KR100267261B1 - Forming method of quantum structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자구조 형성방법에 관한 것으로, 종래 양자구조 형성방법은 건식식각을 사용하여 기판에 손상을 주어 광전소자의 특성을 저하시키거나, 원하는 분포 및 위치의 조절이 용이하지 않아 광전소자의 광범위한 응용이 불가능한 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 갈륨비소기판의 상부에 갈륨산화막을 증착하는 마스크 증착단계와; 상기 갈륨산화막의 상부에 피엠엠에이를 도포 및 현상하여 패턴을 형성하고, 그 패턴이 형성된 피엠엠에이를 식각마스크로 사용하는 습식식각으로 그 하부의 갈륨산화막을 패터닝하는 마스크 패턴 형성단계와; 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이를 제거하고, 상기 패턴이 형성된 갈륨산화막의 사이에 노출된 갈륨비소기판에 양자구조를 성장시키는 양자구조 성장단계로 구성되어 특정한 패턴이 형성된 갈륨산화막을 성장마스크로 사용하여 양자구조가 형성될 위치와 크기를 제한하여, 양자구조의 크기 및 분포를 용이하게 조절할 수 있게 됨으로써, 광전소자로의 응용분야를 확대시키는 효과가 있다.The present invention relates to a method for forming a quantum structure, and the conventional method for forming a quantum structure damages a substrate by using dry etching, thereby degrading the characteristics of the optoelectronic device, or because it is not easy to control a desired distribution and position. There was a problem that the application is impossible. In view of the above problems, the present invention includes a mask deposition step of depositing a gallium oxide film on the gallium arsenide substrate; A mask pattern forming step of forming a pattern by applying and developing a PMA on the gallium oxide layer and patterning a gallium oxide layer under the wet etching using the PMA having the pattern as an etching mask; The quantum structure growth step of removing the PM formed with the pattern and growing the quantum structure on the gallium arsenide substrate exposed between the gallium oxide film formed with the pattern using a gallium oxide film having a specific pattern as a growth mask By limiting the position and size of the quantum structure to be formed, it is possible to easily control the size and distribution of the quantum structure, thereby expanding the application field to the optoelectronic device.
Description
본 발명은 양자구조 형성방법에 관한 것으로, 특히 갈륨산화막을 성장마스크로 사용하는 분자선 에피탁시법으로 양자구조 형성하여 양자구조의 크기와 분포를 조절하여 광전소자의 특성을 향상시키는데 적당하도록 한 양자구조 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a quantum structure, and more particularly, to form a quantum structure by a molecular beam epitaxy method using a gallium oxide film as a growth mask to control the size and distribution of a quantum structure so as to be suitable for improving the characteristics of an optoelectronic device. It relates to a method of forming a structure.
일반적으로, 인듐비소(InAs) 또는 인듐갈륨비소(InGaAs) 양자점(quantum dots)에 관한 결정성장은 분자선 에피탁시법(molecular beam epitaxy), 화학선 에피탁시법(chemical beam epitaxy), 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition)을 사용하여 특정한 기판에 홈을 형성하고, 그 홈내에 성장시켜 형성한다. 이와 같은 양자점은 기초물리분야 뿐만 아니라, 광전소자 응용분야에서도 매우 흥미 있는 분야로 최근 관심의 대상이 되고 있으며, 이와 같은 양자점을 형성하는 방법을 상세히 설명한다.In general, crystal growth on indium arsenic (InAs) or indium gallium arsenide (InGaAs) quantum dots is characterized by molecular beam epitaxy, chemical beam epitaxy, and organometallics. Metal organic chemical vapor deposition is used to form grooves in a particular substrate, which are then grown and formed in the grooves. Such a quantum dot is a very interesting field not only in the basic physics field but also in the optoelectronic device application field, and has been recently interested, and a method of forming such a quantum dot will be described in detail.
지금까지 알려진 양자구조인 양자점을 형성하는 방법으로는 양자우물(quantum well)의 리소그래피 패턴, 이온빔 주입에 의한 불순물 혼돈(disordering)의 국소화, 패터닝된 기판을 이용한 선택적 성장, 스트란스키-크라스타노브(Stranski-Krastanow: 이하 S-K) 성장방식을 통한 자발형성(self-assembled) 3차원 구조성장등이 있다.Methods of forming quantum dots, known quantum structures, include lithographic patterns of quantum wells, localization of impurity disordering by ion beam implantation, selective growth using patterned substrates, and Stranski-Crastanov. (Stranski-Krastanow: SK) growth methods include self-assembled three-dimensional structural growth.
그러나, 상기 양자우물의 리소그래피 패턴을 이용하는 방법은 레이저 홀로그래픽 리소그래피 또는 전자선 리소그래피 후에 플라즈마식각이나, 활성이온식각(reactive ion etching)을 통해 양자우물의 구조를 변형시키는 방법을 사용하여 이종구조(heterostructure)의 특성을 저하시킨다. 또한, 상기 이온빔 주입에 의한 방법은 3족 원자의 내부확산(interdiffusion)과 표면손상과 같은 결과를 초래할 수 있다. 그리고, 상기 S-K법은 양질의 결정성장이 손쉬운 반면, 3차원 섬(island)들 사이의 배열을 마음대로 할 수 없어서 보다 광범위한 응용을 위해서는 자기조직화에 의한 양자점의 분포 조절 및 위치 조절이 가능해져야 한다.However, the method of using the quantum well lithography pattern is a heterostructure using a method of modifying the structure of the quantum well by plasma etching or active ion etching after laser holographic lithography or electron beam lithography. Decreases the properties. In addition, the ion beam implantation method may result in interdiffusion and surface damage of group III atoms. In addition, while the S-K method is easy to grow crystals of high quality, the arrangement between three-dimensional islands (random) can not be arbitrarily used for the wider application, the distribution control and position control of the quantum dots by self-organization should be possible.
또한, 선택적 성장법은 양자구조의 위치나 크기를 용이하게 조절할 수 있기 때문에 다양한 양자구조를 형성하는데 가장 적합하다 할 수 있다.In addition, the selective growth method may be most suitable for forming various quantum structures because the position and size of the quantum structures can be easily adjusted.
이러한, 선택적 성장법에는 릿지(ridge)와 테트라헤드랄 피트(tetrahedral pits)를 갖는 패터닝된 기판 상에 성장하는 방법, 비시널(vicinal)기판 위에 형성된 다중 원자층(multiatomic step)을 갖는 버퍼층 위에 성장하는 방법. 그리고, 패터닝된 산화막에 형성되는 {100}방향의 갈륨비소(GaAs)의 메사(mesa)면에 성장시키는 방법등이 있다.Such selective growth methods include growth on patterned substrates having ridges and tetrahedral pits, growth on buffer layers having multiatomic steps formed on vicinal substrates. How to. Then, there is a method of growing on the mesa surface of gallium arsenide (GaAs) in the {100} direction formed on the patterned oxide film.
그러나, 상기와 같은 방법들은 모두 기판을 패터닝하는 과정에서 건식식각(dry etching)법을 사용하여, 기판에 손상이 일어날 수 있고, 미스오리엔테이션(misorientation)의 각도에 따른 3차원 구조의 위치와 폭에 제한이 가해진다. 그리고, 산화막이 패터닝된 기판에서 갈륨비소의 메사면을 사용하는 방법은 양자점의 위치조절에 한계를 갖게 되는데, 이는 패싯(facet) 면이 {110}방향으로 형성되어, 양자점들의 위치가 주로 {110}방향으로 정렬되기 때문이다.However, all of the above methods use dry etching in the process of patterning the substrate, which may cause damage to the substrate, and the position and width of the three-dimensional structure according to the angle of misorientation. Restrictions are applied. In addition, the method of using the mesa surface of gallium arsenide in the oxide patterned substrate has a limitation in controlling the position of the quantum dots. The facet surface is formed in the {110} direction so that the position of the quantum dots is mainly {110]. } Because it is aligned in the direction.
상기한 바와 같이 종래 양자구조 형성방법은 건식식각을 사용하여 기판에 손상을 주어 광전소자의 특성을 저하시키거나, 원하는 분포 및 위치의 조절이 용이하지 않아 광전소자의 광범위한 응용이 불가능한 문제점이 있었다.As described above, the conventional method of forming a quantum structure has a problem in that it is possible to damage the substrate by using dry etching to deteriorate the characteristics of the optoelectronic device, or to control the desired distribution and position, thereby making it impossible to apply a wide range of optoelectronic devices.
이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 양자구조의 형성시 기판이 손상됨을 방지하며, 양자구조의 분포 및 위치를 용이하게 제어할 수 있는 양자구조 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a method for forming a quantum structure that can prevent a substrate from being damaged when the quantum structure is formed and to easily control the distribution and position of the quantum structure.
도1a 내지 도1e는 본 발명에 의한 양자구조 형성방법의 일실시예도.1A to 1E are diagrams illustrating one embodiment of a quantum structure forming method according to the present invention.
도2a 내지 도2e는 본 발명에 의한 양자구조 형성방법의 다른 실시에도.Figures 2a to 2e also show another embodiment of the quantum structure forming method according to the present invention.
도3은 패터닝되지 않은 기준기판에 형성된 인듐갈륨비소 양자점의 원자력 현미경사진을 도시한 평면도.3 is a plan view showing an atomic force micrograph of an indium gallium arsenide quantum dot formed on an unpatterned reference substrate.
도4는 도1a 내지 도1e에 도시한 실시예에따라 줄무늬모양으로 패터닝된 갈륨산화막이 형성된 갈륨비소기판에 성장된 양자점의 구조의 원자력 현미경 사진을 도시한 평면도.4 is a plan view showing an atomic force micrograph of a structure of a quantum dot grown on a gallium arsenide substrate on which a gallium oxide film patterned in a stripe pattern is formed according to the embodiment shown in FIGS. 1A to 1E;
도5는 상기 도2a 내지 도2e에서 설명한 실시예에따라 형성된 양자점의 원자력 현미경사진을 도시한 평면도.FIG. 5 is a plan view showing an atomic force micrograph of a quantum dot formed in accordance with the embodiment described with reference to FIGS. 2A through 2E.
도6은 각기 다른 갈륨산화막 패턴간의 간격에 따른 양자점의 상대적인 체적 비에 대한 함수를 나타낸 그래프도.Fig. 6 is a graph showing the function of the relative volume ratio of quantum dots with the spacing between different gallium oxide film patterns.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명****** Description of the symbols for the main parts of the drawings ***
1:갈륨비소기판 2:갈륨산화막1: gallium arsenide substrate 2: gallium oxide film
3:피엠엠에이 4:양자구조(양자점)3: PMA 4: Quantum structure (quantum store)
상기와 같은 목적은 갈륨비소기판의 상부에 갈륨산화막을 증착하는 마스크 증착단계와; 상기 갈륨산화막의 상부에 피엠엠에이(PMMA, PolyMethylMethAcrylate)를 도포 및 현상하여 패턴을 형성하고, 그 패턴이 형성된 피엠엠에이를 식각마스크로 사용하는 습식식각으로 그 하부의 갈륨산화막을 패터닝하는 마스크 패턴 형성단계와; 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이를 제거하고, 상기 패턴이 형성된 갈륨산화막의 사이에 노출된 갈륨비소기판에 양자구조를 성장시키는 양자구조 성장단계로 구성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The above object is a mask deposition step of depositing a gallium oxide film on the gallium arsenide substrate; A mask pattern for forming a pattern by applying and developing PMM (PMMA, PolyMethylMethAcrylate) on the gallium oxide layer, and patterning the gallium oxide layer under the wet etching using the PMA formed as the etching mask. Forming step; It is achieved by forming a quantum structure growth step of removing the PMM formed with the pattern and growing a quantum structure on the gallium arsenide substrate exposed between the gallium oxide film formed with the pattern, the present invention is attached to the drawings When described in detail with reference to as follows.
도1a 내지 도1e는 본 발명 양자구조 형성방법의 일실시예도로서, 이에 도시한 바와 같이 갈륨비소기판(1)의 상부전면에 갈륨산화막(Ga2O3)(2)을 증착하는 단계(도1a)와; 상기 갈륨산화막(2)의 상부에 피엠엠에이(PolyMethylMethAcrylate)(3)를 도포하는 단계(도1b)와; 전자선 리소그래피를 이용하여 상기 피엠엠에이(3)를 패터닝하여 상기 갈륨산화막(2)의 상부일부를 특정 방향으로 긴 줄무늬 형태로 노출시키는 단계(도1c)와; 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이(3)를 식각마스크로 하는 습식식각방법으로 상기 노출된 갈륨산화막(2)을 식각하여 그 하부의 갈륨비소기판(1)을 노출시킨 후, 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이(3)를 제거하는 단계(도1d)와; 상기 노출된 갈륨비소기판(1)의 상부에 분자선 에피탁시법으로 자발형성 인듐갈륨비소(self-assembled InGaAs) 양자점(4)을 형성하는 단계(도1e)로 구성된다.1A to 1E illustrate an embodiment of a method of forming a quantum structure of the present invention, as shown in the following, depositing a gallium oxide film (Ga 2 O 3 ) 2 on the upper surface of a gallium arsenide substrate 1 (FIG. 1a); Applying a PolyMethylMethAcrylate (3) on top of the gallium oxide film (2) (FIG. 1B); Patterning the MPA (3) using electron beam lithography to expose a portion of the upper part of the gallium oxide film (2) in a long stripe shape in a specific direction (FIG. 1C); The exposed gallium oxide film 2 is etched by a wet etching method using the patterned PMA 3 as an etching mask to expose the lower gallium arsenide substrate 1, and then the patterned PMM. Removing the a (3) (Fig. 1D); And forming a self-assembled InGaAs quantum dot 4 by molecular beam epitaxy on the exposed gallium arsenide substrate 1 (FIG. 1E).
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 양자구조 형성방법의 일실시예를 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the quantum structure forming method of the present invention configured as described above will be described in more detail.
먼저, 도1a에 도시한 바와 같이 갈륨비소기판(1)의 상부에 갈륨산화막(2)을 증착한다. 이때의 갈륨산화막(2)은 스퍼터링법, 양극산화법, 전자선 증착법중 하나의 방법으로 형성시키며, 이때의 갈륨산화막(2)은 너무 얇거나 두꺼우면 후성장공정 및 미세패터닝 과정에서 선택성이 열화되어 미세구조를 얻을 수 없게 되므로, 약 30~70nm의 두께로 증착한다.First, as shown in FIG. 1A, a gallium oxide film 2 is deposited on the gallium arsenide substrate 1. At this time, the gallium oxide film 2 is formed by one of sputtering, anodizing, and electron beam deposition. If the gallium oxide film 2 is too thin or too thick, the selectivity is degraded in the post-growth process and the fine patterning process. Since the structure cannot be obtained, it is deposited with a thickness of about 30 to 70 nm.
그 다음, 도1b에 도시한 바와 같이 상기와 같이 증착된 갈륨산화막(2)의 상부전면에 4%의 피엠엠에이(3)를 도포 한다.Then, as shown in FIG. 1B, 4% of the PMA 3 is applied to the upper surface of the gallium oxide film 2 deposited as described above.
그 다음, 도1c에 도시한 바와 같이 상기 증착된 피엠엠에이(3)를 전자선 리소그래피장비를 35keV에서 작동시켜 패터닝한다. 이때 패턴의 모양은 양자구조의 분포를 결정하게 되므로, 필요에 따라 특정한 모양과 간격으로 패터닝할 수 있다.Then, as shown in Fig. 1C, the deposited MPA 3 is patterned by operating an electron beam lithography apparatus at 35 keV. At this time, since the shape of the pattern determines the distribution of the quantum structure, it may be patterned at a specific shape and interval as needed.
이때, 전자선의 주사량과 빔프루부(beam probe)전류는 각각 1.4 nC/m와 6pA로 하여 특정 방향으로 길고, 양자구조의 모양에 따라 0.3~0.9m의 다양한 간격을 갖는 패턴을 형성하며, 각 패턴의 폭은 양자구조의 크기에 맞춰 0.1m이하로 제한한다.At this time, the scanning amount of the electron beam and the beam probe current are 1.4 nC / m and 6pA, respectively, which are long in a specific direction, and form patterns having various intervals of 0.3 to 0.9 m depending on the shape of the quantum structure. The width of is limited to 0.1m or less according to the size of the quantum structure.
그 다음, 도1d에 도시한 바와 같이 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이(3)를 식각마스크로 사용하는 습식식각공정으로 상기 피엠엠에이(3) 패턴의 형성으로 노출된 갈륨산화막(3)을 식각하여 그 하부의 갈륨비소기판(1)을 노출시킨다. 이때의 식각용액은 6%의 BOE(buffered oxide etch), 희석된 불산(dilute HF) 또는 희석된 염산(dilute HCl)중 하나를 사용하며, 상온에서 3~10초가량 식각한다.Next, as shown in FIG. 1D, the gallium oxide layer 3 exposed by the formation of the PMA pattern is etched by a wet etching process using the PMA 3 having the pattern as an etching mask. The gallium arsenide substrate 1 in the lower portion is exposed. At this time, the etching solution is one of 6% of BOE (buffered oxide etch), diluted hydrofluoric acid (dilute HF) or diluted hydrochloric acid (dilute HCl), and the etching is performed at room temperature for 3 to 10 seconds.
이와 같이 식각한 후에, 상기 패턴이 형성된 피엠엠에이(3)는 아세톤으로 제거한다.After etching as described above, the PMA 3 in which the pattern is formed is removed with acetone.
그 다음, 도1e에 도시한 바와 같이 패턴이 형성된 갈륨산화막(2)의 사이에 노출된 갈륨비소기판(1)의 상부에 양자구조를 성장시킨다. 이와 같은 과정은 상기 그 상부에 갈륨산화막(2) 패턴이 형성된 갈륨비소기판(1)과 그와 동일한 구조의 기준기판을 함께 몰리브덴블록(molyblock)에 부착하고, 자연산화막제거 공정을 거친 후, 20nm의 갈륨비소 버퍼층을 570℃에서 성장시키고, 인듐갈륨비소 양자구조를 형성한다. 이때의 갈륨비소기판(1)의 기판온도는 430~540℃로 유지하며, 자발형성 인듐갈륨비소 양자구조(4)는 빔상당압력(beam equivalent pressure)이 약1×10-5torr인 비소 속(flux)하에서, 25%의 의무주기(duty cycle)로 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 분자선을 주입하여 성장시키며, 인듐의 몰분률(mole fraction)은 0.43으로 고정시키며, 그 양자구조(4)의 성장률은 인듐갈륨비소의 경우 0.4ML/sec, 갈륨비소의 경우 1.4ML/sec, 인듐비소의 경우 0.7ML/sec로 성장시키며, 성장시간은 8~16초, 성장중단시간은 3족 원소의 경우 3~5초로 한다.Next, as shown in Fig. 1E, a quantum structure is grown on the gallium arsenide substrate 1 exposed between the patterned gallium oxide film 2. In this process, the gallium arsenide substrate 1 having the gallium oxide film 2 pattern formed thereon and a reference substrate having the same structure are attached together to a molybdenum block, followed by a natural oxide removal process, and then 20 nm. The gallium arsenide buffer layer is grown at 570 ° C. to form an indium gallium arsenide quantum structure. At this time, the substrate temperature of the gallium arsenide substrate (1) is maintained at 430 ~ 540 ℃, the spontaneous indium gallium arsenide quantum structure (4) has a beam equivalent pressure (beam equivalent pressure) of about 1 × 10 -5 torr Under flux, it grows by injecting molecular beams of indium (In) and gallium (Ga) at a duty cycle of 25%, and the mole fraction of indium is fixed at 0.43. The growth rate of 4) is 0.4ML / sec for indium gallium arsenide, 1.4ML / sec for gallium arsenide, 0.7ML / sec for indium arsenide, and the growth time is 8 ~ 16 seconds, and the growth stop time is group 3 In the case of elements, it is 3 to 5 seconds.
그 다음, 상기와 같은 방법으로 양자구조를 형성한 후에는 상기 갈륨비소기판(1)을 급속히 냉각시켜 갈륨비소기판(1)의 열에 의한 양자구조(4)의 변형을 방지하기 위한 것이다.Then, after the quantum structure is formed in the above manner, the gallium arsenide substrate 1 is rapidly cooled to prevent deformation of the quantum structure 4 due to the heat of the gallium arsenide substrate 1.
또한, 도2a 내지 도2e는 본 발명 광전소자의 양자구조 제조방법의 다른 실시예인 양자점 형성 공정수순 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 각 단계는 상기 도1a 내지 도1e에 도시한 실시예를 통해 용이하게 실시할 수 있으며, 단지 도2c에 도시한 바와 같이 피엠엠에이(3)를 패터닝할 때 그물망 모양의 2차원의 창을 형성하여 그 하부의 갈륨산화막(2)의 일부를 노출시킨다. 이때 노출되는 갈륨산화막(2)의 크기는 가로 0.15m, 세로 0.2m가 되도록 한다. 이때의 패터닝 방법은 전자선 리소그라피법 또는 레이저 홀로그라피법을 사용할 수 있으며, 양자점(4)을 성장시키는 방법은 분자선 에피탁시와 화학선 에피탁시 및 유기금속화학기상증착법 등으로 형성할 수 있다.2A to 2E are perspective views illustrating a process procedure of forming a quantum dot, which is another embodiment of the method for manufacturing a quantum structure of the present invention. As illustrated therein, each step may be easily performed through the embodiment shown in FIGS. 1A to 1E. 2C, a mesh-shaped two-dimensional window is formed when the PMA 3 is patterned to expose a portion of the gallium oxide film 2 below. At this time, the size of the gallium oxide film (2) exposed to be 0.15m in width, 0.2m in length. At this time, the patterning method may be electron beam lithography or laser holography, and the method of growing the quantum dots 4 may be formed by molecular beam epitaxy, actinic epitaxy, or organometallic chemical vapor deposition.
상기와 같이 양자구조(4)를 형성한 후에, 그 양자구조(4)의 측면에 잔존하는 갈륨산화막(2) 패턴은 필요에 따라 제거 또는 계속 잔존시켜 광전소자를 제조하는 과정에서 전류차단층으로 사용할 수도 있도록 한다.After the quantum structure 4 is formed as described above, the gallium oxide film 2 pattern remaining on the side of the quantum structure 4 is removed or continued as necessary to the current blocking layer in the process of manufacturing the optoelectronic device. It can also be used.
또한, 상기 양자구조(4)를 형성할 때 발생하는 2차원에서의 3차원으로의 성장방식의 변환은 패터닝된 갈륨산화막(2)이 증착된 갈륨비소기판(1)과 함께 양자구조(4)를 성장시킨 기준기판을 분자선 에피탁시 챔버에 부착된 리히드(RHEED, reflection high energy electron diffraction) 패턴을 관측함으로써 확인할 수 있다.In addition, the conversion of the growth method from two to three dimensions occurring when the quantum structure 4 is formed is performed by the quantum structure 4 together with the gallium arsenide substrate 1 on which the patterned gallium oxide film 2 is deposited. The grown reference substrate can be confirmed by observing a pattern of reflection high energy electron diffraction (RHEED) attached to the chamber during molecular beam epitaxy.
도3은 패터닝되지 않은 기준기판(10)에 형성된 인듐갈륨비소 양자점(4)의 원자력 현미경사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 양자점(4)은 반구모양이며, 그 밀도와 크기 및 높이는 각각 3×109cm-2, 50nm, 4nm이다. 또한 도4는 도1a 내지 도1e에 도시한 실시예에따라 줄무니모양으로 패터닝된 갈륨산화막(2)이 형성된 갈륨비소기판(1)에 성장된 양자점(4)의 구조의 원자력 현미경 사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 도1a 내지 도1e에서 설명한 실시예에서 노출되는 갈륨비소기판(1)의 폭을 0.1m로 제한 하였으나, 습식식각과정에서 다소간 더 넓어진 경향이 있으나 비교적 양호하게 패터닝되었음을 알 수 있다. 또한, 도5는 상기 도2a 내지 도2e에서 설명한 실시예에 따라 형성된 양자점의 원자력 현미경사진을 도시한 도로서, 이에 도시한 바와 같이 그물망 형태로 노출된 갈륨비소기판(1)상에 양자점(4)들이 형성되었음을 알 수 있다. 이때 양자점(4)의 크기는 도3에 도시한 양자점(4)의 모습과 흡사하며, 단지 갈륨산화막(2)의 상부에는 양자점(4)이 형성되지 않은 것을 알 수 있다.FIG. 3 shows an atomic force micrograph of an indium gallium arsenide quantum dot 4 formed on an unpatterned reference substrate 10. As shown therein, the quantum dots 4 are hemispherical and their density, size, and height are shown in FIG. 3 x 10 9 cm -2 , 50 nm and 4 nm, respectively. 4 shows an atomic force micrograph of the structure of a quantum dot 4 grown on a gallium arsenide substrate 1 having a gallium oxide film 2 patterned in a stripe pattern according to the embodiment shown in FIGS. 1A to 1E. As shown in FIG. 1A to 1E, the width of the gallium arsenide substrate 1 exposed in the embodiment described above is limited to 0.1 m, but it tends to be somewhat wider during the wet etching, but is relatively well patterned. It can be seen that. 5 is a view showing an atomic force micrograph of a quantum dot formed according to the embodiment described in FIGS. It can be seen that the) are formed. In this case, the size of the quantum dot 4 is similar to that of the quantum dot 4 shown in FIG. 3, and it can be seen that only the quantum dot 4 is not formed on the gallium oxide film 2.
도6은 각기 다른 갈륨산화막 패턴간의 간격에 따른 양자점(4)의 상대적인 체적비에 대한 함수를 나타낸 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 노출된 갈륨비소기판의 면적에 대한 기준기판에 형성되는 양자점의 체적의 증가 비를 1로 볼 때, 본 발명에 의한 양자점의 체적 증가 비는 0.44로 나타난다. 그런데 인듐갈륨비소 양자점(4)들이 갈륨산화막(2)의 패터닝된 영역에만 형성되었기 때문에 3족 원소의 이동이 선택성장의 주된 요소라면 기울기는 1에 근접해야 하는 것으로, 실험의 결과로서, 선택성장을 가능하게 하는 요소로는 3족원소의 이동 외에 탈착효과도 함께 고려되어야 한다는 결론을 얻게 된다.FIG. 6 is a graph showing a function of the relative volume ratio of the quantum dots 4 according to the spacing between different gallium oxide film patterns. As shown in FIG. 6, the volume of the quantum dots formed on the reference substrate with respect to the area of the exposed gallium arsenide substrate is shown. When the increase ratio of 1 is 1, the volume increase ratio of the quantum dots according to the present invention is shown as 0.44. However, since the indium gallium arsenide quantum dots 4 were formed only in the patterned region of the gallium oxide film 2, the slope should be close to 1 if the movement of the group III element was the main element of the selective growth. It is concluded that the desorption effect should be considered together with the movement of the three-group element.
갈륨산화막을 마스크로 사용하여 선택성장을 가능하게 하는 이 두 가지 요소들을 구체적으로 고려하면 다음과 같다.Considering the two factors that allow selective growth using a gallium oxide film as a mask, the following are considered.
본 발명의 실시예를 통하여 갈륨산화막(2)의 위에서 인듐의 확산계수는 약 9.4×10-10cm2/s이며, 갈륨의 확산계수는 3.4×10-10cm2/s로 산정되었으며, 이들 값들은 산화막이 없는 갈륨비소기판(1)에서 갈륨의 확산계수 2.5×10-13cm2/s보다 큰 값이다. 따라서 갈륨산화막(2)에서 3족원소들의 확산계수증가는 선택성장을 가능하게 하는 중요한 요소가 되며, 3족원소의 탈착효과를 고려하면, 유효성장두께는 줄어들게 된다. 즉, 3족원소의 이동만을 고려하면 갈륨산화막(2)에 의해 선택적으로 노출된 갈륨비소기판(1)에 성장되는 인듐갈륨비소 양자점(4)의 유효성장두께는 기준기판에 성장되는 그것의 유효성장두께에 비해 66%의 유효성장두께를 갖게 되지만, 실제 형성되는 갈륨산화막(2)의 유효성장두께는 46%로 두 결과의 차이인 20%는 상기 3족원소들의 탈착효과에 기인하는 것이다.In the embodiment of the present invention, the diffusion coefficient of indium on the gallium oxide film 2 was about 9.4 × 10 -10 cm 2 / s, and the diffusion coefficient of gallium was calculated to be 3.4 × 10 -10 cm 2 / s. The values are larger than the gallium diffusion coefficient of 2.5 × 10 −13 cm 2 / s in the gallium arsenide substrate 1 without an oxide film. Therefore, the increase in the diffusion coefficient of the group 3 elements in the gallium oxide film (2) is an important factor to enable the selective growth, considering the desorption effect of the group 3 elements, the effective field thickness is reduced. That is, the effective field thickness of the indium gallium arsenide quantum dot (4) grown on the gallium arsenide substrate (1) selectively exposed by the gallium oxide film (2) considering only the movement of the group 3 element is grown on the reference substrate Although the effective thickness is 66% compared to the growth thickness, the effective field thickness of the gallium oxide film 2 actually formed is 46%, and the difference between the two results is 20% due to the desorption effect of the group III elements.
상기한 바와 같이 본 발명 광전소자의 양자구조 제조방법은 갈륨산화막을 성장마스크로 사용하여 양자구조가 형성될 위치와 크기를 제한하여, 양자구조의 크기 및 분포를 용이하게 조절할 수 있게 됨으로써, 광전소자의 응용분야를 확대시키는 효과와 아울러 건식식각 등에 의한 갈륨비소기판에 손상을 주지 않음으로써 광전소자의 특성을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the method of manufacturing a quantum structure of the photoelectric device of the present invention uses a gallium oxide film as a growth mask to limit the position and size at which the quantum structure is to be formed, thereby easily controlling the size and distribution of the quantum structure. In addition to the effect of expanding the application area of the gallium arsenide substrate by dry etching, etc., it is effective to improve the characteristics of the optoelectronic device.
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