KR101137292B1 - Method of forming a thin film - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 박막 형성 방법은 Cr이 0.1mol% 내지 30mol%로 도핑된 ZnO 타겟을 스퍼터링 증착 챔버로 로딩한 후, 기판을 로딩하는 단계 및 타겟에 전원을 인가하여 상기 기판 상에 Cr이 0.1mol% 내지 30mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성하는 단계를 포함한다.In the method for forming a thin film according to the present invention, after loading a ZnO target doped with Cr at 0.1 mol% to 30 mol% into a sputtering deposition chamber, loading the substrate and applying power to the target to deposit 0.1 mol of Cr on the substrate Forming a ZnO thin film doped with% to 30 mol%.

따라서, 본 발명에 의하면 Cr이 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여 스퍼터링 방법으로 기판 상에 Cr이 0.1mol% 내지 30mol% 도핑된 ZnO 타겟을 형성함으로써, ZnCrO로 이루어진 자성 반도체 박막을 형성할 수 있다. 또한, 상기와 같은 ZnCrO 자성 반도체 박막을 반도체 소자에 적용함으로써, 상기 반도체 소자의 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.Therefore, according to the present invention, a ZnCrO-doped magnetic semiconductor thin film may be formed by forming a ZnO target having 0.1 mol% to 30 mol% of Cr on a substrate by a sputtering method using a ZnO target doped with Cr. In addition, by applying the ZnCrO magnetic semiconductor thin film as described above to the semiconductor device, the efficiency and lifespan of the semiconductor device can be improved.

자성 반도체, Cr, 도핑, ZnO, Si 기판 Magnetic Semiconductor, Cr, Doped, ZnO, Si Substrates

Description

박막 형성 방법{Method of forming a thin film}Method of forming a thin film

본 발명은 박막 형성 방법에 관한 것으로, 스퍼터링 방법을 이용하여 Cr이 도핑된 ZnO 박막을 형성함으로써, ZnCrO로 이루어진 자성 반도체(Diluted Magnetic Semicoducotr : DMS) 박막을 형성하는 박막 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film formation method, and to a thin film formation method of forming a ZnCrO-diluted Magnetic Semicoducotr (DMS) thin film by forming a Cr-doped ZnO thin film using a sputtering method.

강자성 반도체(Ferromagnetic Semiconductor : FS)란 전기적으로는 반도체의 특성을, 자기적으로는 강자성의 특성을 가지고 있는 물질을 말한다. 이러한 자성 반도체 중에서 최근 가장 주목받고 있는 것은 묽은 자성 반도체(Diluted Magnetic Semicoducotr : DMS)이다. 묽은 자성 반도체는 기존에 잘 알려진 반도체에 자성물질을 주입시켜 반도체와 강자성 특성이 동시에 나타나도록 하여 제작한다. 이에, 묽은 자성 반도체는 전기적인 양(+), 음(-) 뿐만 아니라, 스핀 업, 스핀 다운의 두가지 다른 자성 상태를 이용할 수 있다. 이러한 묽은 자성 반도체는 트랜지스터, 발광소자 및 공명 터널링 다이오드 등 다양한 반도체 소자에 적용될 수 있다.Ferromagnetic semiconductor (FS) refers to a material that electrically has characteristics of a semiconductor and magnetically has ferromagnetic properties. Among the magnetic semiconductors, the most attracting attention recently is a diluted magnetic semiconductor (Diluted Magnetic Semicoducotr: DMS). Dilute magnetic semiconductors are manufactured by injecting magnetic materials into well-known semiconductors so that the semiconductor and ferromagnetic properties appear simultaneously. Accordingly, the thin magnetic semiconductor may use two different magnetic states, as well as electrical positive (+) and negative (-), as well as spin up and spin down. The thin magnetic semiconductor may be applied to various semiconductor devices such as transistors, light emitting devices, and resonance tunneling diodes.

이와 같은 묽은 자성 반도체를 제작하기 위해서, 최근에는 ZnO에 전이금속을 도핑시켜 강자성의 반도체 박막을 형성하는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 이때, 묽은 자성 반도체의 경우 잔류자성 값이 클수록 전자의 스핀을 이용하기가 용이하 다. 하지만, 종래와 같은 방법으로 제작된 강자성의 반도체 박막은 강자성의 특성이 좋지 못하거나, 잔류자성 값이 작아 소자에 이용하기 어려운 특성을 가지고 있다.In order to manufacture such thin magnetic semiconductors, in recent years, attempts have been actively made to form ferromagnetic semiconductor thin films by doping transition metals to ZnO. In this case, in the case of the thin magnetic semiconductor, the larger the residual magnetic value, the easier it is to use the spin of the electron. However, a ferromagnetic semiconductor thin film manufactured by the same method as the conventional method has a poor ferromagnetic property or a small residual magnetic value, making it difficult to use in devices.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예는 Cr이 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여, 스퍼터링 방법으로 기판 상에 Cr이 도핑된 강자성의 ZnO 박막 즉, ZnCrO로 이루어진 자성 반도체 박막을 형성하는 박막 형성 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention uses a Cr-doped ZnO target to form a thin film for forming a ferromagnetic ZnO thin film that is doped with Cr on a substrate by a sputtering method, that is, a magnetic semiconductor thin film made of ZnCrO. Provide a method.

본 발명에 따른 박막 형성 방법은 Cr이 0.1mol% 내지 30mol%로 도핑된 ZnO 타겟을 스퍼터링 증착 챔버로 로딩한 후, 기판을 로딩하는 단계 및 상기 타겟에 전원을 인가하여 상기 기판 상에 Cr이 0.1mol% 내지 30mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성하는 단계를 포함한다.In the method of forming a thin film according to the present invention, after loading a ZnO target doped with Cr at 0.1 mol% to 30 mol% into a sputtering deposition chamber, loading the substrate and applying power to the target, the Cr is 0.1 on the substrate. forming a ZnO thin film doped with mol% to 30 mol%.

상기 Cr이 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여 Cr이 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성하는 것이 효과적이다.It is effective to form a ZnO thin film doped with Cr at 0.1 mol% to 5 mol% using a ZnO target doped with Cr at 0.1 mol% to 5 mol%.

상기 ZnO에 Cr이 도핑된 ZnCrO 박막은 강자성체인 것을 특징으로 한다.The ZnCrO thin film doped with Cr in the ZnO is characterized in that the ferromagnetic material.

상기 타겟은 ZnO 파우더에 Cr 파우더를 0.1mol% 내지 30mol%로 혼합한 후, 상기 혼합된 파우더를 성형하여 타겟을 제작한다.The target is prepared by mixing Cr powder with 0.1 mol% to 30 mol% of ZnO powder and then molding the mixed powder.

상기 타겟을 800℃ 내지 1000℃의 퍼니스에서 5시간 내지 7시간 소결한다.The target is sintered for 5 to 7 hours in a furnace at 800 ° C to 1000 ° C.

상기 챔버는 0.005mbar 내지 0.025mbar의 압력과 산소 분위기 및 300℃ 내지 600℃의 기판 온도를 유지하는 것이 바람직하다.The chamber preferably maintains a pressure of 0.005 mbar to 0.025 mbar and an oxygen atmosphere and a substrate temperature of 300 ° C. to 600 ° C.

상기 타겟에 교류 전원(RF power)을 인가한다.AC power is applied to the target.

상술한 바와 같이 본 발명은 Cr이 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여 스퍼터링 방법으로 기판 상에 Cr이 0.1mol% 내지 30mol% 도핑된 ZnO 타겟을 형성함으로써, ZnCrO로 이루어진 자성 반도체 박막을 형성할 수 있다. 또한, 상기와 같은 ZnCrO 자성 반도체 박막을 반도체 소자에 적용함으로써, 상기 반도체 소자의 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention can form a magnetic semiconductor thin film made of ZnCrO by forming a ZnO target having 0.1 mol% to 30 mol% of Cr on a substrate by a sputtering method using a ZnO target doped with Cr. In addition, by applying the ZnCrO magnetic semiconductor thin film as described above to the semiconductor device, the efficiency and lifespan of the semiconductor device can be improved.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착에 이용되는 증착장치의 계략 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a deposition apparatus used for thin film deposition according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 박막 증착에 이용되는 증착장치는 내부 공간을 가지는 챔버(100), 챔버(100) 내에 마련되어 기판(s)을 지지하는 기판 지지부(200), 기판 지지부(200)의 하측에 대향 배치되어 스퍼터링 방법으로 기판(s) 상에 원료 물질을 제공하는 타겟(300), 타겟(300)을 지지하는 타겟 지지부(310) 및 타겟(300)에 전원을 인가하는 전원 공급부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a deposition apparatus used for thin film deposition according to an embodiment includes a chamber 100 having an internal space, a substrate support part 200 provided in the chamber 100 to support a substrate s, and a substrate support part 200. A power supply unit for supplying power to the target 300, a target supporter 310 for supporting the target 300, and a target 300 for providing a raw material on the substrate s by a sputtering method disposed opposite to the lower side 400.

챔버(100)는 내부가 비어 있는 사각형 통 형상으로 제작되며, 내부에는 기판(s)을 처리할 수 있는 소정의 반응 공간이 마련된다. 본 실시예에서는 챔버(100) 를 사각 통 형상으로 제작하였으나, 이에 한정되지 않고 기판(s)의 형상에 대응되도록 제작되는 것이 바람직하다. 한편, 챔버(100)의 일측에는 도시되지는 않았지만, 아르곤(Ar) 및 산소(O2)와 같은 스퍼터링 가스가 유입되는 가스 유입구가 마련되고, 상기 챔버(100)의 타측에는 스퍼터링 가스가 외부로 배출되는 가스 유출구가 마련된다.The chamber 100 is manufactured to have a rectangular cylindrical shape with an empty inside, and a predetermined reaction space for processing the substrate s is provided therein. In the present embodiment, the chamber 100 is manufactured in a rectangular cylindrical shape, but is not limited thereto, and is preferably manufactured to correspond to the shape of the substrate s. On the other hand, although not shown on one side of the chamber 100, a gas inlet through which a sputtering gas, such as argon (Ar) and oxygen (O 2 ), is provided, and the other side of the chamber 100, the sputtering gas to the outside A discharged gas outlet is provided.

기판 지지부(200)는 챔버(100) 내의 상부벽에 장착되어, 챔버(100) 내로 인입된 기판(s)을 지지한다. 본 실시예에서는 챔버(100) 내의 상부벽에 기판 지지부(200)가 장착되었으나, 원료 물질을 공급하는 타겟(300)의 위치에 따라 상기 타겟(300)과 대향하는 위치라면 챔버(100) 내의 어디라도 장착될 수 있다. 이러한 기판 지지부(200)는 기판(s)이 안착되는 기판 안치 수단(210)과, 상기 기판 안치 수단(210)을 이동시키는 구동부(220)를 포함한다. 여기서, 기판 안치 수단(210)에는 기계력, 진공 흡입력, 정전력 등을 이용하여 기판(s)을 잡아주는 다양한 척 수단이 추가적으로 구성될 수도 있다. 그리고, 실시예에서는 기판(s)으로 실리콘 기판을 사용한다.The substrate support 200 is mounted on the upper wall in the chamber 100 to support the substrate s drawn into the chamber 100. In the present exemplary embodiment, the substrate support part 200 is mounted on the upper wall of the chamber 100. However, if the substrate support part 200 faces the target 300 according to the position of the target 300 that supplies the raw material, It can also be mounted. The substrate support part 200 includes a substrate mounting means 210 on which the substrate s is seated, and a driver 220 for moving the substrate mounting means 210. Here, the substrate placing means 210 may be additionally configured with a variety of chuck means for holding the substrate (s) using a mechanical force, vacuum suction force, electrostatic force, and the like. In the embodiment, a silicon substrate is used as the substrate s.

타겟(300)은 기판(s) 상에 증착될 물질로 구성되어 상기 기판(s)에 원료 물질을 제공한다. 타겟(300)으로는 불순물이 도핑된 ZnO 타겟(300)을 이용한다. 실시예에서는 타겟(300)의 불순물로 Cr을 사용하며, 상기 Cr을 ZnO에 5mol%, 10mol% 및 30mol%로 도핑하여 타겟(300)을 제작한다. 이는 Cr이5mol%, 10mol% 및 30mol%로 도핑된 타겟(300)을 이용함으로써, ZnO에 Cr이 5mol%, 10mol% 및 30mol%로 도핑된 ZnCrO 박막을 제작하기 위함이다. 이때, Zn에 Cr이 5mol%, 10mol% 및 30mol%로 도핑된 ZnCrO 박막은 희박 자성 반도체(dilluted magnetic semicoductors : DMS) 박막이다. 희박 자성 반도체란 자성이 전혀 없는 반도체가 다른 물질의 원자로 부분적으로 치횐될 경우, 자성을 갖게 되는 반도체를 말한다. 실시예에서는 전술한 바와 같이 ZnO에 Cr을 도핑하여 자성 반도체 박막을 제작한다. 이러한 타겟(300)을 제작하기 위해 고순도 ZnO 파우더(99.99%)와 Cr 파우더(99.99%)를 혼합하여 제작한다. 즉, 볼을 갖는 콘테이너를 이용하여 고순도 ZnO 파우더(99.99%)와 Cr 파우더(99.99%)를 10시간 혼합한다. 그리고, 펠렛 프레서(cylindrical pallets presser)를 이용하여 ZnO 파우더와 Cr 파우더가 혼합된 혼합 파우더를 성형하여 타겟(300)을 제작한다. 이때, 실시예에서는 타겟(300)을 디스크 모양으로 제작한다. 그리고 타겟(300)은 조밀할수록 고품질의 플라즈마를 얻을 수 있다. 따라서, 조밀한 타겟(300)을 제작하기 위해 디스크 모양의 타겟(300)을 800℃ 내지 1000℃의 퍼니스에서 5 내지 7시간 동안 소결한다. 바람직하게는 타겟(300)을 950℃의 퍼니스에 6시간 동안 소결한다. 이때, 실시예에서는 20mm 내지 70mm의 직경을 갖도록 타겟(300)을 제작한다. 그리고, 이와 같이 제작된 타겟(300)은 증착 장치의 타겟 지지부(310)에 부착된 후 챔버(100)에 업로딩된다. 이때, 타겟(300)은 기판(s)과 5cm의 거리를 유지하도록 배치시키는 것이 바람직하다.The target 300 is composed of a material to be deposited on the substrate s to provide a raw material to the substrate s. As the target 300, a ZnO target 300 doped with impurities is used. In an embodiment, Cr is used as an impurity of the target 300, and the target 300 is manufactured by doping Cr with 5 mol%, 10 mol%, and 30 mol% of ZnO. This is to prepare a ZnCrO thin film doped with 5 mol%, 10 mol% and 30 mol% of ZnO by using the target 300 doped with 5 mol%, 10 mol% and 30 mol% of Cr. At this time, the ZnCrO thin film doped with 5 mol%, 10 mol% and 30 mol% of Cr in Zn is a dilluted magnetic semicoductors (DMS) thin film. A lean magnetic semiconductor is a semiconductor that becomes magnetic when a semiconductor having no magnetic at all is partially displaced by atoms of another material. In the embodiment, as described above, ZnO is doped with Cr to prepare a magnetic semiconductor thin film. In order to manufacture the target 300, a high purity ZnO powder (99.99%) and Cr powder (99.99%) are mixed and manufactured. That is, a high purity ZnO powder (99.99%) and Cr powder (99.99%) are mixed for 10 hours using a container having balls. Then, the target 300 is manufactured by molding a mixed powder in which ZnO powder and Cr powder are mixed by using a pelleter press (cylindrical pallets presser). At this time, in the embodiment, the target 300 is manufactured in a disk shape. In addition, the denser the target 300 is, the higher quality plasma can be obtained. Therefore, in order to manufacture the dense target 300, the disk-shaped target 300 is sintered for 5 to 7 hours in the furnace of 800 ℃ to 1000 ℃. Preferably, the target 300 is sintered in a furnace at 950 ° C. for 6 hours. At this time, in the embodiment to produce a target 300 to have a diameter of 20mm to 70mm. The target 300 manufactured as described above is attached to the target support 310 of the deposition apparatus and then uploaded to the chamber 100. At this time, the target 300 is preferably arranged to maintain a distance of 5cm with the substrate (s).

박막이 증착되는 동안 챔버(100) 내는 소정의 분위기, 압력 및 온도로 유지되어야 하는데, 0.005mbar 내지 0.025mbar, 바람직하게는 0.2mbar의 산소분위기와 300℃ 내지 600℃의 기판(s) 온도를 유지한다. 그리고, 전원 공급부(400)를 이용하 여 타겟(300)에 100W의 교류 전원(RF power)을 공급하고, 30분 동안 증착 공정을 실시하여 기판(s) 상에 박막을 형성한다. 이때, 상기에서 전술한 바와 같이, 실시예에서는 ZnO 파우더에 Cr 파우더를 5mol%, 10mol% 및 30mol%로 혼합하여 제작된 타겟(300)을 이용하므로, Cr이 5mol%, 10mol% 및 30mol%로 도핑된 ZnCrO 박막이 기판(s) 상에 형성된다. 증착 후 박막은 다양한 측정을 위해 상온에서 자연 냉각시킨다.The chamber 100 should be maintained at a predetermined atmosphere, pressure and temperature while the thin film is deposited, while maintaining an oxygen atmosphere of 0.005 mbar to 0.025 mbar, preferably 0.2 mbar and a substrate s temperature of 300 ° C. to 600 ° C. do. Then, 100W AC power (RF power) is supplied to the target 300 using the power supply 400, and a deposition process is performed for 30 minutes to form a thin film on the substrate s. At this time, as described above, in the embodiment, since the target 300 prepared by mixing the Cr powder with 5 mol%, 10 mol% and 30 mol% in the ZnO powder, Cr is 5mol%, 10mol% and 30mol% A doped ZnCrO thin film is formed on the substrate s. After deposition, the thin film is naturally cooled at room temperature for various measurements.

하기에서는 Cr이 각각 0mol%, 5mol%, 15mol% 및 30mol%로 도핑된 ZnO 박막의 특성을 설명한다.The following describes the characteristics of the ZnO thin film doped with Cr at 0 mol%, 5 mol%, 15 mol% and 30 mol%, respectively.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 이용하여 Cr의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 X-레이 회절 패턴을 도시한 것이다. 도 3은 Cr이 5mol% 도핑된 ZnO 박막을 EDS로 분석한 결과이다. 불순물이 도핑되지 않은 ZnO 박막은 본래 육방정계(hexagonal)의 우르짜이트(wurtzite) 구조를 가지고, 기판(s) 표면에 수직한 (002) 면은 높은 원자 충진율로 인해 가장 낮은 표면 에너지를 가지게 된다. 이로 인해 ZnO는 박막 증착시 c축 방향으로 우선 성장한다. 도 2를 참조하면, Cr이 도핑되지 않은 ZnO 박막(도 2의 pure)과 Cr이 5mol%로 도핑된 ZnO 박막은 (002) 방향으로 우선 배향성이 뛰어난 결정 성장을 보인다. 그리고, 5mol%의 Cr이 도핑된 ZnO 박막의 경우, Si 피크(200), ZnO 피크(002) 이외에 Cr과 관련된 피크가 나타나지 않는다. 이는, 5mol%의 Cr이 ZnO에 도핑되더라도 Cr 원자가 ZnO 격자구조에 치환되어 들어가기 때문이며, 이로 인해 5mol%의 Cr이 도핑된 ZnO 박막은 상기 Cr이 되핑되지 않은 ZnO 박막과 같은 육방정계의 우르짜이트 구조를 가진다. 그리고, Cr이 15mol% 도핑된 ZnO 박막은 (002) 방향에 비해 (103) 방향으로 우선 성장을 하는 것으로 보인다. 이와 같이 (002) 방향 성장이 억제된 것은 결정질이 저하되었음을 의미하며, ZnO 박막 내에 Cr의 양이 증가 되었음을 알 수 있다. 또한, Cr이 30mol%로 도핑된 ZnO 박막의 경우 (002) 피크가 사라지고, ZnCr2O4 피크가 생성된 것으로 보아, Cr이 30mol%로 도핑된 ZnO 박막은 헥사고날 구조의 우르짜이쯔 구조가 아님을 알 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, 0.52KeV에서 산소(O) 피크, 1.02KeV 및 8.67KeV에서 Zn 피크가 나타나고, 5.4KeV에서 Cr 피크가 나타난다. 이를 통해, ZnO 박막에 Cr이 5mol%로 도핑되었음을 확인할 수 있으며, Cr이 5mol%로 도핑된 ZnO 박막은 ZnO 및 Cr 이외에 다른 불순물이 도핑되지 않음을 알 수 있다.Figure 2 shows the X-ray diffraction pattern of the ZnO thin film according to the doping concentration of Cr using the method according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 shows the result of analyzing the ZnO thin film doped with 5 mol% of Cr by EDS. An impurity doped ZnO thin film has a hexagonal wurtzite structure, and the (002) plane perpendicular to the substrate (s) surface has the lowest surface energy due to the high atomic filling rate. . Because of this, ZnO first grows in the c-axis direction when the thin film is deposited. Referring to FIG. 2, the ZnO thin film (pure of FIG. 2) without Cr doping and the ZnO thin film doped with 5 mol% of Cr show preferential crystal growth in the (002) direction. In addition, in the case of a ZnO thin film doped with 5 mol% of Cr, a peak related to Cr does not appear in addition to the Si peak 200 and the ZnO peak 002. This is because even though 5 mol% of Cr is doped into ZnO, Cr atoms are substituted into the ZnO lattice structure. Thus, ZnO thin films doped with 5 mol% of Cr are hexagonal urethane such as ZnO thin films which are not doped with Cr. Has a structure. In addition, the ZnO thin film doped with 15 mol% of Cr seems to preferentially grow in the (103) direction compared to the (002) direction. The suppression of the (002) directional growth means that the crystalline is reduced, it can be seen that the amount of Cr in the ZnO thin film increased. In addition, the ZnO thin film doped with 30 mol% of Cr (002) peak disappeared, and the ZnCr 2 O 4 peak was generated. Thus, the ZnO thin film doped with 30 mol% of Cr has a hexagonal urtzite structure. It is not known. 3, an oxygen (O) peak at 0.52 KeV, a Zn peak at 1.02 KeV and 8.67 KeV, and a Cr peak at 5.4 KeV appear. Through this, it can be seen that the ZnO thin film is doped with 5mol% Cr, ZnO thin film doped with 5mol% it can be seen that other impurities are not doped in addition to ZnO and Cr.

도 4는 Cr의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 표면 거칠기를 나타낸 AFM 측정 결과이다. 도 4를 참조하면, Cr이 도핑되지 않은 ZnO 박막의 경우 전체적으로 브로드(broad)한 거칠기를 갖으며, Cr의 도핑 농도가 0mol%에서 30mol%로 증가할수록 표면 거칠기가 증가함을 알 수 있다. 이때, Cr이 도핑되지 않은 ZnO 박막의 RMS 값은 1.14nm이며, Cr이 30mol% 도핑된 ZnO 박막의 RMS 값은 4.808nm이다. 이는, Cr의 도핑 농도가 증가함에 따라 아결정립(sub-grain)이 생성되기 때문이다. 이때, 30mol%를 초과하도록 Cr이 도핑될 경우, ZnO 박막의 거칠기가 증가하여 ZnCrO로 이루어진 자성 반도체 박막의 전기적 특성을 저하시킬 수 있다.4 is an AFM measurement result showing the surface roughness of the ZnO thin film according to the doping concentration of Cr. Referring to FIG. 4, in the case of the ZnO thin film not doped with Cr, the overall roughness is broad, and as the doping concentration of Cr increases from 0 mol% to 30 mol%, surface roughness increases. At this time, the RMS value of the Cr-doped ZnO thin film is 1.14 nm, and the RMS value of the Cr-doped ZnO thin film is 4.808 nm. This is because sub-grains are produced as the doping concentration of Cr increases. At this time, when Cr is doped to exceed 30 mol%, the roughness of the ZnO thin film is increased to reduce the electrical characteristics of the magnetic semiconductor thin film made of ZnCrO.

도 5는 Cr의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 자화특성을 나타내는 그래프이다. 이때, 실시예에서는 VSM(vibrating sample magnetometer)을 이용하여 300K(RT)에서 자기장을 증가시키면서 자화의 정도를 증척하였다. 도 6은 Cr의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 잔류자화를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, Cr이 5mol%, 15mol% 및 30mol%로 각기 도핑된 ZnO 박막 모두 강자성을 띄는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6을 참조하면 도핑농도가 증가함에 따라 잔류자화(Msat) 값이 증가한다. 이때, Cr의 도핑농도가 5%, 15% 및 30%일 때 각각의 잔류자화 값은 1.684×10-4, 1.7244×10-4 및 2.0553×10-4이다.5 is a graph showing magnetization characteristics of a ZnO thin film according to Cr doping concentration. In this example, the degree of magnetization was increased while increasing the magnetic field at 300 K (RT) using a vibrating sample magnetometer (VSM). 6 is a graph showing the residual magnetization of the ZnO thin film according to the doping concentration of Cr. Referring to FIG. 5, it can be seen that ZnO thin films doped with 5 mol%, 15 mol%, and 30 mol%, respectively, are ferromagnetic. In addition, referring to FIG. 6, as the doping concentration increases, the residual magnetization (Msat) value increases. At this time, when the doping concentration of Cr is 5%, 15% and 30%, the residual magnetization values are 1.684 × 10 −4 , 1.7244 × 10 −4, and 2.0553 × 10 −4, respectively.

따라서, 실시예에서는 상기에서 설명한 결과를 바탕으로 강자성의 ZnO 박막을 형성하기 위하여 Cr을 0.1mol% 내지 30mol%, 바람직하게는 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑하여 ZnO 박막을 형성한다. 예를 들어, 0.1mol% 미만으로 Cr이 도핑될 경우, 상기 0.1mol 미만의 Cr은 ZnO 박막에 강자성의 특성을 부여할 만큼 그 도핑 농도가 충분하지 않다. 따라서, 자성 반도체 박막을 형성할 수 없다. 그리고, Cr을 30mol%를 초과하도록 도핑할 경우, ZnO 박막의 표면 거칠기가 증가하여 자성 반도체 박막의 전기적 특성을 저하시킬 수 있다. 이에, 실시예에서는 0.1mol% 내지 30mol%로 Cr을 도핑함으로써, ZnCrO로 이루어진 자성 반도체 박막을 형성한다.Therefore, in the embodiment, to form a ferromagnetic ZnO thin film based on the above-described results, the ZnO thin film is formed by doping Cr at 0.1 mol% to 30 mol%, preferably 0.1 mol% to 5 mol%. For example, when Cr is doped at less than 0.1 mol%, less than 0.1 mol of Cr does not have sufficient doping concentration to impart ferromagnetic properties to the ZnO thin film. Therefore, the magnetic semiconductor thin film cannot be formed. In addition, when the Cr is doped to exceed 30 mol%, the surface roughness of the ZnO thin film can be increased to reduce the electrical characteristics of the magnetic semiconductor thin film. Thus, in the embodiment, by doping Cr at 0.1 mol% to 30 mol%, a magnetic semiconductor thin film made of ZnCrO is formed.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 Cr이 도핑된 ZnO 박막을 이용하여 제작된 유기발광소자(OLED)의 단면도이다.7 is a cross-sectional view of an organic light emitting diode (OLED) fabricated using a Cr-doped ZnO thin film according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자는 기판(s), 기판(s) 상에 형성된 제 1 전극(510), 제 1 전극(510) 상에 형성된 발광층(520) 및 발광층(520) 상에 형성된 제 2 전극(530)을 포함한다. 여기서, 실시예에 따른 기판(s)은 유리 기판을 사용하며, 이러한 유리 기판 상에 제 1 전극(510)이 형성된다. 제 1 전극(510)은 홀 주입을 위한 전극으로, 본 발명의 실시예에 따른 Cr이 도핑된 ZnO 박막을 즉 강자성을 띄는 ZnCrO 박막을 이용한다. Cr이 도핑된 ZnO 박막은 상기에서 설명한 바와 같이, Cr이 도핑된 타겟(300)을 이용하여 교류 전원 스퍼터링을 이용하여 형성한다. 이때, 실시예에서는 Cr을 0.1mol% 내지 30mol% 바람직하게는 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑된 ZnO 타겟(300)을 이용하여, Cr이 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성한다. 그리고 0.2mbar의 산소 분위기에서 300℃ 내지 600℃의 기판(s)의 온도를 유지하여 Cr이 도핑된 ZnO 박막을 형성한다. 이와 같은 방법으로 Cr이 도핑된 ZnO 박막 즉, ZnCrO 박막은 희박 자성 반도체가 된다. Referring to FIG. 7, the light emitting device according to the embodiment may include a substrate s, a first electrode 510 formed on the substrate s, a light emitting layer 520 and a light emitting layer 520 formed on the first electrode 510. And a second electrode 530 formed thereon. Here, the substrate s according to the embodiment uses a glass substrate, and the first electrode 510 is formed on the glass substrate. The first electrode 510 is an electrode for hole injection, using a ZnO thin film doped with Cr according to an embodiment of the present invention, that is, a ZnCrO thin film having ferromagnetic properties. As described above, the ZnO thin film doped with Cr is formed using AC power sputtering using the target 300 doped with Cr. At this time, in the embodiment, using the ZnO target 300 doped with Cr 0.1 mol% to 30mol%, preferably 0.1mol% to 5mol%, to form a ZnO thin film doped with Cr 0.1mol% to 5mol%. . The Cr-doped ZnO thin film is formed by maintaining a temperature of the substrate s between 300 ° C. and 600 ° C. in an oxygen atmosphere of 0.2 mbar. In this manner, a ZnO thin film doped with Cr, that is, a ZnCrO thin film, becomes a lean magnetic semiconductor.

발광층(520)은 정공주입층(Hole Injection Layer)(521), 정공수송층(Hole Transport Layer)(522), 유기 발광층(Emitting Layer)(523) 및 전자수송층(Electron Transport Layer)(524)을 포함한다. 이때, 정공주입층(521), 정공수송층(522), 유기 발광층(523) 및 전자수송층(524)을 순서로 적층하여 발광층(520)을 형성한다. 그리고 발광층(520)을 구성하는 유기물은 필요에 따라 추가 또는 생략될 수 있다. 예컨데, 제 1 전극(510) 상에 CuPc, 2T-NATA 및 MTDATA 와 같이 정공을 효율적으로 주입하는 물질을 이용하여 정공주입층(521)을 형성한다. 그리고 정공주입층(521) 상에 NPB 및 TPD 등의 정공을 효율적으로 전달할 수 있는 재료를 사용하여 정공수송층(522)을 형성한다. 이어서, 정공수송층(522) 상에 유기 발광층(523)을 형성한다. 여기서 유기 발광층(523)은 Alq3:C545T으로 구성된 녹색 발광 층, DPVBi로 구성된 청색발광층 및 CBP:Ir(acac)로 구성된 적색 발광층 및 이들로 구성된 그룹으로 이루어져 발광 특성이 우수한 재료를 사용할 수 있다. 이어서 유기 발광층(523) 상에 Alq3 와 같이 전자를 효율적으로 전달할 수 있는 재료를 사용하여 전자수송층(524)을 형성한다. 이러한 유기물을 열증착법(thermal evaporation)을 이용하여 증착하여 발광층(520)을 형성한다.The light emitting layer 520 includes a hole injection layer 521, a hole transport layer 522, an organic emission layer 523, and an electron transport layer 524. do. In this case, the hole injection layer 521, the hole transport layer 522, the organic light emitting layer 523, and the electron transport layer 524 are sequentially stacked to form the light emitting layer 520. The organic material constituting the light emitting layer 520 may be added or omitted as necessary. For example, the hole injection layer 521 is formed on the first electrode 510 using a material that efficiently injects holes, such as CuPc, 2T-NATA, and MTDATA. The hole transport layer 522 is formed on the hole injection layer 521 using a material capable of efficiently transferring holes such as NPB and TPD. Next, an organic emission layer 523 is formed on the hole transport layer 522. The organic light emitting layer 523 may be formed of a green light emitting layer made of Alq 3 : C545T, a blue light emitting layer made of DPVBi, a red light emitting layer made of CBP: Ir (acac), and a group consisting of these materials. Subsequently, the electron transport layer 524 is formed on the organic emission layer 523 using a material capable of efficiently transferring electrons such as Alq 3 . The organic material is deposited using thermal evaporation to form the emission layer 520.

제 2 전극(530)은 전자 주입 전극으로 사용되며, 발광층(520)으로 전자를 원활하게 주입하기 위하여 일함수가 낮은 금속을 이용하는 것이 바람직하다. 실시예에서는 Al, Ag, Au, Pt 및 Cu 중 어느 하나를 이용하여 제 2 전극(530)을 형성한다.The second electrode 530 is used as an electron injection electrode, and it is preferable to use a metal having a low work function to smoothly inject electrons into the light emitting layer 520. In an embodiment, the second electrode 530 is formed using any one of Al, Ag, Au, Pt, and Cu.

이와 같이 실시예에서는 제 1 전극(510)으로 Cr이 도핑된 ZnO 박막 즉, ZnCrO로 이루어진 자성 반도체 박막을 이용함으로써, 전하의 스핀 상태를 제어하여 유기발광소자의 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the ZnO thin film doped with Cr as the first electrode 510, that is, a magnetic semiconductor thin film made of ZnCrO, can be used to control the spin state of charge, thereby improving efficiency of the organic light emitting diode.

실시예에서는 제 1 전극(510)으로 ZnCrO 박막을 이용하였으나, 이에 한정되지 않고 제 2 전극(530)으로 ZnCrO 박막을 이용할 수도 있다.In the embodiment, the ZnCrO thin film is used as the first electrode 510, but the ZnCrO thin film may be used as the second electrode 530.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 Cr이 도핑된 ZnO 박막을 이용하여 제작된 발광 다이오드(LED)의 단면도이다.8 is a cross-sectional view of a light emitting diode (LED) fabricated using a Cr-doped ZnO thin film according to an embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자는 기판(s), 기판(s) 상에 형성된 버퍼층(610), 버퍼층(610) 상에 형성된 n형층(620), n형층(620) 상에 형성된 활성층(630), 활성층 상에 형성된 p형층(640), p형층(640) 상에 형성된 ZnCrO층(650), n형층(620) 상에서 일부 영역에 형성된 제 1 전극(661) 및 ZnCrO층(650) 상에 형성된 제 2 전극(662)을 포함한다. 실시예에서는 기판(s)을 실리콘(si) 기판을 사용한다. 물론 이에 한정되지 않고 다양한 기판이 사용될 수 있다.Referring to FIG. 8, the light emitting device according to the embodiment may be formed on the substrate s, the buffer layer 610 formed on the substrate s, the n-type layer 620 formed on the buffer layer 610, and the n-type layer 620. The active layer 630 formed, the p-type layer 640 formed on the active layer, the ZnCrO layer 650 formed on the p-type layer 640, the first electrode 661 and the ZnCrO layer formed in some regions on the n-type layer 620 ( And a second electrode 662 formed on the 650. In the embodiment, the substrate s uses a silicon si substrate. Of course, the present invention is not limited thereto, and various substrates may be used.

n형층(620), 활성층(630) 및 p형층(640)은 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중 적어도 어느 하나를 포함하는 반도체 박막으로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, n형층(620) 및 p형층(640)은 GaN막으로 형성하고, 활성층(630)은 InGaN막으로 형성한다. n형층(620)은 전자를 제공하는 층으로서, 반도체 박막에 n형 도판트 예를 들어, Si, Ge, Se, Te, C 등을 주입하여 형성할 수 있다. p형층(640)은 정공을 제공하는 층으로서, 반도체 박막에 p형 도펀트 예를 들어, Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba 등을 주입하여 형성할 수 있다. 활성층(630)은 n형층(620)에서 제공된 전자와 p형층(640)에서 제공된 정공이 재결합되면서 소정 파장의 광을 출력하는 층으로써, 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)을 교대로 적층하여 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물(multiple quantum well) 구조를 갖는 다층의 반도체 박막으로 형성할 수 있다. 이러한 활성층(630)을 이루는 반도체 재료에 따라 출력되는 광의 파장이 변화되므로, 목표로 하는 출력 파장에 따라 적절한 반도체 재료를 선택하는 것이 바람직하다.The n-type layer 620, the active layer 630, and the p-type layer 640 may be formed of a semiconductor thin film including at least one of GaN, InGaN, AlGaN, and AlInGaN. For example, the n-type layer 620 and the p-type layer 640 are formed of a GaN film, and the active layer 630 is formed of an InGaN film. The n-type layer 620 is a layer providing electrons, and may be formed by implanting an n-type dopant, for example, Si, Ge, Se, Te, C, or the like into a semiconductor thin film. The p-type layer 640 is a layer for providing holes, and may be formed by implanting a p-type dopant, for example, Mg, Zn, Be, Ca, Sr, or Ba into a semiconductor thin film. The active layer 630 is a layer that outputs light of a predetermined wavelength while electrons provided from the n-type layer 620 and holes provided from the p-type layer 640 are recombined, and alternates a well layer and a barrier layer. The semiconductor layer may be stacked to form a multilayer semiconductor thin film having a single quantum well structure or a multiple quantum well structure. Since the wavelength of light to be output varies according to the semiconductor material constituting the active layer 630, it is preferable to select an appropriate semiconductor material according to the target output wavelength.

그리고 이와 같이 제작된 p형층(640) 상에 ZnCrO층(650)을 형성한다. 여기서, ZnCrO층(650)은 상기에서 전술한 바와 같이 Cr이 0.1mol% 내지 30mol% 도핑된 ZnO 박막을 이용한다. Cr이 도핑된 ZnO 박막은 상기에서 설명한 바와 같이, Cr이 도핑된 타겟(300)을 이용하여 교류(RF) 전원 스퍼터링을 이용하여 형성한다. 이때, 실시예에서는 Cr이 0.1mol% 내지 30mol% 바람직하게는 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑된 ZnO 타겟(300)을 이용하여, Cr이 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성한다.The ZnCrO layer 650 is formed on the p-type layer 640 manufactured as described above. As described above, the ZnCrO layer 650 uses a ZnO thin film doped with Cr of 0.1 mol% to 30 mol%. As described above, the ZnO thin film doped with Cr is formed using alternating current (RF) power sputtering using the target 300 doped with Cr. At this time, in the embodiment, using the ZnO target 300 doped with Cr 0.1 mol% to 30mol%, preferably 0.1mol% to 5mol%, to form a ZnO thin film doped with Cr 0.1mol% to 5mol%. .

이와 같이 실시예에서는 Cr이 0.1mol% 내지 30mol% 도핑된 ZnO 박막 즉, 강자성의 ZnCrO를 p형층(640) 상에 형성함으로써, 전하의 스핀 상태를 제어하여 발광다이오드의 효율을 향상시킬 수 있다. As described above, the ZnO thin film doped with Cr at 0.1 mol% to 30 mol%, that is, ferromagnetic ZnCrO is formed on the p-type layer 640, thereby controlling the spin state of the charge to improve the efficiency of the light emitting diode.

상기에서는 유기발광소자(OLED) 및 발광다이오드(LED) 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 예를 들어, 스팬 트랜지스터, 공명 터널링 다이오드 등 다양한 반도체 소자에 적용될 수 있다.Although the organic light emitting diode (OLED) and the light emitting diode (LED) have been described above, the present invention is not limited thereto, and may be applied to various semiconductor devices such as a span transistor and a resonance tunneling diode.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 증착에 이용되는 증착장치의 계략 단면도1 is a schematic cross-sectional view of a deposition apparatus used for thin film deposition according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 이용하여 Cr의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 X-레이 회절 패턴을 도시2 shows an X-ray diffraction pattern of a ZnO thin film according to the doping concentration of Cr using a method according to an embodiment of the present invention.

도 3은 Cr이 5mol% 도핑된 ZnO 박막을 EDS로 분석한 결과FIG. 3 shows the result of analyzing the ZnO thin film doped with 5 mol% Cr by EDS.

도 4는 Cr의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 표면 거칠기를 나타낸 AFM 측정 결과4 is an AFM measurement result showing the surface roughness of the ZnO thin film according to the doping concentration of Cr

도 5는 Cr의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 자화특성을 나타내는 그래프5 is a graph showing the magnetization characteristics of ZnO thin film according to the doping concentration of Cr

도 6은 Cr의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 잔류자화를 나타낸 그래프6 is a graph showing the residual magnetization of the ZnO thin film according to the doping concentration of Cr

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 Cr이 도핑된 ZnO 박막을 이용하여 제작된 발광소자의 단면도7 is a cross-sectional view of a light emitting device manufactured using a Cr-doped ZnO thin film according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 Cr이 도핑된 ZnO 박막을 이용하여 제작된 발광 다이오드(LED)의 단면도8 is a cross-sectional view of a light emitting diode (LED) fabricated using a Cr-doped ZnO thin film according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100: 챔버 200: 기판 지지부100: chamber 200: substrate support

300: 타겟 310: 타겟 지지부300: target 310: target support

400: 전원 공급부400: power supply

Claims (7)

ZnO 파우더와 Cr 파우더를 마련하고, 볼을 가지는 콘테이너를 이용하여 상기 ZnO 파우더와 Cr 파우더를 혼합하는 과정;Preparing a ZnO powder and Cr powder, and mixing the ZnO powder and Cr powder using a container having balls; 상기 ZnO 파우더와 Cr 파우더가 혼합된 혼합 파우더를 펠렛 프레서(pellet presser)를 이용하여 성형하여, Cr이 0.1mol % 내지 30mol % 도핑된 ZnO 타겟을 마련하는 과정;Forming a ZnO target in which Cr is doped with 0.1 mol% to 30 mol% by molding a mixed powder in which the ZnO powder and the Cr powder are mixed using a pellet presser; 상기 타겟을 800℃ 내지 1000℃의 퍼니스에서 5시간 내지 7시간 소결시키는 과정;Sintering the target in a furnace at 800 ° C. to 1000 ° C. for 5 hours to 7 hours; 상기 ZnO 타겟을 스퍼터링 증착 챔버로 로딩하고, 기판을 로딩하는 단계;Loading the ZnO target into a sputter deposition chamber and loading a substrate; 상기 ZnO 타겟에 전원을 인가하여, 상기 타겟과 대향 배치된 기판 상에 Cr이 0.1mol % 내지 30mol %로 도핑된 ZnO 박막을 형성하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법.Applying a power to the ZnO target to form a ZnO thin film doped with 0.1 mol% to 30 mol% Cr on a substrate disposed opposite the target. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 Cr이 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여 Cr이 0.1mol% 내지 5mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성하는 박막 형성 방법.And forming a ZnO thin film doped with Cr at 0.1 mol% to 5 mol% using a ZnO target doped with Cr at 0.1 mol% to 5 mol%. 청구항 1에있어서,In claim 1, 상기 ZnO에 Cr이 도핑된 ZnCrO 박막은 강자성체인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.The ZnCrO thin film doped with Cr on the ZnO is a ferromagnetic material. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 타겟이 디스크 모양이 되도록 성형하는 박막 형성 방법.And a thin film forming method for forming the target into a disk shape. 삭제delete 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 챔버는 0.005mbar 내지 0.025mbar의 압력과 산소 분위기 및 300℃ 내지 600℃의 기판 온도를 유지하는 박막 형성 방법.Wherein the chamber maintains a pressure of 0.005 mbar to 0.025 mbar and an oxygen atmosphere and a substrate temperature of 300 ° C. to 600 ° C. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 타겟에 교류 전원(RF power)을 인가하는 박막 형성 방법.Thin film formation method for applying an alternating current (RF power) to the target.
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JP2002075061A (en) * 2000-08-30 2002-03-15 Uchitsugu Minami Transparent conductive film

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