KR100508850B1 - Method for growing quantum dots using an atomic layer epitaxy - Google Patents
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Abstract
본 발명은 ALE(Atomic Layer Epitaxy)를 사용하여 반도체 양자점들(semiconductor quantum dots)을 성장시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 a) 기판을 마련하는 단계와, b) 반도체 양자점을 성장시키기 위한 물질들을 적어도 하나의 시간 간격을 갖는 사전설정된 시퀀스(sequence)에 따라 상기 기판 상에 주입하는 단계와, c) 단계 b)를 사전설정된 횟수만큼 반복하여 반도체 양자점을 성장시키는 단계를 포함한다. 여기서, 단계 b)는 ALE(Atomin Layer Epitaxy) 법을 사용하여 수행되며, 주입 물질들은 금속 원자와 비금속 원자를 포함한다.The present invention relates to a method for growing semiconductor quantum dots using atomic layer epitaxy (ALE). The method comprises a) preparing a substrate, b) implanting materials for growing semiconductor quantum dots onto the substrate according to a predetermined sequence having at least one time interval, and c) step b. ) Is grown a predetermined number of times to grow the semiconductor quantum dots. Here, step b) is performed using ALE (Atomin Layer Epitaxy) method, and the injection materials include metal atoms and nonmetal atoms.
Description
본 발명은 반도체 제조 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ALE(Atomic Layer Epitaxy)를 사용하여 반도체 양자점들(semiconductor quantum dots)을 성장시키기 위한 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of semiconductor manufacturing, and more particularly, to a method for growing semiconductor quantum dots using atomic layer epitaxy (ALE).
종래의 S-K(Stranski-Krastanow) 방법을 이용한 반도체 양자점 및 이를 응용한 광전자 소자는 [N. N. Ledentsov "Quantum dot lasers: the birth and future trends," Semiconductors, 33, pp. 946, 1999]와 [M. Grundmann, F. Heinrichsdorff, N. Ledentsov, C. Ribbat, D. Bimberg, A. Zhukov, A. Kovsh, M. Maximov, Y. Shernyakov, D. Lifshits, V. Ustinov, Z. Alferov, "Progress in Quantum Dot Lasers: 1100 nm, 1300 nm, and High Power Applications," Jpn J. Appl. Phys., 39, pp. 2341, 2000]에 상세하게 개시되어 있다.A semiconductor quantum dot using a conventional S-K (Stranski-Krastanow) method and an optoelectronic device using the same are described in [N. N. Ledentsov "Quantum dot lasers: the birth and future trends," Semiconductors, 33, pp. 946, 1999 and [M. Grundmann, F. Heinrichsdorff, N. Ledentsov, C. Ribbat, D. Bimberg, A. Zhukov, A. Kovsh, M. Maximov, Y. Shernyakov, D. Lifshits, V. Ustinov, Z. Alferov, "Progress in Quantum Dot Lasers: 1100 nm, 1300 nm, and High Power Applications, "Jpn J. Appl. Phys., 39, pp. 2341, 2000, for example.
종래의 S-K 방법은 격자부정합 이종 반도체 물질과 반도체 기판간의 스트레인(strain)에 의해 반도체 양자점이 자발 형성되는 기작을 이용한 것으로서, 반도체 기판과 성장된 반도체 양자점 사이에 웨팅층(wetting layer)이 형성되는 웨팅 구조를 필연적으로 발생시킨다. 이러한 웨팅 구조는 성장된 반도체 양자점간에 간섭을 일으켜, 0차원 구조를 가져야 하는 반도체 양자점의 특성을 열화시키는 문제점이 있다. 또한, 다양한 특성을 갖는 반도체 양자점을 제작하기 위해서는 성장 온도, 물질 주입량 등 양자점의 특성을 결정짓는 중요한 인자들을 바꾸어야 하므로, 양자점을 포함하는 반도체의 생산성이 떨어진다는 문제점이 있다.The conventional SK method uses a mechanism in which semiconductor quantum dots are spontaneously formed by strain between a lattice mismatched hetero semiconductor material and a semiconductor substrate, and a wetting layer is formed between the semiconductor substrate and grown semiconductor quantum dots. Inevitably results in structure. Such a wetting structure causes interference between grown semiconductor quantum dots, thereby degrading the characteristics of the semiconductor quantum dots that should have a 0-dimensional structure. In addition, in order to fabricate semiconductor quantum dots having various characteristics, important factors for determining the characteristics of the quantum dots, such as growth temperature and material injection amount, need to be changed, which leads to a problem that productivity of semiconductors including quantum dots is reduced.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해, 성장 온도 및 물질 주입량 등을 고정시키면서, 반도체 물질을 교대로 주입하는 ALE 방법을 채용하여 다양한 특성을 갖는 반도체 양자점을 성장시키기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention provides a method for growing a semiconductor quantum dot having a variety of characteristics by adopting the ALE method of injecting the semiconductor material alternately while fixing the growth temperature, the material injection amount and the like to solve the above problems The purpose.
또한, 본 발명은 성장 정지(growth interruption: GI) 시간을 도입하여 반도체 양자점의 성장 과정에서 웨팅층이 생성되는 것을 억제하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for introducing a growth interruption (GI) time to suppress the generation of a wetting layer during the growth of semiconductor quantum dots.
본 발명에 따르면, a) 기판을 마련하는 단계와, b) 반도체 양자점을 성장시키기 위한 물질들을 적어도 하나의 시간 간격을 갖는 사전설정된 시퀀스(sequence)에 따라 상기 기판 상에 주입하는 단계와, c) 단계 b)를 사전설정된 횟수만큼 반복하여 반도체 양자점을 성장시키는 단계를 포함하는 반도체 양자점 성장 방법이 제공된다. 여기서, 단계 b)는 ALE(Atomic Layer Epitaxy) 법을 사용하여 수행되며, 주입 물질들은 금속 원자와 비금속 원자를 포함한다.According to the invention, a) preparing a substrate, b) implanting materials for growing semiconductor quantum dots according to a predetermined sequence with at least one time interval, c) There is provided a semiconductor quantum dot growth method comprising repeating step b) a predetermined number of times to grow the semiconductor quantum dots. Here, step b) is performed using ALE (Atomic Layer Epitaxy) method, and the injection materials include metal atoms and nonmetal atoms.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 S-K 방법에 따라 InAs/GaAs 물질을 사용하여 반도체 양자점을 성장시키는 과정을 도시하고 있다. GaAs 기판 상에 In과 As를 동시에 주입하고(도 1a), InAs가 GaAs 기판 상에 성장되며(도 1b), 성장된 InAs는 적절한 두께(예컨대, ∼1.7 단일층두께(monolayer))까지 2차원적인 성장(웨팅(wetting)층 형성)하고 적절한 조건에서 격자부정합에 의한 물질 파쇄를 피하여 3차원적인 InAs 양자점이 성장된다(도 1c). 여기서, "단일층두께"라는 것은 물질의 격자상수의 절반두께를 의미하는 것으로서, 예를 들어 InAs의 1 단일층두께는 0.30292 nm(= 0.60584 nm/2)이다.1A to 1C illustrate a process of growing semiconductor quantum dots using InAs / GaAs materials according to a conventional S-K method. In and As are simultaneously implanted on the GaAs substrate (FIG. 1A), InAs is grown on the GaAs substrate (FIG. 1B), and the grown InAs is two-dimensional to an appropriate thickness (eg, ~ 1.7 monolayer). Growth of three-dimensional InAs quantum dots is grown (wetting layer formation) and avoiding material fracture by lattice mismatch under appropriate conditions (FIG. 1C). Here, "single layer thickness" means half the thickness of the lattice constant of the material, for example, one monolayer thickness of InAs is 0.30292 nm (= 0.60584 nm / 2).
도 1d 내지 도 1f는 본 발명의 ALE 방법에 따라 반도체 양자점을 성장시키는 과정을 도시하고 있다. 도 1d에 도시한 바와 같이, 물질 주입용 셔터(shutter)의 사전설정된 시퀀스(sequence)에 따라 In과 As를 GaAs 기판 상에 교대로 주입한다. 이때, In과 As는 연속적으로 주입되는 것이 아니라, 소정의 성장 정지 시간, 즉 GI(Growth Interruption) 시간 간격을 갖고 GaAs 기판 상에 주입된다. 다음에, 도 1e에 도시한 바와 같이, 사전설정된 시퀀스에 따라 In 및 As를 반복하여 주입한다. 그러면, 도 1f에 도시한 바와 같이, 사전설정된 시퀀스의 GI 시간동안 GaAs 기판 상에 주입된 In과 As가 서로 뭉쳐져서 웨팅층의 생성이 억압되면서 InAs 양자점이 성장된다. 예를 들면, InAs는 In과 As의 결합으로 이루어지는 데, In 주입 후 GI 시간 동안 In은 기판의 표면에서 자유롭게 적절한 양자점의 성장위치로 이동한다. 다음에, As가 주입되면, In은 As와 결합하여 InAs로 되고 GaAs 기판의 표면에서 양자점으로 상장되어 고정된다. As가 주입된 다음, GI 시간 동안에 GaAs 기판 및 성장된 InAs 양자점 표면에 남아있는 As가 휘발되어 기판 표면이 깨끗해 진다. 따라서, As가 과다하게 GaAs 기판 및 성장된 InAs 양자점 표면 상에 적재되어 양자점을 열화시키는 것이 방지된다. 또한, InAs 양자점의 성장 과정에서, GI 시간 중에 크기가 작은 양자점은 크기가 큰 양자점에 흡수되기 때문에 전체적으로 균일한 크기의 InAs 양자점이 성장될 수 있다.1D to 1F illustrate a process of growing a semiconductor quantum dot according to the ALE method of the present invention. As shown in Fig. 1D, In and As are alternately implanted onto the GaAs substrate according to a predetermined sequence of shutters for injecting the material. In this case, In and As are not continuously injected, but are implanted on the GaAs substrate with a predetermined growth stop time, that is, a GI (Growth Interruption) time interval. Next, as shown in Fig. 1E, In and As are repeatedly injected according to a predetermined sequence. Then, as shown in FIG. 1F, In and As quantum dots are grown while In and As injected on the GaAs substrate are agglomerated with each other during the GI time of the predetermined sequence to suppress the generation of the wetting layer. For example, InAs consists of a combination of In and As. During the GI time after In injection, In moves freely from the surface of the substrate to a suitable growth position of a quantum dot. Next, when As is injected, In is combined with As to form InAs, which is listed and fixed as a quantum dot on the surface of the GaAs substrate. After As is injected, As remaining on the GaAs substrate and the grown InAs quantum dot surface during the GI time is volatilized to clean the substrate surface. Thus, As is prevented from excessively loading on the GaAs substrate and the grown InAs quantum dot surface to degrade the quantum dots. In addition, during the growth of the InAs quantum dots, since the small quantum dots are absorbed by the large quantum dots during the GI time, the entire InAs quantum dots may be grown.
여기서, 본 발명에서 채용한 ALE 방법은 통상적인 ALE 방법과는 상이한 것이다. 상세하게, 통상적인 ALE 방법은 다수의 물질들을 순차적으로 번갈아 주입하여 박막을 형성시키는 것으로, 양자점을 형성시키기 위해 사용한 것이 아니고 박막을 한 원자층씩 성장시킬 때 이들 각각의 박막을 구성하는 물질의 물리적 특성을 향상시키기 위한 목적으로 사용되고 있다. 이와 달리, 본 발명에서 채용한 ALE 방법은 종래의 S-K 방법으로는 달성할 수 없는 저차원 구조의 양자점을 제작하기 위한 것으로, 금속 원자를 기판에 주입하고, GI 시간 동안 주입된 금속 원자의 상호 뭉침으로 양자점이 성장된 다음, 비금속 원자를 주입하여 성장된 양자점을 기판 상에 고정시키는 과정을 반복하는 것이다. 결론적으로, 본 발명의 ALE 방법은 격자부정합 물질을 사용하고, 양자점 성장을 위해 단위 금속원자 주입량, GI 시간, 비금속 원자의 주입량, 물질 주입 반복 회수 등 다양한 인자들을 조합하여 이용한다는 측면에서 통상적인 ALE 방법과는 현저한 차이점이 있다. 여기서, GI 시간은 기판 상에 주입되는 물질의 종류에 따라 상이하게 설정된다.Here, the ALE method employed in the present invention is different from the conventional ALE method. In detail, the conventional ALE method is to inject a plurality of materials in sequence to form a thin film, which is not used to form quantum dots, but physical properties of the materials constituting each thin film when the thin film is grown by atomic layer It is used for the purpose of improving. In contrast, the ALE method employed in the present invention is to fabricate a low-dimensional quantum dot that cannot be achieved by the conventional SK method, and injects metal atoms into a substrate and mutually aggregates the injected metal atoms during GI time. After the quantum dots are grown, the process of repeating the step of immobilizing the grown quantum dots on the substrate by injecting a non-metallic atom. In conclusion, the ALE method of the present invention uses a lattice mismatched material, and is a conventional ALE in terms of using a combination of various factors such as unit metal atom injection, GI time, injection amount of non-metallic atoms, and repeated injection of materials for quantum dot growth. There is a significant difference from the method. Here, GI time is set differently according to the kind of material injected on a board | substrate.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 반도체 양자점에 대한 AFM(Atomic Force Microscopy) 측정 이미지가 나타내어져 있다. 도 2a 및 도 2b의 AFM 측정 이미지는 비접촉 모드에서 PSIA사(한국)의 XE-100을 사용하여 측정한 것이다. 상세하게, 도 2a는 종래의 S-K 방법에 따라 동일한 3 단일층두께의 InAs를 GaAs 기판 상에 주입하여 성장시킨 반도체 양자점에 대한 AFM 측정 이미지이며, 도 2b는 본 발명의 ALE 방법에 따라 3 단일층두께의 InAs를 GaAs 기판 상에 주입하여 성장시킨 반도체 양자점에 대한 AFM 측정 이미지이다.2A and 2B, atomic force microscopy (AFM) measurement images of semiconductor quantum dots are shown. The AFM measured images of FIGS. 2A and 2B are measured using XE-100 of PSIA (Korea) in non-contact mode. In detail, FIG. 2A is an AFM measurement image of a semiconductor quantum dot grown by implanting InAs having the same three-layer thickness on a GaAs substrate according to the conventional SK method, and FIG. 2B is a three-layer single layer according to the ALE method of the present invention. AFM measurement image of a semiconductor quantum dot grown by implanting a thick InAs on a GaAs substrate.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 종래의 S-K 방법에 따라 성장시킨 반도체 양자점들 중에는 이의 광학적 특성의 열화(degradation)를 증가시키는 뭉친(coalescence) 양자점이 제곱 ㎛당 25개 이상이 존재하지만, 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장시킨 반도체 양자점들 중에는 뭉친 양자점이 제곱 ㎛당 1개 이하로 존재한다. 더욱이, 성장된 반도체 양자점의 구조적 균질도를 파악할 수 있는 양자점의 높이 및 넓이의 분포에 있어서, 종래의 S-K 방법에 의해 성장된 반도체 양자점이 본 발명의 ALE 방법에 의해 성장된 반도체 양자점과 비교할 때 높이는 약 6배, 넓이는 약 3배 넓게 분포한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 전술한 AFM 장비, 즉 PSIA사(한국)의 XE-100을 사용하여 측정하면, 양자점의 높이 프로파일(height profile), 높이, 파워 스펙트럼, 거리, 각도 등의 정보를 획득할 수 있다.As shown in FIGS. 2A and 2B, among the semiconductor quantum dots grown according to the conventional SK method, there are more than 25 coalescence quantum dots per square μm, which increases the degradation of its optical properties. Among the semiconductor quantum dots grown according to the ALE method of the present invention, aggregated quantum dots exist in one or less per square micrometer. Furthermore, in the distribution of the height and the width of the quantum dot which can grasp the structural homogeneity of the grown semiconductor quantum dot, the height when the semiconductor quantum dot grown by the conventional SK method is compared with the semiconductor quantum dot grown by the ALE method of the present invention It is about 6 times wider and about 3 times wider. As shown in FIG. 7, when measured using the above-described AFM equipment, that is, XE-100 manufactured by PSIA (Korea), information such as height profile, height, power spectrum, distance, angle, and the like of quantum dots is measured. Can be obtained.
표 1을 참조하면, 전술한 AFM 장비를 통해 획득한 정보가 나열되어 있으며, 이를 통해 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 반도체 양자점이 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 반도체 양자점보다 더욱 균일한 분포로 성장되었음을 알 수 있다. 반도체 양자점의 특성 향상에 긍정적인 영향을 끼치는 양자점의 밀도는 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 반도체 양자점이 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 반도체 양자점에 비해 2배 정도 크지만, 소자 열화의 주요한 원인이 되는 뭉친 양자점의 밀도 역시 20배 이상 높고 불균일성이 크기 때문에, 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 반도체 양자점의 구조적 특성이 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 반도체 양자점의 구조적 특성보다 전반적으로 우수하여 소자 응용에 더 적합함을 알 수 있다.Referring to Table 1, the information obtained through the above-described AFM equipment is listed, through which the semiconductor quantum dot grown according to the ALE method of the present invention has a more uniform distribution than the semiconductor quantum dot grown according to the conventional SK method. It can be seen that it has grown. Although the density of the quantum dots positively affects the improvement of the characteristics of the semiconductor quantum dots, the semiconductor quantum dots grown according to the conventional SK method are about twice as large as those of the semiconductor quantum dots grown according to the ALE method of the present invention. Since the density of the aggregated quantum dots is also 20 times higher and the nonuniformity is large, the structural characteristics of the semiconductor quantum dots grown according to the ALE method of the present invention are generally superior to those of the semiconductor quantum dots grown according to the conventional SK method. It can be seen that it is more suitable for the application.
도 3a 내지 도 3c는 종래의 S-K 방법과 본 발명의 ALE 방법으로 성장된 각각의 InAs/GaAs 양자점에 대해 상온 및 저온 포토루미네슨스(photoluminescence: PL) 기법을 통해 측정한 광학적 특성을 나타내는 그래프이다. 상세하게, 도 3a는 각 파장에서 종래의 S-K 방법 및 본 발명의 ALE 방법에 의해 성장된 InAs/GaAs 양자점에 대한 PL 강도를 상온, 즉 실온(300K)에서 나타낸 그래프이며, 도 3b는 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점에 대한 측정 온도에 따른 PL 피크 에너지 및 PL 피크 FWHM(full width at half maximum)을 나타내는 그래프이고, 도 3c는 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점에 대한 측정 온도에 따른 PL 피크 에너지 및 PL 피크 FWHM을 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 3b 및 도 3c는 저온(18K)에서 상온(300K)까지 PL을 측정한 후, 각각의 측정온도에서 PL 스펙트럼의 피크 파장 및 피크 FWHM을 비교한 그래프이다. 측정시 사용한 장비는 Spex사의 0.75m 스펙트로미터(spectrometer), LN2 cooled-Ge 검출기, 514.5 nm Ar 이온 레이저이다.3A to 3C are graphs showing optical characteristics measured by room temperature and low temperature photoluminescence (PL) techniques for respective InAs / GaAs quantum dots grown by the conventional SK method and the ALE method of the present invention. . In detail, Figure 3a is a graph showing the PL intensity for the InAs / GaAs quantum dots grown by the conventional SK method and the ALE method of the present invention at each wavelength at room temperature, that is, room temperature (300K), Figure 3b is a conventional SK A graph showing PL peak energy and PL peak FWHM (full width at half maximum) according to measurement temperature for InAs / GaAs quantum dots grown according to a method, and FIG. 3C is a graph showing InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention. It is a graph showing PL peak energy and PL peak FWHM according to the measured temperature. 3B and 3C are graphs comparing PL peak wavelengths and peak FWHMs of PL spectra at respective measurement temperatures after measuring PL from a low temperature (18K) to a room temperature (300K). The instrument used for the measurement was a Spex 0.75m spectrometer, an LN2 cooled-Ge detector and a 514.5 nm Ar ion laser.
도 3a에 나타낸 바와 같이. PL 강도는 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점이 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점에 비해 약 70배의 강한 강도를 나타내고 있으며, 중심 파장 및 선폭은 본 발명의 InAs/GaAs 양자점과 종래의 InAs/GaAs 양자점의 경우 각각 1260 nm 및 1164 nm이고, 29 meV 및 73 meV이다. 이것은 전술한 양자점 구조 특성의 경향과 일치하는 것으로, 부피가 크고 크기의 균일도가 높은 본 발명의 InAs/GaAs 양자점이 종래의 InAs/GaAs 양자점에 비해 장파장의 PL 스펙트럼 및 좁은 PL 선폭을 보이는 것은 당연하다. 좁은 PL 선폭은 소자 제작에 매우 유리한 것으로 반도체 양자점을 이득층(gain layer)으로 하는 레이저 다이오드의 예에서 볼 때, 좁은 파장에 이득이 몰려 있으므로 작은 전류로도 충분히 발진이 가능하며, 열로 소비되는 전류의 낭비도 줄일 수 있다.As shown in Figure 3a. The PL intensity is about 70 times stronger than the InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention compared to the InAs / GaAs quantum dots grown according to the conventional SK method, and the center wavelength and line width are the InAs of the present invention. The / GaAs quantum dots and the conventional InAs / GaAs quantum dots are 1260 nm and 1164 nm, respectively, 29 meV and 73 meV. This coincides with the above-described trend of quantum dot structure characteristics, and it is natural that the InAs / GaAs quantum dots of the present invention have a large PL spectrum and a narrow PL line width compared to the conventional InAs / GaAs quantum dots. . The narrow PL line width is very advantageous for device fabrication. In the example of a laser diode that uses a semiconductor quantum dot as a gain layer, the gain is concentrated at a narrow wavelength, so that a small current can be sufficiently oscillated and heat is consumed. Waste can be reduced.
또한, 측정 온도에 따른 PL 스펙트럼의 중심파장 및 선폭 변화는 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점의 또 다른 특징을 보여준다. 상세하게, 도 3b 및 도 3c에 나타낸 바와 같이, 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점의 PL 선폭이 55 내지 75 meV 사이에서 변화될 때, 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점의 선폭은 28 내지 30 meV 사이에서 거의 변화가 없다. 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점에서의 이러한 PL 스펙트럼 선폭 요동은 크기가 서로 다른 양자점간의 파동함수의 겹침으로 인한 전하의 이동으로 설명될 수 있는데, 파동함수의 겹침은 일반적으로 종래의 S-K 방법에 따른 InAs/GaAs 양자점 성장시 생성되는 웨팅층을 통해 이루어진다. 여기서, 사각형(□)은 PL 피크 에너지를 나타내며, 검은원(●)은 PL 피크 FWHM을 나타낸다.In addition, the change of the center wavelength and line width of the PL spectrum with the measurement temperature shows another characteristic of the InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention. Specifically, as shown in FIGS. 3B and 3C, when the PL linewidth of InAs / GaAs quantum dots grown according to the conventional SK method is changed between 55 and 75 meV, InAs / grown according to the ALE method of the present invention. The line width of GaAs quantum dots shows little change between 28 and 30 meV. Such PL spectral linewidth fluctuations in InAs / GaAs quantum dots grown according to the conventional SK method can be explained by the transfer of charges due to the overlap of wavefunctions between quantum dots of different sizes. The overlap of wavefunctions is generally Through the wetting layer generated during the growth of InAs / GaAs quantum dots according to the SK method. Here, squares (□) represent PL peak energy, and black circles (•) represent PL peak FWHM.
반면에, 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점의 경우, 양자점 성장시 기판 표면의 In이 As가 도착하기 전에 충분히 이동함으로써, 웨팅층의 성장이 방해되어, 웨팅층이 얇거나 그 조성에 갈륨의 양이 높아 파동함수의 겹침을 이룰 수 없었기 때문에, 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점에 비해 강한 전하의 구속이 가능하여, 측정 온도 변화에 따른 PL 스펙트럼 선폭의 유지가 가능하다. 이것은 도 4a 및 도 4b에 나타낸 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 측정 이미지에서 웨팅층의 존재가 확인되지 않는다는 것에 비추어 볼 때 타당한 추론이며, 강한 전하구속의 특징은 본 발명의 InAs/GaAs 양자점이 종래의 InAs/GaAs 양자점에 비해 더욱 이상적인 양자점에 가깝다는 것을 증명한다. 여기서, 도 4a는 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점의 표면 형성을 측정한 TEM 이미지이며, 도 4b는 GaAs 층속에 포함된 InAs/GaAs 양자점의 형태를 관찰하기 위한 TEM 이미지이다. 도 4b로부터 알 수 있는 바와 같이, InAs/GaAs 양자점의 상하 대칭성이 향상되어 이의 전기적/광학적 특성이 이상적인 반도체 양자점과 유사하다는 것을 알 수 있다.On the other hand, in the case of InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention, when the In surface of the substrate is sufficiently moved before As arrives during quantum dot growth, growth of the wetting layer is hindered, so that the wetting layer is thin or Due to the high gallium content in the composition, the wavefunctions could not be superimposed, thus constraining strong charges compared to the InAs / GaAs quantum dots grown by the conventional SK method, and maintaining the PL spectral linewidth according to the measured temperature change. It is possible. This is a valid inference in view of the absence of a wetting layer in the transmission electron microscopy (TEM) measurement images of InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention shown in Figs. 4A and 4B. The feature demonstrates that the InAs / GaAs quantum dots of the present invention are closer to ideal quantum dots than conventional InAs / GaAs quantum dots. 4A is a TEM image measuring the surface formation of InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention, and FIG. 4B is a TEM image for observing the shape of the InAs / GaAs quantum dots included in the GaAs layer. As can be seen from FIG. 4B, it can be seen that the vertical symmetry of the InAs / GaAs quantum dots is improved, so that their electrical and optical characteristics are similar to those of the ideal semiconductor quantum dots.
도 5는 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점의 여기 레이저 강도에 따른 상온에서의 PL 스펙트럼을 나타내고 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 양자점의 기저레벨의 PL 크기는 여기 레이저의 강도에 선형적이며, 400 mW의 레이저 출력의 여기상태에서도 그 크기가 포화되지 않음을 보이고 있다. 기저레벨과 제 1 여기레벨간의 에너지 차이는 약 74 내지 84 meV이며, 이 값의 크기가 클수록 양자점을 활성층으로 하여 동작되는 레이저 다이오드에서 기저레벨 발진이 유리하다. 여기서, 기저레벨은 PL 스펙트럼의 피크 중에서 가장 긴 파장을 지칭하는 것이며, 제 1 여기레벨은 기저레벨 다음으로 긴 파장을 지칭하는 것이다.5 shows the PL spectrum at room temperature according to the excitation laser intensity of InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention. As shown in Fig. 5, the PL size of the base level of the quantum dot is linear to the intensity of the excitation laser, and the magnitude is not saturated even in the excited state of the 400 mW laser output. The energy difference between the base level and the first excitation level is about 74 to 84 meV, and the larger the value, the more advantageous the base level oscillation in the laser diode operated using the quantum dots as the active layer. Here, the base level refers to the longest wavelength among the peaks of the PL spectrum, and the first excitation level refers to the next longest wavelength after the base level.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 ALE 방법에 따라 InAs/GaAs 물질계를 이용하여 다양한 성장 시퀀스 및 다양한 온도에서 성장된 반도체 양자점에 대한 AFM 측정 이미지들을 나타내고 있다. 상세하게, 도 6a는 480도의 온도에서 3 단일층두께의 InAs를 GaAs 기판 상에 주입할 때, ① In →GI 시간 →As →GI 시간, ② In →Gl 시간 →As, ③ InAs →GI 시간, ④ In →As, ⑤ InAs →GI 시간 →As →GI 시간인 5가지 종류의 실험 시퀀스 세트(sequence set)에서 성장된 반도체 양자점에 대한 AFM 측정 이미지이며, 도 6b는 In/GI/As/Gl 실험 세트에서 480 내지 510도의 온도로 성장된 3 단일층두께의 InAs 양자점에 대한 AFM 측정 이미지이다. 도 6a 및 도 6b로부터 알 수 있는 바와 같이, 480도의 온도에서 성장되었으며 In/GI/As/GI 시퀀스를 이용하여 480도의 온도에서 성장된 반도체 양자점이 가장 우수한 특성을 나타내고 있다. 본 실시예에서는 In 및 As가 반도체 양자점 성장에 사용되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 반도체 양자점 성장에 사용될 수 있는 모든 물질이 사용될 수 있음을 당업자라면 충분히 이해할 수 있을 것이다.6A and 6B show AFM measurement images of semiconductor quantum dots grown at various temperatures and various growth sequences using InAs / GaAs material systems according to the ALE method of the present invention. In detail, FIG. 6A shows that when InAs having a thickness of 3 monolayers is implanted on a GaAs substrate at a temperature of 480 degrees, ① In → GI time → As → GI time, ②In → Gl time → As, ③InAs → GI time, AFM measurement image of semiconductor quantum dots grown in five kinds of experiment sequence sets: ④ In → As, ⑤ InAs → GI time → As → GI time, and FIG. 6B is an In / GI / As / Gl experiment. AFM measurements of three monolayer thick InAs quantum dots grown at a temperature of 480 to 510 degrees in the set. As can be seen from FIGS. 6A and 6B, semiconductor quantum dots grown at a temperature of 480 degrees and grown at a temperature of 480 degrees using an In / GI / As / GI sequence exhibit the best characteristics. Although In and As are used in the semiconductor quantum dot growth in this embodiment, the present invention is not limited to this, and those skilled in the art will fully understand that all materials that can be used for semiconductor quantum dot growth can be used.
전술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 S-K 방법에 비해 더욱 균일하고, 광학적 특성이 우수한 반도체 양자점의 대량 생산이 가능하다. 더욱이, 광통신 통신대역에 적절한 반도체 양자점을 특별한 부가조치 없이 반도체 공정시 제작할 수 있기 때문에, 반도체 양자점의 실제적인 산업적 생산에 유효하며, 반도체 양자점을 이용하는 전자소자의 특성 향상을 기대할 수 있다. As described above, the present invention enables mass production of semiconductor quantum dots that are more uniform and superior in optical characteristics than the conventional S-K method. Furthermore, since semiconductor quantum dots suitable for the optical communication band can be produced during the semiconductor process without any additional measures, it is effective for the practical industrial production of semiconductor quantum dots, and it is expected that the improvement of the characteristics of the electronic device using the semiconductor quantum dots.
본 발명이 바람직한 실시예를 통해 설명되고 예시되었으나, 당업자라면 첨부한 청구 범위의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 여러 가지 변형 및 변경이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.While the present invention has been described and illustrated by way of preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the appended claims.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 S-K(Stranski-Krastanow) 방법에 따른 반도체 양자점 성장 과정을 설명하기 위한 도면.1A to 1C are diagrams for describing a semiconductor quantum dot growth process according to a conventional StransK-Krastanow (S-K) method.
도 1d 내지 도 1f는 본 발명의 ALE(Atomic layer Epitaxy) 방법에 따른 반도체 양자점 성장 과정을 설명하기 위한 도면.1D to 1F are diagrams for describing a semiconductor quantum dot growth process according to the atomic layer epitaxy (ALE) method of the present invention.
도 2a는 종래의 S-K 방법에 따라 성장된 반도체 양자점의 AFM(Atomic Force Microscopy) 측정 이미지.2A is an atomic force microscopy (AFM) measurement image of a semiconductor quantum dot grown according to a conventional S-K method.
도 2b는 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 반도체 양자점의 AFM 측정 이미지.2B is an AFM measurement image of a semiconductor quantum dot grown according to the ALE method of the present invention.
도 3a 내지 도 3c는 종래의 S-K 방법과 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점 각각에 대해 상온 및 저온 포토루미네슨스(photoluminescence: PL) 기법을 통해 측정한 광학적 특성을 나타내는 그래프.3A to 3C are graphs showing optical characteristics measured by room temperature and low temperature photoluminescence (PL) techniques for each of the InAs / GaAs quantum dots grown according to the conventional S-K method and the ALE method of the present invention.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점에 대한 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지.4A and 4B are Transmission Electron Microscopy (TEM) images of InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention.
도 5는 상온에서 본 발명의 ALE 방법에 따라 성장된 InAs/GaAs 양자점에 대하여 측정한, 여기 레이저 강도에 따른 PL 스펙트럼.5 is a PL spectrum according to the excitation laser intensity, measured for InAs / GaAs quantum dots grown according to the ALE method of the present invention at room temperature.
도 6a는 본 발명의 ALE 방법에 따라 다양한 성장 시퀀스(sequence)를 통해 InAs/GaAs 물질계를 사용하여 성장된 양자점에 대한 AFM 측정 이미지.6A is an AFM measurement image of a quantum dot grown using InAs / GaAs material system through various growth sequences according to the ALE method of the present invention.
도 6b는 본 발명의 ALE 방법에 따라 InAs/GaAs 물질계를 사용하여 다양한 온도에서 성장된 양자점에 대한 AFM 측정 이미지.6B is an AFM measurement image of quantum dots grown at various temperatures using an InAs / GaAs material system according to the ALE method of the present invention.
도 7은 반도체 양자점을 측정하기 위한 AFM 장비의 동작 프로그램의 일예를 나타내는 도면.7 is a diagram illustrating an example of an operation program of an AFM equipment for measuring semiconductor quantum dots.
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