라디오주파수 스퍼터링 방법으로 제조된 Ga2O3 나노밤송이

Abstract

Indium-Tin-Oxide(ITO)로 대변되는 투명하고 전도성이 있는 박막은 pannel display, 발광소자, 태양전지 등 최근 각광받고 있는 전자산업에서 많이 이용되고 있다. 광전자소자의 성능 향상과 직결되는 투명전극의 특성 중 가장 중요한 점은 가시광선영역에서 광투과율이 높고, 전기전도도가 좋아야 한다는 것이다. 최근 ITO를 대체하기 위한 새로운 투명전극 소재에 대한 연구가 많이 이루어지고 있는데, ZnO, SnO2, In2O3, Ga2O3, MgO 등의 복합 다체계 산화물로 이루어진 새로운 조합의 소재가 많은 관심을 끌고 있다. 본 논문에서는 Gallium oxide(Ga2O3)박막을 RF magnetron sputtering방법을 이용하여 Sapphire(0006)와 Si3N4기판위에 증착하였다. 증착온도는 628 ⁰C 그리고 공정압력은 5×10-3 torr에서 실시하였으며, 반응기체는 Ar gas로 20 sccm을 넣어 주었다. RF input power는 100 W이다. 박막의 증착속도는 64 nm/이다. Ga2O3 박막은 β-(201), α-(0006), β-(603, α-(00012) 면으로 우선 성장하였다. 초기의 Ga2O3 박막은 평평한 구조로 증착이 이루어졌으나, 증착시간이 20 이 지나면서부터는 밤송이 모양을 가지는 나노구조체가 생성되기 시작하였고, 이후 나노 밤송이의 밀도가 점차 증가하였다. 나노 밤송이는 나노와이어들로 구성되어 있으며, 나노와이어 tip의 직경은 50∼100 nm이다. 결정학적 구조적 그리고 광학적 분석은 scanning electron microscopy(SEM), energy-dispersive x-ray spectroscopy(EDAX), transmission electron microscopy(TEM), x-ray diffraction(XRD) 그리고 photoluescence(PL) 장비로 측정하였다. 그 결과 나노밤송이의 구조 및 핵생성에 대해 알 수 있었으며 성장 방법은 vapor-liquid-solid (VLS)에 의해 성장되어진다는 것 을 알 수 있다. 또한 광학적 특성 분석에 의하면 나노밤송이의 밀도에 따른 밴드갭 변화로 인한 광소자 분야에 응용이 기대 되며, antireflection 효과에 의한 solar-cell에서의 효율증대를 가져 올 것으로 기대 된다.|Recently, Indium-Tin-Oxide(ITO) has been utilized by electronics industry due to transparency and conductivity such as a light emitting diode and a solar cell. Especially, photoelectron device is very important to have high photo penetration ratio and high conductivity at visible region for improvement. New transparent electrode material have been studied as a replacement to ITO. In this paper, Gallium oxide(Ga2O3) thin films were deposited on Sapphire(0006) and Si3N4 substrate by RF magnetron sputtering with a powder target. The depositions were carried out at 628⁰C and 5X10-3 torr leading to a growth rate of 64 nm/min. During th growth, the argon gas flow rate and the input RF power of the maintained at 20 sccm and 100w. Ga2O3 grew with the β-(201), α-(0006), β-(603, α-(00012) preferred orientation along the surface normal direction. Initially, the smooth layered structure was grown on the sapphire(0006) substrate. As the film thickness reached a critical thickness, the nano-burr was nucleated on top of the plannar structure. With increasing the growth time, the number of Ga2O3 nano-burr is increased. Then, all surface is covered by nano-burr completely. A Ga2O3 nano-burr composed of many nano-wires. The nanowire tip with diameters of about 50∼100nm were several tens to hundreds of micron long. The morphology, structure and optical properties of products were analyzed by scanning electron microscopy(SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy(EDAX), transmission electron microscopy(TEM), X-ray diffaction(XRD) and photoluescence(PL). These results showed that multiple nucleation and growth of Ga2O3 nano-burr structure. the growth process of Ga2O3 nano-burr structure may be doated by Vapor-liquid-solid(VLS) mechanism. Photonic devices application is expected to change of the band gap by the increased density of the nano-burr. It is expected that the antireflection effect will encourage solar-cell efficiency.