[국내논문]AlAsxSb1-x 단계 성분 변화 완충층을 이용한 Si (100) 기판 상 Al0.3Ga0.7As/GaAs 다중 양자 우물 형성 Formation of Al0.3Ga0.7As/GaAs Multiple Quantum Wells on Silicon Substrate with AlAsxSb1-x Step-graded Buffer원문보기
실리콘(Silicon, Si) 기판과 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs 다중 양자 우물(multiple quantum wells, MQWs) 간의 격자 부정합 해소를 위해 $AlAs_xSb_{1-x}$ 층이 단계 성분 변화 완충층(step-graded buffer, SGB)으로 이용되었다. $AlAs_xSb_{1-x}$ 층 상에 형성된 GaAs 층의 RMS표면 거칠기(root-mean-square surface roughness)는 $10{\times}10{\mu}m$원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM) 이미지 상에서 약 1.7 nm로 측정되었다. $AlAs_xSb_{1-x}$/Si 기판 상에 AlAs/GaAs 단주기 초격자(short period superlattice, SPS)를 이용한 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQWs이 형성되었다. $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW 구조는 약 10 켈빈(Kalvin, K)에서 813 nm 부근의 매우 약한 포토루미네선스(photoluminescence, PL) 피크를 보였고, $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW 구조의 RMS 표면 거칠기는 약 42.9 nm로 측정되었다. 전자 투과 현미경(transmission electron microscope, TEM) 단면 이미지 상에서 AlAs/GaAs SPS 로부터 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQWs까지 격자 결함들(defects)이 관찰되었고, 이는 격자 결함들이 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW 구조의 표면 거칠기와 광 특성에 영향을 주었음을 보여준다.
실리콘(Silicon, Si) 기판과 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs 다중 양자 우물(multiple quantum wells, MQWs) 간의 격자 부정합 해소를 위해 $AlAs_xSb_{1-x}$ 층이 단계 성분 변화 완충층(step-graded buffer, SGB)으로 이용되었다. $AlAs_xSb_{1-x}$ 층 상에 형성된 GaAs 층의 RMS 표면 거칠기(root-mean-square surface roughness)는 $10{\times}10{\mu}m$ 원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM) 이미지 상에서 약 1.7 nm로 측정되었다. $AlAs_xSb_{1-x}$/Si 기판 상에 AlAs/GaAs 단주기 초격자(short period superlattice, SPS)를 이용한 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQWs이 형성되었다. $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW 구조는 약 10 켈빈(Kalvin, K)에서 813 nm 부근의 매우 약한 포토루미네선스(photoluminescence, PL) 피크를 보였고, $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW 구조의 RMS 표면 거칠기는 약 42.9 nm로 측정되었다. 전자 투과 현미경(transmission electron microscope, TEM) 단면 이미지 상에서 AlAs/GaAs SPS 로부터 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQWs까지 격자 결함들(defects)이 관찰되었고, 이는 격자 결함들이 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW 구조의 표면 거칠기와 광 특성에 영향을 주었음을 보여준다.
The $AlAs_xSb_{1-x}$ step-graded buffer (SGB) layer was grown on the Silicon (Si) substrate to overcome lattice mismatch between Si substrate and $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs multiple quantum wells (MQWs). The value of root-mean-square (RMS) surface roughness for 5 nm-thick GaAs g...
The $AlAs_xSb_{1-x}$ step-graded buffer (SGB) layer was grown on the Silicon (Si) substrate to overcome lattice mismatch between Si substrate and $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs multiple quantum wells (MQWs). The value of root-mean-square (RMS) surface roughness for 5 nm-thick GaAs grown on $AlAs_xSb_{1-x}$ step-graded buffer layer was ~1.7 nm. $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQWs with AlAs/GaAs short period superlattice (SPS) were formed on the $AlAs_xSb_{1-x}$/Si substrate. Photoluminescence (PL) peak at 10 K for the $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW structure showed relatively low intensity at ~813 nm. The RMS surface roughness of the $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW structure was ~42.9 nm. The crystal defects were observed on the cross-sectional transmission electron microscope (TEM) images of the $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW structure. The decrease of PL intensity and increase of RMS surface roughness would be due to the formation of the crystal defects.
The $AlAs_xSb_{1-x}$ step-graded buffer (SGB) layer was grown on the Silicon (Si) substrate to overcome lattice mismatch between Si substrate and $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs multiple quantum wells (MQWs). The value of root-mean-square (RMS) surface roughness for 5 nm-thick GaAs grown on $AlAs_xSb_{1-x}$ step-graded buffer layer was ~1.7 nm. $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQWs with AlAs/GaAs short period superlattice (SPS) were formed on the $AlAs_xSb_{1-x}$/Si substrate. Photoluminescence (PL) peak at 10 K for the $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW structure showed relatively low intensity at ~813 nm. The RMS surface roughness of the $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW structure was ~42.9 nm. The crystal defects were observed on the cross-sectional transmission electron microscope (TEM) images of the $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$/GaAs MQW structure. The decrease of PL intensity and increase of RMS surface roughness would be due to the formation of the crystal defects.
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문제 정의
본 연구에서는 분자 선 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)로 Si (100) 기판 위에 Al0.3Ga0.7As/GaAs 다중 양자 우물(MQWs)을 형성하기 위해 AlAsxSb1-x 단계 성분 변화 완충층(step-graded buffer, SGB)을 이용한 결과들을 보이고자 한다. Si (100) 기판의 경우, 기판의 Si을 수월하게 전자소자로 응용할 수 있고, 구득이 용이하므로 산업적으로 유용하여 이를 선택하였다.
제안 방법
(a)와 같이 10분간 약 120 nm 두께의 AlSb를 성장한 후, AlSb 성장을 멈추지 않고 As4 빔 선속(beam equivalent flux, BEF)을 10분 간격으로 3×10-7, 5×10-7, 1×10-7, 1×10-6, 그리고 2×10-6 Torr로 증가하면서 각 120 nm 두께를 가진 AlAsxSb1-x SGB층을 형성하였다.
Si (100) 기판의 경우, 기판의 Si을 수월하게 전자소자로 응용할 수 있고, 구득이 용이하므로 산업적으로 유용하여 이를 선택하였다. 시료 표면 상의 RMS 표면 거칠기(root-mean-square surface roughness)가 원자 힘 현미경(atomic force microscope, AFM)으로 조사되었고, 시료의 단면은 전자 투과 현미경(electron transmission microscope, TEM) 상에서 관찰되었다. Si (100) 기판 위에 형성된 Al0.
1(b)는 각 시료의 구조를 보여 준다. 시료 제작을 위해 사용된 Si (100) 기판에 대하여 BOE (buffered oxide etchant) 용액에 3분, HCl：H2O2：H2O를 3：3：5의 비율로 섞은 용액에 3분, 메탄올 용액에 3분 동안 넣어주는 작업을 총 3회 반복한 후, BOE 4분, 메탄올 5분 간 담가주어 산화막 대부분을 제거해 주었다. MBE 챔버(chamber) 안에서 Si (100) 기판을 약 800℃로 가열하여 Si 표면에 형성된 잔류 산화막을 제거한 후, 기판 온도를 낮춰 AlAsxSb1-x 층을 형성하였다.
모든 성장 온도는 550°C로 고정되었고, 기판 온도는 열복사(thermal radiation)를 이용한 고온 측정 장비(pyrometer)로 측정되었다.
Al0.3Ga0.7As/GaAs MQW 구조의 PL 방출 피크 약화와 RMS 표면 거칠기 값 증가의 원인을 조사하기 위해 단면 TEM 측정이 수행되었다. Fig.
7As/GaAs MQWs 구조에 대한 저온 PL 측정 결과를 보여준다. 광 특성 향상을 위해 Al0.3Ga0.7As/GaAs MQWs 구조 형성에 앞서 AlAs/GaAs SPS 구조를 형성하였다. 그럼에도 불구하고, Fig.
대상 데이터
MBE 시스템을 이용하여 두 종류의 시료가 Si (100) 기판 상에 형성되었다. Fig.
성능/효과
그 연구 결과는 InxAl1-xSb CGB의 두께가 증가할수록 격자 부정합에 의해 발생된 다양한 격자 결함들(misfit dislocations, threading dislocations, micro twins, stacking faults)이 서서히 줄어들었고, 약 2 μm 이상의 두께에서 이러한 결함들이 거의 사라졌음을 보여주었다.
이 결과는 Si (100) 기판 상 GaAs 성장의 최근 결과들이 약 5 nm 이상의 RMS 표면 거칠기 값을 보이는데 반해, 5 nm의 얇은 GaAs 두께임에도 불구하고 월등히 낮은 수준의 RMS 표면 거칠기 값을 보여준다 [13,14]. 또한, 사용된 Si (100) 기판의 RMS 표면 거칠기가 1 nm 이하임을 고려해 볼 때, 본 연구에서 보인 Si (100) 기판 위에 형성된 GaAs 층은 충분한 고품질이라고 볼 수 있다. Fig.
그 연구 결과는 InxAl1-xSb CGB의 두께가 증가할수록 격자 부정합에 의해 발생된 다양한 격자 결함들(misfit dislocations, threading dislocations, micro twins, stacking faults)이 서서히 줄어들었고, 약 2 μm 이상의 두께에서 이러한 결함들이 거의 사라졌음을 보여주었다. 이러한 결과는 현재 시료 상의 낮은 RMS 표면 거칠기 값을 설명해 주는 것으로, Si 기판 상 AlAsxSb1-x SGB층 형성이 격자 부정합 해소에 중요한 역할을 했음을 예측할 수 있게 한다.
또한, Fig. 3(b)에서의 Al0.3Ga0.7As/GaAs MQW 구조의 RMS 표면 거칠기는 약 42.9 nm 수준의 매우 큰 값으로 조사되었다. 이는 Fig.
그래프는 맨 하부(점선 사각형로 표시된 1) AlSb 층에서 가장 상부인(점선 사각형으로 표시된 7) AlAs 층으로 변화해 가면서 As 비율은 증가하고, Sb 비율은 감소하는 경향을 보여준다. 또한, 가장 상부인(점선 사각형으로 표시된 7) AlAs 층 이전의 각 단계의 AlAsxSb1-x SGB층들(점선 사각형으로 표시된 1부터 6까지)에서 As에 비해 Sb가 차지하는 비율이 상대적으로 3배에서 10배 이상 높음이 관찰되었다. 이러한 결과는 상대적으로 Sb 비율이 As 비율에 비해 많은 AlAsxSb1-x SGB층들 위에 상대적으로 As 성분이 급격히 증가하는 AlAs 층을 형성하는 것에 문제가 있을 수 있다는 것을 암시한다.
(a)의 이미지 상에서 전체 AlAsxSb1-x SGB층의 두께는 약 1.5 μm 정도 수준으로, 참고 문헌 15에서 언급한 격자 결함 해소 가능 두께인 약 2 μm 이상의 InxAl1-xSb 완충층에 비해 얇은 두께를 가진 것으로 관찰되었다.
또한, 가장 상부인(점선 사각형으로 표시된 7) AlAs 층 이전의 각 단계의 AlAsxSb1-x SGB층들(점선 사각형으로 표시된 1부터 6까지)에서 As에 비해 Sb가 차지하는 비율이 상대적으로 3배에서 10배 이상 높음이 관찰되었다. 이러한 결과는 상대적으로 Sb 비율이 As 비율에 비해 많은 AlAsxSb1-x SGB층들 위에 상대적으로 As 성분이 급격히 증가하는 AlAs 층을 형성하는 것에 문제가 있을 수 있다는 것을 암시한다. 특히, As과 Sb 물질 간 치환 현상은 AlAsxSb1-x SGB 층과 AlAs 층 계면의 부자연스러운 전환으로 인해 박막 질을 저하시키는 요소가 될 수 있다.
7As/GaAs MQWs의 저온 PL 피크는 약 813 nm에서 관찰되었으나, 그 세기가 매우 약하였다. Al0.3Ga0.7As/GaAs MQWs 시료의 RMS 표면 거칠기는 약 42.9 nm 수준으로 맨 하부 형성된 AlAsxSb1-x SGB층의 RMS 표면 거칠기인 1.7 nm에 비해 크게 증가했음을 보여 주었다. Al0.
7 nm에 비해 크게 증가했음을 보여 주었다. Al0.3Ga0.7As/GaAs MQWs의 단면 HAADF-STEM 분석 결과는 Al0.3Ga0.7As/GaAs MQWs의 하부 형성된 AlAs/GaAs SPS 구조에서 심각한 격자 결함이 증가하였음을 보여 주었다. 또한, 표면 거칠기 값이 낮은 AlAsxSb1-x SGB층 구조에서도 때때로 격자 결함이 관찰됨에 따라 이를 보완할 추가 연구가 요구된다.
후속연구
또한, III-V족 화합물 반도체는 초고속 전자 소자 제작에 유리하므로, 그에 관련한 III-V족 화합물 반도체 성장 연구가 많은 관심을 받아 왔다 [5,6]. 하지만, III-V족 화합물 반도체 기판의 대부분은 고가로 비용 효율이 낮아 대량 생산이 어려우므로, 이를 극복하기 위한 연구가 필요하다.
실제로 열역학적인 관점에서 Sb 성분이 많은 AlAsxSb1-x 물질보다 AlAs 물질을 형성하려는 경향이 더 강하기 때문에, As이 AlAsxSb1-x SGB층에 존재하는 Sb 성분을 치환하여 박막에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있을 것이다 [18]. 이러한 가정들을 확인하기 위한 AlAsxSb1-x SGB층에 대한 추가 연구는 Si 기판 위의 고품질 GaAs 계열 III-V족 화합물 반도체 소자 구조 성장을 가능하게 해 줄 것이다.
7As/GaAs MQWs의 하부 형성된 AlAs/GaAs SPS 구조에서 심각한 격자 결함이 증가하였음을 보여 주었다. 또한, 표면 거칠기 값이 낮은 AlAsxSb1-x SGB층 구조에서도 때때로 격자 결함이 관찰됨에 따라 이를 보완할 추가 연구가 요구된다. 하지만, 낮은 RMS 거칠기 값을 가진 AlAsxSb1-x SGB층의 성공적인 성장은 Si 기판 상 고품질 III-V족 화합물 반도체 물질 성장에 대한 잠재력을 보여주는 결과이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
III-V족 화합물 반도체 기판의 한계점은 무엇인가?
또한, III-V족 화합물 반도체는 초고속 전자 소자 제작에 유리하므로, 그에 관련한 III-V족 화합물 반도체 성장 연구가 많은 관심을 받아 왔다 [5,6]. 하지만, III-V족 화합물 반도체 기판의 대부분은 고가로 비용 효율이 낮아 대량생산이 어려우므로, 이를 극복하기 위한 연구가 필요하다.
실리콘의 비용상의 장점으로 인해 진행되는 연구는 무엇인가?
실리콘(Silicon, Si) 기판은 비교적 저가의 III-V족 반도체인 GaAs나 InP 기판에 비해 훨씬 저가이고, 현 산업 공정 라인에서 널리 사용되고 있다. 이러한 비용 상의 이점으로 인해 Si 기판 상 III-V족 반도체 구조 형성에 관한 연구들이 보고되고 있다 [7,8]. 특히, GaAs 기반 공정은 현재 성숙되어 있는 단계이므로, Si 기판 상에 고품질의 GaAs 물질을 성장하는 것은 산업적으로 이용 가치가 클 것이다.
AlSb 물질이 완충층 혹은 희생층에 사용될 시 어떠한 장점을 가지는가?
AlSb 물질은 Si과의 격자 부정합이 ∼13%로 비교적 큰 격자 부정합을 가지므로, 초기에 AlSb 물질을 완충층 혹은 희생층(buffer layer 혹은 sacrificial layer)으로 사용하면, 상부 층에 생길 문제들을 미리 해결해 주는데 큰 이점을 가질 수 있다 [10,11]. 하지만, 안티모니(Antimony, Sb)계열인 AlSb 층 상에 형성되는 활성층(active layer) 이 아세닉(Arsenic, As) 계열인 경우, As과 Sb 물질 간 치환 효과로 인해 박막 질을 저하시킬 수 있으므로 이에 관련한 성장 연구가 필요하다 [12].
참고문헌 (18)
T. Mano, T. Kuroda, K. Mitsuishi, Y. Nakayama, T. Noda, and K. Sakoda, Appl. Phys. Lett. 93, 203110 (2008).
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