In this dissertation, we studied undoped and Li-doped nickel oxide films for use as an infrared sensing material of bolometer. Although vanadium oxide ($VO_x$) and amorphous silicon (a-Si) are now mainly used as a sensing material, $VO_x$ is not CMOS compatible material and has a problem of reproducibility. And, a-Si offers a low sensing performance due to its relatively large noise characteristic. Therefore, this research aimed to form a new sensing material which can overcome aforementioned drawbacks of convention materials while providing excel-lent sensing performance.
Undoped and Li-doped nickel oxide films were deposited by the RF reactive magnetron sputtering method hav-ing advantages of not only easy controllability of the film properties, but also large area uniformity and high deposition rate. X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), inductive coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), atomic force microscopy (AFM), and secondary electron microscopy (SEM) were used to investigate the structural properties of the deposited films, and optical characteristics were analyzed by using spectroscopic ellipsometer. In addition, to evaluate the bolometric performance, the bar pat-tern device were designed and fabricated and electrical conductivity, temperature coefficient of resistance (TCR) and noise characteristics were measured.
First, the structural characteristics of the nickel oxide film were observed by changing the deposition parameters, such as, the deposition temperature, the process pressure, the power, and the oxygen fraction, and the effect of these changes on the sensing performance was examined. As a result, all the thin films except for the thin film formed at low oxygen fraction (< 20%) exhibits a Ni-deficient polycrystalline NiO structure (NaCl-type). It can also be confirmed that at higher deposition temperature, higher process pressure and lower oxygen fractions, a nickel oxide film with better crystallinity and fewer structural defects is formed. Since the structural defects in nickel oxide film acts as acceptors providing hole carriers, the bolometric properties are influenced by the struc-tural characteristics. Therefore, the fewer structural defects in the deposited film, the lower electrical conductivity while both the normalized Hooge parameter indicating magnitude of 1/f noise and the TCR values increased. Therefore, as the number of structural defects in nickel oxide film decreases, the electrical conductivity of the film decreases, while both the TCR and the normalized Hooge parameter (indicating the magnitude of 1/f noise) increase. Since the change of TCR and 1/f noise due to the change of structural defect have opposite effects on the sensing performance, we introduced the $(α_H/n)^{1/2}/ |β| mid$ considering both factors to evaluate the sensing perfor-mance. As a results, it was found that the nickel oxide film with -2.76 %/K of the TCR and $2.40×10^{-27} m^3$ of the $α_H/n$ deposited at 250℃, 1 mTorr, 500 W, and 80% oxygen fraction revealed the best sensing performance.
However, as mentioned above, the variations in TCR and 1/f noise caused by the change in structural defects in the case of the nickel oxide film revealed a trade-off relationship that has opposite effects on the sensing per-formance. Therefore, it is found that there is a limit to improve the sensing performance even if the structural defects are largely changed. Thus, we prepared a nickel oxide film containing a large number of hole carriers while having excellent film quality with less structural defects by doping the monovalent lithium ions into the nickel oxide film. It has been confirmed that the change of the structural characteristics due to the doping of lithium remarkably reduces the magnitude of the 1/f noise arisen from the nickel oxide film by more than 100 times. Moreover, it was possible to form a Li-doped nickel oxide film having the TCR value of -2.85 %/K and the $α_H/n$ of $2.45×10^{-29} m^3$ by improving the crystallinity via the change of the deposition temperature. Li-doped nickel oxide film reveals a 10 times higher sensing performance compared to the aforementioned nickel oxide film. And it implies that the sensing performance of the Li-doped nickel oxide film is comparable to that of the vanadium oxide film. Based on these experimental results, it can be concluded that the Li-doped nickel oxide film has high feasibility as a new alternative sensing material for bolometers that can provide superior sensing performance while overcoming the drawbacks of conventional materials.
본 논문에서 우리는 볼로미터 감지물질로 사용하기 위한 니켈 산화막 및 리튬이 첨가된 니켈 산화막에 관한 연구를 수행하였다. 현재, 볼로미터의 감지물질로 바나듐 산화막이나 비정질 실리콘이 주로 사용되고 있기는 하지만, 바나듐 산화막은 표준 CMOS 공정과의 호환성 문제 및 재연성의 문제를 지니고 있으며 비정질 실리콘은 높은 잡음특성으로 인해 성능이 낮다는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 단점들을 극복할 수 있으면서도 우수한 감지성능을 제공할 수 있는 새로운 감지물질을 제작하는 것을 연구 목표로 하였다.
니켈 산화막 및 리튬이 첨가된 니켈 산화막은 박막 특성의 변경이 용이할 뿐 아니라 대면적의 균일도 및 높은 증착률의 이점을 지니는 RF 반응성 스퍼링 방식을 이용하여 증착하였다. 제작된 박막의 구조적 특성을 조사하기 위하여 X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), inductive coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), atomic force microscopy (AFM), 그리고 secondary electron mi-croscopy (SEM) 등을 이용하였으며, 광학적 특성을 분석하기 위해 spectroscopic ellip-someter 를 사용하였다. 또한, 감지 성능의 평가를 위해 Bar pattern 소자를 설계 및 제작하였으며, 이를 통해 전기전도도, 저항온도계수, 그리고 잡음특성을 측정하였다.
먼저, 기판온도, 공정압력, 파워, 그리고 산소분율 등의 증착 변수를 변화시킴에 따라 니켈 산화막의 구조적 특성이 어떻게 변화되는지를 관찰하였으며, 이러한 변화가 감지성능에 어떠한 영향을 미치는가를 조사하였다. 그 결과, 낮은 산소분율 (20% 이하)에서 형성된 박막을 제외한 모든 박막들은 니켈이 부족한 다결정의 산화니켈 구조 (NaCl형태)를 나타내었다. 또한, 박막형성 시, 기판온도가 높을수록, 공정압력이 높을수록, 그리고 산소분율이 낮을수록 더 적은 구조적 결함이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 니켈 산화막 내의 구조적 결함은 홀 전자를 제공하는 억셉터로써 동작하기 때문에, 볼로미터적 특성들은 구조적 특성에 영향을 받는다. 따라서, 박막 내의 구조적 결함이 적을수록, 니켈 산화막의 전기전도도는 감소되는 반면, TCR 값 및 1/f 잡음의 크기를 나타내는 normalized Hooge parameter $(α_H/n)$ 가 모두 증가됨을 확인할 수 있었다. 이 두 요소의 변화는 성능에 서로 반대 영향을 미치기 때문에, 이 두 요소를 모두 고려한 $(α_H/n)^{1/2}/ |β|$ 를 이용하여 감지 성능을 평가하였다. 그 결과, 250℃, 1 mTorr, 500 W, 그리고 80% 산소분율에서 형성된 -2.76 %/K 의 TCR 과 $2.40×10^{-27} m^3$ 의 $α_H/n$ 를 갖는 니켈 산화막이 가장 우수한 감지성능을 나타냄을 확인 할 수 있었다.
하지만, 앞서 언급하였듯이, 니켈 산화막의 경우 구조적 결함을 변화시킴에 따른 TCR과 1/f 잡음의 변화가 성능에 서로 반대의 영향 미치는 Trade-off의 관계에 있기 때문에, 구조적 결함을 크게 변화시킨다 하더라도 감지성능의 향상에는 한계가 있음을 알 수 있다. 따라서, 우리는 니켈 산화막에 1가의 리튬을 외인성 도핑함으로써, 구조적 결함이 적은 우수한 막질을 가지면서도 많은 홀 전자를 포함하는 니켈 산화막을 제작하였다. 리튬의 도핑에 의한 구조적 특성들의 변화는 니켈 산화막에서 발생되는 1/f 잡음의 크기를 100배 이상 현저하게 감소 시킴을 확인하였다. 뿐만 아니라, 기판온도를 변화시켜 전기전도도의 큰 변화 없이 박막의 결정성을 향상시킴으로써, -2.85 %/K의 TCR 값과 $2.40×10^{-29} m^3$의 $α_H/n$ 를 갖는 리튬이 도핑 된 니켈 산화막을 형성할 수 있었다. 이는 앞서 언급한 니켈 산화막과 비교하여 10 배 이상 향상된 감지 성능을 나타냄을 확인할 수 있었으며, 상용물질 중 최고 성능을 나타내는 바나듐 산화막에 필적하는 감지성능을 나타냄을 알 수 있었다. 이러한 실험 결과들은 바탕으로, 리튬이 도핑 된 니켈 산화막은 상용물질들의 단점들을 극복하면서도 우수한 감지성능을 제공할 수 있는 볼로미터의 새로운 대체 감지물질로써 높은 실현가능성을 지닌다고 결론지을 수 있다.
