• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.63-63
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• 2011

비정질 반도체/절연체의 직류와 교류 전도도 스펙트럼은 주파수에 대한 거듭제곱의 법칙 (power-law)을 따르는 보편성이 있음이 확인되었다. 이러한 보편성은 다양한 비정질 반도체/절연체 물질에서 공통적으로 관찰되었으며 현재까지 이 보편성의 물리학적 원인이 정확히 규명되지 않고 있다. 이 보편성을 설명하기 위한 모델로서 비정질 반도체/절연체 내의 전자/정공의 호핑 전도기구 (hopping conduction mechanism)가 제시된 바 있으며 다양한 비정질 시스템의 전도도 스펙트럼 해석에 인용되고 있다. 그러나 직.교류 전도기구 사이의 상이함에 대한 이견이 있으며 현재까지 정확히 규명된 바 없다. 본 연구에서는 비정질 GeSe 반도성 물질의 전도도 스펙트럼을 10 Hz-1 MHz 주파수 대역에서 측정하였으며 이를 위해 백금 상.하부 전극을 갖는 크로스바(crossbar)형의 금속-절연체-금속구조의 2단자 소자를 제작하였다. 측정 스펙트럼으로부터 본 연구의 GeSe 물질이 앞서 언급한 비정질 물질의 보편성에 부합함을 확인하였으며 스펙트럼 내의 직류와 교류 성분을 명확히 분리할 수 있었다. 직.교류 전도도 스펙트럼의 명확한 기구 분리를 위하여 4개의 상이한 면적을 갖는 크로스바에 대한 측정을 실시하였으며 그 결과로 직.교류 전도도의 상이한 면적 의존성을 관찰하였고 이를 근거로 직.교류 전도도가 서로 다른 전도기구에 기인함을 간접적으로 알 수 있었다. GeSe의 전도도 스펙트럼의 온도 의존성 실험을 위해 시편의 온도를 20-300 K 범위에서 변화시키며 전도도 스펙트럼을 측정하였으며 이를 통해 교류 전도도 스펙트럼 내에 상이한 두 개의 전도 기구가 혼재해있음을 규명하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.170-170
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• 2011

태양전지와 박막 트랜지스터를 위한 유망한 재료로서 수소화된 비정질 실리콘과 나노결정 실리콘 박막이 관심을 받아 왔다. 특히, 수소화된 나노결정 실리콘 박막은 비정질 대비 높은 방향성과 조밀한 구조 덕에 박막 태양전지나 TFT(Thin film transistor) 소자의 성능 향상에 기여할 수 있는 물질로 연구되고 있다. 이러한 박막들은 보통 $SiH_4$같은 Si을 포함한 가스에 다량의 $H_2$를 희석시켜 플라즈마 화학 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의해 성장된다. 이러한 CVD증착 방식을 이용하여 결정화된 박막을 얻기 위해서는 대개 높은 수소 희석비를 이용하는 것이 일반적이나, 이러한 공정 방식은 실리콘이 결합되어야 할 결합위치에 bonding energy가 더 높은 수소의 결합을 촉진하게 된다. 이러한 특성은 박막 태양전지에서 효율을 떨어뜨리는 주요 요소로 작용하고 있다.(1) 본 연구에서는 수소의 결합 확률을 낮춘 결정화된 박막을 성장시키기 위해 수소를 대신하여 헬륨을 희석가스로 사용하여 박막을 증착하고 그 특성을 분석해 보았다. 박막의 구조적 특성, 결정화도(Xc), 플라즈마 내 활성 라디칼(Active radical in plasma), Si-H결합 특성, 전도도(Conductivity)와 같은 박막 특성을 알아보기 위해 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy), 라만 분광기(Raman spectroscopy), 광 방출 분광기(OES, Optical Emission Spectrocopy), 적외선 분광기(FT-IR, Fourier Transform-Infrared Spectroscopy), Keithley measurement kit이 사용되었다. 수소를 대신하여 헬륨을 사용함으로써 동일 결정화도 대비 10%이상 낮은 microstructure factor 값을 얻을 수 있었으며 인가되는 RF 전력을 140W까지 증가시켰을 때 약 80%의 결정화도를 관찰할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.291-291
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• 2012

태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 부가가치 창출에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안이며, 특히 에너지 변환 효율과 생산 원가에서 장점이 있는 것이 CIGS 박막 태양전지로 판단된다. 화합물반도체 베이스인 CIGS 박막태양전지는 연구실에서는 세계적으로 20.3% 높은 효율을 보고하고 있으며, 모듈급에서도 13% 효율로 생산이 시작되고 있다. 국내에서도 연구실 규모뿐만 아니라 대면적(모듈급) CIGS 박막 태양전지 증착용 장비, 제조공정 등의 기술개발이 진행되고 있다. CIGSe2를 광흡수층으로 하는 CIGSe2 박막 태양전지의 구조는 여러 층의 단위박막(하부전극, 광흡수층, 버퍼층, 상부투명전극)을 순차적으로 형성시켜 만든다. 이중에 하부전극은 Mo 재료을 스퍼터링 방법으로 증착하여 주로 사용한다. 하부전극은 0.24 Ohm/cm2 정도의 전기적 특성이 요구되며, 주상조직으로 성장하여야 하며, 고온 안정성 확보를 위하여 기판과의 밀착성이 좋아야하고 또한 레이저 패턴시 기판에서 잘 떨어져야 하는 특성을 동시에 가져야 한다. 그리고 CIGSe2의 광흡수층 제조시 셀렌화 공정에서 100 nm 이하의 MoSe2 두께를 갖도록 해야하며, 이는 CIGSe2 박막태양전지의 Rs 값을 줄여 Ohmic 접촉을 향상시키는데 기여한다. 본 연구에서는 CIGSe2 박막태양전지에서 요구되는 하부 전극 Mo 박막의 제작과 CIGSe2 박막태양전지 전체공정에 적용후의 MoSe2/Mo 박막특성에 대해서 연구결과들을 논하고자 한다. (본 연구는 경북그린에너지프론티어기업발굴육성사업 연구지원금으로 이루어졌음).

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.292-292
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• 2012

현재 투명전극은 주로 ITO를 사용하고 있으며, ITO는 인듐산화물(In2O3)과 주석산화물(SnO2)이 9대 1의 비율로 혼합된 화합물로 인듐이 주성분이다. 따라서 ITO 사용량의 증가는 인듐의 수요 증가를 이끌어 2003년 이후 인듐 잉곳의 가격이 급등하였다. LCD에 응용되는 금속재료의 가격추이를 비교해보면, 인듐이 가장 큰 변화를 보이고 있으며, 2005년 인듐 가격은 2002년 대비 1,000% 이상 상승하였다가 2007년 이후 500%p 하락하여 2008년 2월 22일 기준으로 톤당 49만 달러에 거래되고 있다. 같은 기간 동안 알루미늄의 가격은 76.6% 상승하였으며 구리는 394%, 주석은 331% 상승하였다. 이러한 인듐의 가격 상승폭은 동일한 기간 동안 다른 금속 재료와 비해 매우 크며, 단위 질량당 가격도 20배 이상 높은 수준이다. ITO의 주성분인 인듐의 이러한 가격의 급등 및 향후 인듐의 Shortage 예상으로 인해 ITO 대체재 확보의 필요성이 증가되고 있다. 태양광 발전산업에서 현재 주류인 결정질 실리콘 태양전지의 변환효율은 꾸준히 향상되고 있으나, 태양전지의 가격이 매년 서서히 하강되고 있는 실정에서 결정질 실리콘 가격의 상승 등으로 고부가 가치 산업유지에 어려움이 있으며, 생산 원가를 낮출 수 있는 태양전지 제조기술로는 2세대 태양전지로 불리는 박막형이 현재의 대안으로 자리매김하고 있으며, 박막태양전지 산업분야가 현재의 정부정책 지원 없이 자생력을 갖추고 또한 시장 경쟁력을 확보하기 위해서는 박막태양전지 개발과 더불어 저가의 재료개발도 시급한 상황이다. 본 연구에서는 In-line magnetron sputtering system을 사용하여 소다라임 유리기판 위에 박막태양전지용 투명전도성 ZnO(Al) 박막을 제작하였고, 특히 이 박막은 n-형 반도체 특성을 가져야하기 때문에 홀이동도와 개리어농도의 상관관계 및 박막의 두께, 광투과율 특성, 온도 의존성을 조사하였고, 이를 논하고자 한다. (본 연구는 중소기업청의 기술혁신개발사업 연구지원금으로 이루어졌음).

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.193-193
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• 2011

To obtain ceramic films, the sol-gel coating technique has been broadly used with heat treatment, but crack formation tend to occur during heat treatment in thick sol-gel films. We prepared PZT thin films by sol-gel method with single-step spin coating process. The PZT solution have been synthesized using lead acetate ($Pb(CH_3COO)_2$), zirconium acetylacetonate ($Zr(OC_3H_7^n)_4$), and titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) 75wt% in isopropanol ($Ti(OC_3H_7^i)_2(OC_3H_7^n)_2$) as starting materials and n-propanol was selected as a solvent. The poly(vynilpyrrolidone) (PVP) was added with 0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1 molar ratios to control viscosity of solution. We investigated influence of the viscosity on thickness, microstructure, and electrical properties of final PZT films. Thermo-gravimetric analysis and differential scanning calorimeter (TGA/DSC) was carried out from room temperature to $800^{\circ}C$ in order to measure pyrolysis temperature. Structural characteristics were analyzed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Ferroelectric and dielectric properties were measured by RT66A (Radiant) and impedance analyzer (Agilent), respectively. The thicknesses of PZT films depended on incorporation of an excess amount of PVP. Finally, we obtained PZT films of good quality without crack formation via single-step spin coating.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.170-170
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• 2012

최근 주목받고 있는 amorphous InGaZnO (a-IGZO) thin film transistors (TFTs)는 수소가 첨가된 비정질 실리콘 TFT (a-Si;H)에 비해 비정질 상태에서도 높은 이동도와 뛰어난 전기적, 광학적 특성에 의해 큰 주목을 받고 있다. 또한 넓은 밴드갭에 의해 가시광 영역에서 투명한 특성을 보이고, 플라스틱 기판 위에서 구부러지는 성질에 의해 플랫 패널 디스플레이나 능동 유기 발광 소자 (AM-OLED), 투명 디스플레이에 응용되고 있다. 하지만, 실제 디스플레이가 동작하는 동안 스위칭 TFT는 백라이트 또는 외부에서 들어오는 빛에 지속적으로 노출되게 되고, 이 빛에 의해서 TFT 소자의 신뢰성에 악영향을 끼친다. 또한, 디스플레이가 장시간 동안 동작 하면 내부 온도가 상승하게 되고 이에 따른 온도에 의한 신뢰성 문제도 동시에 고려되어야 한다. 특히, 실제 AM-LCD에서 스위칭 TFT는 양의 게이트 전압보다 음의 게이트 전압에 의해서 약 500 배 가량 더 긴 시간의 스트레스를 받기 때문에 음의 게이트 전압에 대한 신뢰성 평가는 대단히 중요한 이슈이다. 스트레스에 의한 문턱 전압의 변화는 게이트 절연막과 반도체 채널 사이의 계면 또는 게이트 절연막의 벌크 트랩에 의한 것으로 게이트 절연막의 선택에 따라서 신뢰성을 효과적으로 개선시킬 수 있다. 본 연구에서는 적층된 $Si_3N_4/SiO_2$ (NO 구조) 이중층 구조를 게이트 절연막으로 사용하고, 완충층의 역할을 하는 $SiO_2$막의 두께에 따른 소자의 전기적 특성 및 신뢰성을 평가하였다. a-IGZO TFT 소자의 전기적 특성과 신뢰성 평가를 위하여 간단한 구조의 pseudo-MOS field effect transistor (${\Psi}$-MOSFET) 방법을 이용하였다. 제작된 소자의 최적화된 $SiO_2$ 완충층의 두께는 20 nm이고 $12.3cm^2/V{\cdot}s$의 유효 전계 이동도, 148 mV/dec의 subthreshold swing, $4.52{\times}10^{11}cm^{-2}$의 계면 트랩, negative bias illumination stress에서 1.23 V의 문턱 전압 변화율, negative bias temperature illumination stress에서 2.06 V의 문턱 전압 변화율을 보여 뛰어난 전기적, 신뢰성 특성을 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.81-81
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• 2012

XMCD (X-ray Magnetic Circular Dichroism)는 원형 편광 X-선의 helicity 방향이 시료의 자화 방향과 평행, 또는 반평행할 때 시료의 색이 바뀌는 현상, 즉 흡수율이 달라지는 현상이다. XMCD측정이 가지는 장점은 첫째, 이 실험이 특정 원소의 흡수선에서 이루어지기 때문에 시료 전체에서 특정 원소에 의한 자기적 성질을 분리해서 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 같은 원소라 하더라도 다른 화학적 환경에 있는 원자들의 자기적 성질의 분리가 가능하다는 점이다. 이러한 성질로 인해 XMCD는 다른 원소들로 이루어진 다층 박막(GMR, TMR 등의 자기저항박막 구조물)의 층별 자기적 성질 연구 및 신자성물질의 자기적 성질의 고유성 연구에 많이 이용되었다. XMCD가 가지는 두 번째 장점은 sum rule을 통하여 자기 모멘트의 두 가지 성분인 궤도 모멘트(orbital moment)와 스핀 모멘트(spin moment)의 구별이 가능하다는 점이다. 이러한 장점은 수직자기 메모리 연구 및 스핀과 격자 간의 상호작용이 중요한 역할을 하는 다강체 등의 연구에 많이 이용되어 왔다. XMCD 측정이 또 다른 장점이 될 수 있는 것은 표면에 대단히 민감하다는 점이다. VSM, SQUID 등의 측정방법으로는 시료의 체적이 대단히 작은 수 ${\AA}$ 정도의 초박막에 대해서는 충분한 민감도를 가질 수 없다. 그러나, XMCD의 측정 깊이는 수십 ${\AA}$ 정도로 표면에 민감하기 때문에 이러한 초박막에 대해서도 충분한 민감도를 가질 수 있어서 SMOKE(Surface Magneto-Optical Kerr Effect)와 표면 자성연구에 있어서 독보적인 장치로 이용되어 왔다. 이러한 장점으로 인해 XMCD는 1990년대 이후 분광학적으로 활발히 이용되어 왔을 뿐만 아니라, 대단히 빠르고 신호가 큰 현상이기 때문에 최근 들어서는 자구(magnetic domain) 관찰 등을 목적으로 한 자기 현미경 및 자기현상의 동역학 연구에도 많이 응용되고 있다. 이 강연에서는 이러한 X-선 자기 원형 이색성 현상의 원리 및 실험 방법 등을 설명하겠다. 또한 몇 가지 X-선 자기 원형 이색성을 이용한 최근 몇 가지 연구도 소개하려 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.255-255
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• 2011

Zinc oxide based thin films have been extensively studied in recent several years because they have very interesting properties and zinc oxide is non-poisonous, abundant and cheap material. ZnO films are employed in different applications like transparent conductive layers in solar cells, protective coatings and so on. Wide industrial application of the ZnO films requires of development of cheap, effective and scalable technology. Typically used technologies don't completely satisfy the industrial requirements. In the present work, we studied effect of the deposition parameters on the structure and properties of ZnO films deposited by DC arc plasmatron. The varied parameters were gas flow rates, precursor composition, substrate temperature and post-deposition annealing temperature. Vapor of Zinc acetylacetone was used as source materials, oxygen was used as working gas and argon was used as the cathode protective gas and a transport gas for the vapor. The plasmatron power was varied in the range of 700-1500 watts. Flow rate of the gases and substrate temperature rate were varied in the wide range to optimize the properties of the deposited coatings. After deposition films were annealed in the hydrogen atmosphere in the wide range of temperatures. Structure of coatings was investigated using XRD and SEM. Chemical composition was analyzed using x-ray photoelectron spectroscopy. Sheet conductivity was measured by 4-point probe method. Optical properties of the transparent ZnO-based coatings were studied by the spectroscopy. It was shown that deposition by a DC Arc plasmatron can be used for low-cost production of zinc oxide films with good optical and electrical properties. Increasing of the oxygen content in the gas mixture during deposition allow to obtain high-resistive protective and insulation coatings with high adhesion to the metallic surface.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.257-258
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• 2012

The SERS spectra of 4-aminobenzenethiol (ABT) have served as the "probe" molecule, which have helped spectroscopists to build up the electromagnetic (EM) and chemical (CHEM) enhancement mechanisms. In particular, the b2-peaks (9b, 3, and 19b) of the SERS spectra of ABT have been attributed to arise from the vibronic charge-transfer (CT) between Au or Ag surface and the ABT. Quite recently, however, Tian and co-workers [1] claimed that the b2-peaks are not the CT-enhanced spectra of ABT. Instead, these peaks arise from the 4,4'-dimercaptoazobenzenes (DMABs) that are produced by the oxidative coupling of two ABTs. Their claim is under intense debate currently. Herein, we studied spatially and temporally resolved SERS spectra of ABTs on Ag thin film (thickness of 10 nm), to investigate such claim. Herein, we present a series of additional evidences that strongly support that the b2 intensities of ABTs do not arise from the CT-enhancement: (1) the b2-peaks can be locally "activated" (i. e. turned on) irreversibly with focused laser radiation; (2) the TOF-SIM spectrometry on the activated region show depletion of ABT-Ag+ ions; and finally (3) the spatially resolved FT-IR spectra of the activated region show two pronounced peaks at 1377 cm-1 and 1460 cm-1, both of which can be assigned to the stretching mode of N=N bond. While the result does not disprove the existence of CT or CHEM enhancement in general, the results do show that previous interpretations of the spectra of ABTs should be re-interpreted.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.53-53
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• 2011

This paper describes results for surface and bulk characterization of the most promising thin film solar cell material for high performance devices, (Ag,Cu) (In,Ga) Se2 (ACIGS). This material in particular exhibits a range of exotic behaviors. The surface and general materials science of the material also has direct implications for the operation of solar cells based upon it. Some of the techniques and results described will include scanning probe (AFM, STM, KPFM) measurements of epitaxial films of different surface orientations, photoelectron spectroscopy and inverse photoemission, Auger electron spectroscopy, and more. Bulk measurements are included as support for the surface measurements such as cathodoluminescence imaging around grain boundaries and showing surface recombination effects, and transmission electron microscopy to verify the surface growth behaviors to be equilibrium rather than kinetic phenomena. The results show that the polar close packed surface of CIGS is the lowest energy surface by far. This surface is expected to be reconstructed to eliminate the surface charge. However, the AgInSe2 compound has yielded excellent atomic-resolution images of the surface with no evidence of surface reconstruction. Similar imaging of CuInSe2 has proven more difficult and no atomic resolution images have been obtained, although current imaging tunneling spectroscopy images show electronic structure variations on the atomic scale. A discussion of the reasons why this may be the case is given. The surface composition and grain boundary compositions match the bulk chemistry exactly in as-grow films. However, the deposition of the heterojunction forming the device alters this chemistry, leading to a strongly n-type surface. This also directly explains unpinning of the Fermi level and the operation of the resulting devices when heterojunctions are formed with the CIGS. These results are linked to device performance through simulation of the characteristic operating behaviors of the cells using models developed in my laboratory.