KR0163740B1 - Method for two dimensional epitaxial growth of heavily latticed mismatched ingaas and ina/as on gaas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 MOCVD를 이용하여 GaAs 기판(1)위에 격자부정합이 큰 InGaAs나 InAlAs 박막(4)을 최소의 전위밀도(dislocation density)로 성장시킬 수 있는 방법에 관한 것으로, 낮은 온도에서, 버퍼층(2)위에 III족 원료 가스만을 몇초간 주입하고, V족 원료가스를 주입하여 2mm미만의 두께를 갖는 이원계박막(3)을 성장시킨 후, V족 원소를 함유하는 AsH3가스를 별도로 주입하여 이원계 박막(3)과 그 위에 성장되는 InGaAs나 InAlAs 박막(4) 사이의 이종 계면을 급준하게 유지시켜 준다.The present invention relates to a method of growing an InGaAs or InAlAs thin film (4) having a large lattice mismatch on a GaAs substrate (1) using MOCVD at a minimum dislocation density. After injecting only Group III raw material gas for a few seconds, and injecting Group V raw material gas to grow a binary thin film 3 having a thickness of less than 2 mm, and separately injecting AsH 3 gas containing a Group V element, the binary thin film The heterogeneous interface between (3) and the InGaAs or InAlAs thin film 4 grown thereon is kept sharp.
이로써, 격자부정합으로 인한 전위(misfit dislocation)를 극소화시키고 빗살무늬(cross hatch pattern)가 없는 박막의 표면을 얻을 수 있다.As a result, misfit dislocations due to lattice mismatch can be minimized, and a surface of a thin film without a cross hatch pattern can be obtained.
Description
제1도는 MOCVD 방법으로 격자부정합(格子不整合)이 큰 InGaAs/GaAs 이종박층(異種薄層)을 성장시킬 때 따른 III족과 V족의 원료 가스의 공급순서를 나타낸 도면.1 is a diagram showing a supply sequence of group III and V source gases when growing an InGaAs / GaAs hetero-thin layer having a large lattice mismatch by MOCVD method.
제2도는 제1도에 따라 성장된 박층의 구조를 나타낸 도면.2 is a view showing the structure of a thin layer grown in accordance with FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 : GaAs 기판 2 : GaAs 버퍼층1 GaAs substrate 2 GaAs buffer layer
3 : 금속성 박층 4 : InGaAs 박층3: thin metallic layer 4: thin InGaAs layer
본 발명은 GaAs 기판 위에 III-V족(group) 화합물 반도체(compound semiconductor)의 박막 성장 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 MOCVD방법에 의해, GaAs 기판 위에 격자 부정합이 매우 큰 InGaAs나 InAlAs 박막을 이차원적으로 성장시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for growing a thin film of a group III-V compound semiconductor on a GaAs substrate, and more specifically, to InGaAs or InAlAs thin film having a large lattice mismatch on a GaAs substrate by MOCVD. It is about a method of growing as an enemy.
현재, 고속 정보 통신망에서의 기본적인 신호 처리를 위해 1.55㎛의 파장을 갖는 광신호가 사용되고 있다.Currently, an optical signal having a wavelength of 1.55 mu m is used for basic signal processing in a high-speed information communication network.
이를 위한 핵심 부품 광소자의 박막 구조로서는, InP 기판 위에 InGaAsP/InGaThe thin film structure of the key component optical device for this purpose, InGaAsP / InGa on the InP substrate
As를 가진 격자정합(lattice matching)된 다층박막이 대표적이며 최근에 InGaAsP/Lattice-matched multilayer films with As are typical and recently InGaAsP /
InGaAs로 이루어지는 다층박막도 우수한 광학적 특성을 갖고 있는 것으로 발표되어 이들에 대한 큰 관심이 모아지고 있다.Multilayer thin films made of InGaAs have also been reported to have excellent optical properties, and much attention has been drawn to them.
오늘날과 같은 정보시대에서는 초고속의 그리고 대용량의 신호 처리가 가능한 새로운 소자의 개발이 끝없이 요구된다.In today's information age, there is an endless need for the development of new devices capable of processing signals at high speeds and in high volumes.
이를 위해 광소자와 전자소자의 직접화(OEIC)와 새로운 박막 소재(薄膜素材) 및 광섬유의 창출은 필수적이다.For this purpose, it is essential to directly manufacture optical devices and electronic devices (OEIC) and to create new thin film materials and optical fibers.
특히, 특성의 용도범위가 증대함에 따라 소자의 활성층이 다양한 에너지 밴드갭(energy band gap)을 가지는 다층 박막 구조가 요구된다.In particular, as the application range of the characteristics increases, a multilayer thin film structure in which the active layer of the device has various energy band gaps is required.
GaAs 기판 위에, 격자부정합(lattice mismatching)이 큰 InAlAs/InGaAs다층 박막을 성장시키는 기술은 In 조성(組成)의 변환에 따라 자유로이 에너지 밴드 갭을 조절할 수 있다.A technique of growing an InAlAs / InGaAs multilayer thin film having high lattice mismatching on a GaAs substrate can freely adjust the energy band gap in accordance with the conversion of the In composition.
그러나, 이 기술은 격자부정합으로 인한 고밀도전위(高密度轉位)의 발생과 박막 성장 공정의 초기에 있어서의 스트레인(strain)에 의한 삼차원적 박막의 성장등과 같은 결함들을 갖고 있다.However, this technique has defects such as generation of high density potential due to lattice mismatch and growth of three-dimensional thin film due to strain in the early stage of the thin film growth process.
이와 같은 결함들을 극복하기 위해, 최근 수년간에 걸쳐 In 조성의 그레이딩(grading)기술이 개발되어 왔다(『Strain relaxation of compositionally graded Inx To overcome these deficiencies, grading techniques have been developed over recent years (Strain relaxation of compositionally graded In x).
Ga1-xAs buffer layers for modulation-doped In0.3Ga0.7As/In0.29Al0.71As he- terostructures, J.C.P Chang, Jianhui Chen, J.M. Fernandes, H.H.Wieder, and K.L.Kavanagh, Appl.Phys. Lett.,60,1129(1992).』, 『Surfactant-mediated molecular-beam epitaxy of highly-strained III-V semiconductor hetero- structures, E.Tournie, K.H.Ploog, N.Grandjean, and J.Massies, Proc. of 6th Int.Conf.on indium Phosphide and Related Materials, March 1994, p49.』.Ga 1-x As buffer layers for modulation-doped In 0.3 Ga 0.7 As / In 0.29 Al 0.71 As heteroterostructures, JCP Chang, Jianhui Chen, JM Fernandes, HHWieder, and KLKavanagh, Appl. Phys. Lett., 60, 1129 (1992)., `` Surfactant-mediated molecular-beam epitaxy of highly-strained III-V semiconductor hetero-structures, E. Tournie, KHPloog, N. Grandjean, and J. Massises, Proc. of 6th Int. Conf. on indium Phosphide and Related Materials, March 1994, p49.
이들 기술에 따르면, 박막성장 중에 In 조성을 점차적으로 늘리는 것에 의해 스트레인의 급격한 변화를 최소화할 수 있고 그리고 전위 밀도(轉位密度)를 줄이는 것에 의해 우수한 표면을 갖는 박막을 성장시킬 수 있다.According to these techniques, it is possible to minimize a sudden change in strain by gradually increasing the In composition during thin film growth, and to grow a thin film having an excellent surface by reducing the dislocation density.
그러나, 이 기술에 따르면, 박막 내에 응력(應力)이 남아 있게 되고 그레이딩 버퍼층(grading buffer layer)이 두꺼워지는 결함이 발생되기 때문에, 실제로 이들 기술은 소자의 제작에 응용되기가 곤란하다.However, according to this technique, it is difficult to actually apply these techniques to fabrication of the device because defects in which the stress remains in the thin film and the grading buffer layer becomes thick are generated.
본 발명의 목적은, GaAs 기판 위에 격자부정합이 큰 III-V족 화합물 반도체 이종 박막(InGaAs/GaAs, InAlAs/GaAs)을 성장시킴에 있어서, 빗살무늬 결함을 갖는 삼차원적인 박막 성장을 피하고 이차원적인 박막 성장을 유도하여 광소자의 제작에 필요한 양질의 표면을 갖는 박막을 성장시키는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to grow a three-dimensional group III-V compound semiconductor hetero thin film (InGaAs / GaAs, InAlAs / GaAs) having a large lattice mismatch on a GaAs substrate, thereby avoiding three-dimensional thin film growth having a comb-toothed defect and making a two-dimensional thin film By inducing growth, a thin film having a high quality surface necessary for fabricating an optical device is grown.
본 발명의 다른 목적은 에피층의 초기 성장 중에 격자들이 완전히 이완되도록하여 격자부정합으로 인한 전위(misfit dislocatio)의 발생을 최소화시키는 것이다.Another object of the present invention is to minimize the occurrence of misfit dislocatio due to lattice mismatch by allowing the lattice to fully relax during the initial growth of the epi layer.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 서로 매우 상이한 격자상수를 갖는 두 이종 박막들 사이에 금속성 이원계 박층(金屬性二元界薄層; thin metallic rich binary layer)이 삽입된다.According to a feature of the present invention for achieving these objects, a thin metallic rich binary layer is inserted between two heterogeneous thin films having very different lattice constants.
이로써, III-V족 화합물 반도체 에피층의 초기 성장 중에 격자가 완전히 이완되며, 그 결과 두 이종 박막들의 계면에서 전위밀도가 낮고 박막 두께의 증가에 따라 전위가 매우 효율적으로 소멸된다.As a result, the lattice is completely relaxed during the initial growth of the III-V compound semiconductor epitaxial layer. As a result, the dislocation density is low at the interface of the two different thin films, and the dislocation disappears very efficiently as the thickness of the thin film increases.
다층 박막 구조 사이에 얇은 금속층을 삽입하는 것으로 인해 다층 구조 자체의 특성은 물론 전기적, 광학적 특성의 큰 변질은 발생하지 않는다.The insertion of a thin metal layer between the multilayer thin film structures does not cause significant alteration of the electrical and optical properties as well as the characteristics of the multilayer structure itself.
이로써, 밴드 갭을 자유로이 조절할 수 있게 되어 다양한 특성의 소자들을 제작하는 것이 가능하게 된다.As a result, the band gap can be freely adjusted, thereby making it possible to fabricate devices having various characteristics.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하겠다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[제1실시예][First Embodiment]
제1도는, 본 발명의 제1실시예에 따라, GaAs기판 위에 MOCVD방법으로 격자부정합이 큰 InxGa1-xAs(x0.5) 박막을 성장시키기 위한 원료 가스 주입의 타이밍을 나타낸 것이고, 제2도는 제1도의 방법에 따라 성장된 박막의 구조를 나타낸 것이다.1 shows timing of source gas injection for growing a lattice mismatched In x Ga 1-x As (x0.5) thin film on a GaAs substrate by a MOCVD method according to the first embodiment of the present invention. 2 shows the structure of a thin film grown according to the method of FIG.
다음에는 제1도 및 제2도를 참조하면서 본 실시예에 대해 설명한다.Next, the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
먼저, MOCVD 장치로 Ga 가스와 As가스를 소정의 시간(T1)동안 공급하여 GaAs 기판(1) 위에 동종의 GaAs 버퍼층(2)을 약 100nm정도의 두께로 성장시키되, 상기 버퍼층(2)은 결함이 없고 단원자층(單元子層) 높이의 거칠기를 갖는 평탄한 표면을 갖도록 성장시킨다.First, Ga gas and As gas are supplied to a MOCVD apparatus for a predetermined time T1 to grow a GaAs buffer layer 2 of the same type on the GaAs substrate 1 to a thickness of about 100 nm, but the buffer layer 2 is defective. It is grown to have a flat surface having no roughness of monoatomic layer height.
버퍼층(2)의 성장이 완료되면, 약 4초 동안 원료 가스의 공급을 중단한 후, 약 420℃의 온도에서 약 12초 동안 III족 원소(In 또는 Ga)를 함유하는 원료 가스를 증착 장치로 주입한다.When the growth of the buffer layer 2 is completed, the supply of the source gas is stopped for about 4 seconds, and then the source gas containing group III element (In or Ga) is transferred to the deposition apparatus at a temperature of about 420 ° C. for about 12 seconds. Inject.
III족 원소 가스의 주입이 완료된 후에는, V족 원소(As)를 함유하는 원료 가스(바람직하게는, 아신(arsine; AsH3)가스)를 주입하여 III족 원소(In, Ga)를 함유하는 고농도의 금속 성분을 갖는 이원계박층(이하, '금속성 박층'이라 함)(3)을 성장시키되, 약 5~7개의 원자들이 쌓여진 높이 정도의 두께(2nm 이하의 두께)를 갖도록 성장시킨다.After the injection of the group III element gas is completed, the source gas containing the group V element As (preferably, arsine (AsH 3 ) gas) is injected to contain the group III element (In, Ga). A binary thin layer (hereinafter, referred to as a 'metal thin layer') 3 having a high concentration of metal is grown, and grown to have a thickness (about 2 nm or less) that is about 5-7 atoms tall.
이와 같은 두께를 갖도록 하는데는 아신(AsH3) 가스의 주입으로부터 약 10초 내지 12초 정도의 시간이 소요된다.To have such a thickness takes about 10 to 12 seconds from the injection of acin (AsH 3 ) gas.
이렇게 성장된 금속성 박층(3)은 III족 원소 대 V족 원소(III족원소/V족원소)의 비율이 1보다 큰 InAs박층이나 GaAs 박층으로서, 높은 금속성(특히, 계면에서의 금속성이 더욱 높음)을 갖고 빗살무늬가 없는 거울같은 표면을 갖는다(즉, 이 층(3)의 표면은 이차원적인 평면을 이루게 된다).The grown thin metal layer 3 is an InAs thin layer or a thin GaAs layer having a ratio of Group III elements to Group V elements (Group III elements / Group V elements) greater than 1, and has a high metallicity (particularly, higher metallicity at the interface). ) And a mirror-like surface without comb marks (ie the surface of this layer 3 is a two-dimensional plane).
다음, AsH3가스의 주입으로부터 약 10초 내지 12초 정도의 시간이 경과된 후, 지속되는 AsH3분위기에서, 소정의 비율로 혼합된 In과 Ga를 증착장치로 주입하여 InGaAs 박층(4)을 성장시킨다.Next, after about 10 to 12 seconds have elapsed from the injection of AsH 3 gas, In and Ga mixed in a predetermined ratio are injected into the evaporation apparatus in the AsH 3 atmosphere which is continued, and the InGaAs thin layer 4 is formed. To grow.
InGaAs 박층(4)이 금속성 박층(3)에 비해 상대적으로 두껍게 성장되어 그것의 스트레인이 증가될 때에는, 그 InGaAs 박층(4) 아래의 금속성 박층(3)의 스트레인 크기와 동일한 정도로만 증가된다.When the InGaAs thin layer 4 is grown relatively thick compared to the metallic thin layer 3 and its strain is increased, it is increased only to the same extent as the strain size of the metallic thin layer 3 under the InGaAs thin layer 4.
이는 InGaAs 박층(4)의 두께가 두꺼워지더라도 격자 배열이 불완전하고 결합 에너지가 약한 금속성 박층(3)에서 더 쉽게 전위가 발생되기 때문이다.This is because even if the thickness of the InGaAs thin layer 4 becomes thick, dislocations are more easily generated in the metallic thin layer 3 having an incomplete lattice arrangement and a weak bonding energy.
즉, 금속성 박층(3) 내의 많은 격자 결함으로 인하여 버퍼층(2)과 금속성 박층(3) 사이의 격자들의 결합 에너지(bond energy)가 다른 부위의 격자들의 그것보다 매우 작기 때문에, 격자부정합으로 인한 응력이 계면과 평행한 방향을 따라 이완되면서 버퍼층(2)과 금속성 박층(3)의 계면에만 전위 밀도가 집중된다.That is, the stress due to lattice mismatch because the bond energy of the lattice between the buffer layer 2 and the metallic thin layer 3 is much smaller than that of the lattice at other sites due to many lattice defects in the thin metallic layer 3. The dislocation density is concentrated only at the interface between the buffer layer 2 and the metallic thin layer 3 while relaxing along the direction parallel to this interface.
이러한 응력의 소멸은 InGaAs 층(4)의 두께가 얇은 경우 더욱 효과적으로 이루어진다.This stress disappears more effectively when the InGaAs layer 4 is thin.
결국, InGaAs 박층(4)이 형성될 때에는, 금속성 박층(3)의 하부 계면을 따라 전위가 주로 발생하게 된다.As a result, when the InGaAs thin layer 4 is formed, dislocations are mainly generated along the lower interface of the metallic thin layer 3.
본 발명자들이 전자현미경으로 시료(sample)를 관찰한 결과, 버퍼층(2) 위의 금속성 박층(3)의 하부의 매우 얇은 경계면에만 고르고 약하게 스트레인이 남아 있는 것을 확인할 수 있었다.As a result of observing a sample with an electron microscope, the inventors found that only a very thin interface of the lower portion of the metallic thin layer 3 on the buffer layer 2 remained even and weakly strained.
[제2실시예]Second Embodiment
이 실시예는 GaAs 기판 위에 격자부정합이 큰 InAlAs 박층을 성장시키는 방법에 관한 것으로, 이 성장 방법도 앞에서 설명된 예와 거의 동일하다.This embodiment relates to a method for growing a thin lattice mismatched InAlAs layer on a GaAs substrate, which is also almost the same as the example described above.
GaAs 기판 위에 GaAs 버퍼층을 성장시킨 후에 약 4초동안 모든 원료 가스의 공급을 중단한다.After the GaAs buffer layer is grown on the GaAs substrate, the supply of all source gases is stopped for about 4 seconds.
이어, 500℃ 정도의 온도에서, 약 12초 동안 In이나 Al의 III족 원료 가스를 주입한다.Next, at a temperature of about 500 ° C., a group III source gas of In or Al is injected for about 12 seconds.
III족 가스의 주입이 완료된 즉시 AsH3가스의 주입을 시작하고 12초 동안 InAlAs 박막의 성장을 위한 In 가스와 Al 가스의 주입을 개시한다.AsH 3 gas injection is started immediately after the completion of the injection of the group III gas, and injection of In gas and Al gas for the growth of the InAlAs thin film is started for 12 seconds.
성장된 InAlAs 박막의 표면은 매우 우수하며 동일한 방법으로 성장된 InGaAs의 표면과 유사하게 빗살무늬가 전혀없고 거울같다.The surface of the grown InAlAs thin film is very good and similar to the surface of InGaAs grown in the same way, it has no comb pattern and is mirror like.
이상에서 바람직한 실시예들을 통하여 설명된 본 발명에 따르면, InP 기판에 비해 가격이 저렴하고 다루기 쉬우며 그리고 그것보다 큰 사이즈의 GaAs 기판 위에, 다양한 장파장 영역의 밴드 갭을 갖는 InGaAs와 InAlAs 박막을 MOCVD방법으로 성장 시킬 수 있을 뿐만 아니라 격자부정합으로 인한 전위(misfit dislocation)를 극소화시켜 빗살무늬가 없는 표면을 갖는 박막을 얻을 수 있다.According to the present invention described through the preferred embodiments above, the MOCVD method for InGaAs and InAlAs thin film having a band gap of various long wavelength region on the GaAs substrate of lower cost, easier to handle and larger than that of InP substrate Not only can it be grown, but also the misfit dislocation due to lattice mismatch can be minimized to obtain a thin film having a comb-free surface.
격자부정합으로 인한 전위를 최소화하기 위해 현재까지 발표된 방법들과는 달리, 얇은 금속성 박막만을 삽입하기 때문에 전체 박막 구조의 변화를 최소화하며, 그와 같은 구조의 변화로 인한 소자의 전기적 또는 광학적 특성의 변화는 일어나지 않는다.Unlike the methods published so far to minimize dislocations due to lattice mismatch, since only a thin metallic thin film is inserted, the change of the overall thin film structure is minimized. Does not happen.
한 번의 성장 과정에서 잔류 응력을 효율적으로 제거함으로써 안정된 전위만이 박막내에 존재한다.By effectively removing residual stresses in one growth process, only stable dislocations are present in the thin film.
다양한 밴드 갭을 가지는 박막에 대한 요구에 따라 기판위의 접합 구조(또는 다층 구조) 사이에 쉽게 삽입하는 것이 가능하여 신 개념의 소자 창출의 기반을 바련함과 아울러 소자 특성의 범위를 크게 확대할 수 있다.It can be easily inserted between the junction structure (or multilayer structure) on the substrate according to the demand for thin film having various band gaps, thereby laying the groundwork for new concept device creation and greatly expanding the range of device characteristics. have.
또한, 본 발명은 실리콘 기판을 이용한 GaAs 박막 성장 기술에도 크게 응용될 수 있다.In addition, the present invention can be greatly applied to the GaAs thin film growth technology using a silicon substrate.
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