Correlationship of the electrical, optical and structural properties of P-doped ZnO films grown by magnetron sputtering

마그네트론 스퍼터링에 의해 phosphorous 도핑된 ZnO 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성의 연관성

ZnO는 3.36eV의 넓은 밴드캡을 가지는 II-IV족 반도체로써 태양전지, LED와 같은 광학적 소자로 이용이 기대가 되는 물질이다. 더욱이, 상온에서의 60meV에 해당하는 큰 엑시톤 에너지와 밴드캡 에지니어링이 가능하다는 장점 때문에 광학적 소자로 널리 이용되고 있는 GaN을 대체할 수 있는 물질로 주목을 받고 있다. 하지만, p-type ZnO는 형성이 어렵고 낮은 이동도와 케리어 농도의 특성을 보이고, 대기 중에 장시간 노출할 경우 n-type ZnO의 특성으로 돌아가는 불안정성을 보이고 있다. 최근에 몇몇의 연구자들에 의해 V족의 원소인 P(phosphorous), N(nitrogen), As(arsenic))를 도핑하여 p-type ZnO의 형성에 대한 논문이 발표되고 있다. 또한, V족 원소 중에 P는 p-type ZnO 형성에 효과적인 도핑 물질로 보고되 고 있다. 본 연구는 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 다양한 온도에서 성장된 P도핑 ZnO 박막의 특성에 대해 연구하였다. P도핑된 ZnO 박막은 사파이어 기판에 buffer층을 사용한 Insulator 특성의 ZnO박막위에 400, 500, 600, $700^{\circ}C$에서 성장되 었다. 박막의 특성 분석에는 325nm의 파장을 가지는 He-Cd의 레이져 광원을 사용하여 10K의 저온 PL과 0.5T의 자기장을 사용한 van der Pauw configuration에 의한 Hall effect측정, 그리고 결정성 분석에는 XRD와 TEM을 이용하였다. 상온 Hall-effect 측정 결과, $400{\sim}600^{\circ}C$ 에서 성장된 박막은 n-type의 특성을 보였고, $700^{\circ}C$에서 성장된 Phosphorous 도핑 ZnO박막은 $1.19{\times}10^{17}$의 캐리어 농도를 가지는 p-type의 특성을 보였다. 그리고 XRD분석과 TEM분석을 통하여 박막의 성장온도가 증가 할수록 P도핑된 ZnO박막의 결정성이 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한 10K의 저온 PL분석을 통해 p도핑에 의한 액셉터에 관련된 피크들을 관찰할 수 있었다.