KR101432682B1 - Manufacturing method for preparing ZnO thin films - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전기적 및 광학적 특성이 우수한 붕소 또는 탄탈럼이 도핑된 산화아연(ZnO) 박막을 제조하는데 있어 정전분무법을 사용함으로서, 기존에 금속이 도핑된 산화아연 박막을 생성하는 공정에 비해 간단할 뿐만 아니라 낮은 저항도 및 높은 투과도를 지니는 산화아연 박막을 제공한다.Disclosure of the Invention The present invention provides a zinc oxide thin film doped with boron or tantalum, which is excellent in electric and optical characteristics, by using the electrostatic spraying method, As well as a zinc oxide thin film having low resistance and high transmittance.

Description

산화아연 박막의 제조방법{Manufacturing method for preparing ZnO thin films}[0001] The present invention relates to a method for preparing a zinc oxide thin film,

본 발명은 산화아연 박막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투과도가 높고 저항이 낮은, 금속이 도핑된 산화아연 박막의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a zinc oxide thin film, and more particularly, to a method of manufacturing a metal-doped zinc oxide thin film having high transmittance and low resistance.

산화아연(ZnO)은 약 3.4eV의 밴드갭을 가지는 n-type 반도체 재료로써 압전소자(piezoelectric material), 태양전지, 평판 디스플레이, 가스센서, 투명전도막(Transparent Conductive Oxide; TCO) 등 다양한 분야에서 널리 쓰이고 있는 금속산화물이다((a) T. Gao, Q. Li, T. Wang, Chem. Mater. 17 (2005) 887; (b) X.D. Wang, C.J. Summers, Z.L. Wang, Nano Lett. 4 (2004) 423; (c) Q. Li, V. Kummar, Y. Li, H. Zhang, T.J. Marks, R.P.H. Chang, Chem. Mater. 17 (2005) 1001; (d) K.C. Park, D.Y. Ma, K.H. Kim, Thin Solid Films 305 (1997) 201; (e) Y. Yoshino, T. Makino, Y. Katayama, T. Hata, Vacuum 59 (2000) 538; (f) J.B. Lee, H.J. Kim, S.G. Kim, C.S. Hwang, S.-H. Hong, Y.H. Shin, N.H. Lee, Thin Solid Films 435 (2003) 179). 이는 산화아연이 가지는 밴드갭 에너지, 낮은 독성 및 자연계에 풍부하게 존재하는 점과 관련지어 뛰어난 광학적, 전기적 특성을 지니고 있기 때문이다. 그러나 산소의 탈착/흡착에 의하여 금속 원자가 도핑되지 않은 산화아연 박막은 표면 전도도에 변화를 유발하며 결과적으로 불안정한 산화아연 박막을 형성하게 된다. 이와 관련하여 특정 원자를 도핑하여 문제점을 완화시킬 수 있으며, 상기 특정 원자는 저항도 및 광학 특성을 개선하는 역할도 수행하고 있다. 상기 특정 원자로써 인듐(In), 갈륨(Ga) 또는 알루미늄(Al)을 도핑하여 산화아연 박막을 제조하는 연구가 수행된 바 있었다((a) R. Wang, A.W. Sleight, D. Cleary, Chem. Mater. 8 (1996) 433; (b) A. Ambrosini, S. Malo, K. Poeppelmeier, Chem. Mater. 14 (2002) 58).
Zinc oxide (ZnO) is an n-type semiconductor material with a band gap of about 3.4 eV and is used in various fields such as piezoelectric materials, solar cells, flat panel displays, gas sensors, transparent conductive oxides (TCO) (B) XD Wang, CJ Summers, ZL Wang, Nano Lett., 4 (2004), pp. (D) KC Park, DY Ma, KH Kim, K. Kim, and Y. Li, H. Zhang, TJ Marks, RPH Chang, Y. Yoshino, T. Makino, Y. Katayama, T. Hata, Vacuum 59 (2000) 538; (f) JB Lee, HJ Kim, SG Kim, CS Hwang, S.-H. Hong, YH Shin, NH Lee, Thin Solid Films 435 (2003) 179). This is because zinc oxide has excellent optical and electrical properties in connection with the band gap energy, low toxicity and abundance in nature. However, zinc oxide thin films, which are not doped with metal atoms due to the desorption / adsorption of oxygen, cause a change in the surface conductivity, resulting in formation of an unstable zinc oxide thin film. In this regard, it is possible to alleviate the problem by doping a specific atom, and the specific atom also plays a role of improving resistance and optical characteristics. A research has been conducted to prepare a zinc oxide thin film by doping indium (In), gallium (Ga), or aluminum (Al) as the specific atom (R. Wang, AW Sleight, D. Cleary, Chem. Mater. 8 (1996) 433; (b) A. Ambrosini, S. Malo, K. Poeppelmeier, Chem.

한편 투명 전도막의 관점에서, 산화아연은 인듐-주석 산화물(Indium tin oxide; ITO)을 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있다. ITO는 그 유용성에도 불구하고 가격이 비싸고 희귀한 물질이기 때문에, 산화아연과 같이 저렴하고 무해한 재료로 대체하려는 연구가 계속되고 있다. ITO를 대체하기 위하여 산화아연을 박막으로 제조하는 기술이 요구되고 있으며, 일반적으로 화학적박막성장법, 레이저증착법, 분무열분해법, 졸-젤 공정 등에 의해 제조될 수 있음이 보고되고 있다. 이 중 대표적으로 사용되는 방법은 졸-젤 공정으로서, 생성하고자 하는 박막의 전구체를 콜로이드 용액으로 제조한다는 점에서 공정이 간편하다는 이점이 있으나, 박막을 열처리하여 용매를 제거하는 과정에서 박막의 특성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 산화아연 박막을 제조하는 개선된 제조방법이 요구되고 있다.
On the other hand, from the viewpoint of the transparent conductive film, zinc oxide has a possibility to replace indium tin oxide (ITO). Since ITO is expensive and rare in spite of its usefulness, research continues to replace it with cheap and harmless materials such as zinc oxide. A technique for manufacturing zinc oxide as a thin film for replacing ITO has been demanded and it has been reported that it can be generally manufactured by a chemical thin film growth method, a laser deposition method, a spray pyrolysis method, a sol-gel process, or the like. As a representative method, a sol-gel process is used. Since a precursor of a thin film to be produced is prepared as a colloid solution, the process is advantageous in that it is simple. However, in the process of removing the solvent by heat treatment of the thin film, There is a downside. Accordingly, there is a need for an improved method of manufacturing zinc oxide thin films.

상기 문제 및/또는 한계를 해결하기 위하여, 본 발명은 기존의 산화아연 박막을 제조하는 공정에 비해 간단할 뿐만 아니라 높은 투과도와 낮은 저항도를 나타내는 산화 아연 박막을 제조하는 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.In order to solve the above problems and / or limitations, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a zinc oxide thin film which is not only simple compared to a conventional zinc oxide thin film manufacturing process, but also exhibits high transmittance and low resistance .

정전분무법은 액적의 크기를 마이크로미터에서 나노미터까지 조절이 가능하며, 빛, 열, 플라즈마 등의 박막을 활성화하기 위한 수단도 필요하지 않는 장점을 가지고 있다. 정전분무법은 노즐과 기판사이에 고전압을 인가하여 액적을 생성시키는 방법으로써 상기 액적이 동일한 전기적 극성을 지니고 있는바 생성되는 입자가 정전기적으로 반발하게 되며 따라서 불균일한 클러스터가 형성되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 장점을 지니고 있다. 균일하고 입자 크기 분포가 비교적 일정한 액적을 생성하므로써 치밀한 박막을 제조할 수 있으며, 박막의 조성, 박막 성장 속도, 박막 성장 과정에서의 기판 온도를 쉽게 조절 가능하다는 것 등 많은 장점을 가지고 있다.
Electrostatic spraying has the advantage that the droplet size can be adjusted from micrometer to nanometer, and means for activating thin films such as light, heat, and plasma are not necessary. The electrostatic atomization method is a method of generating droplets by applying a high voltage between the nozzle and the substrate. The droplets have the same electrical polarity, so that the generated particles are electrostatically repelled, and thus the formation of a nonuniform cluster is effectively prevented . It is possible to fabricate a dense thin film by forming a uniform droplet with a relatively uniform particle size distribution, and it has many advantages such that the composition of the thin film, the growth rate of the thin film, and the substrate temperature during the growth of the thin film can be easily controlled.

이에 본 발명자들은 정전분무법 및 열처리 방법을 사용하여 금속 원자가 도핑된 산화아연 박막을 제조할 경우 전기적 및 광학적 특성이 개선된 박막을 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventors of the present invention confirmed that a zinc oxide thin film doped with a metal atom can be manufactured using the electrostatic spraying method and the heat treatment method, and that the thin film having improved electrical and optical characteristics can be manufactured.

본 발명의 일 측면에 따르면 용매에 아연염 및 도펀트로써 붕소 또는 탄탈럼을 첨가하여 전구체 용액을 제조하고(단계 1), 상기 제조된 전구체 용액을 기판에 정전분무하여 산화아연을 기판 상에 증착시키고(단계 2), 상기 산화아연이 증착된 기판을 열처리하는 단계(단계 3)를 포함하는 금속이 도핑된 산화아연 박막의 제조방법을 제공한다.
According to one aspect of the present invention, a precursor solution is prepared by adding zinc salt as a solvent and boron or tantalum as a dopant (Step 1), electrostatically spraying the prepared precursor solution onto a substrate to deposit zinc oxide on the substrate (Step 2); and heat treating the substrate on which the zinc oxide is deposited (step 3).

상기 단계 1은, 아연염에 도펀트로써 붕소 또는 탄탈럼을 용매에 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계로서, 정전분무에서 사용되는 용액에 아연원 및 도펀트로써 붕소원 또는 탄탈럼원을 포함시켜 정전분무로 산화아연 박막을 제조하기 위한 것이다.
The step 1 is a step of adding a boron or tantalum as a dopant to a zinc salt to prepare a precursor solution. The solution used in electrostatic atomization includes a zinc source and a boron source or a tantalum source as a dopant, To prepare a zinc oxide thin film.

상기 사용될 수 있는 아연염은 아세트산아연 또는 아세트산아연 수화물을 사용할 수 있다. 상기 전구체 용액의 제조를 위한 용매로는 아연염을 용해시킬 수 있는 용매이면 제한되지 않으나, 바람직하게는 알코올을 사용할 수 있다. 일례로, 에탄올, 2-메톡시프로판올, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
The zinc salt that can be used may be zinc acetate or zinc acetate hydrate. The solvent for the preparation of the precursor solution is not limited as long as it is a solvent capable of dissolving the zinc salt, but an alcohol can be preferably used. For example, ethanol, 2-methoxypropanol, or a mixture thereof may be used.

또한, 상기 전구체 용액에는 도펀트로써 붕소원 또는 탄탈럼원을 추가로 첨가함으로서, 본 발명에 따라 제조되는 산화아연 박막이 붕소 또는 탄탈럼으로 도핑될 수 있다는 특징이 있다. 상기 붕소원으로는 붕산을 사용할 수 있으며, 상기 탄탈럼 원으로는 염화 탄탈럼을 사용할 수 있다. 상기 붕산 또는 염화 탄탈럼의 첨가량은, 본 발명에 따라 제조되는 산화아연 박막에서의 붕소 또는 탄탈럼의 도핑량에 따라 조절할 수 있으며, 예컨대 붕소 또는 탄탈럼을 아연의 몰 수에 대하여 0.1%를 도핑하고자 하는 경우에는, 상기 전구체 용액에 0.1% 몰 수에 해당하는 붕소 또는 탄탈럼을 첨가하는 것으로 조절할 수 있다. 붕소 또는 탄탈럼의 첨가량은 상기 아연염의 0.1 내지 0.9%의 몰량으로 첨가될 수 있다. 보다 바람직하게는, 0.3 내지 0.7%의 몰량으로 첨가될 수 있다.
Further, a boron source or a tantalum source is additionally added as a dopant to the precursor solution, so that the zinc oxide thin film produced according to the present invention can be doped with boron or tantalum. As the boron source, boric acid may be used, and as the tantalum source, tantalum chloride may be used. The amount of boric acid or tantalum chloride to be added can be controlled depending on the doping amount of boron or tantalum in the zinc oxide thin film produced according to the present invention. For example, when boron or tantalum is doped with 0.1% It may be controlled by adding boron or tantalum corresponding to 0.1% molar amount to the precursor solution. The addition amount of boron or tantalum may be added in a molar amount of 0.1 to 0.9% of the zinc salt. More preferably, it may be added in a molar amount of 0.3 to 0.7%.

상기 단계 2는, 상기 단계 1에서 제조된 전구체 용액을 기판에 정전분무하여 금속이 도핑된 산화아연을 기판 상에 증착시키는 단계이다.
In the step 2, the precursor solution prepared in the step 1 is electrostatically sprayed on a substrate to deposit metal-doped zinc oxide on the substrate.

본 발명에서 사용되는 용어 "정전분무(electrospraying)"란, 노즐과 기판사이에 고전압을 인가하여 액적(droplet)을 생성시키는 방법을 의미한다. 전도성 용액을 노즐에 통과시키면서 고전압을 인가하면 노즐과 액체속의 이온들이 척력과 인력에 의해 액체 표면으로 이동하게 되고, 액체 표면에 작용하는 전기력과 양이온들의 반발력이 액체의 표면장력보다 커지면서 노즐 끝부분에서 액적이 분무된다. 액체가 미립화되면 액체의 비표면적이 증가하여 분산된 액적과 주위 기체 사이의 열 및 물질전달이 용이해지는데, 본 발명에서는 전구체 용액에 포함된 아연원이 산소와 반응하여 산화아연이 되고, 이렇게 생성된 산화아연이 기판에 적층됨으로서 산화아연 박막을 제조할 수 있다. 상기 정전분무는 진공조건과 같은 조건이 필요 없어 일반 대기 조건에서 수행이 가능하므로, 공정이 단순하다는 특징이 있다.
The term " electrospraying " used in the present invention means a method of generating a droplet by applying a high voltage between a nozzle and a substrate. When the high voltage is applied while passing the conductive solution through the nozzle, the ions in the nozzle and the liquid move to the liquid surface by the repulsive force and the attraction force, and the repulsive force of the electric force and the positive ions acting on the liquid surface becomes larger than the surface tension of the liquid, The droplet is sprayed. When the liquid is atomized, the specific surface area of the liquid increases, and heat and mass transfer between the dispersed liquid and the surrounding gas is facilitated. In the present invention, the zinc source contained in the precursor solution reacts with oxygen to form zinc oxide, Zinc oxide is laminated on the substrate to produce a zinc oxide thin film. The electrostatic spraying is characterized in that the process is simple since the same conditions as the vacuum condition are not necessary and can be performed in a normal atmospheric condition.

본 발명에서는 정전분무 과정에서 바람직하게는 0 kV 내지 8 kV의 전압을 가하며, 보다 바람직하게는 4 kV 내지 8 kV의 전압을 가하여 정전분무를 수행할 수 있다. 또한, 노즐과 기판사이의 간격은 바람직하게는 1 cm 내지 5 cm, 보다 바람직하게는 3 cm 내지 4 cm로 유지할 수 있다.
In the present invention, a voltage of 0 kV to 8 kV is preferably applied in the electrostatic spraying process, and more preferably, a voltage of 4 kV to 8 kV may be applied to perform electrostatic spraying. In addition, the distance between the nozzle and the substrate is preferably maintained at 1 cm to 5 cm, more preferably 3 cm to 4 cm.

상기 정전분무시 기판의 온도를 200 내지 300℃로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 기판은 유리 기판을 사용할 수 있다.
The temperature of the substrate during electrostatic spraying is preferably maintained at 200 to 300 캜. The substrate may be a glass substrate.

상기 단계 3)은, 상기 단계 2)에서 제조된 금속이 도핑된 산화아연이 증착된 기판을 열처리하는 단계로서, 산화아연 박막의 결정성, 투과도, 저항 등을 개선하기 위한 것이다. 상기 단계 3)의 열처리에 의하여 상기 단계 2)에서 제조된 산화아연 박막의 결정성, 결정입도(grain size) 등을 개선함으로서 산화아연의 특성을 보다 개선시킬 수 있다.
The step 3) is a step of heat-treating the substrate on which the zinc oxide doped with the metal prepared in the step 2) is deposited to improve the crystallinity, transmittance and resistance of the zinc oxide thin film. The characteristics of the zinc oxide can be further improved by improving the crystallinity, grain size, etc. of the zinc oxide thin film produced in the step 2) by the heat treatment in the step 3).

상기 열처리의 온도는 300℃ 내지 600℃일 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간은 1시간 내지 3시간일 수 있다.
The temperature of the heat treatment may be 300 ° C to 600 ° C. Also, the heat treatment time may be from 1 hour to 3 hours.

본 발명에 따른 산화아연 박막의 제조방법은, 다른 산화아연 박막의 제조방법에 비하여 공정이 단순하다는 특징이 있다. 특히, 일반 대기 조건에서도 가능하고, 도펀트로써 붕소 또는 탄탈럼을 용이하게 첨가할 수 있는 특징을 지니고 있다.
The zinc oxide thin film manufacturing method according to the present invention is characterized in that the process is simple compared to other zinc oxide thin film manufacturing methods. Particularly, it can be used under ordinary atmospheric conditions, and boron or tantalum can be easily added as a dopant.

본 발명에 따른 금속 원자가 도핑된 산화아연 박막의 제조방법은, 투과도가 높고 저항이 낮은 산화아연(ZnO) 박막을 제조하는데 있어 정전분무법을 사용함으로서, 기존에 산화아연 박막이 지니는 문제점을 개선하고 산화아연 박막을 생성하는 공정에 비해 간단할 뿐만 아니라 입자 구성이 치밀한 박막을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
The method of manufacturing a zinc oxide thin film doped with a metal atom according to the present invention uses an electrostatic spraying method in manufacturing a zinc oxide (ZnO) thin film having high transmittance and low resistance, thereby improving the problem of zinc oxide thin film, It is possible to provide a method of producing a thin film having a fine particle structure as well as a simple process as compared with a process of producing a zinc thin film.

또한, 본 발명에 따른 제조방법은 금속 원자, 보다 자세하게는 붕소(B) 또는 탄탈럼(Ta)을 산화아연 박막에 간단한 방법으로 도핑시킬 수 있다. 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 산화아연 박막은 투과도 및 저항이 ITO와 유사하므로, 종래 사용되는 ITO를 본 발명에 의한 산화아연 박막으로 대체할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. Further, the manufacturing method according to the present invention can simply doping metal atoms, more specifically, boron (B) or tantalum (Ta), into the zinc oxide thin film in a simple manner. Since the zinc oxide thin film produced according to the manufacturing method of the present invention is similar to ITO in transmittance and resistance, it is possible to provide a method of replacing the conventional ITO with the zinc oxide thin film of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 박막의 제조를 위한 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2a 내지 도 2d는, 본 발명의 일실시예에 따른 산화아연 박막의 XRD 스펙트럼을 나타낸 것으로, 도 2a는 붕소가 2 원자% 도핑된 산화아연 박막의 열처리 전후의 XRD 스펙트럼, 도 2b는 탄탈럼이 2 원자% 도핑된 산화아연 박막의 열처리 전후의 XRD 스펙트럼, 도 2c는 붕소 도핑 농도에 따른 산화아연 박막의 XRD 스펙트럼 및 도 2d는 탄탈럼 도핑 농도에 따른 산화아연 박막의 XRD 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일실시예에 따른 붕소 또는 탄탈럼이 2원자% 도핑된 산화아연 박막의 열처리 온도에 따른 주사전자현미경 사진이다.
도 4는, 본 발명의 일실시예에 따른 붕소 또는 탄탈럼의 도핑 농도에 따른 산화아연 박막의 주사전자현미경 사진이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 온도 및 전구체 용액의 도펀트 농도에 따른 산화아연 박막의 저항도를 나타낸 것으로, 도 5a 및 도 5b는 각각 붕소 및 탄탈럼의 도펀트 농도 및 열처리 온도에 따른 산화아연 박막의 저항도를 나타내는 그래프, 및 도 5c는 도펀트 농도에 따른 저항도 값을 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6d는, 본 발명의 일실시예에 따른 붕소 또는 탄탈럼이 도핑된 산화아연 박막의 캐리어 농도(n) 및 홀 이동도(μ)를 나타내는 것으로, 도 6a 및 도 6b는 각각 붕소 및 탄탈럼의 농도가 2원자%인 경우에 있어서 열처리 온도에 따른 캐리어 농도 및 홀 이동도를 나타내는 그래프이고, 도 6c 및 도 6d는 각각 붕소, 탄탈럼의 농도에 따른 공기 중에서 1시간 동안 400 ℃에서 열처리를 수행한 경우에 있어 산화아연 박막의 캐리어 농도 및 홀 이동도를 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는, 본 발명의 일실시예에 따른 붕소 또는 탄탈럼이 도핑된 산화아연 박막의 투과도를 나타내는 것으로, 도 7a 및 도 7b는 각각 붕소 및 탄탈럼의 농도가 2원자%인 경우에 있어서 산화아연 박막의 투과도를 열처리 온도에 따라 나타내는 그래프이고, 도 7c 및 도 7d는 각각 붕소 및 탄탈럼의 농도에 따라 400 ℃에서 열처리를 수행한 경우에 있어 산화아연 박막의 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는, 본 발명의 일실시예에 따른 붕소 또는 탄탈럼이 도핑된 산화아연 박막의 광학 밴드 갭을 나타내는 것으로, 도 8a 및 도 8b는 각각 붕소 및 탄탈럼의 농도가 2원자%인 경우에 있어서 직접 광학 밴드 갭의 열처리 효과를 나타내는 그래프이고, 도 8c 및 도 8d는 각각 붕소 및 탄탈럼의 농도에 따라 400 ℃에서 열처리를 수행한 경우에 있어 산화아연 박막의 광학 밴드 갭을 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of an apparatus for manufacturing a zinc oxide thin film according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIGS. 2A to 2D are XRD spectra of a zinc oxide thin film according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A shows an XRD spectrum of a zinc oxide thin film doped with 2 at.% Of boron before and after a heat treatment, FIG. 2C shows the XRD spectrum of the zinc oxide thin film according to the boron doping concentration, and FIG. 2D shows the XRD spectrum of the zinc oxide thin film according to the tantalum doping concentration.
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a zinc oxide thin film doped with 2 at% of boron or tantalum according to an embodiment of the present invention.
4 is a scanning electron micrograph of a zinc oxide thin film according to the doping concentration of boron or tantalum in accordance with an embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B show resistance of a zinc oxide thin film according to a heat treatment temperature and a dopant concentration of a precursor solution according to an embodiment of the present invention. FIGS. 5A and 5B are graphs showing the dopant concentration of boron and tantalum, FIG. 5C is a graph showing the resistance value according to the dopant concentration. FIG.
6A to 6D show a carrier concentration (n) and a hole mobility (μ) of a boron or tantalum-doped zinc oxide thin film according to an embodiment of the present invention, 6C and 6D are graphs showing the carrier concentration and hole mobility according to the heat treatment temperature in the case where the concentration of tantalum is 2 at% FIG. 5 is a graph showing the carrier concentration and hole mobility of the zinc oxide thin film in the case of performing heat treatment in FIG.
7A to 7D show the transmittance of boron or tantalum-doped zinc oxide thin film according to an embodiment of the present invention. Figs. 7A and 7B are graphs showing transmittance of boron or tantalum-doped zinc oxide thin films when the concentration of boron and tantalum is 2 atomic% FIG. 7C and FIG. 7D are graphs showing the transmittance of the zinc oxide thin film when heat treatment is performed at 400 ° C. according to the concentrations of boron and tantalum, respectively. FIG. 7B is a graph showing the transmittance of zinc oxide .
8A and 8B show the optical bandgap of boron or tantalum doped zinc oxide thin film according to an embodiment of the present invention. FIGS. 8A and 8B are graphs showing the optical bandgap of boron or tantalum doped with a concentration of boron and tantalum of 2 atomic% FIG. 8C and FIG. 8D are graphs showing the heat banding effect of the direct optical bandgap in the case of the zinc oxide thin film, respectively, and FIGS. 8C and 8D are graphs showing the optical bandgap of the zinc oxide thin film in the case of performing the heat treatment at 400.degree. C. depending on the concentrations of boron and tantalum, respectively Graph.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 실험예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예 및 실험예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments and experimental examples are provided to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples and experimental examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples and experimental examples.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 박막의 제조를 위한 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of an apparatus for manufacturing a zinc oxide thin film according to an embodiment of the present invention; FIG.

본 발명의 일 실시예에 따른 붕소 또는 탄탈럼이 도핑된 산화아연 박막은, 도 1에 도시된 바와 같이 가열된 기판(5) 상에 정전 분무법으로 제조하였다. A zinc oxide thin film doped with boron or tantalum in accordance with an embodiment of the present invention was manufactured by electrostatic spraying on a heated substrate 5 as shown in FIG.

먼저, 아세트산 아연 수화물(zinc acetate dihydrate; junsei chemical)을 용매(에탄올:물 = 30:70 (v/v))에 첨가하여 전구체 용액을 제조하였다. 이 때, 전구체 용액의 농도는 0.05 M 가 되도록 하였으며, 붕소 또는 탄탈럼의 도핑을 위하여 각각 붕산(boric acid; aldrich) 또는 탄탈럼 클로라이드(tantalum(V) chloride; aldrich)를 아연 원자 몰 수 대비 1%, 2%, 3% 및 4%로 0.1%, 0,3%, 0.5%, 0.7% 및 0.9%로 각각 첨가하였다. 상기 전구체 용액은 상온에서 1시간 동안 자석 교반기를 사용하여 교반시켰으며, 수 방울의 염산(hydrochloric acid)을 가하여 투명한 전구체 용액으로 제조하였다.
First, a zinc acetate dihydrate (junsei chemical) was added to a solvent (ethanol: water = 30: 70 (v / v)) to prepare a precursor solution. At this time, the concentration of the precursor solution was adjusted to 0.05 M and boric acid (aldrich) or tantalum (V) chloride (aldrich) was added to the boron or tantalum in an amount of 1 , 0.1%, 0.3%, 0.5%, 0.7% and 0.9%, respectively, in terms of%, 2%, 3% and 4%. The precursor solution was stirred at room temperature for 1 hour using a magnetic stirrer, and a few drops of hydrochloric acid was added thereto to prepare a transparent precursor solution.

도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 박막의 제조 장치는, 노즐(1), 펌프(2), 전원(3) 및 플레이트(4)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, an apparatus for manufacturing a zinc oxide thin film according to an embodiment of the present invention may include a nozzle 1, a pump 2, a power source 3, and a plate 4.

노즐(1)은 펌프(2)와 튜브(11)를 이용하여 연결될 수 있는 데, 상기 펌프(2)는 실린지 펌프(KD200, KD Scientific Inc., U.S.A)를 사용할 수 있다. 튜브(11)는 실리콘 튜브를 이용할 수 있다. 상기 펌프(2)를 이용하여 노즐(1)에 전구체 용액을 공급하며, 전구체 용액의 공급 속도는 0.003 mL/min으로 조절하였다.The nozzle 1 can be connected using a pump 2 and a tube 11. The pump 2 can use a syringe pump KD200, KD Scientific Inc., U.S.A. The tube 11 may be a silicon tube. The precursor solution was supplied to the nozzle 1 using the pump 2, and the supply rate of the precursor solution was adjusted to 0.003 mL / min.

상기 기판(5)은 플레이트(4) 상에 위치되는 데, 노즐(1)과 플레이트(4)는 전원(3)에 전기적으로 연결된다. 전원(3)은 예컨대 5.5-5.6kV의 직류 고전압을 노즐(1)과 플레이트(4)에 인가할 수 있다. 이에 따라 액적이 나타나는 노즐(1)의 부분과 기판(5)에 전압이 인가됨으로써 노즐(1)을 통해 분무되는 전구체 용액을 에어로졸 입자로 전환시킬 수 있다. 얻어지는 액적의 모양은 콘젯 형태(cone-jet mode)가 나타나도록 할 수 있다. 그리고 기판(5)과 노즐(1) 단부는 대략 4 cm 정도로 유지하였다.
The substrate 5 is placed on a plate 4 where the nozzle 1 and the plate 4 are electrically connected to a power supply 3. The power source 3 can apply, for example, a direct current high voltage of 5.5-5.6 kV to the nozzle 1 and the plate 4. [ As a result, a precursor solution sprayed through the nozzle 1 can be converted into aerosol particles by applying a voltage to the portion of the nozzle 1 where the droplet appears and the substrate 5. The shape of the resulting droplet may be such that a cone-jet mode appears. The substrate 5 and the end of the nozzle 1 were kept at about 4 cm.

기판(5)은 유리를 사용하였으며, 상기 유리는 사용 전에 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol, IPA; aldrich) 및 물을 이용하여 세척하였다.
The substrate 5 was glass, and the glass was washed with isopropyl alcohol (IPA; aldrich) and water before use.

전구체 용액을 상기 기판(5) 상에 1시간 동안 정전 분무하였고, 이 때 상기 플레이트(4)를 가열하여 상기 기판(5)의 온도를 250℃로 유지하였다. CCD 카메라(Model no. 7309P-1)를 고해상도 렌즈와 광원을 이용하여 분무되는 액적의 형태를 관찰하였다. The precursor solution was electrostatically sprayed onto the substrate 5 for 1 hour at which time the plate 4 was heated to maintain the temperature of the substrate 5 at 250 ° C. The shape of the droplet sprayed using a CCD camera (Model No. 7309P-1) using a high-resolution lens and a light source was observed.

정전분무를 완료한 후, 300℃ 내지 600℃의 범위에서 각각 다른 온도로 열처리하였다.
After completion of the electrostatic spraying, heat treatment was performed at different temperatures in the range of 300 캜 to 600 캜.

상기 제조된 박막은 Cu kα radiation(λ = 1.5405 A)를 이용하여 X선 회절 분석(X-ray diffractometer, XRD; D8 DISCOVER)로 분석하였다. 상기 박막의 표면 형태는 주사전자현미경(field emission SEM; Nova 320 및 Magellan 400)으로 관찰하였으며, 이와 동시에 박막의 원소 조성을 파악하기 위하여 X선 에너지 분산 광도계(X-ray energy dispersive spectrometer, EDXS)를 이용하였다. 광학특성은 자외선-가시광선 분광계(UV-visible spectrometer; UV-3101PC)로 분석하였다. 전기적 저항은 4-탐침법(four point probe equipment; CMT-SR1000N, AIT, 한국)로 측정하였다. 캐리어 농도 및 홀 이동도(hall mobility)는 홀 효과 측정장치(hall effect measurement; HMS-3000)로 측정하였다.
The thin film was analyzed by X-ray diffractometer (XRD; D8 DISCOVER) using Cu k? Radiation (? = 1.5405 A). The surface morphology of the thin film was observed with a field emission SEM (Nova 320 and Magellan 400), and at the same time, an X-ray energy dispersive spectrometer (EDXS) Respectively. The optical properties were analyzed by UV-visible spectrometer (UV-3101PC). Electrical resistance was measured by four-point probe equipment (CMT-SR1000N, AIT, Korea). The carrier concentration and hall mobility were measured with a hall effect measurement (HMS-3000).

그 결과는 하기와 같다.
The results are as follows.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무법에 의해 제조된 붕소 또는 탄탈럼이 도핑된 산화아연 박막의 원소 조성비(B/Zn 및 Ta/Zn 비)를 EDS에 의해 분석하였다. 전구체 용액 및 산화 아연 박막에서의 조성비를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
The element composition ratio (B / Zn and Ta / Zn ratio) of the boron or tantalum-doped zinc oxide thin film produced by the electrostatic spraying method according to an embodiment of the present invention was analyzed by EDS. The composition ratios in the precursor solution and the zinc oxide thin film are shown in Tables 1 and 2 below.

순번turn 전구체 용액의 B/Zn 비(원자%)The B / Zn ratio (atomic%) of the precursor solution 박막의 B/Zn 비(원자%)B / Zn ratio (atomic%) of the thin film 1One 00 0 0 22 1One 0.90.9 33 22 1.91.9 44 33 2.82.8 55 44 3.93.9

순번turn 전구체 용액의 Ta/Zn 비(원자%)Ta / Zn ratio (atomic%) of the precursor solution 박막의 Ta/Zn 비(원자%)Ta / Zn ratio (atomic%) of the thin film 66 00 0 0 77 1One 0.90.9 88 22 2.02.0 99 33 2.92.9 1010 44 4.04.0

상기 표 1 및 표 2로부터, 전구체 용액에 포함된 금속 원자가 효과적으로 도핑되었음을 확인하였다. 또한, 박막의 열처리는 박막 조성에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
From Table 1 and Table 2, it was confirmed that the metal atoms contained in the precursor solution were effectively doped. In addition, it was confirmed that the heat treatment of the thin film had no great influence on the composition of the thin film.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무법에 의해 얻어진 산화아연 박막의 XRD 스펙트럼을 나타낸 것이다. FIGS. 2A to 2D are XRD spectra of zinc oxide thin films obtained by the electrostatic spraying method according to an embodiment of the present invention.

보다 자세하게는 도 2a는 붕소가 2 원자% 도핑된 산화아연 박막에 대하여 성막 직후, 300℃ 열처리 후, 400℃ 열처리 후, 500℃ 열처리 후, 600℃ 열처리 후의 XRD 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 2b는 탄탈럼이 2 원자% 도핑된 산화아연 박막에 대하여 성막 직후, 300℃ 열처리 후, 400℃ 열처리 후, 500℃ 열처리 후, 600℃ 열처리 후의 XRD 스펙트럼을 나타낸 것이다. More specifically, FIG. 2A shows an XRD spectrum of a zinc oxide thin film doped with 2 atomic% boron after annealing at 300 ° C., annealing at 400 ° C., annealing at 500 ° C., annealing at 600 ° C., annealing after annealing at 300 ° C. FIG. 2B shows XRD spectra of the zinc oxide thin film doped with 2 at.% Of tantalum after heat treatment at 300 ° C., 400 ° C. heat treatment at 500 ° C., and heat treatment at 600 ° C.

도 2a 및 도 2b를 보아 알 수 있듯이, 제조된 모든 박막은 다결정구조 및 단상의 산화아연 wurtzite 구조를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 박막이 (002) 결정상을 따라 선호 정렬(preferential orientation)하며 열처리에 의해 (002) 피크 세기가 증가함을 확인하였다. 이는 열처리에 의해 박막의 결정성이 증가하는 것을 의미한다.As can be seen from FIGS. 2A and 2B, it was confirmed that all of the thin films exhibited a polycrystalline structure and a single-phase zinc oxide wurtzite structure. The thin films were preferentially oriented along the (002) crystal phase, (002) peak intensity was increased. This means that the crystallinity of the thin film is increased by heat treatment.

도 2c는 붕소 도핑 농도가 각각 0%, 1%, 2%, 3%, 4%인 산화아연 박막의 XRD 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 2d는 탄탈럼 도핑 농도가 각각 0%, 1%, 2%, 3%, 4%인 산화아연 박막의 XRD 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도 2c 및 도 2d는 정전분무법에 의해 제조된 산화아연 박막을 1 시간 동안 공기 중에서 열처리한 경우에 있어서의 도펀트 농도에 따른 XRD 스펙트럼을 나타낸다. FIG. 2C shows the XRD spectra of the zinc oxide thin films having boron doping concentrations of 0%, 1%, 2%, 3%, and 4%, respectively. FIG. 2D shows XRD spectra of zinc oxide thin films in which the tantalum doping concentrations are 0%, 1%, 2%, 3%, and 4%, respectively. 2C and 2D show XRD spectra of the zinc oxide thin films produced by the electrostatic spraying method according to the dopant concentration in the case of heat treatment in air for 1 hour.

도 2c 및 도 2d에서 알 수 있듯이, 도펀트 농도가 증가함에 따라 (002) 피크 세기가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 산화아연 결정에 있어서 다른 크기의 원자를 치환함으로써 결정 결함 및 결정 뒤틀림(distortion)을 유발하며, XRD 스펙트럼은 붕소 또는 탄탈럼 원자를 산화아연 결정에 도입함으로써 표면과 수직인 c-축 방향으로의 결정 성장을 저해하는 것으로 나타났다.
As can be seen in FIGS. 2c and 2d, the (002) peak intensity decreases with increasing dopant concentration. This causes crystal defects and crystal distortions by substituting atoms of different sizes in the zinc oxide crystal, and the XRD spectrum shows that in the c-axis direction perpendicular to the surface by introducing boron or tantalum atoms into the zinc oxide crystal And inhibited crystal growth.

금속 원자가 도핑된 산화아연 박막의 표면 형상은 주사전자현미경으로 분석을 수행하였으며, 그 결과는 도 3 및 도 4와 같다. The surface morphology of the zinc oxide thin film doped with a metal atom was analyzed by a scanning electron microscope, and the results are shown in FIG. 3 and FIG.

도 3의 (a) 내지 (c)는 붕소가 2원자% 도핑된 산화아연 박막의 (a) 열처리 전 (열처리 수행 않음), 공기 중에서 1 시간 동안 유지시킨 경우, (b) 400 ℃에서 1시간 동안 열처리한 경우, 및 (c) 600 ℃에서 1시간 동안 열처리를 수행한 경우, 각 박막의 주사전자현미경 사진이며, 도 3의 (d) 내지 (f)은 탄탈럼이 2원자% 도핑된 산화아연 박막의 (d) 열처리 전 (열처리 수행 않음), 공기 중에서 1 시간 동안 유지시킨 경우, (e) 400 ℃에서 1시간 동안 열처리한 경우, (f) 600 ℃에서 1시간 동안 열처리를 수행한 경우, 각 박막의 주사전자현미경 사진을 나타내고 있다. 3 (a) to 3 (c) are graphs showing the results of (a) when the zinc oxide thin film doped with 2 atomic% boron is annealed before heating (without heat treatment) (D) to (f) show the results of scanning electron micrographs of each thin film when annealing is performed at 600 ° C for 1 hour, and FIGS. 3 (d) (F) heat treatment at 600 ° C for 1 hour, (c) heat treatment at 400 ° C for 1 hour, and (d) heat treatment before the heat treatment , And a scanning electron microscope photograph of each thin film is shown.

도 3의 (a) 내지 (c) 및 (d) 내지 (f)를 참조하면, 열처리 온도가 증가함에 따라 결정 크기가 증가함을 나타내고 있으며, 이는 XRD 스펙트럼 상에서 확인한 바와 같이 열처리에 의해 박막의 결정화도가 증가함을 의미한다. 3 (a) to (c) and (d) to (f) show that the crystal size increases with increasing heat treatment temperature, . ≪ / RTI >

도 4는 도펀트 농도에 따른 산화아연 박막의 주사전자현미경 사진으로, 도 4의 (a) 내지 (c)는 붕소의 농도가 각각 (a) 0원자%, (b) 2원자% 및 (c) 4원자%인 경우에 있어서의 산화아연 박막의 표면 구조이며, 도 4의 (d) 내지 (f)는 탄탈럼의 농도가 각각 (d) 0원자%, (e) 2원자% 및 (f) 4원자%인 경우에 있어서의 산화아연 박막의 표면 구조를 나타낸다. 모두 공기 중에서 1시간 동안 400 ℃에서 열처리를 수행하였다. 4 (a) to 4 (c) are SEM images of a zinc oxide thin film according to a dopant concentration, wherein the concentrations of boron are (a) 0 atomic%, (b) 4 (d) to 4 (f) show the surface structure of the zinc oxide thin film in the case where the concentration of tantalum is 4 atomic%, the concentration of tantalum is 0 atomic%, (e) And the surface structure of the zinc oxide thin film in the case of 4 atom%. All were subjected to heat treatment at 400 ° C for 1 hour in air.

도 4의 (a) 내지 (c) 및 (d) 내지 (f)를 참조하면, 도펀트인 붕소 또는 탄탈럼의 양이 증가함에 따라 결정 크기가 감소함을 알 수 있다. Referring to FIGS. 4 (a) to (c) and (d) to (f), it can be seen that as the amount of boron or tantalum as the dopant increases, the crystal size decreases.

도 3 및 도 4로부터 붕소 및 탄탈럼은 산화아연 결정에 있어서 빈자리(vacancy)에 새로운 핵생성 중심(nucleation center)을 형성하고 있음을 의미하고 있다.
3 and 4 indicate that boron and tantalum form a new nucleation center in the vacancy of the zinc oxide crystal.

박막의 저항, 홀 이동도(hall mobility), 캐리어 농도와 같은 전기적 특성을 열처리 온도 및 전구체 용액의 도펀트 농도와 관련하여 분석하였다. Electrical properties such as thin film resistance, hall mobility, and carrier concentration were analyzed in relation to the heat treatment temperature and the dopant concentration of the precursor solution.

도 5a 내지 도 5c는 열처리 온도 및 전구체 용액의 도펀트 농도에 따른 산화아연 박막의 저항도를 나타낸 것이다. 5A to 5C show the resistivity of the zinc oxide thin film according to the heat treatment temperature and the dopant concentration of the precursor solution.

도 5a는 열처리 온도 및 붕소 도핑 농도에 따른 산화아연 박막의 저항도 값을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 열처리 온도 및 탄탈럼 도핑 농도에 따른 산화아연 박막의 저항도 값을 나타낸 그래프이다. 열처리는 모든 경우 각 1시간 동안 진행한 것이다.FIG. 5A is a graph showing a resistance value of a zinc oxide thin film according to a heat treatment temperature and a boron doping concentration, and FIG. 5B is a graph showing a resistance value of a zinc oxide thin film according to a heat treatment temperature and a tantalum doping concentration. The heat treatment is carried out in each case for 1 hour each.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 붕소가 2원자% 도핑된 산화아연 박막은 400 ℃에서 열처리한 경우 2.16 x 10-4 Ω㎝로 가장 낮은 저항값을 나타내었고, 탄탈럼이 2원자% 도핑된 산화아연 박막은 400 ℃에서 열처리한 경우 1.195 x 10-4 Ω㎝으로 가장 낮은 저항값을 나타내었다. 이는 열처리 온도가 400 ℃로 증가함에 따라 박막의 결정 경계(boundary) 및 결정 격자 결함의 수가 감소함을 의미하며, 열처리 온도가 400 ℃를 초과하는 경우 저항값이 상승하는 경향을 나타내는 데, 이는 상기 결정 경계 및 결정 격자 결함의 수가 증가함을 의미한다고 볼 수 있다. Referring to FIGS. 5A and 5B, the zinc oxide thin film doped with 2 atomic% of boron exhibited the lowest resistance value at 2.16 x 10 -4 ? Cm when annealed at 400 ° C, and the tantalum doped with 2 atomic% The zinc oxide thin film showed the lowest resistance value at 1.195 x 10 -4 Ωcm when heat treated at 400 ° C. This means that the number of crystal boundaries and crystal lattice defects in the thin film decreases as the heat treatment temperature is increased to 400 DEG C and the resistance value tends to increase when the heat treatment temperature exceeds 400 DEG C, This means that the number of crystal boundaries and crystal lattice defects is increased.

한편 도 5c를 참조하면, 도펀트의 양이 2 원자%까지 증가하는 경우 저항값이 감소하는데 이는 자유 캐리어 농도가 증가함으로 기인하는 것으로 볼 수 있으며, 상기 도펀트의 양이 2 원자%를 초과하는 경우 과량의 붕소 또는 탄탈럼 원자가 자유 캐리어 농도를 감소시키는 결과를 초래하는 것으로 볼 수 있다. 저항도의 최소값은 기존에 문헌에 보고된 금속이 도핑된 산화 아연 박막의 저항값과 유사한 것으로 나타났으며, 본 발명에 의한 정전분무법은 상온, 상압 조건 하에서 단순화된 공정으로 수행가능한 장점을 지니고 있다(T. Minami, Semicond. Sci. Techonol 20 (2005) S35).
On the other hand, referring to FIG. 5C, when the amount of the dopant increases to 2 atomic%, the resistance value decreases. This is because the free carrier concentration increases. When the amount of the dopant exceeds 2 atomic% Of the boron or tantalum atom in the amorphous silicon layer results in a decrease in the free carrier concentration. The minimum value of the resistivity was found to be similar to the resistance value of the metal-doped zinc oxide thin film reported in the literature, and the electrostatic atomizing method according to the present invention has an advantage that it can be performed by a simplified process under normal temperature and normal pressure conditions (T. Minami, Semicond. Sci. Techonol 20 (2005) S35).

도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 의해 제조된 붕소 또는 탄탈럼이 도핑된 산화아연 박막의 캐리어 농도(n) 및 홀 이동도(μ)에 관한 것이다. 6A to 6D relate to a carrier concentration (n) and a hole mobility (mu) of a boron or tantalum-doped zinc oxide thin film produced by the present invention.

보다 구체적으로, 도 6a 및 도 6b는 각각 붕소 및 탄탈럼의 농도가 2원자%인 경우에 있어서 열처리 온도에 따른 캐리어 농도 및 홀 이동도를 나타내고 있다. 캐리어 농도 및 홀 이동도는 열처리 온도와 정비례 관계에 있으며, 이는 결정 크기 및 박막의 결정화도가 증가하기 때문으로 볼 수 있다. More specifically, FIGS. 6A and 6B show the carrier concentration and the hole mobility according to the heat treatment temperature in the case where the concentration of boron and tantalum is 2 atomic%, respectively. The carrier concentration and hole mobility are directly proportional to the heat treatment temperature, which can be attributed to an increase in the crystal size and crystallinity of the thin film.

한편, 도 6c 및 도 6d는 각각 공기 중에서 1시간 동안 400 ℃에서 열처리를 수행한 경우에 있어서, 도펀트인 붕소 및 탄탈럼의 농도에 따른 산화아연 박막의 캐리어 농도 및 홀 이동도를 나타내고 있다. 홀 이동도는 붕소 또는 탄탈럼의 양이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타나며 이는 박막의 결정 크기가 감소하기 때문으로 볼 수 있다. 반면 캐리어 농도는 붕소 또는 탄탈럼의 양에 따라 증가하는 것으로 나타나며 이는 붕소 이온(B3+) 또는 탄탈럼 이온(Ta5+)이 아연 이온(Zn2+) 자리를 치환하기 때문으로 볼 수 있다. 도펀트인 붕소 또는 탄탈럼의 농도가 2원자%를 초과하는 경우 캐리어 농도가 감소하는데 이는 결정 구조에 장애가 발생하기 때문으로 볼 수 있다.
6C and 6D show the carrier concentration and the hole mobility of the zinc oxide thin film depending on the concentrations of boron and tantalum, which are dopants, when the heat treatment is performed at 400 DEG C for 1 hour in the air, respectively. The hole mobility decreases as the amount of boron or tantalum increases, which can be attributed to the decrease in crystal size of the thin film. Carrier concentration, on the other hand, increases with the amount of boron or tantalum, which can be attributed to the substitution of boron ions (B 3+ ) or tantalum ions (Ta 5+ ) for zinc ions (Zn 2+ ) . When the concentration of boron or tantalum as a dopant exceeds 2 atomic%, the carrier concentration decreases, which may be attributed to a failure in the crystal structure.

도 7a 및 도 7b는 각각 도펀트인 붕소 또는 탄탈럼의 농도가 2원자% 인 경우에 있어서 산화아연 박막의 투과도를 열처리 온도에 따라 나타낸 것이다. 가시광선 영역에서 공기 중에서 1시간 동안 400 ℃에서 열처리를 수행한 붕소가 도핑된 산화아연 박막은 최대 96%의 투과도를 나타내었으며, 탄탈럼이 도핑된 산화아연 박막은 최대 92%의 투과도를 나타내었다. 열처리를 수행하지 않은 박막은 열처리를 수행한 박막에 비하여 낮은 투과도를 나타내며 이는 박막의 결정성과 관련되며, 박막의 결정 경계 및 표면 형태에 의한 광학적 산란과 관계되는 것으로 볼 수 있다. 7A and 7B show the transmittance of the zinc oxide thin film according to the heat treatment temperature in the case where the concentration of the dopant boron or tantalum is 2 atomic%. The boron-doped zinc oxide thin films annealed at 400 ° C for 1 hour in air in the visible region showed a maximum transmittance of 96% and the zinc oxide thin films doped with tantalum showed a maximum transmittance of 92% . Thin films without annealing show lower transmittance than those annealed, which is related to the crystallinity of the thin film and is related to the optical scattering due to crystal boundaries and surface morphology of the thin film.

도 7c 및 도 7d는 각각 붕소 또는 탄탈럼의 농도에 따라 400 ℃에서 열처리를 수행한 산화아연 박막의 가시광선 및 근적외선 영역 (350 nm 내지 800 nm) 에서의 투과도를 나타낸 것이다. 최대 투과도는 도펀트인 붕소 또는 탄탈럼의 농도가 2 원자% 인 경우에 나타난다. 도펀트의 농도가 2 원자%를 초과하는 경우에 있어 투과도는 감소하는데 이는 도핑에 의해 생성된 결정 격자 결함에 의하여 광자의 광학적 산란이 증가하기 때문으로 볼 수 있다(B. Joseph, P.K. Manoj, V.K. Vaidyan, Ceram. Int. 32 (2006) 487).
FIGS. 7C and 7D show the transmittance of the zinc oxide thin film subjected to the heat treatment at 400 ° C. according to the concentration of boron or tantalum in the visible region and the near infrared region (350 nm to 800 nm), respectively. The maximum transmittance appears when the concentration of the dopant boron or tantalum is 2 atomic%. When the concentration of the dopant exceeds 2 atomic%, the transmittance decreases because the optical scattering of the photon increases due to the crystal lattice defect generated by the doping (B. Joseph, PK Manoj, VK Vaidyan , Ceram. Int. 32 (2006) 487).

본 발명의 실시예에 따른 정전분무법에 의해 제조된 산화 아연 박막의 광학 밴드 갭은 흡수(absorption) 정도로부터 계산되어지며, 상기 흡수는 밸런스 밴드로부터 전도 밴드로의 여기(excitation)와 관련 있다. 광학 밴드 갭(Eg)와 흡수 계수와의 관계는 하기 식(1)로부터 얻어진다.The optical bandgap of the zinc oxide thin film produced by the electrostatic atomization method according to the embodiment of the present invention is calculated from the degree of absorption, and the absorption is related to the excitation from the balance band to the conduction band. The relationship between the optical band gap Eg and the absorption coefficient is obtained from the following equation (1).

Figure 112013009627417-pat00001
(1)
Figure 112013009627417-pat00001
(One)

도 8a 및 도 8b는 각각 도펀트인 붕소 또는 탄탈럼의 농도가 2 원자% 인 경우에 있어서 직접 광학 밴드 갭의 열처리 효과를 나타낸 것이다. 광학 밴드 갭은 그래프의 선형 부분을 외삽하여 얻었다. 열처리를 수행한 산화아연 박막의 광학 밴드 갭이 그렇지 않은 산화아연 박막에 비해 높은 광학 밴드 갭을 나타내며 이는 버스테인 모스 효과(burstein-moss effect)와 관련 있는 것으로 볼 수 있다. 붕소가 2 원자% 도핑된 산화아연에 있어 열처리를 600 ℃에서 수행함에 따라 광학 밴드갭이 3.19 eV에서 3.37 eV로 증가하는 것을 확인하였다. 이와 유사하게, 탄탈럼의 경우에 있어 광학 밴드갭이 3.19 eV에서 3.24 eV로 증가하는 것을 확인하였다. 8A and 8B show the heat treatment effect of the direct optical bandgap when the concentration of the dopant boron or tantalum is 2 atomic%, respectively. The optical band gap was obtained by extrapolating the linear portion of the graph. The optical bandgap of the zinc oxide thin film subjected to the heat treatment shows a higher optical band gap than that of the zinc oxide thin film, which is related to the burstein-moss effect. It was confirmed that the optical bandgap increased from 3.19 eV to 3.37 eV as the annealing of zinc oxide doped with 2 atomic% of boron was performed at 600 ° C. Similarly, in the case of tantalum, the optical bandgap increased from 3.19 eV to 3.24 eV.

도 8c 및 도 8d는 각각 도펀트인 붕소 또는 탄탈럼 농도에 따른 400 ℃에서 열처리를 수행한 산화아연 박막의 광학 밴드 갭을 나타낸 것이다. 도펀트의 농도가 증가함에 따라 흡수 엣지(dege)가 높은 에너지 영역으로 증가하는 것으로 나타나며, 도펀트인 붕소 또는 탄탈럼의 농도가 4 원자%로 증가함에 따라 각각 붕소는 3.19 eV에서 3.37 eV로 탄탈럼은 3.18 eV에서 3.26 eV로 광학 밴드 갭이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 전도 밴드에서 페르미 준위(Fermi level)가 증가하기 때문이며, 캐리어 농도가 증가하기 때문으로 볼 수 있다. FIGS. 8C and 8D show the optical bandgap of the zinc oxide thin film subjected to the heat treatment at 400 ° C. according to the dopant boron or tantalum concentration, respectively. As the concentration of dopant increases, the absorption edge (dege) increases to a high energy region. As the concentration of boron or tantalum as a dopant increases to 4 atomic%, boron becomes 3.19 eV to 3.37 eV and tantalum The optical bandgap increases from 3.18 eV to 3.26 eV. This is because the Fermi level is increased in the conduction band and the carrier concentration is increased.

Claims (12)

1) 용매에 아연염 및 도펀트로써 붕소 또는 탄탈럼을 첨가하여 전구체 용액을 제조하는 단계;
2) 상기 제조된 전구체 용액을 기판에 정전분무하여 산화아연 박막을 기판 상에 증착시키는 단계; 및
3) 상기 산화아연 박막이 증착된 기판을 열처리하는 단계
를 포함하는 산화아연 박막의 제조방법.
1) adding a zinc salt to a solvent and boron or tantalum as a dopant to prepare a precursor solution;
2) depositing the zinc oxide thin film on the substrate by electrostatically spraying the prepared precursor solution on the substrate; And
3) heat treating the substrate on which the zinc oxide thin film is deposited
Wherein the zinc oxide thin film has a thickness of 100 nm or less.
제1항에 있어서, 상기 아연염은 아세트산아연 또는 아세트산아연 수화물인 산화아연 박막의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the zinc salt is zinc acetate or zinc acetate hydrate.
제1항에 있어서, 상기 용매는 알코올인 산화아연 박막의 제조방법.
The method for producing a zinc oxide thin film according to claim 1, wherein the solvent is an alcohol.
청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 4 has been abandoned due to the setting registration fee. 제3항에 있어서, 상기 알코올은 에탄올, 2-메톡시프로판올, 또는 이들의 혼합물인 산화아연 박막의 제조방법.
4. The method for producing a zinc oxide thin film according to claim 3, wherein the alcohol is ethanol, 2-methoxypropanol, or a mixture thereof.
제1항에 있어서, 상기 용매에 도펀트로써 붕소를 첨가하는 것은 상기 용매에 붕산을 첨가하는 것인 산화아연 박막의 제조방법.
The method of producing a zinc oxide thin film according to claim 1, wherein boron is added to the solvent as a dopant, wherein boric acid is added to the solvent.
제1항에 있어서, 상기 용매에 도펀트로써 탄탈럼을 첨가하는 것은 상기 용매에 염화 탄탈럼을 첨가하는 것인 산화아연 박막의 제조방법.
The method of manufacturing a zinc oxide thin film according to claim 1, wherein adding tantalum as a dopant to the solvent is to add tantalum chloride to the solvent.
제1항에 있어서, 상기 붕소 또는 탄탈럼의 첨가량은 상기 아연염의 0.1 내지 0.9%의 몰량으로 첨가되는 산화아연 박막의 제조방법.
The zinc oxide thin film of claim 1, wherein the boron or tantalum is added in an amount of 0.1 to 0.9% of the zinc salt.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 2)의 정전분무는 0 kV 내지 8 kV의 전압을 가하여 수행하는 산화아연 박막의 제조방법.
The method of any one of claims 1 to 7, wherein the electrostatic spraying of step 2) is performed by applying a voltage of 0 kV to 8 kV.
제8항에 있어서, 상기 단계 2)의 정전분무는 4 kV 내지 8 kV의 전압을 가하여 수행하는 산화아연 박막의 제조방법.
The method according to claim 8, wherein the electrostatic spraying in step 2) is performed by applying a voltage of 4 kV to 8 kV.
청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 10 has been abandoned due to the setting registration fee. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 2)의 기판의 온도는 200 내지 300℃인 산화아연 박막의 제조방법.
The method for producing a zinc oxide thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein the temperature of the substrate in step 2) is 200 to 300 占 폚.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 11 has been abandoned due to the set registration fee. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 3)의 열처리 온도는 300℃ 내지 600℃인 산화아연 박막의 제조방법.
The method for producing a zinc oxide thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein the heat treatment temperature in step 3) is 300 ° C to 600 ° C.
청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 12 is abandoned in setting registration fee. 제11항에 있어서, 상기 열처리 시간은 1시간 내지 3시간인 산화아연 박막의 제조방법.The method for producing a zinc oxide thin film according to claim 11, wherein the heat treatment time is from 1 hour to 3 hours.
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