p/n PbSe 다이오드의 제조 및 전기적 특성 평가
Fabrication and Electrical Characterization of p/n PbSe Diodes
Article information
Trans Abstract
Lead selenide (PbSe) diodes were fabricated using a magnetron sputtering process system with a pulsed DC power supply and a 2-inch PbSe target with a purity of 5N. For p-type PbSe thin films, the process variable was the oxygen ratio in the mixed gas of argon and oxygen. The electrical characteristics of the thin films were observed after heat treatment. For the n-type PbSe, nickel (Ni) was used as a doping material. The deposition and doping were performed simultaneously using a co-sputtering method. During co-sputtering, the input power of the Ni sputter gun was adjusted as a process variable. Hall measurement experiments were performed to measure the doping concentration and resistivity of both the p-type and n-type PbSe semiconducting films. The maximum doping concentration was 2.33×1019 cm-3 for p-type PbSe and 7.55×1020 cm-3 for n-type PbSe thin films, respectively. The p-n junction IV curve showed that the lowest forward voltage generation point, Vf, was 1.5 V and the reverse breakdown voltage was -4.3 V. In the photocurrent measurement, the photo sensitivities of the heat-treated samples were higher than that of the non-treated sample, and the maximum value was 5.148. Photo responsivity was also higher in the heat-treated samples. Its maximum was 0.7306 mA / W.
1. 서 론
PbSe는 NaCl 형태의 면심 입방 구조를 이루는 칼코게나이드 계열의 IV-VI족 화합물 반도체이다. 상온에서 벌크 상태일 때 0.27 eV의 좁은 밴드갭 에너지를 가지고 있으며, 1.5 ~ 5.2 μm 범위의 중적외선 영역에서 높은 적외선 검출력을 가지고 있다. 또한 높은 캐리어 이동도, 높은 유전 상수를 가지고 있다. 이러한 특성을 바탕으로 PbSe는 중적외선 영역에서 적외선 검출기, 레이저 다이오드, 이미지 센서 장치, 열전 냉각기, 광전지, FET 등으로 응용되고 있다. PbSe의 적외선 검출 원리는 광자가 입사할 때 다결정 박막의 전도도 변화에 기초한다. 입사된 광자는 PbSe의 내부에 흡수되어 원자가 밴드에서 전도 밴드로 전자를 이동시키는 원리이다[1-5].
대부분의 응용분야에서 PbSe는 박막 형태로 사용되어진다. 오늘날 여러가지 증착 기술을 통하여 박막을 제작하는데, 대표적인 증착 기술로는 Electrochemical deposition, Chemical Bath Deposition(CBD), Atomic Layer Deposition(ALD), Molecular Beam Epitaxy(MBE), Thermal Evaporation, Pulse Laser Deposition(PLD)과 Magnetron Sputtering Deposition 등이 있다[6,7]. 이러한 증착 기술 중 Magnetron Sputtering 기술의 경우 균일하고 높은 결정성을 얻을 수 있고, 양호한 접착성, 오염이 없어 고품질의 필름을 생산할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Magnetron Sputtering 기술을 이용하여 PbSe 반도체 박막을 증착하였다.
PbSe의 경우 Pb와 Se의 비율에 따라서 p형과 n형이 결정될 수 있다. PbSe 박막에서 Pb의 비율이 높으면 p형, Se의 비율이 높으면 n형의 특성을 가지게 된다. 일반적으로 p형 PbSe 박막의 제작을 위해서 n형의 PbSe를 산소 분위기 하에서 열처리하여 p형으로 전환하는 방식이 사용된다[8]. 그러나 Magnetron Sputtering법을 사용해 증착된 PbSe 박막의 경우 입력 전력, 증착 가스에 따른 캐리어 농도 차이는 존재하지만 대부분 p형의 특성을 가진다[9]. 따라서 n형의 특성을 가지게 하기 위해서는 p형에서 n형으로의 전환이 이루어져야 되는데, 대표적으로 두 가지 방법이 사용되어지고 있다. 첫번째 방법으로는 p형의 PbSe를 요오드(Iodine) 분위기에서 열처리하여 표면을 n형으로 전환시키는 방법이 있다[10]. 그러나 이 방법은 도핑 깊이를 컨트롤하기 힘들다는 단점이 있다. Y. Hao 등의 연구에 따르면 요오드 분위기 하에서 열처리한 n형 PbSe 박막의 경우 1.5×1011 cm-3 정도의 캐리어 농도를 가지고 있는 것으로 연구되었다[11]. 이에 따라 본 연구에서는 고농도의 n형 PbSe 박막의 제작을 위해 또 다른 방법인 PbSe 박막에 n형 도펀트를 직접 도핑하는 방법을 사용하였다.
PbSe 박막의 대표적 n형 도펀트 재료들로는 V, Cr, Nb, Mo, La, Ti, Cu 그리고 Ni 등이 있다[12,13]. 또한, PbSe 박막의 도핑 방법으로는 현재 Melting, Hand milling, Hot pressing 등의 방법이 사용되어지고 있다[14]. 그러나 이런 도핑 방법에는 도핑 농도 조절의 어려움과 시간이 오래 소요되는 단점들이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 위의 방법들과 구별되며, PbSe 증착과 n형 도핑을 동시에 하기위해서 Co-Sputtering 기술을 적용하였다. 비슷한 예시로 Co-Sputtering 방법으로 PbS 박막을 증착한 연구 결과도 보고되어 있다[15]. 그 논문에 따르면 그 기술은 PbS 타겟에 Cu 조각을 붙여 하나의 스퍼터 건으로 PbS와 Cu을 동시에 증착하여 Cu의 도핑 농도를 독립적으로 조절하는데 한계를 가졌다. 이 논문은 도핑 소재로 Nickel (Ni) 타겟을 별도의 스퍼터 건에 장착하여 독립적 스퍼터링 방법을 사용하였다. 즉, Co-sputtering시 PbSe 스퍼터 건의 입력 전력을 고정한 후, 별도의 Ni 스퍼터 건의 입력 전력을 공정 변수로 하였다는 것을 특징으로 한다.
2. 실험 방법
2.1 PbSe 박막의 증착 장비
PbSe 박막 증착을 위해 Magnetron Sputtering 시스템을 사용하였다. Co-Sputtering을 위해 두개의 스퍼터 건을 설치하였고, 각 스퍼터 건의 전원공급기로는 두 개의 펄스 DC 전원 공급기들을 독립적으로 사용하였다. 타겟으로는 순도 99.999% (5N)의 2인치 PbSe 타겟과 Ni 타겟을 사용하였다. 이 때 사용한 공정 가스는 아르곤(5N)과 산소(5N)을 사용하였다. 각 가스들의 유량을 조절하기 위해 Mass Flow Controller(MFC)를 사용하였다. 다음 그림 1은 Magnetron Sputtering 시스템의 모식도이다.
Magnetron Co-Sputtering System 모식도
2.2 p/n-PbSe 박막의 제조
p형 PbSe 박막의 경우 공정 압력과 스퍼터 건의 입력 전력을 고정한 후, 아르곤과 산소 혼합 가스들의 산소 비율을 공정 변수로 설정하여, 그 값을 0 ~ 10 %로 변화시켰다. n형 PbSe 박막의 경우는 공정 가스와 공정 압력을 고정한 후, Ni 스퍼터 건의 펄스 직류 입력 전력을 20 ~ 100W으로 변화시키며 증착을 수행하였다. 이 때 전력 변화는 입력 전압 값을 변경하여 얻을 수 있었다. 마지막으로 p-n 접합 PbSe 다이오드 제조의 경우에는, 먼저 n형 PbSe를 증착 시킨 후, p형 PbSe 박막을 연속적으로 증착하였다. 그 후 400 °C에서 2시간 동안 열처리를 진행하였다. 다음 표 1은 p형 PbSe 박막의 공정 조건표, 표 2는 n형 PbSe 박막의 공정 조건표, 표 3은 p-n 접합 PbSe 다이오드의 공정조건표이다.
p형 PbSe 공정조건표
n형 PbSe 공정조건표
p-n 접합 PbSe 공정조건표
2-3. p/n PbSe 박막의 전기적 특성분석
증착이 완료된 p형과 n형 PbSe 박막은 먼저 홀 효과 (Hall effect) 측정 실험을 수행하였다. 캐리어 농도 및 캐리어 이동도, 비저항 측정을 위해 샘플의 네 가장자리에 인듐 전극을 증착한 후 Ohmic Contact 형성을 위해 200 °C에서 3분간 열처리를 진행하였다.
p-n 접합 PbSe 다이오드의 경우 다이오드 특성 분석을 위해 I-V 커브 측정을 수행하였다. 측정시 전압 범위는 -5 ~ 5 V 사이로 하였으며, p형 PbSe 영역과 n형 PbSe 영역에 이온 코팅을 통해 각각 Au 전극을 증착한 뒤, Ohmic Contact 형성을 위해 150 °C에서 10분간 열처리를 수행하였다.
p형 PbSe 박막의 경우 혼합 가스의 산소 비율과 열처리에 따른 광 효율 분석을 위해 광 전류 측정 실험을 수행하였다. 사용 광원은 940 nm 적외선 LED이며, 광 전압(optical power)은 1.15 mW/cm2 이었다. 광 전류 측정을 위해 아래 그림 2과 같이 Au 전극을 코팅하였으며, Ohmic Contact 형성을 위해 p-n 접합 다이오드와 마찬가지로 150 °C에서 10분간 열처리를 수행하였다.
P형 PbSe 박막 광 전류 측정 개략도
2.4. p/n PbSe 접합 다이오드 제작
그림 3에 p-n 접합 PbSe 다이오드 제조과정을 정리하였다. 먼저, 석영 기판을 10×10 mm2 정사각형으로 준비하였다. 그 후 그 기판을 초음파 세척을 한 뒤, 그 위에 n형 PbSe 박막과 p형 PbSe 박막을 순서대로 증착 하였다. p-n 접합을 위해 400 °C에서 2시간 동안 열처리를 수행하였다[16]. 그 다음, I-V 커브 특성 분석을 위해 Au 전극을 이온 코팅을 통하여 증착 하였고, 마지막으로 Ohmic Contact 형성을 위해 150 °C에서 10분간 열처리하였다.
p-n 접합 PbSe 다이오드 제작 개략도
3. 결과 및 고찰
3.1 PbSe 박막의 증착 특성
PbSe 박막의 증착 특성을 분석하기 위해 Alpha-step 장비를 사용하여 박막의 증착 속도 및 박막의 거칠기를 측정하였다. 그림 4는 산소 함량에 따른 p형 PbSe 박막의 증착률 그래프이다. 일반적으로 O2 가스를 반응기 내로 유입할 때, 스퍼터링 플라즈마 강도는 약해지고, 타겟 물질의 스퍼터링 증착 수율을 감소시킨다고 알려져 있다[17]. 그 내용을 참고하여 그림 4 그래프를 살펴보면, 산소 함량을 0 ~ 10%로 증가하면, PbSe 증착률이 점진적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 그림 5는 산소 함량에 따른 스터퍼링 플라즈마의 색온도 변화 그래프이다. 광발광분석 (Optical Emission Spectroscopy) 분석을 통해 색온도 변화를 관찰하였는데, 산소 함량이 증가할수록 플라즈마 색온도가 감소하였다. 즉, Ar/O2 스퍼터링 플라즈마에서 산소 함량이 증가할수록 플라즈마 색온도는 낮아졌고, PbSb 박막 증착률 역시 함께 감소한다는 것을 확인하였다[18,19].
p형 PbSe 박막의 증착률
산소 함량에 따른 플라즈마 색온도
그림 6은 n형 PbSe 박막 증착 공정 중 Ni 스퍼터 건 입력 전력에 따른 증착률 변화 그래프이다. 증착률 변화를 살펴보면, Ni 스퍼터 건의 입력 전력에 따라 PbSe의 증착 속도가 감소하는 추세를 보이고 있다. 이는 Ni 스퍼터 건의 입력 전력 증가로 인해 Co-Sputtering 플라즈마 방전 시 PbSe와 Ni 스터퍼 건에서 방출된 전자기장들이 서로 간섭하여, PbSe 건에서 방출하는 전자기장을 감소시켰으며, 결국 그것이 PbSe 증착률 감소 원인으로 연결된다고 판단된다[20].
n형 PbSe 박막의 증착률 그래프
3.2 홀 효과 특성
전기적 특성 중 캐리어 농도와 비저항 측정을 위해 홀 효과 측정을 수행하였다. p형 PbSe의 경우 혼합가스에서 산소 비율과 열처리 효과, n형 PbSe의 경우 Ni 스퍼터 건의 입력 전력에 따른 비저항, 홀 계수, 캐리어 농도, 캐리어 이동도를 각각 분석하였다. 홀 효과 측정 시료는 5×5 mm2의 정사각형으로 준비하였으며, 4개의 가장자리에 인듐 전극을 코팅하였다.
그림 7(a)~(d)들은 p형 PbSe 스퍼터링에서 Ar/O2 혼합 가스의 산소 비율과 400 °C, 2시간의 열처리 이후 홀 효과 분석 그래프들이다. 혼합 가스의 산소 비율은 0~10% 까지 이었다. 열처리는 대기 분위기에서 수행하였다. 그림 7(a) 그래프를 살펴보면 p-PbSe 비저항의 경우 혼합 가스의 산소 비율이 5% 부근에서 확연하게 증가하는 경향을 보여준다. 이는 O2 반응성 스퍼터링의 결과, 산소 비율의 증가에 따라 박막 조성 비율에서 높은 비저항을 가지는 PbSeO3와 PbO1.44 산화막의 비율이 증가함에 따른 결과로 예상되어 진다[21]. 열처리한 시료의 경우, Ar/O2 혼합 플라즈마에서 산소 비율이 7.5%이면 비저항이 430.2 ohm·cm에서 120 ohm·cm로, 또 10%의 경우 2,064 ohm·cm에서 645.7 ohm·cm로 급격히 감소하는 경향을 보였는데, 이는 PbSe 벌크층 내 결함 제거에 인한 요인으로 사료된다[22,23]. 그림 7 (b)와 (c)는 홀 계수와 홀 캐리어 농도 그래프이다. 두 개의 그래프를 보면 홀 계수와 캐리어 농도는 상온에서 400 °C까지의 2시간동안 열처리에 크게 영향을 받지 않았지만, Ar/O2 혼합 플라즈마 스퍼터링 공정에서, 산소를 상당 비율 주입하면 증착된 p-PbSe 홀 계수는 증가하지만 홀 농도는 크게 감소한다는 것을 확실히 확인할 수 있었다. 먼저, 혼합 가스의 산소 비율이 2.5% 까지는 반응성 스퍼터링이 일어나지 않았다. 그러나 비저항과 마찬가지로 산소의 비율이 5% 이상이 되면, p-PbSe의 캐리어 농도가 매우 급격하게 감소하고, 이에 반비례하여 홀 이동도는 증가하는 경향을 볼 수 있었다. 일반적인 PbSb의 경우, 캐리어 농도 감소 원인으로는 Pb와 Se의 비율에 따라 p형과 n형으로 나뉘는데, Pb 원소의 비율이 높을 때 p형의 특성을 가진다. 그러나 이 실험을 통해 중요하게 생각되는 것은, Ar/O2 반응성 혼합 가스 플라즈마 스퍼터링에서는 p형 캐리어 농도를 결정 짓는 Pb 원소가 PbO1.44 산화막 형성에 사용되면서 PbSe 박막에서Pb 조성비가 감소하여p형 캐리어 농도 감소가 큰 폭으로 일어날 수 있다는 것이다. 이는 종래의 다른 p-PbSe 박막 제조 기술보다 p-PbSe의 p형 캐리어 농도를 더욱 자유롭고 더 넓은 범위에서 조절할 수 있게 하는 매우 중요한 기술로 판단된다[24-27].캐리어 이동도의 경우는 수식 (1)과 같이 캐리어 농도와 비저항에 반비례하는 것을 알 수 있다. 그림 7(d)의 p-PbSe 홀 이동도 그래프 역시, 그림 7(c) 캐리어 농도 그래프에 반비례하는 경향을 보여준다[28].
p형 PbSe 홀 효과 측정 그래프 (a) 비저항, (b) 홀 계수 (c) 캐리어 농도 (d) 캐리어 이동도
q = 전하량, p0 = 캐리어 농도, ρ = 비저항
추가로 캐리어 농도와 비저항에 밀접한 관련을 갖는 O2 반응성 스퍼터링에 인한 산화막 형성과 박막에서 산소의 함유량을 분석하기 위해 EDS 분석을 수행하였다. 그림 8은 Ar/O2 혼합 플라즈마에서 산소 비율에 따른 p-PbSe 박막 내부의 O2 비율을 중량 퍼센트로 나타낸 그래프이다. 이 그래프를 보면, Ar/O2 플라즈마의 산소 비율이 0에서 10%로 증가하였을 때, 증착된 p-PbSe 박막 내부의 산소의 비율이 약 15.78%에서 28.02%로 증가하였음을 알 수 있다.
Ar/O2혼합 플라즈마의 산소 비율에 따른 p-PbSe박막의O2 중량 퍼센트
n형 PbSe 박막의 경우 Ni 스퍼터 건의 입력 전력을 20 ~ 100 W까지로 하여 전기적 특성 변화 결과를 분석하였다. 그림 9(a)~(d)는 n형 PbSe 박막의 홀 효과 측정 그래프이다. Ni 스퍼터 건의 입력 전력이 20 W에서 100 W로 증가할 때 비저항과 홀 계수는 감소하였다 (그림 9(a)~(b)). 그러나 동일한 조건에서, 캐리어 농도는 최소 7.918×1019 cm-3에서 7.551×1020 cm-3로 거의 선형적으로 약 10배 정도 증가하는 것을 알 수 있었다 (그림 9(c)). 일반적인 스퍼터 공정에서는 입력 전력이 높을 시 증착률이 증가하는 특성을 가지고 있다. 따라서 Ni 스터터 건의 입력 전력의 상승으로 인해 전체 박막에서 Ni 원자의 양이 증가한 결과로 판단된다. 그림 9(c)를 참고하면 이 실험에서 제작한 n-PbSe 박막들의 Ni 원자량과 캐리어 농도가 역시 비례함을 알 수 있다. 구체적인 수치들을 보았을 때, Ni 원자량에 따른 캐리어 농도 값들이 함께 증가하는 비례관계를 가지는 것을 확인하였다. 이를 볼 때, Ni 원자는 n형 PbSe 박막의 도펀트로 작용한다는 결론을 얻을 수 있었다. 캐리어 이동도는 앞서 언급한 내용과 같이 캐리어 농도와 비저항에 반비례하는 관계였지만, 그 값의 변화는 최대 약 7.13 cm·V/s에서 최소 약 2.25 cm·V/s으로 상대적으로 적었다. (그림 9(d)).
Ni 타겟co-sputtering에 의한 n형 PbSe 홀 효과 측정 그래프 (a) 비저항, (b) 홀 계수 (c) 캐리어 농도 (d) 캐리어 이동도
3.3 p-n 접합 PbSe 다이오드 I-V 커브 특성
p-n 접합 PbSe 다이오드는 n형 PbSe 박막에 공정 변수를 두어 제작하였다. 이때 공정 변수는 Ni 스퍼터 건의 입력 전력을 조절하였다. 그림 10은 p-n 접합 PbSe 다이오드의 I-V 커브이며, n형 PbSe 박막 증착 공정에서 Ni 스퍼터 건의 입력 전력이 각각 20, 60, 100 W 일 때의 그래프이다. 홀 측정을 통해 확인한 도핑 농도에 따르면 p형 PbSe 박막의 경우는 2.33×1019 cm-3, n형 PbSe 박막의 것은 Ni 스퍼터 건의 입력 전력 상승에 따라 7.918×1019 cm-3에서 7.551×1020 cm-3으로 증가함을 앞의 그림 9를 통해 알 수 있었다. 아래 I-V 커브 그래프를 분석하면 n형 PbSe 박막 증착시 인가한 전력이 증가함에 따라 (즉, n형 도핑 농도가 상승함에 따라) 순방향 전압 (Forward Voltage) Vf 값이 적어지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 도핑 농도가 상승에 인해 p-n 간의 전하 농도 차이가 감소하게 되고 전하의 이동이 활발하게 되어, 순방향 전압 발생 지점인 Vf 값이 낮아지는 것으로 판단된다[26]. 또한 그래프에서 역방향에서 항복 전압이 발생하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 제너 항복이 발생한 것으로 예상된다. 제너 항복은 도핑농도가 높을 때 발생하며, 높은 도핑 농도로 인해 전도대(Ec)와 원자가대(Ev)의 경사가 가팔라지며 터널링 효과로 인해 전자들이 통과하게 되는 원리이다. Vf와 마찬가지로 역방향 항복 전압(Reverse Voltage) Vr 측정값 역시 또한 도핑 농도 증가에 따라 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있었다[29,30].
p-n 접합 PbSe 다이오드 I-V 커브 (a) 20 W (b) 60 W (c) 100 W
3.4 광 민감성 (Photo sensitivity) & 광 반응성 (Photo responsivity) 특성
Ar/O2 혼합 가스 플라즈마에서 산소 비율과 열처리 실험에 따른 광 민감성 및 광 반응성 특성을 각각 분석하기 위해 광전류 측정을 수행하였다. 사용 광원은 940 nm 파장의 적외선 LED를 사용하였고, 이 때, 광 출력량은 1.15 mW/cm2 이었다. 아래 그림 11은 열처리하지 않은 시료의 광전류 측정 그래프이다. 증착 가스 중 혼합가스의 산소 비율이 각각 0, 5, 10%인 시료들을 측정하였다. 그 후 400 °C 에서 2시간 동안 열처리를 수행하였다. 그림 12는 열처리를 수행한 시료의 광전류 측정 그래프이다. 그림 11과 그림 12를 비교해 보면, 두 그래프들의 형태가 확연하게 달라진 것을 확인할 수 있는데, 열처리한 시료들의 경우 약 2~3배 정도 광전류가 높게 측정된 것을 관찰할 수 있다. 그 첫번째 이유는 대기중에서 수행한 열처리 공정으로 인해 표면에 PbO 산화막이 형성된 것으로 사료된다. 그 표면 산화막 형성으로 인해 첫째, 산화막과 박막 사이의 굴절률 차이로 인한 반사 감소, 둘째, 전하 캐리어의 이동 용이, 셋째, 전하 캐리어 재결합 방지로 전기 전달 효율을 높이는 특성, 마지막으로 표면에 PbO 형성으로 인한 광흡수율 향상에 따른 광 응답성이 증가한 것으로 생각된다. 그렇지만 아직도 전반적인 값들이 낮다 생각되며, 앞으로도 이 분야의 계속적인 기술개발과 연구를 진행할 것이다.
산소 비율에 따른 광전류 측정 그래프 (a) 0% O2, (b) 5% O2, (c) 10% O2 사용.
400°C 2시간 열처리한 시료의 광전류 측정 그래프 (a) O2 0%, (b) O2 5%, (c) O2 10%
광전류 측정을 통해 광 민감성과 광 반응성 특성을 분석하기위해 아래 수식 (2)를 사용하여 광 민감성을 계산하였고, 수식 (3)을 통해 광 반응성을 계산하였다[31, 32].
S = Photosensitivity, Iph = Photocurrent, Iph = dark current
R = Photoresponsivity, Pop = Optical power (1.15 mW / cm2), A = Active area (0.5 cm2)
그림 13과 그림 14는 수식 (2)와 (3)으로 계산된 광민감성과 광반응성 그래프이다. 열처리를 수행한 시료의 경우 열처리를 하지 않은 시료에 비해 확연하게 광민감성과 광반응성이 상승한 경향을 보이고 있다. 이는 앞서 언급한 열처리를 통한 표면산화막 형성과 내부결정 재배열로 인해 광응답성이 상승한 것에 기인한다[30,32]. 광 민감성은 열처리하지 않은 시료의 경우 계산 값이 1에 수렴하고, 광반응성은 열처리하지 않은 시료는 계산 값이 0에 수렴한다. 이는 수식 (2)와 (3)을 참고하면 열처리하지 않은 PbSe 다이오드 소자의 광 응답성은 거의 보이지 않는 것으로 나타난다. 광 민감성의 경우 산소를 사용하지 않고 열처리한 시료의 경우 가장 높은 5.148 값으로 계산되었다. 그 이유로는 스퍼터링 공정 시 산소를 사용할 경우 반응성 스퍼터링에 인해 표면이 아닌 박막 전체가 산화막으로 형성된다. 산화막이 형성됨에 따라 결함과 결정구조의 변형으로 인한 암전류의 증가로 예상되어진다. 그림 11 (a)와 (c), 그림 12 (a)와 (c)를 각각 비교해볼 경우 산소를 사용하지 않은 경우 더욱 낮은 암전류를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 광 반응성의 경우 혼합가스에서 산소를 10% 사용한 시료가 가장 높은 0.7306 mA/W 값으로 계산되었다.
p/n-PbSe 다이오드의 광 민감성 (Photo sensitivity) 그래프
p/n-PbSe 다이오드의 광 반응성 (Photo responsivity) 그래프
4. 결 론
p-PbSe, n-PbSe, p/n-PbSe 반도체 다이오드를 제작, 평가하는 실험을 하였다. p-PbSe, n-PbSe 박막 증착 공정에서 p-PbSe 박막 증착률의 경우 혼합 가스의 산소 비율이 증가함에 따라 최대 12.37 nm/min 에서 9.95 nm/min으로 줄어들었지만, 대체로 10 nm/min 부근으로 일정한 증착률을 얻을 수 있었다. 그러나 n형 PbSe 박막의 경우 증착률은 Ni 스퍼터 건의 입력 전력이 증가함에 따라 3.65 nm/min에서 1.68 nm/min으로 크게 감소하였는데, 이는 공정 중 평균자유행로의 감소와 각각의 스퍼터 건에서 발생한 전자기장의 영향으로 예상된다.
홀 측정 실험에서는 p형 PbSe 박막은 산소를 첨가하지 않았을 때 2.33×1019 cm-3 의 가장 높은 캐리어 농도 값과 가장 낮은 비저항인 4.855×10-1Ω·cm 값을 가졌다. n형 PbSe 박막의 경우 Ni 스퍼터건의 입력 전력이 높아질수록 캐리어 농도는 7.918×1019cm-3 에서 7.551×1020cm-3 으로 증가하였고, 비저항의 경우 1.335×10-2Ω·cm 에서 2.25×10-3 Ω·cm 으로 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. EDS 분석 결과 입력 전력에 증가에 따라 Ni 원자비율이 1.97 % 에서 8.15 %으로 증가한 결과로 미루어 볼 때, Ni 원자가 n형 PbSe 박막의 도펀트로 작용하는 것으로 결론을 도출해 낼 수 있었다.
p-n 접합 PbSe 다이오드를 제작한 후 측정한 I-V 커브에서 도핑 농도가 증가함에 따라 순방향 전압V f 가 1.5 V에서 0.8 V 로 감소하는 경향을 보였으며, 역방향항복전압 Vr 역시 -4.3 V 에서 -2 V으로 감소하여, 이 경우에는 높은 도핑 농도로 인해 발생한 제너항복의 터널링 효과로 판단된다.
광민감성과 광반응성은 모두 열처리에 따라 급격한 증가를 보였고, 혼합가스의 산소비율과는 밀접하지 않은 경향을 보였다. 광민감성의 경우 400 °C에서 2시간 열처리한 시료가 가장 높은 값인 5.148 값을 가졌으며, 광반응성은 경우 400 °C에서 2시간 열처리한 시료들 중 산소 비율이 가장 높은 10% 시료에서 가장 높은 0.7306 mA/W 값을 가졌다. 이는 열처리 결과 표면산화막의 생성으로 인한 광흡수율, 반사율 감소, 전하 캐리어 재결합 방지와 내부결정의 재배열로 인한 광응답성의 증가에 기인한 것으로 예상된다.
본 연구의 결과를 요약하면 Co-Sputtering법을 통해 고농도의 n형 PbSe 박막을 증착할 수 있었고, p-n 접합 PbSe 다이오드를 제작할 수 있었다. 또한 열처리를 통해 광응답성을 증가시킬 수 있었으며, 이에 따라 적외선 검출력과 직접 관련된 광반응성을 증가시킬 수 있었다. 앞으로의 연구 목표는 고검출력의 p-n PbSe 적외선 검출기 제작을 목표로 연구를 진행할 것이다.
Acknowledgements
이 논문은 2022-23년도 과학기술정보통신부의 재원으로과학기술사업화 진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(202300100001) 플라즈마 기술 융합 주사전자현미경 시스템 제조 핵심기술개발).
