[논문]수직경사응고(VGF)법에 의한 Si 도핑 GaAs 단결정 성장시 <tex>$B_{2}O_{3}$</tex> 첨가에 따른 캐리어 농도 변화

배소익; 한창운

수직경사응고(VGF)법에 의한 Si 도핑 GaAs 단결정 성장시 $B_{2}O_{3}$ 첨가에 따른 캐리어 농도 변화
Control of carrier concentrations by addition of $B_{2}O_{3}$ in Si-doped vertical gradient freeze (VGF) GaAs single crystal growth 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.19 no.2, 2009년, pp.75 - 78

배소익 ((주)포티조) , 한창운 ((주)포티조)

초록
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PBN 도가니를 이용하여 Si이 도핑된 GaAs 단결정을 수직경사 응고법으로 성장시켰다. PBN 도가니에 산화막인 $B_{2}O_{3}$의 양을 $0{\sim}0.2wt%$ 범위에서 변화시키면서, 성장 후 캐리어 농도를 측정하였다. $B_{2}O_{3}$ 첨가량이 증가함에 따라, 초기 0.1 정도의 Si 도판트의 편석계수는 0.01 부근까지 급격히 감소하고, 동시에 캐리어 농도도 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 성장도중 도판트인 Si이 $B_{2}O_{3}$과 반응하며 도너인 Si 양을 감소시키며, 동시에 억셉터인 B 양을 증가시키기 때문으로 보인다. 한편 PBN 도가니 내면에 얇은 유리질의 $B_{2}O_{3}$층 형성이 용이한 고온 산화막 처리가 결함감소에 효과적임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Si-doped GaAs single crystals were grown by vertical gradient freeze using PBN crucibles. The amount of oxide layer $B_{2}O_{3}$ in PBN crucible was changed($0{\sim}0.2wt%$) and measured the concentration of carriers. The segregation coefficients of Si in GaAs melt decreased rapidly from initial 0.1 to 0.01 as the amount of $B_{2}O_{3}$ increases. At the same time, concentration of carriers was shown to decrease. It is likely that the reaction between dopant Si and $B_{2}O_{3}$ in GaAs melt results in the reduction of Si dopants(donor) while increase in the amount of boron(acceptor). The thin layer of $B_{2}O_{3}$ glass in PBN crucible was proved to be a better way to reduce defect formation rather than the total amount of $B_{2}O_{3}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 VGF 방식으로 단결정 GaAs를 성장하여, B2O₃의 장입량에 따른 캐리어 농도와 Si 도핑 농도 관계를 검토하였다. 연구 결과 B2O₃ 첨가에 따라 캐리어를 생성하는 Si 도판트는 결정 성장시 도핑이 어려워지며(편석계수 감소), 캐리어 농도 역시 감소되는 것을 알 수 있었다.

제안 방법

PBN 도가니는 표면 산화막 형성에 의한 B2O₃ 거동을 평가하기 위해서 두가지 방법으로 열처리하였다. 첫번째 방법은 B와 C의 경우에 적용한 것으로 PBN 내부는 고순도의 산소가스를, 외부는 질소가스를 공급하면서, 1100도에서 10시간 동안 산화막 공정을 실시하였다.
도판트 농도, g는 응고분율이다. 각각의 실험마다 동일한 양의 도판트를 넣고 결정 성장 공정 진행 후캐리어 농도를 측정하고 편석계수를 계산하였다. 평균편석계수는 A의 경우 0.
그러나 CVD 법으로 제조되는 적층구조의 PBN은 사용 횟수가 증가함에 따라 표면에 박리현상이 발생되고 이로 인해 각종 결함을 유발시킬 수 있다. 결정 결함 발생을 완화시키고, 단결정 수율을 향상시키기 위해 원재료 장입시 B2O₃를 수%闩십% 첨가한다. 첨가되는 B2O₃는 결정종자(seed)와 도가니 사이의 빈틈을 채워 결정성장 초기 융액이 고체인 결정 종자 쪽으로 흘러내리는 것을 방지하며, 도가니 내부에 얇은 유리질 막을 형성하여 GaAs 융액과 도가니를 비 젖음(non wetting) 상태로 만든다.
첫번째 방법은 B와 C의 경우에 적용한 것으로 PBN 내부는 고순도의 산소가스를, 외부는 질소가스를 공급하면서, 1100도에서 10시간 동안 산화막 공정을 실시하였다. 두 번째 방법은 PBN 도가니를 고온의 질소가스 분위기에서 수 시간 가열하여 수분을 제거하였다. 동 방법은 A와 D의 경우에 적용하였다.
본 연구에서는 VGF 방식으로 단결정 GaAs를 성장시 B2O₃ 장입량에 따라 GaAs 웨이퍼의 carrier 농도 값 변화를 측정하였고, 이에 따른 편석 계수를 계산하여 B2O₃ 의 장입량에 따른 캐리어 농도와 Si 도핑 농도 관계를 검토하였다.
GaAs 종자결정은 도가니의 하부에 위치하였다. 석영관 내에 산소나 수분 및 분진의 영향을 최소화하기 위하여 lO^torr의 진공 상태로 봉입하여 석영앰플(Fig. 1) 을 제작하였다. 제작된 앰플을 VGF방식 전기로에 넣고 전기로 내부 Heater의 온도를 1200〜1260°C 범위에서 10시간 유지하여 seed를 제외한 나머지 부분을 녹인다.
PBN 도가니는 표면 산화막 형성에 의한 B2O₃ 거동을 평가하기 위해서 두가지 방법으로 열처리하였다. 첫번째 방법은 B와 C의 경우에 적용한 것으로 PBN 내부는 고순도의 산소가스를, 외부는 질소가스를 공급하면서, 1100도에서 10시간 동안 산화막 공정을 실시하였다. 두 번째 방법은 PBN 도가니를 고온의 질소가스 분위기에서 수 시간 가열하여 수분을 제거하였다.

대상 데이터

단결정 GaAs를 성장시키기 위하여 미리 세척하여, 진공 oven에 보관해 두었던 2500 g의 다결정 GaAs와 도판트로 사용되는 Si을 PBN 도가니 (Fig. 1) 에 장입하였다. GaAs 종자결정은 도가니의 하부에 위치하였다.

이론/모형

이후 성장된 ingot에서 실리콘 농도를 측정하고자 하는 부분의 웨이퍼를 400 fim 두께로 절단한 후, 10X 10 mm 크기로 시료를 채취하였다. 채취된 시료는 Van der Pauw 방법으로 Hall 효과를 측정, 웨이퍼 내의 캐리어 농도를 측정하였다.

성능/효과

1100도에서 10시간 동안 산화 처리 과정을 통하여 PBN 도가니 내부 벽에는 얇은 B20의 산화막이 형성되며, 무게로 환산시 약 1g 의 B2O₃가 된다. 따라서 PBN의 산화 효과까지 고려하면 실제로 A, B, C, D 실험 각각 첨가된 BQs의 양은 5 g, 3 g, 1g, 0 g이 된다 첨가되는 BQ3의 양이 증가하면 캐리어 농도가 감소하였다. 이로 미루어 B2O₃ 양이 증가하면, 도너(donor)로 작용하는 Si의 역할을 상쇄시키는 억셉터(acceptor)의 양이 증가하여 캐리어 농도를 감소시킨 것으로 보9]며, 이 과정에서 생성되는 억셉터는로부터 유입된 보론(Boron)에 의한 것으로 판단된다.
검토하였다. 연구 결과 B2O₃ 첨가에 따라 캐리어를 생성하는 Si 도판트는 결정 성장시 도핑이 어려워지며(편석계수 감소), 캐리어 농도 역시 감소되는 것을 알 수 있었다. 이는 성장도중 도판트인 Si과 B2O₃가 반응하여 GaAs 단결정 내의 n형 도판트인 실리콘(Si) 양을 감소시키며, 동시에 p 형 도판트인 보론(B) 양을 증가시키기 때문으로 보인다.
이는 성장도중 도판트인 Si과 B2O₃가 반응하여 GaAs 단결정 내의 n형 도판트인 실리콘(Si) 양을 감소시키며, 동시에 p 형 도판트인 보론(B) 양을 증가시키기 때문으로 보인다. 한편 도가니 내면에 얇은 유리질의 B2O₃ 층을 형성시키는 고온 산화막 처리가 결함감소에 효과적임을 확인하였다.

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