KR100257720B1 - Lpe장치의 결정성장부 및 이를 이용한 2상용액법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LPE장치의 결정성장부와 2상 용액법으로 광소자를 제작하는 액상 에피텍시얼법에 관한 것으로, 석영관에 소정 지지수단으로 고정된 받침판(10)과 기판홀더(12) 및 상기 받침판(10)과 소정 연결수단으로 고정되고 성장용액을 담을 수 있는 성장용액홀이 다수개 구비된 용액홀더(14)로 구성되는 한편, 기판홀더(12)에 기판을 올리고 기판홀더(12)를 받침판(10)과 용액홀더(14)사이에서 미끄러지며 회동되게 되어, 기판상에 재현성있고 두께편차를 줄일 수 있게끔 성장층을 형성할 수 있게 된 것이고, 2상용액법은 용액홀더(14) 및 기판홀더(12)를 포함하는 결정성장부가 내장된 석영관(16)에서 In용매에 필요한 용질을 녹인 용액을 상기 용액홀더(14)에 담고, 여기에 고체상태의 InP 시드를 띄운 다음, 결정성장온도에서 이 성장용액을 상기 용액홀더(14) 하부면에 미끄러지게 된 기판홀더(12)에 놓인 InP기판에 접촉시킴으로써 일정한 조성비(x,y)에 따라 기판상에 LPE에 의한 4원 화합물 In_1-xGa_xAs_yP_1-y성장층을 격자정합시키는 2상 용액법에 있어서, 상기 InP 시드는 단결정 InP 시드인 것을 특징으로 하여, 이를 사용한 경우 성장층의 두께의 균일도 뿐만 아니라 두께편차를 줄일 수 있게 되어, MQW층을 보다 얇고 재현성있게 형성할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Description

ＬＰＥ장치의 결정성장부 및 이를 이용한 2상용액법(Groth Apparatus of LPE System and Two Phase Solution Method)

본 발명은 2상 용액법으로 광소자를 제작하는 액상 에피텍시얼(Liquid Phase Epitaxy, 이하 'LPE'라 함)법과 LPE장치의 결정성장부에 관한 것으로, 재현성있고 두께편차를 줄일 수 있게 된 LPE장치의 결정성장부와 단결정 InP 시드를 이용한 2상 용액법으로 얇은 두께의 다중양자우물층(Multi-Quantum Well Layer, 이하 'MQW층'이라 함)을 형성할 수 있게 된 LPE법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체에서의 레이저발진은 GaAs pn접합에 의한 반도체레이저발진이 극저온에서 발견된 이래로 계속 발전되어, 오늘날에는 소형이고 고능률, 직접변조가 가능하다는 특징과 장수명, 저구동전류, 실온연속발진 등의 조건을 구비한 이중헤테로구조의 접합 레이저를 개발하여 중,대용량광전송용광원으로 주로 쓰이고 있으며, 광섬유제작기술의 진보에 따라 전파손실이 적은 파장 1.2~1.6μm대의 반도체레이저인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 혼합결정을 만들어서 장거리, 대용량의 광전송을 가능하게 하였다. 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 혼합결정중 실온연속동작이 가능하고 장수명을 가진 InGaAsP계가 가장 대표적인 것으로 주로 InP결정 기판상에서 결정성장시켜 제조한다.

Ⅲ-Ⅴ족 반도체 디바이스의 실용화된 제조법으로 LPE법으로 대표되는 액체상 성장법과 MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)나 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등 기체상 성장법을 들 수 있으며, 후자는 전자보다 늦게 개발되었으나 성장층 두께의 재현성을 쉽게 확보할 수 있고, 수 십Å 정도의 성장두께를 조절할 수 있어 상대적으로 사용빈도가 증가하고 있다. 그러나, 전자가 성장용액의 평형상태에서 성장이 일어나므로 다른 성장방법에 비해 성장층의 질이 우수하고, 성장장비가 간단하고 소형이며, 장치비 및 유지보수비가 상대적으로 저렴하다는 측면에서 유리한 방법이라고 알려져 있다.

상기 LPE법은 Ⅲ족 금속의 용융액에 Ⅲ족 또는 Ⅴ족 원소를 녹인 과포화 상태의 액체를 기판 표면에 접촉시켜 에피텍시얼 성장시키는 것으로, 이 LPE법을 사용하는 장치, 즉 LPE장치는 그 형태에 따라 수직형과 수평형 두가지가 있으며, 수직형은 석영관이 수직 방향으로 되어 있고 수평형은 수평으로 석영관이 위치하여 그 사용목적이나 설치환경에 따라 장단점이 있으나, 수직형 LPE장치의 경우 그 구조나 유지보수비 및 설치공간 측면에서 수평형에 비해 장점을 가지고 있다.

이중 종래의 수평형 LPE장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 수평 방향으로 설치된 원통형의 석영관(100)내에, 용융액 그릇이 구비된 용액홀더(102)와, 기판을 둘 수 있게 된 기판홀더(104) 및 이들을 지지하는 받침판(106)이 설치되고, 상기 기판홀더(104)는 용액홀더(102)와 받침판(106)사이를 미끄러지며 움직일 수 있게 된 구조의 결정성장부가 설치된 것이다.

이러한 구조의 수평형 LPE장치를 이용하여 적절히 온도를 조절하면서 용액홀더(102)의 용융액 그릇에 n+InP, InGaAsP, p+InP 용융액을 나란히 넣어두고 InP 기판을 차례로 각 용융액에 접촉시켜 결정을 성장시킨다.

이와 같이 LPE 방법을 이용하는 경우 초기의 문제점은 반도체 레이저와 같이 활성층의 두께가 0.1~0.2μm 정도로 얇은 경우 과포화도를 정확히 제어할 수 없었던 관계로 정확한 성장조건없이는 재현성있는 성장두께를 제어할 수 없었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것이 2상 용액법(Two-Phase Solution technique)으로서 현재 대부분의 LPE로 제작되는 광소자에서는 2상용액법이 사용되고 있다. InGaAsP 계에 사용되는 2상 용액법의 경우 항상 고체상태로 존재하는 InP 시드(seed)가 용액에 떠 있게 되어 과포화도를 줄여주는 역할을 하기 때문에 초기 과포화도와 냉각속도에 따라 초기 성장률이 달라지게 된다. 그러므로 2상 용액법은 성장 직전의 열적경로(thermal history)에 의해 초기 성장률이 좌우되게 된다.

한편 MQW(Multi-Quantum Well, 다중양자우물)층과 같이 성장시간이 아주 짧은 일시적 성장(transient growth)시 InP의 경우는 2상 용액법 자체만으로 성장률을 제어하므로 냉각속도에 주로 의존하게 되고, InGaAsP의 경우는 InP와는 달리 과포화 상태를 제어할 수 있기 때문에 성장층의 두께는 과포화도와 냉각속도 두가지 변수에 의해 좌우된다.

따라서 종래의 LPE장치에 이와 같은 2상 용액법을 적용하여 기판상에 MQW층을 형성하게 된다.

그런데, 종래의 수평형 및 수직형 LPE장치를 이용하여 기판상에 MQW층을 형성할 때, 성장층의 두께를 좌우하는 과포화도와 냉각속도 두가지 변수 이외에 기판홀더와 용액홀더 간의 간격과 같은 장치자체의 요인이 추가되게 되는데 이 요인에 영향을 덜 받는 구조의 결정성장부를 제작하기 위해 많은 노력을 기울이고 있으나 아직 획기적인 구조의 결정성장부가 나타나지 않은 실정이다.

그리고, 지금까지 2상 용액법에서 InP 시드를 단결정과 다결정으로 사용한 경우 MQW층의 형성에 미치는 영향의 차이에 대한 검토가 없었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로, LPE장치에서 성장층을 규일하고 재현성있게 형성할 수 있게 된 결정성장부를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 과포화도를 적절히 제어하여 재현성있는 성장층을 형성할 수 있게 된 2상 용액법을 제공함에 또다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 LPE장치의 결정성장부는, 밀폐된 석영관 내부에 고정설치되는 원판상의 받침판과, 이 받침판 위에 놓여지고 기판을 놓을 수 있게 홈이 구비된 원판상의 기판홀더, 성장용액을 담을 수 있게 된 수 개의 성장용액홀이 원주방향으로 구비되고 상기 기판홀더위에 놓여지며 중앙에 관통된 중앙홀이 구비되고 상기 받침판과 소정의 핀으로 고정되게 된 원판상의 용액홀더로 구성되어, 상기 기판홀더가 석영관 외부의 회전수단에 연결된 회전축에 상기 용액홀더의 중앙홀을 관통하며 연결되어 회동할 수 있게 된 것으로, 이 결정성장부의 기판홀더에 놓여지는 기판면에 용액홀더에 담겨진 성장용액이 접촉하여 MQW층을 형성하게 된 것이다.

그리고, 상기한 또다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2상 용액법은, 용액홀더 및 기판홀더를 포함하는 결정성장부가 내장된 석영관에서 In용매에 필요한 용질(InP, InAs, GaAs)을 녹인 용액을 상기 용액홀더에 담고, 여기에 고체상태의 InP 시드를 띄운 다음, 결정성장온도에서 이 성장용액을 상기 용액홀더 하부면에 미끄러지게 된 기판홀더에 놓인 InP기판에 접촉시킴으로써 일정한 조성비(x,y)에 따라 기판상에 LPE에 의한 4원 화합물 In_1-xGa_xAs_yP_1-y성장층을 격자정합시키는 2상 용액법에 있어서, 상기 InP 시드는, 단결정 InP 시드인 것을 특징으로 하는 것이다.

도 1은 종래의 수평형 LPE 장치를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 LPE장치의 결정성장부의 사시도,

도 3은 본 발명의 실험에 이용한 수직형 LPE 장치를 나타낸 도면,

도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따른 결정성장부를 이용하여 성장층을 형성한 결과를 나타낸 그래프,

도 5a는 다결정 InP 시드를 이용한 2상 용액법에 따른 결과의 SEM 사진,

도 5b는 단결정 InP 시드를 이용한 2상 용액법에 따른 결과의 SEM 사진이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 받침판 12 : 기판홀더

14 : 용액홀더 16 : 석영관

18 : 덮개부 20 : 가열로

22 : 공급관 24 : 배기관

26 : 회전축

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면과 실험예를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 LPE장치의 결정성장부를 예시한 것으로서, 기판상에서 결정성장이 일어나게 하여 MQW층을 만들 수 있게 하는 것으로 3부분으로 나누어져 있는 것이다.

첫째, 제일 아래에 위치하여 소정의 고정수단으로 고정되는 받침판(10)은 흑연재질로 되어 있으며, 상부에 위치되는 상기 기판홀더(12)를 동작을 지지하는 역할을 하고, 제일 위의 용액홀더(14)를 고정하는 기능을 수행하는 것이다. 이때 상기 고정수단은 석영관(10) 하부 중앙부에 기판홀더(12)를 고정할 수 있게 하는 것으로, 삼발이를 사용할 수 있다.

두 번째의 기판홀더(12)는 받침판(10) 위에 놓여지고, 이 중앙부에 회전축과 소정 연결수단으로 연결할 수 있게 되어 있는 것으로, 본 실시예에서는 축받이가 형성되어 이에 회전축을 끼워 연결할 수 있게 되어 있다. 따라서 연결된 회전축의 회전에 의해 기판홀더(12)가 회동할 수 있으며, 상부 소정위치에 기판을 놓을 수 있는 홈이 형성되어 있다.

그리고 용액홀더(14)에는 중앙부에는 중앙홀과 원주방향으로는 여러개의 반응용액홀이 형성되어 있어 이 반응용액홀에 성장용액을 담을 수 있게 된다. 중앙부의 관통홀은 회전축이나 기판홀더(12)의 축받이가 관통될 수 있게 된 것이며, 상기 받침판(10)과 통상적인 고정수단을 사용하여 연결 고정시킬 수 있게 되어 있다. 다만, 상기 고정수단이 온도영향을 많이 받지 않고 불활성인 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 하부판과 용액홀더(14)를 석영으로 된 핀으로 고정시키게 된 것이다.

상기 받침판(10)과 기판홀더(12), 용액홀더(14) 및 용액홀더는 2상용액법에 적합한 흑연재질로 된 것을 사용하였다.

본 발명의 결정성장부의 작용 효과를 실험하기 위하여 수직형 LPE 장치를 사용하였는데, 이 장치의 구조를 도 3에 도시하였다.

수직 방향으로 설치된 원통형의 석영관(16)과 이 석영관(16)의 상단외주를 감싸며 결합되어 내부를 밀폐시킬 수 있게 된 덮개부(18) 및 석영관(16) 하부외주 측면에 설치된 가열로(20)가 구비되고, 질소와 수소가스를 공급할 수 있게 된 공급관(22)과 석영관(16)내부의 기체를 배출하는 배기관(24)이 석영관(16) 내외부를 통할 수 있게 설치되며, 상기 배기관(24)에는 버너와 진공펌프가 연결되고, 덮개부(18) 중앙 상단에 스테핑모터의 회전축(26)이 관통 설치되며, 석영관(16) 내부에는 상기한 바와 같은 결정성장부가 회전축(26)에 연결되고 소정 지지수단에 의해 고정되어 있다.

이와 같은 결정성장부가 구비된 수직형 LPE 장치는 기판이 고정된 상태에서 성장용액이 회전하면서 성장용액이 흔들리거나 2상용액의 열평형상태가 깨어져 성장용액을 불안정하게 하는 종래의 문제점을 성장용액이 고정된 상태에서 기판이 회전하게 되어 상기한 문제점을 해소할 수 있으면서, 불안정한 회전운동을 억제할 수 있게 되고, 용액홀더와 기판홀더(12)와의 간격을 30~50μm로 하여 와이프오프가 용이하게 될 수 있게 한 것으로 성장층에 미치는 영향을 완화시킬 수 있게 된다.

그리고, 기판홀더(12)에 놓여진 기판이 회전축을 중심으로 회전하면서 용액홀더의 성장용액과 접촉하여 성장층의 두께편차를 줄일 수 있게 된다.

이와 같은 수직형 LPE 장치를 이용하여 실제로 MQW층을 형성하여 본 실험결과는 다음과 같다.

성장온도를 630℃로 하고, 냉각 속도는 0.4℃/min로 하여 QW층인 InGaAsP층을 1초간 3층으로 성장을 행하여 각 층의 센터(center)와 에지(edge) 두 부분으로 나누어 두께를 측정하는 것을 200회 반복실험하여 평균두께와 표준편차를 다음 표 1에 나타내었고, 이 결과와 비교를 위하여 결정성장부를 종래의 수직형 LPE장치를 이용하여 같은 조건으로 80회 반복 실험한 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

본 발명의 결정성장부를 이용한 결과

층명	에지	센터
	평균	표준편차	평균	표준편차
첫째층	189	44	180	39
둘째층	159	28	153	27
세째층	143	27	141	27

종래의 LPE장치를 이용한 결과

층명	에지	센터
	평균	표준편차	평균	표준편차
첫째층	455	155	348	110
둘째층	354	120	343	113
세째층	284	98	282	82

또한, 이 결과를 층별로 도 4a와 도 4b 및 도 4c에 나타내었다. 이 결과는 본 발명의 결정성장부를 이용하였을 때 각층의 균일도 뿐만 아니라 성장층의 평균두께 역시 상당히 감소하여 종래의 것을 사용하였을 때보다 평균두께는 1/2, 두께편차는 1/3이상 줄어 들었음을 확인할 수 있다.

이러한 실험결과는 현재까지 알려진 바에 의하면 LPE장치로 성장이 가능한 계면특성이 InGaAsP/InGaAs의 경우 90Å으로 알려져 있고, InGaAsP/InGaAsP의 경우 100Å이하로 성장이 거의 불가능하다고 알려져 있다는 기존의 실험결과를 능가하는 결과를 얻었다고 할 수 있다.

이와 같은 결과는 수평형 LPE장치에 본 발명에 따른 결정성장부를 설치하였을 때도 같은 효과가 있음을 쉽게 짐작할 수 있다. 즉, 수평형 LPE장치는 석영관(16)이 수평으로 장치되어 설치공간을 많이 차지한다는 점이외에는 수직형 LPE장치와 별다른 점이 없으므로 같은 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명의 2상용액법을 실험한 결과는 다음과 같다.

상기 수직형 LPE 장치를 이용하여, In용매에 InP, InAs, GaAs을 녹인 용액을 상기 용액홀더에 담고 여기에 고체상태의 InP 시드를 띄워 상기 용액홀더(14)에 설치하고, 기판홀더(12)의 홈에 InP기판을 둔 뒤, 성장온도 630℃에서 냉각속도 0.4℃/min로 하여 기판홀더(12)를 회전시켜 성장용액을 InP기판에 접촉시킴으로써 일정한 조성비(x,y)에 따라 기판상에 LPE에 의한 4원 화합물 In_1-xGa_xAs_yP_1-y인 성장층을 1초간 3층으로 형성시켰다.

이때 InP 시드를 기판과 같이 단결정의 InP로 한 경우와 다결정의 InP로 한 경우로 나누어 실험하였다.

이와 같이 실험한 결과의 성장층 SEM사진을 도 5a와 도 5b에 나타내었다.

도 5a는 다결정 InP를 사용한 결과이며, 도 5b는 단결정 InP를 사용한 결과를 나타낸 것으로 이 도면중 중앙의 검은색 층들이 InGaAsP층을 나타낸다.

이와 같은 실험 결과에 의하면 다결정 InP 시드를 사용한 경우 InGaAsP층이 약 400Å, InP층이 640Å으로 나타난 반면, 단결정 InP 시드를 사용한 경우 InGaAsP층이 약 170Å, InP층이 480Å으로 나타났다.

따라서 단결정 InP 시드를 사용한 경우가 다결정 InP 시드를 사용한 경우보다 성장된 MQW층의 두께가 2배 정도 줄일 수 있음을 알 수 있다.

그리고 단결정의 경우가 다결정의 경우에 비해 InP와 InGaAsP층과의 경계면의 특성이 좋음을 알 수 있는데, 이러한 현상은 성장용액의 열평형상태가 단결정 InP 시드를 이용한 경우가 더 잘 유지되었음을 의미하는 것이다. 또한 기판과 같은 단결정을 성장용액에 접촉시키는 것이 성장시 초기 과포화도를 줄여줄 수 있을 뿐만 아니라 기판과의 열평형상태 즉 성장용액의 안정성이 잘 유지될 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 결정성장부가 구비된 LPE장치는 재현성있고 두께편차가 현저히 줄어든 성장층을 형성할 수 있게 하고, 본 발명의 2상 용액법은, 단결정 InP 시드를 사용한 경우 성장층의 두께의 균일도 뿐만 아니라 두께편차를 줄일 수 있게 되어, MQW층을 보다 얇고 재현성있게 형성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 석영관(16)내부에 고정설치되는 원판상의 받침판(10)과, 이 받침판(10)위에 놓여지고, 기판을 놓을 수 있게 홈이 구비된 원판상의 기판홀더(12), 성장용액을 담을 수 있게 된 수 개의 성장용액홀이 원주방향으로 구비되고 상기 기판홀더(12)위에 놓여지며 중앙에 관통된 중앙홀이 구비되고 상기 받침판(10)과 소정의 핀으로 고정되게 된 원판상의 용액홀더(14)로 구성되어, 상기 기판홀더(12)가 석영관(16) 외부의 회전수단에 연결된 회전축(26)에 상기 용액홀더(14)의 중앙홀을 관통하며 연결되어 회동할 수 있게 된 것으로, 이 결정성장부의 기판홀더(12)에 놓여지는 기판면에 용액홀더(14)에 담겨진 성장용액이 접촉하여 MQW층을 형성하게 된 구조의 LPE장치의 결정성장부.
2. 용액홀더(14) 및 기판홀더(12)를 포함하는 결정성장부가 내장된 석영관(16)에서 In용매에 필요한 용질(InP, InAs, GaAs)을 녹인 용액을 상기 용액홀더(14)에 담고, 여기에 고체상태의 InP 시드를 띄운 다음, 결정성장온도에서 이 성장용액을 상기 용액홀더(14) 하부면에 미끄러지게 된 기판홀더(12)에 놓인 InP기판에 접촉시킴으로써 일정한 조성비(x,y)에 따라 기판상에 LPE에 의한 4원 화합물 In_1-xGa_xAs_yP_1-y성장층을 격자정합시키는 2상 용액법에 있어서, 상기 InP 시드는 단결정 InP 시드인 것을 특징으로 하는 2상 용액법.

Images