KR100267261B1 - 양자구조 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양자구조 형성방법에 관한 것으로, 종래 양자구조 형성방법은 건식식각을 사용하여 기판에 손상을 주어 광전소자의 특성을 저하시키거나, 원하는 분포 및 위치의 조절이 용이하지 않아 광전소자의 광범위한 응용이 불가능한 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 갈륨비소기판의 상부에 갈륨산화막을 증착하는 마스크 증착단계와; 상기 갈륨산화막의 상부에 피엠엠에이를 도포 및 현상하여 패턴을 형성하고, 그 패턴이 형성된 피엠엠에이를 식각마스크로 사용하는 습식식각으로 그 하부의 갈륨산화막을 패터닝하는 마스크 패턴 형성단계와; 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이를 제거하고, 상기 패턴이 형성된 갈륨산화막의 사이에 노출된 갈륨비소기판에 양자구조를 성장시키는 양자구조 성장단계로 구성되어 특정한 패턴이 형성된 갈륨산화막을 성장마스크로 사용하여 양자구조가 형성될 위치와 크기를 제한하여, 양자구조의 크기 및 분포를 용이하게 조절할 수 있게 됨으로써, 광전소자로의 응용분야를 확대시키는 효과가 있다.

Description

양자구조 형성방법

본 발명은 양자구조 형성방법에 관한 것으로, 특히 갈륨산화막을 성장마스크로 사용하는 분자선 에피탁시법으로 양자구조 형성하여 양자구조의 크기와 분포를 조절하여 광전소자의 특성을 향상시키는데 적당하도록 한 양자구조 형성방법에 관한 것이다.

일반적으로, 인듐비소(InAs) 또는 인듐갈륨비소(InGaAs) 양자점(quantum dots)에 관한 결정성장은 분자선 에피탁시법(molecular beam epitaxy), 화학선 에피탁시법(chemical beam epitaxy), 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition)을 사용하여 특정한 기판에 홈을 형성하고, 그 홈내에 성장시켜 형성한다. 이와 같은 양자점은 기초물리분야 뿐만 아니라, 광전소자 응용분야에서도 매우 흥미 있는 분야로 최근 관심의 대상이 되고 있으며, 이와 같은 양자점을 형성하는 방법을 상세히 설명한다.

지금까지 알려진 양자구조인 양자점을 형성하는 방법으로는 양자우물(quantum well)의 리소그래피 패턴, 이온빔 주입에 의한 불순물 혼돈(disordering)의 국소화, 패터닝된 기판을 이용한 선택적 성장, 스트란스키-크라스타노브(Stranski-Krastanow: 이하 S-K) 성장방식을 통한 자발형성(self-assembled) 3차원 구조성장등이 있다.

그러나, 상기 양자우물의 리소그래피 패턴을 이용하는 방법은 레이저 홀로그래픽 리소그래피 또는 전자선 리소그래피 후에 플라즈마식각이나, 활성이온식각(reactive ion etching)을 통해 양자우물의 구조를 변형시키는 방법을 사용하여 이종구조(heterostructure)의 특성을 저하시킨다. 또한, 상기 이온빔 주입에 의한 방법은 3족 원자의 내부확산(interdiffusion)과 표면손상과 같은 결과를 초래할 수 있다. 그리고, 상기 S-K법은 양질의 결정성장이 손쉬운 반면, 3차원 섬(island)들 사이의 배열을 마음대로 할 수 없어서 보다 광범위한 응용을 위해서는 자기조직화에 의한 양자점의 분포 조절 및 위치 조절이 가능해져야 한다.

또한, 선택적 성장법은 양자구조의 위치나 크기를 용이하게 조절할 수 있기 때문에 다양한 양자구조를 형성하는데 가장 적합하다 할 수 있다.

이러한, 선택적 성장법에는 릿지(ridge)와 테트라헤드랄 피트(tetrahedral pits)를 갖는 패터닝된 기판 상에 성장하는 방법, 비시널(vicinal)기판 위에 형성된 다중 원자층(multiatomic step)을 갖는 버퍼층 위에 성장하는 방법. 그리고, 패터닝된 산화막에 형성되는 {100}방향의 갈륨비소(GaAs)의 메사(mesa)면에 성장시키는 방법등이 있다.

그러나, 상기와 같은 방법들은 모두 기판을 패터닝하는 과정에서 건식식각(dry etching)법을 사용하여, 기판에 손상이 일어날 수 있고, 미스오리엔테이션(misorientation)의 각도에 따른 3차원 구조의 위치와 폭에 제한이 가해진다. 그리고, 산화막이 패터닝된 기판에서 갈륨비소의 메사면을 사용하는 방법은 양자점의 위치조절에 한계를 갖게 되는데, 이는 패싯(facet) 면이 {110}방향으로 형성되어, 양자점들의 위치가 주로 {110}방향으로 정렬되기 때문이다.

상기한 바와 같이 종래 양자구조 형성방법은 건식식각을 사용하여 기판에 손상을 주어 광전소자의 특성을 저하시키거나, 원하는 분포 및 위치의 조절이 용이하지 않아 광전소자의 광범위한 응용이 불가능한 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 양자구조의 형성시 기판이 손상됨을 방지하며, 양자구조의 분포 및 위치를 용이하게 제어할 수 있는 양자구조 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1a 내지 도1e는 본 발명에 의한 양자구조 형성방법의 일실시예도.

도2a 내지 도2e는 본 발명에 의한 양자구조 형성방법의 다른 실시에도.

도3은 패터닝되지 않은 기준기판에 형성된 인듐갈륨비소 양자점의 원자력 현미경사진을 도시한 평면도.

도4는 도1a 내지 도1e에 도시한 실시예에따라 줄무늬모양으로 패터닝된 갈륨산화막이 형성된 갈륨비소기판에 성장된 양자점의 구조의 원자력 현미경 사진을 도시한 평면도.

도5는 상기 도2a 내지 도2e에서 설명한 실시예에따라 형성된 양자점의 원자력 현미경사진을 도시한 평면도.

도6은 각기 다른 갈륨산화막 패턴간의 간격에 따른 양자점의 상대적인 체적 비에 대한 함수를 나타낸 그래프도.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1:갈륨비소기판 2:갈륨산화막

3:피엠엠에이 4:양자구조(양자점)

상기와 같은 목적은 갈륨비소기판의 상부에 갈륨산화막을 증착하는 마스크 증착단계와; 상기 갈륨산화막의 상부에 피엠엠에이(PMMA, PolyMethylMethAcrylate)를 도포 및 현상하여 패턴을 형성하고, 그 패턴이 형성된 피엠엠에이를 식각마스크로 사용하는 습식식각으로 그 하부의 갈륨산화막을 패터닝하는 마스크 패턴 형성단계와; 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이를 제거하고, 상기 패턴이 형성된 갈륨산화막의 사이에 노출된 갈륨비소기판에 양자구조를 성장시키는 양자구조 성장단계로 구성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1a 내지 도1e는 본 발명 양자구조 형성방법의 일실시예도로서, 이에 도시한 바와 같이 갈륨비소기판(1)의 상부전면에 갈륨산화막(Ga₂O₃)(2)을 증착하는 단계(도1a)와; 상기 갈륨산화막(2)의 상부에 피엠엠에이(PolyMethylMethAcrylate)(3)를 도포하는 단계(도1b)와; 전자선 리소그래피를 이용하여 상기 피엠엠에이(3)를 패터닝하여 상기 갈륨산화막(2)의 상부일부를 특정 방향으로 긴 줄무늬 형태로 노출시키는 단계(도1c)와; 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이(3)를 식각마스크로 하는 습식식각방법으로 상기 노출된 갈륨산화막(2)을 식각하여 그 하부의 갈륨비소기판(1)을 노출시킨 후, 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이(3)를 제거하는 단계(도1d)와; 상기 노출된 갈륨비소기판(1)의 상부에 분자선 에피탁시법으로 자발형성 인듐갈륨비소(self-assembled InGaAs) 양자점(4)을 형성하는 단계(도1e)로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 양자구조 형성방법의 일실시예를 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도1a에 도시한 바와 같이 갈륨비소기판(1)의 상부에 갈륨산화막(2)을 증착한다. 이때의 갈륨산화막(2)은 스퍼터링법, 양극산화법, 전자선 증착법중 하나의 방법으로 형성시키며, 이때의 갈륨산화막(2)은 너무 얇거나 두꺼우면 후성장공정 및 미세패터닝 과정에서 선택성이 열화되어 미세구조를 얻을 수 없게 되므로, 약 30~70nm의 두께로 증착한다.

그 다음, 도1b에 도시한 바와 같이 상기와 같이 증착된 갈륨산화막(2)의 상부전면에 4%의 피엠엠에이(3)를 도포 한다.

그 다음, 도1c에 도시한 바와 같이 상기 증착된 피엠엠에이(3)를 전자선 리소그래피장비를 35keV에서 작동시켜 패터닝한다. 이때 패턴의 모양은 양자구조의 분포를 결정하게 되므로, 필요에 따라 특정한 모양과 간격으로 패터닝할 수 있다.

이때, 전자선의 주사량과 빔프루부(beam probe)전류는 각각 1.4 nC/m와 6pA로 하여 특정 방향으로 길고, 양자구조의 모양에 따라 0.3~0.9m의 다양한 간격을 갖는 패턴을 형성하며, 각 패턴의 폭은 양자구조의 크기에 맞춰 0.1m이하로 제한한다.

그 다음, 도1d에 도시한 바와 같이 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이(3)를 식각마스크로 사용하는 습식식각공정으로 상기 피엠엠에이(3) 패턴의 형성으로 노출된 갈륨산화막(3)을 식각하여 그 하부의 갈륨비소기판(1)을 노출시킨다. 이때의 식각용액은 6%의 BOE(buffered oxide etch), 희석된 불산(dilute HF) 또는 희석된 염산(dilute HCl)중 하나를 사용하며, 상온에서 3~10초가량 식각한다.

이와 같이 식각한 후에, 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이(3)는 아세톤으로 제거한다.

그 다음, 도1e에 도시한 바와 같이 패턴이 형성된 갈륨산화막(2)의 사이에 노출된 갈륨비소기판(1)의 상부에 양자구조를 성장시킨다. 이와 같은 과정은 상기 그 상부에 갈륨산화막(2) 패턴이 형성된 갈륨비소기판(1)과 그와 동일한 구조의 기준기판을 함께 몰리브덴블록(molyblock)에 부착하고, 자연산화막제거 공정을 거친 후, 20nm의 갈륨비소 버퍼층을 570℃에서 성장시키고, 인듐갈륨비소 양자구조를 형성한다. 이때의 갈륨비소기판(1)의 기판온도는 430~540℃로 유지하며, 자발형성 인듐갈륨비소 양자구조(4)는 빔상당압력(beam equivalent pressure)이 약1×10^-5torr인 비소 속(flux)하에서, 25%의 의무주기(duty cycle)로 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 분자선을 주입하여 성장시키며, 인듐의 몰분률(mole fraction)은 0.43으로 고정시키며, 그 양자구조(4)의 성장률은 인듐갈륨비소의 경우 0.4ML/sec, 갈륨비소의 경우 1.4ML/sec, 인듐비소의 경우 0.7ML/sec로 성장시키며, 성장시간은 8~16초, 성장중단시간은 3족 원소의 경우 3~5초로 한다.

그 다음, 상기와 같은 방법으로 양자구조를 형성한 후에는 상기 갈륨비소기판(1)을 급속히 냉각시켜 갈륨비소기판(1)의 열에 의한 양자구조(4)의 변형을 방지하기 위한 것이다.

또한, 도2a 내지 도2e는 본 발명 광전소자의 양자구조 제조방법의 다른 실시예인 양자점 형성 공정수순 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 각 단계는 상기 도1a 내지 도1e에 도시한 실시예를 통해 용이하게 실시할 수 있으며, 단지 도2c에 도시한 바와 같이 피엠엠에이(3)를 패터닝할 때 그물망 모양의 2차원의 창을 형성하여 그 하부의 갈륨산화막(2)의 일부를 노출시킨다. 이때 노출되는 갈륨산화막(2)의 크기는 가로 0.15m, 세로 0.2m가 되도록 한다. 이때의 패터닝 방법은 전자선 리소그라피법 또는 레이저 홀로그라피법을 사용할 수 있으며, 양자점(4)을 성장시키는 방법은 분자선 에피탁시와 화학선 에피탁시 및 유기금속화학기상증착법 등으로 형성할 수 있다.

상기와 같이 양자구조(4)를 형성한 후에, 그 양자구조(4)의 측면에 잔존하는 갈륨산화막(2) 패턴은 필요에 따라 제거 또는 계속 잔존시켜 광전소자를 제조하는 과정에서 전류차단층으로 사용할 수도 있도록 한다.

또한, 상기 양자구조(4)를 형성할 때 발생하는 2차원에서의 3차원으로의 성장방식의 변환은 패터닝된 갈륨산화막(2)이 증착된 갈륨비소기판(1)과 함께 양자구조(4)를 성장시킨 기준기판을 분자선 에피탁시 챔버에 부착된 리히드(RHEED, reflection high energy electron diffraction) 패턴을 관측함으로써 확인할 수 있다.

도3은 패터닝되지 않은 기준기판(10)에 형성된 인듐갈륨비소 양자점(4)의 원자력 현미경사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 양자점(4)은 반구모양이며, 그 밀도와 크기 및 높이는 각각 3×10⁹cm^-2, 50nm, 4nm이다. 또한 도4는 도1a 내지 도1e에 도시한 실시예에따라 줄무니모양으로 패터닝된 갈륨산화막(2)이 형성된 갈륨비소기판(1)에 성장된 양자점(4)의 구조의 원자력 현미경 사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 도1a 내지 도1e에서 설명한 실시예에서 노출되는 갈륨비소기판(1)의 폭을 0.1m로 제한 하였으나, 습식식각과정에서 다소간 더 넓어진 경향이 있으나 비교적 양호하게 패터닝되었음을 알 수 있다. 또한, 도5는 상기 도2a 내지 도2e에서 설명한 실시예에 따라 형성된 양자점의 원자력 현미경사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 그물망 형태로 노출된 갈륨비소기판(1)상에 양자점(4)들이 형성되었음을 알 수 있다. 이때 양자점(4)의 크기는 도3에 도시한 양자점(4)의 모습과 흡사하며, 단지 갈륨산화막(2)의 상부에는 양자점(4)이 형성되지 않은 것을 알 수 있다.

도6은 각기 다른 갈륨산화막 패턴간의 간격에 따른 양자점(4)의 상대적인 체적비에 대한 함수를 나타낸 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 노출된 갈륨비소기판의 면적에 대한 기준기판에 형성되는 양자점의 체적의 증가 비를 1로 볼 때, 본 발명에 의한 양자점의 체적 증가 비는 0.44로 나타난다. 그런데 인듐갈륨비소 양자점(4)들이 갈륨산화막(2)의 패터닝된 영역에만 형성되었기 때문에 3족 원소의 이동이 선택성장의 주된 요소라면 기울기는 1에 근접해야 하는 것으로, 실험의 결과로서, 선택성장을 가능하게 하는 요소로는 3족원소의 이동 외에 탈착효과도 함께 고려되어야 한다는 결론을 얻게 된다.

갈륨산화막을 마스크로 사용하여 선택성장을 가능하게 하는 이 두 가지 요소들을 구체적으로 고려하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예를 통하여 갈륨산화막(2)의 위에서 인듐의 확산계수는 약 9.4×10^-10cm²/s이며, 갈륨의 확산계수는 3.4×10^-10cm²/s로 산정되었으며, 이들 값들은 산화막이 없는 갈륨비소기판(1)에서 갈륨의 확산계수 2.5×10^-13cm²/s보다 큰 값이다. 따라서 갈륨산화막(2)에서 3족원소들의 확산계수증가는 선택성장을 가능하게 하는 중요한 요소가 되며, 3족원소의 탈착효과를 고려하면, 유효성장두께는 줄어들게 된다. 즉, 3족원소의 이동만을 고려하면 갈륨산화막(2)에 의해 선택적으로 노출된 갈륨비소기판(1)에 성장되는 인듐갈륨비소 양자점(4)의 유효성장두께는 기준기판에 성장되는 그것의 유효성장두께에 비해 66%의 유효성장두께를 갖게 되지만, 실제 형성되는 갈륨산화막(2)의 유효성장두께는 46%로 두 결과의 차이인 20%는 상기 3족원소들의 탈착효과에 기인하는 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명 광전소자의 양자구조 제조방법은 갈륨산화막을 성장마스크로 사용하여 양자구조가 형성될 위치와 크기를 제한하여, 양자구조의 크기 및 분포를 용이하게 조절할 수 있게 됨으로써, 광전소자의 응용분야를 확대시키는 효과와 아울러 건식식각 등에 의한 갈륨비소기판에 손상을 주지 않음으로써 광전소자의 특성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 갈륨비소기판의 상부에 갈륨산화막(Ga₂O₃)을 증착하는 마스크 증착단계와; 상기 갈륨산화막의 상부에 피엠엠에이(PMMA, PolyMethylMethAcrylate)를 도포 및 현상하여 패턴을 형성하고, 그 패턴이 형성된 피엠엠에이를 식각마스크로 사용하는 습식식각으로 그 하부의 갈륨산화막을 패터닝하는 마스크 패턴 형성단계와; 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이를 제거하고, 상기 패턴이 형성된 갈륨산화막의 사이에 노출된 갈륨비소기판에 양자구조를 선택적으로 성장시키는 양자구조 성장단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자구조 형성방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 갈륨산화막은 스퍼터링법, 양극산화법, 전자선 증착법중 하나의 방법으로 30~70nm의 두께가 되도록 증착하는 것을 특징으로 하는 양자구조 형성방법.
3. 제 1항에 있어서, 갈륨산화막의 패터닝은 전자선 리소그라피법 또는 레이저 홀로그라픽 리소그라피법을 사용하여 이루어진 것을 특징으로 하는 양자구조 형성방법.
4. 제 1항에 있어서, 양자구조 성장단계는 기판온도를 430~540℃로 유지하며, 빔상당압력(beam equivalent pressure)이 3족원소 대 5족원소의 비를 약 10~20으로 하고, 약 1×10^-5torr인 비소 속(flux)하에서 실시하는 분자선 에피탁시법에 의해 양자구조를 성장시키는 것을 특징으로 하는 양자구조 형성방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 양자구조 성장단계는 분자선 에피탁시법 또는 화학선 에피탁시법 또는 유기금속화학기상증착법으로 양자구조를 성장시키는 것을 특징으로 하는 양자구조 형성방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 양자구조 성장단계로 양자구조가 형성된 후, 패턴이 형성된 갈륨산화막을 계속 잔존시켜, 광전소자의 제조시 전류차단층으로 사용하는 것을 특징으로 하는 양자구조 형성방법.