고분해능 XRD 분석에 의한 InAs/GaSb 응력초격자 구조의 성장 최적화 연구 Study on Growth Optimization of InAs/GaSb Strained-Layer Superlattice Structures by High-Resolution XRD Analysis원문보기
InAs/GaSb (8/8-ML) 응력초격자 (SLS)의 성장 변수를 최적화하기 위하여, 다양한 조건 및 모드에서 SLS 구조를 제작하여 고분해능 X선회절 (XRD) 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 성장온도, V/III 분자선 비율, 성장일시정지 (growth interruption, GI) 등의 변화를 통하여 SLS 계면층의 응력 변조를 유도하였고, XRD 0차 위성피크의 변위로서 응력의 변화를 고찰하였다. XRD 분석 결과로부터, SLS의 결정성과 응력의 변화를 유발하는 주요 변수는 각각 성장온도와 V/III(Sb/Ga) 비율임을 보여 주었다. 압축변형을 가지고 있는 본 연구에서 제작한 SLS 시료는 V/III(Sb/Ga) 비율의 감소에 따라 인장변형으로 전환됨을 보여 주었으며, GI 모드 및 시간에 따라 응력이 민감하게 변함을 관측할 수 있었다. 본 연구 결과로부터, [InAs/GaSb]-SLS ([8/8]-ML)의 최적 성장온도와 V/III(Sb/Ga) 비율는 각각 $350^{\circ}C$와 20이고, 결정성을 극대화하고 응력완화를 감소시키기 위해서는 InAs 성장 직전 약 3초 동안의 GI방법이 유효함을 보였다.
InAs/GaSb (8/8-ML) 응력초격자 (SLS)의 성장 변수를 최적화하기 위하여, 다양한 조건 및 모드에서 SLS 구조를 제작하여 고분해능 X선회절 (XRD) 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 성장온도, V/III 분자선 비율, 성장일시정지 (growth interruption, GI) 등의 변화를 통하여 SLS 계면층의 응력 변조를 유도하였고, XRD 0차 위성피크의 변위로서 응력의 변화를 고찰하였다. XRD 분석 결과로부터, SLS의 결정성과 응력의 변화를 유발하는 주요 변수는 각각 성장온도와 V/III(Sb/Ga) 비율임을 보여 주었다. 압축변형을 가지고 있는 본 연구에서 제작한 SLS 시료는 V/III(Sb/Ga) 비율의 감소에 따라 인장변형으로 전환됨을 보여 주었으며, GI 모드 및 시간에 따라 응력이 민감하게 변함을 관측할 수 있었다. 본 연구 결과로부터, [InAs/GaSb]-SLS ([8/8]-ML)의 최적 성장온도와 V/III(Sb/Ga) 비율는 각각 $350^{\circ}C$와 20이고, 결정성을 극대화하고 응력완화를 감소시키기 위해서는 InAs 성장 직전 약 3초 동안의 GI방법이 유효함을 보였다.
For the growth optimization of InAs/GaSb (8/8-ML) strained-layer superlattice (SLS), the structure has been grown under various conditions and modes and characterized by the high-resolution x-ray diffraction (XRD) analysis. In this study, the strain modulation is induced by changing parameters and m...
For the growth optimization of InAs/GaSb (8/8-ML) strained-layer superlattice (SLS), the structure has been grown under various conditions and modes and characterized by the high-resolution x-ray diffraction (XRD) analysis. In this study, the strain modulation is induced by changing parameters and modes, such as the growth temperature, the ratio of V/III beam-equivalent-pressure (BEP), and the growth interruption (GI), and the strain variation is analyzed by measuring the angle separation of 0th-order satellite peak in XRD patterns. The XRD results reveal that the growth temperature and the V/III(Sb/Ga) ratio are major parameters to change the crystallineity and the strain modulation in SLS structures, respectively. We have observed that the SLS samples with compressive strain prepared in this study are show a transition to tensile strain with decreasing V/III(Sb/Ga) ratio, and the GI process is a sensitive factor giving rise to strain modulation. These results obtained in this study suggest that optimized growth temperature and V/III(Sb/Ga) ratio are $350^{\circ}C$ and 20, respectively, and the appropriate GI time is approximately 3 seconds just before InAs growth that the crystallineity is maximized and the strain relaxation is minimized.
For the growth optimization of InAs/GaSb (8/8-ML) strained-layer superlattice (SLS), the structure has been grown under various conditions and modes and characterized by the high-resolution x-ray diffraction (XRD) analysis. In this study, the strain modulation is induced by changing parameters and modes, such as the growth temperature, the ratio of V/III beam-equivalent-pressure (BEP), and the growth interruption (GI), and the strain variation is analyzed by measuring the angle separation of 0th-order satellite peak in XRD patterns. The XRD results reveal that the growth temperature and the V/III(Sb/Ga) ratio are major parameters to change the crystallineity and the strain modulation in SLS structures, respectively. We have observed that the SLS samples with compressive strain prepared in this study are show a transition to tensile strain with decreasing V/III(Sb/Ga) ratio, and the GI process is a sensitive factor giving rise to strain modulation. These results obtained in this study suggest that optimized growth temperature and V/III(Sb/Ga) ratio are $350^{\circ}C$ and 20, respectively, and the appropriate GI time is approximately 3 seconds just before InAs growth that the crystallineity is maximized and the strain relaxation is minimized.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
지금까지 여러가지 성장 조건의 변화를 통하여 성장한 시료의 XRD 분석 결과로부터, [InAs/GaSb]-SLS ([8/8]-ML/P=50)의 성장변수를 최적화하였다. 마지막으로, 본 연구에서 결정한 변수 (TG =350℃, V/III(Sb/Ga)=20, GI (InAs)=3 s)의 유효성을 검증하기 위하여, 최적조건에서 주기가 다른 6종류의 SLS (P=50-300)를 성장하였다. Fig.
제안 방법
또한, 계면층 변조에 따른 응력 변화를 조사하기 위하여, Fig. 1(b)와 같이, InAs와 GaSb 증착이 교차되는 사이에 성장을 일시중지시키는 4가지 GI 모드에서 시료를 제작하여 그 변화를 조사하였다.
GI 도입에 따른 응력변조를 보다 자세하게 관찰하기 위하여, InAs-on-GaSb 상태, 즉 [GI-for-InAs] 모드에서 GI 시간 (GI time, GIT) 변화에 대한 효과를 조사하였다. Fig.
SLS의 V/III(As/In) BEP 비율은 4 (6.0/1.5×10-7 Torr)로 고정시켰으며, 성장온도 (T G (SLS))와 V/III(Sb/Ga) 비율은 각각 330-410℃와 1.0-20 (1.5-30/1.5×10-7 Torr) 범위에서 변화시켰다.
성장변수에 따른 0-PSA 분석 결과로부터 결정성과 응력의 변화를 일으키는 주요 변수에 대하여 논의하고, [InAs/GaSb]-SLS의 최적 성장조건을 제시하였다. 마지막으로, 변수의 최적성을 검증하기 위하여, 최적 조건에서 주기 (preiod, P)가 서로 다른 6종 류의 시료 (P=50-300)를 성장하여, 단면 transmission electron microscopy (TEM) 사진과 XRD 곡선맞춤을 통하여 SLS의 주기성과 두께 균일성을 조사하였다.
본 연구에서는, InAs/GaSb SLIP 소자의 활성층으로 이용할 SLS (8/8-monolayer, ML) 구조를 여러 가지 조건과 모드에서 제작하고, 고분해능 X선회절 (x-ray diffraction, XRD) 평가를 통하여 그 특성을 분석하였다. 성장온도 (growth temperature, TG), V/III 분자선등가압력 (beam equivalent pressure, BEP) 비율, 성장일시정지 (growth interruption, GI) 등을 변화시켜 SLS 계면층의 변조를 유도하였으며, XRD의 초격자 위성피크 (superlattice satellite peak, SSP)의 0차 피크 변위각 (0th-order peak separation angle, 0-PSA)를 조사하여 SLS의 변형-응력 (strainstress)의 변화를 고찰하였다.
성장온도 (growth temperature, TG), V/III 분자선등가압력 (beam equivalent pressure, BEP) 비율, 성장일시정지 (growth interruption, GI) 등을 변화시켜 SLS 계면층의 변조를 유도하였으며, XRD의 초격자 위성피크 (superlattice satellite peak, SSP)의 0차 피크 변위각 (0th-order peak separation angle, 0-PSA)를 조사하여 SLS의 변형-응력 (strainstress)의 변화를 고찰하였다. 성장변수에 따른 0-PSA 분석 결과로부터 결정성과 응력의 변화를 일으키는 주요 변수에 대하여 논의하고, [InAs/GaSb]-SLS의 최적 성장조건을 제시하였다. 마지막으로, 변수의 최적성을 검증하기 위하여, 최적 조건에서 주기 (preiod, P)가 서로 다른 6종 류의 시료 (P=50-300)를 성장하여, 단면 transmission electron microscopy (TEM) 사진과 XRD 곡선맞춤을 통하여 SLS의 주기성과 두께 균일성을 조사하였다.
본 연구에서는, InAs/GaSb SLIP 소자의 활성층으로 이용할 SLS (8/8-monolayer, ML) 구조를 여러 가지 조건과 모드에서 제작하고, 고분해능 X선회절 (x-ray diffraction, XRD) 평가를 통하여 그 특성을 분석하였다. 성장온도 (growth temperature, TG), V/III 분자선등가압력 (beam equivalent pressure, BEP) 비율, 성장일시정지 (growth interruption, GI) 등을 변화시켜 SLS 계면층의 변조를 유도하였으며, XRD의 초격자 위성피크 (superlattice satellite peak, SSP)의 0차 피크 변위각 (0th-order peak separation angle, 0-PSA)를 조사하여 SLS의 변형-응력 (strainstress)의 변화를 고찰하였다. 성장변수에 따른 0-PSA 분석 결과로부터 결정성과 응력의 변화를 일으키는 주요 변수에 대하여 논의하고, [InAs/GaSb]-SLS의 최적 성장조건을 제시하였다.
7(b)는 주기 P의 함수로써 나타낸 단일 주기 SLS의 두께와 0차 SSP의 FWHM에 대한 그래프이다. 여기서 단일 주기 평균 두께는 초격자 분석 프로그램을 이용하여 XRD 스펙트럼에서 실험적으로 얻은 SSP 간격으로부터 결정하였다. SLS 단일 주기의 두께는 (5.
지금까지 여러가지 성장 조건의 변화를 통하여 성장한 시료의 XRD 분석 결과로부터, [InAs/GaSb]-SLS ([8/8]-ML/P=50)의 성장변수를 최적화하였다. 마지막으로, 본 연구에서 결정한 변수 (TG =350℃, V/III(Sb/Ga)=20, GI (InAs)=3 s)의 유효성을 검증하기 위하여, 최적조건에서 주기가 다른 6종류의 SLS (P=50-300)를 성장하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 고분해능 XRD 측정장치는 분해능이 12"인 Ge(220) 결정을 이용하는 2축 회절기 (doubleaxis diffractometer)로서, X선원 (CuKα1)의 파장은 λ=1.540560 Å (λ/Δλ≃10-3)이다.
데이터처리
XRD 진동곡선 (rocking curve)는 (004) 대칭 회절면에서 ω/2θ-scan으로 얻었으며, 모든 측정은 상온 (300 K)에서 수행되었다. XRD 스펙트럼 모사에는 SLS의 구조와 측정된 SSP 간격으로부터 간단히 단일 주기의 평균두께를 구할 수 있는 상용 초격자 분석 프로그램 (PeakSplit, K.M. Software)이 이용되었다.
이론/모형
수 nm 두께의 서로다른 물질계를 교대로 적층하는 SLS 구조 제작에는 단층 제어가 가능한 molecular beam epitaxy (MBE) 성장법이 이용되었다. Fig.
성능/효과
(Fig. 2의 최적 TG(SLS)와 Fig. 3의 최적 V/III (Sb/Ga) 비율은 상호 의존성이 강한 변수로서 본 연구에서 제시하지 않은 다양한 조건에서 시행하여 최종적으로 결정된 결과임을 밝힌다.) Fig.
3 nm)의 1/3-ML에 대응하는 값이다. SLS 주기가 증가함에 따른 1/3-ML의 두께 변화는 계면요동 (interface fluctuation)에 해당하는 약 1-ML의 계면층 두께보다 아주 작은 값으로, SLS는 300주기까지 거의 동일한 두께를 유지하고 있는 것으로 판단된다. 주기의 증가에 따른 FWHM의 변화폭은 측정 오차범위에 해당되는 약 0.
[GI-for-InAs] 모드 (InAs-on-GaSb)에서 계면층 변조가 가장 우세하였으며, GIT(InAs)의 증가와 함께 다소 증가하는 경향을 보였다. SLS의 응력 변화를 유발하는 가장 중요한 변수는 성장온도임을 밝혔으며, V/III(Sb/Ga) 비율은 결정성과 응력완화 정도를 동시에 고려하여 최적화해야 하는 변수임을 알았다. 단면 TEM 사진은 300 주기까지 전위가 없고 명확한 주기성과 균일한 두께를 가지는 SLS가 성장됨을 확인해 주었으며, XRD 분석 결과는 SLS의 평균 두께 및 FWHM 변화는 각각 1/3-ML (±0.
64794 nn)의 형성 가능성이 높기 때문에, 본 연구의 XRD가 보여주고 있는 압축 변형은 InSb-like 계면상에 의한 것으로 판단된다. XRD 스펙트럼의 모사로부터 [InAs/GaSb]-SLS에는 약 1 ML의 InSb-like 계면상이 존재함을 확인할 수 있었는데, 이것은 Steinschnider 등 [18]의 scanning tunneling microscopy(STM) 분석과도 일치하는 결과이다.
압축변형은 성장온도의 상승과 함께 증가하는 반면, V/III(Sb/Ga)의 증가와 함께 감소하였다. [GI-for-InAs] 모드 (InAs-on-GaSb)에서 계면층 변조가 가장 우세하였으며, GIT(InAs)의 증가와 함께 다소 증가하는 경향을 보였다. SLS의 응력 변화를 유발하는 가장 중요한 변수는 성장온도임을 밝혔으며, V/III(Sb/Ga) 비율은 결정성과 응력완화 정도를 동시에 고려하여 최적화해야 하는 변수임을 알았다.
[No-GI]→[GI-for-GaSb]→[GI-forInAs]→[GI-for-Each Layer]로 모드가 변화함에 따라 0-PSA은 점점 0에 접근해 감을 보여주고 있는데, 이것은 GI 모드로서 계면층 변조가 가능함을 입증하는 결과이다.
06 nm)와 24 arcsec로서 300주기까지 거의 동일한 두께를 유지함을 입증해 주었다. 결론적으로, 본 연구에서 이용한 고분해능 XRD 측정은 SLS의 변형 및 두께의 미세한 변화를 분석할 수 있는 유용한 방법임을 보여 주었으며, [InAs/GaSb]-SLS ([8/8]-ML)의 최적 성장온도와 V/III (Sb/Ga) 비율은 각각 350℃와 20이고 결정성을 극대화하고 응력완화를 감소시키기 위해서는 InAs 성장 직전에 3초 동안의 성장일시정지 (GI) 방법의 도입이 유효함을 보였다.
단면 TEM 사진은 300 주기까지 전위가 없고 명확한 주기성과 균일한 두께를 가지는 SLS가 성장됨을 확인해 주었으며, XRD 분석 결과는 SLS의 평균 두께 및 FWHM 변화는 각각 1/3-ML (±0.06 nm)와 24 arcsec로서 300주기까지 거의 동일한 두께를 유지함을 입증해 주었다.
6는 P=150/300의 대표적 2개 [InAs/GaSb]-SLS 시료의 단면 TEM 사진이다. 명확한 주기성과 균일한 두께를 가지는 SLS가 성공적으로 성장되었음을 확인할 수 있었으며, P=300까지 전위 (dislocation) 등과 같은 특이한 결정학적 결함이나 주기 증가에 따른 두께의 불균일성은 TEM 사진에서는 전혀 발견되지 않았다. Fig.
모든 XRD 곡선은 전형적인 GaSb 기판 및 InAs 덮개층 피크와 ±3차까지 잘 발달된 SSP를 명확하게 보여주고 있으며, 0-PSA의 변화 (Δθ=±0.3 arcmin)는 무시할 수 있을 정도로 작다.
2의 분석과 일치하고 있다. 본 결과로부터, V/III(Sb/Ga) 비율은 SLS의 결정성과 계면층 형성과 관련된 주요 변수임을 알 수 있었으며, T G(SLS)=350℃에서 최적 V/III(Sb/Ga) 비율은 20임을 확인하였다.
GI(InAs)→GI(Each Layer)에서 보다 GI(GaSb)→GI (InAs) 사이에서 0-PSA의 변화가 더 큰 것으로 보아, GaSb-on-InAs 보다는 InAs-on-GaSb 과정에서 상호혼합이 더 심한 것으로 해석할 수 있는데, 이것은 XRD에 나타난 압축변형 (0-SPA＜0)은 In과 Sb의 결합에 의한 InSb-like 계면상에 의한 것으로 논의한 지금까지의 분석과 잘 일치하고 있다. 본 연구로부터, [GI-for-InAs]의 도입은 XRD의 결정성을 유지하면서 응력완화를 감소시킬 수 있는 방법임을 확인할 수 있었다.
GIT=3 s을 적용한 시료의 0-PSA는 GI가 없는 경우 (GIT=0) 보다 2 arcmin 정도 다소 급격한 변화를 보이고 있으나, 더 이상 GIT 증가에 따른 변화는 크지 않음을 알 수가 있다. 본 연구를 위하여 준비된 MBE 시료는 초고진공 (≳10-10 Torr)에서 성장되는데, 증착원 압력의 시간적 변화를 측정한 결과에 의하면 증착원의 압력은 3초 이내에 배경압력에 접근하는 것으로 확인하였다. 즉, GIT＞3 s에서 성장한 시료에서의 0-PSA가 큰 변화를 보이지 않는 것은 증착원 분자선 공급을 중단한 후 3초가 경과하면 증착원의 상호혼합 가능성은 아주 낮기 때문이다.
8은 본 연구를 통하여 결정한 3가지 주요 성장변수 (TG(SLS), V/III(Sb/Ga) 비율, GIT(InAs))에 따른 0-PSA 의 변화를 요약한 그래프이다. 본 연구에서 제작한 [InAs/GaSb]-SLS ([8/8]-ML/P=50) 구조는 낮은 V/III(Sb/Ga) 비율에서는 인장변형을 가지나, 대부분의 성장조건에서는 압축변형을 가지고 있음이 밝혀졌다. 압축변형은 성장온도의 상승과 함께 증가하는 반면, V/III(Sb/Ga)의 증가와 함께 감소하였다.
4 arcmin (24 arcsec)으로, 거의 일정한 값은 가지고 있음을 알 수 있다. 이 결과로부터, 본 연구에서 결정한 최적 성장변수는 300 주기까지 결정성이 우수하고 재현성 있는 SLS 성장이 가능한 조건임이 확인할 수 있었다.
즉, GIT＞3 s에서 성장한 시료에서의 0-PSA가 큰 변화를 보이지 않는 것은 증착원 분자선 공급을 중단한 후 3초가 경과하면 증착원의 상호혼합 가능성은 아주 낮기 때문이다. 적정시간 이상 GI를 도입할 경우에는 자발확산 (self-diffusion)에 의한 또 다른 효과를 유발할 수가 있으므로, 3초가 최적 GIT 인 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
InAs/GaSb 계의 전도대/가전대는 어느정도 중첩되어 있는가?
약 -0.6 %의 격자부정합 (Δa/a o )을 가지는 InAs/GaSb 계는 제2형 밴드정 렬을 가지는 대표적인 SLS 계로서, InAs의 전도대 (conduction band, CB)와 GaSb 가전대 (valence band, VB)는 약 0.15eV 중첩되어 있고, CB와 VB의 밴드 어긋남 (band offset) 은 각각 약 0.95 eV와 0.
SLS에 대해 관심이 증가한 이유는?
양자구조의 부준위간 (intersubband) 천이에 기초한 적외선검출소자 (infrared photodetector)에 관한 연구가 지난 십 수 년 동안 지속적으로 진행되어 왔다 [1-4]. 밴드간 (interband) 천이를 이용하는 낮은 밴드갭 (bandgap) 반도체 (InSb, HgCdTe 등)와는 달리, 부준위간 천이에 의한 InAs/GaSb 제2형 응력변형 초격자 (stained-layer superlattice, SLS)는 중적외선 (mid-infrared, mid-IR) 과 원적외선 (far-infrared, far-IR) 영역에서 상온동작 적외선검출소자를 실현시킬 수 있는 유력한 구조임이 밝혀 짐에 따라 그 관심이 급증하고 있다 [5,6]. 약 -0.
InAs/GaSb (8/8-ML) 응력초격자 (SLS)의 성장 변수를 최적화 하기 위한 본 실험에서 어떤 변수를 변화시켜 계면층의 응력변조를 유도하였는가?
InAs/GaSb (8/8-ML) 응력초격자 (SLS)의 성장 변수를 최적화하기 위하여, 다양한 조건 및 모드에서 SLS 구조를 제작하여 고분해능 X선회절 (XRD) 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 성장온도, V/III 분자선 비율, 성장일시정지 (growth interruption, GI) 등의 변화를 통하여 SLS 계면층의 응력 변조를 유도하였고, XRD 0차 위성피크의 변위로서 응력의 변화를 고찰하였다. XRD 분석 결과로부터, SLS의 결정성과 응력의 변화를 유발하는 주요 변수는 각각 성장온도와 V/III(Sb/Ga) 비율임을 보여 주었다.
참고문헌 (19)
S. K. Noh, S. J. Lee, Y. H. Ryu, S. M. Choe, and S. H. Park, New Phys. 54, 484 (2007)
S. Krishna, D. Forman, S. Annamalai, P. Dowd, P. Varangis, T. Tumolillo, Jr., A. Gray, J. Zilko, K. Sun, M. Liu, J. campbell, and D. Carothers, Appl. Phys. Lett. 86, 193501 (2005)
E. Plis, J. B. Rodriguez, H. S. Kim, G. Bishop, Y. Sharma, R. Dawson, S. J. Lee, C. E. Jones, V. Gopal, and S. Krishna, Appl. Phys. Lett. 91, 133512 (2007)
H. S. Kim, E. Plis, J. B. Rodriguez, G. D. Bishop, Y. D. Sharma, L. R. Dawson, S. Krishna, J. Bundas, R. Cook, D. Burrows, R. Dennis, K. Patnaude, A. Reisinger, and M. Sundaram, Appl. Phys. Lett. 92, 183502 (2008)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.