KR20140024303A - 금속-비금속 화합물의 계면활성제 결정 성장을 위한 방법 - Google Patents

금속-비금속 화합물의 계면활성제 결정 성장을 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시드 결정을 제공하는 절차, 제1 금속의 원자를 상기 시드 결정과 접촉하도록 도입하여 상기 시드 결정 표면 위에 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하는 절차, 상기 시드 결정의 온도를 상기 습윤층 중에 MN 분자를 용해시키는 데 필요한 최소 온도보다 낮고 상기 제1 금속의 융점보다 높게 설정하는 절차로서, 상기 MN 분자의 각각은 제2 금속의 원자 및 제1 비금속의 원자로부터 형성되는 것인 절차, MN 계면활성제 단층을 형성하는 상기 MN 분자를 도입하여, MN 계면활성제 단층과 시드 결정 표면 사이의 습윤층의 형성을 촉진하는 절차; 및 습윤층의 두께를 조절하여, 상기 시드 결정 위에 상기 MN 화합물의 에피택셜층을 성장시키는 절차를 포함하는 금속-비금속(MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키는 방법에 관한 것이다.

Description

금속-비금속 화합물의 계면활성제 결정 성장을 위한 방법{METHOD FOR SURFACTANT CRYSTAL GROWTH OF A METAL-NONMETAL COMPOUND}
본 발명은 결정 성장, 일반적으로 특히 계면활성제를 사용하여 금속-비금속 화합물의 결정을 성장시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
액체 용융물로부터 결정을 성장시키기 위한 방법이 당해 분야에 공지되어 있다. 예를 들면, 미국 특허 제7,097,707호(특허권자: Xu, 발명의 명칭: "GaN boule grown from liquid melt using GaN seed wafers")는 단결정 GaN 볼을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 제1 방법은 공정 조건 하에 GaN 시드 웨이퍼를 GaN 공급원 환경과 접촉시키는 절차를 포함한다. 상기 공정 조건은 GaN 시드 웨이퍼 위에 질화갈륨을 성장시켜 GaN 볼을 형성하기 위한 GaN 공급원 환경에서의 열 경사를 포함한다. 공급원 환경은 가용화된 GaN을 포함하는 갈륨 용융물 및 질소 공급원 또는 초임계 암모니아로부터 선택될 수 있다.
제2 방법은 갈륨 용융물을 제공하는 절차 및 열 경사 하에 질소 공급원의 존재 하에 GaN 시드 웨이퍼를 갈륨 용융물과 접촉시키는 절차를 포함한다. 이는 GaN 시드 웨이퍼 위에 질화갈륨을 성장시켜, GaN 볼을 형성한다. GaN 시드 웨이퍼가 회전형 봉에 부착한다. 회전형 봉이 회전해서, GaN 시드 웨이퍼를 회전시키고, GaN 볼의 성장 동안 갈륨 용융물로부터 봉 및 GaN 시드 웨이퍼를 끌어당긴다. 질소 공급원은 원자 질소, 질소 이온 및 이질소 이온을 포함하는 질소 플라스마를 포함한다. 또한, 주변 환경은 갈륨 용융물 및 GaN 시드 웨이퍼로부터 형성된다. 질소 플라스마는 직류 방전, 무선주파수 방전 및 마이크로파 방전으로부터 선택된 방전 기술에 의해 생성된다. 갈륨 용융물의 온도는 약 900℃ 내지 약 1500℃이다. GaN 크러스트는 질소 공급원과 갈륨 용융물 사이의 반응으로부터 갈륨 용융물의 표면에 형성된다. 열 경사는 GaN 시드층에서보다 GaN 크러스트에서 더 높은 온도를 가져, 갈륨 용융물 중에 용해된 원자 질소를 통해 질화갈륨은 크러스트로부터 GaN 시드 웨이퍼 위의 질화갈륨의 성장으로 이송된다. 크러스트 내의 GaN은 크러스트에서의 온도에서 평형 농도로 원자 질소로 분해된다. 원자 질소 평형 농도는 GaN 시드 웨이퍼에서의 온도에 비해 과포화여서, 시드 웨이퍼에서 GaN의 호모에피택셜 성장을 생성한다.
미국 특허 제7,892,513호(특허권자: Fujiwara 등, 발명의 명칭: Group III nitride crystal and method of its growth)는 결정 성장 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 주면을 갖고, 적어도 이의 주면 측 위에 III족 질화물 결정과 동일한 화학 조성을 갖는 III족 질화물 시드 결정을 포함하는 기재를 제조하는 단계를 포함한다. 주면을 따른 쓰래딩 전위(threading dislocation)의 평균 밀도는 5x106㎝-2 이하이다. 상기 방법은 질소 함유 가스가 III족 금속 함유 용매 중에 용해된 용액을 기재의 주면과 접촉시켜 기재의 주면에 III족 질화물 결정을 성장시키는 단계를 추가로 포함한다.
개시된 기술의 목적은 얇은 액체 금속 습윤층 위에 있는 계면활성제로부터 고품질 금속-비금속 화합물 결정을 성장시키기 위한 신규한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. 개시된 기술에 따르면, 시드 결정을 제공하는 절차 및 제1 금속의 원자를 상기 시드 결정과 접촉하도록 도입하여 상기 시드 결정의 적어도 하나의 표면 위에 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하는 절차를 포함하는 금속-비금속(metal-nonmetal: MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키기 위한 방법이 따라서 제공된다. 상기 방법은 또한 상기 시드 결정의 온도를 상기 얇은 액체 금속 습윤층 중에 MN 분자를 용해시키는 데 필요한 최소 온도보다 낮고 상기 제1 금속의 융점보다 높게 설정하는 절차를 포함한다. 상기 MN 분자의 각각은 제2 금속의 적어도 하나의 원자 및 제1 비금속의 적어도 하나의 원자로부터 형성된다. 상기 방법은 MN 계면활성제 단층을 형성하는 상기 MN 분자를 도입하여, 상기 MN 계면활성제 단층과 상기 시드 결정 표면 사이의 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 형성을 촉진하는 절차를 추가로 포함한다. 상기 방법은 마지막으로 상기 MN 계면활성제 단층의 상기 MN 분자 중 적어도 몇몇이 상기 시드 결정 표면과 커플링하도록 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 두께를 조절하여, 상기 시드 결정 위에 상기 MN 화합물의 에피택셜층(epitaxial layer)을 성장시키는 절차를 포함한다.
개시된 기술의 다른 양태에 따르면, 시드 결정을 제공하는 절차 및 상기 시드 결정의 근처에 제1 금속의 원자를 도입하여 상기 시드 결정의 적어도 하나의 표면 위에 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하는 절차를 포함하는 금속-비금속(MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키는 방법이 따라서 제공된다. 상기 방법은 또한 상기 시드 결정의 온도를 상기 얇은 액체 금속 습윤층 중에 MN 분자를 용해시키는 데 필요한 최소 온도보다 낮고 상기 제1 금속의 융점보다 높게 설정하는 절차를 포함한다. 상기 MN 분자의 각각은 제2 금속의 적어도 하나의 원자 및 제1 비금속의 적어도 하나의 원자로부터 형성된다. 상기 방법은 MN 계면활성제 단층을 형성하는 상기 MN 분자를 도입하여, 상기 MN 계면활성제 단층과 상기 시드 결정 표면 사이의 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 형성을 촉진하는 절차를 추가로 포함한다. 상기 방법은 마지막으로 상기 MN 계면활성제 단층의 상기 MN 분자 중 적어도 몇몇이 상기 시드 결정 표면과 커플링하도록 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 두께를 조절하여, 상기 시드 결정 위에 상기 MN 화합물의 에피택셜층을 성장시키는 절차를 포함한다.
개시된 기술의 추가의 양태에 따르면, 성장 챔버, 페데스탈(pedestal) 및 모터를 포함하는 금속 용융물로부터의 금속-비금속(MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키기 위한 시스템이 따라서 제공된다. 상기 페데스탈은 상기 성장 챔버 내에 위치한다. 상기 모터는 상기 페데스탈과 커플링되고 상기 성장 챔버 내에서 상기 페데스탈을 이동시키기 위한 것이다. 시드 결정의 성장면이 상기 페데스탈의 반대 방향을 향하도록 시드 결정을 상기 페데스탈 위에 위치시킨다. 상기 성장 챔버를 상기 금속 용융물로 충전하여 상기 성장면을 상기 금속 용융물의 박층으로 피복한다. 비금속 가스를 상기 성장 챔버로 상기 금속 용융물의 표면 위로 도입한다. 상기 비금속 가스의 입자 및 상기 금속 용융물의 입자가 상호작용하여, MN 계면활성제 단층을 형성한다. 상기 MN 계면활성제 단층 내의 분자가 상기 성장면에 터널링하도록 상기 성장면과 상기 MN 계면활성제 단층 사이의 거리를 조절하여, 상기 성장면 위에 적어도 하나의 결정층을 에피택셜로 성장시킨다.
개시된 기술의 다른 양태에 따르면, 성장 챔버, 제1 가스 입구 및 제2 가스 입구를 포함하는 박막으로부터의 금속-비금속(MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키기 위한 시스템이 따라서 제공된다. 상기 제1 가스 입구는 상기 성장 챔버와 커플링되고 금속 증기를 상기 성장 챔버로 도입하기 위한 것이다. 상기 제2 가스 입구는 상기 성장 챔버와 커플링되고 비금속 증기를 상기 성장 챔버로 도입하기 위한 것이다. 시드 결정을 상기 성장 챔버 내에 위치시킨다. 상기 성장 챔버를 상기 금속 증기 및 상기 비금속 증기로 동시에 충전하여, 상기 금속 증기 및 상기 비금속 증기가 상기 시드 결정의 성장면에 동시 증착되어, 상기 금속 증기로부터의 얇은 액체 금속 습윤층 및 상기 얇은 액체 금속 습윤층 위의 MN 계면활성제 단층을 형성한다. 상기 금속 증기의 농도는 초기에 상기 비금속 증기의 농도보다 높아 상기 얇은 액체 금속 습윤층이 형성된다. 상기 MN 계면활성제 단층 내의 MN 분자가 상기 성장면에 터널링하도록 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 두께를 조절하여, 상기 성장면 위에 적어도 하나의 결정층을 에피택셜로 성장시킨다.
개시된 기술은 도면과 함께 하기 상세한 설명으로부터 더 완벽히 이해되고 인식될 것이다:
도 1은 개시된 기술의 실시양태에 따라 조작되는 계면활성제로부터의 금속-비금속 화합물의 결정을 성장시키기 위한 방법의 도해;
도 2a는 개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 도 1의 방법을 이용하여 성장된 금속-비금속 화합물 결정의 원자 구조의 제1 도해;
도 2b는 개시된 기술의 추가의 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 도 1의 방법을 이용하여 성장된 금속-비금속 화합물 결정의 원자 구조의 제2 도해;
도 2c는 개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 도 1의 방법을 이용하여 성장된 금속-비금속 화합물 결정의 원자 구조의 제3 도해;
도 2d는 개시된 기술의 추가의 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 도 1의 방법을 이용하여 성장된 금속-비금속 화합물 결정의 원자 구조의 제4 도해;
도 3a는 개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 도 1의 방법을 이용하여 금속-비금속 화합물 결정을 성장시키기 위한 시스템의 도해;
도 3b는 개시된 기술의 추가의 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 도 1의 방법을 이용하여 금속-비금속 화합물 결정을 성장시키기 위한 다른 시스템의 도해;
도 4a는 개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 에피택셜로 성장한 결정의 도해;
도 4b는 개시된 기술의 추가의 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 맨하탄 구조를 나타내는 에피택셜로 성장한 결정의 도해;
도 4c는 개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 나노와이어 구조를 나타내는 에피택셜로 성장한 결정의 도해.
개시된 기술은 얇은 액체 금속 습윤층 위에 있는 계면활성제로부터 고품질 금속-비금속 화합물 결정을 성장시키는 신규한 방법을 제공함으로써 선행 기술의 단점을 극복한다. 개시된 기술에 따르면, 얇은 액체 금속 습윤층은 얇은 액체 금속 습윤층 중에 용해하지 않는 비금속 원자 또는 금속-비금속 입자가 제공된다. 비금속 원자 및 입자는 얇은 액체 금속 습윤층의 금속 원자 및 입자와 조합되고 얇은 액체 금속 습윤층의 상면에 흡착되어 소금속성(metallophobic) 측 및 호금속성(metallophilic) 측을 갖는 특정 배치를 갖는 금속-비금속 분자의 계면활성제 단층을 형성한다. 결정으로 성장하는 시드 결정에 밀접하게 근접하는 경우, 물리적 메커니즘은 계면활성제 단층의 금속-비금속 분자가 점핑하거나 터널링하거나 확산하고, 시드 결정과 커플링하도록 한다. 복수의 이러한 점프는 시드 결정 위에 금속-비금속 분자의 에피택셜층을 형성하여, 이의 용적을 증가시키고 실질적으로 시드 결정 위에 금속-비금속 화합물 결정을 성장시킨다. 계면활성제 단층에 금속-비금속 분자를 계속해서 공급하면서 성장하는 시드 결정과 얇은 액체 금속 습윤층의 상부 수준 사이의 거리를 조정하면 시드 결정이 금속-비금속 화합물 결정으로 에피택셜로 성장한다.
개시된 기술은 결정 성장을 위한 일반 방법에 관한 것이고 화합물 재료로부터 성장한 결정으로 제한된다. 일반적으로, 개시된 기술을 이용하여 성장한 결정은 본원에서 MN 화합물이라 축약하여 칭하는 적어도 하나의 금속 및 적어도 하나의 비금속을 포함하는 전구체 화합물로부터 성장한다. 개시된 기술의 설명에서, 용어 '금속'은 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 란탄족 원소, 악티늄족 원소 또는 다른 금속으로 분류되는 원소 주기율표에서의 임의의 원소를 나타내기 위해 사용된다. 개시된 기술의 설명에서, 용어 '비금속'은 수소(H), 붕소(B), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 규소(Si), 인(P), 황(S), 비소(As), 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 텔루륨(Te), 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)와 같은 비금속 또는 할로겐으로 분류되는 원소 주기율표에서의 임의의 원소를 나타내기 위해 사용된다. 전구체 화합물로서 사용될 수 있는 MN 화합물의 예로는 질화갈륨(GaN), 산화알루미늄(Al2O3), 카드뮴 아연 셀레나이드(CdZnSe), 인듐 갈륨 질화물(InGaN), 스피넬(MgAl2O4), 이트륨 바륨 구리 옥사이드(YBa2Cu3O7) 등을 들 수 있다.
개시된 기술의 실시양태에 따라 조작되는 계면활성제로부터 금속-비금속 화합물의 결정을 성장시키는 방법의 도해인 도 1을 이제 참조한다. 절차(100)에서, 시드 결정을 제공한다. 시드 결정은 개시된 기술의 MN 화합물의 결정이 성장하는 기재를 나타낸다. 시드 결정은 임의의 종류의 결정학적 구조 및 배향을 가질 수 있고 어떠한 방식으로든 제한되지 않는다. 상이한 결정학적 구조의 예가 도 4a 내지 도 4c에서 하기 기재되어 있다. 또한, 균일 결정을 성장시키기 위해 시드 결정을 사용할 수 있고, 시드 결정을 포함하는 원소 및 MN 화합물을 포함하는 원소는 실질적으로 유사하다. 불균일 결정을 성장시키기 위해 시드 결정을 또한 사용할 수 있고, 시드 결정을 포함하는 원소 및 MN 화합물을 포함하는 원소는 실질적으로 상이하다. 시드는 추가로 비결정질 또는 결정질 기재에 성장하는 많은 다결정질 시드 중 하나일 수 있는 소결정자(small crystallite)일 수 있다. 개시된 기술에 따르면, 다양한 성장 환경이 가능하고 성장시키고자 하는 특정한 MN 화합물 결정에 따라 달라진다. 또한, 하기 기재된 바대로, 개시된 기술에 따라 MN 화합물 결정을 성장시키는 데 필요한 전구체 재료를 화학 기상 증착(본원에서 CVD(chemical vapor deposition)로 약칭함), 분자 빔 에피택시(본원에서 MBE(molecular beam epitaxy)로 약칭함), 액상 에피택시(본원에서 LPE(liquid phase epitaxy)로 약칭함), 기상 에피택시(본원에서 VPE(vapor phase epitaxy)로 약칭함) 등과 같은 공지된 결정 성장 방법을 이용하여 선택된 성장 환경에서 도입할 수 있다. 따라서, 절차(100)에서, 제공된 시드 결정은 성장시키고자 하는 특정한 MN 화합물 결정 및 필요한 전구체 재료를 도입하기 위해 선택된 방법에 따라 실질적으로 적합한 성장 환경에 위치한다. 제1 례로서, 절차(100)에서, 시드 결정은 용액 성장 또는 LPE에서 사용되는 것과 같은 금속을 용융하기 위한 도가니에 제공되고 위치할 수 있다. 제2 례로서, 절차(100)에서, 시드 결정은 MBE에서 사용되는 것과 같은 고진공 챔버에서 웨이퍼로서 제공되고 위치할 수 있다. 제3 례로서, 시드 결정은 결정질 구조 또는 비결정질 구조에 증착된 다중 시드층으로서 제공될 수 있다.
절차(102)에서, 제1 금속의 원자를 시드 결정의 근처에 도입하여 시드 결정의 적어도 하나의 표면 위에 얇은 액체 금속 습윤층을 형성한다. 절차(102)에 대한 대안으로서, 제1 금속의 원자를 도입하여 시드 결정과 접촉시켜 시드 결정의 적어도 하나의 표면 위에 얇은 액체 금속 습윤층을 형성한다. 상기 언급된 바대로, 제1 금속은 시드 결정에서의 금속과 유사하거나 상이할 수 있다. 또한, 제1 금속은 시드 결정에서의 금속 및 성장시키고자 하는 MN 결정에서의 금속과 상이할 수 있다. 이와 관련하여, 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하는 금속은 개시된 기술에 따르면 MN 결정을 성장시키기 위한 전구체 재료로서 사용되는 금속-비금속 분자에서의 금속 및 시드 결정에서의 금속 둘 다와 상이할 수 있다. 일반적으로, 제1 금속은 낮은 융점, 높은 증발 온도, MN 결정으로서 시드 결정에 증착하는 데에 MN 분자의 열등한 용매와 같은 특정한 속성을 가질 수 있다. 제1 금속의 예로는 수은(Hg), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 주석(Sn), 마그네슘(Mg) 등을 들 수 있다. 이 절차에서의 제1 금속의 원자를 도입하기 위해 당해 분야에서 임의의 공지된 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 제1 금속 원자가 크누센 셀(Knudsen cell)에서 고체로서 위치할 때, 제1 금속 원자를 시드 결정의 적어도 하나의 표면에 결국 응축하는 증기로서 도입할 수 있고, 이후 상기 셀을 가열하여 제1 금속 원자를 증기로서 승화시킬 수 있다. 제1 금속 원자를 또한 이의 표면 중 적어도 하나에 시드 결정을 둘러싸는 액체 금속(즉, 금속 용융물)으로서 도입할 수 있다. 절차(102)에서 제1 금속 원자를 금속 원소 및 비금속 원소를 포함하는 화합물로서 도입할 수 있고, 이 화합물이 시드 결정의 근처에서 해리되어 이 화합물의 비금속 원자를 방출시키고 제1 금속 원자를 시드 결정에 액체로서 응축한다는 것에 주목한다. 시드 결정의 근처에서 도입되고, 결국 시드 결정의 적어도 하나의 표면에 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하는 제1 금속 원자가 시드 결정을 용해시키는 일 없이 시드 결정 표면에 액체 상태로 존재할 수 있도록 절차(100)에서 사용되는 시드 결정을 선택한다는 것에 또한 주목한다.
절차(104)에서, 시드 결정의 온도를 얇은 액체 금속 습윤층 중에 금속-비금속 분자를 용해시키는 데 필요한 최소 온도보다 낮게 설정한다. 이 온도는 액체 온도라 칭할 수 있다. 상기 언급된 바대로, 개시된 기술은 시드 결정에 MN 화합물 결정을 성장시키는 것에 관한 것이다. 결정으로서 성장시키고자 하는 선택된 금속-비금속 화합물에 따라, 시드 결정의 온도를 액체 온도보다 낮지만 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하는 제1 금속 원자의 융점보다 훨씬 높게 설정한다. 개시된 기술의 일 실시양태에서 상기 언급된 금속-비금속 분자가 제1 금속의 적어도 하나의 원자 및 제1 비금속의 적어도 하나의 원자로부터 형성된다는 것에 주목한다. 따라서, 이 절차에서 금속-비금속 분자에서 언급된 금속 및 절차(102)의 얇은 액체 금속 습윤층을 포함하는 금속은 실질적으로 동일하다. 예를 들면, 절차(100)에서 질화갈륨(본원에서 GaN으로 약칭함) 결정을 시드 결정 위에 성장시키는 경우, 절차(102)에서, 갈륨(Ga) 원자를 시드 결정의 근처에 도입하거나, 시드 결정과 접촉하도록 도입하여, 결국 시드 결정 표면에 얇은 액체 갈륨 습윤층을 형성한다. 절차(104)에서, 시드 결정의 온도를 액체 온도보다 낮게 설정하고, 이 예에서는 1150℃ 미만일 것이다. 일반적으로, MN 화합물을 이의 각각의 상태도에 따라 매우 높은 온도 및/또는 매우 높은 압력에 놓지 않으면, MN 화합물을 형성하는 금속의 액체 용융물 중에 MN 화합물이 용이하게 가용성이 아닌 것으로 공지되어 있다.
개시된 기술의 다른 실시양태에 따르면, 상기 언급된 금속-비금속 분자는 제2 금속의 적어도 하나의 원자 및 제1 비금속의 적어도 하나의 원자로부터 형성된다. 따라서, 이 절차에서 금속-비금속 분자에서 언급된 금속 및 절차(102)의 얇은 액체 금속 습윤층을 포함하는 금속은 실질적으로 상이하다. 상기 언급된 바대로, 이 실시양태에서 언급된 제1 금속 및 제2 금속은 시드 결정을 구성하는 금속과 상이할 수 있다. 이전의 실시양태에 따르면, 카보런덤(carborundum)으로도 공지된 탄화규소(본원에서 SiC로 약칭함) 결정은 얇은 액체 규소 습윤층으로부터 성장할 수 있고, 시드 결정 온도를 1400℃보다 높게 설정한다. 이 실시양태에 따르면, SiC는 얇은 액체 주석 습윤층으로부터 성장할 수 있고, 시드 결정 온도를 대략 250℃보다 높게 설정한다. 이 실시양태는 석영, 금홍석(TiO2) 등과 같은 많은 다른 유형의 결정을 성장시키는 데 사용될 수 있다.
절차(106)에서, MN 화합물의 분자를 시드 결정의 성장 환경으로 도입한다. MN 화합물을 금속 및 비금속이 이미 결합된 분자로서 도입할 수 있다. MN 화합물의 증발, MN 전구체의 기화 또는 MN 화합물 표적의 스퍼터링에 의해 이러한 도입을 실행할 수 있다. MN 화합물을 또한 성장 환경에서 조합되어 MN 분자를 형성하는 분리 금속 및 비금속 입자(예를 들면, 원자, 이온, 라디칼 등)로서 도입할 수 있다. 이 제2 유형의 도입에서, 금속 및 비금속 입자를 절차(102)에서 도입되는 제1 금속과 동일한 MN 분자를 구성하는 금속과 동시 증착한다는 것에 주목한다. 예를 들면, 절차(106)가 실행되면서 동시에 발생하는 추가의 선택적 절차에서, 제1 비금속 원자가 절차(106)의 제1 금속 원자와 조합되어 시드 결정에 형성된 얇은 액체 금속 습윤층 위에 MN 분자 및 MN 계면활성제 단층을 형성하도록, 이 제1 비금속 원자를 시드 결정의 성장 환경에서 기화시킬 수 있다. 일반적으로, 계면활성제는 액체의 표면 장력을 감소시켜 액체를 분산시키고 습윤을 개선하는 비누와 같은 물질을 의미한다. MN 분자가 소정의 시드 결정 표면에 지장을 주면서, MN 분자는 얇은 액체 금속 습윤층의 표면 위에 얇은 금속-비금속 계면활성제 단층을 형성하기 시작한다. 일반적으로, 성장 환경으로 도입되는 비금속 원자보다 더 많은 금속 원자가 있을 때에만 얇은 액체 금속 습윤층이 형성될 것이다. MN 분자만이 성장 환경으로 도입되고 시드에 제공되는 경우, 증기 고체 결정 성장은 당해 분야에 공지된 바대로 시드 결정에서 발생할 것이다. 이 MN 층은 실질적으로 MN 화합물의 하나의 분자의 두께라는 점에서 단층이다. MN 단층은 또한 이 단층이 얇은 액체 금속 습윤층의 상면에 있고 이 상면에 실질적으로 편평한 MN 분자의 반복 구조를 포함한다는 점에서 2차원 결정 유사 구조를 나타낸다. 이 MN 층에서의 분자는 그 자체가 계면활성제를 형성하도록 구성되고, 금속 원자가 얇은 액체 금속 습윤층을 바라보는 방향으로 향하고 비금속 원자가 얇은 액체 금속 습윤층으로부터 멀어지는 방향으로 향한다. 이는 도 2a 내지 도 2c에서 하기 더 자세히 기재되어 있고, 이 도면에서 MN 계면활성제 단층은 얇은 액체 금속 습윤층을 바라보는 호금속성 측을 포함하고, 얇은 액체 금속 습윤층으로부터 멀어지는 소금속성 측을 포함하는 것으로 도시되어 있다.
MN 계면활성제 단층은 MN 계면활성제 단층과 소정의 시드 결정 표면 사이에 실질적으로 형성되는 얇은 액체 금속 습윤층의 형성을 촉진한다. 이와 관련하여, MN 계면활성제의 금속 부분은 얇은 액체 금속 습윤층에 다가가는 반면, MN 계면활성제의 비금속 부분은 액체 금속 습윤층으로부터 멀리 벗어난다. 도입된 MN 분자가 얇은 액체 금속 습윤층 중에 전체 분자로서 용해하지 않도록 시드 결정의 온도를 설정하면서, 도입된 MN 분자는 계면활성제 단층으로서 얇은 액체 금속 습윤층의 상면에 실질적으로 흡착한다. MN 계면활성제 단층은 얇은 액체 금속 습윤층을 실질적으로 편평하게 한다.
절차(108)에서, MN 계면활성제 단층 내의 MN 분자 중 적어도 몇몇이 소정의 시드 결정 표면과 커플링하여, 시드 결정 위에 MN 화합물의 에피택셜층을 성장시키도록 얇은 액체 금속 습윤층의 두께를 조절한다. 개시된 기술에 따르면, 얇은 액체 금속 습윤층이 수나노미터 두께와 같이 실질적으로 얇은 경우, MN 계면활성제 단층 내의 MN 분자는 실질적으로 계면활성제 단층으로부터 시드 결정으로 직접 '점핑'하거나, '터널링'하거나, '확산'하고, 시드 결정과 커플링하여, 시드 결정 위에 MN 화합물의 다른 단층을 성장시킬 수 있다. 일반적으로, 계면활성제 단층 내의 MN 분자가 시드 결정 위에 성장하는 결정을 자발적으로 결합시키는 데 필요한 특정한 두께 또는 두께 범위는 MN 화합물로서 선택된 금속 및 비금속, 얇은 액체 금속 습윤층에 대한 금속의 선택, 시드 결정 온도 및 금속 및 비금속 전구체 원소 또는 화합물이 계면활성제 단층으로 도입되는 에너지에 따라 달라진다. 그러므로, 시드 결정 위에 결정으로서 성장한 각각의 유형의 MN 화합물의 경우, MN 계면활성제 단층의 MN 분자가 시드 결정 위에 MN 결정을 성장시키기 위한 전구체 재료로서 작용하도록 이 절차에서 특정한 두께 또는 두께 범위를 조절할 필요가 있다. 얇은 액체 금속 습윤층이 너무 얇아지는 경우, 습윤층은 완전히 건조되고 층마다 에피택셜로 결정을 성장시키는 것이 중지될 것이다. 얇은 액체 금속 습윤층이 너무 두꺼워지는 경우, 계면활성제 단층 내의 MN 분자는 성장하는 결정으로 자발적으로 '점핑'하거나, '터널링'하거나, '확산'할 수 없고, 결정 성장은 전부 중지될 것이다.
절차(108)에서, 얇은 액체 금속 습윤층 및 MN 계면활성제 단층을 각각 형성하는 금속 및 비금속 원자가 어떻게 성장 환경으로 도입되는지에 따라 다양한 기술을 이용하여 얇은 액체 금속 습윤층의 두께를 조절할 수 있다. 예를 들면, 증발 도가니를 사용하여 절차(106)에서 도입된 MN 분자를 도입하는 경우, 금속의 증발 속도를 제어하는 증발 제어기를 통해 MN 분자의 흐름을 제어할 수 있다. 이러한 결정 성장 환경에서의 증발 제어기는 비례 적분 미분(본원에서 PID(proportional-integral-derivative)라 약칭함) 제어기와 커플링된 진동 압전 석영 결정을 통해 구현될 수 있다. 적어도 하나의 가스 입구를 통해 절차(106)에서의 MN 분자를 플라스마로서 도입하는 경우, 가스 입구 마노미터(gas inlet manometer)를 사용하여 성장 환경에 진입하는 플라스마의 양을 조절할 수 있다. 이후, 플라스마 종이 성장 환경에 존재하는지와 이의 상대 밀도를 결정하기 위해 분광기를 사용할 수 있다. 특정한 플라스마 종만이 MN 계면활성제 단층에 기여할 것이다.
개시된 기술의 다른 실시양태에 따르면, 가스 입구 마노미터 및/또는 분광기를 사용하지 않고 성장 환경에 진입하는 플라스마의 양의 조절을 실행할 수 있다. 이 실시양태에서, 하기와 같은 액적 기준은 이용할 수 있다. 일반적으로, MN 분자를 플라스마로서 성장 환경으로 도입하는 경우, 성장 환경으로 도입되는 금속 종과 비금속 종 사이에 특정한 화학량론적 균형점을 성취할 필요가 있다. 이 균형점에서, 금속 대 비금속 종의 비는, 얇은 액체 금속 습윤층이 MN 계면활성제 단층 내의 분자가 시드 결정 위에 성장하는 결정과 커플링되게 하는 두께를 갖도록 하는 것이다. 일반적으로, 단층 결정 성장 동안, 특정한 전구체 재료의 액적은 성장하는 결정의 표면에 형성될 수 있다. 성장하는 GaN 결정의 예를 이용하여, Ga를 정상 속도로 가스로서 증발시킬 수 있고, 질소 플라스마를 고전력에서 조작되는 플라스마트론(plasmatron)을 이용하여 성장 환경으로 도입한다. 이후, 고강도 스팟으로서 반사 고에너지 전자 회절(본원에서 RHEED(reflection high-energy electron diffraction)라 약칭함) 모니터 위에 나타나는, 시드 결정 표면에 성장하는 비결정질 또는 다결정질 재료를 검출하기 위해 RHEED 기술을 이용할 수 있다. 플라스마트론의 전력이 감소하면서, 더 적은 스팟이 등록될수록 RHEED 모니터 위의 화상이 더 어두워진다. 결국, 스팟이 등록되지 않고, 이러한 플라스마트론 전력 수준에서, Ga 액적이 시드 결정 표면 위에 형성되기 시작할 것이다. 시험 및 오차를 이용하여, 액적이 시드 결정 표면 위에 형성되지 않도록 플라스마트론 전력 수준을 추가로 낮추고 변형할 수 있다. 액적이 시드 결정 표면 위에 형성되지 않는 경우, 얇은 액체 금속 습윤층이 시드 결정 표면 위에 형성되기 시작하도록 상기 언급된 균형점이 성취된다. 다른 시험 및 오차 방법은 얇은 액체 금속 습윤층 및 MN 계면활성제 단층을 형성하기 위한 적절한 양의 금속 및 비금속 입자를 결정하는 것이 가능하게 한다.
절차(104)를 다시 참조하면, 시드 결정이 설정되는 정확한 온도는 MN 화합물을 형성하도록 선택된 금속 및 비금속 원자에 따라 시험 및 오차에 의해 결정될 수 있는 다수의 인자에 따라 달라진다. 예를 들면, 시드 결정의 온도는 MN 화합물로 도입되는 적어도 하나의 금속의 융점보다 높을 필요가 있다. 금속 혼합물이 혼합물을 구성하는 각각의 금속의 융점보다 낮은 공융점을 가질 수 있으므로, 도입되는 금속이 순수한 금속으로서 또는 금속 혼합물로서 도입되는지에 따라 이 온도가 달라진다는 것에 유의한다. 금속의 융점보다 높은 온도는 MN 계면활성제 단층의 표면 위의 금속 원자의 증착 속도를 증가시켜, 계면활성제 단층으로부터 시드 결정 위의 성장하는 결정으로의 분자의 증착 속도 또는 '터널링 속도'를 증가시킬 수 있다. (절차(104)에 기재된 최소 온도보다 낮더라도) 훨씬 더 높은 온도는 터널링 속도를, MN 화합물을 형성하는 금속 및 비금속 입자의 화학량론적 균형점의 조절이 중요할 수 있는 속도로, 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 더 고온에서, 계면활성제 단층을 형성하는 MN 분자를 재증발시킬 수 있고 성장하는 결정의 MN 분자는 현재 성장하는 결정층으로부터 분리될 수 있다. 시험 및 오차를 이용하여, 당해 분야의 당업자에게 공지된 것처럼, MN 분자의 도입 속도가 최대화되지만 금속 및 비금속 전구체 재료의 화학량론적 균형점이 조절될 수 있는 시드 결정에 대한 최적 온도를 결정할 수 있다. 높은 도입 속도가 시드 결정 위에서 에피택셜 성장이 일어나는 속도를 증가시킬 수 있으므로, 당해 분야의 당업자가 (상기 절차(102) 및 절차(106)에서처럼) 제1 금속 원자 및 제1 비금속 원자가 성장 환경으로 도입되는 속도를 결정하기 위해 시험 및 오차를 이용할 필요가 있다는 것에 또한 유의한다. 그러나, 동시에, 너무 높은 도입 속도는 금속과 비금속 전구체 재료 사이의 화학량론적 균형점을 유지시키는 것이 어렵게 할 수 있다.
도 1에 도시된 방법이, 결정 성장이 가능한 온도가 상당히 낮다는 점에서, 다른 선행 기술의 용액으로부터의 결정 성장의 방법과 실질적으로 상이하다는 것에 유의한다. 예를 들면, 선행 기술의 용액으로부터 GaN 결정을 성장시키는 방법은 일반적으로 1400℃만큼 높은 온도 및 15000bar의 압력을 요하고, 개시된 기술에 따르면, GaN 결정을 35℃만큼 낮은 온도 및 진공 조건에서 성장시킬 수 있다. 선행 기술의 스피넬을 성장시키는 방법은 2140℃만큼 높은 온도를 이용하고, 개시된 기술에 따르면, 스피넬을 450℃만큼 낮은 온도에서 성장시킬 수 있다. 고온에서 성장한 결정이 실온과 같은 이용 가능한 온도로 냉각될 때 열 전위(thermal dislocation)가 일어날 수 있으므로, 더 낮은 온도에서의 결정 성장은 성장한 결정의 품질을 상당히 증가시킬 수 있다. 개시된 기술에 따르면 성장 온도와 이용 가능한 온도 사이의 온도차를 감소시킴으로써, 열 전위가 상당히 감소할 수 있다.
절차(108) 후, 절차(102)의 제1 금속 원자가 더 이상 성장 환경으로 제공되지 않는 추가의 절차를 실행할 수 있다. 성장 환경에서의 제1 금속 원자의 중지의 결과로서, 절차(106)에서 형성된 얇은 액체 금속 습윤층은 완전히 건조되고 절차(108)에서 시드 결정 위에 층마다 에피택셜로 MN 화합물 결정을 성장시키는 것이 중지될 것이다. 시드 결정의 온도가 얇은 액체 금속 습윤층 중에 용해될 수 있는 온도보다 여전히 낮으므로, 당해 분야에 공지된 것처럼, 증기 고체 성장 기술에 따라 저온에서 시드 결정 위의 금속-비금속 화합물의 임의의 결정 성장이 발생할 것이다. 시드 결정 위의 결정의 증기 고체 성장은 편평한 단결정질 구조를 나타내는 에피택셜로 성장한 MN 화합물 결정의 상면을 다결정질 구조를 나타내는 결정으로 변경시킬 것이다. 다결정질 구조는 실질적으로 도 1의 결정 성장 기술이 반복될 수 있는 새로운 시드 결정으로 고려될 수 있다. 따라서, 이러한 추가의 절차 후, 도 1의 방법은 절차(102)로 돌아갈 수 있고 MN 화합물 결정의 층 성장에 의해 에피택셜층이 다시 재개할 수 있다. MN 화합물 결정의 상이한 층이 이러한 방식으로 성장할 수 있고, 각각의 층이 상이한 금속 및/또는 비금속에 의해 구성된다는 것에 유의한다. 도 4c에서 하기 기재된 것처럼, 나노칼럼이 시드 결정으로부터 성장하도록 절차(100)의 원래의 시드 결정이 피라미드 기하구조를 갖는 경우, 이 추가의 절차에서 다결정질 구조가 형성될 때, 다결정질 구조가 도 1의 방법에 따라 추가의 나노칼럼이 에피택셜로 성장할 수 있는 피라미드 기하구조를 나타낼 수도 있다는 것에 또한 유의한다. 얇은 액체 금속 습윤층을 건조시킬 때, 에피택셜 결정 성장의 인접한 단결정질 층 사이에 완충시키는 특정한 유형의 다결정질 결정층을 성장시키도록 성장 환경에서의 임의의 금속 및/또는 비금속 입자의 증착 속도 및 시드 결정의 온도를 변형할 수 있다는 것에 유의한다. 예를 들면, 새로운 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하기 전에, 금속 및/또는 비금속의 증착 속도를 상당히 증가시켜 편평하고 두꺼운 다결정질 결정층을 성장시킬 수 있다.
절차(108) 후, 상기 언급된 추가의 절차 후에 또는 상기 언급된 추가의 절차에 대한 대안으로서 추가의 절차를 실행할 수 있다. 이 추가의 절차에서, 성장 환경으로 제1 금속 원자의 공급을 중지하여 얇은 액체 금속 습윤층을 완전히 건조시키는 대신에, 제1 비금속 입자의 공급을 점진적으로 감소시켜 실질적으로 없게 하여, 성장 결정의 표면 위에 제1 금속 원자의 박층을 남길 수 있다. 이후, 시드 결정을 가열하여 이 박층을 증발시키거나 공지된 습식 화학 또는 플라스마 화학 기술을 이용하여 에칭할 수 있다. 이 박층을 제거하면 성장한 결정의 깨끗한 상면이 생성되어 다른 공정이 수행될 수 있다. (각각 도 4b 및 4C에서 하기 기재된) 맨하탄 구조를 갖는 결정 또는 나노칼럼 형태의 결정을 성장시키기 위해 도 1의 방법을 이용하는 경우, 이 추가의 절차 후, 상기 기재된 기술에 의해 성장한 결정 또는 나노칼럼의 상면을 세정하여, 성장한 결정 및/또는 나노칼럼의 깨끗한 상면을 남길 수 있다. 공지된 습식 화학 또는 플라스마 화학 기술을 이용한 에칭을 통해 또는 증발에 의해 성장한 결정 및/또는 나노칼럼 사이에 남은 임의의 잔류 금속을 또한 제거할 수 있다.
개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (150)이라 칭하는 도 1의 방법을 이용하여 성장한 금속-비금속 화합물 결정의 원자 구조의 제1 도해인 도 2a를 이제 참조한다. 도 2a는 고상(152), 얇은 액체 금속 습윤층(154), MN 계면활성제 단층(156) 및 기상(158)을 포함한다. 일반적으로, 도 2a 내지 도 2c는 절차(100 내지 106)(도 1)를 실행한 후, 즉 얇은 액체 금속 습윤층 및 MN 계면활성제 단층이 시드 결정의 상부에 형성된 후의 원자 구조를 보여준다. 시드 결정은 고상(152) 또는 고상(152)의 낮은 부분일 수 있다. 고상(152)은 성장하는 결정(153)을 나타낸다. 이 도해에서, 복수의 Ga 원자(160) 및 복수의 N 원자(162)를 포함하는 GaN 결정이 도시되어 있다. 이의 비교적 단순한 구조, 따라서 그래픽 포맷의 단순함으로 인해 개시된 기술을 기술하고자 하는 예로서 GaN이 선택되는 반면, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 일반적인 원자 구조는 도 1에 도시된 방법을 이용하여 결정으로서 성장한 임의의 MN 화합물에 적용된다. 성장하는 결정(153)에 도시된 것처럼, 복수의 Ga 원자(160) 및 복수의 N 원자(162)는 결정학적 구조로 배열된다. 성장하는 결정(153)의 하층(비도시)은 성장하는 결정(153)이 성장한 시드 결정(비도시)을 나타낼 수 있다. 상기 언급된 바대로, 시드 결정은 성장하는 결정(153)과 균일 또는 불균일일 수 있다. 예를 들면, 시드 결정은 GaN 시드, 사파이어 시드 또는 실리콘 시드일 수 있다. 또한, 성장하는 결정(153)이 사파이어인 경우, 시드 결정은 사파이어 시드 또는 실리콘 시드일 수 있다. 시드 결정 및 성장하는 결정(153)이 불균일인 경우, 시드 결정 및 성장하는 결정의 각각의 결정학적 구조의 불일치로 인한 불일치 전위(misfit dislocation)의 수는 실질적으로 성장에 노출된 시드 결정의 치수의 역수이다. 따라서, 성장에 노출된 시드 결정의 치수가 더 작으면 두개가 불균일할 때 성장하는 결정에서 불일치 전위가 더 작다.
도 4a 내지 도 4c에서 하기 기재된 바대로, 시드 결정(비도시)은 에피택셜 결정이 성장하게 하는 임의의 적합한 기하 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 시드 결정은 도 2a 내지 도 2c 및 하기 도 4a에서 여기 기재된 바대로 전통적인 층마다의 에피택시가 발생할 수 있는 편평한 기하구조를 가질 수 있다. 다른 예로서, 시드 결정은 결정의 나노칼럼이 성장할 수 있는 도 4c에 도시된 바와 같은 피라미드 기하구조를 가질 수 있다. 시드 결정은 또한 나노미터 크기의 결정질 시드 또는 벌키한 밀리미터 크기의 전통적인 시드일 수 있다. 시드 결정은 추가로 적어도 하나의 편평한 표면을 갖는 웨이퍼 또는 결정질 섬유의 선단일 수 있다. 시드 결정이 결정질 재료(비도시) 또는 비결정질 재료(비도시)와 커플링될 수 있다는 것에 또한 유의한다. 시드 결정의 하나의 요건은 이것이 고상(152)을 둘러쌀 수 있는 얇은 액체 금속 습윤층(154) 또는 금속 용융물(비도시) 중에 용해하거나 용융하지 않는다는 것이다. 또한, 시드 결정의 임의의 결정학적 배향은 성장하는 결정(153)의 성장을 위해 선택될 수 있지만, 단 선택된 배향은 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 방향에 평행하다.
도 3a 및 도 3b에서 하기 더 자세히 기재된 바대로, 얇은 액체 금속 습윤층(154)은 시드 결정 위의 MN 결정의 일부인 금속을 나타낸다. 도 2a에 도시된 바대로, 얇은 액체 금속 습윤층(154) 내의 Ga 원자가 고상(152)의 일부를 형성하지 않더라도, 얇은 액체 금속 습윤층(154)은 복수의 Ga 원자(160)를 포함한다. 도 3a에서 하기 기재된 바대로, 얇은 액체 금속 습윤층(154)은 실제로 시드 결정을 둘러싸는 금속 용액(비도시)의 일부일 수 있다. 금속 용액은 금속 혼합물일 수 있다. 이러한 경우에, 금속 용액의 구성성분의 비는 결정 성장을 가능하게 하는 금속 혼합물의 몰비에 상응해야 한다. 예를 들면, 금속 용액이 스피넬의 금속 부분만을 포함하는 스피넬 용액인 경우(즉, 스피넬은 MgAl2O4의 화학식을 갖고, MgAl2는 스피넬의 금속 부분을 나타냄), 용액은 스피넬에 대한 화학식에 따라 1개의 마그네슘(Mg) 원자 대 2개의 알루미늄(Al) 원자의 몰비를 가져야 한다. 이 예는 선행 기술과 비교하여 개시된 기술의 결정 성장에 필요한 온도차를 나타낸다. 결정을 성장시키기 위해 MgAl2O4의 순수한 스피넬 용액을 사용하는 것은 스피넬 용융물을 생성하는 것을 요한다. 스피넬의 융점이 2135℃여서, 스피넬 용융물을 생성하는 데 고온을 요하고, 이러한 고온 환경에서 결정 성장을 어렵게 만든다. 마그네슘 및 알루미늄의 금속 혼합물이 425℃의 공융점을 가져, 개시된 기술의 금속 용액을 생성하는 데 상당히 더 낮은 온도가 이용되게 한다. 또한, 성장 환경의 온도는 또한, 도가니가 사용되는 경우, 사용되는 도가니 재료의 유형 및 금속 용액을 생성하기 위해 사용되는 가열기 유형을 기술한다. 더 낮은 온도는 매우 다양한 도가니 재료 및 가열기가 사용되게 하고 더 비용 효과적이 되게 한다.
일반적으로, 도 1에서 상기 기재된 바대로, 증기 증발, MBE, CVD, VPE 등과 같은 다양한 공지된 기술을 이용하여 얇은 액체 금속 습윤층(154)을 성장하는 결정(153) 위에 증착할 수 있다. 이러한 기술에서, 얇은 액체 금속 습윤층의 순도 및 성장하는 결정(153) 위의 이의 증착 속도와 관련하여 주의가 필요하지만, 성장하는 결정(153) 위에 얇은 액체 금속 습윤층(154)을 증착하기 위해 스퍼터링 기술을 또한 이용할 수 있다. 도 3a 및 도 3b에서 하기 기재된 바대로, 얇은 액체 금속 습윤층은 시드 결정 또는 성장하는 결정 위에 형성된 박막 또는 금속 용융물의 일부일 수 있다. 선행 기술의 결정 성장 방법과 달리, 개시된 기술의 몇몇 실시양태에 따라 시드 결정이 금속 용융물 중에 위치할 수 있지만, 웨이퍼일 수 있는 시드 결정을 금속 용융물 중에 침지할 필요성이 없다. 일반적으로, 원자 및 입자가 성장하는 결정(153)의 성장 환경으로 제공될 때, 성장하는 결정(153)에 대한 전구체인 금속 및 비금속 원자 및 입자를 동시 증착, 즉 성장 환경으로 동시에 도입할 수 있다. 이러한 동시 증착은 성장하는 결정(153)의 에피택셜 성장이 가능하게 한다. 도 2a에 자세히 도시되어 있지 않지만, 개시된 기술에 따르면, 상이한 금속 혼합물을 시간에 따라 성장 환경으로 도입할 수 있고, 각각의 혼합물을 이 자체의 각각의 속도로 증착하여 구성성분의 상이한 층을 갖는 성장하는 결정을 생성시킨다.
도 3a 및 도 3b에서 하기 도시된 바대로, 벌크 결정 성장을 위해 사용되는 시스템 또는 박막 에피택셜 결정 성장을 위해 사용되는 시스템을 사용하여 성장하는 결정(153)을 성장시킬 수 있다. 어느 경우이든, 성장하는 결정(153)의 비금속 구성성분은 기상(158)에 도시된 것처럼 가스로부터 생긴다. 도 2a에 도시된 바대로, 기상(158)은 복수의 N 원자(162)를 포함한다. 기상(158) 내의 N 원자는 실제로 N 원자가 성장 환경으로 어떻게 도입되는지에 따라 이온 또는 라디칼과 같은 N 입자의 다양한 종일 수 있다. 도입되는 특정한 비금속에 따라 달라지는 다양한 시스템을 이용하여 기상(158)의 비금속 입자를 성장 환경으로 제공할 수 있다. 비금속 입자를 순수한 형태로 또는 성장 환경에서 해리되는 혼합물 또는 화합물의 일부로서 도입할 수 있다. 예를 들면, 산소를 기상(158)에서 도입하는 경우, 산소 가스 용기로부터 산소를 제공할 수 있다. 붕소를 기상(158)에서 도입하는 경우, 데카보란이 MN 계면활성제 단층(156)에 지장을 줄 때, 플라스마에 의해 활성화되거나 분해된 데카보란을 제공할 수 있다. 탄소를 기상(158)에서 도입하는 경우, 메탄과 같은 적합한 탄화수소가 MN 계면활성제 단층(156)에 지장을 줄 때, 플라스마에 의해 활성화되거나 분해된 탄화수소를 제공할 수 있다. 실란(SiH4)은 기상(158)에서 규소를 도입하기 위한 전구체 재료로서 사용되는 반면, P, As, Sb, S, Se 및 Te와 같은 융점이 낮은 V족 및 VI족의 비금속 원소를 도가니로부터 증발시킴으로써 기상(158)에서 성장 환경으로 도입할 수 있다. 질소를 질소 가스 용기로부터 또는 암모니아로서 기상(158)에서 도입할 수 있다. 질소를 또한 질소 플라스마 또는 분해 암모니아로서 도입할 수 있다. 일반적으로, 비금속 입자를 약 750℃에서 해리하는 암모니아 가스와 같은 해리 온도가 비교적 높은 가스 화합물로서 기상(158)에 도입하는 경우, 활성 비금속 입자를 제공하기 위해 무선주파수(본원에서 RF(radio frequency)라 축약함) 플라스마 또는 전자 사이클로트론 공명(본원에서 ECR(electron cyclotron resonance)이라 약칭함) 플라스마를 이용할 수 있다. 다른 경우에, 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 온도는 기상(158)에서 임의의 가스 화합물을 해리시키기에 충분히 높을 수 있다. 또한 도 2a, 및 도 2b 및 도 2c에 도시된 바대로, 개시된 기술에 따르면, '금속 농후'로, 즉 얇은 액체 금속 습윤층(154)이 기상(158)에서의 비금속 입자보다 더 많은 금속 입자를 포함하는 것으로 생각될 수 있는, 성장 환경에서 성장하는 결정(153)을 성장시킨다는 것에 유의한다.
도 2a에 도시된 바대로, MN 계면활성제 단층(156)은 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 상부 부분을 형성하고 기상(158)과 얇은 액체 금속 습윤층(154) 사이의 계면을 나타낸다. MN 계면활성제 단층(156)은 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 표면 위에 2차원 액체 결정을 형성하는 복수의 MN 분자를 포함한다. 도 2a의 예에 도시된 것처럼, MN 계면활성제 단층(156)은 도 2a 내지 도 2c에서 예시 목적으로만 나타낸 제1 GaN 분자(168) 및 제2 GaN 분자(170)를 포함하는 복수의 GaN 분자(166)를 포함한다. 점선(164)으로 도시된 것처럼, 복수의 GaN 분자(166)은 실질적으로 얇은 액체 금속 습윤층(54)의 상면을 편평하게 하고 자가 조립 2차원 격자로서 조직된다. 이 격자는 오직 하나의 분자 층만을 포함하여, 단층으로 생각된다. 또한, 복수의 GaN 분자(166)가 액체 결정과 유사한 방식으로 MN 계면활성제 단층(156) '주위에 부유'하거나 '주변에 떠돌' 수 있다. 도 2a에 도시된 바대로, 복수의 GaN 분자(166)를 구성하는 N 원자는 기상(158)을 바라보는 반면, 복수의 GaN 분자(166)를 구성하는 Ga 원자는 얇은 액체 금속 습윤층(154)을 바라본다. 이와 관련하여, 상기 언급된 바대로, 복수의 GaN 분자(166)는 계면활성제를 형성하는 데, 왜냐하면 이의 호금속성 측, 즉 Ga 원자가 얇은 액체 금속 습윤층(154)을 바라보고, 이의 소금속성 측, 즉 N 원자가 기상(158)을 바라보기 때문이다.
일반적으로, MN 계면활성제 단층(156)은 2개의 별개 기능으로 작용한다. 활성 표면제로서, MN 계면활성제 단층(156)은 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 표면 장력을 낮춰, 도 2a에 도시된 바대로 '바다'를 닮도록 이것을 편평하게 하고 도 2b 및 도 2c에서 하기 기재된 바대로 에피택셜 성장이 가능하게 한다. 또한, 하기 기재된 바대로, MN 계면활성제 단층(156)은 성장하는 결정(153)의 성장에 양분을 제공하는 전구체 재료로서 작용한다. 상기 언급된 바대로, 개시된 기술에 따르면, 쌍촉 화살표(161)로 도시된 바대로 MN 계면활성제 단층(156)과 성장하는 결정(153) 사이의 거리를 조절하고 유지시켜 MN 계면활성제 단층(156) 내의 GaN 분자가 성장하는 결정(53)으로 점핑하거나 터널링하거나 확산하도록 해야 한다. 또한, 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 표면 위에 2개 또는 3개 이하의 단층(비도시)이 형성되도록 MN 계면활성제 단층(156)의 두께를 또한 조절하고 유지해야 한다. 일반적으로, 상기 언급된 조절은 도 2a에 도시된 성장 환경으로 도입된 금속 구성성분과 비금속 구성성분 사이의 적절한 균형에 따라 달라진다.
개시된 기술의 추가의 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (180)이라 칭하는 도 1의 방법을 이용하여 성장한 금속-비금속 화합물 결정의 원자 구조의 제2 도해인 도 2b를 이제 참조한다. 도 2a 및 도 2b에서 유사한 부재를 동일한 숫자로 표시하였다. 도 2b는 제1 GaN 분자(168)가 어떻게 MN 계면활성제 단층(156)으로부터 고상(52)으로 점핑하거나 터널링하는지를 나타낸다. 일반적으로, 얇은 액체 금속 습윤층(154)이 복수의 GaN 분자(166)를 용해시킬 수 있는 온도보다 낮게 성장하는 결정(153)의 온도를 설정한다. 따라서, Ga 금속 용융물(즉, 얇은 액체 금속 습윤층(154)) 및 GaN 분자(즉, 복수의 GaN 분자(166))의 상태도(비도시)에 따라, GaN 분자가 얇은 액체 금속 습윤층(154)에 존재하는 것이 열역학적으로 허용되지 않는다. 그러나, 개시된 기술에 따르면, 얇은 액체 금속 습윤층(154)이 1 내지 3나노미터와 같은 적합한 두께를 갖는 경우, 제1 GaN 분자(168)는 양자 물리학의 이론에서 공지된 것처럼 전자 터널링과 유사한 방식으로 화살표(182)로 도시된 바대로 MN 계면활성제 단층(156)으로부터 고상(152)으로 점핑하거나 터널링하거나 확산할 수 있다. 제1 GaN 분자(168)는 화살표(184)로 도시된 바대로 복수의 N 원자(162) 중 하나로부터 수취하는 운동 에너지로 인해 점핑하거나 터널링하도록 촉진될 수 있다. 기상(158)에서의 입자가 높은 운동 에너지 준위를 가질 수 있으므로, MN 계면활성제 단층(156)에서의 이 입자의 바운싱 및 타격은 각각의 GaN 분자가 고상(152)으로 점핑하거나 터널링하게 할 수 있다. 성장하는 결정(153)이 에피택셜로 성장하면서, 성장하는 결정(153)은 성장하는 결정(153)에서 테라스(186)로 도시된 것처럼 계단 구조를 나타낼 수 있다. 일반적으로, 제1 GaN 분자(168)가 구체적으로 테라스(186)에서 고상(152)과 커플링하도록 부착되도록, 테라스는 성장하는 결정에서 에너지 우호 위치를 나타낸다.
개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (200)이라 칭하는 도 1의 방법을 이용하여 성장한 금속-비금속 화합물 결정의 원자 구조의 제3 도해인 도 2c를 이제 참조한다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c에서 유사한 부재를 동일한 숫자로 표시하였다. 도 2c에서, 제1 GaN 분자(168)는 고상(152)과 커플링되고 성장하는 결정(153)에 결합된다. 도 2c에 도시된 바대로, 제1 GaN 분자(168)는 이제 성장하는 결정(153)의 결정학적 구조와 일치하는 결정학적 배치를 갖는다. 또한 도 2c에 도시된 바대로, 다른 GaN 분자(204)가 MN 계면활성제 단층(156)에서 형성되고 제1 GaN 분자(168)가 도 2a에 있는 위치를 취한다. 또한, 제2 GaN 분자(170)는 화살표(202)로 도시된 바대로 고상(152)을 향해 점핑하고 터널링하기 시작한다. 또한, 다른 Ga 원자(206)가 MN 계면활성제 단층(156)에 이의 길을 만드는 것으로 도시되어 있고, 여기서 이 원자는 N 원자와 커플링하고 추가의 GaN 분자를 형성하여 MN 계면활성제 단층(156) 내의 제2 GaN 분자를 대체할 수 있다. 제1 GaN 분자가 성장하는 결정(153)에서 테라스(비표시됨)에 위치하므로, 제2 GaN 분자(170)는 성장하는 결정(153)에서 제1 GaN 분자(168)에 끌린다. 일반적으로, 절차(100 내지 106)(도 1)를 실행하면, 결정층 위에 연속하여 층을 성장시키는 절차(108)(도 1)를 무한정 실행한다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바대로, 얇은 액체 금속 습윤층(154) 내의 금속 입자는 기상(158)에서 비금속 입자와 커플링하여 MN 계면활성제 단층(156) 내의 MN 분자를 형성한다. MN 계면활성제 단층(156) 내의 MN 분자는 고상(152)으로 점핑하거나 터널링하거나 확산하여, 성장하는 결정(153)이 전구체 재료로서 에피택셜로 성장하게 한다. 이후, 성장하는 결정(53)이 계속해서 성장하면서, 금속 및 비금속 입자는 MN 계면활성제 단층(56) 내의 MN 분자와 계속해서 조합된다.
다시 도 2a를 참조하면, MN 계면활성제 단층(56) 및 얇은 액체 금속 습윤층(154) 둘 다, 개시된 기술에 따라 성장하는 결정(153)의 성장이 가능하도록, 박층으로서 조절하고 유지시켜야 한다. 얇은 액체 금속 습윤층(154)은 3나노미터 초과의 두께를 가져서는 안 되고, MN 계면활성제 단층(156)은 각각 두께가 대략 0.3나노미터인 2개 내지 3개 이하의 단층을 포함해야 한다. 일반적으로, MN 계면활성제 단층(156)이 성장하는 결정(153)에 더 가까울수록, 복수의 GaN 분자(166)가 성장하는 결정(153)으로 터널링하기가 더 쉬워야 하고, GaN 분자가 점핑하고 고상(152)과 커플링하는 빈도가 증가해야 한다. 고상(152)의 상부 층(비표시됨)과 MN 계면활성제 단층(156) 사이의 거리가 증가하면서, 더 적은 GaN 분자가 고상(152)으로 터널링할 것이다. 또한, 기상(158)에서의 입자가 얇은 액체 금속 습윤층(154)에서의 입자와 조합되어 MN 계면활성제 단층(156) 위에 금속-비금속 분자의 추가의 층을 형성할 수 있다. 예를 들면, MN 계면활성제 단층(56)의 두께가 이러한 방식으로 2개 또는 3개의 단층(도 2a 내지 도 2c에 도시되지 않음)으로 증가할 수 있고, 이런 경우 이는 MN 계면활성제 층일 것이다. 2개 또는 3개의 단층의 이러한 두께에서, 계면활성제 층은 안정한 2차원 액체 결정을 형성하기에 여전히 충분히 탄성이고 계면활성제 층 내의 분자는 여전히 고상(152)으로 터널링할 수 있는 것으로 추정된다.
그러나, 계면활성제 층의 두께가 추가로 증가하는 경우, 예컨대 4개 이상의 단층인 경우, 계면활성제 층은 계면활성제 층을 따라 보이는 결정화 스팟으로 불안정해질 수 있다. 계면활성제 층 내의 분자 사이에 형성되는 비공통각에 의해 야기되는 계면활성제 층 내의 임의의 응력을 감소시키도록 이러한 결정화 스팟이 나타날 수 있다. 이러한 결정화 스팟은 거리가 비교적 짧을 수 있고 계면활성제 층 내의 인접한 원자와 분자 사이의 비직각을 형성할 수 있다. 이는 결국 쇄도하는 결정화를 발생시킬 수 있는 계면활성제 층의 선택 부분에서의 원자 및 분자의 밀도를 증가시킬 수 있다. 이후, 계면활성제 층은 더 강성이 될 수 있고, 이의 구조에 결함이 나타날 수 있고, 이것이 궁극적으로 파괴될 수 있다. 이후, 성장하는 결정(153)의 에피택셜 성장을 중지시킬 수 있는 계면활성제 층의 수준에서 액적이 임베딩된(embedded) 다결정질 층이 나타날 수 있다. 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 두께와 관련하여 관련 결과가 또한 추정된다. 얇은 액체 금속 습윤층(154)이 너무 두꺼워지는 경우, 너무 많은 금속 입자가 성장 환경으로 도입되므로, 계면활성제 층 내의 분자로부터의 성장하는 결정(153)의 에피택셜 성장이 중지될 수 있고 계면활성제 층은 상기 언급된 바대로 다결정질 층으로 변할 수 있다. 또한, 얇은 액체 금속 습윤층(154)이 너무 얇아지는 경우, 성장하는 결정(153)의 에피택셜 성장이 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 건조로 인해 중지될 수 있다. 상기 언급된 바대로, 계면활성제 층 내의 분자로부터의 성장하는 결정(153)의 에피택셜 성장이 계속되도록 얇은 액체 금속 습윤층(154) 및 MN 계면활성제 단층(156) 둘 다의 두께를 조절할 필요가 있다.
MN 계면활성제 단층(156)이 성장하는 결정(153) 위의 액적 형성을 방지하는 추가의 기능을 제공할 수 있다는 것에 또한 유의한다. 결정이 증기-고체 성장 기술을 이용하여 성장하는 선행 기술의 결정 성장 방법에서, 웨이퍼 또는 기재에 증착된 금속 증기는 웨이퍼 또는 기재 표면 위에 액적을 형성하여 성장한 결정에서 결함을 야기할 수 있다. 개시된 기술에 따르면, 얇은 액체 금속 습윤층(154)이 형성되면서, MN 계면활성제 단층(156)이 실질적으로 형성된다. MN 계면활성제 단층(156)은 얇은 액체 금속 습윤층(154)의 표면 에너지를 중화시켜 액적 형성을 방지하는 활성 표면제로서 작용한다. 이는 MN 계면활성제 단층(156)을 형성하는 분자의 양친매성 성질로 인한 것이다. 액적이 성장 공정 동안 예상되고 일단 액적이 형성되어 이를 제거하는 단계가 취해질 필요가 있는 박막 에피택시의 선행 기술 방법과 달리, 개시된 기술에 따르면 MN 계면활성제 층의 존재로 인해 액적 형성이 회피된다. 금속 및 비금속 입자는 액적 형성을 실질적으로 방지하는 계면활성제 층의 분자를 실질적으로 형성한다.
기상(158)과 관련하여, 가스 혼합물이 기상(158)으로 제공되어 성장하는 결정(153)에 대해 MN 계면활성제 층(156) 내에 상이한 구성성분 및 전구체 재료를 형성할 수 있다는 것에 유의한다. 따라서, 상이한 재료는 성장하는 결정(153)의 다양한 층을 구성할 수 있다. 그러나, 당해 분야의 당업자는 상이한 가스 혼합물이 가스 혼합물로부터 형성된 N 분자를 성장하는 결정(153)으로 혼입시키는 데 있어서 상이한 수준의 효율을 갖는다는 것을 이해할 것이다. 상이한 가스 혼합물은 또한 MN 분자가 고상(152)으로 점핑하고 터널링할 수 있는 용이성에 영향을 미칠 수 있다.
개시된 기술의 추가의 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (210)이라 칭하는 도 1의 방법을 이용하여 성장한 금속-비금속 화합물 결정의 원자 구조의 제4 도해인 도 2d를 이제 참조한다. 도 2d는 고상(212), 얇은 액체 금속 습윤층(214), MN 계면활성제 단층(216) 및 기상(218)을 포함한다. 도 2d는 절차(100 내지 106)(도 1)가 실행된 후, 즉 얇은 액체 금속 습윤층을 구성하는 금속이 MN 계면활성제 단층 내의 금속과 상이한, 시드 결정의 상부에 얇은 액체 금속 습윤층 및 MN 계면활성제 단층이 형성된 후의 원자 구조를 나타낸다. 고상(212)은 성장하는 결정(211)을 나타낸다. 이 도해에서, 복수의 Si(규소) 원자(213) 및 복수의 C(탄소) 원자(215)를 포함하는 SiC(탄화규소) 결정이 도시되어 있다. 성장하는 결정(211)에 도시된 바대로, 복수의 Si 원자(213) 및 복수의 C 원자(215)는 결정학적 구조로 배열된다. 도시된 바대로, 얇은 액체 금속 습윤층(214)은 복수의 Sn(주석) 원자(217)를 포함한다. MN 계면활성제 단층(216)은 라인(222)로 도시된 바대로 계면활성제로서 2차원 결정학적 배향으로 배열된 복수의 SiC 분자(220)를 포함한다. 기상(218)은 복수의 SiC 분자(224)를 포함한다.
도 2d에 도시된 원자 구조를 하기한 바대로 제조할 수 있다. 고상(212)은 SiC 웨이퍼 시드일 수 있다. SiC 웨이퍼 시드를 무선주파수(본원에서 RF로 약칭함) 스퍼터링 반응기(비도시)로 도입한다. 이후, 아르곤 플라스마(비도시)를 사용하여 SiC 웨이퍼 시드의 상면(비표시됨)을 세정하고, SiC 웨이퍼 시드의 온도를 250℃로 상승시킨다. 이 온도가 Sn의 융점보다 높지만 SiC의 액체 온도보다 낮아 SiC 분자가 주석 습윤층 중에 용해하지 않는다는 것에 유의한다. SiC 스퍼터링 표적을 RF파로 바이어스하여, 아르곤 원자는 SiC 분자를, 복수의 SiC 분자(224)로 도시된 바대로, SiC 스퍼터링 표적으로 스퍼터링한다. 동시에, RF 스퍼터링 반응기와 커플링된 주석 유출 셀(비도시)을 개방하여 주석 증기(비도시)가 충분히 길게, 예를 들면 일분 동안 방출되게 하여 고상(212) 표면 위에 얇은 액체 금속 습윤층(214)이 형성되게 한다. 얇은 액체 금속 습윤층(214)이 대략 1나노미터의 두께를 가질 수 있다. 상기 언급된 바대로, 습윤층은 얇은 액체 주석 습윤층이다. 복수의 SiC 분자(224)의 일부는 얇은 액체 금속 습윤층(214)의 상면에 흡착되어, 복수의 Sn 원자(217)를 편평하게 하고 복수의 SiC 분자(220)로서 도시된 바대로 MN 계면활성제 단층(216)을 형성한다. 도 2d에 도시된 바대로, 각각의 복수의 SiC 분자(220)는 복수의 Sn 원자(217)를 바라보는 복수의 Si 원자(213)를 구성하는 이의 호금속성 측 및 기상(218)을 바라보는 복수의 C 원자(215)를 구성하는 이의 소금속성 측을 갖는다.
RF 스퍼터링 반응기의 스퍼터링 조건을 변경하지 않고, 기상(218)에서의 SiC 분자는 MN 계면활성제 단층(216)의 일부인 복수의 SiC 분자(220)를 치고 방해할 것이다. 얇은 액체 금속 습윤층(214)을 치는 MN 계면활성제 단층(216) 내의 SiC 분자는 고상(212)으로 점핑하거나 터널링하거나 확산하여, 화살표(223)로 도시된 바대로 성장하는 결정(211), 예컨대 이미 결합된 성장하는 결정(211)을 갖는 SiC 분자(219) 또는 성장하는 결정(211)을 결합하는 데 도중에 있는 SiC 분자(221)를 결합시킬 수 있다. SiC 분자가 MN 계면활성제 단층(216)을 떠나면, 기상(218)에서의 SiC 분자가 MN 계면활성제 단층(216) 내의 이의 자리를 차지할 수 있다.
개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (230)이라 칭하는 도 1의 방법을 이용하여 금속-비금속 화합물 결정을 성장시키기 위한 시스템의 도해인 도 3a를 이제 참조한다. 시스템(230)은 성장 챔버(232), 페데스탈(234) 및 모터(236)를 포함한다. 모터(236)는 페데스탈(234)에 커플링된다. 성장 챔버(232)는 도가니일 수 있다. 모터(236)는 예를 들면 화살표(248)로 도시된 바대로 성장 챔버(232) 내에서 페데스탈(234)을 침강 및 융기시킬 수 있고, 모터(236)는 페데스탈(234)을 침강시킬 수 있다. 모터(236)는 또한 페데스탈(234)을 회전시킬 수 있다(도 3a에 도시되지 않음). 시스템(230)은 벌크 액체 금속으로부터 벌크 결정을 성장시키기 위한 시스템을 나타낸다. 시드 결정(238)을 페데스탈(234) 위에 위치시킨다. 시드 결정(238) 자체는 페데스탈(234)에 위치하는 기재(비도시) 위에 위치할 수 있다. 시드 결정(238)은 페데스탈(234)에 위치하여 결정이 성장하는 표면(250)이 페데스탈(234)의 반대 방향을 바라본다. 성장 챔버(232)를 금속 용융물(240)로 충전하여 금속 용융물(240)이 표면(250)을 피복한다. 성장 챔버(232)를 금속 용융물(240)로 충전하고 성장 챔버(232)에 금속 용융물(240)을 연속하여 공급하기 위한 많은 공지된 기술이 이용될 수 있다. 성장 챔버(232)가 도가니로서 구현되는 경우, 금속 용융물(240)이 금속 용융물(240)의 융점에서 도가니를 용해시키지 않도록, 성장 챔버(232)의 재료가 금속 용융물(240)을 포함하도록 적절히 선택될 필요가 있다는 것에 유의한다.
이후, 금속 용융물(240)의 표면 위의 성장 챔버(232)에 비금속 가스(242)를 제공한다. 비금속 가스(242) 및 금속 용융물(240)의 입자가 상호작용하여 시드 결정(238)의 표면(250) 위에 금속-비금속 계면활성제 단층(246)을 형성한다. MN 계면활성제 단층(246)은 금속 용융물(240)의 상부 층을 실질적으로 편평하게 한다. 도 3a에 도시된 바대로, 라인(244)로 도시된 바대로 표면(250)과 MN 계면활성제 단층(246) 사이의 거리를 수나노미터 내로 조절하여 MN 계면활성제 단층(246) 내의 MN 분자가 표면(250)으로 점핑하고 터널링하고 시드 결정(238) 위에 결정을 형성하기 시작한다. 페데스탈(234)을 침강 또는 융기시키고 성장 챔버(232)에 제공되는 금속 용융물(240)의 양을 조절함으로써 라인(244)으로 도시된 거리를 조절할 수 있다. 예를 들면, MN 계면활성제 단층(246)으로부터의 MN 분자가 시드 결정(238)의 표면(250)에 결합하고 에피택셜로 결정(비도시)을 성장시켜 라인(244)으로 도시된 거리를 유지시키는 속도에 상응하는 속도로 페데스탈(234)을 침강시킬 수 있다.
MN 계면활성제 단층(246)을 바라보는 시드 결정 표면(238)만이 결정을 성장시키기 위해 사용하면서 실질적으로 결함을 갖지 않는 벌크 결정을 성장시키기 위한 시스템(230)을 사용할 수 있다. 예를 들면, 단일 GaN 결정을 성장시키기 위해 시스템(230)을 사용하는 것을 가정한다. 이러한 예에서, 금속 용융물(240)은 갈륨 용융물일 것이고, 비금속 가스(242)는 질소 가스 또는 질소 플라스마일 것이다. 시드 결정(238)은 적어도 2유형의 표면을 갖는 무결함 나노기둥(nanopillar)일 수 있고, 제1 유형의 표면은 m면이라 칭하고 제2 유형의 표면은 c면이라 칭한다. 표면(250)은 시드 결정(238)의 6개의 m면 중 하나를 나타내고, 표면(252)은 나노기둥일 수 있는 시드 결정(238)의 2개의 c면 중 하나를 나타낸다. 이 예에서, 시드 결정은 페데스탈(234)에 위치하여 이의 m면 중 하나는 MN 계면활성제 단층(246)에 평행하다. 이후, GaN 스트립 결정은 시드 결정(238)의 이 m면 위에서 성장할 수 있다. 이후, 나노기둥의 m면 중 하나에 성장한 결정의 얇은 스트립을 90° 회전시키고 시드 결정의 c면 중 하나에서 계속해서 성장시킬 수 있다. 충분히 큰 시드 결정이 얻어질 때까지 상기 기재된 절차를 시드 결정의 원하는 면에서 반복할 수 있다. GaN 결정이 이의 m면 중 하나에서 시드 결정(238) 위에서 성장하는 시간에 따라, 실질적으로 결함이 없는 단일 GaN 결정이 성장할 수 있다. 단일 GaN 결정의 이 정사각형 시트를 이의 c면 중 하나에 위치시키면, 실질적으로 무한한 GaN 결정 벌크가 성장할 수 있다. 상기 언급된 바대로, 시드 결정(238) 및 금속 용융물(240)의 온도는 Ga 용융물 중에 GaN 분자를 용해시키는 데 필요한 최소 온도보다 낮아서, 따라서 이 예에 따르면, 벌크 GaN 결정은 벌크 GaN 결정을 성장시키기 위해 선행 기술과 비교하여 실질적으로 낮은 온도, 예를 들면 300℃에서 성장할 수 있다.
개시된 기술의 추가의 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (260)이라 칭하는 도 1의 방법을 이용하여 금속-비금속 화합물 결정을 성장시키기 위한 다른 시스템의 도해인 도 3b를 이제 참조한다. 시스템(260)은 성장 챔버(262), 제1 가스 입구(264) 및 제2 가스 입구(266)를 포함한다. 성장 챔버(262)는 고진공 성장 챔버일 수 있다. 시스템(260)은 박막 에피택시로서도 공지된 박막으로부터 결정을 성장시키기 위한 시스템을 나타낸다. 시드 결정(272)을 성장 챔버(262) 내에 위치시킨다. 시드 결정(272) 자체는 성장 챔버(262) 내에 위치하는 기재(비도시) 위에 위치할 수 있다. 성장 챔버(262)를 화살표(268)로 도시된 금속 증기 및 화살표(270)로 도시된 비금속 증기로 동시에 충전한다. 금속 증기(268) 및 비금속 증기(270)를 시드 결정(272)의 상면(비표시됨)에 동시 증착하여, 금속 증기(268) 및 비금속 증기(270)으로부터 형성되는 금속-비금속 분자를 포함하는 MN 계면활성제 단층(276) 및 얇은 액체 금속 습윤층(274)을 동시에 형성한다. 개시된 기술에 따르면, MN 계면활성제 단층(276) 내의 MN 분자는 시드 결정 표면(272)을 향해 터널링하여 시드 결정(272) 위에 MN 결정을 성장시킨다. 성장 챔버(262) 내의 금속 증기(268) 및 비금속 증기(270)의 양을 조절하기 위해 공지된 방법을 이용할 수 있다. 일반적으로, 개시된 기술에 따르면, 시스템(260)에서 이용되는 성장 절차의 시작시 금속 증기(268)의 농도는 성장 챔버(262) 내의 비금속 증기(270)의 등가 농도보다 높아, 얇은 액체 금속 습윤층(274)이 형성되어야 한다. 예를 들면, 1나노미터 두께의 액체 금속 습윤층이 바람직한 경우, 100초 동안 초당 0.1옹스트롬의 추가의 금속 증착 속도가 성장 절차의 시작 시 제공될 필요가 있다. 이후, 금속 증기와 비금속 증기 사이의 화학량론적 균형점을 복귀시킬 수 있다. 상기 언급된 바대로, 얇은 액체 금속 습윤층(274)의 두께가 결정 성장 동안 개시된 기술에 따라 일반적으로 일정하게 있도록 이를 조절할 필요가 있다. 당해 분야의 당업자에게 공지된 바대로, 고온에서 얇은 액체 금속 습윤층(274)은 증기 상태로 천천히 복귀할 수 있어, 따라서 얇은 액체 금속 습윤층(274)의 두께의 임의의 손실은 성장 챔버(262)에 금속 증기(268)의 증분 첨가에 의해 보상되어야 한다.
개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (300)이라 칭하는 에피택셜로 성장한 결정의 도해인 도 4a를 이제 참조한다. 도 4a는 개시된 기술에 따라 성장한 결정이 각각의 분자가 성장하는 결정과 커플링하는 단층 내에서 어떻게 성장하는지를 나타낸다. 도 4a는 4개의 상이한 단계에서 에피택셜로 성장한 결정(비표시됨)을 나타낸다. 4개의 상이한 단계는 순차적으로 302A, (302B, 302C 및 302D로 표시되어 있다. 각각의 결정이 복수의 정사각형(304)으로 이루어진 것으로 도시되어 있고, 각각의 정사각형(304)은 결정 조성에서의 반복 패턴을 나타낸다. 각각의 정사각형(304)은 결정과 커플링하는 분자를 나타낼 수 있다. 단계 302A에 도시된 바대로, 결정은 분자가 결정과 커플링하고 특히 계면활성제 단층(비도시)으로부터 결정으로 터널링하기 위한 에너지 우호 자리인 테라스(306)를 나타낸다. 단계 302B에서, 분자(308)는 테라스(306)에서 결정과 커플링한다. 단계 302C에서, 분자(310)는 다음에 이용 가능한 테라스(비표시됨)에서 결정과 커플링한다. 단계 302D에서, 분자(312)는 다음에 이용 가능한 테라스(비표시됨)에서 결정과 커플링한다. 도시된 바대로, 계면활성제 단층 내의 분자가 성장하는 결정의 표면을 향해 터널링하면서 결정이 분자마다 형성된다. 이는 실질적으로 결함 없이 결정이 에피택셜로 성장하게 한다.
개시된 기술의 추가의 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (330)이라 칭하는 맨하탄 구조를 나타내는 에피택셜로 성장한 결정의 도해인 도 4b를 이제 참조한다. 도 4b는 3가지 상이한 단계로 에피택셜로 성장한 결정(비표시됨)을 나타낸다. 3가지 상이한 단계는 순차적으로 332A, 332B 및 332C로 표시되어 있다. 각각의 결정이 복수의 정사각형(346)으로 이루어진 것으로 도시되어 있고, 각각의 정사각형(346)은 결정 조성에서 반복 패턴을 나타낸다. 각각의 정사각형(346)은 결정과 커플링하는 분자를 나타낼 수 있다. 단계 332A에 도시된 바대로, 결정은 복수의 피크(334) 및 복수의 트러프(trough)(336)를 포함한다. 결정을 공지된 기술을 이용하여 에칭하거나 스크라이빙하여 이것에 단계 332A에 도시된 구조를 제공한다. 개시된 기술에 따르면 얇은 액체 금속 습윤층(비도시)의 상부 수준에 실질적으로 가까운 결정 섹션만이 계면활성제 단층(비도시)으로부터의 분자 터널링에 의해 계속해서 성장할 것이다. 단계 332B에서, 복수의 피크(340)는 다른 분자를 높게 성장시키는 반면, 복수의 트러프(338)는 그렇지 않은데, 왜냐하면 복수의 트러프(338)가 그 섹션에서 결정에 분자 터널을 갖기에는 얇은 액체 금속 습윤층의 상부 수준으로부터 너무 멀기 때문이다. 단계 332C에서, 복수의 피크(342)는 추가의 분자를 높게 성장시키는 반면, 복수의 트러프(344)는 그렇지 않은데, 왜냐하면 복수의 트러프(344)가 그 섹션에서 결정에 분자 터널을 갖기에는 얇은 액체 금속 습윤층의 상부 수준으로부터 너무 멀기 때문이다. 상기 언급된 바대로, 얇은 액체 금속 습윤층을 복수의 피크(334, 340 및 342)의 상부 약간 위로 조절한다. 단계 332C에 명확하게 도시된 바대로, 개시된 기술은 성장한 결정이 복수의 개방 비아(via) 또는 '스트리트(street)'에 의해 배치되는 복수의 높은 피크 또는 얇은 벽을 포함하는 맨하탄 구조를 형성한다. 도 4b의 결정은 메사 구조(비도시)를 나타낼 수 있다.
개시된 기술의 다른 실시양태에 따라 구성되고 조작되는 일반적으로 (360)이라 칭하는 나노와이어 구조를 나타내는 에피택셜로 성장한 결정의 도해인 도 4c를 이제 참조한다. 도 4c는 복수의 시드 결정(364)이 성장한 기재(361)를 나타낸다. 도 4c는 순차적으로 표시된 362A, 362B 및 362C인 3가지 상이한 단계의 성장을 나타낸다. 기재(361)는 구조가 결정질 또는 비결정질일 수 있고, 복수의 시드 결정(364)은 구조가 결정질이다. 기재(361)는 초기에 단계 362A에 도시된 바대로 피라미드 기하구조를 나타내고, 복수의 시드 결정(364)을 나타내는 복수의 짧은 피라미드가 도시되어 있다. 기재(361)는 에칭하거나 스크라이빙하여 단계 362A에 도시된 시드 결정 기하구조를 생성할 수 있다. 개시된 기술에 따르면, 복수의 짧은 피라미드는 계면활성제 단층(비도시)로부터의 분자가 복수의 시드 결정(364)에 결합하기 위한 에너지 우호 자리를 나타낸다. 기재(361)의 전체 상면은 얇은 액체 금속 습윤층(비도시)으로 피복되고, 복수의 시드 결정(364)의 피크가 얇은 액체 금속 습윤층의 상부에 있는 계면활성제 단층(비도시)에 가장 가까우므로 이 피크만이 성장할 것이다. 단계 362B 및 362C에 도시된 바대로, 복수의 시드 결정(364)은 각각 복수의 나노와이어(366 및 368)로 성장하고, 얇은 액체 금속 습윤층의 조절은 계면활성제 단층으로부터의 분자가 복수의 짧은 피라미드의 피크와 오직 커플링하도록 한다. 도 4b에서처럼, 복수의 짧은 피라미드의 피크의 성장은 복수의 배치된 트러프(비표시됨) 또는 개방 비아를 남긴다.
도 1 및 도 2a 내지 도 2c를 다시 참조하면, 개시된 기술은 다수의 신규한 용도 및 성장할 수 있는 결정 구조를 제공한다. 예를 들면, 곡선면 또는 곡면을 나타내는 기재와 같은 비규칙 기재 위에 단결정질 구조를 성장시키기 위해 개시된 기술을 이용할 수 있다. 곡선면을 포함하는 CVD 성장 챔버에 걸쳐 균일한 압력이 존재하므로, 결정질 섬유 또는 시딩된 광학 석영 결정 섬유와 같은 곡선면 위에 에피택셜층을 성장시키기 위해 도 1의 방법이 중간 압력 CVD 성장 챔버와 함께 이용될 수 있다. 도 1의 방법을 이용하여, 결정질 섬유 위에, 결정질 섬유의 표면을 습윤시키기 위해 비금속 성분과 동시 증착된 선택된 금속 시트를 성장시킬 수 있다(도 1의 절차(102 및 104) 둘 다). 이후, 선택된 금속의 증착 속도를 변경함으로써, 완충 계면활성제 층의 성장에 대한 화학량론적 균형점을 성취하여(도 1의 절차(106)), 결정질 섬유 위의 결정의 층 성장에 의해 에피택셜층이 가능하게 할 수 있다. 다른 예로서, Y(이트륨), Ba(바륨) 및 Cu(구리)의 금속 혼합물이 비교적 낮은 공융점을 가질 수 있으므로, YBa2Cu3O7 고온(본원에서 HTc로 약칭함) 초전도체를 저온에서 개시된 기술을 이용하여 사파이어 결정질 섬유 위에 성장시킬 수 있다. 추가의 예로서, 석영 섬유의 경우에, 시드층을 금속 시트 없이 증기 고체 조건에서 석영 섬유 위에 성장시킬 수 있다. 이후, 도 1의 방법을 이용하여, 금속 증착 속도를 화학량론적 균형점보다 높게 증가시켜 시드층 위에 금속 시트 및 금속 습윤층을 형성할 수 있다. 이후, 금속 증착 속도를 화학량론적 균형점으로 감소시켜 나노칼럼이 성장하고 방사 방향으로 석영 섬유로부터 연장하도록 할 수 있다.
상기 언급된 바대로, 개시된 기술은 단결정질 구조를 나타내는 결정이 단결정질 성장을 위한 선행 기술의 방법보다 상당히 더 낮은 온도에서 성장되게 한다. 개시된 기술에 이용된 성장 온도는 원칙적으로 절차(102)에서 도입된 금속 또는 금속 혼합물의 융점보다 오직 약간 높을 수 있다(도 1). 예를 들면, 산화알루미늄 결정인 사파이어를 2050℃에서 선행 기술의 초크랄스키(Czochralski) 방법을 이용하여 성장시키고, 개시된 기술에 따르면 680℃에서 성장시킬 수 있다.
또한, 개시된 기술은 시드 결정의 특정 면만이 성장되게 하여 성장의 특정한 결정학적 배향을 선택할 수 있다. 도 2a 내지 도 2c에서 상기 설명된 바대로, 개시된 기술에 따른 결정 성장을 위한 전구체 재료는 시드 결정 표면에 비교적 가까운 거리에 위치하는 실질적으로 MN 계면활성제 단층 내의 MN 분자이다. 따라서, MN 계면활성제 단층에 비교적 가까운 시드 결정의 면만이 개시된 기술에 따라 결정 성장할 것이다. 선행 기술의 결정 성장 방법에서, 금속 용융물로부터의 결정 성장 또는 용액으로부터의 결정 성장과 같이, 시드 결정을 액체 중에 액침시켜 전구체 분자는 모든 측으로부터 시드 결정에 접근한다. 이 선행 기술의 방법에서, 결정은 시드 결정의 각각의 표면 또는 면의 자연적인 열역학적으로 기술되는 성장 속도에 따라 성장한다. 개시된 기술을 이용하여, 반응성 전구체 분자는 계면활성제 단층에 가깝게 근접한 면 또는 측을 제외하고 임의의 측으로부터 성장하는 결정에 접근하도록 열역학적으로 허용되지 않는다. 이러한 차이는 결정의 특정 면이 성장되게 하고, 이는 특정 결정 용도에 유용할 수 있다. 예를 들면, GaN의 m면이 캐리어 이동도에 해로운 높은 전기장을 유인할 수 있는 임의의 압전 특성을 나타내지 않으므로, 이 면은 특히 트랜지스터의 건축에 유용하다. 개시된 기술에 따르면, GaN에서의 m면과 같은 원하는 면이 계면활성제 단층에 평행하고 가깝게 근접하도록 시드 결정을 절단하고 제조할 수 있다. 결정 성장을 위한 선행 기술의 MBE 방법의 경우, 전구체 재료가 오직 일 방향으로부터 제공되고 결정이 이 특정 방향으로 성장하더라도, 공지된 MBE 방법을 이용하여 나노칼럼을 성장시킬 때, 접근하는 금속 원자는 무차별적으로 성장하는 결정과 커플링하고 트러프 내의 나노칼럼 사이에 침착할 수 있다. 이는 결정이 측으로 성장하게 하고 나노칼럼을 두껍게 할 수 있다. 매우 높은 온도는 이 선행 기술의 MBE 방법에서 이러한 문제점을 피할 수 있다. 개시된 기술에 따르면, 전구체 재료가 계면활성제 단층에 가깝게 근접한 나노칼럼의 상면에만 침착하므로, 심지어 더 낮은 온도에서도 나노칼럼의 트러프 내의 결정 성장이 회피된다.
개시된 기술은 실질적으로 결함 또는 전위를 갖지 않는 고품질 결정에 대한 이상적인 조건에서 결정을 성장시킨다. 일반적으로, 접근하는 전구체 분자가 결정 구조의 성장하는 격자로 도입하기 위한 최적 자리로 성장하는 결정의 결정질 표면에 표류하고 부유할 수 있으므로, 액체에서의 결정 성장은 MBE와 같은 결정 성장의 다른 방법보다 실질적으로 더 조용하고 덜 온도 의존적이다. 성장하는 격자 내의 전구체 재료의 이 최적 배치는 결정 성장의 고품질 단층을 생성시키고 따라서 궁극적으로 더 우수한 결정을 생성시킨다. 개시된 기술은 결정을 상기 기재된 바대로 액체에서 성장시키고, 전구체 재료 사이에 화학량론적 균형점이 성취되는 환경에서 성장시킨다. 일반적으로, 개시된 기술에 제공되는 바대로 화학량론적 균형점은 액체에서 더 용이하게 성취된다. 공지된 바대로, 액체 성장 환경에서 더 잘 제어될 수 있는 갈륨 농후 환경에서 최고 품질의 전기광학 GaN 필름 및 나노칼럼을 성장시킨다.
또한 개시된 기술에 따르면, 결정 성장에서 복합 합금을 사용할 수 있고 성장한 결정을 또한 도핑할 수 있다. 예를 들면, 금속 혼합물이 낮은 공융점을 갖는 경향이 있으므로, 인듐 갈륨 질소 및 카드뮴 아연 셀레나이드와 같은 삼원 합금을 저온에서 결정 성장을 위한 전구체 재료로서 사용할 수 있다. 전구체 재료로서 사용되는 비금속 원자 및 입자는 또한 개시된 기술에 따라 갈륨 인광 비화물 또는 아연 옥사이드 텔루르화물과 같은 복합체일 수 있다. 그러므로, 개시된 기술은 매우 희유한 금속 및 비금속 화합물을 이용한 결정 성장 방법을 제공한다. 더구나, 결정의 성장하는 표면에 전구체 재료가 근접하면 반도체 필름일 수 있는 성장하는 표면을 n형 또는 p형 불순물로 도핑하는 것이 더 쉬워진다. 또한, 저온에서 성장하는 표면을 도핑하는 것은 도펀트의 높은 확산 거리를 통상 발생시키고 또한 원하는 도펀트 농도에 영향을 미치는 결정의 열 예산(thermal budget)을 실질적으로 감소시킨다.
개시된 기술의 다른 실시양태에 따르면, 성장한 결정에서의 상이한 층은 1개의 층으로부터 다음 층으로의 전구체 재료의 상이한 조성, 및 상이한 구배 또는 전이를 포함할 수 있다. 예를 들면, AlN(질화알루미늄)의 제1 층을 성장시키고, 이후 개시된 기술을 이용하여 GaN의 제2 층을 성장시키기 위해 Al2O3(산화알루미늄)의 시드 결정을 사용할 수 있다. 각각의 금속의 증착 속도를 제어함으로써 각각의 층은 다른 층으로 전이될 수 있고, 따라서 AlN 층은 GaN 층으로 점진적으로 전이될 수 있거나, 알루미늄 또는 갈륨의 증착 속도를 변경함으로써 급격한 방식으로 전이될 수 있다. 일반적으로, 이 개시된 기술의 실시양태와 관련하여 유일한 제한은 성장한 다양한 층이 격자 구조에서 유사성을 가져 성장한 결정에서의 불일치 전위를 피해야 한다는 것이다. 이 실시양태에 따르면, 결정 성장에 전구체 재료로서 작용하는 계면활성제 단층을 점진적으로 변경하여 등급 조성의 박막을 성장시킬 수 있다. 각각의 증착 속도를 변경함으로써 계면활성제 단층을 구성하는 금속 및 비금속 전구체 재료를 변경할 수 있다. 등급화된 직접형 밴드갭 반도체를 구성하기 위해 등급 조성을 갖는 이러한 박막을 사용할 수 있다. 태양 방사의 넓은 스펙트럼에 걸쳐 태양 에너지를 수집하기 위해 이러한 반도체를 사용할 수 있고, 태양 방사에 존재하는 각각의 색상은 상응하는 밴드갭을 갖는 반도체 내의 층에 의해 수집된다. 이러한 층의 예로는 InxGa1-xN, AlxGa1-xAs, GaAsxN1-x 등과 같은 일반식을 갖는 단층을 들 수 있다. 개시된 기술의 다른 실시양태에서, 성장한 다양한 층은 격자 구조에서 유사성을 가져야 하지만, 나노칼럼을 성장시키기 위해 불일치 전위가 조장될 수 있다.
개시된 기술은 추가로 비일반적인 결정 구조를 저온 및 정상 온도에서 성장시킨다. 예를 들면, MBE 방법에 의해 InGaN(인듐 갈륨 질화물)을 증착할 때, GaN은 800℃에서 해리되는 반면, InN(질화인듐)은 550℃에서 해리되므로, 시스템의 성장 온도와 관련하여 주의해야 한다. 저온에서, 에피택시는 일어나지 않는 반면, 고온에서 InN은 해리되므로 성장하는 격자로 혼입되지 않는다. 개시된 기술을 이용하여, 50℃에서 InGaN을 성장시킬 수 있다. 따라서, 개시된 기술에 따르면, 특정한 합금 및 혼합물의 온도 불일치가 회피될 수 있으므로, 결정 성장에 고려되지 않는 새로운 전구체 재료를 결정 성장에서 사용할 수 있다.
결정을 헤테로에피택셜로 성장시키는 데 개시된 기술을 이용할 수 있으므로, 개시된 기술은 또한 헤테로결정질 구조를 성장시킨다. 예를 들면, 도 3b에 도시된 바와 같은 박막 성장 시스템과 관련하여, 얇은 액체 금속 습윤층에 상이한 시간에 다양한 유형의 비금속 입자, 예컨대 제1 질소, 이어서 인 및 마지막으로 비화물을 제공할 수 있다. 다양한 비금속 입자는 계면활성제 단층의 조성을 변경하고, 결국 성장한 결정의 조성을 변경하여, 헤테로에피택시가 가능하게 한다. 다른 예로서, 소정의 금속의 얇은 액체 금속 습윤층을 개시된 기술에 따라 건조시킬 수 있고, 이후 상이한 금속으로 이루어진 새로운 얇은 액체 금속 습윤층을 성장하는 결정에 증착시킬 수 있다. 대안적으로, 상이한 금속을 성장 환경으로 도입할 수 있고, 얇은 액체 금속 습윤층을 시드 결정에 증착하여 헤테로에피택시가 가능하게 한다. 상기 언급된 바대로, 시드 결정 위에 성장한 결정 성장의 다양한 층(새로운 결정층이 이 위에 성장할 수 있음)을 건조시킬 수 있거나, 소정의 결정층은 계면활성제 단층의 전구체 MN 분자를 변경함으로써 이의 조성이 변경될 수 있다.
도 4b 및 도 4c에서 상기 기재된 바대로, 개시된 기술은 성장시키고자 하는 결정의 신규한 구조, 예컨대 나노칼럼 또는 맨하탄 구조가 가능하게 한다. 선행 기술의 결정 성장 기술을 이용하여, 액체 또는 기체 상태의 전구체 재료를 비편평 표면을 갖는 시드 결정 위에 박막으로서 증착할 때, 박막은 일반적으로 비편평 표면의 위상에 부합하고 성장한 비편평 결정을 생성시킨다. 상기 기재된 바대로, MBE 방법 및 CVD 방법은 피라미드 기하구조를 나타내는 결정 성장을 생성시킬 수 있고 나노칼럼 성장을 생성시킬 수 있지만, 더 많은 원자 및 입자가 이러한 방법을 이용하여 증착되면서, 임의의 성장한 나노칼럼은 두꺼워지기 시작하고 성장한 나노칼럼 사이의 트러프가 채워지기 시작한다. 개시된 기술에 따르면, 전구체 분자가 계면활성제 단층 근처의 인접한 표면에 오직 점핑하거나 터널링하므로, 성장한 나노칼럼 사이의 트러프는 입자 침착물 없이 깨끗하다.
당해 분야의 당업자라면 개시된 기술이 상기 특별히 도시되고 기술된 것으로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 오히려, 개시된 기술의 범위는 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (33)

  1. 금속-비금속(metal-nonmetal: MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키는 방법으로서,
    시드 결정을 제공하는 절차;
    상기 시드 결정과 접촉하도록 제1 금속의 원자를 도입하여 상기 시드 결정의 적어도 하나의 표면 위에 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하는 절차;
    상기 시드 결정의 온도를 상기 얇은 액체 금속 습윤층 중에 MN 분자를 용해시키는 데 필요한 최소 온도보다 낮고 상기 제1 금속의 융점보다 높게 설정하되, 상기 MN 분자의 각각이 제2 금속의 적어도 하나의 원자 및 제1 비금속의 적어도 하나의 원자로부터 형성되는 것인 절차;
    MN 계면활성제 단층을 형성하는 상기 MN 분자를 도입하여, 상기 MN 계면활성제 단층과 상기 시드 결정의 적어도 하나의 표면 사이의 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 형성을 촉진하는 절차; 및
    상기 MN 계면활성제 단층의 상기 MN 분자 중 적어도 몇몇이 상기 시드 결정의 적어도 하나의 표면과 커플링하도록 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 두께를 조절하여, 상기 시드 결정 위에 상기 MN 화합물의 에피택셜층(epitaxial layer)을 성장시키는 절차를 포함하는, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 MN 계면활성제 단층이 형성될 때까지 상기 제1 비금속의 적어도 하나의 원자를 기화시키는 절차를 추가로 포함하는, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 MN 계면활성제 단층을 형성하는 상기 MN 분자를 도입하기 위한 MN 화합물 표적을 스퍼터링하는 절차를 추가로 포함하는, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 MN 계면활성제 단층을 형성하는 상기 MN 분자를 도입하기 위한 MN 전구체를 기화시키는 절차를 추가로 포함하는, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 시드 결정은 제3 금속 및 제2 비금속으로부터 형성되는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 금속, 상기 제2 금속 및 상기 제3 금속은 동일한 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 금속, 상기 제2 금속 및 상기 제3 금속은 상이한 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 금속, 상기 제2 금속 및 상기 제3 금속 중 적어도 2개는 동일한 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제1 비금속과 상기 제2 비금속은 동일한 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 제1 비금속과 상기 제2 비금속은 상이한 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은
    알칼리 금속;
    알칼리 토금속;
    전이 금속;
    란탄족 원소;
    악티늄족 원소; 및
    다른 금속으로 이루어진 목록으로부터 선택된 금속으로 분류되는 원소 주기율표로부터의 각각의 금속 원소인 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 비금속은
    비금속; 및
    할로겐으로 이루어진 목록으로부터 선택된 비금속으로 분류되는 원소 주기율표로부터의 비금속 원소인 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 시드 결정은
    상기 MN 화합물과 관련하여 균일 결정;
    상기 MN 화합물과 관련하여 불균일 결정;
    비결정질 기재 위에 성장된 소결정자(small crystallite); 및
    결정질 기재 위에 성장된 소결정자로 이루어진 목록으로부터 선택되는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 시드 결정은
    계단식 구조(terraced structure);
    맨하탄 구조(Manhattan structure);
    나노와이어 구조;
    편평한 기하학적 구조; 및
    피라미드 구조로 이루어진 목록으로부터 선택된 결정학적 구조를 나타내는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 MN 분자를 도입하는 절차는 결정 성장 기술을 이용하여 상기 MN 화합물을 성장시키는 데 필요한 성장 환경에서 전구체 재료를 도입하는 하위절차를 포함하는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 결정 성장 기술은
    화학 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD);
    분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy: MBE);
    액상 에피택시(liquid phase epitaxy: LPE);
    기상 에피택시(vapor phase epitaxy: VPE); 및
    용액 성장으로 이루어진 목록으로부터 선택되는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속의 원자를 도입하는 절차는
    상기 원자를 상기 시드 결정의 상기 적어도 하나의 표면에 결국에는 응축하게 되는 증기로서 도입하는 하위절차;
    상기 원자를 상기 시드 결정의 상기 적어도 하나의 표면을 둘러싸는 액체 금속으로서 도입하는 하위절차; 및
    상기 제1 금속 및 비금속 원소를 포함하고, 상기 시드 결정의 근처에서 해리되는 화합물을 도입하는 하위절차로 이루어진 목록으로부터 선택된 하위절차를 포함하는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 MN 분자를 도입하는 절차는 상기 MN 분자를 형성하도록 조합된 금속 입자 및 비금속 입자를 동시 증착하는 하위절차를 포함하는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 두께를 조절하는 절차는
    상기 MN 분자의 증발 속도를 제어하기 위한 증발 제어기를 사용하여 상기 두께를 조절하는 하위절차;
    가스 입구 마노미터(gas inlet manometer) 및 분광기를 사용하여 상기 두께를 조절하는 하위절차; 및
    액적 기준(droplet criterion) 및 반사 고에너지 전자 회절(reflection high-energy electron diffraction: RHEED) 기술을 이용하여 상기 두께를 조절하는 하위절차로 이루어진 목록으로부터 선택된 하위절차를 포함하는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 온도를 설정하는 절차는, 상기 MN 분자의 도입 속도가 최대화되고 MN 전구체 재료의 화학량론적 균형점이 조절될 수 있는, 상기 시드 결정에 대한 최적 온도를 결정하는 하위절차를 포함하는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속의 원자의 도입을 중지하여 상기 얇은 액체 금속 습윤층을 완전히 건조시키는 절차; 및
    상기 시드 결정 위의 상기 MN 화합물의 에피택셜층 위에 다결정질 구조를 나타내는 상기 MN 화합물의 결정층을 성장시키는 절차를 추가로 포함하는, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제1 비금속의 원자의 도입을 감소시켜 실질적으로 없게 하여, 상기 MN 화합물의 에피택셜층 위에 상기 제1 금속의 원자의 박층을 남기는 절차; 및
    상기 제1 금속의 원자의 박층을 제거하는 절차를 추가로 포함하는, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제거하는 절차는
    상기 시드 결정을 가열하여 상기 박층을 증발시키는 하위절차;
    습식 화학 기술을 이용하여 상기 박층을 에칭하는 하위절차; 및
    플라스마 화학 기술을 이용하여 상기 박층을 에칭하는 하위절차로 이루어진 목록으로부터 선택된 하위절차를 포함하는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기 시드 결정은
    나노미터 크기의 결정질 시드;
    벌키한(bulky) 밀리미터 크기의 시드;
    적어도 하나의 편평한 표면을 갖는 웨이퍼;
    결정질 섬유의 선단을 갖는 웨이퍼;
    결정질 재료와 커플링된 시드 결정; 및
    비결정질 재료와 커플링된 시드 결정으로 이루어진 목록으로부터 선택되는 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  25. 제1항에 있어서, 상기 얇은 액체 금속 습윤층은 상기 시드 결정을 둘러싸는 금속 용액의 일부인 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  26. 제1항에 있어서, 상기 얇은 액체 금속 습윤층은 두께가 3나노미터 이하인 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  27. 제1항에 있어서, 상기 MN 계면활성제 단층은 3개 이하의 단층을 포함하고, 상기 3개의 단층의 각각은 두께가 실질적으로 0.3나노미터인 것인, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  28. 금속-비금속(MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키는 방법으로서,
    시드 결정을 제공하는 절차;
    상기 시드 결정의 근처에 제1 금속의 원자를 도입하여 상기 시드 결정의 적어도 하나의 표면 위에 얇은 액체 금속 습윤층을 형성하는 절차;
    상기 시드 결정의 온도를 상기 얇은 액체 금속 습윤층 중에 MN 분자를 용해시키는 데 필요한 최소 온도보다 낮고 상기 제1 금속의 융점보다 높게 설정하고, 상기 MN 분자의 각각은 제2 금속의 적어도 하나의 원자 및 제1 비금속의 적어도 하나의 원자로부터 형성되는 것인 절차;
    MN 계면활성제 단층을 형성하는 상기 MN 분자를 도입하여, 상기 MN 계면활성제 단층과 상기 시드 결정의 적어도 하나의 표면 사이의 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 형성을 촉진하는 절차; 및
    상기 MN 계면활성제 단층의 상기 MN 분자 중 적어도 몇몇이 상기 시드 결정의 적어도 하나의 표면과 커플링하도록 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 두께를 조절하여, 상기 시드 결정 위에 상기 MN 화합물의 에피택셜층을 성장시키는 절차를 포함하는, 금속-비금속 화합물의 계면활성제로부터의 결정의 성장방법.
  29. 금속 용융물로부터의 금속-비금속(MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키기 위한 시스템으로서,
    성장 챔버;
    상기 성장 챔버 내에 위치한 페데스탈(pedestal); 및
    상기 성장 챔버 내에서 상기 페데스탈을 이동시키기 위한 상기 페데스탈과 커플링된 모터를 포함하고,
    시드 결정은, 상기 시드 결정의 성장면이 상기 페데스탈의 반대 방향을 향하도록 상기 페데스탈 위에 위치하며;
    상기 성장 챔버는 상기 금속 용융물로 충전되어 상기 성장면은 상기 금속 용융물의 박층으로 피복되고;
    비금속 가스는 상기 성장 챔버로 상기 금속 용융물의 표면 위로 도입되며;
    상기 비금속 가스의 입자 및 상기 금속 용융물의 입자는 상호작용하여, MN 계면활성제 단층이 형성되고;
    상기 MN 계면활성제 단층 내의 분자가 상기 성장면에 터널링하도록 상기 성장면과 상기 MN 계면활성제 단층 사이의 거리가 조절되어, 상기 성장면 위에 적어도 하나의 결정층이 에피택셜로 성장하는 것인 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 상기 거리는, 상기 성장면이 상기 금속 용융물의 상기 박층에 의해 피복되도록 상기 페데스탈을 이동시키는 상기 모터에 의해 조절되는 것인 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 상기 거리는, 상기 성장면이 상기 금속 용융물의 상기 박층에 의해 피복되도록 상기 금속 용융물의 양을 조정함으로써 조절되는 것인 시스템.
  32. 박막으로부터의 금속-비금속(MN) 화합물의 계면활성제로부터 결정을 성장시키기 위한 시스템으로서,
    성장 챔버;
    금속 증기를 상기 성장 챔버로 도입하기 위한 상기 성장 챔버와 커플링된 제1 가스 입구; 및
    비금속 증기를 상기 성장 챔버로 도입하기 위한 상기 성장 챔버와 커플링된 제2 가스 입구를 포함하되,
    시드 결정은 상기 성장 챔버 내에 위치하고;
    상기 성장 챔버는 상기 금속 증기 및 상기 비금속 증기로 동시에 충전되어, 상기 금속 증기 및 상기 비금속 증기가 상기 시드 결정의 성장면에 동시 증착되어, 상기 금속 증기로부터의 얇은 액체 금속 습윤층 및 상기 얇은 액체 금속 습윤층 위의 MN 계면활성제 단층이 형성되며;
    상기 금속 증기의 농도는 초기에 상기 비금속 증기의 농도보다 높아 상기 얇은 액체 금속 습윤층이 형성되고;
    상기 MN 계면활성제 단층 내의 MN 분자가 상기 성장면에 터널링하도록 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 두께가 조절되어, 상기 성장면 위에 적어도 하나의 결정층이 에피택셜로 성장하는 것인 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 금속 증기의 농도는, 상기 얇은 액체 금속 습윤층의 두께를 조절하도록 조정되는 것인 시스템.
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