KR19980045996A - 다층 화합물 반도체의 양자 세선 구조 및 그 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다층 화합물 반도체의 양자 세선 구조 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명의 양자 세선 형성 방법은 GaAs 기판 상에 GaAs 버퍼층을 형성하는 단계 ; GaAs 버프층 상에 양자 우물 구조를 형성하도록 AlXGa1-XAs 층과 GaAs 층을 번갈아 성장시키는 단계 ; GaAs 층 상에 포토레지스트를 도포 및 베이킹하는 단계; 사진 식각 공정으로 포토레지스트의 소정 부분에 홈을 형성하는 단계; 및 양자 세선 구조를 형성하도록 양자 우물 구조에 응력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다층 화합물 반도체의 양자 세선 구조 및 그 형성 방법
본 발명은 다층 화합물 반도체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자 우물 구조에 응력을 가하여 전위를 발생시킴으로써, 전위의 이동으로 인한 결정의 이동에 의해 양자 세선 구조로 소성변형시킬 수 있는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 구조 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
다층 화합물 반도체는 인접층이 서로 다른 에너지 간극(Energy gap)을 갖는 연속적인 단결정체로 형성될 수 있는데, 예를 들어 밴드갭 에너지가 낮은 GaAs 층을 밴드갭 에너지가 큰 AlGaAs 층의 사이에 형성시킬 수 있으며, 이로 인하여, GaAs층은 그 내부의 전도대역과 가전자대역의 공간적 변화가 야기된다.
상기와 같은 현상을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도시된 바와 같이, GaAs층(1)이 AlGaAs층(2) 사이에 형성되는 경우에, GaAs층(1)의 두께가 매우 얇으면, GaAs층(1)의 가전자대역(3) 및 전도대역(4)에 양자준위가 형성된다. 자세하게는, GaAs층(1)의 캐리어 제한 영역이 수백Å으로 감소됨에 따라, GaAs 전도대역(4) 준위에 있는 전자들은 정상적인 전도대역(4) 준위에 있지 않고, A와 같은 전위 우물에서의 양자 준위에 존재하게 된다. 이 결과, 상기와 같은 양자 우물(quantum well) 구조를 갖는 레이저 다이오드는 레이저 작용이 시작되는 문턱전류(threshold current)가 낮아지게 된다.
한편, 최근에는 양자 우물 구조를 갖는 화합물 반도체의 효율을 더욱 높이기 위해 1차원적인 양자 세선(quantum wire), 혹은 0차원적인 양자점(dot) 구조들을 이용하는 방법에 대한 연구들이 많이 진행되고 있다.
연구의 한 결과로, 종래 양자 세선 형성 방법을 도 2A 내지 도 2D에 도시하였다.
도 2A에 도시된 바와 같이, GaAs 기판(11) 상에 AlGaAs층(12)을 형성하고, 그 상부에 GaAs층(13) 을 형성한 후, 도 2B에 도시된 바와 같이, GaAs층(13)상에 포토레지스트(14)를 도포한 후, 포토레지스트(14)가 마스크로서의 역할을 잘 수행할 수 있도록 베이킹 후, 선택적으로 포토레지스트를 스트립한다.
다음으로, 도 2C에 도시된 바와 같이, GaAs층(13) 및 AlGaAs층(12)을 메사 식각(mesa etching)한 후, 도 2D에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(14)를 제거하고, 그런 다음, 전체 표면 상에 선택적 에피텍셜(Epitaxially) 방법으로, AlGaAs층(15)을 성장시켜 양자 세선을 형성한다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술은 선택적 에피텍셜의 조건이 매우 까다롭기 때문에 메사 식각된 표면 상에 에피텍셜 성장층을 형성하기가 매우 어려운 결점이 있다. 또한, 양자 세선 구조에서 액티브 층의 부피는 메사(mesa)의 밀도에 의해 제한되기 때문에, 기판 위에 메사를 한 층밖에 만들수 없는 양자 세선의 구조는 양자 우물 구조에 비해 부피가 월등히 작아 문턱전압 전류는 낮은데 반하여, 실제 응용되기에는 레이저의 강도가 매우 낮은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 양자 우물 구조에 응력을 가하여 전위(dislocation)의 이동에 따른 결정의 이동으로 부피의 변화없이 양자 우물 구조를 양자 세선 구조로 소성변형시킬 수 있는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 구조 및 그 형성 방법을 제공하는데 있다.
도 1 은 화합물 반도체에서 밴드갭 에너지가 서로 다른 GaAs층이 AlGaAs 층으로 둘러싸일 때 발생되는 양자 우물 구조의 밴드갭 에너지 준위를 나타낸 도면.
도 2A 내지 도 2D는 종래 기술에 따른 양자 세선 형성 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3A 내지 도 3D는 본 발명에 따른 양자 세선의 형성 방법을 설명하기 위한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
21 : GaAs 기판22 : GaAs 버퍼층
23 : AlGaAs24 : GaAs 층
25 : 포토레지스트26 : 홈
27 : 전위28 : 이동면
29 : 양자 세선
상기와 같은 목적은, GaAs 기판 상에 형성된 GaAs 버퍼층과, GaAs 버퍼층 상에 교번되게 적층된 AlXGa1-XAs층 및 GaAs 층을 포함하고, 상기 AlXGa1-XAs 층 및 GaAs 층이 슬라이딩 면을 따라 슬라이딩되어 동일 평면에 상기 AlXGa1-XAs 층 및 GaAs 층이 교번되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 양자 세선 구조에 의해서 달성된다.
또한, 상기와 같은 목적은, GaAs 기판 상에 GaAs 버퍼층을 형성하는 단계 ; GaAs 버퍼층 상에 양자 우물 구조를 형성하도록 AlXGa1-XAs 층과 GaAs 층을 번갈아 성장시키는 단계 ; GaAs 층 상에 포토레지스트를 도포 및 베이킹하는 단계; 사진 식각 공정으로 포토레지스트의 소정 부분에 홈을 형성하는 단계; 및 양자 세선 구조를 형성하도록 양자 우물 구조에 응력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 양자 세선 형성 방법에 의하여 달성된다.
본 발명에 따르면, 양자 우물 구조에 가해진 응력은 홈 주위에 집중하게 되고, 이 결과, 전위가 발생되게 된다. 이러한 전위들이 이동면을 따라 이동하면서 이동면을 기준으로 결정의 이동을 유발하게 됨으로써, 양자 우물 구조의 부피 변화 없이 양자 세선 구조로 소성변화시킨다.
[실시예]
이하, 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 3A를 참조하면, GaAs 기판(21)상에 통상적인 양자 우물 구조를 형성하도록 GaAs 버퍼층(22)을 형성한 후, GaAs 버퍼층(22) 상에 AlXGa1-XAs(x=0.1~0.9)층(23)과 GaAs층(24)을 원하는 층수만큼 번갈아 성장시킨다. 이때, AlXGa1-XAs층(23)과 GaAs층(24)은 3차례 걸쳐 번갈아 성장시킨다.
통상, 상기 층들은 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법이나, MOCVD(Metal Organic CVD)법으로 형성된다. 전자는 진공실에 GaAs 기판(21)을 위치시키고, Al, Ga 및 As 등의 성분을 격리된 원통형의 셀(Cell)에서 가열한 후, 각 성분들의 분자선 또는, 원자선이 진공속에서 방출되고, 방출된 분자선 또는 원자선이 GaAs 기판(21)에 충돌되어 GaAs 기판(21)상에 AlGaAs층(23)이나 GaAs층(24)을 성장시키고, 후자는 Ga, Al을 함유하는 화합물과 As를 반응시켜 GaAs층(24)이나 AlGaAs층(23)을 성장시킨다.
도 3B를 참조하면, 원하는 층수만큼의 AlXGa1-XAs층(23) 및 GaAs층(24)이 형성된 양자 우물 구조의 최종 GaAs층(24) 상에 포토레지스트(25)을 도포한 후, 포토레지스트(25)가 마스크로서의 역할을 충분히 수행할 수 있도록 베이킹 공정을 실시한다.
도 3C를 참조하면, 사진식각 공정으로 포토레지스트(25)의 소정 부분을 제거하여 홈(26)을 형성한다.
도 3D를 참조하면, 양자 우물 구조에 A와 B 방향으로 인장응력(Tensile stress)을 가하여 양자 세선 구조(29)를 형성한다. 자세하게는, 양자 우물 구조에 인장응력을 가하면, 홈(26) 주위에 응력이 집중되고, 이로 인하여, 결정질 고체에서 선을 중심으로 하여 그 주위에 격자의 뒤틀림 현상이 발생되는 선결함, 즉, 전위(dislocation : 27)가 발생된다. 이러한 전위(27)들은 이동면(glide plane : 18)을 따라 이동하면서, 이동면(28)을 기준으로 결정의 이동을 발생시킨다. 그 결과, 상대적 결정 이동으로 인하여 양자 우물 구조가 양자 세선(29) 구조로 바뀐다.
이상에서와 같이, 본 발명의 양자 세선 구조 및 그 형성 방법은 양자 우물 구조를 만든 후, 양자 우물 구조에 응력을 가하여 전위를 발생시키고, 이러한 전위들의 이동으로 인한 결정의 이동으로 양자 세선 구조를 형성시킴으로써, 양자 세선의 부피를 조절할 수 있다.
한편, 여기에서는 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만, 당업자에 의하여 이에 대한 수정과 변형을 할 수 있다. 따라서, 이하, 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위에 속하는 한 모든 수정과 변형을 포함하는 것으로 이해할 수 있다.

Claims (8)

  1. GaAs 기판 상에 형성된 GaAs 버퍼층과, GaAs 버퍼층 상에 교번되게 적층된 AlXGa1-XAs층 및 GaAs 층을 포함하고, 상기 AlXGa1-XAs 층 및 GaAs 층이 슬라이딩 면을 따라 슬라이딩되어 동일 평면에 상기 AlXGa1-XAs 층 및 GaAs 층이 교번되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 AlXGa1-XAs 층과 GaAs 층은 3회 이상이 교번된 것을 특징으로 하는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양자세선 구조는 레이저 다이오드에 적용되는 것을 특징으로 하는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 구조.
  4. GaAs 기판 상에 GaAs 버퍼층을 형성하는 단계 ;
    GaAs 버퍼층 상에 AlXGa1-XAs(x=0.1~0.9)층과 GaAs층을 번갈아 성장시키는 단계 ;
    GaAs 층 상에 포토레지스트를 도포 및 베이킹하는 단계;
    사진 식각 공정으로 포토레지스트의 소정 부분에 홈을 형성하는 단계; 및
    양자 세선 구조를 형성하도록 양자 우물 구조에 응력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 응력은 인장응력인 것을 특징으로 하는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 형성 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 AlXGa1-XAs 층과 GaAs층은 3회 이상이 교번되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 형성 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 AlXGa1-XAs 층과 GaAs층은 MBE법이나 MOCVD법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 형성 방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 포토레지스트 대신에 실리콘 나이트라이드를 증착한 후, 상기 실리콘 나이트라이드에 홈을 형성하여 인장시 응력 집중을 유발하는 것을 특징으로 하는 다층 화합물 반도체의 양자 세선 형성 방법.
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