Effect of Ga-doping on the properties of ZnO films grown on glass substrate at room temperature by radio frequency magnetron sputtering

김금채,이지수,이수경,김도현,이성희,문주호,전민현,Kim, G.C.,Lee, J.S.,Lee, S.K.,Kim, D.H.,Lee, S.H.,Moon, J.H.,Jeon, M.H. The Korean Vacuum Society 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

유리기판 위에 약 500 nm 의 두께로 성장된 ZnO층의 구조적, 광학적, 전기적 성질에 미치는 갈륨도핑의 영향에 대하여 연구 하였다. 다결정 ZnO 와 GZO 층은 상온에서 radio frequency magnetron sputtering 법을 사용하여 성장되었다. 투과전자현미경 (TEM)과 x-ray 회절분석 (XRD)에 의하면, 갈륨이 도핑된 ZnO 박막의 결정성은 ZnO에 비하여 향상되었고 (002)방향을 따라 우선성장 되었음이 발견되었다. GZO 박막의 투과도는 가시광 영역에서 ZnO 박막에 비해 약 10% 정도 향상된 것으로 나타났다. PL 분석에 따르면, NBE emission 세기와 DL emission 세기의 비는 GZO 와 ZnO의 경우 각각 2.65:1 과 1.27:1로 나타났다. GZO와 ZnO의 비저항은 각각 1.27과 1.61 $\Omega{\cdot}cm$로서 GZO의 전기전도도가 높았다. GZO 와 ZnO의 캐리어농도는 각각 $10^{18}$ and $10^{20}cm^2$/Vs으로 측정되었다. 본 실험결과 따르면, Ga 도핑으로 인해 ZnO 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성이 향상되었음을 알 수 있었다. We present the effect of Ga-doping on the electrical, structural and optical properties of ZnO layers with a thickness of ${\sim}500nm$ deposited on glass substrates. Polycrystalline ZnO and Ga-doped ZnO (GZO) layers were deposited by radio frequency (rf) magnetron sputtering at room temperature. Based on the X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) data, the crystalline quality of Ga-doped ZnO film was improved and GZO film has a preferred orientation along with the (002) crystal direction. The transmittance of the GZO film was enhanced by 10% in the visible region from that of the ZnO film. From photoluminescence (PL) data, the ratio of intensity of near band edge (NBE) emission to deep level (DL) emission was as high as 2.65:1 and 1.27:1 in the GZO and ZnO films, respectively. The res istivities of GZO and ZnO films were measured to be 1.27 and 1.61 $\Omega{\cdot}cm$, respectively. The carrier concentrations of ZnO and GZO film were approximately 1018 and 1020 $cm^2$/Vs, respectively. Based on our experimental results, the Ga-doping improves the electrical, structural and optical properties of ZnO film with potential application.

Effect of Ga-doping on the properties of ZnO f ilms grown on glass substrate at room temperature by radio frequency magnetron sputtering

G.C. Kim(김금채),S.K. Lee(이수경),J.S. Lee(이지수),D.H. Kim(김도현),S.H. Lee(이성희),J.H.Moon(문주호),M.H. Jeon(전민현) 한국진공학회(ASCT) 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

유리기판 위에 약 500 ㎚의 두께로 성장된 ZnO층의 구조적, 광학적, 전기적 성질에 미치는 갈륨도핑의 영향에 대하여 연구하였다. 다결정 ZnO 와 GZO 층은 상온에서 radio frequency magnetron sputtering 법을 사용하여 성장되었다. 투과전자 현미경 (TEM)과 x-ray 회절분석 (XRD)에 의하면, 갈륨이 도핑된 ZnO 박막의 결정성은 ZnO에 비하여 향상되었고 (002)방향을 따라 우선성장 되었음이 발견되었다. GZO 박막의 투과도는 가시광 영역에서 ZnO 박막에 비해 약 10% 정도 향상된 것으로 나타났다. PL 분석에 따르면, NBE emission 세기와 DL emission 세기의 비는 GZO 와 ZnO의 경우 각각 2.65:1 과 1.27:1로 나타났다. GZO와 ZnO의 비저항은 각각 1.27과 1.61 Ωㆍ㎝ 로서 GZO의 전기전도도가 높았다. GZO 와 ZnO의 캐리어농도는 각각 10¹? and 10²? ㎠/Vs으로 측정되었다. 본 실험결과 따르면, Ga 도핑으로 인해 ZnO 박막의 전기적, 광학적, 구조적 특성이 향상되었음을 알 수 있었다. We present the effect of Ga-doping on the electrical, structural and optical properties of ZnO layers with a thickness of ~500 ㎚ deposited on glass substrates. Polycrystalline ZnO and Ga-doped ZnO (GZO) layers were deposited by radio frequency (rf) magnetron sputtering at room temperature. Based on the X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) data, the crystalline quality of Ga-doped ZnO film was improved and GZO film has a preferred orientation along with the (002) crystal direction. The transmittance of the GZO film was enhanced by 10% in the visible region from that of the ZnO film. From photoluminescence (PL) data, the ratio of intensity of near band edge (NBE) emission to deep level (DL) emission was as high as 2.65:1 and 1.27:1 in the GZO and ZnO films, respectively. The res istivities of GZO and ZnO films were measured to be 1.27 and 1.61 Ωㆍ㎝, respectively. The carrier concentrations of ZnO and GZO film were approximately 1018 and 1020 ㎠/Vs, respectively. Based on our experimental results, the Ga-doping improves the electrical, structural and optical properties of ZnO film with potential application.

RF 마그네트론 스퍼터링 법으로 유리 기판 위에 성장 시킨 Ga 도핑된 ZnO 박막의 열처리에 따른 구조적, 광학적 특성 평가

이지수,김금채,전훈하,황보수정,김도현,성창모,전민현,Lee, J.S.,Kim, G.C.,Jeon, H.H.,HwangBoe, S.J.,Kim, D.H.,Seong, C.M.,Jeon, M.H. 한국진공학회 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

본 연구에서는 상온에서 RF 마그네트론 스퍼터링 법으로 유리 기판위에 증착된 Ga 도핑 된 다결정 ZnO 박막의 특성을 개선하기 위하여 적정 열처리 조건을 분석하였다. 먼저 박막 성장 후 박막의 특성을 분석하였고 각각 $400{\sim}600^{\circ}C$에서 30분, 60분간 질소 분위기에서 열처리를 한 후 구조적, 광학적 특성을 평가하였다. XRD와 FE-SEM을 사용하여 열처리온도 변화에 따른 결정입자의 크기의 변화를 관찰하였다. 그 결과 성장된 결정의 크기의 증가와 박막의 결정성이 향상되었음을 확인할 수 있었으며 그로 인해 박막 특성을 중시하는 투명 전도막의 투과도의 향상 또한 확인할 수 있었다. 결론적으로, 본 실험을 통하여 ZnO 성장 후 적절한 열처리를 수행함으로서 GZO 박막을 사용하여 제작된 소자의 특성을 개선할 수 있으리라 판단된다. We have investigated the effect of annealing on the structural and optical properties of polycrystalline Ga doped ZnO (GZO) films grown on glass substrates by RF-magnetron sputter at room temperature. The structural and optical properties of as-grown GZO films were characterized and then samples were annealed at $400{\sim}600^{\circ}C$ in $N_2$ ambient for 30, 60 minutes, respectively. The field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and X-ray diffraction (XRD) were used to measure the grain size and the crystalline quality of the films. We found that the crystalline quality was improved and the grain size tends to be increased. The optical properties of GZO thin films were analyzed by UV-VIS-NIR spectrophotometers. It is found that optical properties of thin films are increased by annealing and can be used for transparent electrode application. We believe that the appropriate post-growth heat treatment could be contributed to the improvement of GZO-based devices.

열처리된 탄소나노튜브 상대전극의 전기화학적 특성 연구

이수경,문준희,황숙현,김금채,이동윤,김도현,전민현,Lee, S.K.,Moon, J.H.,Hwang, S.H.,Kim, G.C.,Lee, D.Y.,Kim, D.H.,Jeon, M.H. 한국진공학회 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.1

본 연구에서는 염료감응 태양전지의 상대전극으로써 다중벽 탄소나노튜브를 사용하여 전기화학적 특성에 미치는 열처리 효과에 대해 연구하였다. 다중벽 탄소나노튜브는 실리콘 기판위에 철 촉매를 사용하여 열화학 기상증착법으로 합성하였다. 직경이 다른 다중벽 탄소나노튜브를 각각 성장하여 두 개의 샘플을 준비하였고 질소 분위기의 RTA(rapid thermal annealing) system에서 $900^{\circ}C$ 온도로 1분간 열처리 하였다. 다중벽 탄소나노튜브의 구조적, 전기적, 전기화학적 특성은 FE-SEM, Raman spectroscopy, 2-point probe station, electrochemical impedance spectroscopy (EIS)을 이용하여 측정하였다. 라만 스펙트럼 분석에서 열처리 한 다중벽 탄소나노튜브의 I(D)/I(G) ratio는 상당히 감소한 것을 확인하였으며, 다중벽 탄소나 노튜브 표면과 전해질과의 산화 환원 반응 특성에서는 열처리 전보다 열처리 후의 전해질과의 산화 환원 반응 특성이 향상된 것을 알 수 있었다. 표면에서의 반응 저항 또한 열처리 후의 다중벽 탄소나노튜브가 더 낮은 값을 나타내었다. 그 결과, 열처리 후의 다중벽 탄소나노튜브를 상대전극으로 사용하였을 때의 전기화학적 특성이 더 좋은 것을 확인하였다. We have studied the effect of heat treatment of multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) as a counter electrode on the electro-chemical properties of dye-snsitized solar cells. MWNTs on the p-type Si substrate were synthesized by thermal chemical vapor deposition (CVD) using Fe catalysts. We prepared the two types of MWNTs samples with the different diameters. The rapid thermal annealing (RTA) treatment for the MWNTs was carried out at the growth temperature ($900^{\circ}C$) for 1 minute with $N_2$ gas atmosphere. The structural, electrical and electrochemical properties of MWNTs were investigated by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), Raman spectroscopy, 2-point probe station and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The I(D)/I(G) ratio of heat-treated MWNTs in Raman spectra was considerably decreased. It was also found that the heat-treated MWNTs showed better redox reaction of iodide at the interface between MWNTs surface and electrolyte than that of as-grown MWNTs. The redox resistance value of heat-treated electrodes was measured to be much lower than that of as-grown electrode at the interface. As a result, the counter electrode using the heat-treated MWNTs showed better electrochemical properties.

RF magnetron sputtering 법으로 증착된 GZO와 ZnO 박막의 광학적 특성

황보수정,전훈하,김금채,이지수,김도현,최원봉,전민현,HwangBoe, S.J.,Jeon, H.H.,Kim, G.C.,Lee, J.S.,Kim, D.H.,Choi, W.B.,Jeon, M.H. 한국진공학회 2007 Applied Science and Convergence Technology Vol.16 No.6

상온에서 RF magnetron sputtering 을 이용하여 10nm에서 50nm 의 두께를 가지는 ZnO와 GZO 를 유리 기판위에 증착하여 두 물질 간의 구조적 특성과 광학적 특성을 평가하였다. 구조적인 특성은 투과전자현미경 (TEM) 과 주사전자현미경 (SEM)을 통해 이루어졌다. 광학적 특성 평가는 spectrophotometer를 이용하여 UV-VIS-NIR 영역에 관한 투과도를 측정하였다. ZnO의 결정크기가 GZO보다 상대적으로 더 크게나왔으며 이는 결정 경계면에서 발생하는 광산란을 줄임으로서 투과도의 향상을 가져왔다. 투과 전 영역에서 ZnO의 투과도가 더 높게 나왔으며, 특히 50nm 박막의 경우 ZnO의 투과도가 GZO 보다 20% 이상 더 뛰어난 것을 확인 할 수 있었다. Zinc oxide (ZnO) and Ga doped zinc oxide (GZO) with different thickness in range of 10nm to 100nm are prepared on glass substrate by RF magnetron sputtering at room temperature. The structural and optical properties of the thin films is evaluated. The structural properties of ZnO and GZO are investigated by Tunneling Electron Microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). Optical properties are also investigated by UV-VIS-NIR spectrophotometer (200$\sim$1400nm). The much larger grain size of ZnO compared to GZO decreased the light scattering at the grain boundary and improved the transmittance. The transmittance of ZnO is higher than that of GZO through all of the ranges of wavelengths. In case of over 50nm, we found that the transmittance of ZnO is 20% higher than that of GZO.