KR100757073B1 - 산화아연-금속 박막 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화아연 반도체 상에 금속 박막이 적층된 구조를 갖는 자외선 검출기를 제작함에 있어서, 상기 산화아연 반도체와 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖도록 하여 광 응답특성이 향상된 산화아연-금속 박막의 제조방법에 관한 것으로서,
본 발명에 따른 산화아연-금속 박막의 제조방법은 기판 상에 산화아연 단결정 박막을 형성하는 단계와, 상기 산화아연 단결정 박막의 표면에 대해 산소 플라즈마 처리하는 단계와, 상기 산화아연 단결정 박막 상에 금속 박막을 적층하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 상기 산화아연 단결정 박막과 상기 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화아연-금속 박막의 제조공정을 설명하기 위한 순서도.
도 2a는 분자선 적층 성장 공정에 의해 성장된 산화아연 단결정의 표면 거칠기를 나타낸 AFM(Atomic Force microscope) 측정 결과.
도 2b는 성장된 산화아연 단결정의 표면을 나타낸 FE-SEM(Scanning Electron Microscope) 사진.
도 3은 산화아연 박막의 산소 플라즈마 처리 후의 X-선 광전자 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 4는 성장된 산화아연 박막에 대한 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 5a 내지 도 5e는 산소 플라즈마 처리에 따른 산화아연 박막 표면에서의 화학적 성분 및 결합의 변화를 파악하기 위한 X-선 광전자 분석 결과.
도 6a는 산소 플라즈마 처리를 하지 않은 상태에서 산화아연 박막 상에 금속 박막을 적층시킨 후 전류-전압 특성을 측정한 그래프.
도 6b는 5∼30분간 산소 플라즈마 처리한 상태에서 산화아연 박막 상에 금속 박막을 적층시킨 후 전류-전압 특성을 측정한 그래프.
도 7은 자외선 조사 여부에 따른 산화아연 박막-금속 박막 구조의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프.
도 8a 내지 도 8d는 도 9의 A-A`선에 따른 산화아연 박막 상에 금속 박막을 적층하는 공정을 나타낸 공정 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예에 의해 형성된 산화아연-금속 박막 구조의 평면도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 산화아연-금속 박막의 실제 사진.
본 발명은 산화아연-금속 박막 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화아연 반도체 상에 금속 박막이 적층된 구조를 갖는 자외선 검출기를 제작함에 있어서, 상기 산화아연 반도체와 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖도록 하여 광 응답특성이 향상된 산화아연-금속 박막의 제조방법에 관한 것이다.
산화아연(ZnO) 물질은 상온에서 3.37 eV의 근자외선 영역의 광학적 에너지 밴드 갭을 가지며, 60 meV 정도의 비교적 큰 엑시톤(exiton) 결합 에너지를 갖고 있는 광역 밴드 갭의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체이다. 산화아연 반도체는 기존의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물인 ZnSe계 반도체(21 meV) 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물인 GaN계 반도체(28 meV) 등에 비해 광효율이 우수하여 엑시톤을 이용한 광소자용으로 중요한 재료로 부각되고 있다. 또한, 광이득이 300 cm-1로서 기존의 GaN계 반도체의 100 cm-1에 비하여 3배 이상 크고, 포화 속도(saturation velocity, vs)도 GaN계 반도체보다 커 실제 전자 소자로의 응용시 큰 장점을 갖고 있다. 일 예로, 반도체 레이저로의 응용시 레이징에 필요한 문턱 에너지(Jth)가 작아 효율적이며 고효율의 광소자 제작에 여러 가지 장점을 갖고 있다. 이에 따라, 산화아연 반도체는 표면 탄성파 필터(SAW filter : Surface Acoustic Wave filter), 배리스터(varistor) 등의 박막 재료로 널리 연구되고 있다.
이와 같은 산화아연 반도체는 제조시, 산소 결핍 또는 과잉 아연 금속 등으로 생기는 산소 공공(vacancy) 또는 칩입형(interstitial) 아연 결함 등에 기인하여 전기적으로 n형 반도체의 성질을 갖는 박막으로 성장된다. 이러한 성질로 인하여 금속과의 접촉시 오믹(ohmic) 접합 특성을 나타내게 된다. 산화아연-금속 사이의 오믹 접합 특성을 이용한 자외선 검출기에 대한 연구는 Y. Liu(J. Elect. Mat. 29, 69 (2000))에 의해 발표된 바 있다.
한편, 쇼트키 다이오드(Schottky diode)는 빠른 응답 속도와 작동시 노이즈가 작은 특성을 갖는 다이오드로, 접촉하는 금속의 장벽 높이(barrier height) 또는 턴 온(turn-on) 전압에 의존하는 특성을 갖는다. 이와 같은 특성으로 인해 고속 동작이 요구되는 전기전자 소자에 많이 응용되고 있다.
종래 기술에 있어서, 산화아연 반도체 상에 금속 박막을 적층시켜 자외선 검출기 등에 응용한 연구는 있었으나, 이와 같은 산화아연-금속 박막 구조는 전술한 바와 같이 오믹 접합 특성을 갖는 것으로서 쇼트키 접합 특성과는 무관하였다.
본 발명은 산화아연 반도체 상에 금속 박막이 적층된 구조를 갖는 자외선 검출기를 제작함에 있어서, 상기 산화아연 반도체와 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖도록 하여 광 응답특성이 향상된 산화아연-금속 박막의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산화아연-금속 박막의 제조방법은 기판 상에 산화아연 단결정 박막을 형성하는 단계와, 상기 산화아연 단결정 박막의 표면에 대해 산소 플라즈마 처리하는 단계와, 상기 산화아연 단결정 박막 상에 금속 박막을 적층하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 상기 산화아연 단결정 박막과 상기 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 금속 박막은 금(Au), 인듐(In) 중 어느 하나이다.
바람직하게는, 상기 기판은 사파이어(Al2O3), ScAlMgO4, MgAl2O4, LiGaO2 단결정 기판 중 어느 하나이다.
바람직하게는, 상기 산소 플라즈마 처리 공정은, 상기 산소 플라즈마 처리를 수행하는 챔버 내의 압력을 1.0 x 10-6 torr 로 유지시킨 상태에서, 아르곤(Ar)과 산소 가스의 혼합 가스를 아르곤 가스 대비 산소 가소의 비율(산소/아르곤)을 1∼50% 로 상기 챔버 내에 공급하여 공정 진행시 챔버 내의 압력을 1∼100 mTorr 로 유지시키고 RF 파워를 30∼200 W 정도로 인가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산소 플라즈마 처리 공정은 5∼30분간 진행한다.
바람직하게는, 상기 산소 플라즈마 처리 공정에 의해 상기 산화아연 단결정 박막의 표면 상에 존재하는 하이드록실 결합(OH-)의 농도를 저하시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 금속 박막은 IDT(interdigital transducer) 패턴 형태로 형성된다.
본 발명은 산화아연 단결정 박막 상에 금속 박막을 적층시킨 구조를 제공하는 것을 특징으로 하며, 상기 산화아연 박막과 금속 박막은 쇼트키 접합(Schottky junction) 특성을 갖는다. 상기 산화아연 박막과 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖도록 하기 위해 본 발명에서는 상기 금속 박막의 적층 전, 상기 산화아연 박막의 표면에 대해 산소 플라즈마(O2 plasma) 처리를 적용한다.
상기 산화아연 박막은 소정의 기판 상에 적층되는데, 상기 기판은 상기 산화아연 단결정과 격자 부정합(lattice misfit)이 작은 단결정 기판이 사용되는 것이 바람직하며, 일 예로 알루미나(Al2O3) 단결정인 사파이어(sapphire) 또는 ScAlMgO4, MgAl2O4, LiGaO2 등이 이용될 수 있다.
상기 기판 상에 상기 산화아연 단결정 박막을 형성시키는 방법으로는 스퍼터링(sputtering), 분자선 적층(Molecular Beam Epitaxy) 성장법 등과 같은 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition) 공정 또는 다양한 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 공정이 이용될 수 있다.
상기 산화아연 박막의 표면에 대한 산소 플라즈마 처리는, 상기 산화아연 박막 증착 공정 진행에 의해 상기 산화아연 박막의 표면 상에 존재하는 하이드록실 결합(OH-)의 농도를 최소화시켜 후속 공정을 통해 상기 산화아연 박막 상에 적층되는 금속 박막이 상기 산화아연 박막과 쇼트키 접합 특성을 갖도록 하기 위해 적용된다. 참고로, 상기 산화아연 박막 표면에 대하여 산소 플라즈마 처리를 진행하지 않은 상태에서 상기 산화아연 박막 상에 금속 박막을 적층시키게 되면 상기 산화아연과 금속 박막은 오믹 접합 특성을 갖게 된다. 본 발명은 상기 산화아연 박막과 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖도록 하는 것을 기술적 사상의 핵심 특징으로 한다.
산소 플라즈마 처리가 적용된 산화아연 박막 상에 적층되는 금속 박막으로는 금(Au), 인듐(In) 등이 이용될 수 있으며, 상기 금속 박막은 전자선 증착 공정을 통해 적층될 수 있다. 상기 금속 박막은 응용 분야에 따라 다양한 형태로 적층 가능하며 일 예로, 표면 탄성파 필터에 적용하는 경우에는 IDT(Interdigital Transducer) 패턴 형태로 적층할 수 있다.
이상의 공정을 통해 형성된 산화아연-금속 박막 구조는 광 응답특성이 우수하여 자외선 검출기, 발광 소자, 마이크로 액츄에이터(micro-actuator), 표면 탄성파 필터, 배리스터(varistor), 버랙터(varactor) 등에 적용 가능하게 된다. 상기 산화아연-금속 박막 구조의 광 응답특성에 대한 근거 등은 후술하여 상세히 설명하기로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 산화아연-금속 박막의 제조방법의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화아연-금속 박막의 제조공정을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 기판 상에 산화아연 단결정 박막을 적층하는 공정을 진행한다(S101)(S102). 상기 기판으로는 산화아연 단결정과의 격자 부정합이 비교적 작은 것으로서, 전술한 바와 같이 사파이어(Al2O3), ScAlMgO4, MgAl2O4, LiGaO2 등이 이용될 수 있으며 본 실시예에서는 사파이어 기판을 적용하였다.
한편, 상기 산화아연 단결정 박막의 적층 방법으로는 분자선 적층(Molecular Beam Epitaxy) 성장법을 이용하였다. 분자선 적층 성장방법이란 초고진공, 즉 10-9 torr 이하에서 전자빔(electron beam) 또는 열 증발(evaporation) 등으로 소스 물질(source material)을 증발시키고, 증발된 분자선들이 초고진공 하에서 에너지 손실 없이 날아가 기판 표면에 분자 단위로 증착되는 방식을 말한다.
본 발명에 적용된 분자선 적층 성장 공정의 구체적인 공정 조건은 다음과 같다. 공정 챔버 내의 압력은 2.0 x 10-9 torr 로 유지한 상태에서 산소 가스(O2 gas)를 0.6 sccm 정도로 챔버 내에 공급하여 공정 진행시 챔버 압력을 6.0 x 10-9 torr 로 유지하였다. 또한, 챔버 내의 공정 진행 온도는 720℃ 이고, 소스 물질인 아연(Zn)이 장착되어 있는 이퓨젼 셀(effusion cell)의 온도는 355℃ 이며, RF 파워는 450 W 이다.
상기 분자선 적층 성장 공정을 통해 산화아연 단결정이 성장되는데, 생성된 산화아연 단결정의 특성을 살펴보면 다음과 같다. 도 2a는 분자선 적층 성장 공정에 의해 성장된 산화아연 단결정의 표면 거칠기를 나타낸 AFM(Atomic Force microscope) 측정 결과이고, 도 2b는 성장된 산화아연 단결정의 표면을 나타낸 FE-SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다. 먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 산화아연 단결정의 표면 거칠기가 2 nm 이하로 우수한 산화아연 박막 성장을 확인할 수 있으며 도 2b에 도시한 바와 같이 산화아연 박막의 평탄한 표면 상태를 관찰할 수 있다.
또한, 광 특성을 조사하기 위해 광 루미네센스(photo-luminescence)를 측정한 결과, 도 3에 도시한 바와 같이 산화아연에 상응하는 380 nm의 파장대에서 광방출(NBE : near band edge)을 선명하게 확인할 수 있다. 510 nm의 파장대에서 미량의 광방출(DLE : defect-level emission)이 존재함을 확인할 수 있는데, 이는 산소 이온에 의해 발생되는 것으로서 산화아연의 성장 과정에서 산화아연 박막에 공공 (vacancy)을 형성됨에 따라 발생되는 피크로 알려져 있다.
한편, 홀(Hall) 측정을 통해 성장된 산화아연 박막의 전기적 특성을 측정한 결과, 비저항(ρ)이 3.8 x 10-2 Ω·cm, 전기 전도도(σ) 2.62 x 10-1 /Ω·cm, 이동도(μ) 80 cm2/Vs, 캐리어 농도(n) 2.1 x 1017 /cm3 의 우수한 전기적 특성을 나타내었다. 그리고, 성장된 산화아연 박막의 결정 구조를 파악하기 위해 X-선 회절 분석을 한 결과, 도 4에 도시한 바와 같이 산화아연(ZnO) 단결정의 (0002)면 피크와 사파이어(Al2O3) 기판의 (0006)면 피크만이 존재함에 따라 산화아연 단결정의 성장이 매우 양호하게 진행되었음을 확인할 수 있다.
이와 같이 기판 상에 산화아연 단결정 박막을 적층시킨 상태에서, 상기 산화아연 단결정 박막의 표면에 대한 산소 플라즈마 처리를 진행한다(S103). 상기 산소 플라즈마 처리는 상기 분자선 적층 성장 공정과 마찬가지로 소정의 밀폐된 챔버 내에서 진행된다. 이 때, 상기 챔버 내의 압력을 1.0 x 10-6 torr 로 유지시킨 상태에서, 아르곤(Ar)과 산소 가스의 혼합 가스를 아르곤 가스 대비 산소 가소의 비율(산소/아르곤)을 1∼50% 로 상기 챔버 내에 공급하여 공정 진행시 챔버 내의 압력을 1∼100 mTorr 로 유지시킨다. 그리고, 상기 산화아연 단결정 박막의 표면을 손상시키지 않기 위해 RF 파워는 30 W∼200 정도로 인가하는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 산화아연 단결정 박막의 표면에 대해 산소 플라즈마 처리를 진행하는 것은 상기 산화아연 단결정 박막의 표면 상에 존재하는 하 이드록실 결합(OH-)의 농도를 저하시켜 후속 공정을 통해 상기 산화아연 박막 상에 적층되는 금속 박막이 상기 산화아연 박막과 쇼트키 접합 특성을 갖도록 하기 위함인데, 산소 플라즈마 처리에 따른 산화아연 박막 표면의 물성 변화를 분석하면 다음과 같다.
도 5a 내지 도 5e는 산소 플라즈마 처리에 따른 산화아연 박막 표면에서의 화학적 성분 및 결합의 변화를 파악하기 위한 X-선 광전자 분석 결과이다. 참고로, 도 5a는 산소 플라즈마 처리하지 않은 것이고, 도 5b는 5분, 도 5c는 10분, 도 5d는 20분, 도 5e는 30분간 산소 플라즈마 처리한 것이다. 도 5a 내지 도 5e에 도시한 바와 같이 산소 플라즈마 처리 시간이 증가할수록 530.5 eV에서 나타나는 아연(Zn)-산소(O) 결합 에너지의 세기가 증가하고, 흡착된 산소 분자들의 산소 1s 결합 에너지를 나타내는 531 eV 근처에서의 피크 세기가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 534 eV 근처에서 나타나는 하이드록실 결합(OH-)에 의한 피크는 보이지 않고 있는데, 이는 산소 플라즈마에 의한 표면 개질시 모두 사라진 것으로 판단된다. 참고로, 하이드록실 결합(OH-)은 산화아연에서 도너(donor)로 작용하여 전자 농도를 증가시키며 표면 전도도를 증가시킨다고 B. J. Copper(Appl. Phys. Lett. 82, 400 (2003))와 H. L. Mosbacker(Appl. Phys. Lett. 84, 120102 (2005)) 등에 의해 보고된 바 있다. 이들 보고에 따르면, 산화아연 박막의 내부 결함인 산소 공공(vacancy) 등에 의한 과잉 아연이 산소 플라즈마 처리를 통해 흡수된 높은 전자 친화력(electron affinity)을 가진 산소와 결합하게 됨에 따라 상대적으로 아연-산 소 결합이 많아지는 반면 하이드록실 결합(OH-)은 줄어들게 되어 전자 농도가 떨어지게 된다. 이러한 전자 농도의 감소는 표면 전도도를 저하시켜 전하 공핍층이 형성되며, 이와 같은 전하 공핍층은 산소 플라즈마 처리 시간이 증가할수록 두꺼워져 결과적으로, 쇼트키 접합을 형성하기에 유리한 조건을 만든다. 본 발명에서는 산소 플라즈마 처리 시간에 따라 하이드록실 결합(OH-)의 세기가 줄어드는 것을 확인하지 못했지만 도 5a 내지 도 5e에 도시한 바와 같이 산소 1s 세기가 조금씩 감소하고 아연-산소의 세기가 증가하는 것을 비추어 볼 때, 아연-산소 결합이 증가됨에 따라 산화아연 박막 표면의 하이드록실 결합(OH-)의 양이 줄어듦을 추론할 수 있다.
한편, 산화아연 박막 표면에 대한 산소 플라즈마 처리 여부에 따른 산화아연과 금속 박막 사이의 접합 특성을 살펴보면 다음과 같다. 도 6a는 산소 플라즈마 처리를 하지 않은 상태에서 산화아연 박막 상에 금속 박막을 적층시킨 후 전류-전압 특성을 측정한 그래프이고, 도 6b는 5∼30분간 산소 플라즈마 처리한 상태에서 산화아연 박막 상에 금속 박막을 적층시킨 후 전류-전압 특성을 측정한 그래프이다. 여기서, 상기 산화아연 박막 상에 적층된 금속 박막은 도 6a에서는 금(Au)이고, 도 6b에서는 기판 상의 서로 다른 영역에 100 nm의 두께로 형성된 금(Au)과 인듐(In)이다. 상기 금속 박막은 전자선 증착법을 통해 증착되었으며 상기 금속 박막의 증착 방법에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 도 6a에 도시한 바와 같이 산소 플라즈마 처리를 하지 않은 상태에서 산화아연 박막 상에 금속 박막을 증착하게 되면 상기 산화아연 박막과 금속 박막은 오믹 접합(ohmic junction) 특성을 갖는다. 이론적으로 쇼트키 접합 특성을 갖는 금(일함수(φ) = 5.1 eV)이 산화아연 박막과의 접촉시 오믹 접합 특성을 나타내는 이유는 S. Liang(J. Crys. Growth 225, 110 (2001))이 제시한 바와 같이 표면 불순물과의 결합 때문이다. 상기 표면 불순물은 전술한 바와 같이 하이드록실 결합(OH-) 등을 의미한다.
반면, 도 6b에 도시한 바와 같이 5∼30분간 산소 플라즈마 처리를 한 경우에는 산소 플라즈마 처리 시간이 길어질수록 누설전류의 양이 줄어들면서 산화아연 박막과 금속 박막이 쇼트키 접합에 가까운 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
한편, 상기 산화아연 박막 표면에 대하여 산소 플라즈마 처리한 상태에서 상기 산화아연 박막 상에 금속 박막의 적층 공정을 진행한다(S104). 상기 금속 박막의 적층 공정을 진행하기 위해서는 먼저, 상기 금속 박막의 선택적 패터닝을 위한 감광막의 패터닝 공정이 요구된다. 상기 금속 박막의 패턴 구조는 산화아연-금속 박막 구조의 응용 분야에 따라 다양하게 변화될 수 있는데 본 발명에서는 자외선 검출기에 적용되는 IDT 패턴을 고려하였다.
이를 위해 먼저, 도 8a에 도시한 바와 같이 상기 산화아연 박막(802)을 포함한 기판(801) 전면 상에 스핀 코팅(spin coating) 등을 이용하여 4㎛ 정도의 두께로 감광막(803)을 도포한다. 이 때, 상기 감광막(803)은 네가티브형(negative type) 감광막을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 감광막(803)이 도포된 상태에서 95℃의 온도 하에서 2분 30초 동안 소프트 베이킹(soft-baking)을 실시하고, 이어 IDT 패턴 구조가 전사되어 있는 포토 마스크(photo mask)를 이용하여 상기 감광막(803)을 선택적으로 노광한다. 이 때, 상기 노광시 광원으로는 280 nm 파장을 갖는 수은 램프를 이용할 수 있으며 노광 시간은 30초 정도 적용할 수 있다. 노광이 완료된 후 100℃에서 30초 동안 베이킹을 실시한 다음, 노광되지 않은 부분의 감광막을 선택적으로 제거하는 현상(develop) 공정을 진행하여 도 8b에 도시한 바와 같이 IDT 패턴을 형성하기 위한 감광막 패턴(803a)을 완성한다.
상기 포토리소그래피 공정을 통해 감광막 패턴(803a)이 완성된 상태에서, 도 8c에 도시한 바와 같이 상기 감광막 패턴(803)을 포함한 기판 전면 상에 금속 박막(804)을 적층시킨다. 이 때, 상기 금속 박막(804)으로 금(Au)을 사용하였으며 전자선 증착 공정을 통해 1.5Å/sec 속도로 증착한다. 상기 금속 박막이 증착된 상태에서 도 8d에 도시한 바와 같이 리프트 오프(lift-off) 공정을 통해 IDT 패턴(804a)을 완성한다. 구체적으로, 감광막 패턴을 포함한 기판 전면 상에 금속 박막이 적층된 상태에서 해당 기판을 65℃의 감광막 제거 용액 내에 5분간 담근 후 상기 감광막 패턴을 제거하여 IDT 패턴을 형성한다. 그런 다음, 아세톤 등을 통한 세정 공정 진행 후 산화아연 박막과 금속 박막의 결합력을 향상시키기 위해 300℃ 정도의 온도와 환원 가스(N2) 분위기 하에서 1분간 급속 열처리를 진행한다. 이 때, 상기 환원 가스의 압력은 1 torr 정도로 적용하였다.
이상과 같은 일련의 공정을 통해 형성된 산화아연 박막-금속 박막의 광 응답특성을 살펴보기로 한다. 도 7은 자외선 조사 여부에 따른 산화아연 박막-금속 박 막 구조의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 7에 도시한 바와 같이 자외선을 조사하지 않은 상태에서 전류-전압을 측정한 결과, 산화아연 박막과 금속 박막 사이의 쇼트키 접합 특성이 유지됨과 함께 누설전류는 역전압(reverse bias) -5 V에서 -80.16 ㎂의 비교적 높은 전류값을 나타내며, 순전압(forward bias) 10 V에서의 전류값은 2.94 mA 이다. 이와 같은 결과는, S. Liang(J. Crys. Growth 225, 110 (2001))이 산소 플라즈마 처리 없이 산화아연 쇼트키 접합 특성을 이용하여 만든 자외선 검출기에 대하여 순전압 10 V 인가할 때 얻어진 전류값 1 ㎂ 보다 약 3배 정도 큰 것으로서, 본 발명에 따른 산화아연 박막-금속 박막 구조가 우수한 광 응답특성을 갖고 있음을 나타내는 것이다.
한편, 산화아연의 밴드 갭(band gap)을 파장으로 환산하면 산화아연은 367 nm의 컷 오프(cut-off) 파장을 갖고 있는데 이와 유사한 파장 즉, 356 nm의 파장을 본 발명에 따른 산화아연 박막-금속 박막 구조 상에 조사한 경우, 산화아연 박막-금속 박막 구조가 356 nm 파장의 자외선 에너지를 받아 가전자대(valence band)에 존재하는 전자가 여기되어(excited) 보다 많은 전자들이 표면 개질 즉, 산소 플라즈마 처리에 의해 만들어진 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 뛰어 넘게 됨에 따라 도 7에 도시한 바와 같이 누설전류가 역전압 -5 V에서 -26.0 ㎂의 전류값을 나타내어 누설전류가 감소되었음을 알 수 있다. 또한, 순전압 10 V에서의 전류값은 3.93 mA로 증가함을 알 수 있다.
상기 356 nm 파장보다 더 짧은 파장인 254 nm의 파장을 본 발명에 따른 산화아연 박막-금속 박막 구조에 조사한 경우, 도 7에 도시한 바와 같이 누설전류가 역 전압 -5 V에서 -18.1 ㎂로 더욱 감소하였으며, 순전압 10 V에서는 5.65 mA로 356 nm의 파장을 조사하였을 때보다 전류값이 증가함을 알 수 있다.
또한, 두 개의 일정한 파장 즉, 254 nm와 356 nm에서 각각 다른 광량밀도 420 ㎂/cm2와 350 ㎂/cm2 로 조사하였을 경우에 각각의 광 응답속도(photo responsivity)가 순전압 5 V일 때 15.3 A/W, 13.5 A/W이고, 순전압 10 V일 때 각각 160 A/W와 128.9 A/W로 나타났다. 이와 같은 결과는 S. Liang(J. Crys. Growth 225, 110 (2001))이 산소 플라즈마 처리 없이 산화아연 쇼트키 접합 특성을 이용하여 만든 자외선 검출기의 광 응답속도 1.5 A/W 보다 10배 이상 우수한 결과이다.
본 발명에 따른 산화아연-금속 박막 제조방법을 다음과 같은 효과가 있다.
산화아연 단결정 박막 상에 금속 박막이 적층되는 구조를 형성함에 있어서, 상기 금속 박막을 적층하기 전에 상기 산화아연 단결정 박막 표면에 대하여 산소 플라즈마 처리를 적용시켜 상기 산화아연 단결정 박막과 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖도록 함으로써 광 응답특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (7)
- 기판 상에 산화아연 단결정 박막을 형성하는 단계;상기 산화아연 단결정 박막의 표면에 대해 산소 플라즈마 처리하는 단계; 및상기 산화아연 단결정 박막 상에 금속 박막을 적층하는 단계를 포함하여 이루어지며,상기 산소 플라즈마 처리에 의해 상기 산화아연 단결정 박막의 표면 상에 존재하는 하이드록실 결합(OH-)의 농도가 저하되어, 상기 산화아연 단결정 박막과 상기 금속 박막이 쇼트키 접합 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 산화아연-금속 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 박막은 금(Au), 인듐(In) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산화아연-금속 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어(Al2O3), ScAlMgO4, MgAl2O4, LiGaO2 단결정 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산화아연-금속 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산소 플라즈마 처리 공정은,상기 산소 플라즈마 처리를 수행하는 챔버 내의 압력을 1.0 x 10-6 torr 로 유지시킨 상태에서, 아르곤(Ar)과 산소 가스의 혼합 가스를 아르곤 가스 대비 산소 가스의 비율(산소/아르곤)을 1∼50% 로 상기 챔버 내에 공급하여 공정 진행시 챔버 내의 압력을 1∼100 mTorr 로 유지시키고 RF 파워를 30∼200 W 로 인가하는 것을 특징으로 하는 산화아연-금속 박막 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산소 플라즈마 처리 공정은 5∼30분간 진행하는 것을 특징으로 하는 산화아연-금속 박막 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 박막은 IDT(interdigital transducer) 패턴 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화아연-금속 박막 제조방법.
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