KR100958137B1 - ??type ZnO semiconductor by ?? and column ? impurity codoping - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ZnO에 Li 과 Ⅶ 족 불순물을 동시에 도핑하여 p-형 반도체를 구현하는 방법에 관한 것으로서, ZnO에 Li과 Ⅶ족 불순물을 동시도핑(codoping)하여 Li과 Ⅶ족 불순물이 결합된 불순물복합체에 의해 만들어지는 받게 에너지준위(acceptor energy level)가 순수 Li 받게 에너지준위보다 낮아지는 것을 기술적 특징으로 하여, ZnO에 매우 얕은 받게 불순물 준위를 형성하여 p-형 전도도가 높은 반도체가 되는 효과가 있으며, 특히 Ⅶ족 불순물중 F를 Li과 함께 사용할 때 불순물준위가 가장 얕아져 양질의 p-형 ZnO반도체 구현이 가능해 지는 효과가 있다.The present invention relates to a method of realizing a p-type semiconductor by simultaneously doping Li and Group impurities in ZnO, wherein the impurity complex in which Li and Group impurities are combined by co-doping Li and Group impurities in ZnO The technical characteristic of acceptor energy level lowered by pure Li accept energy level is lower than that of pure Li, which forms an extremely shallow acceptor impurity level in ZnO, resulting in a high p-type semiconductor. In particular, when F is used together with Li among the Group V impurities, the impurity level becomes the shallowest, thereby enabling the implementation of a good p-type ZnO semiconductor.

p형 반도체, ZnO, Li, F, 동시도핑 p-type semiconductor, ZnO, Li, F, co-doped

Description

Li과 Ⅶ족 불순물을 동시 도핑한 p-형 ZnO반도체{p-type ZnO semiconductor by Li and column Ⅶ impurity codoping}P-type ZnO semiconductor by doping Li and group impurities at the same time {p-type ZnO semiconductor by Li and column Ⅶ impurity codoping}

본 발명은 불순물 도핑을 이용한 ZnO 반도체에 관한 것으로써, 특히 받게(acceptor)형 Li과 주게(donor)형 Ⅶ의 농도가 클 때, Li-Ⅶ-Li의 불순물 복합체가 안정되게 형성되어 틈새형 Li구조의 형성을 차단하고, Li-Ⅶ-Li 구조의 얕은 받게 준위를 통해 충분한 농도의 홀을 생성될 수 있는 Li과 VII족 불순물을 동시도핑한 p-형 ZnO 반도체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ZnO semiconductor using impurity doping, and in particular, when the concentration of acceptor type Li and donor type VIII is large, an impurity complex of Li-VIII-Li is stably formed to form a crevice Li. The present invention relates to a p-type ZnO semiconductor co-doped with Li and Group VII impurities that block the formation of the structure and can produce holes of sufficient concentration through the shallow accepting level of the Li-VII-Li structure.

현재 차세대 반도체 소재인 ZnO에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있으며, 이 물질을 이용하여 청색 발광 LED뿐만 아니라 다양한 광학소재, 전기 소재등에 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다.Currently, research on ZnO, the next generation semiconductor material, is being actively conducted, and research is being conducted to use not only a blue light emitting LED but also various optical materials and electrical materials using this material.

그러나, ZnO는 n-형 전도성을 구현하기는 쉬운 반면에, p-형 전도성을 구현하는 것이 매우 어려운 것으로 알려져 있으므로, 다양한 광학 반도체로써 응용이 어려운 실정이다.However, while ZnO is easy to implement n-type conductivity, it is known that it is very difficult to implement p-type conductivity, it is difficult to apply as a variety of optical semiconductors.

그러므로 ZnO를 p-형 전도성으로 구현될 수 있도록 ZnO내 다양한 불순물을 도핑하는 노력이 계속되고 있으나, 아직 성공하지 못하고 있다.(Computational Materials Science 30, 337-348, Su-Huai Wei (2004))Therefore, efforts have been made to dope various impurities in ZnO so that ZnO can be realized with p-type conductivity, but have not been successful (Computational Materials Science 30 , 337-348, Su-Huai Wei (2004)).

이렇게 p-형 전도성의 구현이 어려운 이유는 크게 세 가지로 제시될 수 있다.The reason why it is difficult to implement the p-type conductivity can be largely presented in three ways.

첫째, 받게형(acceptor) 불순물의 농도가 낮거나, 둘째는 받게형 불순물의 받게 에너지 준위가 밴드갭 내에 깊게 위치하여 소자가 작동하는 온도에서 전하생성 효율이 낮거나, 셋째는 Fermi 준위가 가전자대(valance band)에 가까워짐에 따라 주게형(donor) 결함의 생성이 용이해지기 때문에, 산소-빈자리(V(O)) 혹은 Zn-틈새형(Znint)과 같은 주게형 고유결함이 형성되어 Fermi 에너지의 변화를 방해하는 보상효과로 p-형 ZnO 구현이 어려운 것으로 이해되고 있다.First, the concentration of acceptor impurity is low, second, the reception energy level of acceptor impurity is deep within the bandgap, so the efficiency of charge generation is low at the temperature at which the device operates, and third, the Fermi level is the valence band. As it approaches the band, it is easier to create donor defects, so fermiform defects such as oxygen vacancies (V (O)) or Zn-slit (Zn int ) are formed and Fermi It is understood that p-type ZnO is difficult to implement due to the compensating effect that disturbs the change of energy.

따라서, 이러한 ZnO의 p-형 전기전도도의 구현을 위한 종래의 이론적 연구에 따르면 2족 원소인 Zn 자리에 1족 원소를 치환하는 방법과 6족 원소인 O자리에 5족 원소를 치환하는 방법이 제안되고 있으나 이러한 불순물의 전기구조에 대한 이론적 계산 및 측정을 통한 연구에서는 이들 불순물이 밴드갭 사이에 깊은 준위가 생성되는 것으로 알려져 있다.(PRB, 66, 073202, C. H. Park, S. B. Zhang and Su-Huai Wei (2002))Therefore, according to a conventional theoretical study for the implementation of p-type electrical conductivity of ZnO, the method of substituting group 1 elements in the Zn site, which is a group 2 element, and the method of substituting group 5 elements in the O group, which is a Group 6 element, Although it is proposed, studies through the theoretical calculation and measurement of the electrical structure of these impurities are known to produce deep levels between these impurity bands (PRB, 66 , 073202, CH Park, SB Zhang and Su-Huai). Wei (2002))

이렇게 불순물이 첨가된 ZnO내 불순물의 준위가 깊은 이유는, 일반적으로 Si, GaAs와 같은 반도체에서는 불순물 궤도가 고체의 Bloch 파동함수와 강하게 결합하여 넓게 퍼지고 유전상수가 높아서 수소 형태의 궤도반경이 매우 큰 것에 비해, ZnO는 2가 이온화도가 높은 산화물로써, 유전상수가 크기 때문에 도핑불순물 주변에 형성되는 수소원자궤도 형태의 불순물전자궤도의 반경이 작으므로 물질 내 만들어지는 불순물의 전자궤도가 넓게 퍼지지 않아, 불순물의 전자구조가 불순물과 이웃원자 사이에 형성되는 분자궤도의 준위에 의해 크게 영향을 받지 않기 때문이다.The reason why the impurity level in the ZnO added impurity is so large is that in semiconductors such as Si and GaAs, the impurity trajectory is strongly coupled with the Bloch wave function of solid and spreads widely. In contrast, ZnO is an oxide having a high degree of divalent ionization, and since the radius of the impurity electron orbit in the form of hydrogen atom orbit formed around the doping impurities is small because the dielectric constant is large, the electron orbit of the impurity made in the material does not spread widely. This is because the electronic structure of the impurity is not greatly affected by the level of molecular orbits formed between the impurity and neighboring atoms.

이를 보다 상세히 살펴보면, 다양한 불순물 중 1족 원소 불순물을 ZnO내에 주입하면 1족 원소 불순물은 이웃에 위치하는 산소 원자와 결합하여 가전도대(Valace Band Maximum:이하 VBM이라고 함) 주변에 s-p분자 궤도를 생성시키는 데, 1족 원자의 s준위가 2족 Zn의 s준위보다 높게 위치하여 1족-s 궤도와 O-2p궤도간 혼성결합에 의해 형성되는 불순물궤도의 에너지 준위가 Zn와 O사이 s-p혼성결합궤도에 의해 형성된 VBM의 전자준위에 비해 높게 위치하기 때문에, 1족 불순물에 의한 받게(acceptor)준위가 밴드갭(VBM과 CBM(Conduction Band Minium:이하 CBM이라고 함)사이) 내부로 깊게 형성된다.In more detail, when a group 1 element impurity of various impurities is injected into ZnO, the group 1 element impurity combines with an oxygen atom located in a neighborhood to form an sp molecule orbit around a household band (VBM). The energy levels of the impurity orbits formed by the hybrid bond between the group-s orbits and the O-2p orbitals are such that the s level of group 1 atoms is higher than the s level of group 2 Zn. Because the VBM is located higher than the electron level of the VBM formed by the bond orbit, the acceptor level caused by the group 1 impurities is deeply formed in the band gap (between VBM and CBM). .

또한, 불순물 중 5족 불순물을 ZnO내 주입하면, 5족 불순물이 만드는 준위는 6족이온이 산소원자 O-p 궤도 준위보다 높기 때문에, 위와 유사한 이유로 인해 불순물 준위가 밴드갭 사이로 깊어지게 된다.In addition, when injecting a Group 5 impurity among the impurities in ZnO, the level made by the Group 5 impurity is higher than the oxygen atom O-p orbital level, the impurity level deepens between band gaps for the same reason as above.

현재까지 연구 결과를 보면, ZnO내 받게형 불순물중 I족및 V족 불순물의 통틀어서 1족 불순물 Li이 가장 얕은 불순물 준위(VBM위로 0.1eV)를 형성하고, 다음으로 N불순물이 얕은 준위 (VBM위 0.4-0.5 eV정도 위치)를 생성시킨다고 알려져 있다. The results of the research so far indicate that Group 1 impurity Li forms the shallowest impurity level (0.1 eV above VBM), and N impurity has the shallowest level (VBM above). 0.4-0.5 eV position).

하지만 현재까지 Li를 이용하여 p-형 전도성 생성에 실패하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 이유는 Li 원자가 Zn자리를 치환하는 것(LiZn)과 틈새자리(Liint)에 놓이는 구조 2가지가 공존하기 때문이다.However, until now, it has been known to fail to generate p-type conductivity by using Li, because two structures in which Li atom replaces Zn site (Li Zn ) and in the interstitial site (Li int ) coexist. to be.

즉, 틈새자리의 Li는 주게형 불순물의 역할을 하기 때문에 이 2가지 구조는 서로 보상하여 결국 Li 불순물 사용시, 양질의 p-형 전기전도도는 구현하기 힘들어 진다.That is, since Li in the gap serves as a dopant-type impurity, the two structures compensate each other, so that it is difficult to realize good p-type electric conductivity when using Li impurity.

따라서 p-형 ZnO 구현하기 위해서 현재 주로 O자리를 안정되게 치환하는 N불순물을 이용하는 방법이 시도되고 있다. 하지만 이 경우 N이 만드는 받게준위가 VBM위 0.4eV- 0.5 eV 사이에 생성되어, 받게 준위가 깊다는 문제점이 있고, 또한 N불순물의 용해도가 낮다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 현재 N 불순물만으로 도핑하기보다는 Zn자리를 치환하는 Ga, In과 같은 주게(donor)형 불순물을 이용하여, 최소 2가지의 불순물을 사용한 codoping 또는 cluster-doping 방법에 관한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. Therefore, in order to implement p-type ZnO, a method of using N impurity which mainly substitutes O-position stably is attempted. However, in this case, the receiving level generated by N is generated between 0.4 eV-0.5 eV above the VBM, so that the receiving level is deep, and there is also a problem that the solubility of N impurities is low. In order to solve this problem, studies on codoping or cluster-doping methods using at least two impurities using donor-type impurities such as Ga and In that replace Zn sites, rather than doping with only N impurities, have been recently conducted. Is going on.

이것은 codoping 혹은 cluster-doping 방법이 첫째, 주게형과 받게형 불순물 codoping시 불순물 원자 사이의 쿨롱 상호작용이 복합 불순물의 형성에너지를 감소시킴으로서 도펀트의 용해도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 주게형 결함의 형성을 억제하고, 둘째, 주게(donor)상태-받게(acceptor)상태 사이의 상호작용을 통하여 결함의 전이레벨을 더 낮출수 있다고 제시되고 있기 때문이다. (PRL, 90, 256401-1 L. G. Wang and Alex Zunger (2003), IEEE, 81 Changjie Zhou and Junyoung Kang (2004), JKPS, 39, S23 Eun-Cheol Lee Y. S. Kim, K. J. Chang(2001)) This is because the codoping or cluster-doping method firstly, the coulomb interaction between impurity atoms in the main and the receiving impurity codoping not only improves the solubility of the dopant, but also reduces the formation energy of the dopant, thereby improving the formation of the main doping defect. Secondly, it is suggested that the transition level of defects can be lowered through the interaction between donor state-acceptor state. (PRL, 90 , 256401-1 LG Wang and Alex Zunger (2003), IEEE, 81 Changjie Zhou and Junyoung Kang (2004), JKPS, 39 , S23 Eun-Cheol Lee YS Kim, KJ Chang (2001))

하지만, 현재까지 밝혀진 사실로는 N의 2p궤도가 0.5eV 정도 밴드갭 사이에 깊이 위치하는데, 여기에 codoping에도 불구하고 3족 주게형 궤도와 혼성 결합이 충분히 강하지 못하여 얕은 준위를 만드는 데 어려움이 있는 것으로 알려져 있다.However, the facts so far revealed that the 2p orbit of N is located between the bandgap of about 0.5eV, and despite the codoping, it is difficult to make the shallow level because the hybrid bond with the group III orbit is not strong enough. It is known.

일반적으로 VBM이 음이온의 p궤도로 주로 이루어져 5족의 p궤도가 불순물 준위에 직접 개입하기 때문에 5족이 1족보다 깊은 준위를 만드는 것에 반해, 1족 불순물 중 Li은 가장 얕은 불순물 준위(VBM 위로 0.1eV)를 생성시킨다고 알려져 있는데, 이러한 Li의 불순물 준위는 현재 많이 사용되고 있는 5족 불순물 N이 만드는 준위보다 훨씬 얕게 형성되는 것이다. In general, VBM is mainly composed of p-orbits of anions, and since Group 5 p-orbits directly intervene in the impurity levels, Group 5 creates a deeper level than Group 1, whereas Li is the shallowest impurity level in Group 1 impurities. 0.1 eV), and this impurity level of Li is formed to be much shallower than the level made by Group 5 impurity N, which is widely used now.

한편 Li의 불순물을 이용시 문제점은 앞에서 기술한 바와 같이 틈새자리 Li형성으로 양질의 p-형 전도도 구현이 어렵고, 또한 Li의 받게 준위가 VBM위 0.1 eV근방에 형성되어 N에 비해서는 얕은 받게준위가 형성되지만 여전히 다른 반도체에 형성가능한 받게 준위에 비해 깊고, 상온에서 ZnO소자 구동시 홀농도의 배출효율이 크지 않다는 문제점이 있다. On the other hand, the problem of using Li impurity is that it is difficult to realize good p-type conductivity due to the formation of interstitial Li as described above, and that the receiving level of Li is formed near 0.1 eV above VBM, so that the shallow receiving level is lower than that of N. Although it is formed, it is still deeper than the receiving level that can be formed in other semiconductors, and there is a problem in that the discharge efficiency of the hole concentration is not large when the ZnO element is driven at room temperature.

Li받게 준위가 깊은 것은 도 3-(b) 그림을 통하여 이해 할수 있다. 고체내 불순물 준위는 불순물원자와 이웃하는 원자들의 궤도간 혼성궤도형성에 의한 상호작용으로 결정된다. 양자역학이론에 따르면, 궤도가 혼성결합이 강하게 되면 에너지가 낮은 궤도의 준위는 더욱 낮아지고, 높은 궤도의 준위는 더욱 높아진다. 그리고 두 궤도 에너지가 보다 가까이 있을때 혼성결합의 효과가 커진다고 알려져 있다. Li 원자가 Zn자리에 치환될때, Li궤도는 O궤도와 혼성준위를 형성하게 되는데, Li의 s-형궤도가 Zn-s궤도 보다 높이 위치하여 Zn-O간 혼성결합으로 형성되는 VBM준위 보다 높은데 위치하여, Li불순물과 O간 혼성결합이 Zn-O 간 혼성결합에 비해 작기 때문에, 낮은데 위치하는 Li-O-결합형 혼성궤도의 에너지가 Zn-O간 혼성궤도의 에너지보다 높은데 위치하게 된다. 이로 인해 Li불순물이 만드는 받게 준위는 VBM위 0.1 eV에 위치하는 것으로 알려져 있다.(PRB, 66, 073202, C. H. Park, S. B. Zhang and Su-Huai Wei (2002))It can be understood from the figure of FIG. 3- (b) that the level of Li is deep. The impurity level in the solid is determined by the interaction between the orbits of the impurity atoms and the neighboring atoms. According to the theory of quantum mechanics, the stronger the orbit hybrid, the lower the low energy orbital level and the higher the orbital level. And when the two orbital energies are closer, the effect of hybrid bonding is known to be greater. When the Li atom is substituted at the Zn site, the Li orbit forms a hybrid level with the O orbit, where the s-form orbit of Li is higher than the Zn-s orbit and is higher than the VBM level formed by the hybrid bond between Zn-O. Therefore, since the hybrid bond between Li impurity and O is smaller than the hybrid bond between Zn-O, the energy of the Li-O-bonded hybrid orbit located at a lower position is higher than the energy of the hybrid orbit between Zn-O. Because of this, the receiving level produced by Li impurity is known to be located at 0.1 eV above VBM (PRB, 66 , 073202, CH Park, SB Zhang and Su-Huai Wei (2002)).

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 Li의 받게 준위를 낮추고, 주게형 결함인 틈새자리 Li의 형성을 억제함으로 양질의 p-형 ZnO반도체를 구현하고자 한다. Li의 받게 준위를 낮추기 위해서는 Li에 이웃하는 산소의 2p궤도와 Li-s궤도가 혼성결합을 강화시키고자 한다. 또한 틈새자리 Li 에 비해 Zn-자리를 치환하는 받게형 Li의 안정성을 높이고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention is intended to implement a high quality p-type ZnO semiconductor by lowering the receiving level of Li and suppressing the formation of the interstitial Li, which is a major defect. In order to lower the reception level of Li, the 2p orbit and the Li-s orbit of oxygen adjacent to Li are to enhance the hybrid bond. In addition, it is intended to increase the stability of the receiving type Li that substitutes the Zn-site compared to the interstitial Li.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Ⅱ-Ⅳ족 반도체인 ZnO에 받게형 불순물 Li과 주게형 Ⅶ족 불순물을 동시도핑(codoping)한 Li과 Ⅶ족 불순물 두가지를 동시에 주입하는 것을 기술적 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a technique for simultaneously implanting both Li and Group impurities in which ZnO, which is a group II-IV semiconductor, is co-doped with a dopant-type impurity Li and a donor group Group impurities. It features.

첫째, Li과 Ⅶ족 불순물이 공존하면, 1족원소인 Li이 ⅡI족 원소인 Zn자리를 치환할때, 이 Li은 음전화를 띄게 되고, Ⅶ족 불순물이 6족 원소 O자리를 치환할 때 양전하를 띄게 되는데, 이때 두 불순물 간 강한 쿨룽인력 상호작용이 작용하게 되어, 두 불순물이 서로 이웃하는 원자자리에서 결합하게 됨으로, Li-Ⅶ불순물 복합체가 매우 안정하게 생성되게 된다. 둘째 Li 과 Ⅶ족 불순물이 가까이 결합하게 되면, VII족 불순물원소와 I족 불순물 Li 간에 강한 이온결합이 형성된다. 이로 인해,Li 주변궤도는 sp형태의 궤도가 형성되고, 도 3-(b)에서 도식적으로 보여준 바와 같이, CBM(conduction band minimum) 주변에 있는 Li-s 에너지준위가 낮아지고, 이를 통해 Li과 그 이웃하는 O원자의 2p 궤도간 공유결합이 강화되어, Li에 이웃하 는 O-2p궤도로 주로 이루어지는 Li-O궤도의 받게 궤도의 전자 에너지 준위가 VBM에 가까이 더욱 낮아지고, 매우 얕은 받게 준위를 형성할 수 있게 된다. First, when Li and the Group VIII impurities coexist, when Li, the Group 1 element, replaces Zn, which is a Group III element, the Li becomes negative, and when the Group impurities replace O, the Group 6 element. A positive charge is generated. At this time, a strong Coulomb interaction between two impurities is applied, and the two impurities are bonded at neighboring atomic sites, resulting in a very stable Li-Ⅶ impurity complex. Secondly, when Li and the Group VIII impurities closely bond, a strong ionic bond is formed between the Group VII impurity element and the Group I impurity Li. Due to this, the Li periphery has a sp-shaped trajectory, and as shown schematically in Fig. 3- (b), the Li-s energy level around the conduction band minimum (CBM) is lowered, thereby allowing Li and The covalent bond between 2p orbits of neighboring O atoms is strengthened, and the electron orbital energy level of the Li-O orbit, which is mainly composed of O-2p orbits adjacent to Li, is lowered closer to VBM, and the extremely shallow receive level is achieved. Can be formed.

따라서, 얕은 받게형 불순물 준위 구현되며, 이와 동시에 Li-Ⅶ-Li 및 틈새자리 Liint의 형성를 억제하여, Li과 Ⅶ족 불순물을 동시도핑한 양질의 p-형 ZnO 반도를 구현하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention aims to realize a high quality p-type ZnO peninsula which is simultaneously doped with Li and Group III impurities by suppressing the formation of a shallow accept-type impurity level and at the same time suppressing the formation of Li- Li-Li and the interstitial Li int . .

여기서, 상기 불순물 중 받게형 Li의 농도는 주게형 Ⅶ족 불순물의 농도보다 상대적으로 높은 것이 바람직하다.Herein, the concentration of the accept-type Li in the impurity is preferably higher than the concentration of the main donor group VIII impurity.

여기서, 받게형 불순물 Li과 주게형 Ⅶ족 불순물의 농도간 비율이 2:1인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the ratio between the receiving-type impurity Li and the concentration of the donor group VIII impurities is 2: 1.

여기서, 상기 Ⅶ족 불순물은, 원소 F인 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the said Group VIII impurity is element F.

상기 구성에 의한 본 발명은, Li이 홀로 존재할 때 이미 VBM위 0.1 eV로 얕은 준위가 형성되는 데, Li불순물과 Ⅶ족 불순물을 사용하여 동시도핑(codoping)을 통해 Ⅶ불순물의 영향으로 Li-O준위가 더욱 얕아지게 된다. In the present invention according to the above configuration, when Li is present alone, a shallow level is already formed at 0.1 eV above VBM. Li-O is influenced by co-doping through co-doping using Li impurities and group impurities. The level becomes shallower.

또한, 본 발명은 Li원자 및 Ⅶ족 불순물이 각각 Zn원자 및 O원자를 치환할 때, 각각 음이온과 양이온 상태가 되어 두 불순물간 쿨롬(Coulomb) 인력 상호작용과 함께 Li-Ⅶ-Li 불순물 복합체 형성을 위한 결합에너지가 커져서 복합체의 형성이 용이하며, 동시에 Li의 틈새형 불순물구조의 형성이 차단될 수 있는 효과가 있다.In addition, in the present invention, when the Li atom and the Group VIII impurities replace the Zn and O atoms, respectively, they become anions and cations, respectively, to form a Li- Li-Li impurity complex with the coulomb attraction interaction between the two impurities. For this reason, the bonding energy is increased for the formation of the composite, and at the same time, the formation of the interstitial impurity structure of Li can be blocked.

따라서 Li과 Ⅶ족 불순물을 동시도핑하면 ZnO 에 양질의 p-형 전도도를 구현할수 있게 된다.Therefore, simultaneous doping of Li and Group III impurities enables good p-type conductivity of ZnO.

일반적인 공유결합형 반도체에서 불순물 전자가 주물질의 특정 위치에서 분리된(delocalized) 고체궤도와 결합하는 것과는 달리, ZnO는 높은 이온성(high-ionic) 물질이므로 불순물을 첨가하면 불순물의 원자궤도와 최근접 이온 원자의 궤도가 불순물 주변에만 국한되는 분자궤도가 형성된다.In contrast to the combination of impurity electrons with delocalized solid orbitals in a common covalent semiconductor, ZnO is a high ionic material, so the addition of an impurity Molecular orbits are formed in which the orbitals of the contact ion atoms are confined only around the impurities.

즉 분자궤도의 전자에너지 특성이 물질 내에서 비효과적으로 작용하는데 이러한 점이 ZnO의 도핑시 얕은 에너지 준위(shallow-level) 형성의 어려운 점이 되며, 이러한 ZnO의 전자구조는 O-2p 전자궤도와 Zn-4s 전자궤도의 혼성결합(hybridization)에 의해 전기적 성질이 결정된다. In other words, the electron energy characteristics of the molecular orbital act ineffectively in the material, which makes it difficult to form shallow energy level when doping ZnO, and the electronic structure of ZnO is O-2p electron orbit and Zn-4s. Electrical properties are determined by hybridization of electron orbits.

통상, 가전도대(valence band)와 전도대(conduction band)는 상기 두 궤도의 다양한 혼성결합(hybridization)에 의해 이루어진다. Valace Band Maximum(이하 VBM이라고 함.)의 전자궤도는 주로 산소원자의 2p궤도로 구성되어 있어서, VBM의 에너지는 O-2p의 전자에너지로 거의 결정되고, Conduction Band Minimim(이하 CBM이라고 함.)은 Zn-4s 궤도로 주로 이루어지므로 Zn-s 전자에너지에 의해 CBM에너지가 결정된다. Typically, a valence band and a conduction band are achieved by various hybridizations of the two orbits. The electron orbit of the Valace Band Maximum (hereinafter referred to as VBM) is mainly composed of 2p orbitals of oxygen atoms, and the energy of VBM is almost determined by the electron energy of O-2p, and the Conduction Band Minimim (hereinafter referred to as CBM). Since is mainly composed of Zn-4s orbits, CBM energy is determined by Zn-s electron energy.

또한, 높은 전기전도도를 가지는 n-형 도핑을 위해서는 얕은 에너지 준위(shallow-level)을 만들어야 하는데, 주게형 불순물 준위가 Zn-s전자 에너지보다 높아야 하며, 높은 p-형 전기전도도의 구현을 위해서는 받게형 불순물준위가 O-p전자에너지보다 낮아지는 것도 요망된다.In addition, shallow n-type doping has to be made for the n-type doping with high conductivity, and impurity levels must be higher than Zn-s electron energy, and high p-type conductivity is required to achieve high conductivity. It is also desired that the type impurity level be lower than the op electron energy.

이러한 조건이 만족되면, 전자전하가 CBM에서 자유로운 유동성을 가지고 홀전하는 VBM에서 자유로운 유동성을 가지면서 전하들이 주 물질이 만드는 밴드 끝단에서 유동하게 된다.If these conditions are met, the charges will flow at the end of the band made by the main material, while electron charges will flow freely in the CBM and electrons will flow freely in the VBM.

반면에 CBM에서 전자전하가 자유로운 유동성을 갖지못하고, VBM에서 홀전하가 자유롭지 못하면, 불순물 준위가 깊은 준위를 만들고, 일종의 잡아두는(trap center)의 역할을 하여, 전하의 흐름을 방해하게 되어, ZnO의 p-형 전기전도도의 구현을 방해할 것이다.On the other hand, if CBM does not have free fluidity, and if VBM does not have free charge, the impurity level creates a deep level and acts as a trap center, hindering the flow of charge. Will interfere with the implementation of the p-type conductivity.

따라서, ZnO의 p-형 전기전도도를 구현하기 위해서는 Zn자리를 1족 불순물로 치환하거나, O자리를 5족 불순물로 치환하여, 전기적 평형을 위해 이들 불순물이 받게형 불순물의 역할을 하도록 한다. 그러나 이러한 치환되는 불순물들의 준위가 ZnO내에 도핑되면 밴드갭 사이에 깊게 형성되므로, p-형 반도체의 구현이 어려운 점이 있다.Accordingly, in order to realize p-type electrical conductivity of ZnO, Zn sites are substituted with Group 1 impurities, or O sites with Group 5 impurities, so that these impurities serve as acceptable impurities for electrical equilibrium. However, when the level of these impurities is doped in ZnO, deeply formed between the band gaps, it is difficult to implement a p-type semiconductor.

특히 5족 불순물의 원자궤도는 O-2p 궤도의 전자에너지보다 높은데, 5족 불순물 중 N인 경우, N의 2p전자에너지가 O-2p궤도의 전자에너지에 가깝지만 여전히 그 에너지 준위가 밴드갭 내에 깊게 위치한 준위를 형성한다.In particular, the atomic orbits of group 5 impurities are higher than the electron energy of the O-2p orbitals.In the case of N group 5 impurities, the 2p electron energy of N is close to the electron energy of the O-2p orbit, but the energy level is still deep within the band gap. Form the level in which it is located.

최근의 연구에 의하면 p-형 도핑시 받게 준위를 얕게 만들고 n-형 결함의 형성을 막기 위해서는 기존 기술에서는 Ⅲ족 불순물과 받게형 불순물 N을 결합하여 N의 전자에너지 준위를 낮추는 것이 시도되어 왔다. 하지만 종래에 발표된 계산결과에 따르면 N의 2p 궤도의 에너지 준위는 0.5eV 정도 밴드갭 사이에 깊이 위치하는 것으로 알려져 있다.(PRB, 66, 073202, C. H. Park, S. B. Zhang and Su-Huai Wei (2002))Recent studies have attempted to reduce the electron energy levels of N by combining group III impurities and N-type impurities, N, to reduce the level of p-type doping and prevent the formation of n-type defects. However, according to conventional calculations, the energy level of N's 2p orbit is known to be deeply located between the band gaps by 0.5 eV (PRB, 66, 073202, CH Park, SB Zhang and Su-Huai Wei (2002). ))

한편, 1족 불순물의 경우, 불순물의 s궤도 전자가 O-2p 전자궤도와 혼성결합하는 불순물 준위를 만드는데, 1종 불순물 중 특히 Li의 경우 불순물 준위가 O-2p의 VBM과 유사하여 0.09eV정도의 낮은 에너지 준위를 만들 수 있으나, Li의 문제는 치환형 구조와 틈새형 구조가 에너지 준위가 유사하여 두 가지 유형의 구조가 같이 나타나 전기적 성질이 상호 보상되어 받게형 불순물의 역할을 제대로 하지 못하는데 있다.On the other hand, in the case of the group 1 impurities, the s orbital electrons of the impurities form an impurity level that hybridizes with the O-2p electron orbit, and in particular, in the case of Li, the impurity level is similar to the VBM of O-2p, which is about 0.09 eV. It is possible to make a low energy level of, but the problem of Li is that the substitutional structure and the niche structure have similar energy levels, so the two types of structures appear together, so that the electrical properties are mutually compensated, and thus they do not function properly as impurities. .

따라서 p-형 ZnO 구현하기 위해서 현재 주로 O자리를 안정되게 치환하는 N불순물을 이용하는 방법이 시도되고 있다. 그리고 N의 깊은 준위를 얕은 상태로 변화시키기 위해 Ⅲ족 불순물을 동시에 주입하는 코도핑(codoping)하는 방법이 연구되고 있다.Therefore, in order to implement p-type ZnO, a method of using N impurity which mainly substitutes O-position stably is attempted. Also, a method of codoping which injects group III impurities simultaneously to change the deep state of N to a shallow state has been studied.

도 1은 종래의 기술에 따른 ZnO에 Ga과 N이 동시도핑(이하 codoping이라고 함.) 된 경우 N-Ga-N 불순물 복합체의 전자 에너지 구조의 모식도이다. 여기서 codping은 하나의 주게(donor)와 2개의 받게(acceptor)를 하나의 기준단위(net)로 반도체로 만들고자 하는 물질에 첨가하여 에너지 준위를 변화시키는 것을 의미하며, 동시도핑으로 언급할 수 있다.1 is a schematic diagram of an electron energy structure of an N-Ga-N impurity composite when Ga and N are co-doped with ZnO according to the related art (hereinafter, referred to as codoping). Here, codping means changing the energy level by adding one donor and two acceptors to a material to be made into a semiconductor in one reference unit, and may be referred to as co-doping.

도 1의 (a)에서 도시된 바와 같이, 기존 Ga과 N불순물에 사용한 codoping기술에 의하면, Zn 자리에 Ga이 대체되어 donor:GaZn이 형성되고, O자리에 N을 대체한 acceptor:NO이 형성된 codoping을 하면, Ga의 주게준위와 N의 받게 준위간 상호작용으로 N-Ga-N불순물복합체인 Acceptor:Ga+N의 에너지 준위의 전이레벨이 하나의 N만 도핑시 형성되는 준위보다 얕아질 수 있다고 제안되었다. As shown in (a) of FIG. 1, according to a codoping technique used for existing Ga and N impurities, a donor: Ga Zn is formed by replacing Ga at Zn , and an acceptor: N O is substituted for N at O. When the codoping is formed, the transition level of the energy level of acceptor: Ga + N, which is an N-Ga-N impurity complex, is shallower than the level formed when only one N is doped due to the interaction between Ga's main level and N's receiving level. It has been suggested that you can lose.

하지만 현재까지 연구결과, 도 1의 (b)에서 도시된 바와 같이, codoping시 Ⅲ족 주게형 궤도와 혼성 결합이 충분히 강하지 못하여 얕은 준위를 만드는 어려움을 유발하는 것으로 알려져 있다. 또한 다른 슈도퍼텐셜을 이용한 에너지 계산에 따르면, 실제로는 codoping에 의한 Ga-N가 N이 홀로 도핑된 Zn-N준위보다 밴드갭내에 깊이 위치하는 것으로 알려져 있다. 또한, 받게 불순물과 결합하지 않는 O의 p궤도의 준위가 받는 혼성 결합에 의한 척력이 크지 않을 뿐만 아니라, codoping시 만들어지는 불순물 복합체내 사이에 형성되는 쿨룽 포텐셜이 전하의 이온화 에너지를 오히려 증가시킬 수 있다고 알려져 있다.(PRB, 74, 081201-1(R), Jinbo Li, Su-Huai Wei, Shu-shen Li Kian-Bai Xia (2006))However, until now, as shown in (b) of FIG. 1, it has been known that hybrid cohesion with the Group III trajectory is not strong enough in codoping, causing difficulty in making shallow levels. In addition, according to the energy calculation using other pseudo-potentials, it is known that Ga-N due to codoping is actually located deeper in the bandgap than N-doped Zn-N level. In addition, the repulsive force due to the hybrid bonds received by the p-orbital level of O which does not bind to impurities is not great, and the Coulomb potential formed between the impurity complexes produced during codoping may increase the ionization energy of the charge. (PRB, 74, 081201-1 (R), Jinbo Li, Su-Huai Wei, Shu-shen Li Kian-Bai Xia (2006))

도 2는 본 발명에 따른 Ⅱ-Ⅳ족 ZnO내에 Li과 F를 동시도핑(codoping)시 형성되는 첨가된 Li-F-Li 복합체의 원자구조 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram of the atomic structure of the added Li-F-Li composite formed when co-doping Li and F in group II-IV ZnO according to the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 N-보다 얕은 받게 준위를 형성한다고 알려진 1족 받게형 불순물 Li과, 주게형 7족 불순물 F의 codoping방법으로 형성되며, 받게형 Li과 주게형 F를 2:1의 비율로 codoping하면 Li-2개와 F의 강한 정전기력 결합에 의해 Li-F-Li 불순물 복합체 구조가 쉽게 고농도로 형성되는 것이 기대된다.As shown in FIG. 2, the present invention is formed by a codoping method of Group 1 accepting impurities Li, and Zhuge Group 7 impurities F, which are known to form shallower receiving levels than N-, When codoping at a ratio of 2: 1, it is expected that the Li-F-Li impurity complex structure is easily formed at a high concentration by the strong electrostatic bonding of Li-2 and F.

또한 이러한 불순물은 하나의 Li-1과 F 및 Li-2와 F간 이온 결합에 따라, Li-1과 이웃한 O간 공유결합이 강화되어 이들 Li-O의 혼성결합의 전자에너지 준위가 낮아져 A지점에 얕은 받게 준위가 형성되는 것이 기대된다.In addition, these impurities have a covalent bond between Li-1 and F, which is adjacent to Li-1 and F, and Li-2 and F, thereby lowering the electron energy level of the hybrid bond of Li-O. It is expected that shallow receive levels will be formed at the point.

도 3은 본 발명에 따른 Ⅱ-Ⅳ족 ZnO내에 Li과 Ⅶ족 불순물중 F를 동시에 주입시 형성되는 Li-F-Li 불순물 복합체의 Li-O간 형성되는 전자구조에 대한 모식도이다.FIG. 3 is a schematic diagram of an electronic structure formed between Li-O of a Li-F-Li impurity composite formed by simultaneously injecting F of Li and Group VIII impurities into Group II-IV ZnO according to the present invention.

도 3의 (a)에서 푸른색은 Zn자리에 대체형 Li을 설명하는 모식도이다. 붉은색은 Zn이며, 초록색은 산소를 나타내고 푸른색은 Li원자를 나타낸다. 도 3의 (a'')에서는 푸른색은 틈새형 Li의 원자구조 모식도이다, 붉은 색은 Zn이며, 초록색은 산소를 나타낸다. 이러한 구조의 차이를 가지고 틈새형 Li은 주변 원자와 결합하지 않고 Li-s궤도의 전자에너지는 도 3의 (b)에서 예시한 바와 같이 높이 위치하여 전자를 CBM으로 방출하게 되어, 주게형 불순물이 되고, 태체형 Li은 II족 원자 Zn를 대체하고, 주변 O-원자와 결합하게 되어 전자가 부족한 상태가 되어, 도 3의 (b)에서 예시한 바와 같이 VBM 근처 Li-O 혼성궤도에 의한 받게 준위를 형성된다. In FIG. 3 (a), blue is a schematic diagram explaining alternative type Li in place of Zn. Red is Zn, green represents oxygen and blue represents Li atom. In FIG. 3A, blue is a schematic diagram of the atomic structure of the interstitial Li, red is Zn, and green is oxygen. With this difference in structure, the interstitial Li does not bond with the surrounding atoms, and the electron energy of the Li-s orbit is positioned high as illustrated in (b) of FIG. 3 to emit electrons to the CBM. In addition, the Ta-type Li replaces the Group II atom Zn and bonds with the surrounding O-atoms, resulting in a lack of electrons, which is caused by the Li-O hybrid orbit near VBM as illustrated in FIG. Levels are formed.

Li받게 준위가 깊은 것은 도 3-(b) 그림을 통하여 이해 할수 있다. 고체내 불순물 준위는 불순물원자와 이웃하는 원자들의 궤도간 혼성궤도형성에 의한 상호작용으로 결정된다. 양자역학이론에 따르면, 궤도가 혼성결합이 강하게 되면 에너 지가 낮은 궤도의 준위는 더욱 낮아지고, 높은 궤도의 준위는 더욱 높아진다. 그리고 두 궤도 에너지가 보다 가까이 있을때 혼성결합의 효과가 커진다고 알려져 있다. Li 원자가 Zn자리에 치환될때, Li궤도는 O궤도와 혼성준위를 형성하게 되는데, Li의 s-형궤도가 Zn-s궤도 보다 높이 위치하여 Zn-O간 혼성결합으로 형성되는 VBM준위 보다 높은데 위치하여, Li불순물과 O간 혼성결합이 Zn-O 간 혼성결합에 비해 작기 때문에, 낮은데 위치하는 Li-O-결합형 혼성궤도의 에너지가 Zn-O간 혼성궤도의 에너지보다 높은데 위치하게 된다. 이로 인해 Li불순물이 만드는 받게 준위는 VBM위 0.1 eV에 위치하는 것으로 알려져 있다.(PRB, 66, 073202, C. H. Park, S. B. Zhang and Su-Huai Wei (2002))It can be understood from the figure of FIG. 3- (b) that the level of Li is deep. The impurity level in the solid is determined by the interaction between the orbits of the impurity atoms and the neighboring atoms. According to the theory of quantum mechanics, the more orbital hybrid bonds, the lower the energy low orbital level, the higher the orbital level becomes higher. And when the two orbital energies are closer, the effect of hybrid bonding is known to be greater. When the Li atom is substituted at the Zn site, the Li orbit forms a hybrid level with the O orbit, where the s-form orbit of Li is higher than the Zn-s orbit and is higher than the VBM level formed by the hybrid bond between Zn-O. Therefore, since the hybrid bond between Li impurity and O is smaller than the hybrid bond between Zn-O, the energy of the Li-O-bonded hybrid orbit located at a lower position is higher than the energy of the hybrid orbit between Zn-O. Because of this, the receiving level produced by Li impurity is known to be located at 0.1 eV above VBM (PRB, 66 , 073202, CH Park, SB Zhang and Su-Huai Wei (2002)).

첫째, Li과 Ⅶ족 불순물이 공존하면, 1족원소인 Li이 Ⅱ족 원소인 Zn자리를 치환할때, 이 Li은 음전화를 띄게 되고, Ⅶ족 불순물이 6족 원소 O자리를 치환할 때 양전하를 띄게 되는데, 이때 두 불순물 간 강한 쿨룽인력 상호작용이 작용하게 되어, 두 불순물이 서로 이웃하는 원자자리에서 결합하게 됨으로, Li-Ⅶ불순물 복합체가 매우 안정하게 생성되게 된다. 둘째 Li 과 Ⅶ족 불순물이 가까이 결합하게 되면, Ⅶ족 불순물원소와 I족 불순물 Li 간에 강한 이온결합이 형성된다. 이로 인해, Li 주변궤도는 sp 형태의 궤도가 형성되고, 도 3-(b)에서 도식적으로 보여준 바와 같이, CBM(conduction band minimum) 주변에 있는 Li-s 에너지준위가 낮아지고, 이를 통해 Li과 그 이웃하는 O원자의 2p 궤도간 공유결합이 강화되어, Li에 이웃하는 O-2p궤도로 주로 이루어지는 Li-O궤도의 받게 궤도의 전자 에너지 준위가 VBM에 가까이 더욱 낮아지고, 매우 얕은 받게 준위를 형성할 수 있게 된다. First, when Li and the Group VIII impurities coexist, when Li, the Group 1 element, replaces Zn, which is a Group II element, the Li becomes negative, and when the Group I impurities replace O, which is a Group 6 element. A positive charge is generated. At this time, a strong Coulomb interaction between two impurities is applied, and the two impurities are bonded at neighboring atomic sites, resulting in a very stable Li-Ⅶ impurity complex. Secondly, when Li and the Group III impurity are closely coupled, a strong ionic bond is formed between the Group I impurity element and the Group I impurity Li. Because of this, the Li trajectory is sp Formed orbits are formed, and as shown schematically in Figure 3- (b), the Li-s energy level around the conduction band minimum (CBM) is lowered, which results in a 2p orbital of Li and its neighboring O atoms. As the covalent bond between the two is enhanced, the electron orbital level of the receiving orbit of the Li-O orbit, which is mainly composed of O-2p orbits adjacent to Li, is lowered closer to VBM, thereby forming a very shallow receiving level.

(계산방법)(Calculation method)

ZnO내 불순물의 전자구조를 연구하기 위해 VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)를 이용하였다. 36개 원자 수퍼셀에서 불순물 복합체의 결합구조의 계산을 수행하였으며, 슈도포텐셜에 있어서는 Generalized Gradient Approximation(GGA)방식의 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) 교환상관범함수와, Projector Augmented Wave(PAW)방법을 사용하였다.The Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP) was used to study the electronic structure of impurities in ZnO. Calculation of the binding structure of the impurity complex in the 36-atomic supercell was carried out. For the pseudo potential, the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) exchange correlation function and the Projector Augmented Wave (PAW) method of the Generalized Gradient Approximation (GGA) method Was used.

여기서, Zn-3d 궤도는 semicore준위를 나타내며, LDA 계산을 수행하면 Zn-3d궤도는 VBM 아래의 -4.85eV 근방에 위치하는데, 실험값은 VBM 아래 -8.6eV, -7.5eV 정도에 위치하여 LDA 계산값과 실험값에 상당한 차이가 있다.Here, the Zn-3d orbit represents the semicore level, and when LDA calculation is performed, the Zn-3d orbit is located near -4.85eV below VBM, and the experimental value is located at -8.6eV and -7.5eV below VBM to calculate LDA. There is a significant difference between the values and the experimental values.

이것은 Zn-3d궤도가 국한된 궤도이어서 쿨롱 반발 상호작용(repulsive interaction)이 LDA계산에서 강하게 작용하기 때문이다. This is because the Zn-3d orbit is a confined orbit, so the Coulomb repulsive interaction is strongly active in the LDA calculation.

본 발명에서는 LDA계산의 준위보다 정확한 계산을 위하여 LDA+U 방법을 선택하였다.In the present invention, the LDA + U method was selected for more accurate calculation than the level of LDA calculation.

Zn의 3d궤도에 U= 10eV로 두면, VBM 아래 -8.1eV에 위치해 실험값과 거의 일치하므로 본 계산에 이 값을 사용하였다. If U = 10eV in the 3d orbit of Zn, it is located at -8.1eV below VBM and is almost identical to the experimental value.

본 계산방법으로 계산한 wurtzite 구조의 ZnO의 전자구조와 전자 상태밀도 그래프(density of electronic state)는 그림 4에 나타나 있다.The electronic structure and density of electronic state of the wurtzite structure ZnO calculated by this method are shown in Figure 4.

본 계산에의 밴드갭은 변수 U를 고려하지 않은 경우에 0.776eV로 낮게 추정되었고, U=10으로 고려한 경우 약 1.876eV로 나왔다.The bandgap in this calculation was estimated to be low as 0.776 eV without considering the variable U, and about 1.876 eV when considering U = 10.

우리는 길이 3c의 사방정계 wurtzite 구조의 수퍼셀을 고려하였으며, 계산된 격자상수는 c=4.62Å, bulk modulus는 148.588 Mbar, U=0인 경우, ZnO의 형성에너지가 3.56eV로 실험값 3.61과 잘 일치한다. 모든 수퍼셀의 구조적인 변수는 총에너지와 양자역학적 힘의 최소화를 통해 얻은 최적의 값을 사용했다.We considered a supercell with a 3c tetragonal wurtzite structure, and the calculated lattice constant of c = 4.62Å, bulk modulus of 148.588 Mbar, U = 0, the formation energy of ZnO is 3.56 eV, Matches. Structural parameters of all supercells used optimal values obtained by minimizing total energy and quantum mechanical forces.

이러한 계산방법으로 ZnO내에 Li과 VII족 원소중 F를 선택하여, Li-F-Li 불순물복합체의 전자 에너지 준위를 계산하였다.In this calculation method, F among Li and Group VII elements in ZnO was selected to calculate the electron energy level of the Li-F-Li impurity composite.

여기서, Zn자리에 대체하는 Li가 O와 결합한 Li-O 사이의 혼성결합이 Zn-O사이의 혼성결합에 비해 약하게 결합되며, Li에 의한 받게 준위(Li-O)의 위치는 기존 연구결과와 유사하게 VBM이 약 0.1eV로 나타났다.Here, the hybrid bond between Li-O where Li replaced with O in the place of Zn is weakly bonded compared to the hybrid bond between Zn-O, and the position of the receiving level (Li-O) by Li is different from that of previous studies. Similarly, VBM was found to be about 0.1 eV.

또한, Ⅶ족 불순물중 F불순물에 대하여 자세한 계산을 수행하였는데, F의 전자궤도들이 혼성 결합하여 Li와 F에 의한 Li-F-Li 불순물 복합체의 전자 궤도의 전자에너지 준위를 계산하였는데, Li의 받게 준위(VBM위 0.1 eV 위치)보다 낮은 VBM 아래의 0.006 eV로 결정되는데 받게 준위가 형성됨을 알았다. 이렇게 되는 이유는 위에서 상술한 바와 같이, 이 때 Li과 상기 F의 이온 결합은 이웃한 Li의 궤도가 sp2특성을 가지게 되고 에너지가 sp3궤도에 비해 낮으므로 낮은 에너지의 O-2p궤도와 보다 강한 혼성결합이 형성되어 Li-O의 받게 에너지준위가 낮아지게 된다. In addition, a detailed calculation was performed on the F impurity in Group III impurities, and the electron orbits of F were combined to calculate the electron energy level of the electron orbit of the Li-F-Li impurity composite by Li and F. It was determined to be 0.006 eV below VBM below the level (0.1 eV above VBM), and it was found that the received level was formed. The reason for this is as described above, in which the ionic bond between Li and F has a sp2 characteristic of neighboring Li, and the energy is low compared to the sp3 orbit, and thus a low energy O-2p orbit and a stronger hybridity. A bond is formed, which lowers the energy level of the Li-O.

또한 Li과 VII족 불순물 동시도핑시 틈새형 Li형성이 차단할수 있는지 확인하기 위해 각각의 불순물과 불순물복합체의 형성에너지를 연구하였다. 이를 위해 Ⅶ불순물중 F를 선택하여 자세한 계산을 수행하였다.In addition, the formation energy of each impurity and impurity complex was studied to determine whether interstitial Li formation could be blocked when doping Li and group VII impurities simultaneously. For this purpose, F was selected from the impurities and detailed calculations were performed.

먼저 Li와 F간 결합에 필요한 결합에너지를 계산하고 그 복합체의 형성에너지를 Liint 형성에너지와 비교하였다.First, calculate the binding energy required for the bond between Li and F and convert the formation energy of the complex into Li int. Compared with the formation energy.

불순물 복합체의 결합에너지는 다음과 같이 정의한다.The binding energy of the impurity composite is defined as follows.

Eb = {Etot(LiZn + FO)+Etot(ZnO)} - {Etot(LiZn) + Etot(FO)}---------------(식 1)E b = {E tot (Li Zn + F O ) + E tot (ZnO)}-{E tot (Li Zn ) + E tot (F O )} --------------- (Equation 1)

Etot는 정확하게 동일한 수퍼셀과 전기적으로 중성인 전하상태에서 계산된 총에너지이며, 결합에너지 Eb가 음을 나타낼 때, 같은 셀의 불순물복합체가 서로 결합한 상태가 더 안정된 상태임을 나타낸다.E tot is the total energy calculated from the exact same supercell and electrically neutral charge state, and when the binding energy E b is negative, the impurity complexes of the same cell are more stable.

LiZn-FO 사이의 결합에너지는 발열반응으로써 -0.23eV로 계산되었는데, 이는 전기적으로 중성인 LiZn --FO +불순물복합체를 형성할 때, LiZn --FO +사이의 강력한 쿨롱 인력에 의한 것으로 이해될 수 있다.The binding energy between Li Zn -F O was calculated as -0.23eV as an exothermic reaction, which is a strong coulomb between Li Zn -- F O + when forming an electrically neutral Li Zn -- F O + impurity complex. It can be understood to be by manpower.

또한, 불순물복합체 Li-F-Li는 매우 안정되게 만들어질 수 있음을 총에너지 계산결과로부터 보여주는데, 이 둘의 결합 에너지(binding energy)를 계산하기 위하여 Li(-) + Li-F(0) + ΔE → Li-F-Li(-) 반응을 고려한 결과, 결합 에너지는 -0.44eV로 계산된다.In addition, the impurity complex Li-F-Li shows that the total energy can be made very stable. In order to calculate the binding energy of the two, Li (-) + Li-F (0) + Considering the reaction ΔE → Li-F-Li (−), the binding energy is calculated to be −0.44 eV.

고체내 결함이나 불순물의 형성에너지(Formation enthalpy)는 다음식을 이용하여 계산하였다.Formation enthalpy of defects or impurities in solids was calculated using the following equation.

ΔH(α,q) = E(α,q) + Σiniμi + EF,--------------------------(식 2)ΔH (α, q) = E (α, q) + Σ i n i μ i + E F , ------------------------- -(Equation 2)

ZnO내 불순물 A에 대하여는 For impurity A in ZnO

ΔE(α,q)ΔE (α, q)

= E(α,q) - E(ZnO) + nZnE(Zn) + nOE(O) + ΣAnAE(A) + qEVBM -----(식 3)= E (α, q)-E (ZnO) + n Zn E (Zn) + n O E (O) + Σ A n A E (A) + qE VBM ----- (Eq 3)

여기서, EF는 ZnO의 VBM의 참조점이며, μi는 기체상태나 고체상태로부터 얻을 수 있는 화합물의 화학포텐셜을 의미한다. n은 결함 A나 Zn, O등의 개수를 나타내며, q는 결함셀이 형성될 때, 레저버(reservoir)로부터 이동될 수 있는 전자의 개수를 말한다.Here, E F is the reference point of the VBM of ZnO, and μ i means the chemical potential of the compound obtained from the gas or solid state. n represents the number of defects A, Zn, O, etc., and q represents the number of electrons that can be moved from the reservoir when the defect cell is formed.

본 발명에서는 Fermi 준위가 밴드갭 중앙에 위치할 때, 도 4를 참고로하는 후술할 형성에너지 계산을 통해 F-rich 조건하에서 F가 충분히 공급되는 조건(F-rich)에서 틈새구조의 Li보다 Li-F 복합구조가 -1.14613eV만큼 더 안정하다는 것을 계산하였다.In the present invention, when the Fermi level is located at the center of the bandgap, Li is less than Li in the crevice structure under the condition that F is sufficiently supplied under F-rich conditions through calculation of formation energy to be described later with reference to FIG. 4. It was calculated that the -F composite was more stable by -1.14613 eV.

Li-F 불순물 복합체는 전기적으로 중성이므로 그 형성에너지(formation Enthalphy)는 Fermi준위의 변화에 관계하지 않는다.Since the Li-F impurity complex is electrically neutral, its formation energy (formation Enthalphy) is not related to the change of Fermi level.

앞서 언급한 바와 같이, ZnO내 받게형 Li가 Zn 자리에 대체(LiZn)되어 p-형 도핑시, 주게형 Liint 생성에 의한 보상효과로 인해 ZnO가 p-형으로 도핑이 어려운 것으로 알려져 있다. As mentioned above, it is known that ZnO is difficult to be doped into p-type due to the compensation effect of ZnO-type Li int generation due to the substitution of Li-type Zn in the Zn site (Li Zn ). .

ZnO내 F가 O-자리에 대체할 때, Li는 F의 이웃에 위치한 Zn자리에 대체하는 것이 틈새형 Li(Liint)에 위치하는 것보다 안정할 수 있다는 것을 보여주기 위해 우리는 다음의 반응을 연구하였다.When F in ZnO substitutes for the O-position, Li is replaced by Zn, which is located next to F, to show that it can be more stable than that located in the niche Li (Li int ). Was studied.

Liint + F + ΔE → Li-F ----------------------------------------(식 4)Li int + F + ΔE → Li-F ---------------------------------------- (Equation 4)

E(Li-F)O + μZn = {E(Liint +) + E(F+)} + 2Efermi + ΔE ---------------(식 5)E (Li-F) O + μ Zn = {E (Li int + ) + E (F + )} + 2E fermi + ΔE --------------- (Equation 5)

이 때, ΔE가 양으로 크면, Li-F의 에너지가 주게형 불순물 F와 Liint가 공존하는 경우의 에너지보다 높음을 뜻하고, Li-F복합체의 생성이 어려워 짐을 뜻한다.At this time, if ΔE is large, it means that the energy of Li-F is higher than the energy of covalent impurity F and Li int coexisting, which means that the formation of Li-F complex becomes difficult.

그리고, Efermi가 VBM에 가까이 감에 따라 Efermi가 작아지고, 따라서, ΔE는 커지고, Liint의 형성이 용이해진다.And as E fermi gets closer to VBM, E fermi becomes smaller, so that ΔE becomes larger and Li int is easily formed.

(식 5)에서 μZn는 Liint이 Zn 자리를 대체시 Zn를 Zn-reservoir로 방출하는 것을 내포하고 있다. In Equation 5, μ Zn implies that Zn is released to Zn-reservoir when Li int replaces the Zn site.

이것으로 인해, 결정성장 조건이 Zn-poor(O-rich)에서 Zn-rich조건에 가까워짐에 따라, μZ는 높아지고, 따라서 ΔE는 증가하여 Li-F의 생성이 어려워진다.For this reason, as the crystal growth condition approaches Zn-poor (O-rich) to Zn-rich condition, μ Z becomes high, and therefore ΔE increases, making Li-F difficult to produce.

Efermi가 VBM에 위치하며, Zn-poor(O-rich)인 조건하에서는 ΔE를 계산한 결과 ΔE = -0.16 eV로 계산되어, Li-F형성이 Liint+F 형성보다 안정됨을 보여준다.E fermi is located at VBM and Zn-poor (O-rich) is calculated as ΔE as ΔE = -0.16 eV, indicating that Li-F formation is more stable than Li int + F formation.

한편, Zn-rich 조건하에서는 위 식에서 ΔE가 4.25 eV로 계산되었으며, 이를 통해 Li-F 형성이 상대적으로 Liint 형성에 비해 어려워져 Li-F 복합구조를 형성하기 위해서는 Zn-poor 조건이 유리함을 알 수 있다. On the other hand, under the Zn-rich condition, ΔE was calculated to be 4.25 eV in the above equation, which shows that the Li-F formation is relatively difficult compared to the Li int formation, and thus the Zn-poor condition is advantageous to form the Li-F composite structure. Can be.

따라서, Li-F는 Zn-poor(O-rich)조건 하에서 잘 형성될 수 있음을 보여주며, 이러한 조건하에서는 주게(donor)형 결함인 O-빈자리나 Zn-틈새형(interstitial)의 형성이 억제되는 것을 알 수 있다.Therefore, Li-F shows that it can be formed well under Zn-poor (O-rich) conditions, and under these conditions, formation of donor defects such as O-vacancy or Zn-interstitial formation is suppressed. It can be seen that.

앞서 우리는 대체형 F가 존재할 때 Zn-poor(O-rich)조건 하에서 Li-F 구조형성이 Liint + F 형성보다 더 안정적으로 존재할 수 있으며, O-빈자리나, Znint의 형성이 억제되는 것을 알 수 있었다.Earlier, we found that Li-F structure can be more stable than Li int + F formation under Zn-poor (O-rich) condition when alternative F is present, and that O-vacancy or Zn int formation is suppressed. I could see that.

여기서는 Li-F의 존재시 (Liint + Li-F)구조 형성에 대한 Li-F-Li형성의 안정성을 다음과 같은 에너지값을 계산하여 비교하였다.Here, in the presence of Li-F (Li int The stability of Li-F-Li formation to + Li-F) structure formation was compared by calculating the following energy values.

A = E((Li-F-Li)) + E(ZnO:pure) + μZn - Efermi -------------------(식 6)A = E ((Li-F-Li)) + E (ZnO: pure) + μ Zn -E fermi ------------------- (Equation 6)

B = E(Lii +) + E((Li-F)O) + Efermi -------------------------------(식 7)B = E (Li i + ) + E ((Li-F) O ) + E fermi ------------------------------- (Equation 7)

D = A - B D = A-B

D = {E((Li-F-Li)) + E(ZnO:pure) + μZn} - {E(Lii +) + E((Li-F)O)} - 2Efermi D = {E ((Li-F-Li)) + E (ZnO: pure) + μ Zn }-{E (Li i + ) + E ((Li-F) O )}-2E fermi

-(식 8)                                                                 -(Eq. 8)

만약 D < 0 이면, 즉 A<B, (Li-F-Li)의 형성에너지가 낮아 Li-F-Li 형성이 Liint형성에 비해 안정됨을 뜻하고, 뜻하고, D > 0이면, Liint형성이 더 안정됨을 의미한다.If D <0, that is, the energy of formation of A <B, (Li-F-Li) is low, which means that Li-F-Li formation is more stable than Li int formation, and if D> 0, Li int It means that the formation is more stable.

계산결과 Efermi = VBM일 때, Zn-poor조건하에서 D = 0.373eV로 음이 됨을 알았다. As a result, when E fermi = VBM, it was found that D = 0.373eV becomes negative under Zn-poor condition.

따라서 Zn-poor 조건 하에서 결정성장을 하면 얕은 받게준위를 가지는 p-형 전기전도도를 가지는 ZnO를 만들 수 있다.Therefore, ZnO with p-type conductivity with shallow accepting level can be made by crystal growth under Zn-poor conditions.

도 4는 제일원리 전자구조 및 총에너지 계산방법으로 계산한 본 발명에 따른 Ⅱ-Ⅳ족 ZnO내에 Li-F-Li 불순물 복합체의 형성에너지의 그래프이다.Figure 4 is a graph of the energy formation of the Li-F-Li impurity composite in the group II-IV ZnO according to the present invention calculated by the first principle electronic structure and total energy calculation method.

이러한 형성에너지는 (식 1)을 이용하여 계산하였으며, 도 4의 (a)에서는 O-rich 조건 하에서 O source로써 O2, F source로써 ZnF2, Li source로써 Li2O3를 이용하는 경우의 각 불순물 및 복합체의 형성에너지를 계산하였다.This form of energy was calculated using the equation (1), each of the case of using the Li 2 O 3 as ZnF 2, Li source as O 2, F source as an O source under the O-rich conditions in (a) of Fig. 4 The formation energy of impurities and complexes was calculated.

도 3의 (a)는 O-rich 조건하에서 Zn자리 대체형 Li구조 [도 3의 (a)]와 틈새형 Li[도 3의 (a'')]의 형성에너지를 비교한 것이다. O-rich조건 하에서 O2 가스와 Li source로서 Li2O3를 이용하여 각 원자의 chemical potential(화학포텐셜)을 계산하였다.FIG. 3 (a) compares the formation energy of the Zn-substituted Li structure [FIG. 3 (a)] and the crevice Li [FIG. 3 (a '')] under O-rich conditions. The chemical potential of each atom was calculated using O 2 gas and Li 2 O 3 as Li source under O-rich conditions.

도 4의 (b)에서는 동시에 F-rich 조건하에서 Zn2F 를 source로 사용하여, F, O, Li의 화학포텐셜을 계산하였다. In FIG. 4B, chemical potentials of F, O, and Li were calculated using Zn 2 F as a source under F-rich conditions at the same time.

이러한 도 4의 (a)의 경우, Zn-rich 조건하여서 받게형 대체형 Li의 형성에너지와 주게형 틈새자리 Li의 것을 비교하였다. 이 조건하에 Zn자리의 대체가 어려워져서 틈새형 Li이 대체형보다 훨씬 안정하여, Fermi 준위를 밴드갭중앙아래로도 내릴수 없음을 보여준다.In the case of (a) of FIG. 4, Zn-rich conditions were used to compare the formation energy of the receiving type Li with that of the donor type gap Li. Under these conditions, the substitution of the Zn site becomes difficult, indicating that the interstitial Li is much more stable than the alternative, so that the Fermi level cannot be lowered below the center of the bandgap.

한편 O-rich 조건하에 계산시, Li만 홀로 이용하여 도핑시, Fermi 준위가 VBM으로 내려갈 때, 즉 홀 농도가 매우 높아질 때, 대체형 받게형 Li의 형성에너지가 높아져서 주게형 Liint + 형성이 여전히 용이하게 될 수 있음을 보여준다. On the other hand, when calculated under O-rich conditions, when doping using only Li as a hole, when the Fermi level goes down to VBM, that is, when the hole concentration is very high, the formation energy of the alternative receiving type Li increases, resulting in the formation of the main type Li int +. It still shows how easy it can be.

도 4의 (b)는 하지만 F가 공존할 때, Fermi 준위가 VBM 에 위치할 때 까지 받게형 Li-F-Li- 의 형성에너지가 Liint + 보다 낮다. 즉 받게형 Li의 형성이 F 가까이 형성에너지가 충분히 낮아져서, 대체형 Li형성이 주게형 Liint + 형성보다 용이할 수 있음을 보여준다. 즉 F의 공존으로 O-rich 조건하에서 ZnO:Li,F를 만들면 대체형 Li-F-Li형성이 용이함을 보여주고, 따라서 양질 p-형 ZnO를 구현하는 것이 가능해 진다. 4B, however, when F coexists, the formation energy of the receiving Li-F-Li is lower than that of Li int + until the Fermi level is located at VBM. In other words, the formation of the receiving type Li shows that the formation energy near F is sufficiently low, indicating that the formation of the alternative type Li may be easier than the formation of the main type Li int + . In other words, the formation of ZnO: Li, F under O-rich conditions due to the coexistence of F shows easy formation of alternative Li-F-Li, thus enabling the implementation of good quality p-type ZnO.

다양한 경우를 고려하기 위해, F의 화학포텐셜을 높혀 F를 더욱 높은 농도로 주입하는 경우를 고려하였다. In order to consider various cases, the case of injecting F at a higher concentration by increasing the chemical potential of F was considered.

도 4의 (c)는 F-rich 조건과 O-rich조건하에서 ZnO내 Li-F-Li를 codoping시, Li-F-Li이 틈새형 Li에 비해 에너지적으로 더욱 안정하게 됨을 보여준다. 이 경우, Li과 Ⅶ족 불순물을 동시도핑한 p-형 ZnO 반도체 구현이 가능하게 된다. 이 경우 즉 F2가스를 source로 Zn source로서 ZnF2 그리고 Li source로 LiF를 이용하는 것을 상정한다.4 (c) shows that Li-F-Li becomes more energy stable than the crevice Li when co-ping Li-F-Li in ZnO under F-rich and O-rich conditions. In this case, it is possible to implement a p-type ZnO semiconductor simultaneously doped with Li and Group III impurities. In this case, it is assumed that ZnF 2 is used as the Zn source and LiF is used as the Li source.

하지만 Zn-rich 조건하에서는 비록 F-rich 조건을 사용하더라도, 도 4의 (d)에서 보인 바와 같이, 페르미준위(Efermi)가 VBM 아래 0.23eV 로 낮아 질 때 즉 홀 농도가 높을때, 틈새형 Li의 형성이 차단되지 못함을 보여준다. 하지만 F가 없을때 [도 4의 (a) 경우]에 비하면, 어느정도의 홀전하 농도를 높일수 있음을 보여 주므로, F-rich 조건를 만들어, ZnO:Li,F를 제작하면, p-형 ZnO의 구현이 가능해 짐을 보여준다.However, under the Zn-rich condition, even when using the F-rich condition, as shown in (d) of FIG. 4, when the Fermi level (E fermi ) is lowered to 0.23 eV below the VBM, that is, when the hole concentration is high, the gap shape is formed. It shows that the formation of Li is not blocked. However, when F is absent, as compared with [case (a) of FIG. 4], it can be shown that the concentration of the hole charge can be increased to some degree. Shows this is possible.

결론적으로 ZnO내 Li-F-Li를 codoping시, O-rich 조건에서 성장하면, F주변에서 LiZn이 형성이 안정하게 되어 Liint +(틈새형 Li)가 억제되어 Li과 F를 불순물을 동시도핑하면, p-형 ZnO 반도체 구현이 가능한 것을 나타낸다. 도 4의 (c)는 O-rich, F-rich의 극한 조건하에서 L-F-Li불순물이 틈새형 Li에 비해 훨씬 안정되는 것을 보여준다. 불순물 복합체의 형성에 주로 영향을 주는 것이 Li과 F간 쿨룽인력작호작용이기 때문에, 다른 Ⅶ족 불순물을 사용하더라고, Li-Ⅶ-Li 복합체가 용이하게 생성될 수 있음을 알려준다.In conclusion, when co-ping Li-F-Li in ZnO and growing under O-rich condition, Li Zn formation becomes stable around F, and Li int + (gap type Li) is suppressed, which simultaneously causes impurities of Li and F Doping indicates that a p-type ZnO semiconductor implementation is possible. 4 (c) shows that LF-Li impurities are much more stable than crevice Li under extreme conditions of O-rich and F-rich. Since the Coulomb's interaction between Li and F mainly affects the formation of the impurity complex, the Li- 을 -Li complex can be easily produced even with other Group III impurities.

도 5는 본 발명에 따른 Ⅱ-Ⅳ족 ZnO내에 Li이 홀이 있을 때 [도 5-(2)]와 F 이웃에 있을때 Li-F복합체의 경우[도 5-(3)], 그리고 Li-F-Li 불순물 복합체의 경우[도 5-(4)]에 대한 전자구조를 보여주는 전자에너지 상태밀도를 순수 ZnO[도 5-(1)]의 것과 비교하였다.FIG. 5 shows Li-F complexes when Li is in the II-IV group ZnO according to the present invention [FIG. 5- (2)] and when the Li-F complex is in the F neighborhood [FIG. 5- (3)] In the case of the F-Li impurity composite [Fig. 5- (4)], the electron energy state density showing the electronic structure was compared with that of pure ZnO [Fig. 5- (1)].

도 5에서 도시된 바와 같이, Li이 홀로 존재시에 비해 F와 결합시 받게형 준위가 VBM에 가까이 위치함을 알았다. 도 5의 (3)에서 보여준 바와 같이, Li와 F가 결합한 Li-F 불순물 복합체의 전자구조는 불순물 준위가 VBM 에 매우 근접하여 Li-F복합체 준위가 VBM바로 위 0.008 eV 에 위치하는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 5, it was found that the receiving state is closer to VBM when Li is combined with F than when Li is alone. As shown in (3) of FIG. 5, the electronic structure of the Li-F impurity composite, in which Li and F are bonded, shows that the impurity level is very close to VBM so that the Li-F complex level is located at 0.008 eV directly above VBM. have.

그리고, ZnO내에 F 주위로 2개의 Li이 결합한 Li-F-Li 불순물 복합체 구조에 대하여 전자구조를 계산한 결과, 불순물 복합체 준위는 Li-F보다는 약간 높지만 여전히 VBM 바로 위 0.006eV에 위치한다는 것을 알았다.The electronic structure was calculated for the Li-F-Li impurity composite structure in which two Li bonds around F in ZnO, and found that the impurity composite level is slightly higher than that of Li-F, but is still located at 0.006 eV directly above VBM. .

도 6 는 불순물 주변 O-p의 에너지 준위와 불순물로부터 멀리 떨어져 위치하는 O의 궤도에너지를 비교한 것을 보여 준다.  FIG. 6 shows a comparison of the energy levels of O-p around impurities and the orbital energy of O located far from impurities.

도 6-(2) 에서 도시된 바와 같이, Li이 홀로 존재시, Li에 이웃한 산소의 궤도(Nearest)가 VBM 근처에 존재하게 되는 데, Li-s궤도와 O-p 궤도간 상호작용으로 만들어지는 궤도의 전자에너지 준위는 이웃하지 않은 산소의 Zn-s 궤도와 O-p 궤도간 상호작용으로 만들어지는 VBM 준위보다 높게 위치하게 되는 것을 보여준다.As shown in Fig. 6- (2), when Li alone is present, a neighboring oxygen (Nearest) of oxygen adjacent to Li exists near VBM, which is created by the interaction between the Li-s orbit and the Op orbit. The orbital electron energy level is shown to be higher than the VBM level created by the interaction between the non-neighboring oxygen's Zn-s orbits.

도 6의 (3)과 (4)는 Li-F 복합체및 Li-F-Li 불순물 복합체의 경우에는, LiZn(대체형 Li)의 경우에 비해, Li근접 O의 전자궤도에너지가 VBM에 매우 가까이 위치함을 보여준다. 즉 F근체에 Li이 놓일때, VBM에 가까운 얕은 받게 준위(shallow acceptor level)을 만들 수 있음을 보여준다.6 (3) and (4) show that in the case of Li-F composite and Li-F-Li impurity composite, the electron orbital energy of Li proximity O is very large in VBM compared with Li Zn (alternative Li). Shows you near. That is, when Li is placed in the F root, it can produce a shallow acceptor level close to VBM.

이상의 결과를 요약하면, 일반적으로 순수한 ZnO에 Li-불순물만 사용하는 도핑시, 틈새형 Li형성이 Zn-자리 대체형 Li의 전기적 성질이 보상시켜, ZnO가 p-형 반도체가 되기 위해 충분한 홀 농도를 만드는 것이 방해하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 본 발명에서는 Ⅶ족 불순물중 F와 Li을 codoping하는 방법에 대한 연구한 결과, Li과 F를 codoping 할 때, Li-F-Li의 불순물 복합체의 형성이 용이하여 짐에 따라 틈새형 Li구조의 형성이 차단됨으로 충분한 농도의 홀을 생성할 수 있음을 보였다. Summarizing the above results, in the case of doping using only Li-impurity in pure ZnO, the gap formation is sufficient to compensate for the electrical properties of Zn-site-substituted Li, so that ZnO becomes a p-type semiconductor. Making is known to interfere. However, in the present invention, as a result of studying a method of codoping F and Li among Group III impurities, when forming co-ping of Li and F, it becomes easy to form an impurity complex of Li-F-Li, and thus has a crevice type Li structure. It has been shown that the formation of can block to create holes of sufficient concentration.

그리고, ZnO에 2개의 Li와 1개의 F를 codoping함으로써 Li의 용해도를 높일 수 있을 뿐 아니라, Li홀로 있는 경우보다, Li이 F의 존재로 F의 이웃에 놓일때, 즉 불순물 복합체가 형성되어, 상대적으로 VBM 바로위 얕은 받게 준위의 형성이 가능함을 보였다. In addition, not only the solubility of Li can be increased by codoping two Li and one F in ZnO, but also when Li is placed in the vicinity of F in the presence of F, that is, an impurity complex is formed, Relatively shallow formations just above the VBM have been shown to be possible.

이러한 결과는 Li과 F를 2:1의 비율로 codoping 시 Li-F-Li 불순물 복합체가 쉽게 형성되어 ZnO를 양질의 p-형 반도체로 만들 수 있음을 보여준다.These results show that Li-F-Li impurity complexes can be easily formed when co-ping Li and F in a ratio of 2: 1 to make ZnO a good p-type semiconductor.

여기서 Ⅶ족 불순물로 쓰인 F불순물뿐만 아니라, 다른 Cl, Br 과 같은 다른 Ⅶ족불순물에 대하여도 동일하게 적용하여, 받게형 불순물 Li과 주게형 불순물 Ⅶ족 불순물간에 쿨룽인력상호작용이 생기는 것을 기대할 수 있다. The same applies to the other impurity, such as Cl and Br, as well as the F impurity used as the group impurity, so that Coulomb interaction can be expected to occur between the receiving impurity Li and the main impurity group impurity. have.

이를 통하여 Li-Ⅶ-Li불순물복합체가 형성되고, 또한 이 복합체가 쿨룽인력상호작용으로 안정되기 때문에, 틈새형 Li(Liint)의 형성이 억제되고, 또한 받게형 Li 준위와 주게형 Ⅶ불순물준위의 궤도간 상호작용이 작용하여 에너지 준위가 낮아지며, 여기서 Ⅶ불순물로는 원소 F가 바람직하다. 하지만 Cl 이나, Br과 같은 다른 Ⅶ형 불순물을 이용하였을때도, Li의 이 Ⅶ족 불순물 이웃에 놓이게 되는데, 실제 제일원리 계산결과, Li-Cl-Li불순물의 받게 준위는 VBM 위 0.08 eV, 그리고 Li-Br-Li불순물의 받게 준위는 0.12 eV에 위치함을 알았다. As a result, a Li-Ⅶ-Li impurity complex is formed, and since the complex is stabilized by Coulomb interaction, formation of a crevice Li (Li int ) is suppressed, and also a receiving Li level and a donor type impurity level are suppressed. The interaction between the orbits acts to lower the energy level, where element F is preferred as an impurity. However, even when using other X-type impurities such as Cl or Br, they are placed in the neighborhood of this group impurity of Li. In fact, the first principle calculation shows that the receiving level of Li-Cl-Li impurity is 0.08 eV above VBM, and Li It was found that the receiving level of -Br-Li impurity was located at 0.12 eV.

즉 Li-Ⅶ-Li불순물복합체 (여기서 Ⅶ는 F, Cl, Br)는 일반적으로 얕은 받게준위를 형성하나, 이 중에서 Li-F-Li불순물 복합체가 가장 이상적으로 얕은 받게준위를 형성하는 것을 알았다.That is, Li-Ⅶ-Li impurity complexes (where F is Cl, Br) generally form shallow accepting levels, but among them, Li-F-Li impurity complexes were found to form the ideally shallow accepting levels.

도 1 - 종래의 기술에 따른 ZnO에 Ga과 N이 동시도핑(codoping) 된 경우 N-Ga-N 불순물 복합체의 전자 에너지 구조의 모식도.1-Schematic diagram of the electron energy structure of an N-Ga-N impurity composite when Ga and N are co-doped with ZnO according to the prior art.

도 2 - 본 발명에 따른 Ⅱ-Ⅳ족 ZnO내에 Li과 F를 동시도핑(codoping)시 형성되는 첨가된 Li-F-Li 복합체의 원자구조 모식도. 2-Schematic diagram of the atomic structure of the added Li-F-Li composite formed when co-doping Li and F in Group II-IV ZnO according to the present invention.

도 3 - 본 발명에 따른 Ⅱ-Ⅳ족 ZnO내에 Li과 F를 동시에 주입시 형성되는 Li-F-Li 불순물 복합체의 전자구조 모식도.3-Schematic diagram of the electronic structure of the Li-F-Li impurity composite formed when Li and F are simultaneously injected into Group II-IV ZnO according to the present invention.

도 4 - 제일원리 전자구조 및 총에너지 계산방법으로 계산한 본 발명에 따른 Ⅱ-Ⅳ족 ZnO내에 Li-F-Li 불순물 복합체의 형성에너지의 그래프.Figure 4-Graph of the formation energy of Li-F-Li impurity composite in Group II-IV ZnO according to the present invention calculated by the first principle electronic structure and total energy calculation method.

도 5 - 본 발명에 따른 Ⅱ-Ⅳ족 ZnO내에 Li과 F 동시도핑(codoping)시 형성되는 Li-F-Li 불순물 복합체의 전자구조를 보여주는 전자에너지 상태밀도의 그래프.5-Graph of electron energy state density showing electronic structure of Li-F-Li impurity composite formed upon co-doping of Li and F in Group II-IV ZnO according to the present invention.

도 6 - 본 발명에 따른 ZnO:Li,F 내에 형성되는 Li-F-Li 주변 O 원자의 전자에너지 상태 밀도와 불순물로부터 멀리 떨어진 O 원자의 전자 에너지 상태밀도를 비교한 그래프.FIG. 6 is a graph comparing the electron energy state density of Li-F-Li surrounding O atoms formed in ZnO: Li, F and the electron energy state density of O atoms away from impurities.

Claims (4)

Ⅱ-Ⅳ족 반도체인 ZnO에 O-2p 궤도보다 낮은 에너지를 가지는 받게형 불순물 Li과 홀전하궤도를 형성하는 주게형 Ⅶ족 불순물을 동시도핑(codoping)하여 받게형 불순물 Li과 VII족을 주입하는 것을 특징으로 하는 Li과 Ⅶ족 불순물을 동시도핑한 p-형 ZnO 반도체.ZnO, which is a group II-IV semiconductor, is co-doped with acceptor-type impurity Li having a lower energy than the O-2p orbit and the donor-type Group-III impurity forming a hole charge orbit, thereby injecting the acceptor-type impurities Li and VII. A p-type ZnO semiconductor simultaneously doped with Li and Group VIII impurities. 제 1항에 있어서, 상기 불순물 Li의 농도는 Ⅶ족 불순물의 농도보다 상대적으로 높은 것을 특징으로 하는 Li과 Ⅶ족 불순물을 동시도핑한 p-형 ZnO 반도체.The p-type ZnO semiconductor of claim 1, wherein the concentration of the impurity Li is relatively higher than that of the Group I impurity. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 불순물 Li와 Ⅶ족 불순물의 농도가 2:1인 것을 특징으로 하는 Li과 VII족 불순물을 동시도핑한 p-형 ZnO 반도체.A p-type ZnO semiconductor co-doped with Li and Group VII impurities, wherein the concentration of the impurities Li and Group VIII impurities is 2: 1. 제 3항에 있어서, 상기 Ⅶ족 불순물은,The method of claim 3, wherein the Group VIII impurities are 원소 F인 것을 특징으로 하는 Li과 Ⅶ족 불순물을 동시도핑한 p-형 ZnO 반도체.A p-type ZnO semiconductor co-doped with Li and Group VIII impurities, which is element F.
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