KR100485874B1 - 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법 - Google Patents
수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법 Download PDFInfo
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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
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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
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, 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.
Description
본 발명은 기판과 박막의 격자상수차(격자부정합)가 5% 내외가 되지 않는 기판을 사용하여 GaN와 Hg
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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.
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.
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.
한편, 에너지띠 간격이 비교적 넓은 ZnSe, SiC 그리고 GaN 등의 박막과 적외선 탐지소자에 사용되는 Hg
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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.
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.
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.
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.
즉, 종래의 성장방법으로 양자점을 만들기 위해서는 Stranski-Krastanov 방법을 사용해야 하기 때문에 기판 선택의 문제가 발생하며, 특히 LPE 방법으로는 양자점 구조를 성장할 수가 없다.
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.
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.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판과 박막의 격자상수차가 5% 내외가 되지 않는 기판을 사용하여 기판 종류에 관계없이 GaN와 Hg
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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.
또한 본 발명은 기존의 Stranski-Krastanov 방법에 비해 제작방법이 쉽게 기판의 종류에 관계없이 양자점 형성이 가능하면서 양자점 구조의 GaN와 Hg
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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.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법은, CdTe, CdZnTe, GaAs, Al
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, 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.
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.
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.
이하, 첨부된 도면에 의한 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 작동원리가 쉽게 이해될 수 있다.
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.
우선, 첫 번째로 화합물반도체 박막의 성장과정은 기존의 성장방법들을 그대로 이용하게 되는데, CdTe, CdZnTe, GaAs, Sapphire(Al
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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.
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.
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.
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.
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
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Torr의 진공을 유지할 수 있는 진공펌프(18)가 부착된다.
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.
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.
즉, 성장된 화합물반도체 박막(30a)을 챔버(10)에 로딩한 후 진공펌프(18)를 이용하여 상기 챔버(10) 내의 진공상태를 10
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
그리고 도 4c는 Al
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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.
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.
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.
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.
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.
도 1은 양자점 생성을 위한 불활성기체 공급장치인 RPCVD의 계략적인 구성도.
도 2b는 기존의 Stranski-Krastanov 방법에 의해 생성된 화합물반도체 박막의 구조도.
도 2a는 본 발명의 수소 및 불활성기체화 방법에 의해 생성된 양자점 구조의 화합물반도체 박막의 구조도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 생성된 양자점의 밀도와 너비 변화를 나타낸 그래프 및 양자점의 높이 변화를 보인 그래프.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 각각의 화합물반도체 박막에 양자점이 생성된 상태를 보인 AFM 사진도.
도 4c 내지 도 4f는 본 발명의 불활성기체화 방법에 의해 각각의 화합물반도체 박막에 양자점이 생성된 상태를 보인 HRSEM 사진도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 챔버 12 : 로딩홀더
14 : 히터 16 : 온도조절기
18 : 진공펌프 20 : 주파수발전기
22 : 정합망 24 : 플라즈마 발생코일
26 : 유량조절기 28 : 가스유입부
30a: 화합물반도체 박막 32 : 양자점
34 : 기판
Claims (3)
- CdTe, CdZnTe, GaAs, Al 2 O 3 와 같은 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 하는 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법.
- 제 1항에 있어서,상기 양자점 형성과정은 성장된 화합물반도체 박막(30a)을 챔버(10)에 로딩한 후 진공펌프(18)를 이용하여 상기 챔버(10) 내의 진공을 유지하고, 로딩홀더(12)의 히터(14)를 이용하여 박막(30a)의 온도를 조절하여준 후 가스유입부(28)를 통해 수소 또는 불활성기체가 유입되게 하며, 플라즈마 발생코일(24)을 발진시켜 유입되는 수소 또는 불활성기체를 플라즈마 상태의 고에너지로 변환하여 로딩홀더(12)에 놓여있는 화합물반도체 박막(30a)에 입사시켜 양자점 구조의 화합물반도체 박막(30a)을 생성하게 되는 것을 특징으로 하는 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 양자점 형성과정을 통해 생성되는 양자점 구조의 화합물반도체 박막(30a)은 통상의 Stranski-Krastanov 방법을 이용하지 않고 기체 플라즈마의 파워밀도 및 유입량의 조절과 시료인 화합물반도체 박막(30a)의 온도 조절을 통해 양자점(32)의 크기와 밀도가 조절되는 것을 특징으로 하는 수소 및 불활성기체에 의한 화합물반도체 박막의 양자점 생성방법.
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