KR0182372B1 - 오렌지색 발광 산화인듐박막의 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오렌지색 발광 산화인듐박막의 형성방법에 관한 것으로, 넓은 에너지 밴드갭(3.6 eV) 구조를 가진 산화인듐(In₂O₃)박막으로부터 상온에서 안정된 가시광의 발광특성을 나타내는 박막을 형성함으로써 가시광 영역의 광소자에 응용할 수 있도록 하는 방법을 제공하려는 것으로, 열진공증착기를 이용하여 인듐을 증착하는 공정과, 열처리공정에 의하여 미소결정립을 갖는 다결정 산화인듐박막을 형성함으로써 노화 현상없이 안정되고 강한 오렌지색(1.95 eV) 발광특성을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 넓은 에너지 밴드갭 구조를 갖는 절연성 산화인듐 재료로부터 상온 가시광의 발광특성을 나타내는 미소결정립의 다결정구조를 제작하는 방법을 제공함으로써 광소자에의 응용가능성을 제공할 수 있는 것이다.

Description

오렌지색 발광 산화인듐 박막의 형성방법

본 발명는 넓은 에너지 밴드갭(energy bandgap, 3.6 eV)을 가지는 산화인듐 (In₂O₃)으로부터 상온에서 안정된 오렌지색(1.95 eV)의 발광특성을 가지는 박막을 형성하여 이를 가시광 영역의 광소자에 응용할 수 있도록 하는 방법에 관한 것으로, 특히 열 진공 증착(thermal vacuum evaporator)을 사용한 인듐 박막의 성장과 후열처리 과정을 통한 산화인듐 박막의 형성으로 노화 현상 없이 안정된 발광특성을 갖도록 한 오렌지색 발광 산화인듐 박막의 형성방법에 관한 것이다.

산화인듐은 넓은 에너지 밴드갭을 가지고 있으며, 광투과도가 우수하고 저항이 큰 절연체의 특성을 가지고 있으나, 주석(Sn)을 도핑함으로써 전기전도도를 높일 수 있는 것이어서, 태양전지나 평판표시소자 등의 투명전극으로 널리 사용되는 물질이다. 그러나 이 물질로부터의 발광중심에 대한 연구는 전무한 실정이다.

일반적으로 광소자용 반도체 재료는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가진 Ⅲ-V 족 또는 Ⅱ-VI족 화합물 반도체의 삼원계 또는 사원계의 조합으로 원하는 파장의 밴드갭을 갖도록 구성하여 소자제조에 응용하고 있다.

그러나, 화합물 반도체의 원료가 고가일 뿐만 아니라 밴드갭을 갖도록 조합한 화합물 반도체의 성장이 어렵기 때문에 광소자 응용에 적합한 반도체 재료의 개발을 위해 많은 노력이 경주되고 있는 실정이다.

한편, 반도체 전자소자의 8할 이상을 차지하고 있는 실리콘 반도체 재료는 원료가 저렴하고, 초고집적소자의 개발로 원자규모의 공정제어가 가능한 정도로 기술이 발달되어 있으나, 실리콘 반도체는 에너지 밴드갭이 간접천이형을 가지고 있어서 상당히 낮은 광특성을 가지는 단점이 있다. 따라서, 최근에는 다공질 실리콘 및 실리콘 산화층으로부터의 발광에 대해 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 상온에서 발광특성을 나타내며 간단한 열 진공 증착 장치를 이용하며 전기로에서 후열처리과정을 통해 다결정상의 산화인듐층을 형성함으로써 오렌지색의 안정된 발광특성을 갖도록 하여 가시광 영역의 광소자에의 응용에 기여할 수 있는 오렌지색 발공 산화인듐 박막의 형성 방법을 제공하려는 것이다.

제1도는 산화인듐 박막이 형성된 시료표면에서 얻은 전자현미경 사진이다.

제2도는 산화인듐 박막에 대한 X선 회절패턴이다.

제3도는 산화인듐 박막에 대해 상온에서 측정한 발광스펙트럼이다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 기판 위에 금속인듐을 진공 증착시킨 후 후열처리 공정을 통해 상온에서 안정된 오렌지색(1.95eV)의 발광특성이 있는 40∼60nm 크기의 미소 결정립을 갖는 다결정 산화인듐 박막을 형성시킴을 특징으로 하는 오렌지색 발광 산화인듐 박막의 형성방법이 제공된다.

상기 인듐 증착은 진공 증착법으로, 실리콘, 유리, 수정 및 몰리브덴 기판 중에서 선택된 어느 하나의 기판 위에 약 80 - 200 nm의 두께로 증착하는 것이다.

상기 산화인듐 박막을 형성시키는 후열처리는 질소 가스 분위기로 500∼900℃의 온도범위에서 30분 내지 2시간 동안 처리하는 것이다.

이하, 본 발명에 의한 오렌지색 발공 산화인듐 박막의 형성방법을 실시예로서 상세히 설명한다.

[실시예 1]

실리콘 기판을 화학세척법으로 표면을 세척한 다음 열 진공 증착기에 도입시켰다.

진공 증착기의 진공도를 약 1×10^-6torr로 유지한 후 금속 인듐을 약 100nm 두께로 증착시켰다.

이들 시료를 전기로 및 자외선 열처리 장치에서 각각 질소 가스 분위기로 500℃∼900℃의 온도범위로 1시간동안 열처리시켜 산화인듐 박막을 완성하였다.

[실시예 2]

기판으로서 수정을 사용하여 상술한 실시예 1에서와 같은 방법으로 인듐 박막을 형성하였다.

[실시예 3]

기판으로서 유리를 사용하여 상술한 실시예 1에서와 같은 방법으로 인듐박막을 형성하였다.

[실시예 4]

기판으로서 몰리브덴을 사용하여 상술한 실시예 1에서와 같은 방법으로 인듐박막을 형성하였다.

위 실시예들에서 얻어진 산화인듐 박막의 특성은 다음과 같다.

먼저, 제1도는 실리콘 기판위에 인듐을 증착하고 800℃의 온도에서 1시간 동안 열처리에 의해 형성한 산화인듐 박막의 표면에서 얻은 주사전자현미경(SEM:scanning electron microscopy)사진으로서 미소 결정립으로 형성된 다결정 형상을 볼 수 있다.

특히, 이 사진에서 약 400∼600mm 크기의 큰 입계(grain boundary)내에 직경이 40∼60nm의 수많은 미소결정입자들이 포함되어 있음을 볼 수 있다.

이 박막에 대한 굴절률 측정 결과, 약 1.74로 나타났으며, 두께는 약 80nm로 측정되어 인듐 금속 박막층 대부분이 산화되었음을 알 수 있었다.

또한 화학 기상 증착(CVD: chemical vapor deposition)법으로 성장한 산화인듐 박막의 굴절률 1.94∼2.14보다는 작은 값으로 나타났다.

따라서, 본 발명에서 얻은 산화인듐 박막의 낮은 굴절률은 산화박막 형성시 추가적인 산소 공급 없이 단지 기판 또는 인듐 박막위에 흡착된 산소원자에 의해서만 이루어짐에 따라 산소 결핍된 박막이 형성된 것으로 보여진다.

제2도는 상기의 산화인듐 박막에 대한 X선 회절패턴을 보인 것으로, Si(111)기판신호 외에 In₂O₃의 (222), (541), (444) 방향의 신호가 나타나 형성된 박막이 (111)방향으로 우선 배향된 산화인듐의 다결정상임을 알 수 있었다.

이와 같은 양상은 수정이나 유리 및 몰리브덴 기판을 사용한 경우도 유사하게 관측되었으며, 500℃의 온도에서 산화박막이 형성되었으나 온도에 따른 두께의 차이가 나타나며, 800℃에서 1시간동안 열처리한 경우 약 80nm 두께의 산화인듐 박막을 형성할 수 있었다.

즉, 본 발명에서 성장시킨 산화인듐 박막은 기판의 종류에는 무관하며 증착된 인듐 박막과 대기 중 산소원자와의 결합으로 형성되며 (111)방향으로 우선 배향성을 가지는 산화인듐 박막(In₂O₃)다결정 박막으로 나타났다.

제3도는 상기와 같은 방법으로 800℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하여 형성시킨 산화인듐 박막에 대한 상온에서의 광여기 발광스펙트럼(PL; photoluminesence)모습을 나타낸 것으로, 실선은 실리콘 기판 위에 형성한 경우이며, 점선은 몰리브덴 기판 위에 형성시킨 경우이다. 이때 광여기는 364nm 파장의 아르곤 레이저를 사용하였으며, 측정시 에너지밀도는 6.2mW/cm²이었다. 여기서 기판에는 무관하게 파장 637nm (1.95 eV의 에너지 해당)에 최대치를 가지고 반치폭이 0.41eV인 강도가 아주 강한 오렌지색 스펙트럼을 볼 수 있는데 이는 육안으로도 쉽게 확인할 수 있는 것이었다. 그러나, 동일한 열처리 조건에서 실리콘, 수정 또는 몰리브덴 등의 기판만 열처리한 경우에는 전혀 발광현상을 관측할 수 없었다.

따라서, 상기의 발광 현상은 산화인듐 박막에서만 나타남을 분명히 알 수 있었다.

본 발명의 발광중심은 다결정 실리콘층이나 실리콘 산화막에서 나타나는 발광중심과 유사하게 산화인듐 박막의 산소결핍에 따른 산소빈자리(Vo)와 같은 결함에 기인된 것으로 보인다. 그러나, 실리콘 산화막에서와는 달리 100mW/cm²의 강한 레이저 빛으로 1시간 이상 조사(illumination)한 후에도 발광 파장의 이동 및 강도에 감쇠 현상 등 열화 현상이 전혀 나타나지 않는 것이었다.

이상과 같이 본 발명은 비교적 간단한 방법 즉, 진공 증착 및 열처리 공정을 통해 실리콘, 수정, 유리 및 몰리브덴 등의 다양한 기판위에 산화인듐 박막을 형성시키고 고효율의 발광특성을 나타내게 함으로써 광소자에의 응용에 접근한 것으로서 특히 산화인듐 박막으로부터 상온에서 아주 안정되고 강한 오렌지색(1.95eV)발광을 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 넓은 에너지 밴드갭 구조를 갖는 절연성 산화인듐으로부터 발광중심을 갖는 미소결정립의 다결정 산화인듐 박막을 제작하여 오렌지색의 발광소자에의 응용가능성을 제공할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 실리콘, 유리, 수정 및 몰리브덴 중에서 선택되는 어느 하나의 기판 위에 금속인듐을 80∼200nm의 두께로 증착시키고, 상기 금속인듐을 증착된 기판을 질소가스분위기에서 500∼900℃의 온도범위에서 30분 내지 2시간 동안 후열처리함으로써, 상온에서 안정된 오렌지색(1.95eV)의 발광특성이 있는 40∼60nm 크기의 미소 결정립을 갖는 다결정 산화인듐 박막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 오렌지색 발광 산화인듐 박막의 형성방법.