조하는 방법에는 진공증착법[9-11], rf-sputtering법[12-14], chemical bath deposition(CBD), 분무열분해법과 같은 화학적 방법[15-24] 등이 이용되고 있는데, 이러한 방법은 화학적 조성을 조절하는 것은 우수하나, 고가의 진공장치를 필요로 하며 박막의 성장속도가 느리다는 단점이 있다. 그러나 분무열분해법은 고용체 용액을 가열된 기판 위에 분무하여 반도체 박막 및 황화물 박막을 성장시키는 방법으로서 박막제조 과정이 다른 방법에 비하여 간단해 상용의 전도성 박막제조 등에 많이 이용되고 있다. 또한 분무열분해법은 용액의 조성을 자유롭게 조정함으로써 화학적 조성이 일정한 혼합물을 분무할 수 있고 기판의 크기나 모양에 제한을 받지 않는다는 장점이 있다. 본 실험에서는 분무열분해법으로 가열된 유리기판 위에 분무용액을 분무하여 CdO:Ce 박막을 성장시켰다. CdO:Ce 박막의 결정구조를 규명하기 위하여 X-선 회절분광기(X-ray diffractometer)를 이용하였으며, 이때 의 변화에 따른 X-선 회절무늬를 해석하여 결정구조를 조사하고, Ce의 농도에 따른 CdO:Ce 박막의 표면과 미세구조는 주사전자 현미경(scanning electron microscopy)을 이용하여 관찰하였다. UV-VIS-NIR spectrophotometer를 이용하여 CdO:Ce 박막에 입사한 빛의 파장을 변화시키면서 광투과와 광흡수 스펙트럼을 측정하여 광학적인 특성과 에너지 갭을 구하였다.