KR101068018B1 - Method for fabricating of compound semiconductor layer - Google Patents
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Abstract
화합물 반도체의 형성방법을 제공한다. 상기 화합물 반도체의 형성방법은 표면의 산화막이 제거된 Ⅵ족 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 상에 수평성장된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 씨드층을 형성하는 단계, 상기 씨드층을 격자재배열이 가능한 온도로 승온시켜, 상기 씨드층의 격자를 재배열하는 단계 및 상기 씨드층 상에 상기 씨드층과 동일한 화합물로 이루어진 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다. A method of forming a compound semiconductor is provided. The method of forming the compound semiconductor may include providing a group VI substrate from which an oxide film on the surface is removed, forming a group III-V compound seed layer grown horizontally on the substrate, and performing a lattice rearrangement of the seed layer. Rearranging the lattice of the seed layer and forming a III-V compound semiconductor layer made of the same compound as the seed layer on the seed layer.
화합물 반도체, 열처리, 습식에칭법, 역위상 계면 Compound Semiconductor, Heat Treatment, Wet Etching, Reverse Phase Interface
Description
본 발명은 화합물 반도체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화합물 반도체층의 형성방법에 관한 것이다. The present invention relates to a compound semiconductor, and more particularly to a method for forming a compound semiconductor layer.
Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 다이오드 트랜지스터와 같은 전자 소자 뿐만 아니라, 레이저 다이오드, 포토 다이오드 또는 태양전지와 같은 광전 소자로의 응용이 가능하여 널리 연구되고 있는 분야 중 하나이다. Group III-V compound semiconductors are one of the fields that are widely studied because they can be applied not only to electronic devices such as diode transistors, but also to photovoltaic devices such as laser diodes, photodiodes or solar cells.
이러한 화합물 반도체를 사용하기 위해 보편적으로 Ⅵ족 기판이 사용된다. 그러나, Ⅵ족 기판과 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체를 이루는 물질은 서로의 결정구조, 격자상수 또는 열팽창 계수와 같은 근본적인 물성의 차이가 존재하기 때문에 내부에 결함이 발생되고, 표면의 균일성이 떨어지는 문제점이 있다. Group VI substrates are commonly used to use such compound semiconductors. However, the materials constituting the group VI substrate and the group III-V compound semiconductors have defects in the internal properties such as crystal structure, lattice constant or coefficient of thermal expansion, so that defects occur inside and surface uniformity is inferior. There is this.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 기판과 화합물 반도체층 사이에 격자상수 차이를 감소시킬 수 있는 버퍼층을 삽입하거나, InGaAs/GaAs와 GaAsP/GaAs와 같은 초격자층으로의 성장과 같은 방법이 제시되었다. 그러나, 이러한, 방법은 층의 두께를 확대시키고, 제조비용을 증가시키는 등의 문제점을 발생시킨다. 따라 서, 별도의 버퍼층을 삽입하지 않고 간단한 방법을 이용하여 내부 결함밀도를 감소시킬 수 있는 화합물 반도체층의 제조방법이 요구된다. Therefore, in order to solve this problem, a method such as inserting a buffer layer capable of reducing the lattice constant difference between the substrate and the compound semiconductor layer, or growing to a superlattice layer such as InGaAs / GaAs and GaAsP / GaAs has been proposed. . However, such a method causes problems such as enlarging the thickness of the layer, increasing the manufacturing cost, and the like. Accordingly, there is a need for a method of manufacturing a compound semiconductor layer that can reduce the internal defect density using a simple method without inserting a separate buffer layer.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 간단한 방법을 이용하여 양질의 화합물 반도체를 성장시킬 수 있는 화합물 반도체 제조방법을 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a compound semiconductor manufacturing method that can grow a high quality compound semiconductor using a simple method.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 화합물 반도체의 형성방법을 제공한다. 상기 화합물 반도체의 형성방법은 표면의 산화막이 제거된 Ⅵ족 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 상에 수평성장된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 씨드층을 형성하는 단계, 상기 씨드층을 격자재배열이 가능한 온도로 승온시켜, 상기 씨드층의 격자를 재배열하는 단계 및 상기 씨드층 상에 상기 씨드층과 동일한 화합물로 이루어진 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다. In order to achieve the above technical problem, an aspect of the present invention provides a method of forming a compound semiconductor. The method of forming the compound semiconductor may include providing a group VI substrate from which an oxide film on the surface is removed, forming a group III-V compound seed layer grown horizontally on the substrate, and performing a lattice rearrangement of the seed layer. Rearranging the lattice of the seed layer and forming a III-V compound semiconductor layer made of the same compound as the seed layer on the seed layer.
상기 산화막은 습식에칭하여 제거할 수 있으며, 상기 습식에칭은 HF의 에칭액을 사용하여 수행할 수 있다. 또한, 상기 산화막을 습식에칭한 이후에 형성되는 산화막은 열처리하여 제거할 수 있다. The oxide layer may be removed by wet etching, and the wet etching may be performed using an etching solution of HF. In addition, the oxide film formed after the wet etching of the oxide film may be removed by heat treatment.
상기 씨드층은 화학적결합이 수행되는 온도 미만의 온도에서 형성할 수 있으며, 상기 씨드층은 Ⅲ족 전구체의 유속은 2.325×10-5 내지 4.186×110-5μmol/min, 상기 Ⅴ족 전구체의 유속은 4.464×10-3 내지 8.036×10-3μmol/min으로 하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 씨드층은 Ⅲ족 전구체 1몰에 대해 Ⅴ족 전구체 50 내지 350몰을 사용하여 형성할 수 있다. The seed layer may be formed at a temperature less than the temperature at which the chemical bonding is performed, the seed layer is a flow rate of the Group III precursor is 2.325 × 10 -5 to 4.186 × 110 -5 μmol / min, the flow rate of the Group V precursor Can be formed to be 4.464 × 10 −3 to 8.036 × 10 −3 μmol / min. In addition, the seed layer may be formed using 50 to 350 mol of Group V precursor with respect to 1 mol of the Group III precursor.
상기 씨드층의 격자를 재배열하는 단계는 Ⅴ족 전구체 분위기에서 수행할 수 있으며, 상기 격자의 재배열이 가능한 온도는 700℃ 내지 800℃일 수 있다. Rearranging the lattice of the seed layer may be performed in a group V precursor atmosphere, and the temperature at which the lattice may be rearranged may be 700 ° C. to 800 ° C. FIG.
상술한 바와 같이, 간단한 방법을 이용하여 결함밀도가 감소되고, 표면 균일성이 향상된 양질의 화합물 반도체층을 형성할 수 있으므로, 격자상수 또는 열팽창 계수의 비를 줄이기 위한 버퍼층을 삽입하지 않을 수 있다. 따라서, 제조비용의 감소와 더불어 소자의 두께를 감소시킬 수 있는 특징이 있다. As described above, since a high quality compound semiconductor layer can be formed by using a simple method and defect density is reduced and surface uniformity can be improved, a buffer layer for reducing the ratio of lattice constant or thermal expansion coefficient can not be inserted. Therefore, there is a feature that can reduce the thickness of the device in addition to reducing the manufacturing cost.
이러한, 양질의 화합물 반도체는 다이오드 트랜지스터와 같은 전자 소자뿐만 아니라, 레이저 다이오드, 포토 다이오드 또는 태양전지와 같은 광전 소자의 적용이 가능하다. Such high quality compound semiconductors can be applied not only to electronic devices such as diode transistors, but also to optoelectronic devices such as laser diodes, photodiodes or solar cells.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체층 형성방법 을 나타내는 단면도들이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판과 씨드층 사이의 격자구조를 나타내는 모식도이다. 1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of forming a compound semiconductor layer according to an embodiment of the present invention. 2 is a schematic diagram showing a lattice structure between the substrate and the seed layer according to an embodiment of the present invention.
도 1a를 참조하면, 기판(10)이 제공된다. 상기 기판(10)은 Ⅵ족 기판일 수있다. 구체적으로, 상기 기판(10)은 Si 기판, SiC 기판 또는 Ge 기판일 수 있으며, 바람직하게는 Si 기판일 수 있고, 더 바람직하게는 상부면이 (100)면인 Si 기판일 수 있다. Referring to FIG. 1A, a
상기 상부면이 (100)면인 Si 기판은 상부면이 (111)면인 Si 기판에 비해 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체와의 격자상수 차이가 적을 수 있다. 따라서, 상부면이 (100)면인 Si 기판을 사용하여 형성된 화합물 반도체는 내부 결함밀도가 적을 수 있다. The Si substrate having the upper surface of the (100) plane may have a smaller lattice constant difference from the group III-V compound semiconductor than the Si substrate having the upper surface of the (100) plane. Therefore, the compound semiconductor formed using the Si substrate whose upper surface is the (100) surface may have a low internal defect density.
도 1b를 참조하면, 상기 기판(10)의 표면상에 존재하는 산화막을 제거한다. 상기 기판(10)의 표면 상에는 외부의 산소와의 결합에 의해 생성된 산화막이 존재할 수 있다. 이러한, 산화막 상에 직접 층을 형성하는 경우, 상기 층간 계면 에너지가 높아져 결함이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 산화막을 제거하여 상기 기판(10) 상에 형성되는 화합물 반도체층 간의 계면 에너지를 낮추고, 층 내의 결함밀도를 감소시킬 수 있다. 상기 산화막은 습식에칭에 의해 1차 제거할 수 있다. 상기 에칭액은 HF일 수 있다. 상기 습식에칭을 수행한 후에 N2를 이용한 에어 블로윙(air blowing)하여 에칭액을 제거할 수 있다.Referring to FIG. 1B, an oxide film existing on the surface of the
도 1c 및 도 2를 참조하면, 상기 기판(11) 상에 씨드층(12)을 형성한다. 상기 씨드층(12)을 형성하기 위해 상기 기판(11)을 챔버 내에 수용할 수 있다. 이 때, 상기 기판(11)을 이동하는 과정 중에 산화막이 재생성될 수 있다. 이러한 산화막은 제1 열처리에 의해 2차 제거될 수 있다. 상기 제1 열처리는 수소 또는 질소분위기에서 수행될 수 있다. 이때, 상기 기판(11)의 표면은 상기 습식에칭에 의한 하기 반응식들 1 내지 3에 의해 습식에칭 하기 전의 기판(10)보다 융점이 낮은 물질로 전환될 수 있다. 따라서, 상기 습식에칭 후의 기판(11)과 결합되는 산소는 보다 낮은 열처리에 쉽게 제거될 수 있다. 1C and 2, the
<반응식 1><
X + 2HF → XF2 + 2H+ + 2e- X + 2HF → XF 2 + 2H + + 2e -
<반응식 2><Scheme 2>
2XF2 → X + XF4 2XF 2 → X + XF 4
<반응식 3><Scheme 3>
XF4 + 2HF → H2XF6 XF 4 + 2HF → H 2 XF 6
상기 반응식들 1 내지 3에서 상기 X는 기판 표면의 물질을 나타낸다. In Schemes 1-3, X represents the material of the substrate surface.
상기 씨드층(12)은 수평성장된 Ⅲ-Ⅴ족 반도체층일 수 있다. 상기 기판(11)과 씨드층(12) 사이에는 서로의 격자상수 차이에 의해 상기 씨드층(12) 내부에 역위상 경계(APB; Antiphase boundary)와 같은 전위가 존재할 수 있다. 이러한 전위는 물질의 성장방향 중 우세한 방향쪽으로 전파되기 때문에, 상기 씨드층(12)이 수직성장이 우세한 경우, 상기 전위는 에피층으로 전파될 수 있다. 따라서, 상기 씨드층(12)을 수평방향이 우세하도록 성장시키는 경우, 상기 씨드층(12) 내의 전위들 이 에피층에 전파되는 것을 방지할 수 있다. The
상기 씨드층(12)은 성장온도, 전구체들의 비율 또는 전구체들의 유속을 변화시킴으로써 상기 씨드층(12)의 수평성장이 우세하도록 할 수 있다. The
구체적으로, 상기 씨드층(12)을 저온에서 형성할 수 있다. 즉, 상기 씨드층(12)은 전구체들 간의 화학적결합이 수행되는 온도 미만의 온도에서 형성할 수 있다. 일반적으로 소정의 온도 이상이 되면, 상기 씨드층(12)을 이루는 물질들은 이동도의 향상으로 화학적결합을 이루는 시간이 충분하게 주어지기 때문에 기판(11)에 수직한 성장이 우세해질 수 있다. Specifically, the
그러나, 씨드층(12)을 소정의 온도 미만에서 형성하는 경우, 상기 씨드층(12)을 이루는 물질들의 이동도가 감소되어, 화학적결합에 의한 수직성장이 급격하게 감소되므로, 상대적으로 기판(11)에 수평한 성장이 우세해진다. 상기 씨드층(12)은 300℃ 내지 450℃의 온도에서 형성할 수 있다. 상기 씨드층(12)의 성장온도를 300℃ 미만으로 설정하는 경우, 씨드층(12)의 형성이 어려울 수 있으며, 450℃ 이상으로 설정하는 경우, 씨드층(12)이 수직성장될 수 있다. However, when the
또한, 상기 씨드층(12)은 Ⅲ족 전구체 1몰에 대해 Ⅴ족 전구체 50 내지 350몰을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 Ⅲ족 전구체는 상기 Ⅴ족 전구체에 비해 이동도가 빠르다. 따라서, 상기 전구체들을 이용하여 씨드층(12)을 형성하기 위해 상기 Ⅲ족 전구체에 비해 상기 Ⅴ족 전구체를 상대적으로 많이 주입할 수 있다.In addition, the
여기서, 상기 Ⅲ족 전구체 1몰에 대해 상기 Ⅴ족 전구체은 50몰에 가까울수록 수평성장이 우세한 씨드층(12)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 Ⅲ족 전구 체는 일정한 몰비를 유지하여 기판(11) 상으로 활발하게 이동된다. 그러나, Ⅲ/Ⅴ족 씨드층(12)을 형성하기 위한 Ⅴ족 전구체의 몰비가 감소되는 경우, Ⅲ/Ⅴ족 씨드층의 충분한 두께를 형성하기 어려울 수 있으므로, 상대적으로 수직성장에 비해 수평성장이 우세해질 수 있다. Here, as the group V precursor is closer to 50 moles with respect to 1 mole of the group III precursor, the
또한, 상기 씨드층(12)은 Ⅲ/Ⅴ족 전구체의 비율이 동일하고, 전구체들의 양이 동일할 때, 상기 Ⅲ족 전구체의 유속을 2.325×10-5 내지 4.186×10-5μmol/min로 하고, 상기 Ⅴ족 전구체의 유속을 4.464×10-3 내지 8.036×10-3μmol/min로 할 수 있다. 이때, 상기 Ⅲ족 전구체의 유속은 4.186×110-5μmol/min에 가깝도록 설정하고, 상기 Ⅴ족 전구체의 유속은 8.036×10-3μmol/min에 가깝도록 설정할 수 있다. In addition, when the
상기 전구체들의 유속이 증가되는 경우, 분당 챔버 내에 유입되는 전구체들의 양이 증가되므로, 성장률은 빨라질 수 있다. 상기 성장률이 빠른 경우, 상기 전구체들이 화학적 결합력을 이루기 위한 시간이 충분하지 않아, 상대적으로 수직성장에 비해 수평성장이 우세해질 수 있다. When the flow rate of the precursors is increased, the growth rate may be faster because the amount of precursors introduced into the chamber per minute is increased. When the growth rate is fast, there is not enough time for the precursors to achieve chemical bonding, so that horizontal growth may be superior to vertical growth.
상기 씨드층(12)은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층일 수 있다. 일 예로서, 상기 씨드층(12)은 GaAs층, InP층, GaP층, GaAlAs층 또는 InGaP층일 수 있다. 상기 씨드층(12)은 MOCVD 기술을 사용하여 형성할 수 있다. The
상기 씨드층(12)을 형성한 후에 상기 씨드층(12)의 표면 온도를 격자재배열 이 가능한 온도로 승온시켜, 상기 씨드층(12)의 격자들을 재배열할 수 있다. 상기 씨드층(12)을 격자재배열이 가능한 온도에 노출시키는 경우, 상기 씨드층(12) 내의 격자들은 피라미드 구조로 재배열 되어, 역위상 계면 소멸기구를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 씨드층(12) 내의 결함밀도가 감소될 수 있다. After the
상기 격자배열이 가능한 온도는 700℃ 내지 800℃일 수 있다. 상기 씨드층(12)의 표면 온도를 승온시키는 경우, 상기 V족 전구체는 휘발되는 경우가 발생될 수 있으므로, 상기 승온은 Ⅴ족 전구체 분위기에서 수행할 수 있다. The temperature at which the lattice arrangement is possible may be 700 ° C. to 800 ° C. When the temperature of the surface of the
도 1d를 참조하면, 상기 씨드층(12)을 제2 열처리(13) 및 성장하여 상기 씨드층(12)과 동일한 화합물로 이루어진 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층(14)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 화합물 반도체층(14)은 상기 씨드층(12)의 격자 재배열이 완료된 온도로 유지할 수 있다. 즉, 상기 제2 열처리는 700℃ 내지 800℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. Referring to FIG. 1D, the
Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층(14)은 GaAs층, InP층, GaP층, GaAlAs층 또는 InGaP층일 수 있다. 상기 화합물 반도체층(14)은 MOCVD 기술을 사용하여 형성할 수 있다. The III-V
상기 화합물 반도체층(14)은 내부결함이 감소된 상기 씨드층(12)을 사용하여성장시키므로, 상기 화합물 반도체층(14) 역시 내부결함이 적을 수 있다. 또한, 상기 화합물 반도체층(14)은 상기 씨드층(12)과 동일한 구조를 가지므로, 격자의 불일치에 의한 추가적인 결함이 발생되지 않는다. 따라서, 내부결함이 적은 양질의 화합물 반도체를 확보할 수 있다. Since the
따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체층은 결함밀도가 감소되고, 표면 균일성이 향상될 수 있으므로, 격자상수 또는 열팽창 계수의 비를 줄이기 위한 버퍼층을 삽입하지 않을 수 있다. 따라서, 제조비용의 감소와 더불어 소자의 두께를 감소시킬 수 있는 특징이 있다. Therefore, as described above, the compound semiconductor layer according to the embodiment of the present invention can reduce the defect density and improve the surface uniformity, so that a buffer layer for reducing the ratio of lattice constant or thermal expansion coefficient can not be inserted. have. Therefore, there is a feature that can reduce the thickness of the device in addition to reducing the manufacturing cost.
이러한, 양질의 화합물 반도체는 다이오드 트랜지스터와 같은 전자 소자뿐만 아니라, 레이저 다이오드, 포토 다이오드 또는 태양전지와 같은 광전 소자의 적용이 가능하다. Such high quality compound semiconductors can be applied not only to electronic devices such as diode transistors, but also to optoelectronic devices such as laser diodes, photodiodes or solar cells.
실험예 1: 에칭액 종류 변화에 따른 화합물 반도체층 특성평가Experimental Example 1: Evaluation of Compound Semiconductor Layer Characteristics According to Etching Solution Type
도 3은 실험예 1에 따른 화합물 반도체층 형성을 위한 각 층별 열처리 온도를 도시한 그래프이다. 3 is a graph showing the heat treatment temperature for each layer to form a compound semiconductor layer according to Experimental Example 1. FIG.
도 3을 참조하면, 상부면이 (100)인 Si 기판을 세 개 준비하고, 각각 HCl, NaOH 및 HF 에칭액을 이용하여, 각각 1분 동안 습식에칭하여 상기 기판 상의 산화막들을 1차 제거하였다. 상기 산화막을 1차 제거한 후에 N2 블로윙을 이용하여 에칭액을 제거하였다. 이어, 상기 기판을 챔버내에 수용하고, 750℃의 온도에서 20분간 제1 열처리를 수행하여 산화막을 2차 제거하였다. 이때, 상기 제1 열처리는 질소분위기에서 수행하였다. Referring to FIG. 3, three Si substrates having an upper surface of (100) were prepared, and wet etching was performed for 1 minute using HCl, NaOH, and HF etching solutions, respectively, to remove oxide films on the substrate. After the oxide film was first removed, the etchant was removed using N 2 blowing. Subsequently, the substrate was accommodated in a chamber, and the oxide film was secondarily removed by performing a first heat treatment at a temperature of 750 ° C. for 20 minutes. At this time, the first heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere.
상기 산화막을 제거한 각각의 기판들을 400℃까지 온도를 감소시킨 후에 TMGa와 AsH3 소오스를 사용하여 10분간 GaAs 씨드층을 형성하였다. 이때, 상기 GaAs 씨드층은 TMGa 1몰에 대해 AsH3를 192몰로 설정하고, 이를 30분간 전구체들을 주입하여 형성하였다. 상기 GaAs 씨드층은 MOCVD 기술을 사용하여 형성하였다. 그런 후, 다시 700℃의 고온으로 온도를 상승시켜, 씨드층의 격자를 재배열 시킨 후에 MOCVD법을 사용하여 GaAs 반도체층을 성장시켰다. Each substrate from which the oxide film was removed was reduced to 400 ° C., and then a GaAs seed layer was formed for 10 minutes using TMGa and AsH 3 sources. In this case, the GaAs seed layer was formed by setting AsH 3 to 192 moles per 1 mole of TMGa and injecting precursors for 30 minutes. The GaAs seed layer was formed using MOCVD techniques. Thereafter, the temperature was raised to a high temperature of 700 ° C. again to rearrange the lattice of the seed layer, and then the GaAs semiconductor layer was grown by MOCVD.
도 4 내지 도 6은 산화막 제거효율에 따른 화합물 반도체층 형상 변화상태를 나타내는 각각의 SEM 이미지, XRD 그래프 및 PL 그래프이다. 상기 도 4 내지 도 6에서 (a), (b) 및 (C)는 산화막 제거를 위한 습식에칭액으로서 각각 HCl, NaOH 및 HF를 사용한 경우에 대해 나타낸다.4 to 6 are SEM images, XRD graphs, and PL graphs respectively showing the state of the shape change of the compound semiconductor layer according to the oxide removal efficiency. 4 to 6, (a), (b) and (C) show a case where HCl, NaOH and HF were used as wet etching solutions for removing an oxide film, respectively.
도 4를 참조하면, 각 HCl(a), NaOH(b) 및 HF(c)의 에칭액을 사용하여 습식에칭을 수행한 후의 기판에 성장시킨 화합물 반도체층들 중 HF(c)의 에칭액을 사용하여 산화막을 제거한 후의 기판 상에 형성된 화합물 반도체층의 표면이 가장 균일하였다. 이를 통해, 상기 산화막 제거 효율이 상기 화합물 반도체층에 영향을 준다는 사실을 알 수 있으며, 상기 산화막 제거 에칭액 중에서도 HF가 산화막 제거에 효과적인 것을 예측할 수 있다. Referring to FIG. 4, the etching solution of HF (c) of the compound semiconductor layers grown on the substrate after wet etching using the etching solution of each of HCl (a), NaOH (b), and HF (c) is used. The surface of the compound semiconductor layer formed on the substrate after removing the oxide film was the most uniform. Through this, it can be seen that the oxide film removal efficiency affects the compound semiconductor layer, and it can be predicted that HF is effective for removing the oxide film among the oxide film removal etching solutions.
도 5를 참조하면, HCl(a)와 NaOH(b)의 에칭액을 사용하여 산화막을 제거한 기판 상에 형성된 화합물 반도체층들은 화합물 반도체로의 결정구조가 완전하게 형성되지 않았으며, HF(c)의 에칭액을 사용하여 산화막을 제거한 기판 상에 형성된 화합물 반도체층은 GaAs의 완전한 결정구조를 이룸을 알 수 있다. 이에 따라, 상 기 산화막의 존재유무는 화합물 반도체층의 결정구조에 영향을 준다는 사실을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5, the compound semiconductor layers formed on the substrate from which the oxide film was removed using the etching solution of HCl (a) and NaOH (b) did not completely form a crystal structure of the compound semiconductor. It can be seen that the compound semiconductor layer formed on the substrate from which the oxide film was removed using the etching solution formed a complete crystal structure of GaAs. Accordingly, it can be confirmed that the presence or absence of the oxide film affects the crystal structure of the compound semiconductor layer.
도 6을 참조하면, HCl(a)과 HF(C)의 에칭액을 사용하여 산화막을 제거한 후의 기판들 상에 형성된 화합물 반도체들은 800℃ 내지 900℃의 적외선 파장 영역을 방출시키는 것으로 보아, 적외선 레이저 다이오드와 같은 소자에 적용될 수 있음을 예측할 수 있다. Referring to FIG. 6, the compound semiconductors formed on the substrates after removing the oxide film using the etching solution of HCl (a) and HF (C) emit infrared light in the infrared wavelength range of 800 ° C. to 900 ° C. It can be expected to be applied to devices such as.
상술한 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체는 기판 상의 산화막 제거만으로도 결함의 감소와 표면 균일성 향상을 도모할 수 있는 것으로 판단할 수 있다. As described above with reference to FIGS. 4 to 6, it may be determined that the compound semiconductor according to the exemplary embodiment of the present invention can reduce defects and improve surface uniformity only by removing the oxide film on the substrate.
실험예 2: 제1 열처리 변화에 따른 화합물 반도체층 특성평가Experimental Example 2: Evaluation of Compound Semiconductor Layer Characteristics According to the First Heat Treatment Variation
실험예 1과 동일하게 수행하되, HF를 사용하여 산화막을 1차 제거하였으며, 상기 제1 열처리 온도를 780℃로 수행하여 산화막을 2차 제거하였다. In the same manner as in
도 7 내지 도 9는 실험예 2에 따른 화합물 반도체의 형상을 나타내는 각각의 SEM 이미지, XRD 그래프 및 PL 그래프이다. 7 to 9 are SEM images, XRD graphs, and PL graphs showing the shapes of the compound semiconductors according to Experimental Example 2;
도 7을 참조하면, 실험예 2에 따라 780℃에서 제1 열처리를 수행하여 산화막을 2차 제거한 기판 상에 형성한 화합물 반도체층은 실험예 1에 따라 750℃에서 제1 열처리를 수행하여 산화막을 2차 제거한 기판(도 4의 C) 상에 형성한 화합물 반도체층에 비해 표면 균일도가 향상된 것을 알 수 있다. 이를 통해, 상기 산화막의 2차 제거는 에칭액의 종류 외에도 열처리의 온도에 영향을 받는 것을 알 수 있으 며, 상기 온도가 높을수록 산화막 제거가 용이한 것으로 판단된다. Referring to FIG. 7, the compound semiconductor layer formed on the substrate from which the oxide film was secondly removed by performing a first heat treatment at 780 ° C. according to Experimental Example 2 was subjected to a first heat treatment at 750 ° C. according to Experimental Example 1 to form an oxide film. It can be seen that the surface uniformity is improved compared to the compound semiconductor layer formed on the substrate (C of FIG. 4) removed second. Through this, it can be seen that the secondary removal of the oxide film is affected by the temperature of the heat treatment in addition to the type of etching solution, and it is determined that the oxide film is easily removed as the temperature is higher.
도 8 및 도 9를 참조하면, XRD 분석결과, 완전한 화합물 반도체층이 형성되었음을 확인할 수 있으며(도 8), PL 분석결과, 적외선 파장 영역에서 광방출이 발생되는 것을 알 수 있다(도 9). 따라서, 이러한 화합물 반도체는 적외선 파장을 이용하는 소자에 적용될 수 있다. Referring to FIGS. 8 and 9, as a result of XRD analysis, it may be confirmed that a complete compound semiconductor layer is formed (FIG. 8), and as a result of PL analysis, light emission may be generated in an infrared wavelength region (FIG. 9). Therefore, such compound semiconductors can be applied to devices using infrared wavelengths.
실험예 3: 씨드층 형성 조건에 따른 화합물반도체 특성평가Experimental Example 3: Evaluation of Compound Semiconductor Characteristics According to Seed Layer Formation Conditions
표 1은 씨드층 형성을 위한 전구체들의 몰비변화 조건을 나타내고, 도 10은 제조예들 1 내지 3에 따른 화합물 반도체의 표면특성을 나타내는 SEM 이미지들을 나타낸다. Table 1 shows the molar ratio change condition of the precursors for forming the seed layer, Figure 10 shows SEM images showing the surface characteristics of the compound semiconductor according to Preparation Examples 1 to 3.
도 10 및 표 1을 참조하면, TMGa 1몰에 대해 AsH3의 몰을 제조예 3에서 제조예 1로 감소시켜 씨드층을 형성한 경우, 상기 씨드층 상에 형성된 화합물 반도체층은 표면의 균일성이 향상되고 내부 결함이 적은 것을 확인할 수 있다. 이는 Ⅲ족 전구체에 대한 V족 전구체가 상대적으로 감소됨에 따라 충분한 두께 형성이 어려워지므로, 수직성장에 비해 수평성장이 우세해졌기 때문인 것으로 사료된다. 10 and Table 1, when the seed layer is formed by reducing the mole of AsH 3 from Preparation Example 3 to Preparation Example 1 with respect to 1 mol of TMGa, the compound semiconductor layer formed on the seed layer has a uniform surface It can be seen that this is improved and there are fewer internal defects. This is because it is difficult to form a sufficient thickness as the Group V precursor relative to the Group III precursor is relatively reduced, and it is considered that the horizontal growth is superior to the vertical growth.
표 2는 전구체들의 유속의 변화 조건을 나타내고, 도 11은 제조예들 4 내지 6에 따른 화합물반도체의 표면특성을 나타내는 SEM 이미지들을 나타낸다. 이때, 상기 전구체들의 유속은 변화시키되, 주입하는 양은 동일하게 주입하였다. Table 2 shows the change conditions of the flow rate of the precursors, Figure 11 shows the SEM images showing the surface characteristics of the compound semiconductor according to Preparation Examples 4-6. At this time, the flow rate of the precursors were changed, but the amount injected was the same.
도 11 및 표 2를 참조하면, TMGa 및 AsH3 전구체의 유속을 제조예 4에서 제조예 6으로 증가시켜 형성한 씨드층을 사용하여 성장시킨 화합물 반도체층은 표면이 균일하고 내부 결함이 적은 것을 알 수 있다. 이는 동일 시간에 대한 챔버 내에 유입되는 전구체들의 양이 증가됨에 따라 다량의 전구체들이 화학적 결합을 하기에 충분한 시간이 주어지지 않으므로, 상대적으로 수직성장에 비해 수평성장이 우세해졌기 때문인 것으로 판단된다. 11 and Table 2, it was found that the compound semiconductor layer grown using the seed layer formed by increasing the flow rates of the TMGa and AsH 3 precursors from Preparation Example 4 to Preparation Example 6 has a uniform surface and few internal defects. Can be. This is because the increase in the amount of precursors introduced into the chamber for the same time does not give enough time for the chemical bonding of a large amount of precursors, so that the horizontal growth is superior to the vertical growth.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체는 에칭액을 이용한 기판 상의 산화막 제거, 및 전구체들의 비율 및 전구체들의 유속을 제어하여 내부결함밀도를 감소시킨 씨드층을 이용함으로써 내부결함밀도가 감소된 양질의 화합물반도체층을 확보할 수 있다. As described above, the compound semiconductor according to the embodiment of the present invention has an internal defect density by using an oxide layer on the substrate using an etching solution, and a seed layer having reduced internal defect density by controlling a ratio of precursors and a flow rate of precursors. A reduced quality compound semiconductor layer can be obtained.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. This is possible.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 화합물 반도체층 형성방법을 나타내는 단면도들이다. 1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of forming a compound semiconductor layer according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판과 씨드층 사이의 격자구조를 나타내는 모식도이다. 2 is a schematic diagram showing a lattice structure between the substrate and the seed layer according to an embodiment of the present invention.
도 3은 실험예 1에 따른 화합물 반도체층 형성을 위한 각 층별 열처리 온도를 도시한 그래프이다. 3 is a graph showing the heat treatment temperature for each layer to form a compound semiconductor layer according to Experimental Example 1. FIG.
도 4는 산화막 제거효율에 따른 화합물 반도체층 형상 변화상태를 나타내는 SEM 이미지이다. FIG. 4 is an SEM image showing a shape change state of a compound semiconductor layer according to oxide removal efficiency.
도 5는 산화막 제거효율에 따른 화합물 반도체층 형상 변화상태를 나타내는 XRD 그래프이다. FIG. 5 is an XRD graph showing a shape change state of a compound semiconductor layer according to oxide removal efficiency. FIG.
도 6은 산화막 제거효율에 따른 화합물 반도체층 형상 변화상태를 나타내는 PL 그래프이다. 6 is a PL graph showing a state of changing the shape of a compound semiconductor layer according to oxide removal efficiency.
도 7은 실험예 2에 따른 화합물 반도체의 형상을 나타내는 SEM 이미지이다. 7 is an SEM image showing the shape of the compound semiconductor according to Experimental Example 2. FIG.
도 8은 실험예 2에 따른 화합물 반도체의 형상을 나타내는 XRD 그래프이다. 8 is an XRD graph showing a shape of a compound semiconductor according to Experimental Example 2. FIG.
도 9는 실험예 2에 따른 화합물 반도체의 형상을 나타내는 PL 그래프 이다. 9 is a PL graph showing the shape of the compound semiconductor according to Experimental Example 2. FIG.
도 10은 제조예들 1 내지 3에 따른 화합물 반도체의 표면특성을 나타내는 SEM 이미지들이다. 10 are SEM images showing surface characteristics of compound semiconductors according to Preparation Examples 1 to 3;
도 11은 제조예들 4 내지 6에 따른 화합물반도체의 표면특성을 나타내는 SEM 이미지들이다. 11 are SEM images showing surface characteristics of compound semiconductors according to Preparation Examples 4 to 6. FIG.
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