KR100644970B1 - 수소화 처리를 이용한 양자점 구조를 가지는 광 소자의제조 방법 - Google Patents

수소화 처리를 이용한 양자점 구조를 가지는 광 소자의제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양자점 성장시 생성되는 결함을 수소화 처리를 통하여 줄여서, 반도체 소자의 광특성 뿐만 아니라 전기적 특성을 향상시킬 수 있는, 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광 소자 제조 방법은, a) 기판을 준비하는 단계; b) 상기 기판 상에 제 1 도전층을 형성하는 단계; c) 상기 제 1 도전층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; e) 상기 버퍼층 상에 양자점을 형성하는 단계; f) 상기 양자점을 덮는 덮개층을 형성하는 단계; g) 상기 덮개층 상에 제 2 도전층을 형성하는 단계; 및 h) 수소화 처리를 실시하는 단계를 포함한다.
양자점, InAs, InGaAs, GaAs, 수소화 처리, 결함

Description

수소화 처리를 이용한 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING PHOTOELECTRONIC DEVICE HAVING QUANTUM DOT STRUCTURE USING HYDROGEN PLASMA TREATMENT}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 형성되는 수광 소자(Light Receiving Element)의 구성을 보이는 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 양자점 장파장 수광소자 내의 결함을 감소시키기 위한 수소화 처리장치의 구성을 보여주는 개략도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수소화 처리 전후의 PL(Photo Luminescence) 세기 변화를 보이는 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수소화 처리 전후의 암전류 특성 변화를 보이는 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수소화 처리를 통해 형성된 수광소자의 광전류 특성을 보여주는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기판
2 : 제 1 도전층
3 : 제 1 배리어층
4 : 제 2 배리어층
5 : 버퍼층
6 : 양자점
7 : 덮개층
8 : 제 2 도전층
20 : 챔버
본 발명은 양자점 구조를 가지는 반도체 소자에 관한 것으로, 특히, 양자점 성장시 생성되는 결함을 수소화 처리를 통하여 줄이기 위한 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 양자점은 캐리어(carrier)의 자유도가 0차원인 양자구조로서, 발광 다이오드(light emitting diode:LED), 레이저 다이오드(laser diode:LD), 수광 소자 등의 광전소자(opto-electronic device)나 단전자 트랜지스터 등의 전자 소자로 응용되어, 낮은 문턱 전류(threshold current), 높은 광 이득(optical gain) 및 낮은 온도 의존성의 특성을 제공한다. 이와 같은 특성을 갖는 양자점 응용소자는 차세대 소자로서 각광받고 있다.
양자점은, 격자상수의 부정합을 이용한 자발적 성장방법인 S-K(Stranski-Krastanov) 성장법 및 원자층을 교대로 성장시키는 원자층 성장 기법(Atomic Layer Epitaxy, ALE) 등으로 형성된다. 상기와 같은 방법을 이용하는 경우, 양자점의 최적 성장온도는 GaAs 기판 등과 같은 일반적인 기판의 성장온도 보다 낮다. 이와 같은, 양자점의 낮은 성장온도에 따른 변형(strain)에 의해서 결함이 생성되어 양자점 자체의 물성 뿐만 아니라 광 특성이 저하된다. 따라서, 상기 결함을 제거하기 위한 후속 공정이 필요하다.
일반적으로, 양자점 내의 결함을 제거하기 위해서 열처리를 실시하게 되는데, 열처리를 통하여 결함을 제거할 경우, 양자점 소자의 광학적 특성은 향상되지만 전기적인 특성은 오히려 저하되는 문제점이 있다. 특히, 양자점 장파장 수광소자의 경우, 결함을 제거하기 위해서 열처리를 실시하게 되면, 암전류(Dark Current)를 증가시켜서 광전류 측정을 방해함으로써, 소자가 올바르게 동작하지 않는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 양자점 구조를 가지는 광 소자에서 상대적으로 낮은 최적의 양자점 성장온도로 인하여 양자점 내에 생성되는 결함을 후속 공정인 수소화 처리공정을 통하여 줄임으로써, 반도체 소자의 광특성 뿐만 아니라 전기적 특성까지 향상시킬 수 있는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 특징에 따르면, 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법은, a) 기판을 준비하는 단계; b) 상기 기판 상에 제 1 도전층을 형성하는 단계; c) 상기 제 1 도전층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; e) 상기 버퍼층 상에 양자점을 형성하 는 단계; f) 상기 양자점을 덮는 덮개층을 형성하는 단계; g) 상기 덮개층 상에 제 2 도전층을 형성하는 단계; 및 h) 수소화 처리를 실시하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라서 형성되는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 단면도이다. 본 발명의 일실시예에서는 양자점 구조를 가지는 수광 소자(Light Receiving Element)를 예를들어 설명한다.
도 1에 보이는 바와 같이, 반도체 기판(1) 상에 광전류를 측정하기 위한 전극으로서 제 1 도전층(2)을 형성한다. 제 1 도전층(2)은 n형 불순물(Impurities)이 고농도로 도핑(Doping)된 GaAs로 형성될 수 있다.
제 1 도전층(2) 상에는 불순물의 확산을 억제하기 위하여 제 1 배리어층(3)을 GaAs으로 형성할 수 있다.
이후, 전자 캐리어의 이동을 억제하여 암전류(Dark Current)를 줄이기 위해서, 제 1 배리어층(3) 상에 제 2 배리어층(4)를 형성한다. 제 2 배리어층은 p형 불순물을 도핑한 GaAs으로 형성할 수 있다.
제 2 배리어층(4) 상부에는 양자점 형성을 위한 버퍼층(5)을 GaAs으로 형성 할 수 있다.
제 1 도전층(2), 제 1 및 제 2 배리어층(3,4)은 약 580℃에서 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy) 방법 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)등을 이용하여 형성한다.
버퍼층(5)을 형성한 다음, 양자점(6)을 버퍼층(5) 상에 형성한다. 본 발명에 따른 양자점(6)은 원자층 성장 기법(Atomic Layer Epitaxy, ALE) 이용하여 InGaAs 또는 InAs을 성장시켜 형성한다. 또한, 자발형성(Self-assembling)으로 양자점을 성장시키는 S-K(Stranski-Krastanov) 성장법을 이용하여 InAs 또는 InGaAs의 양자점을 형성할 수도 있다.
이후, 양자점(6)의 상부에 덮개층(7)을 형성한다. 원하는 광전류 특성을 얻기 위해서 양자점(6) 및 덮개층(7)은 반복적으로 번갈아 형성될 수 있다.
양자점 구조를 형성한 후, 덮개층(7) 상에 광전류 측정을 위한 전극으로서 제 2 도전층(8)을 형성한다. 제 2 도전층(8)은 n형 불순물이 고농도로 도핑된 GaAs층을 제 2 도전층(8)로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라서, 버퍼층(5), 양자점(6), 덮개층(7) 및 제 2 도전층(8)은 최적의 양자점 성장을 위하여 약 480℃에서 형성한다.
제 2 배리어층(4)은 양자점(6)을 기준으로 하부층에 형성됨으로써, 양자점을 기준으로 수광소자의 상/하부층이 비대칭 구조를 갖게 하여, 특정 전압(예를 들어, 양전압(Positive Voltage))에 대해서 암전류(Dark Current)를 줄이는 역할을 한다. 그리고, 제 1 배리어층(3)은 제 1 도전층(2)과 제 2 배리어층(4) 간의 불순물 확산을 억제하는 역할을 담당한다. 따라서, 원하는 수광소자의 특성에 따라서 제 1 배리어층(3) 및 제 2 배리어층(4)의 형성은 생략될 수도 있다.
한편, 상대적으로 낮은 양자점(6)의 성장 온도 때문에, 양자점(6) 내에 결함이 발생된다. 아울러, 특정 전압에 대해서 암전류를 억제하기 위해 형성된 제 2 배리어층(4)을 p형 불순물이 도핑된 GaAs로 형성한 후, 온도를 낮추어 버퍼층(5) 및 양자점(6)을 형성할 경우, 불순물로 인하여 제 2 배리어층(4)과 버퍼층(5)의 계면에 많은 결함이 생성됨으로 효과적으로 암전류를 억제할 수 없다. 따라서, 양자점(6) 및 제 2 배리어층(4)과 버퍼층(5)의 계면 내에 생성된 결함을 감소시키기 위한 후속 공정이 실시되어야한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라서 양자점 장파장 수광소자 내의 결함을 감소시키기 위한 수소화 처리장치의 구성을 보여주는 개략도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 수소화 처리는 수소 분위기의 챔버(20)에 60 mW/cm2의 파워밀도인 고주파(Radio Frequency, RF)를 인가하여 발생한 수소 플라즈마를 이용하여 20분 동안 실시된다. 이때, 챔버(20)의 압력은 약 40 mTorr이고, 온도는 약 150℃이다. 본 발명에 따른 수소화 처리를 통하여 양자점(6) 및 제 2 배리어층(4)과 버퍼층(5)의 계면에 존재하는 전위(dislocation) 등의 결함이 수소 이온에 의해서 치유됨으로써, 결함이 감소하는 효과를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수소화 처리 전후의 PL(Photo Luminescence) 세기 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따라서 수소화 처리된 양자점 장파장 수광소자의 PL의 세기는 수소화 처리를 실시하지 않았을 때 보다 약 1.7배정도 향상된 것을 알 수 있다. 또한, PL의 피크 파장의 위치가 변하지 않은 것으로 보아, 본 발명에 따른 수소화 처리에 의해서 양자점 장파장 수광소자의 구조에는 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수소화 처리 전후의 암전류 특성변화를 보여주는 그래프이다.
도 4에서 보이는 바와 같이, 수소화 처리를 실시하지 않을 경우, 높은 암전류 특성을 보이고, 암전류 특성이 대칭적으로 나타나는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 일실시예에 따라서 수소화 처리를 실시한 경우, 암전류가 크게 줄어든 것을 알 수 있다. 또한, 수소화 처리를 실시하지 않을 경우, 제 2 배리어층(4)과 버퍼층(5)의 계면에 존재하는 결함과 양자점 내에 존재하는 결함에 의해서 특정 전압에 대한 암전류의 감소 효과를 얻지 못하고 대칭적인 암전류 특성을 보인다. 반면에, 수소화 처리를 실시한 경우, 특정 전압(예를들어, 양전압)에 대해서 암전류가 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 암전류 특성이 비대칭성을 보이는 것과 같은 전기적 특성의 향상을 기대할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수소화 처리를 실시한 수광소자의 광전류를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5에 보이는 바와 같이, 높은 암전류 때문에 측정이 불가능하였던 수광소자에 대해서 본 발명의 일실시예에 따른 수소화 처리를 실시함으로써, 수광소자의 광전류를 측정할 수 있게 되었다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 상대적으로 낮은 양자점 성장온도로 인하여 생성되는 결함을 수소화 처리를 통하여 감소 시킴으로써, 양자점 구조를 가지는 광 소자의 광특성 뿐만 아니라 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 따른 수소화 처리를 통해 특정 전압에 대해서 암전류를 줄이기 위해서 양자점을 기준으로 광 소자에 비대칭적으로 삽입한 배리어층과 버퍼층의 계면에 존재하는 결함이 감소하여, 특정 전압에 대해서 암전류가 줄어들어, 광 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상술한 실시예는 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해해야 한다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질로부터 벗어남이 없이 여러 가지 변형이 가능함을 명백히 알 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법에 있어서,
    a) 기판을 준비하는 단계;
    b) 상기 기판 상에 제 1 도전층을 형성하는 단계;
    c) 상기 제 1 도전층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    e) 상기 버퍼층 상에 양자점을 형성하는 단계;
    f) 상기 양자점을 덮는 덮개층을 형성하는 단계;
    g) 상기 덮개층 상에 제 2 도전층을 형성하는 단계; 및
    h) 수소화 처리를 실시하는 단계
    를 포함하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 GaAs 기판이고, 상기 버퍼층은 GaAs로 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 양자점은 InAs 또는 InGaAs으로 형성하는 것을 특징으로 하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 양자점은 원자층 성장 기법(Atomic Layer Epitaxy, ALE) 또는 S-K(Stranski-Krastanov) 성장법으로 약 480℃에서 형성하는 것을 특징으로 하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소화 처리는 수소 분위기의 챔버에 60 mW/cm2의 파워밀도인 고주파(Radio Frequency, RF)를 인가하여 발생한 수소 플라즈마를 이용하는 것을 특징으로하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수소화 처리시, 챔버내 압력은 40 mTorr이며, 온도는 약 150℃인 것을 특징으로하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수소화 처리는 약 20분 동안 실시되는 것을 특징으로하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 e) 및 f) 단계를 반복 실시하여 다수의 층으로 형성하는 것을 특징으로하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 도전층 및 제 2 도전층은 n형 불순물을 고농도로 도핑한 GaAs으로 형성되는 것을 특징으로하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전층 상에 제 1 배리어층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 배리어층 상에 제 2 배리어층을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로하는 양자점 구조를 가지는 광 소자의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 배리어층은 GaAs로 형성하고, 상기 제 2 배리어층은 p형 불순물이 도핑된 GaAs로 형성하는 것을 특징으로하는 양자점 구조를 가지는 반도체 소자의 제조방법.
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