KR20110049388A - Method of forming a thin film and luminescence device - Google Patents

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KR20110049388A
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신병철
채리안
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동의대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A method for forming a thin film and light emitting device are provided to use a ZnO thin film in which AIN is doped as a transparent electrode of a light emitting device, thereby increasing the light emitting efficiency and lifetime of the light emitting device. CONSTITUTION: A light emitting device comprises an anode, a light emitting layer(520), and a cathode(530) which are successively formed on the set area of a substrate. The anode is formed by a ZnO thin film in which 0.5 to 1.8mol% of AIN is doped. A substrate manufactured by silicon is loaded after a ZnO target in which 0.5 to 1.8mol% of AIN is doped is loaded in a sputtering deposition chamber. The ZnO thin film is formed by applying power to the target.

Description

박막 형성 방법 및 발광소자{Method of forming a thin film and luminescence device}Method of forming a thin film and luminescence device

본 발명은 박막 형성 방법 및 발광소자에 관한 것으로, 스퍼터링 방법을 이용하여 AlN이 도핑된 p형의 ZnO 박막을 형성하는 박막 형성 방법 및 발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film formation method and a light emitting device, and to a thin film formation method and a light emitting device for forming a p-type ZnO thin film doped with AlN using a sputtering method.

넓은 밴드갭 반도체인 ZnO는 상온에서 밴드갭 에너지가 3.3eV이고, 엑시톤 결합 에너지가 60meV 이다. 이러한 이유 때문에 ZnO는 광 소자, 솔라 셀 윈도우(solar cell window) 및 벌크 탄성파 소자(bulk acoustic wave device) 등으로 다양하게 이용될 수 있다. ZnO, a wide bandgap semiconductor, has a bandgap energy of 3.3 eV and an exciton binding energy of 60 meV at room temperature. For this reason, ZnO may be used in various ways as optical devices, solar cell windows, bulk acoustic wave devices, and the like.

ZnO를 이용한 광 소자를 구현하기 위해서는 n형과 p형의 ZnO의 동시 성장이 요구된다. 이때, ZnO를 포함하는 대부분의 반도체는 n형 도전성을 갖으며, 상기 n형 ZnO는 제조하기 쉽고 다른 물질의 도핑과 도핑 레벨에 의해 도전성을 조절할 수 있다. 그러나, p형 ZnO는 제조하기가 쉽지 않은데, p형 ZnO가 많은 연구 성과에 의해 얻어졌다고 보고되고 있다. 그러나, 종래의 P형 ZnO의 특성은 소자에 이용하기 어렵다.In order to realize an optical device using ZnO, simultaneous growth of n-type and p-type ZnO is required. In this case, most semiconductors including ZnO have n-type conductivity, and the n-type ZnO is easy to manufacture and can control conductivity by doping and doping levels of other materials. However, p-type ZnO is not easy to manufacture, and it is reported that p-type ZnO has been obtained by many research results. However, the characteristics of the conventional P-type ZnO are difficult to use in the device.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예는 AlN이 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여 스퍼터링 방법으로 기판 상에 AlN이 도핑된 p형 ZnO 박막을 형성하는 박막 형성 방법 및 발광소자를 제공한다.In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention provides a thin film forming method and a light emitting device for forming an AlN-doped p-type ZnO thin film on a substrate by a sputtering method using an AlN-doped ZnO target.

본 발명에 따른 박막 형성 방법은 AlN이 0.5mol% 내지 1.8mol%로 도핑된 ZnO 타겟을 스퍼터링 증착 챔버에 로딩한 후, 실리콘(Si)으로 제작된 기판을 로딩하는 단계 및 상기 타겟에 전원을 인가하여 상기 기판 상에 0.5mol% 내지 1.8mol%로 AlN이 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 AlN to 0.5 mol% to 1.8 mol% in a sputtering deposition chamber, loading a substrate made of silicon (Si) and applying power to the target. Thereby forming a ZnO thin film doped with AlN at 0.5 mol% to 1.8 mol% on the substrate.

상기 AlN이 0.5mol% 내지 1mol%로 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여 AlN이 0.5mol% 내지 1mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable to form a ZnO thin film doped with AlN at 0.5 mol% to 1 mol% using the ZnO target doped with AlN at 0.5 mol% to 1 mol%.

상기 AlN이 0.5mol% 내지 1.8mol%로 도핑된 ZnO 박막은 p형인 것을 특징으로 한다.The ZnO thin film doped with 0.5N% to 1.8mol% of AlN is characterized in that the p-type.

상기 타겟은 ZnO 파우더에 AlN 파우더를 0.5mol% 내지 1.8mol%로 혼합한 후, 상기 혼합된 파우더를 성형하여 타겟을 제작한다.The target is mixed with AlN powder in 0.5 mol% to 1.8 mol% to ZnO powder, and then to form the mixed powder to produce a target.

상기 타겟을 800℃ 내지 1000℃의 퍼니스에서 5시간 내지 7시간 소결하는 것이 효과적이다.It is effective to sinter the target 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 유지한다.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.

본 발명에 따른 발광소자는 기판 상부의 소정 영역에 순차적으로 형성된 양극, 발광층 및 음극을 포함하며, 상기 양극은 AlN이 0.2mol% 내지 1.8mol%로 도핑된 ZnO 박막으로 형성된다.The light emitting device according to the present invention includes an anode, a light emitting layer, and a cathode sequentially formed in a predetermined region on the substrate, and the anode is formed of a ZnO thin film doped with AlN of 0.2 mol% to 1.8 mol%.

상술한 바와 같이 본 발명에 실시예는 AlN이 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여 스퍼터링 방법으로 기판 상에 AlN이 0.5mol% 내지 1.8mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성함으로써, p형 ZnO 박막을 형성할 수 있다. 또한, AlN이 도핑된 ZnO 박막을 발광소자의 투명 전극으로 이용함으로써, 발광소자의 발광 효율 및 수명을 향상시킬 수 있다.As described above, the embodiment of the present invention forms a p-type ZnO thin film by forming a ZnO thin film doped with AlN at 0.5 mol% to 1.8 mol% on a substrate by a sputtering method using an AlN doped ZnO target. Can be. In addition, by using an AlN-doped ZnO thin film as the transparent electrode of the light emitting device, it is possible to improve the light emitting efficiency and life of the light emitting device.

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) 상 에 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 discharging the target 300 to provide a raw material on the substrate s by the sputtering method, a target support 310 supporting the target 300, and a power supply unit for applying power to the target 300. 400.

챔버(100)는 내부가 비어 있는 사각형 통 형성으로 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 formed in a rectangular cylinder with an empty interior, and a predetermined reaction space is provided therein for processing the substrate s. 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)로 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 물 질을 제공한다. 타겟(300)으로는 불순물이 도핑된 ZnO 타겟(300)을 이용한다. 실시예에서는 타겟(300)의 불순물로 AlN을 사용하며, 상기 AlN을 ZnO에 0.5mol, 1.0mol, 2.0mol, 4.0mol%로 도핑하여 타겟(300)을 제작한다. 이는 AlN이 0.5mol, 1.0mol, 2.0mol, 4.0mol%로 도핑된 타겟(300)을 이용함으로써, ZnO에 AlN이 0.5mol, 1.0mol, 2.0mol, 4.0mol%로 도핑된 p형의 ZnO 박막을 제작하기 위함이다. 이러한 타겟(300)을 제작하기 위해 고순도 ZnO 파우더(99.99%)와 AlN 파우더(99.99%)를 혼합하여 제작한다. 즉, 볼을 갖는 콘테이너를 이용하여 고순도 ZnO 파우더(99.99%)와 AlN 파우더(99.99%)를 10시간 혼합한다. 그리고, 펠렛 프레서(cylindrical pallets presser)를 이용하여 ZnO 파우더와 AlN 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 50nm의 직경, 2nm의 두께가 되도록 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 made 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, AlN is used as an impurity of the target 300, and the target 300 is manufactured by doping AlN to 0.5 mol, 1.0 mol, 2.0 mol, and 4.0 mol% of ZnO. The p-type ZnO thin film doped with ZnO with 0.5N, 1.0mol, 2.0mol and 4.0mol% of AlN was doped with 0.5N, 1.0mol, 2.0mol, 4.0mol% of the target 300. To produce. In order to manufacture the target 300, a high purity ZnO powder (99.99%) and AlN powder (99.99%) are mixed and manufactured. That is, a high purity ZnO powder (99.99%) and AlN 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 AlN 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, the target 300 is manufactured to have a diameter of 50 nm and a thickness of 2 nm. 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 이용하여 타겟(300)에 100W의 교류 전원(RF power)을 공급하고, 30분 동안 증착 공정을 실시하여 기판(s) 상에 120nm의 박막을 형성한다. 이때, 상기에서 전술한 바와 같이, 실시예에서는 ZnO 파우더에 AlN 파우더를 0.5mol, 1.0mol, 2.0mol, 4.0mol%로 혼합하여 제작된 타겟(300)을 이용하므로, AlN이 0.5mol, 1.0mol, 2.0mol, 4.0mol%로 도핑된 p형의 ZnO 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 unit 400, and a deposition process is performed for 30 minutes to form a 120 nm thin film on the substrate s. At this time, as described above, in the embodiment, AlN is 0.5mol, 1.0mol, 2.0mol, 4.0mol% by using a target 300 prepared by mixing the AlN powder to ZnO powder, AlN 0.5mol, 1.0mol P-type ZnO thin film doped with 2.0 mol, 4.0 mol% is formed on the substrate s. After deposition, the thin film is naturally cooled at room temperature for various measurements.

하기에서는 AlN을 0mol%, 0.5mol%, 1mol%, 2mol% 및 4mol%로 도핑된 ZnO 박막의 특성을 설명한다.The following describes the characteristics of the ZnO thin film doped with AlN at 0 mol%, 0.5 mol%, 1 mol%, 2 mol% and 4 mol%.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 이용하여 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 X-레이 회절 패턴을 도시한 것이다. ZnO 박막은 본래 육방정계(hexagonal)의 우르짜이트(wurtzite) 구조를 가지고, 기판(s) 표면에 수직한 (002) 면은 높은 원자 충진율로 인해 가장 낮은 표면 에너지를 가지게된다. 이로 인해 ZnO는 박막 증착시 c축 방향으로 우선 성장한다. 도 2를 참조하면, AlN이 도핑되지 않은 ZnO 박막과 AlN이 0.5mol%, 1mol%, 2mol% 및 4.0mol%로 도핑된 ZnO 박막 모두 (002) 방향으로 우선 배향성이 뛰어난 결정 성장을 보인다. 이를 통해, AlN이 도핑되지 않은 ZnO 박막과 AlN이 0.5mol%, 1mol%, 2mol% 및 4.0mol%로 도핑된 ZnO 박막 모두 헥사고날(hexagonal)의 우르차이트(wurtzite) 구조임을 알 수 있다. 이를 통해, AlN을 0.5mol%, 1mol%, 2mol% 및 4.0mol%의 낮은 농도로 도핑하였을 경우, ZnO의 박막 구조를 변화시키지 않는 것을 알 수 있다.Figure 2 shows the X-ray diffraction pattern of the ZnO thin film according to the doping concentration of AlN using a method according to an embodiment of the present invention. ZnO thin films have 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, both the ZnO thin film not doped with AlN and the ZnO thin film doped with 0.5 mol%, 1 mol%, 2 mol%, and 4.0 mol% of AlN show preferentially oriented crystal growth in the (002) direction. Through this, it can be seen that both the ZnO thin film doped with AlN and the ZnO thin film doped with 0.5 mol%, 1 mol%, 2 mol%, and 4.0 mol% have hexagonal wurtzite structures. Through this, it can be seen that when AlN is doped at a low concentration of 0.5mol%, 1mol%, 2mol% and 4.0mol%, it does not change the thin film structure of ZnO.

도 3은 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 (002) 방위에서의 반측폭(FWHM) 및 결정립 크기를 나타낸 그래프이다. 결정립 크기는 XRD 피크의 반측폭(FWHM) 크기로서 산출할 수 있는데, 일반적으로 반측폭(FWHM) 크기가 클수록 결정립 크기는 작아진다. 결정립 크기는 scherrer법으로 계산 가능하며, 반측폭(FWHM)이 감소할수록 결정립 크기는 증가한다. 도 3을 참조하면, AlN의 도핑 농도가 0mol% 에서 1mol%로 증가함에 따라, 반측폭(FWHM)은 0.26에서 0.305로 증가한다. 이때, AlN의 도핑 농도가 Omol%에서 0.5mol%로 증가할때의 반측폭(FWHM)의 증가 기울기에 비해, 상기 AlN의 도핑 농도가 0.5mol%로 증가할때의 반측폭(FWHM)의 증가 기울기가 더 크다. 이때, AlN의 도핑 농도가 Omol%에서 0.5mol%로 증가함에 따라 결정립 크기가 0.273nm에서 0.269nm로 감소하고, 상기 AlN의 도핑 농도가 0.5mol%에서 1mol%로 증가함에 따라 결정립 크기가 0.269nm에서 0.235nm로 감소한다. 또한, AlN의 도핑 농도가 1mol% 에서 4mol%로 증가함에 따라, 반측폭(FWHM)은 0.305에서 0.234로 감소한다. 이때, AlN의 도핑 농도가 1mol%에서 2mol%로 증가할때의 반측폭(FWHM)의 감소 기울기에 비해, 상기 AlN의 도핑 농도가 2mol%에서 4mol%로 증가할때의 반측폭(FWHM)의 감소 기울기가 더 작다. 이때, AlN의 도핑 농도가 1mol%에서 2mol%로 증가함에 따라 결정립 크기가 0.235nm에서 0.29nm로 증가하고, 상기 AlN의 도핑 농도가 2mol%에서 4mol%로 증가함에 따라 결정립 크기가 0.29nm에서 0.303nm로 증가한다. 즉, AlN의 도핑 농도가 증가함에 따라 결정립의 크기가 감소하다가 AlN의 도핑 농도가 1mol% 이상이 되면 결정립 크기가 증가한다. 이때, AlN의 도핑 농도가 1mol% 일 때, 결정립 크기가 가장 작다.3 is a graph showing the half-width (FWHM) and grain size in the (002) orientation of the ZnO thin film according to the doping concentration of AlN. The grain size can be calculated as the size of the half-width (FWHM) of the XRD peak. In general, the larger the half-width (FWHM) size, the smaller the grain size. Grain size can be calculated using the scherrer method, and the grain size increases as the FWHM decreases. Referring to FIG. 3, as the doping concentration of AlN increases from 0 mol% to 1 mol%, the half-side width (FWHM) increases from 0.26 to 0.305. At this time, the increase in the half-width (FWHM) when the doping concentration of AlN increased to 0.5 mol%, compared to the increase slope of the half-side width (FWHM) when the doping concentration of AlN increased from Omol% to 0.5 mol%. The slope is greater. At this time, the grain size decreases from 0.273 nm to 0.269 nm as the doping concentration of AlN increases from Omol% to 0.5 mol%, and the grain size increases to 0.269 nm as the doping concentration of AlN increases from 0.5 mol% to 1 mol%. At 0.235 nm. In addition, as the doping concentration of AlN increases from 1 mol% to 4 mol%, the half-side width (FWHM) decreases from 0.305 to 0.234. At this time, when the doping concentration of AlN increases from 1 mol% to 2 mol%, the decrease in half side width (FWHM) of the half side width (FWHM) increases when the doping concentration of AlN increases from 2 mol% to 4 mol%. The decreasing slope is smaller. At this time, as the doping concentration of AlN increased from 1mol% to 2mol%, the grain size increased from 0.235nm to 0.29nm, and as the doping concentration of AlN increased from 2mol% to 4mol%, the grain size increased from 0.29nm to 0.303. increases in nm. That is, the grain size decreases as the doping concentration of AlN increases, but when the doping concentration of AlN becomes 1 mol% or more, the grain size increases. At this time, when the doping concentration of AlN is 1 mol%, the grain size is the smallest.

도 4는 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 c-축 격자상수를 나타낸 그래프이고, 상기 c-축 격자상수를 통해 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 면간거리(d-spacing)를 분석한다. 도 4를 참조하면, AlN이 0.5mol% 및 1mol%로 도핑된 ZnO 박막의 c-축 격자상수는 ZnO 박막의 결정립이 응력(stressed)을 받지 않는 격자상수 값의 한계치인 약 5.202(도 4의 unstressed bulk)에 비해 큰 값을 갖는다. 이를 통해, AlN이 0.5mol% 및 1mol%로 도핑된 ZnO 박막의 면간거리가 증가하였음을 알 수 있다. 이는, AlN이 0.5mol% 및 1mol%로 도핑된 ZnO 박막의 경우, O2 - 이온 자리에 상기 O2 -에 비해 직경이 큰 N3 -가 치환되었음을 의미한다. 또한, AlN의 도핑 농도가 2mol% 및 4mol% 일 때 C-축 격자상수는 5.20225(도 4의 unstressed bulk)에 비해 작은 값을 갖는다. 이를 통해, AlN이 2mol% 및 4mol%일 때 면간거리가 감소하였음을 알 수 있다. 이는, 2mol% 및 4mol%일 경우, Zn2 + 이온 자리에 상기 Zn2 +에 비해 직경이 작은 Al3 + 이온이 치환되었음을 의미한다.Figure 4 is a graph showing the c-axis lattice constant of the ZnO thin film according to the doping concentration of AlN, and analyzes the d-spacing of the ZnO thin film according to the doping concentration of AlN through the c-axis lattice constant. Referring to FIG. 4, the c-axis lattice constant of the ZnO thin film doped with AlN at 0.5 mol% and 1 mol% is about 5.202, which is the limit of the lattice constant value in which the grains of the ZnO thin film are not stressed. It is larger than the unstressed bulk. Through this, it can be seen that the interplanar distance of the ZnO thin film doped with AlN 0.5 mol% and 1 mol% increased. This, AlN in the case of a ZnO thin film doped with 0.5mol% and 1mol%, O 2 - means that the substituted-ion spot on the O 2 - on the diameter larger than N 3. In addition, when the doping concentration of AlN is 2 mol% and 4 mol%, the C-axis lattice constant is smaller than that of 5.20225 (unstressed bulk of FIG. 4). Through this, it can be seen that the interplanar distance was reduced when AlN is 2 mol% and 4 mol%. This means that if the 2mol% and 4mol%, Zn 2 + ions in place a diameter smaller than that of the Zn + 2 Al + 3 ions are substituted.

도 5는 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 캐리어 이동도(/cm3)를 나타낸 그리프이고, 도 6은 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 이동도(cm2/Vs) 및 저항(Ωcm)을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, AlN의 도핑 농도가 0mol%에서 1mol%로 증가함에 따라 홀농도가 증가하고, AlN의 도핑 농도가 1mol% 이상일 경우 점차적으로 홀농도가 감소한다. 이때, 예를 들어 0.5mol% 및 1mol%의 농도 AlN이 도핑된 ZnO 박막의 홀농도는 각각 9.797×1018/cm3 및 2.415×1019/cm3 이고, 2mol% 및 4mol%로 도핑된 ZnO 박막의 전자농도는 각각 3.706×1018/cm3 및 5.625×1019/cm3이다. 이와 같은 경향성으로 볼 때, 도 4에 도시된 바와 같이 AlN이 0.5mol% 내지 1.8mol%로 도핑되었을 경우 ZnO 박박은 p형 특성을 보이며, AlN이 0.2mol% 미만, 1.8mol%를 초과하여 도핑된 ZnO 박막은 n형 특성을 보인다. 이에 실시예에서는 p형의 ZnO 박막을 제작하기 위하여 AlN을 0.5mol% 내지 1.8mol%의 농도로 도핑하여 ZnO 박막을 형성한다. 이와 같이, 0.5mol% 내지 1.8mol%의 농도로 AlN을 도핑하여 ZnO 박막을 형성할 경우, Al3+ 이온에 비해 상대적으로 N3 - 이온의 활동이 활발하다. 그리고 상기 N3 -이온이 O2 - 이온 자리에 치환됨에 따라 ZnO 박막이 p형 특성을 나타낸다. 또한, 도핑되지 않은 ZnO 박막은 n형 특성을 보이는데, ZnO 박막에 AlN이 0.2mol% 이하로 도핑될 경우, 상기 0.2mol% 이하의 AlN은 n형의 ZnO 박막을 p형으로 변환시킬 만큼 그 도핑 농도가 충분하지 않다. 그리고, AlN을 1.8mol%를 초과하도록 도핑할 경우, N3 - 이온에 비해 상대적으로 Al3 + 이온의 활동이 활발하여, 상기 Al3 + 이온이 Zn2 + 이온 자리에 치환됨에 따라 ZnO 박막이 n형 특성을 보이게 된다. 그리고 도 6을 참조하면, AlN의 도핑 농도가 0mol%에서 1mol%로 증가함에 따라 홀 이동도가 2.4cm2/Vs에서 0.028cm2/Vs로 감소하고, AlN의 도핑 농도가 1mol%에서 2mol%로 증가함에 따라 홀 이동도가 0.028cm2/Vs에서 3.5cm2/Vs로 증가한다. 그리고, AlN의 도핑 농도가 2mol%에서 4mol%로 증가함에 따라 홀 이동도가 3.5cm2/Vs에서 0.5cm2/Vs로 감소한다.FIG. 5 is a graph illustrating carrier mobility (/ cm 3 ) of ZnO thin film according to the doping concentration of AlN, and FIG. 6 illustrates mobility (cm 2 / Vs) and resistance (Ωcm) of ZnO thin film according to the doping concentration of AlN. Is a graph. Referring to FIG. 5, the hole concentration increases as the doping concentration of AlN increases from 0 mol% to 1 mol%, and when the doping concentration of AlN is 1 mol% or more, the hole concentration gradually decreases. In this case, for example, the hole concentrations of ZnO thin films doped with concentrations of 0.5 mol% and 1 mol% AlN are respectively 9.797 × 10 18 / cm 3 and 2.415 × 10 19 / cm 3 , And the electron concentrations of the ZnO thin films doped with 2 mol% and 4 mol% are 3.706 × 10 18 / cm 3 and 5.625 × 10 19 / cm 3, respectively. In view of this tendency, as shown in FIG. 4, when AlN is doped with 0.5 mol% to 1.8 mol%, ZnO foil exhibits p-type characteristics, and AlN is less than 0.2 mol% and more than 1.8 mol% doped. ZnO thin film shows n-type characteristics. In this embodiment, to prepare a p-type ZnO thin film to form a ZnO thin film by doping AlN at a concentration of 0.5mol% to 1.8mol%. As such, when ZnO thin films are formed by doping AlN at a concentration of 0.5 mol% to 1.8 mol%, N 3 − ions are more active than Al 3+ ions. In addition, the ZnO thin film exhibits p-type characteristics as the N 3 - ion is substituted at the O 2 - ion site. In addition, an undoped ZnO thin film exhibits n-type characteristics. When AlN is doped with 0.2 mol% or less of the ZnO thin film, the AlN of 0.2 mol% or less is doped enough to convert the n-type ZnO thin film to p-type. Not enough concentration And, when doped to the AlN exceeds 1.8mol%, N 3 - and as compared to ion relatively vigorous activity of Al 3 + ion, wherein the Al 3 + ions as Zn 2 + ions substituted in place ZnO thin film is It shows n-type characteristics. And Referring to Figure 6, as the doping concentration of AlN is increased from 0mol% to 1mol% Hall mobility is decreased from 2.4cm 2 / Vs to 0.028cm 2 / Vs, and the doping density of the AlN is 2mol% in 1mol% with the increase in the movement hole also increases from 0.028cm 2 / Vs to 3.5cm 2 / Vs. As the doping concentration of AlN increases from 2 mol% to 4 mol%, the hole mobility decreases from 3.5 cm 2 / Vs to 0.5 cm 2 / Vs.

도 7은 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 FTIR로 분석한 결과이고, 도 8은 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 EDS로 분석한 결과이다. 도 67 참조하면, 모든 ZnO 박막(AlN이 각각 0.5mol%, 1mol%, 2mol% 및 4mol%로 도핑된 ZnO 박막)에서 Al-O 피크 및 Al-N 피크가 나타난다. 이때, AlN의 도핑 농도가 4mol% 일 때, 다른 피크에 비해 Al-O 피크가 크다. 이는, AlN의 도핑 농도가 4mol% 일 때 AlN이 2mol% N보다 Al이 더 활동적임을 알 수 있다. 또한, AlN의 도핑 농도가 0.5mol% 및 1mol% 일 때의 Al-N 피크가 AlN의 도핑농도가 2mol% 및 4mol% 일 때에 비하여 크다. 이는, AlN의 도핑 농도가 0.5mol% 및 1mol% 일 때의 N의 활동이 2mol% 및 4mol% 일 때에 비해 활동적이기 때문이다. 도 8을 참조하면, EDS 분석 결과 호스트인 ZnO 및 도펀트인 AlN 이외에 다른 원소들에 대한 피크가 나타나지 않음을 알 수 있다. 즉, ZnO 및 AlN 이외에 다른 불순물이 도핑되지 않음을 알 수 있다.7 is a result of analyzing the AlN-doped ZnO thin film by FTIR, Figure 8 is a result of analyzing the AlN-doped ZnO thin film by EDS. Referring to FIG. 67, Al-O peaks and Al-N peaks appear in all ZnO thin films (ZnO thin films doped with AlN 0.5 mol%, 1 mol%, 2 mol% and 4 mol%, respectively). At this time, when the doping concentration of AlN is 4mol%, Al-O peak is larger than other peaks. This indicates that AlN is more active than 2mol% N when the doping concentration of AlN is 4mol%. Also, the Al-N peak at the AlN doping concentrations of 0.5 mol% and 1 mol% is larger than that at the AlN doping concentrations of 2 mol% and 4 mol%. This is because the activity of N when the doping concentration of AlN is 0.5 mol% and 1 mol% is more active than when the 2 mol% and 4 mol%. Referring to FIG. 8, it can be seen from the EDS analysis that peaks for other elements other than the host ZnO and the dopant AlN do not appear. That is, it can be seen that impurities other than ZnO and AlN are not doped.

이와 같은 결과를 바탕으로 실시예에서는 p형의 ZnO 박막을 형성하기 위하여 AlN을 0.5mol% 내지 1.8mol%로 도핑하여 p형의 ZnO 박막을 형성한다.Based on this result, in Example, to form a p-type ZnO thin film, the AlN is doped with 0.5 mol% to 1.8 mol% to form a p-type ZnO thin film.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 이용하여 제작된 발광소자의 단면도이다.9 is a cross-sectional view of a light emitting device fabricated using an AlN-doped ZnO thin film according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자는 기판(s), 기판(s) 상에 형성된 양극(510), 양극(510) 상에 형성된 발광층(520) 및 발광층(520) 상에 형성된 음 극(530)을 포함한다.9, the light emitting device according to the embodiment includes a substrate s, an anode 510 formed on the substrate s, a light emitting layer 520 formed on the anode 510, and a sound formed on the light emitting layer 520. Pole 530.

여기서, 실시예에 따른 기판(s)은 사파이어(Al2O3) 기판을 사용한다. 양극(510)은 홀 주입을 위한 전극으로, 본 발명의 실시예에 따른 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 이용하여 형성한다. AlN이 도핑된 ZnO 박막은 상기에서 설명한 바와 같이, AlN이 도핑된 타겟(300)을 이용하여 교류 전원 스퍼터링을 이용하여 형성한다. 이때, 실시예에서는 AlN을 0.5mol% 내지 1.8mol% 바람직하게는 0.5mol% 내지 1mol%로 도핑된 ZnO 타겟(300)을 이용하여, AlN이 0.5mol% 내지 1mol%로 도핑된 p형의 ZnO 박막을 형성한다. 그리고 0.2mbar의 산소 분위기에서 300℃ 내지 600℃의 기판(s)의 온도를 유지하여 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 형성한다.Here, the substrate s according to the embodiment uses a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate. The anode 510 is an electrode for hole injection, and is formed using an AlN-doped ZnO thin film according to an embodiment of the present invention. As described above, the AlN-doped ZnO thin film is formed by using AC power sputtering using the AlN-doped target 300. At this time, in the embodiment, using the ZnO target 300 doped with AlN 0.5mol% to 1.8mol%, preferably 0.5mol% to 1mol%, AlN of p-type doped with 0.5mol% to 1mol% A ZnO thin film is formed. The AlN-doped ZnO thin film is formed by maintaining the temperature of the substrate s between 300 ° C. and 600 ° C. in an oxygen atmosphere of 0.2 mbar.

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, 양극(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 발광층, 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 anode 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 include a green light emitting layer composed of Alq 3 : C545T, a blue light emitting layer composed of DPVBi, a red light emitting layer composed of CBP: Ir (acac), and a group composed of these materials, and may use a material having excellent light emission characteristics. 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.

음극(530)은 전자 주입 전극으로 사용되며, 전기 전도성을 갖는 모든 물질을 이용할 수 있고, 20nm 내지 150nm의 두께로 형성할 수 있다. 음극(530)은 발광층(520)으로 전자를 원활하게 주입하기 위하여 일함수가 낮은 금속을 이용하는 것이 바람직하다. 실시예에서는 Al, Ag, Au, Pt 및 Cu 중 어느 하나를 이용하여 음극(530)을 형성한다.The cathode 530 may be used as an electron injection electrode, and may use any material having electrical conductivity, and may be formed to a thickness of 20 nm to 150 nm. The cathode 530 preferably uses a metal having a low work function to smoothly inject electrons into the light emitting layer 520. In an embodiment, the cathode 530 is formed using any one of Al, Ag, Au, Pt, and Cu.

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 이용하여 AlN의 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 AlN using according to an embodiment of the present invention.

도 3은 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 (002) 방위에서의 결정립 크기 및 반측폭(FWHM)을 나타낸 그래프 3 is a graph showing grain size and half width (FWHM) in the (002) orientation of a ZnO thin film according to the doping concentration of AlN.

도 4는 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 c-축 격자상수를 나타낸 그래프4 is a graph showing the c-axis lattice constant of ZnO thin film according to the doping concentration of AlN

도 5는 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 캐리어 이동도(/cm3)를 나타낸 그리프5 is a graph showing carrier mobility (/ cm 3 ) of ZnO thin film according to the doping concentration of AlN

도 6은 AlN의 도핑 농도에 따른 ZnO 박막의 이동도(cm2/Vs) 및 저항(Ωcm)을 나타낸 그래프6 is a graph showing the mobility (cm 2 / Vs) and the resistance (Ωcm) of the ZnO thin film according to the doping concentration of AlN

도 7은 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 FTIR로 분석한 결과를 도시 7 shows the results of FTIR analysis of AlN-doped ZnO thin films.

도 8은 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 EDS로 분석한 결과를 도시Figure 8 shows the results of the analysis of the AlN doped ZnO thin film by EDS

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 이용하여 제작된 발광소자의 단면도9 is a cross-sectional view of a light emitting device manufactured using an AlN-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)

AlN이 0.5mol% 내지 1.8mol%로 도핑된 ZnO 타겟을 스퍼터링 증착 챔버에 로딩한 후, 실리콘(Si)으로 제작된 기판을 로딩하는 단계;Loading a ZnO target doped with AlN at 0.5 mol% to 1.8 mol% into a sputter deposition chamber, followed by loading a substrate made of silicon (Si); 상기 타겟에 전원을 인가하여 상기 기판 상에 0.5mol% 내지 1.8mol%로 AlN이 도핑된 ZnO 박막을 형성하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법.And applying a power to the target to form a ZnO thin film doped with AlN at 0.5 mol% to 1.8 mol% on the substrate. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 AlN이 0.5mol% 내지 1mol%로 도핑된 ZnO 타겟을 이용하여 AlN이 0.5mol% 내지 1mol%로 도핑된 ZnO 박막을 형성하는 박막 형성 방법.And forming a ZnO thin film doped with AlN at 0.5 mol% to 1 mol% using the ZnO target doped with AlN at 0.5 mol% to 1 mol%. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 AlN이 0.5mol% 내지 1.8mol%로 도핑된 ZnO 박막은 p형인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.The ZnO thin film doped with AlN of 0.5mol% to 1.8mol% is a thin film formation method, characterized in that the p-type. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 타겟은 ZnO 파우더에 AlN 파우더를 0.5mol% 내지 1.8mol%로 혼합한 후, 상기 혼합된 파우더를 성형하여 타겟을 제작하는 박막 형성 방법.The target is a thin film formation method for producing a target by mixing the AlN powder to 0.5 mol% to 1.8 mol% ZnO powder, and then molding the mixed powder. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 타겟을 800℃ 내지 1000℃의 퍼니스에서 5시간 내지 7시간 소결하는 박막 형성 방법.The thin film forming method of sintering the target for 5 hours to 7 hours in a furnace of 800 ℃ to 1000 ℃. 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. 기판 상부의 소정 영역에 순차적으로 형성된 양극, 발광층 및 음극을 포함하며,It includes an anode, a light emitting layer and a cathode sequentially formed in a predetermined region on the substrate, 상기 양극은 AlN이 0.5mol% 내지 1.8mol%로 도핑된 ZnO 박막으로 형성되는 발광소자.The anode is a light emitting device formed of a ZnO thin film doped with AlN 0.5mol% to 1.8mol%.
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WO2017030352A1 (en) * 2015-08-18 2017-02-23 고려대학교 산학협력단 Flexible transparent electrode having azo/ag/azo multilayered thin film structure, and manufacturing method therefor

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