KR100485874B1 - A Quantum Dot Generation Method Of A Compound Semiconductor Thin Film By Hydrogen Non-Active Gas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법에 관한 것으로, 기판과 박막의 격자상수차(격자부정합)가 5% 내외가 되지 않는 기판(34)을 사용하여 GaN와 Hg 1-x Cd x Te 박막 등과 같은 화합물반도체 박막(30a)을 성장시켜 불활성기체화 작업의 후처리를 통해 상온 조절이 가능한 양자점을 형성시킬 수 있으며, 특히 수소 및 불활성기체 플라즈마의 파워밀도나 유입량의 조절을 통해 생성되는 양자점 구조의 화합물반도체 박막(30a)의 크기와 밀도를 조절할 수 있어, 기존의 Stranski-Krastanov 방법에 비해 제작방법이 쉽고 기판(34)의 종류에 상관없이 양자점 형성이 가능할 수 있다. 이를 위해 CdTe, CdZnTe, GaAs, Al 2 O 3 , Si 등의 화합물 기판(34) 중 어느 하나를 이용하여 통상의 박막 생성방법인 LPE, MOCVD 그리고 MBE 방법 중 어느 하나를 통해 GaN, CdTe, HgCdTe와 같은 화합물반도체 박막(30a)이 성장되는 박막 성장과정과, 성장된 화합물반도체 박막(30a)을 플라즈마를 형성할 수 있는 불활성기체 공급장치의 챔버(10)에 장착시켜 발생되는 가스 플라즈마가 화합물반도체 박막(30a)에 입사되어 양자점(32)이 형성되는 양자점 형성과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for generating a quantum dot of a compound semiconductor thin film by hydrogen and an inert gas, using GaN and Hg 1- by using a substrate 34 whose lattice aberration (lattice mismatch) between the substrate and the thin film is not about 5%. By growing the compound semiconductor thin film 30a such as x Cd x Te thin film, it is possible to form a quantum dot that can be controlled at room temperature through post-treatment of the inert gasification operation, and in particular, to control the power density or inflow rate of hydrogen and inert gas plasma. Since the size and density of the compound semiconductor thin film 30a having a quantum dot structure generated through it can be controlled, a manufacturing method is easier than that of the conventional Stranski-Krastanov method, and quantum dot formation may be possible regardless of the type of the substrate 34. To this end, GaN, CdTe, HgCdTe and GaN, CdTe, HgCdTe and any one of the conventional thin film generation method LPE, MOCVD and MBE method using any one of the compound substrate 34, such as CdTe, CdZnTe, GaAs, Al 2 O 3 , Si A thin film growth process in which the same compound semiconductor thin film 30a is grown and a gas plasma generated by attaching the grown compound semiconductor thin film 30a to the chamber 10 of the inert gas supply device capable of forming a plasma are compound semiconductor thin films. A quantum dot forming process in which the quantum dot 32 is incident to 30a is formed.
Description
본 발명은 기판과 박막의 격자상수차(격자부정합)가 5% 내외가 되지 않는 기판을 사용하여 GaN와 Hg 1-x Cd x Te 박막 등과 같은 화합물반도체 박막을 성장시켜 수소 나 아르곤 및 질소와 같은 불활성기체화 작업의 후처리를 통해 상온 조절이 가능한 양자점을 형성시킬 수 있는 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법에 관한 것이다.The present invention is to grow a compound semiconductor thin film such as GaN and Hg 1-x Cd x Te thin film using a substrate that the lattice aberration (lattice mismatch) of the substrate and the thin film is less than about 5%, such as hydrogen, argon and nitrogen The present invention relates to a method for generating a quantum dot of a compound semiconductor thin film by hydrogen and an inert gas capable of forming a quantum dot capable of controlling room temperature through post-treatment of an inert gasification operation.
잘 알다시피 정보교환수단에 있어 정보를 기록, 송신, 저장하는 부분의 중요도가 매우 증대될 뿐만 아니라 주어진 부피에 많은 양의 정보를 처리하기 위한 고밀도화 및 저전력화가 이루어지고 있는데, 최근에는 여러 가지 방법을 이용한 기기의 집적도 향상의 연구 결과지만 기존 공정의 개량 등이 머지않아 근본적 한계에 도달할 것으로 예측되고 있다. As you know well, the importance of recording, transmitting, and storing information in the information exchange means has been greatly increased, and high density and low power have been achieved to process a large amount of information in a given volume. Although the result of research on improving the integration density of the used devices, the improvement of the existing process is soon to be achieved. It is expected to reach.
이러한 근본적인 한계를 극복하기 위해서는 거시적인 계에서 나타나지 않고 미세 양자구조에서만 나타나는 양자현상들을 이해할 수 있도록 양자구조의 제작연구와 이에 따른 형성과정의 규명이 요구되는 있는 실정이다. In order to overcome these fundamental limitations, it is necessary to study the fabrication of quantum structures and the formation process accordingly so that they can understand quantum phenomena only in micro quantum structures and not in macroscopic systems.
한편, 에너지띠 간격이 비교적 넓은 ZnSe, SiC 그리고 GaN 등의 박막과 적외선 탐지소자에 사용되는 Hg 1-X Cd x Te(Mercury Cadmium Telluride) 박막은 이미 여러 가지 반도체 성장방법에 의해 그 성장이 가능하며, 이렇게 성장된 박막을 이용하여 광소자 및 전기소자를 비롯하여 적외선 탐지소자의 응용이 가능하다.On the other hand, Hg 1-X Cd x Te (Mercury Cadmium Telluride) thin films used in ZnSe, SiC, and GaN thin films and infrared detectors with relatively wide bands of energy can be grown by various semiconductor growth methods. By using the grown thin film, it is possible to apply an infrared detection device including an optical device and an electric device.
이러한 박막 성장은 액상 에피택시법(LPE : Liquid Phase Epitaxy), 금속유기화학 증기침적법(MOCVD : Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 그리고 분자선 에피택시법(MBE : Molecular Beam Epitaxy) 등으로 그 성장이 가능하나, LPE 방법은 모체가 되는 기판이 박막과 격자상수차(격자부정합)가 거의 나지 않아야 하는 실험적 조건이 요구되는 한계가 있는 반면, MOCVD 방법이나 MBE 방법으로 성장 시 사용되는 기판은 박막과 격자상수차가 크더라도 가능하다는 장점이 있다. Such thin film growth is possible by liquid phase epitaxy (LPE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE). However, the LPE method has a limitation that requires experimental conditions that the substrate to be the mother substrate has little lattice aberration (lattice mismatch), whereas the substrate used when growing by MOCVD or MBE method has a thin film and lattice aberration. It has the advantage of being possible even if it is large.
현재 양자점 구조의 박막을 성장하기 위해 사용되는 방법은 기판과 박막 사이의 격자상수차가 약 5% 정도 일 때 Stranski-Krastanov 방법(S-K Mode)으로 성장 시에 양자점 구조가 형성되는 것을 이용하여 박막을 성장하고 있다. Currently, a method used to grow a thin film of quantum dot structure is grown by using a quantum dot structure when growing by Stranski-Krastanov method (SK Mode) when the lattice aberration between the substrate and the thin film is about 5%. Doing.
그러나 LPE 방법은 격자상수차가 크면 성장이 불가능하므로 양자점 구조를 만들 수가 없으며, MOCVD 방법이나 MBE 방법에서도 격자장수차가 5% 내외로 되는 기판을 사용해야 하기 때문에 기존에 사용하고 있는 기판들에 격자상수차가 5% 내 외가 되도록 격자상수가 다른 물질들을 성장시켜야만 한다. However, the LPE method cannot produce a quantum dot structure because it is impossible to grow when the lattice aberration is large, and since the lattice aberration is 5% or less in the MOCVD method or the MBE method, the lattice aberration is 5%. In% You have to grow materials with different lattice constants so that they are not.
즉, 종래의 성장방법으로 양자점을 만들기 위해서는 Stranski-Krastanov 방법을 사용해야 하기 때문에 기판 선택의 문제가 발생하며, 특히 LPE 방법으로는 양자점 구조를 성장할 수가 없다. That is, since the Stranski-Krastanov method must be used to make a quantum dot by the conventional growth method, a problem of substrate selection occurs, and in particular, the quantum dot structure cannot be grown by the LPE method.
현재 MOCVD 방법이나 MBE 방법으로 박막 성장 시에 가장 좋은 특성을 나타내고 있는 박막의 경우 기판과 박막의 격자상수차가 거의 나지 않는 경우이기 때문에 양자점 구조의 성장이 되지 않으며, 따라서 이러한 기판 위에 박막과 5%의 격자상수차가 나는 다른 박막 등의 새로운 층을 성장한 후 양자점을 이루는 박막을 성장해야 하는 복잡한 과정이 필요하다. The thin film that shows the best characteristics at the time of thin film growth by MOCVD method or MBE method does not grow the quantum dot structure because the lattice aberration of the substrate and the thin film is hardly generated. After growing a new layer such as another thin film with lattice aberration, a complicated process of growing a thin film forming a quantum dot is necessary.
또한 대면적의 소자 제작을 위해 가장 많이 쓰이고 있는 GaAs 기판이나 Si 기판의 경우 박막과 격자상수차가 15%에서 19% 정도로 너무 크기 때문에 양자점 구조의 성장에 문제점이 있듯이, 이처럼 기존의 Stranski-Krastanov 방법으로 양자점 구조의 박막을 성장하기 위해서는 많은 문제점을 가지고 있다. In addition, the GaAs substrate or the Si substrate, which is most used for large-area device fabrication, has a problem in the growth of the quantum dot structure because the thin film and lattice aberrations are so large as 15% to 19%. Thus, the conventional Stranski-Krastanov method There are many problems to grow a thin film of quantum dot structure.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판과 박막의 격자상수차가 5% 내외가 되지 않는 기판을 사용하여 기판 종류에 관계없이 GaN와 Hg 1-x Cd x Te 박막 등과 같은 화합물반도체 박막을 성장하더라도 양자점 구조를 만들 수 있는 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체의 양자점 생성방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.The present invention is to solve the above problems, compound semiconductors, such as GaN and Hg 1-x Cd x Te thin film, regardless of substrate type by using a substrate that the lattice aberration of the substrate and the thin film is less than about 5% It is an object of the present invention to provide a method for producing a quantum dot of a compound semiconductor by hydrogen and an inert gas, which can produce a quantum dot structure even when a thin film is grown.
또한 본 발명은 기존의 Stranski-Krastanov 방법에 비해 제작방법이 쉽게 기판의 종류에 관계없이 양자점 형성이 가능하면서 양자점 구조의 GaN와 Hg 1-x Cd x Te 박막의 크기와 밀도를 조절할 수 있어 가격과 부피가 줄어들고 특히 상온 동작이 가능한 불활성기체화에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법을 제공함에 그 목적이 있다.In addition, the present invention is easier to fabricate than the conventional Stranski-Krastanov method, and thus it is possible to form quantum dots regardless of the type of substrate, and to control the size and density of GaN and Hg 1-x Cd x Te thin films of quantum dot structure. It is an object of the present invention to provide a method for producing a quantum dot of a compound semiconductor thin film by reducing the volume, and in particular by inert gas, which can operate at room temperature.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법은, CdTe, CdZnTe, GaAs, Al 2 O 3 , Si 등의 화합물 기판 중 어느 하나를 이용하여 통상의 박막 생성방법인 LPE, MOCVD 그리고 MBE 방법 중 어느 하나를 통해 GaN, CdTe, HgCdTe와 같은 화합물반도체 박막이 성장되는 박막 성장과정과, 성장된 화합물반도체 박막을 플라즈마를 형성할 수 있는 불활성기체 공급장치의 챔버에 장착시켜 발생되는 가스 플라즈마가 화합물반도체 박막에 입사되어 양자점이 형성되는 양자점 형성과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Quantum dot generation method of the compound semiconductor thin film by the hydrogen and inert gas of the present invention for achieving the above object is a conventional thin film using any one of the compound substrate, such as CdTe, CdZnTe, GaAs, Al 2 O 3 , Si Thin film growth process in which compound semiconductor thin films such as GaN, CdTe, HgCdTe are grown through any one of the production methods, LPE, MOCVD, and MBE, and a chamber of an inert gas supply device capable of forming a plasma of the grown compound semiconductor thin films. Gas plasma generated by attaching to the compound semiconductor thin film is characterized in that the quantum dot forming process is formed by forming a quantum dot.
아울러, 상기 양자점 형성과정은 성장된 화합물반도체 박막을 챔버에 로딩한 후 진공펌프를 이용하여 상기 챔버 내의 진공을 유지하고, 로딩홀더의 히터를 이용하여 박막의 온도를 조절하여준 후 가스유입부를 통해 수소 또는 불활성기체가 유입되게 하며, 플라즈마 발생코일을 발진시켜 유입되는 수소 또는 불활성기체를 플라즈마 상태의 고에너지로 변환하여 로딩홀더에 놓여있는 화합물반도체 박막에 입사시켜 양자점 구조의 화합물반도체 박막을 생성하게 되는 것을 특징으로 한다. In addition, the quantum dot forming process is to load the grown compound semiconductor thin film in the chamber and then maintain the vacuum in the chamber using a vacuum pump, and after adjusting the temperature of the thin film using a heater of the loading holder through the gas inlet Hydrogen or inert gas is introduced and the plasma generating coil is oscillated to convert the introduced hydrogen or inert gas into high energy in the plasma state and then enter the compound semiconductor thin film placed in the loading holder to generate a compound semiconductor thin film having a quantum dot structure. It is characterized by.
특히, 상기 양자점 형성과정을 통해 생성되는 양자점 구조의 화합물반도체 박막은 통상의 Stranski-Krastanov 방법을 이용하지 않고 기체 플라즈마의 파워밀도 및 유입량의 조절과 시료인 화합물반도체 박막의 온도 조절을 통해 양자점의 크기와 밀도가 조절되는 것을 특징으로 한다. In particular, the compound semiconductor thin film of the quantum dot structure produced through the quantum dot formation process is the size of the quantum dot by controlling the power density and inflow rate of the gas plasma and temperature control of the compound semiconductor thin film as a sample without using the conventional Stranski-Krastanov method And density is controlled.
이하, 첨부된 도면에 의한 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 작동원리가 쉽게 이해될 수 있다. Hereinafter, the working principle of the present invention can be easily understood through preferred embodiments according to the accompanying drawings.
본 발명의 불활성기체화에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법은 화합물반도체 박막의 성장과정과 화합물반도체 박막(30a)의 양자점 형성과정으로 이루어지는데, 이하의 실시예에서 본 발명에 사용되는 화합물반도체의 기판과 박막에 대한 도면 부호는 종류에 관계없이 34와 30a로 통일하여 사용한다. The method of generating a quantum dot of a compound semiconductor thin film by inert gasification of the present invention comprises a process of growing a compound semiconductor thin film and a process of forming a quantum dot of the compound semiconductor thin film 30a. The reference numerals for the substrate and the thin film are uniformly used as 34 and 30a regardless of the type.
우선, 첫 번째로 화합물반도체 박막의 성장과정은 기존의 성장방법들을 그대로 이용하게 되는데, CdTe, CdZnTe, GaAs, Sapphire(Al 2 O 3 ) 그리고 Si 등의 기판(34)을 이용하여 기존의 방식인 LPE, MOCVD 그리고 MBE 방법 등으로 화합물반도체 박막(30a)을 성장하게 되며, 이 과정은 양자점 형성과정이 아니므로 위에서 나열한 기판(34) 중에 어떤 것을 사용하더라도 성장이 가능할 뿐만 아니라 특성이 좋은 화합물반도체 박막(30a)을 성장하는 과정이다.First, the growth process of the compound semiconductor thin film is to use the existing growth method as it is, using the conventional method using a substrate 34 such as CdTe, CdZnTe, GaAs, Sapphire (Al 2 O 3 ) and Si The compound semiconductor thin film 30a is grown by LPE, MOCVD and MBE methods. Since this process is not a quantum dot forming process, it is possible to grow using any of the substrates 34 listed above, as well as having good characteristics. 30a is the process of growing.
그리고 두 번째로 화합물반도체 박막의 양자점 형성과정은 양자점(32)을 생성하는 본 발명의 중요한 과정으로, 첫 번째의 성장과정을 통해 성장된 화합물반도체 박막(30a)을 플라즈마(Plasma)를 형성할 수 있는 불활성기체 공급장치에 장착하는데, 여기에 사용된 장치는 가스 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RPCVD(Remote Plasma Chemical Vapor Deposition)를 사용하는 것을 기본으로 한다. Secondly, the quantum dot formation process of the compound semiconductor thin film is an important process of the present invention for generating the quantum dots 32, and the plasma of the compound semiconductor thin film 30a grown through the first growth process can be formed. To an inert gas supply, which is used to generate a gas plasma. Plasma Chemical Vapor Deposition).
이는 이미 수소나 아르곤 또는 질소와 같은 불활성가스의 불활성기체화 처리(특히 수소화 처리)에 사용되는 잘 알려진 장치로서 그 구성은 도 1에 도시한 것과 같이, 불순물의 침입을 막고 박막(30a)을 로딩(Loading)할 수 있는 고진공용 챔버(Chamber)(10)와 가스 플라즈마를 발생시키는 부분 및 수소 및 불활성가스가 유입되는 부분으로 구분된다. This is a well-known device already used for inert gasification treatment (especially hydrogenation treatment) of inert gas such as hydrogen or argon or nitrogen, and its configuration prevents the intrusion of impurities and loads the thin film 30a as shown in FIG. The chamber is divided into a high vacuum chamber (Chamber) 10 capable of loading, a portion generating gas plasma, and a portion into which hydrogen and an inert gas are introduced.
즉, 본 발명에 사용되는 불활성기체화 장치인 박막의 양자점 생성장치는 기존의 가스 플라즈마 처리에 사용하는 RPCVD를 그대로 이용한 것으로, 먼저 플라즈마 발생 부분은 유입된 수소 또는 불활성가스를 플라즈마 상태로 만들어 주는 구성 부분으로 주파수발전기(RF Generator)(20), 정합망(Matching Network)(22) 그리고 플라즈마 발생코일(24)로 구성된다. That is, the quantum dot generation device of the thin film, which is an inert gasification apparatus used in the present invention, uses RPCVD used for a conventional gas plasma treatment as it is. First, the plasma generating portion is configured to make the introduced hydrogen or inert gas into a plasma state. It is composed of a frequency generator (RF Generator) 20, matching network (22) and plasma generating coil (24).
그리고 챔버(10) 부분은 화합물반도체 박막(30a)을 로딩하여 플라즈마 처리가 행해지는 부분으로, 로딩홀더(Loading Holder)(12)에는 시료인 박막(30a)의 온도를 올릴 수 있는 히터(Heater)(14)와 온도조절기(Temperature Controller)(16)가 연결되고, 또한 상기 챔버(10) 안을 고진공으로 유지하기 위해 10 -5 Torr의 진공을 유지할 수 있는 진공펌프(18)가 부착된다.The chamber 10 is a portion in which a plasma treatment is performed by loading the compound semiconductor thin film 30a. The heating holder 12 may raise a temperature of the thin film 30a as a sample. 14 and a Temperature Controller 16 are connected, and a vacuum pump 18 that is capable of maintaining a vacuum of 10 -5 Torr is attached to maintain the chamber 10 at a high vacuum.
아울러 불활성가스화에 쓰이는 RPCVD는 플라즈마를 발생시킬 수 있는 대표적인 장치로서 유입되는 불활성가스에 고에너지를 부여할 수 있는 불활성기체화 장치의 예시적인 장치이므로, 이러한 원리를 적용할 수 있는 기타 장치들도 양자점 제작에 쓰일 수 있음은 물론이다. In addition, RPCVD, which is used for inert gasification, is a representative device for generating plasma, and is an exemplary device of an inert gasification device that can give high energy to an inert gas that flows in. Therefore, other devices to which this principle can be applied are also quantum dots. Of course, it can be used for production.
한편, LPE, MOCVD, MBE 등의 방법으로 성장된 화합물반도체 박막(30a)을 상술한 구성의 플라즈마 발생장치인 RPCVD에 로딩하며, 시료인 박막(30)이 로딩된 챔버(10) 안의 불순물 등을 제거하기 위해 진공펌프(18)를 이용하여 펌핑한 후 불활성기체화 과정을 수행하게 된다. Meanwhile, the compound semiconductor thin film 30a grown by the method of LPE, MOCVD, MBE, or the like is loaded into the RPCVD which is the plasma generator having the above-described configuration, and impurities in the chamber 10 loaded with the sample thin film 30 are loaded. In order to remove the pump by using a vacuum pump 18, the inert gasification process is performed.
즉, 성장된 화합물반도체 박막(30a)을 챔버(10)에 로딩한 후 진공펌프(18)를 이용하여 상기 챔버(10) 내의 진공상태를 10 -4 Torr로 펌핑하고, 로딩홀더(12)의 히터(14)를 이용하여 박막(30a)의 온도를 80-100℃로 높혀준 후 함유 물질(28)를 통해 수소 또는 불활성가스가 유입되게 하며, 이때 유량조절기(MFC : Mass Flow Controller) (26)를 통해 유입되는 불활성가스의 양이 조절되어 플라즈마 발생부분으로 유입된다.That is, after loading the grown compound semiconductor thin film 30a into the chamber 10, the vacuum state in the chamber 10 is pumped to 10 −4 Torr using the vacuum pump 18, and the loading holder 12 After raising the temperature of the thin film 30a to 80-100 ° C. using the heater 14, hydrogen or an inert gas is introduced through the containing material 28, and at this time, a mass flow controller (MFC) (26) The amount of inert gas flowing through the control panel is controlled to flow into the plasma generating part.
그리고 플라즈마 발생 부분인 플라즈마 발생코일(24)을 발진시켜 유입되는 불활성가스를 플라즈마 상태의 고에너지로 변환하여 로딩홀더(12)에 놓여있는 화합물반도체 박막(30a)에 입사시켜 양자점 구조의 화합물반도체 박막(30a)을 생성하게 한다. Then, the plasma generating coil 24, which is a plasma generating portion, is oscillated to convert the inert gas into high energy in the plasma state and enter the compound semiconductor thin film 30a placed in the loading holder 12 to inject the compound semiconductor thin film having a quantum dot structure. Generate 30a.
일반적인 불활성기체화 과정은 입사되는 불활성가스 플라즈마의 에너지를 크게 하여 수소 또는 불활성기체가 박막(30a) 안으로 들어가도록 하나, 본 발명의 양장점 형성과정에서는 화합물반도체 박막(30a)과 불활성기체가 상호작용을 하여 재결정화를 유도하기 위한 것이기 때문에 에너지를 더 작게 해야한다. In general, the inert gasification process increases the energy of the incident inert gas plasma so that hydrogen or inert gas enters the thin film 30a, but in the process of forming the dressing point of the present invention, the compound semiconductor thin film 30a and the inert gas interact with each other. This is to induce recrystallization, so the energy must be made smaller.
그리고 유입되는 불활성기체 플라즈마의 양인 유입량의 조절과 파워밀도(Power Density)의 조절, 시료인 화합물반도체 박막(30a)의 온도 조절을 통하여 양자점(32)의 크기와 밀도를 조절할 수 있다. Then, the inflow amount, the power density, and the temperature control of the compound semiconductor thin film 30a as a sample are controlled. Through the size and density of the quantum dot 32 can be adjusted.
즉, 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 생성된 양자점의 밀도와 너비 변화를 나타낸 그래프인 도 3a에서 보는 바와 같이, X축의 불활성기체화 처리시 반응 압력이 증가하면 양자점(32)의 밀도가 증가되며, 0.7Torr 이상 되면 밀도가 감소하고, 또한 양자점(32)의 너비가 감소하는 것을 알 수 있다. That is, as shown in Figure 3a, which is a graph showing the density and width change of the quantum dots generated by the inert gasification method of the present invention, the density of the quantum dots 32 increases when the reaction pressure increases during the X-axis inert gasification process When the density is 0.7 Torr or more, the density decreases and the width of the quantum dot 32 decreases.
아울러 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 생성된 양자점의 높이 변화를 나타낸 도 3b에서 보는 바와 같이, 불활성기체화에서 플라즈마의 파워(Power)를 변화시키면 45-50W 구간에서는 양자점(32)의 높이가 증가하며 50-60W 구간에서는 높이가 양자점(32)의 높이가 급격히 감소하는데, 불활성기체화에서 수소 또는 불활성기체의 압력이 증가하면 양자점(32)의 높이가 감소하므로 불활성기체화 반응시에 고압 및 고전력 하에서 양자점의 높이가 최소화되는 것을 알 수 있다. In addition, as shown in Figure 3b showing the change in the height of the quantum dot generated by the inert gasification method of the present invention, when the power of the plasma in the inert gasification changes the height of the quantum dot 32 in the 45-50W section In the 50-60W section, the height of the quantum dot 32 decreases rapidly. In the inert gasification, if the pressure of hydrogen or the inert gas increases, the height of the quantum dot 32 decreases. It can be seen that the height of the quantum dot is minimized under high power.
한편, 도 2b에서 보는 바와 같이 일반적인 LPE, MOCVD, MBE 방법에 의해 성장된 박막(30b)은 기판(34) 위에 얇은 판 모양의 박막(30b)으로 성장되며, 이러한 박막(30b)을 이용하여 적외선 탐지소자(도면도시 생략)를 제작할 경우 77K 저온에서만 동작하게 된다. Meanwhile, as shown in FIG. 2B, the thin film 30b grown by the general LPE, MOCVD, and MBE methods is grown into a thin plate-like thin film 30b on the substrate 34, and infrared light is generated using the thin film 30b. If a detector (not shown) is manufactured, it operates only at 77K low temperature.
아울러 도 2a에서 보는 것과 같이, RPCVD에서 플라즈마 상태의 수소 또는 불활성가스를 이용한 불활성기체화로 양자점(32)이 생성된 본 발명에 의한 화합물반도체 박막(30a)은 수십에서 수백 크기의 3차원 섬모양의 양자점 구조를 나타내게 되는데, 이와 같은 양자점 구조로부터 양자화 효과를 얻어낼 수 있으며 이러한 양자점 구조로 성장된 화합물반도체 박막을 이용한 적외선 탐지소자는 상온에서 동작 과 더불어 광범위하게 적용되지는 소자개발이 가능하다. In addition, as shown in FIG. 2A, the compound semiconductor thin film 30a according to the present invention, in which quantum dots 32 are generated by inert gasification using hydrogen or an inert gas in a plasma state in RPCVD, has a three-dimensional island shape of several tens to several hundreds in size. The quantum dot structure is shown, and the quantization effect can be obtained from the quantum dot structure, and the infrared detection device using the compound semiconductor thin film grown with the quantum dot structure operates at room temperature. In addition, it is possible to develop devices that are widely applied.
즉, 본 발명은 MBE 방법 등의 통상적인 박막 성장방법을 이용하여 2차원층(2D Layer)인 화합물반도체 박막을 성장시키는 한편 불활성기체화 작업의 후처리를 통해 그 크기와 밀도가 조절 가능한 양자점을 형성할 수 있으며, 이러한 조절이 가능한 것은 불활성기체화 처리시 시료인 화합물반도체 박막(30a)에 공급해주는 플라즈마의 파워와 박막의 온도 조절이 가능하여 그 처리시간에 따라서 변화됨을 알 수 있다. That is, the present invention grows a compound semiconductor thin film, which is a 2D layer, using a conventional thin film growth method such as the MBE method, and the quantum dots whose size and density can be controlled through post-treatment of inert gasification work. It can be seen that this control is possible, it can be seen that the power of the plasma supplied to the compound semiconductor thin film 30a as a sample during the inert gasification treatment and the temperature of the thin film can be adjusted according to the processing time.
특히, 본 발명에 의해 생성되는 화합물반도체 박막인 GaN, CdTe, HgCdTe 박은 전기적으로 고온도(High Temperature), 고주파수(High Frequency), 고전력장치(High Power Device)에 이용되는 물질로 광학적으로는 양자점 형성시에 그 응용 분야가 광범위하며, 본 발명에 의해 형성되는 양자점의 분포는 고분해능전자주사현미경(HRSEM : High Resolution Scanning Electron Microscope)과 AFM(Atomic Force Microscope) 장비를 통해서 확인할 수 있다. In particular, GaN, CdTe, HgCdTe foil, which is a compound semiconductor thin film produced by the present invention, is a material that is electrically used for high temperature, high frequency, and high power device. The application field is extensive in the city, and the distribution of the quantum dots formed by the present invention can be confirmed through high resolution scanning electron microscope (HRSEM) and atomic force microscope (AFM) equipment.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 각각의 화합물반도체 박막(30a)에 양자점(32)이 생성된 상태를 보인 현미경사진으로, 도 4a는 GaN 기판(34)에 불활성기체화 처리를 통한 GaN 양자점(32)의 형성을 AFM 측정을 통해서 관측한 것으로서 섬모양의 양자점(32)이 생성된 것을 알 수 있었으며, 도 4b는 도 4a의 양자점(32)이 형성된 박막(30a)을 확대해서 3차원으로 도시한 것이다. 4A to 4F are micrographs showing quantum dots 32 formed on each compound semiconductor thin film 30a by the inert gasification method of the present invention, and FIG. 4A is an inert gas on the GaN substrate 34. The formation of GaN quantum dots 32 through the treatment was observed by AFM measurement, and it was found that island-like quantum dots 32 were formed, and FIG. 4B shows the thin film 30a on which the quantum dots 32 of FIG. 4A were formed. It is enlarged and shown in three dimensions.
그리고 도 4c는 Al 2 O 3 기판(34) 위에 성장한 GaN 박막(30a)에서 불활성기체화 작업을 통해서 양자점(32)이 형성된 것을 HRSEM으로 촬영한 것이고, 도 4d는 Cd 0.96 Zn 0.04 Te 기판(34) 위에 성장한 CdTe 박막(30a)에서 불활성기체화 작업을 통해서 형성한 양자점(32)을 HRSEM으로 촬영한 것이다.4C is a photograph of the quantum dots 32 formed by inert gas in the GaN thin film 30a grown on the Al 2 O 3 substrate 34 by HRSEM, and FIG. 4D illustrates a Cd 0.96 Zn 0.04 Te substrate (34). In the CdTe thin film 30a grown on the quantum dots 32 formed by inert gasification work is taken by HRSEM.
또한 도 4e는 Facet Si 기판(34) 위에 성장한 GaN 박막(30a)에서 불활성기체화 작업을 통해서 형성된 양자점(32)을 HRSEM으로 촬영한 것이며, 도 4f는 Cd 0.96 Zn 0.04 Te 기판(34) 위에 성장한 Hg 0.6 Cd 0.4 Te 박막(30a)에서 불활성기체화 작업을 통해서 형성한 양자점(32)을 HRSEM으로 촬영한 것이며, 이러한 본 발명의 현미경사진에서도 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 양자점 생성방법은 다양한 화합물반도체 기판(34)에 적용 가능할 뿐만 아니라, 종류에 관계없이 거친 기판(34) 표면에 본 발명에 의한 양자점(32a)의 생성이 가능하다.In addition, FIG. 4E shows a quantum dot 32 formed by HRSEM in a GaN thin film 30a grown on a Facet Si substrate 34 by HRSEM, and FIG. 4F is grown on a Cd 0.96 Zn 0.04 Te substrate 34. The quantum dots 32 formed by HG 0.6 Cd 0.4 Te thin film 30a through inert gasification are photographed by HRSEM. As can be seen from the micrographs of the present invention, the method for generating quantum dots according to the present invention is various. Not only is it applicable to the compound semiconductor substrate 34, but also the production | generation of the quantum dot 32a by this invention is possible in the rough substrate 34 surface regardless of a kind.
한편, 양자점 형성과정을 통해 생성되는 양자점(32)을 이용해서 Single Electron Transistor, 발광소자, 수광소자 등의 모든 소자의 응용이 가능하며, 이러한 양자점(32)을 적용하여 제작된 소자는 양자점(32)의 특성으로 인해서 보다 향상된 성능이 제공될 수 있다. On the other hand, by using the quantum dot 32 generated through the quantum dot forming process, it is possible to apply all devices such as a single electron transistor, a light emitting device, a light receiving device, and the device manufactured by applying the quantum dot 32 is a quantum dot (32) Due to the nature of), improved performance can be provided.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법은, 통상의 박막 성장방법인 LPE, MOCVD, MBE 방법 등에 관계없이 화합물반도체인 GaN와 Hg 1-x Cd x Te 박막을 성장시켜 불활성기체화 작업의 후처리를 통해 상온 조절이 가능한 양자점을 형성시킬 수 있으며, 특히 불활성기체 플라즈마의 파워밀도나 유입량의 조절을 통해 생성되는 양자점 구조의 GaN와 Hg 1-x Cd x Te 박막의 크기와 밀도를 조절할 수 있어, 기존의 Stranski-Krastanov 방법에 비해 제작 방법이 쉽고 기판의 종류에 상관없이 양자점 형성이 가능할 수 있다.As described above, the method for generating the quantum dot of the compound semiconductor thin film by hydrogen and inert gas according to the present invention is GaN and Hg 1-x Cd x which are the compound semiconductors regardless of the conventional thin film growth method such as LPE, MOCVD, MBE method, etc. The Te thin film can be grown to form quantum dots that can be controlled at room temperature through post-treatment of inert gasification, and in particular, GaN and Hg 1-x Cd of quantum dot structure generated by controlling power density or inflow of inert gas plasma Since the size and density of the x Te thin film can be controlled, the manufacturing method is easier than the conventional Stranski-Krastanov method, and quantum dots can be formed regardless of the substrate type.
이는 결과적으로, 77K 저온을 유지하기 위해 액체질소 용기의 부착이 요구되는 것은 물론 부피가 커서 휴대성이 낮고 가격이 비싸 상용화가 어려운 기존의 화합물반도체 양자점 생성방법의 문제점을 해결할 수 있어, 기판의 종류에 관계없이 박막의 양자점 생성이 용이하면서도 가격과 부피가 줄어들고 특히 상온 동작이 가능하여 Wetting Layer가 없는 구조의 적외선 탐지소자나 기타 광소자 및 전기소자는 물론 군사용, 의료용 소자에 보다 광범위하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다. As a result, it is not only required to attach the liquid nitrogen container to maintain the 77K low temperature, but also to solve the problem of the conventional method of producing a compound semiconductor quantum dot, which is bulky, low in portability, and difficult to commercialize. Regardless of whether the thin film is easily produced, the price and volume are reduced, and especially, it can be operated at room temperature. Therefore, it can be applied to the infrared detection device or other optical device and the electric device as well as the military and medical device without the wetting layer. It is expected to be.
도 1은 양자점 생성을 위한 불활성기체 공급장치인 RPCVD의 계략적인 구성도. 1 is a schematic configuration diagram of RPCVD which is an inert gas supply device for generating quantum dots.
도 2b는 기존의 Stranski-Krastanov 방법에 의해 생성된 화합물반도체 박막의 구조도. Figure 2b is a structural diagram of a compound semiconductor thin film produced by the conventional Stranski-Krastanov method.
도 2a는 본 발명의 수소 및 불활성기체화 방법에 의해 생성된 양자점 구조의 화합물반도체 박막의 구조도. Figure 2a is a structural diagram of a compound semiconductor thin film having a quantum dot structure produced by the hydrogen and inert gasification method of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 생성된 양자점의 밀도와 너비 변화를 나타낸 그래프 및 양자점의 높이 변화를 보인 그래프. 3a and 3b are graphs showing the density and width change of the quantum dot produced by the inert gasification method of the present invention and a graph showing the height change of the quantum dot.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 각각의 화합물반도체 박막에 양자점이 생성된 상태를 보인 AFM 사진도. 4A and 4B are AFM photographs showing a state in which quantum dots are formed in each compound semiconductor thin film by the inert gasification method of the present invention.
도 4c 내지 도 4f는 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 각각의 화합물반도체 박막에 양자점이 생성된 상태를 보인 HRSEM 사진도. 4C to 4F are HRSEM photographs showing a state in which quantum dots are formed in each compound semiconductor thin film by the inert gasification method of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 챔버 12 : 로딩홀더 10 chamber 12 loading holder
14 : 히터 16 : 온도조절기 14 heater 16 temperature controller
18 : 진공펌프 20 : 주파수발전기 18: vacuum pump 20: frequency generator
22 : 정합망 24 : 플라즈마 발생코일 22: matching network 24: plasma generating coil
26 : 유량조절기 28 : 가스유입부 26: flow regulator 28: gas inlet
30a: 화합물반도체 박막 32 : 양자점 30a: compound semiconductor thin film 32: quantum dot
34 : 기판 34: substrate
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