KR100951581B1 - 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치, 이를 이용한도핑공정 없는 p형 산화아연박막 제조 시스템 및 그 방법,광출력 화합물 반도체 - Google Patents

유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치, 이를 이용한도핑공정 없는 p형 산화아연박막 제조 시스템 및 그 방법,광출력 화합물 반도체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도 결합 플라즈마를 화학 기상증착법에 도입하여 별도의 금속 도핑없이 산소유량의 조절만으로 광전소자에 사용되는 p형 산화아연(ZnO) 박막을 제조할 수 있는 p형 산화아연 박막의 제조 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
p형 산화아연 박막은 반응 챔버 내에 기판을 로딩하는 단계와; 산소 가스와 DEZ(diethylzinc, Zn(C2H5)2) 가스를 각각 독립된 제1 및 제2 가스라인을 통하여 반응 챔버 내부로 공급하는 단계와; 유도결합 플라즈마(ICP) 발생장치를 이용하여 챔버 내부로 분사된 산소 가스 및 DEZ 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜서 분해, 활성화시킴에 의해 상기 기판 위에 p형 ZnO 박막을 증착시키는 단계를 거쳐서 얻어진다.
유도결합 플라즈마, 화학기상 증착, p형 ZnO, 도핑

Description

유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치, 이를 이용한 도핑공정 없는 p형 산화아연박막 제조 시스템 및 그 방법, 광출력 화합물 반도체{Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition(ICP-CVD) Apparatus, System and Method for Fabricating P-Type ZnO Films without Any Doping Process by Using ICP-CVD Apparatus, and Optical Power Compound Semiconductor}
본 발명은 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치와 이를 이용한 광전소자에 쓰이는 p형 산화아연(ZnO) 박막의 제조에 관한 것으로, 금속 원소를 도핑하여 p형 ZnO를 만들던 기존의 금속유기물 화학기상 증착(MOCVD) 공정에 유도결합 플라즈마를 도입함으로써 산소 가스의 분해 활성화 및 반응을 촉진시켜 별도의 도핑없이 산소 유량의 조절만으로 p형 ZnO 박막을 제조할 수 있는 p형 ZnO 박막 제조 시스템, 그 방법과 광출력 화합물 반도체에 관한 것이다.
청색, 자외선 영역의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)는 고밀도 기록 장치, 각종 조명 기구, 디지털 기기, 광통신 분야에서 널리 사용되고 있으며, 이러한 발광소자의 중요성은 시장에서 점점 더 증대되어가고 있다. 이러한 청색, 자외선 영역의 발광다이오드 구현을 위하여, 기존에는 질화갈륨(GaN)을 이용하여 왔으나, 1000℃ 이상의 고온 공정을 수반할 뿐만 아니라, 식각 공정의 어려움, 낮은 휘도 등의 문제점을 가지고 있다.
산화아연(ZnO)은 II-VI족 화합물 반도체로 상온에서 3.37eV의 광학적 밴드갭과 60meV의 큰 엑시톤 결합 에너지를 가지는 재료로 다른 II-VI족 화합물 반도체인 ZnSe, ZnS에 비해 광효율이 우수하며, 잘 알려진 III-V족 반도체인 GaN에 비해서도 우수한 특성을 보여 광전소자용 재료로 부각되고 있다.
ZnO는 광이득 측면에서 GaN 보다 3배 이상 높은 수치를 보이며, 레이저로 응용 시 문턱 에너지가 낮아 고효율의 반도체 레이저로 사용될 수 있다. 또한, 제조 공정에서는 GaN 보다 제조 단가를 낮출 수 있고, 기판 종류에 크게 구애 받지 않아 다양한 기판에 증착할 수 있다는 이점을 가지고 있다.
이처럼, 광학적·전기적으로 우수한 특성을 지닌 ZnO는 현재 백색 발광 다이오드(LED)를 구현하는 새로운 광원으로 부각되고 있다. LED 및 레이저 다이오드(LD)를 기본으로 하는 광전소자는 pn 접합구조로 구현되는 원리이므로, 안정적이고 우수한 p형 박막 제조기술이 필수적으로 요구된다.
그러나, ZnO의 경우 성장 시 산소 결핍 또는 아연(Zn) 과다로 인해 생성되는 산소 공공 또는 침입형 아연 결함에 의해 기본적으로 전기적으로 n형 성질을 지닌 반도체로 성장하기 때문에 p형으로의 전환을 위해 질소, 인, 비소(N, P, As) 등의 V족 원소를 도핑하여 p형 캐리어의 농도를 높이는 방법 또는 제조된 ZnO 박막을 산소 분위기에서 후 열처리하는 방법에 의해 p형 ZnO를 제조하고 있다.
공개특허 제2007-30507호에는 Ⅴ족 원소가 도프된 p형 ZnO 박막을 형성하는 단계와, 상기 p형 ZnO 박막의 산소결핍에 의한 n형 성질이 보상되도록, 산소분위기에서 상기 p형 ZnO 박막을 열처리하는 단계를 포함하는 p형 ZnO 박막 제조방법이 개시되어 있다.
또한, 공개특허 제2006-24078호에는 베이스 기판 상부에 n형 ZnO 박막을 성장시키는 단계와, 상기 n형 ZnO 박막 상부에 p형 ZnO 박막을 성장시키는 단계와, 상기 p형 ZnO 박막을 열처리 하여 활성화시키는 단계와, 상기 n형 ZnO 박막과 p형 ZnO 박막 상부에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광소자 제작방법이 개시되어 있다. 상기 공개특허에서는 스퍼터링 방법을 사용하여 인(P)이 도핑된 p형 ZnO 박막을 성장시키고 있다.
공개특허 제2005-104956호에는 사파이어 기판 상에 N2O/Ar 가스를 이용한 마그네트론 스퍼터링법에 의해 ZnO 박막을 형성시키는 단계 및 상기 ZnO 박막이 형성된 사파이어 기판을 산소분위기 하에서 열처리를 수행하는 것을 단계를 포함하는 ZnO 박막의 제조방법이 개시되어 있다.
또한, 공개특허 제2007-81334호에는 ZnO 박막에 압축변형량이 인가되고, V족 원소가 깊이 방향으로 농도구배를 가지면서 도핑된 p형 ZnO 박막을 얻기 위하여, GaN 기판 위에 2종의 스퍼터링 타겟(순수한 산화아연 타겟 및 ZnO 분말에 V족 원소의 산화물을 혼합하여 제작한 타겟)의 스퍼터링 율(sputtering rate)을 조절하여, 기판 위에 증착되는 ZnO 내에서 V족 원소가 깊이방향으로 농도구배를 갖도록 도핑을 수행하는 스퍼터링에 의해 ZnO 박막을 증착하고, 열처리 공정을 통하여 정공을 활성화시킴으로써 p형 ZnO 박막을 제조하는 기술이 개시되어 있다.
공개특허 제2005-106882호에는 적층대상체 위에 ZnO을 주성분으로 하는 산화아연계 박막을 형성시키는 단계와, 상기 산화아연계 박막에 p형 도펀트용 이온을 이온주입기에 의해 주입시키는 단계와, 상기 이온 주입된 산화아연계 박막을 급속 열처리하는 단계를 포함하는 산화아연계 반도체 박막의 제조방법이 개시되어 있다.
상기한 공개특허공보에 개시된 종래기술들은 모두 p형 도펀트용 이온을 주입하거나 이를 열처리하는 공정을 포함하고 있다.
V족 원소를 도핑하는 방법은 산소부족 현상으로 ZnO가 기존에 가지고 있는 산소 공공 및 아연 침입형 결함 등의 n형 캐리어와 자체 보상(self-compensation) 효과로 인해 p형의 성질을 발현하기 어렵고, ZnO 내 도핑의 고용한도가 제한되어 있기 때문에 어느 이상의 p형 도핑은 불가능하다는 문제점을 안고 있다.
또한, 제조된 ZnO 박막을 산소 분위기에서 후 열처리하는 방법은 ZnO 제조 공정 이외에 추가 공정을 진행하여야 하는 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 기존의 금속 유기물 화학기상 증착(MOCVD)시에 유도결합 플라즈마(ICP)를 도입하여 산소 가스의 분해 활성화 및 반응을 촉진시켜 별도의 도핑없이 산소유량의 조절만으로 우수한 특성의 p형 ZnO 박막 제조 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 금속유기물 소스와 같이 고가이며 위험물로 분류되는 도핑 공정에 사용하는 별도의 V족 원소를 포함하는 도핑 소스가 불필요하므로 생산단가 및 시설비를 줄일 수 있고, 산소분위기에서 후열처리하는 추가 공정이 불필요한 p형 ZnO 박막 제조 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 금속 유기물 화학기상 증착(MOCVD)시에 유도결합 플라즈마를 도입함에 따라 공정 중 활성화된 입자들의 참여가 많아져서 막내 결함이 감소하여 박막의 결정성(crystallinity)이 향상되며, 또한 결정성이 향상됨에 따라 불필요한 가시광선 영역에서의 발광특성이 줄고 자외선영역의 광발광(PL: photoluminescence) 특성이 우수한 p형 ZnO 박막을 얻을 수 있는 p형 ZnO 박막 제조 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 결함에 의한 전기적 손실도 줄어 얻어진 p형 ZnO 박막의 비저항, 홀 이동도 및 홀 농도 등의 전기적 특성이 우수한 광출력 화합물 반도체, p형 ZnO 박막 제조 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 금속 유기물 화학기상 증착(MOCVD)장치에 유도결합 플라즈마 발생장치를 결합시킨 유도결합 플라즈마 화학기상 증착(ICP-CVD)장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반응 공간을 제공하는 챔버와; 상기 챔버의 내측에 설치되어 도입된 산소 가스를 균일하게 분사시키는 제1 가스 분사기와; 상기 챔버의 내측에 설치되어 도입된 DEZ(diethylzinc, Zn(C2H5)2) 가스를 균일하게 분사시키는 제2 가스 분사기와; 상기 제1 및 제2 가스 분사기로부터 각각 분사된 산소 가스와 DEZ 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜주는 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일을 구비한 유도결합 플라즈마 발생장치와; 상기 챔버 내부에 하측에 배치되어 상부면에 p형 ZnO 박막이 증착되는 기판을 로딩하여 지지하기 위한 기판로딩장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 p형 ZnO 박막 제조 시스템을 제공한다.
상기 시스템은, 운반 가스를 사용하여 상기 챔버 내부의 제2 가스 분사기로 DEZ 가스를 공급하는 버블러를 더 포함한다.
이 경우, 상기 제1 가스 분사기는 플라즈마 내 전자 온도가 가장 높은 핫스팟 지점에 배치되어, 산소를 플라즈마 내 핫스팟 지점으로 분사하여 산소 분해를 최적화하는 것이 바람직하다.
이를 위해 상기 핫스팟 지점은 랑뮈어 프로브(Langmuir probe)를 이용하여 검출할 수 있다.
또한, 상기 제2 가스 분사기는 ZnO 증착속도 향상을 위해 기판에 근접한 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
더욱이, 각각 상기 제1 및 제2 가스 분사기에 연결되어 산소 가스와 DEZ 가스를 공급하는 제1 및 제2 가스라인과; 상기 제1 및 제2 가스라인으로 공급되는 산소 가스와 DEZ 가스의 응축을 방지하기 위한 가열 수단을 더 포함한다.
상기 유도결합 플라즈마 발생장치의 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일에 인가되는 RF 파워는 50~300W로 설정되며, 챔버 내부의 증착온도는 200~300℃로 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 반응 챔버 내에 기판을 로딩하는 단계와; 산소 가스와 DEZ(diethylzinc, Zn(C2H5)2) 가스를 각각 독립된 제1 및 제2 가스라인을 통하여 반응 챔버 내부로 공급하는 단계와; 유도결합 플라즈마(ICP) 발생장치를 이용하여 챔버 내부로 분사된 산소 가스 및 DEZ 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜서 분해, 활성화시킴에 의해 상기 기판 위에 p형 ZnO 박막을 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마(ICP)를 이용한 p형 ZnO 박막 제조방법을 제공한다.
이 경우, 산소 가스는 챔버 내부의 핫스팟 지점으로 분사되고, 상기 DEZ 가스는 증착 속도를 향상시키기 위해 기판에 근접한 위치에서 분사되는 것이 바람직하다.
상기 유도결합 플라즈마 발생장치에 구비된 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일에 인가되는 RF 파워는 50~300W로 설정되며, 챔버 내부의 증착온도는 200~300℃로 설정되고, 상기 산소 유량의 조절에 따라 p형 ZnO 박막이 형성되며, 산소 가스의 공급 유량은 2~50sccm 범위로 설정된다.
상기 기판은 예를 들어 Si 기판을 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 기판과; 상기 기판 위에 형성되는 p 형 ZnO 막으로 이루어지며, 상기 p형 ZnO 막은 어떤 도펀트도 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 광출력 화합물 반도체가 제공된다.
상기 반도체는, 홀 농도가 1019 cm-3 이상이고, 비저항이 4,4 x 10-3Ω·cm보다 크지 않으며, 홀(hole) 이동도가 적어도 119cm2/V·s인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치는 반응 공간을 제공하는 반응 챔버와; 상기 반응 챔버의 내측에 설치되어 도입된 제1 반응 소스를 균일하게 분사시키는 제1 반응 소스 분사기와; 상기 반응 챔버의 내측에 설치되어 도입된 제2 반응 소스를 균일하게 분사시키는 제2 반응 소스 분사기와; 상기 제1 및 제2 반응 소스 분사기로부터 각각 분사된 제1 및 제2 반응 소스를 플라즈마 상태로 변화시켜주는 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일을 구비한 유도결합 플라즈마 발생장치와; 상기 반응 챔버 내부에 배치되어 제1 및 제2 반응 소스가 반응하여 형성되는 화합물이 증착되는 기판을 로딩하여 지지하기 위한 기판로딩장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 기존의 금속유기물 화학기상증착법에 유도결합 플라즈마를 도입함으로써 산소 분해의 활성화 및 반응성을 높여 산소 유량의 조절만으로 p형 ZnO 박막을 제조할 수 있다.
산소유량은 2~50sccm 범위로 설정되며, 2sccm 미만의 경우엔 ZnO 결정질 박막 형성 자체가 안되고, 50sccm를 초과하는 경우 50sccm과 거의 차이가 없다.
증착온도는 200~300℃로 설정되며, 200℃ 아래일 경우 좋은 결정성을 얻기에 무리가 있고 결정성이 뒷받침해주지 않으면 전기적 특성 및 광학적 특성을 보장할 수 없다. 또한, 300℃ 이상일 경우 이미 필요한 특성을 얻어 그 이상은 의미가 없다. 따라서 바람직한 증착온도는 200~300℃로 설정된다.
ICP 파워(power), 즉 RF 파워는 50~300W로 설정되며, 50W 미만일 경우 ICP 플라즈마(plasma)의 효과가 미미하고, 300W 이상일 때는 입자의 에너지가 과도하게 커져 효과가 아닌 증착막이 오히려 데미지를 입게 되어 증착속도도 급격히 떨어지고 표면이 많이 거칠어지게 된다.
또한, RF 파워는 산소 및 소스의 분해 및 활성화를 일으켜 증착을 원활히 진행시켜 p형 전기적 특성, 결정성 향상 및 광학적 특성 향상에 도움을 주는 요소이지만, 과할 경우 오히려 증착물에 데미지를 입히기도 하는 요소이므로 주의가 필요하다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 유도결합 플라즈마(ICP)를 금속유기물 화학기상증착(MOCVD)시에 도입하여 산소 분해의 활성화와 반응을 촉진시켜 ZnO 박막 내 산소 부족 현상을 막고 오히려 아연 공공을 발생시킴으로써 전기적으로 p형인 우수한 특성의 ZnO 박막을 형성시킨다.
또한, 본 발명에서는 광전소자에 쓰이는 p형 ZnO 박막을 별도의 도핑없이 산소유량의 조절만으로 제조하였고, 그 특성을 향상시켰다. 이는 ZnO의 광전소자 중 특히 백색 LED 광원으로의 적용 가능성을 높일 것으로 기대된다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치(ICP-CVD)를 이용한 p형 산화아연 박막 제조 시스템을 설명하기 위한 개략 구성도, 도 2는 플라즈마 내 핫스팟 지점을 찾기 위한 랑뮈어 프로브(Langmuir probe) 측정결과를 보여주는 그래프, 도 3은 박막 내 공공(vacancy)의 존재를 확인시켜주는 PL 그래프, 도 4는 XRD 결과를 나타낸 그래프, 도 5a 및 도 5b는 유도결합 플라즈마(ICP) 유·무에 따른 PL 특성 차이를 보여주는 그래프 및 ICP가 없는 경우의 PL 특성에 대한 확대 그래프이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상 증착방법을 이용한 도핑공정 없는 p형 산화아연 박막 제조 시스템은 내부 압력을 조정하기 위한 진공 장비(도시되지 않음)가 연결되어 있으며, 반응 공간, 즉 챔버(11a)를 형성하는 하우징(11)과, 상기 챔버(11a)의 내측에 설치되어 제1 반응 소스로서 산소(O2) 가스를 공급하는 제1 가스 분사기(12)와, 상기 챔버(11a)의 내측에 설치되어 제2 반응 소스로서 금속 유기물인 DEZ(diethylzinc, Zn(C2H5)2)를 균일한 분포로 분사시키는 제2 가스 분사기(14)와, 2개의 제1 및 제2 가스 분사기(12,14)로부터 각각 공급된 제1 및 제2 반응 소스를 플라즈마 상태로 변화시켜주는 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일(13)을 포함하고 있다.
또한, 상기 시스템은 챔버(11a) 내부에 배치되어 상부면에 예를 들어, Si 웨이퍼와 같은 기판(15)을 로딩하여 지지하기 위한 기판로딩장치(16)를 포함하고 있다.
상기 제1 가스 분사기(12)는 외부로부터 제1가스라인(22)에 연결되어 있으며, 제1가스라인(22)에는 산소(O2) 가스를 원하는 질량 유량으로 자동으로 조절해주는 질량유량조절기(MFC: Mass Flow Controller)(20)가 연결되어 있고, 제2 가스 분사기(14)는 챔버(11a) 외부로부터 제2가스라인(23)에 연결되어 있으며, 제2가스라인(23)에는 버블러(17)와 운반가스로 사용되는 아르곤(Ar) 가스를 원하는 질량 유량으로 자동으로 조절해주는 질량유량조절기(MFC: Mass Flow Controller)(21)가 연결되어 있다.
제2 반응 소스로 사용된 DEZ 소스의 경우, 금속 유기물 소스로 상온에서 액체상태를 유지한다. 따라서 아르곤(Ar) 가스를 운반가스로 사용하는 버블러(17)를 이용하여 DEZ 소스를 챔버(11)로 공급한다. 상기 제2 가스 분사기(14)에 도달하는 DEZ를 이동시키는 제2가스라인(23)은 소스 운반 도중 응축되는 현상을 방지하기 위해 발열테이프를 사용하여 일정 온도 이상으로 유지시키는 것이 바람직하다.
또한, 버블링 시스템을 이용하여 공급되는 DEZ 소스의 유량 안정화를 위해 챔버(11a)를 거치지 않고 제3 가스라인(24)을 통하여 바로 펌프 쪽으로 흐르도록 일단을 펌프에 연결하고 제3 가스라인(24)의 타단을 제2 가스라인(23)에 삽입된 버블러(17)의 출력에 연결하며 일정시간 동안 펌핑을 하여 유량을 안정화시킨 후 챔 버(11a)로 공급해주었다. 이러한 가스 흐름 경로를 가변하여 설정하기 위하여 제2 및 제3 가스라인(23,24)에는 다수의 밸브가 설치되어 있으나 이는 주지된 기술이므로 생략하였다.
금속 유기물인 DEZ 소스를 분사하는 제2 가스 분사기(14)는 열적으로 분해가 잘 되는 소스이므로 기판(15)과의 거리를 가깝게 조절하여 ZnO 박막의 증착속도를 높이고, 산소 가스를 분사하는 제1 가스 분사기(12)는 산소의 분해와 활성화를 촉진시키기 위해 플라즈마 내 전자 온도가 가장 높은 핫스팟(hot spot) 지점에 분사하도록 위치하였다.
도 2는 플라즈마 내 핫스팟 지점을 찾기 위해 랑뮈어 프로브(Langmuir probe)(18)를 이용한 SLP(Single Langmuir Probe) 장치(19)에 의해 챔버 내부에서 제1 가스 분사기(12)를 기준으로 전자 온도를 측정한 결과를 보여주는 그래프로서, 분사기(12)의 1cm 하측의 온도가 분사기(12)의 3cm 상측 및 기판(15)의 3cm 상측 보다 더 높은 것을 알 수 있다.
도 2의 측정결과에 따라 산소 가스의 분해와 활성화 촉진을 위한 조치로 반응가스인 산소를 플라즈마 내 전자 온도가 가장 높은 핫스팟 지점에 분사되도록 하기 위하여 제1 가스 분사기(12)를 RFI 코일(13) 상측의 적절한 위치에 설치하였다.
이하에 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 p형 산화아연 박막 제조 시스템의 동작을 설명한다.
본 발명에 따른 p형 산화아연 박막 제조 시스템은 도 1과 같이 화학적 기상증착(CVD) 장치에 유도결합 플라즈마(ICP) 발생장치, 즉 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일(13)을 삽입한 구조를 가지고 있다.
챔버(11) 중앙에 위치한 RFI 코일(13) 상부에 설치된 제1 가스 분사기(12)에서는 제1 반응 소스인 산소 가스가 균일한 분포로 분사되고, RFI 코일(13)의 아래쪽에 설치된 제2 가스 분사기(14)에서는 제2 반응 소스로서 금속유기물 소스인 DEZ(diethyzinc)가 분사된다.
반응소스로 사용된 DEZ 소스의 경우, 금속유기물 소스로 상온에서 액체 상태를 유지하므로, 아르곤(Ar) 가스를 운반가스로 하는 버블러(bubbler)(17)를 이용하여 챔버(11)로 공급한다.
DEZ는 상온에서의 증기압이 높고 열분해가 잘되는 물질로 산소 가스처럼 분해도를 높이기 위해 플라즈마의 핫스팟 지점에 분사시킬 필요는 없다. 오히려 도 1과 같이 코일(13) 밑부분에 설치하여 기판(15)과 근접한 거리에서 분사시킴으로써 박막의 증착 속도를 460Å/min 정도까지 크게 향상시켰다.
또한, 버블링 시스템을 이용하여 공급되는 DEZ 소스의 유량 안정화를 위해 챔버(11a)를 거치지 않고 제3 가스라인(24)을 통하여 바로 펌프 쪽으로 흐르도록 설정한 후, 일정시간 동안 펌핑을 하여 유량을 안정화시킨 후 챔버(11a)로 공급해주도록 하였다.
상기 챔버(11)의 초기 진공은 ~10-6 Torr, 증착 중의 압력은 120mTorr, 증착 온도는 200~300℃로 하였다. 그리고, 산소 가스 유량은 2~50sccm, 유도결합 플라즈마(ICP) 파워는 50~300W로 변화를 주었다.
시료 제작
시료 제작시 공정 조건은 기판은 Si(100)을 사용하였고, 유도결합플라즈마(ICP) 발생을 위해 13.56MHZ의 RF를 RFI 코일에 인가하였다. 기판 온도는 300℃, 공정압력은 120mTorr로 고정하고, RF 파워는 150W, 산소유량은 20sccm로 하여 제1 및 제2 가스 분사기(12,14)를 통하여 O2와 DEZ(diethylzinc, Zn(C2H5)2) 가스를 챔버(11a)로 흘려 기판(15) 위에 ZnO를 형성하였다.
그 결과, O2와 DEZ 가스가 챔버 내부로 도입되면 반응 소스(O2와 DEZ 가스)가 플라즈마 상태로 변화되며, 즉 금속유기물 소스인 DEZ에 열을 가함에 따라 분해되어 에틸기(-C2H5)가 떨어져나가고 Zn 소스가 공급된다. DEZ의 Zn 소스는 O 소스와 반응하여 기판(15) 위에 ZnO를 형성된다.
얻어진 ZnO 박막의 PL 특성을 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3은 본 발명에 사용된 유도결합플라즈마(ICP)를 도입한 화학기상증착(CVD) 방법으로 제조한 ZnO의 PL 분석결과 그래프이다. 그래프의 오른쪽 원안에 표시된 부분이 아연(Zn) 공공의 피크(VZn)이다. 이는 기존의 도핑없이 제조된 n형의 ZnO에서는 볼 수 없었던 결과로 산소(O) 공공의 피크(VO)보다 더 큰 값을 보이고 있다. 이는 본 발명에서 제조된 ZnO가 p형의 전기적 성질을 가지게 되는 요인으로 볼 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 p형 산화아연 박막 제조 시스템은 2개의 반응 소스 분사기를 구비한 화학기상 증착장치에 챔버 내에 각각 공급된 반응 소스를 플라즈마 상태로 변화시켜주기 위한 RFI 코일을 구비하는 유도결합 플라즈마(ICP) 발생장치를 결합하여 이루어진 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치(ICP-CVD)를 사용하여 구현되었다.
유도결합 플라즈마(ICP)는 기존의 DC, RF 플라즈마가 109cm-3 의 플라즈마 밀도를 보이는데 비해 1011cm-3의 높은 값을 보이는 고밀도 플라즈마로 분해가 어려운 소스, 예를 들면 TiCl4, BCl3 가스 등의 분해에도 탁월한 효과를 보인다. 따라서, ICP 장치는 화학기상 증착장치(CVD)에 결합할 때 산소 가스 분해 및 활성화에 큰 효과를 주어 ZnO 막 내 산소 부족현상을 방지하고 오히려 아연 공공을 발생시켜 p형의 전기적 특성을 띠게 하는 역할을 한다.
이러한 새로운 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치(ICP-CVD)를 사용하면, 통상적인 금속유기물 화학기상 증착시에 유도결합 플라즈마를 도입함으로써 산소 분해의 활성화 및 반응성을 높여 별도의 도핑공정 없이 산소 유량의 조절만으로 p형 ZnO 박막을 제조하는 것이 가능하게 됨을 알 수 있다.
일반적으로 만들어지는 ZnO의 경우 산소 결핍 또는 아연 과다로 인해 산소 공공 또는 침입형 아연 결함이 형성되어 이들이 의해 기본적으로 n형의 전기적 특성을 띠게 된다. 따라서 p형 특성으로 전환시키기 위해 질소, 인, 아세닉(N, P, As) 등의 원소를 도핑하여 이를 실현시키고 있다.
그러나, 본 발명에서는 유도결합 플라즈마(ICP)를 통해 산소 가스의 분해를 높이고 활성화시키고 반응성을 향상시켜 막내 산소의 결핍을 막고 더 나아가 아연 결핍을 유발시켜 아연 공공을 형성하여(도 3 참조), 전기적으로 p형 성질을 구현하고 향상시켰다.
본 발명에 따라 제조한 p형 ZnO 박막의 특성을 설명하면 다음과 같다.
1) 결정성
도 4에 나타낸 XRD 분석 결과 그래프를 보면 2Θ=34.4도인 지점에서 강한 피크가 확인된다. 이는 ZnO의 (002)면으로 우선방위가 형성된 것으로 해석할 수 있다. 유도결합 플라즈마(ICP)를 이용하여 반응 소스들이 활성화되어 반응이 촉진된 결과, 결정성이 우수한 ZnO 박막이 생성되었다. 이는 ZnO (002)면이 가장 안정적이고 우수한 결정성을 나타낸다는 기존의 보고와 일치한다.
2) 광발광(PL: Photoluminescence)
광소자에 쓰이는 ZnO의 가장 기본적인 필수요건 중에 하나가 PL 특성이다.
도 5a는 본 발명의 유도결합 플라즈마(ICP)를 도입하여 증착한 ZnO와 기존의 MOCVD로 증착한 ICP가 도입되지 않은 ZnO의 PL 특성을 비교한 것이고, 도 5b에 도시된 그래프는 도 5a의 그래프에서 ICP를 도입하지 않은 종래 ZnO의 PL 특성을 100배 확대한 것이다. 본 발명의 ZnO는 도 3의 PL 특성 측정을 위해 제작된 ZnO 시료와 RF 파워를 제외하고는 크게 다르지 않은 공정 조건을 사용하여 ZnO 시료를 제작하고, PL 특성을 측정하여 도 5a에 나타내었다.
도 5a 및 도 5b의 PL 특성을 참고하면, 기존 MOCVD로 증착한 ZnO에 비하여, 유도결합 플라즈마(ICP)를 사용함으로써 PL 특성이 큰 폭으로 향상된 것을 확인하 였다.
광전소자에 쓰이는 ZnO의 광학적 특성은 도 5에 보이는 자외선 영역에서의 피크의 강도로 발광특성의 우수성이 평가된다. 기존 다른 방법으로도 우수한 특성이 관찰되기도 하지만 많은 경우 자외선 영역이 아닌 불필요한 가시광선 영역대에서 발광특성을 보인다.
3) 전기적 특성
홀(Hall) 분석 및 4-point 프로브 측정 결과 본 발명에서 제조된 ZnO는 p형의 전기적 성질을 띠며 그 수치는 비저항이 4,4 x 10-3Ω·cm, 홀(hole) 이동도가 119cm2/V·s, 홀 농도가1.2 x 1019 cm- 3 의 우수한 성질을 나타내었다.
일반적으로 p형 ZnO는 제조하기 어려울 뿐만 아니라 GaN에 비해 그 특성 또한 크게 우수하지 않다. 제조 방법에 상관없이 지금까지 보고된 p형 ZnO의 전기적 특성은 홀 농도가 ~1018cm-3, 홀 이동도 수~수십 cm2/V·s, 비저항은 ~10-1Ω·cm 가 한계치이다. 그러나 본 발명에서 제조된 p형 ZnO은 상기한 바와 같이 홀 농도, 홀 이동도가 10~100배 향상되어 4,4 x 10-3Ω·cm의 비저항을 얻어 광전소자 제작 시 큰 효율이 기대된다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 도핑없이 유도결합 플라즈마의 도입으로 산소유량의 조절만으로 p형 ZnO를 제조할 경우 도핑 공정에 사용하는 별도의 V족 원소를 포함하는 소스(화학기상증착법의 경우 도핑 소스가 대부분 금속유기물 소스로 고가일 뿐 아니라 위험물로 분류되어져 사용에 큰 주의가 요구된다.)가 불필요하므로 생산단가 및 시설비 또한 줄일 수 있는 이점을 가진다. 또한 산소분위기에서 후열처리하는 추가공정 또한 불필요해진다.
또한, 유도결합 플라즈마를 도입하면 공정 중 활성화된 입자들의 참여가 많아지므로 막내 결함이 감소하고 그에 따라 결정성도 향상되는 것을 확인하였다. 더욱이, 결함이 줄고 결정성이 향상되면 불필요한 가시광선 영역에서의 발광특성이 줄고 자외선영역의 발광특성이 우수해지며, 또한 결함에 의한 전기적 손실도 줄어 전기적 특성 향상에도 큰 이득이 있는 것을 확인하였다.
발광다이오드 제작
본 발명의 p형 ZnO 박막을 구비한 발광다이오드(LED)는 당업자에게 알려진 방법에 의하여 제조될 수 있으며, 본 발명에 기재된 p형 ZnO 박막을 구비하는 한 특정한 구조, 특정한 제조방법에 의한 것에 한정하지 않는다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 유도결합 플라즈마(ICP)를 금속유기물 화학기상증착법(MOCVD)에 도입하여 광전소자에 쓰이는 p형 ZnO 박막을 별도의 도핑없이 산소유량의 조절만으로 특성이 우수한 p형 ZnO 박막을 제조하는 데 적용할 수 있 다. 또한, 상기 제조공정을 통하여 얻어진 p형 ZnO 박막은 ZnO의 광전소자 중 특히 백색 LED 광원으로 적용된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치(ICP-CVD)를 이용한 p형 산화아연 박막 제조 시스템을 설명하기 위한 개략 구성도,
도 2는 플라즈마 내 핫스팟 지점을 찾기 위한 랑뮈어 프로브(Langmuir probe) 측정결과를 보여주는 그래프,
도 3은 박막 내 Zn 공공의 존재를 확인시켜주는 PL 그래프,
도 4는 XRD 결과를 나타낸 그래프,
도 5a 및 도 5b는 유도결합 플라즈마(ICP) 유·무에 따른 PL 특성 차이를 보여주는 그래프 및 ICP가 없는 경우의 PL 특성에 대한 확대 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
11: 챔버 12: 제1 가스 분사기
13: RFI 코일 14: 제2 가스 분사기
15: 기판 16: 기판로딩장치
17: 버블러 18: 랑뮈어 프로브

Claims (17)

  1. 반응 공간을 제공하는 챔버와;
    상기 챔버의 내측에 설치되어, 챔버안으로 도입되는 산소 가스를 균일하게 분사시키는 제1 가스 분사기와;
    상기 챔버의 내측의 상기 제1 가스 분사기의 하측에 설치되어, 챔버안으로 도입되는 DEZ(diethylzinc, Zn(C2H5)2) 가스를 균일하게 분사시키는 제2 가스 분사기와;
    상기 챔버의 내측의 상기 제1 및 제2 가스 분사기 사이에 설치되어, 상기 제1 및 제2 가스 분사기로부터 각각 분사된 상기 산소 가스 및 DEZ 가스를 플라즈마 상태로 변화시키기 위한 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일을 구비한 유도결합 플라즈마 발생장치와;
    상기 챔버 내부의 하측에 배치되어 상부면에 p형 ZnO 박막이 증착되는 기판을 로딩하여 지지하기 위한 기판 로딩장치를 포함하며,
    상기 제1 가스 분사기는 플라즈마 내의 전자 온도가 가장 높은 핫스팟 지점에 배치되도록 상기 RFI 코일의 상측에 위치시켜 산소의 분해 활성화를 최적화하는 것을 특징으로 하는 p형 ZnO 박막 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 운반 가스를 사용하여 상기 챔버 내부의 제2 가스 분사기로 DEZ 가스를 공급하는 버블러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 p형 ZnO 박막 제조 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 핫스팟 지점은 랑뮈어 프로브(Langmuir probe)를 이용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 p형 ZnO 박막 제조 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스 분사기에 각각 연결되어 산소 가스와 DEZ 가스를 공급하는 제1 및 제2 가스라인과;
    상기 제1 및 제2 가스라인으로 공급되는 산소 가스와 DEZ 가스의 응축을 방지하기 위한 가열 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 p형 ZnO 박막 제조 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 RFI 코일에 인가되는 RF 파워는 50~300W로 설정되며, 챔버 내부의 증착온도는 200~300℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 p형 ZnO 박막 제조 시스템.
  8. 반응 챔버 내에 기판을 로딩하는 단계와;
    상기 챔버의 내측에 설치되어 챔버안으로 도입되는 산소 가스를 균일하게 분사시키는 제1 가스 분사기와 상기 챔버의 내측의 상기 제1 가스 분사기의 하측에 설치되어 챔버안으로 도입되는 DEZ(diethylzinc, Zn(C2H5)2) 가스를 균일하게 분사시키는 제2 가스 분사기를 통하여 각각 산소 가스와 DEZ(diethylzinc, Zn(C2H5)2)가스를 상기 반응 챔버 내로 공급하는 단계와;
    상기 챔버의 내측의 상기 제1 및 제2 가스 분사기 사이에 설치되어, 상기 제1 및 제2 가스 분사기로부터 각각 분사된 상기 산소 가스 및 DEZ 가스를 플라즈마 상태로 변화시키기 위한 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일을 구비한 유도결합 플라즈마(ICP) 발생장치를 이용하여 상기 챔버 내로 분사된 상기 산소 가스와 DEZ 가스를 플라즈마 상태로 변화시켜 상기 기판 위에 p형 ZnO 박막을 증착시키는 단계를 포함하며,
    상기 제1 가스 분사기에서 분사되는 산소 가스는 플라즈마 내의 전자 온도가 가장 높은 핫스팟 지점으로 공급되어 산소의 분해 활성화를 최적화하는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마(ICP)를 이용한 p형 ZnO 박막 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 상기 유도결합 플라즈마 발생장치에 구비된 RFI(radio frequency inductively coupled) 코일에 인가되는 RF 파워는 50~300W로 설정되며, 챔버 내부의 증착온도는 200~300℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 ICP를 이용한 p형 ZnO 박막 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 산소 유량의 조절에 따라 p형 ZnO 박막이 형성되며, 산소 가스의 공급 유량은 2~50sccm 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 ICP를 이용한 p형 ZnO 박막 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 기판은 Si 기판인 것을 특징으로 하는 ICP를 이용한 p형 ZnO 박막 제조방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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