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KR900002687B1 - Mbe법에 의한 기판에 격자 정합시키는 4원 또는 5원 흔정 반도체의 성장방법 - Google Patents

Mbe법에 의한 기판에 격자 정합시키는 4원 또는 5원 흔정 반도체의 성장방법 Download PDF

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KR900002687B1
KR900002687B1 KR1019860009758A KR860009758A KR900002687B1 KR 900002687 B1 KR900002687 B1 KR 900002687B1 KR 1019860009758 A KR1019860009758 A KR 1019860009758A KR 860009758 A KR860009758 A KR 860009758A KR 900002687 B1 KR900002687 B1 KR 900002687B1
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KR
South Korea
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substrate
semiconductor
growth
iii
membered
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도시오 후지이
Original Assignee
후지쓰가부시끼가이샤
야마모도 다꾸마
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Publication date
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Abstract

내용 없음.

Description

MBE법에 의한 기판에 격자 정합시키는 4원 또는 5원 혼정 반도체의 성장방법
제 1 도는 3원의 InGaAs 반도체와 계속하여 4원의 InAlGaAs 반도체가 성장되어 종래의 헤테로 구조를 형성할때에 분자 빔(beam)강도와 경과시간의 관계설명도.
제 2 도는 III-V족의 2원 및 3원 반도체에 대한 격자상수와 에너지 밴드 갭(energy band gap)특성을 설명하는 공지의 그래프.
제 3 도는 본 발명에 따라 4원 반도체를 성장시키는데에 사용되는 MBE 시스템의 개략적 단면도.
제 4 도는 본 발명에 따라 4원 반도체를 성장시키는 동안 네개의 이퓨젼 셀(effusion cell)에 대한 각 셔터의 온, 오프 상태 설명도.
제 5 도는 본 발명에 따라 InP 기판상에 성장되고 InGaAlAs 4원을 포함하는 멀티 헤테로 구조의 도식적 단면도.
제 6 도는 제 5 도에서 보인 에피택셜층의 에너지 밴드 갭 표시도.
제 7 도는 본 발명의 방법에 따라 성장된 제 5 도의 에피택셜층에 대하여 PL 측정에 의한 시험결과도이다.
본 발명은 분자 빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy ; MBE)에 의하여 InGaAlAs, InGaAlP, InGaAlAsSb 등과 같은 III-V족의 4원 또는 5원 혼정(混晶)반도체를 성장시키는 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명은 InP, GaAs, InAs, 그리고 GaSb와 같은 2원 기판상에 또는 그 다음에 성장된 에피택셜층 상에 격자 정합된 4원 또는 5원층을 성장시켜서 싱글 또는 멀티 헤테로 구조를 형성하는 방법에 관한 것이다.
3원, 4원 또는 5원 혼정 반도체가 2원 기판상에 또는 다음에 성장된 에피택셜층상에 성장되어 다른 구성을 가지는 헤테로 구조에 있어서, 두 반도체의 격자 상수는 고질(高質)의 에티택셜층을 얻기 위하여 잘 정합될 필요가 있다.
예로써 GaAs/AlxGa1-xAs의 헤테로 구조가 GaAs 기판상에 성장되는 경우에 AlxGa1-xAs의 에피택셜층은 0＜X＜1의 모든 x값에 대하여 GaAs 기판에 거의 격자 정합된다. GaAs 기판의 격자상수를aga로 표시하고 GaAs와 AlxGa1-xAs사이의 격자 상수의 차를
Figure kpo00001
a로 표시하면 0＜X＜1의 모든 x값에 대하여 다음 조건이 성립된다.
Figure kpo00002
a/aga＜0.13%
그러므로 GaAs/AlxGa1-xAs의 에피택셜적인 성장은 다른 에너지 밴드 갭을 갖는 AlxGa1-xAs 반도체에 대한 전 범위의 x값에 걸쳐 결정 결함을 거의 제거할 수가 있고 따라서 이 구조는 포토다이오드, 레이저, 고전자 이동도 트랜지스터등에서 폭넓게 사용될 수 있다.
상기의 헤테로 구조 GaAs/AlxGa1-xAs는 0.6 내지 0.9 미크론 메터 사이의 파장에서 동작하는 광학장치(opto-devices)용 구조로서 폭넓게 사용된다.
또 하나의 예로서 1.0 내지 1.6 미크론 메터의 파장 영역에서 동작하는 능동 소자의 경우, In1-(y≠z)GayAlzAs(종래에는 InGaAlAs로 생략했음)와 같은 4원 혼정 반도체가 InP 기판상에 또는 다음에 침전된 3원 혼정 반도체의 버퍼층상에 가끔 성장된다. 이 경우에 격자 상수
Figure kpo00003
a/aip의 편차는 4원을 구성하는 y값과 z값에 따라 3.5%의 최대값을 가지며 여기에서 aip는 InP 기판의 격자 상수를 나타내고
Figure kpo00004
a는 격자 상수 InP와 In1-(y≠z)GayAlzAs 사이의 차를 나타낸다.
4원 화합물 InGaAlAs의 에피택셜층이 종래의 InP 기판상에서 헤테로 구조를 형성하는 MBE법에 의하여 성장될 때 InP와 격자 정합되는 3원 반도체 InGaAs는 기판상에 성장되고, 그 다음에 역시 격자 정합되고 에너지 밴드 갭에 따라 다른 구성을 갖는 4원 InGaAlAs가 3원상에 성장된다. 따라서 다수의 이퓨전 셀이 MBE시스템에 제공되고 이들 각각은 특정된 3원 및 4원 에피택셜층을 성장하기 위하여 분자 빔의 특정된 플럭스(flux)강도를 발생하도록 조정된다. 헤테로 구조를 형성하는 에피택셜층의 성분중의 하나로서 같은 물질이 사용된다 하더라도 에피택셜층의 구성에 따라서 각각의 플럭스 강도가 달라진다.
제 1 도는 InP 기판상에 헤테로 구조 InGaAs/InGaAlAs를 성장시키는데 있어서의 시간대 이퓨젼 셀의 각 플럭스 강도의 관계를 나타내는 그림의 일례이다. 이 경우에 Ga에 대한 두개의 이퓨젼 셀 Ga1과 Ga2가 In, Al, 그리고 As 이퓨전 셀 외에 제공된다. 도면에서 쇄선 A 는 MBE 성장이 3원 InGaAs로부터 4원 InGaAlAs로 변화되는 순간을 나타낸다. InP 기판상에 InGaAs층을 성장하는 동안에 세개의 소오스는 능동으로 되고 첫번째 In 셀은 선(a)의 플럭스 강도를 가지며 두번째 Ga1셀은 선(b)의 플럭스 강도를 가지며 세번째 As 셀은 과잉 분자 빔(제 1 도에 도시되지 않음)을 공급할 수가 있다.
선 A로 표시된 순간에 분자 빔 셀 Ga1의 셔터는 닫히고 플럭스 강도(b')를 갖는 다른 하나의 (네번째, Ga2셀의 셔터와 플럭스 강도(c)를 갖는 다섯번째 Al 셀 셔터는 개방되어 4원 InGaAlAs 외층(epillayer)이 성장되기 시작한다. 제 1 도에서 수평 점선은 셔터가 닫혀졌음을 나타낸다. 상기와 다른 구성을 갖는 또 하나의 3원 또는 4원 반도체가 멀티 헤테로 구조를 형성하는 다음 공정에서 계속하여 성장되어지는 경우에 각각의 층 전용의 추가적인 이퓨젼 셀이 필요하다. 따라서 같은 물질의 분자 빔을 발생하지만 다른 플럭스 강도를 갖는 복수의 셀이 4원 또는 5원에피택셜 층을 포함하는 헤테로 구조의 MBE 성장을 위하여 요구된다. 왜냐하면 각 층은 다른 구성으로 되어야 하기 때문이고 따라서 많은 셀이 챔버(chamber) 내부에 제공되어야 한다.
만일 MBE 시스템에서 이퓨젼 셀의 수가 상기 요구를 충족시키지 못하고 최소의 수로 감소되는 것이 요구된다면 에피택셜 성장은 첫번째 외층의 성장의 바로 다음에 모든 셔터를 닫음으로써 일단 중단되고 다음에 또 하나의 플럭스 강도에 레벨에서 각 MBE 셀의 조정이 실행된다.
각 셀이 기판 표면에 면하여 있고 기판으로부터 거의 같은 거리를 갖는 그러한 기하학적 배열로 MBE 챔버의 제한된 공간에 충분히 많은 수의 분자 빔 셀을 수용하는 것은 어려운 문제이다.
임시로 성장을 방해하고, 차후의 성장 이전에 셔터 개방의 사이즈 또는 이퓨젼 셀의 퍼어네이스(furnace)온도를 변화시킴으로써 분자의 플럭스 강도를 조정하는 두번째 방법에 대해서는 처리가 곤란하고 정확한 제어가 어려우며 결과적으로 이 경우에 침전된 에피택셜층은 격자 오정합(mismatch)때문에 결정 결함을 갖는 경향이 있고 기대치로부터 에너지 밴드 갭에 편차를 갖는 경향이 있다.
본 발명은 MBE법에 의하여 III-V족의 4원 또는 5원 반도체 층을 성장시키고 III-V족의 기판과 격자 정합이 잘 이루어지게 하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 MBE 시스템에서 사용된 이퓨젼 셀의 수를 최소로 하고 특정 에너지 밴드 갭을 가지며 기판과 격자 정합되고 MBE법에 의하여 III-V족의 4원 또는 5원 반도체 층을 성장시키는 방법을 제공하는 것이다.
발명의 또 하나의 목적은 헤테로 구조를 형성하는 첫번째 성장부터 마지막 성장까지의 전 성장 공정중에 분자 빔 강도를 변화하거나 재조정함이 없이 4원 또는 5원 반도체층을 성장시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기본 개념을 제 2 도의 특성을 사용하여 요약한다. 제 2 도에서 격자 상수와 2원 화학물 반도체의 에너지 밴드 갭은 2원 반도체의 명칭으로 표시된 각각의 특정 지점에 의하여 나타나 있다. 3원 혼정 반도체에 대한 것들은 두 2원 반도체 점사이를 연결하는 곡선으로 나타나 있다. 도면에서 점선은 간접 천이 영역을 나타낸다.
AlGaAs층이 GaAs 기판상에 성장될때의 경우에 연결곡선 B는 가로좌표에 거의 수직한 선이고 따라서 AlGaAs의 격자 상수는 거의 일정하며 3원의 AlGaAs의 구성이 변하더라도 GaAs 기판에 격자 정합이 잘 이루어진다. 그러므로 격자 정합은 고려할 필요가 없고 단지 밴드 갭을 고려할 필요만 있기 때문에 GaAs 기판상에 AlGaAs층을 형성하는 것은 매우 쉽다.
혼합된 결장(GaAs와 InAs의 3원 합금) In1-xGaxAs에 대한 데이타는 도면에서 곡선 A로 도시하였다. x값이 결정되면 3원 InGaAs의 격자 상수와 에너지 밴드 갭은 또한 곡선 A상의 특정점에 의하여 유일하게 결정된다.
2원 화합물 AlAs와 InAs의 합금은 또한 각을 가지고 있는 두개의 연결선 C와 D로 나타내어진 3원의 InAlAs 혼정 반도체를 형성한다.
In0.53Ga0.47As의 구성을 갖는 곡선 A상의 점 M과 In0.52Ga0.48As의 구성을 갖는 선 C상의 점 N은 거의 같은 격자 상수를 가지고 있으며 이는 InP 기판의 격자 상수와도 또한 같다. 따라서 이들 두 3원 합금은 제 2 도에서 보인 바와같이 격자 정합이 잘된 InP 기판상에 성장되어진다.
그러나 InP 기판과 격자 정합이 잘될 수 있는 InGaAs 또는 InAlAs 구성은 각각 점 M 또는 N으로만 표시되어진다. 그러므로 이들 두 층은 각츠이 각각 M 또는 N의 오로지 하나의 밴드 갭을 가지기 때문에 GaAs 기판상에서 AlGaAs층과 다른 위치에 있다.
두개의 3원 반도체 In0.53Ga0.47As와 In0.52Al0.48As의 합금인 4원의 InGaAlAs도 또한 InP 기판과 거의 같은 격자 상수를 가질 수 있고 두점 M과 N을 연결하는 선상에 위치한 상기 두 3원의 구성률에 의하여 결정되는 점에 대응하는 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다. 그러므로 4원 In1-(y‡z)GayAlzAs(이 경우에 y+z=0.47∼0.48)는 InP와 격자 정합되고 값 y와 z에 따라 약 0.7 내지 1.5eV의 값의 에너지 밴드갭을 갖는다.
종래의 MBE에 의하여 3원의 외층상에 4원의 In1-(y=z)GayAlzAs를 연속적으로 성장하는데에 있어서, 1-(y+z), y와 z의 분자 빔 강도를 각각 갖는 In, Ga 및 Al 이퓨젼 셀과 과잉 As분자를 방출하는 As 이퓨젼 셀이 제공된다. 빔 강도의 상기 조건을 만족시키기 위하여 헤테로 구조를 구성하는 공통 소자용의 추가 이퓨젼 셀이 제 1 도에서 설명된 것처럼 4원 층을 성장하는 데에 있어서, 따로 따로 제공된다.
더우기 특정 밴드 갭과 InP 기판에 격자 정합이 잘된 4원 InGaAlAs를 성장하기 위하여 격자 상수뿐만 아니라 밴드 갭도 고려할 필요가 있다. 이는 고려해야 할 두개의 인자가 있음을 의미한다. 이것을 AlGaAs층과 다른 위치를 나타낸다.
본 발명에서는 각각의 격자 정합된 3원 반도체를 성장할 수 있는 두 그룹의 이퓨젼 셀의 셔터를 개방 및 폐쇄하고 분자 빔의 한 세트에서 다른 세트로 변경되거나 펄스를 이루는 새로운 4원 반도체층의 성장 기술을 사용한다. 두 그룹은 In, Ga, As 셀의 한 그룹과 In, Al, As 셀의 한그룹으로 구성되고 In과 As를 공통으로 갖는다. 새로운 기술에 따르면 4원 합금층의 밴드 갭은 셀 셔터의 개방 시간율을 변경함으로써 격자 정합을 고려함이 없이 간단히 선택될 수 있다. 각각의 성장 과정의 시간은 4원 합금층이 형성되고 개개의 3원 층이 형성되지 않도록 선택된다. 다시말하면 시간은 세개의 원자층 성장에 대한 각 과정의 시간보다 더 적게 되도록 지정된다. 일반적으로 각 과정에 대하여 단층(monolayer) 또는 그 이하의 성장 시간이 더 좋다.
각각의 합성층(InGaAs 또는 InAlAs)의 두께가 세개의 원자층의 두께보다 더 두껍게 되면 각 합성층을 구성하는 층은 더이상 4원 합금층의 특성을 보이지 아니하고 초격자(superlattice) 구조의 특성을 보이게 된다. InP에 격자 정합된 InGaAlAs를 성장하는 경우에 첫번째 절차로서 InP에 격자 정합된 In0.53Ga0.47As와 In0.52Al0.48As의 3원을 얻기 위하여 조정된 In, Ga, Al의 분자 빔 플러스 강도를 갖는 이퓨젼 셀이 제공된다. 3원의 In0.53Ga0.47As와 In0.52Al0.48As의 각 합성물에 따라서 각각 In 및 As의 분자 빔 강도를 두 3원에 대하여 일정하게 고정하고 Al 및 Ga 셀의 분자 빔 강도를 In 셀에 대하여 조정함으로써 이 조정이 얻어진다.
두번째 절차로서 기판이 Al 과 Ga의 분자 빔과 이어서 In 및 As의 분자빔이 교대로 펄스를 받는다.
In1-(y‡z)GayAlzAs의 성분 y와 z는 Ga 및 Al의 펄스되는 분자 빔의 시간율에 의하여 조절된다. 예를 들면 만일 두 3원에 대한 각 셀의 개방시간이 단일 원자 3원층이 성장될 수 있고 교체의 개방시간이 동일한 동안의 시간보다 더 적다면 InP에 격자 정합되고 In0.53Ga0.47As와 In0.52Al0.48As 사이의 중심값에 상응하는 에너지 밴드 갭을 갖는 InGaAlAs가 형성된다.
In 셀에 대하여 Ga 및 Al셀을 조정하는 첫번째 절차에 따라서 각 교체의 MBE과정의 InGaAs 및 InAlAs의 각 3원 화합물은 InP기판에 격자 정합될 수 있다.
그리고 Ga와 Al 셀 셔터의 교체 개방시간의 시간율을 조정하는 두번째 절차에 따라서 InGaAlAs의 밴드갭은 InP 기판에의 격자 정합을 더이상 고려함이 없이 선택되어진다. 두번째 절차에서 Ga와 Al 빔 강도의 각각은 변화되지 않고 그들의 시간율만 변화된다. 따라서 4원 화합물의 성장은 InP 기판에 격자 정합하는 것을 만족시키도록 유지된다.
III-V족 반도체로서 III족 원소의 Al, Ga 및 In과 V족 원소의 P, As 및 Sb는 제 2 도에서 보인 바와같이 GaAs, AlAs, InP, AlSb, GaSb, InAs, AlP, GaP, 그리고 InSb와 같은 이원 화합물 반도체의 성분으로서 잘 알려져 있다.
이들 여섯개의 원소들은 또한 이론적으로 18개의 3원, 15개의 4원, 그리고 6개의 5원등 많은 종류의 혼정 반도체를 형성한다. 그러나 실제 응용에서는 기판으로서 InP, GaAs, InAs 또는 GaSb를 사용하는 3원/4원의 헤테로 구조가 매우 중요하다.
본 발명은 기판에 격자 정합이 잘된 III-V반도체로 구성되고 특정의 에너지 밴드 갭을 얻는 일반적인 헤테로 구조 성장방법 및 개선점을 나타낸다. 상기의 격자 정합 및 에너지 밴드 갭외에도 유전상수등 다른 물리적 특성의 변화가 요구될 때에는 5원 외층이 효과적이다. 이 경우에 두개의 4원층을 성장할 수 있는 두 그룹의 이퓨젼 셀이 MBE 시스템에 제공되고 두 4원에 대하여 상기 이퓨젼 셀의 각 그룹으로부터 분자 빔을 양자 택일로 펄스시킴으로써 5원 층이 성장된다.
본 발명의 더 나아간 목적 및 장점은 발명의 제기된 실시예를 명확히 한 첨부도면을 참조하여 다음의 명세서로부터 알 수 있다.
본 발명에 따른 첫번째 예로서 InP 기판에 격자 정합되고 특정의 에너지 밴드 갭을 갖는 4원 InGaAlAs 혼정 반도체 성장 방법을 설명한다.
두개의 In0.53Ga0.47As 및 In0.52Al0.48As 3원이 InP기판에 잘 격자 정합된 제 2 도를 사용하여 먼저 설명한다. In0.53Ga0.47As는 0.75 eV의 에너지 밴드 갭을 가지며 In0.52Al0.48As는 1.47 eV의 에너지 밴드 갭을 갖는다. InP에 격자 정합되고 In0.53Ga0.47As와 In0.52Al0.48As 3원의 에너지 밴드 갭 사이의 에너지 밴드 갭을 가지는 4원 반도체 InAlAs가 얻어질 수 있고 이때에 4원 화합물은 m(In0.53Ga0.47As)+n(In0.52Al0.48As)의 형식으로 주어지며 m과 n은 임의의 숫자로서 에너지 밴드갭을 결정한다. y+z=0.47∼0.48의 조건이 만족될때, In1-(y‡z)GayAlzAs의 형식을 사용한 다른 표시에 있어서, 4원의 InGaAlAs는 InP에 격자 정합되고 0.75와 1.47 eV사이의 에너지 밴드 갭을 갖는다.
그러므로 본 발명에서는 각 Ga 및 Al 빔 강도가 첫번째 절차에서 In의 그것과 대조하여 조정되기 때문에 즉 In1-xGaxAs와 In1-xAlxAs의 x가 각각 0.47∼0.48로 조정되기 때문에 두번째 절차에서 Ga와 Al 셀 셔터를 교대로 스위칭하는 경우에도 상기의 y+z=0.47∼0.48의 조건은 항상 만족된다.
제 3 도는 상기의 InGaAlAs를 성장시키는데 사용되는 MBE 시스템의 개략적인 도식적 단면도이다. 네개의 이퓨젼 셀 10, 11, 12 및 13은 각각 In, Ga, Al 및 As의 분자 빔 소오스로 사용되는 높은 진공실 1에 제공된다. 각 셀은 퍼어네이스(도시되지 않았지만 셀이 집적 되어 있음)에 장착하고 셀로부터의 분자 빔 강도는 퍼어네이스의 온도를 변화함으로써 제어할 수 있다. 각 이퓨젼 셀은 또한 20 내지 23으로 나타낸 셔터를 제공한다. 셔터는 개방 또는 폐쇄될 수 있고 따라서 각 분자 빔은 온과 오프로 제어될 수 있다.
InP 기판 4는 기판 호울더 5에 고정되고 기판의 온도는 히터 6에 의하여 특정 온도로 상승될 수 있다. 4중극 질량 분광계 7이 성장을 감시하기 위하여 제공된다.
성장 공정 이전에 In과 Ga의 분자 빔 강도는 In0.53Ga0.47As의 성분을 갖는 3원 반도체가 500℃의 기판 온도와 2×10-5Torr As압력의 조건에서 시간당 0.264 미크론 메터의 성장률로 성장할 수 있도록 조정된다.
이 성장률은 4초당 하나의 원자층이 성장하는 것과 같은 비율이다.
다음에 Al의 분자 빔 강도가 In0.53Ga0.47As에 대하여 전에 조정된 것과 같은 In의 분자빔 강도를 사용하여 In0.52Al0.48As 3원을 성장하기 위하여 조정된다. As의 분자 빔 강도는 과잉된다.
셔터의 동작을 제 4 도에 도시하였고 여기에서 가로좌표는 성장의 경과시간을 나타낸다. 계단을 갖는 네개의 선은 각 셔터의 개방 또는 폐쇄 조건을 설명하여 상부의 선은 셔터의 개방을, 하부의 선은 폐쇄를 나타낸다. 소구역(plot)30 내지 33은 각각 In, Ga, Al 및 As에 대한 동작을 나타낸다. In과 As 이퓨젼 셀 10과 13의 셔터는 성장중에 항상 개방상태이다. 4원의 InGaAlAs의 성장이 제 4 도의 T0순간에 시작되면 In, Ga, As의 세 이퓨젼 셀은 시간 t1중에 기판 4에 분자를 침전시키고 그 다음에 t2의 시간동안 Ga용 셔터 21이 폐쇄되고 Al용 셔터 22는 개방된다. 이 과정은 필요한 두께의 4원이 얻어질 때까지 여러번 반복된다.
시간 t1과 t2가 각각 2초씩 선택되면 전기 언급한 바와같이 4초당 하나의 단층으로 빔 강도가 조정되기 때문에 각 시간은 1/2 원자층에 상응한다. 이것은 InP에 격자 정합된 4원의 InGaAlAs의 연속적인 합금 성장을 야기한다.
만일 각 합성층(InGaAs 또는 InAlAs)의 두께가 세개의 원자층의 두께보다 더 두꺼워지면 각 합성층을 구성하는 층은 더 이상 4원 합금층의 특성을 보이지 아니하고 초 격자 구조의 특성을 나타낸다.
비록 t1과 t2의 시간이 그다지 중요하지 않다하더라도 세 원자층보다 더 적은 성장시간이 실용적이다. (하나의 원자층 또는 그보다 더 적은 것이 좋다.)
In0.53Ga0.47As의 성장시간이 In0.52Al0.48As의 성장시간과 거의 같을 때, 성장된 4원의 InGaAlAs는 In0.53Al0.47As와 In0.52Ga0.48As의 두 3원 사이의 거의 중심값에 해당하는 에너지 밴드 갭을 갖는다. 성장된 4원 InGaAlAs는In0.525Ga0.235Al0.24As의 형식보다
Figure kpo00005
로서 더 정확하게 표현된다.
t1과 t2의 시간이 1초에 해당하는 t1과 3초에 해당한 t2로 변화할 때, 다음의 4원이 얻어진다.
Figure kpo00006
비슷한 방법으로 t1과 t2가 각각 3초와 1초로 선택될때, 다음의 4원이 형성된다.
Figure kpo00007
의 비율이 증가할때, 성장된 4원의 에너지 밴드 갭이 In0.53Ga0.47As의 에너지 밴드 갭에 가까워 진다는 것은 쉽게 알 수 있다. 따라서 t1과 t2의 시간을 조절함으로써 0.75와 1.47 ev사이에서 특정된 값의 에너지 밴드 갭을 갖는 4원의 InGaAlAs가 얻어질 수 있다.
상기 방법은 3원/4원 또는 4원/3원의 헤테로 구조를 형성하는데 쉽게 응용할 수 있다. 제 4 도에서 t1또는 t2의 시간이 충분히 길면 3원의 In0.53Ga0.47As또는 In0.52Al0.48As가 성장될 수 있다.
제 5 도는 멀티 헤테로 구조를 형성하는 일례를 나타내고 여기에서 Fe가 도핑된 InP기판 41에는 In0.53Ga0.47As층 42(0.6미크론 메타), In0.52Al0.48As 층 43(0.2미크론 메타), 4원의
Figure kpo00008
층 44(200Å), 그리고 In0.52Al0.48As 층 45(0.2미크론 메타)가 차례로 성장되어 양자정(quantum-well)을 형성한다.
상기 구조를 성장하는 데 있어서, 제 3 도의 MBE시스템이 그대로 사용될 수 있다. In0.53Ga0.47As층 42는 In, Ga, As에 대하여 이퓨젼 셀 10, 11, 13을 각각 사용함으로써 먼저 형성되고 다음에 Ga이퓨젼 셀 11의 셔터가 폐쇄되고 Al이퓨젼 셀 12의 셔터가 개방된 다음에 In0.52Al0.48As 층 43이 성장되어 시작한다. 층 43이 성장된 후에 본 발명에 따라 4원의 InGaAlAs 44를 성장하는 방법은 제 4 도에 의하여 전에 설명한 바와 같이 셔터가 21과 22를 양자택일로 개방하고 폐쇄함으로써 응용된다. 4원층 44의 성장후에 3원의 In0.52Al0.48As 층 45가 다시 성장된다.
제 6 도는 제 5 도에 나타난 구조의 에너지 밴드 갭의 다이어그램이다.
두개의 3원 In0.52Al0.48As층 43과 35에 의하여 삽입된
Figure kpo00009
4원층 44가 양자정을 형성된다. 제 7 도는 4.2K에서 PL(photo-luminescence)측정에 의한 상기 양자정의 시험 결과를 나타낸다. In0.52Al0.48As와 In0.53Ga0.47As PL강도를 나타내는 수 피크사이의 가로 좌표를 따른 중심부에서
Figure kpo00010
Figure kpo00011
층에 대한 피크가 나타나고 이것은 4원이 본 발명에 의하여 성장되었음을 나타낸다.
층 44와 45의 성장공정이 여러차례 반복되고 두층의 두께가 30 내지 50Å정도로 선택되면 다수 양자성(multi-quantum-well)이 형성된다.
위에서 설명한 첫번째에는 III족 원소 Al, Ga, In과 V족 원소 As를 포함한다. III-V 4원 반도체를 성장하는데 있어서, III-V 원소의 많은 결합이 예상된다. V족 원소 P와 Sb가 As대신 사용될 수 있다.
III족 원소중에서 Al과 Ga원소는 두 원소가 원자 반경이 비슷하다는 점에서 밀접한 관계가 있다. 세 그룹의 2원 화합물 반도체, 즉 AlP와 GaP, AlAs와 GaAs 그리고 AlSb와 GaSb각각이 거의 같은 격자 상수를 갖지만 상이한 에너지 밴드 갭을 갖는 다른 것을 제 2 도에 의하여 또한 알수 있다. 따라서 하나는 Al원소를 포함하고 다른 하나는 Ga원소를 포함하는 것과 이들 Al과 Ga이외의 동일 원소를 포함하는 것의 두 3원의 사용이 격자 정합된 4원 반도체를 성장시키는데 매우 편리하다.
이미 설명한 4원의 InGaAlAs의 성장 이외에 3종의 4원 반도체가 InGaAlAs성장에서 사용된 방법을 수정함으로써 성장될 수 있다.
(a) GaAs기판에 격자 정합된 InGaP와 InAlP의 두 3원을 사용하여 InGaAlP가 성장될 수 있다. 이것은 네개의 셀 In, P, Ga, Al이 사용되고, Ga와 Al의 각 빔 강도가 In의 동일 강도에 대조되어 조정되며 Ga와 Al의 셀 셔터를 교대로 스위칭하고 In과 P분자 빔을 연속적으로 방사함으로써 InGaAlP가 성장되어 짐을 의미한다.
(b) InP기판에 격자 정합된 AlAsSb와 GaAsSb의 두개의 3원을 사용하여 AlGaAsSb가 성장될 수 있다. 이 예에서 먼저 두 3원이 InP기판에 격자 정합되도록 As와 Sb빔 강도가 조정된다. 다음에 두번째로 As와 Sb빔 강도를 일정하게 유지함으로써 Ga와 Al빔이 교대로 스위치된다.
(c) InP 또는 GaAs기판에 격자 정합된 AlPSb와 GaPSb의 두 3원을 사용하여 AlGaPSb가 성장될 수 있다. 이 예에서 먼저 두 3원이 InP기판에 격자 정합되도록 P와 Sb빔 강도가 조정된다. 다음에 두번째로 P와 Sb빔 강도를 일정하게 유지함으로써 Ga와 Al빔이 교대로 스위치된다.
(d) 상기와 같은 방법으로 가능한 3원 기판에 격자 정합된 InGaSb와 InAlSb의 두 3원을 사용하여 InGaAlSb가 성장될 수 있다.
(e) 상기와 같은 방법으로 가능한 3원 기판에 격자 정합된 GaPAs와 AlPAs의 두 3원을 사용하여 AlGaPAs가 성장될 수 있다.
지금까지 언급한 실시예는 특정 에너지 밴드 갭을 가지며 기판에 격자 정합된 4원 반도체의 성장 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특정 에너지 밴드 갭을 가지며 2원 기판에 격자 정합된 5원 반도체 성장 방법으로 확장될 수 있다.
5원 반도체는 유전상수, 굴절률 등 물리적 특성의 독립적인 변화를 허용하는 잇점이 있다.
5원 반도체를 성장하는데 있어서, 다섯개의 이퓨젼 셀이 MBE시스템에 제공된다. 5원의 InGaAlAsSb를 성장시키는 일례로서 In, Ga, Al, As, Sb의 다섯개의 이퓨젼 셀이 제공된다. 네개의 이퓨젼 셀의 두 그룹(즉 In, Ga, As, Sb셀의 한 그룹과 In, Al, As, Sb의 한 그룹, 여기에서 In, As, Sb는 공통)이 펄스를 이룬 분자 빔을 발생하는데 사용되며 각 그룹은 기판에 격자 정합된 4원을 성장할 수가 있다. Al셀을 포함하는 한 세트와 Ga셀을 포함하는 다른 세트는 4원을 성장시키는 경우와 똑같다.
좀더 낫게는 Al과 Ga를 제외한 모든 이퓨젼 셀을 공통으로 구성하고 단지 Al과 Ga셀 셔터만을 교대로 개폐한다. 첫번째 절차로서 Ga와 Al빔 강도는 In의 강도에 대하여 조정되고 As빔 강도는 Sb빔에 대하여 조정되어 InGaAsSb와 InAlAsSb가 InP기판에 각각 격자 정합되도록 한다. 두번째 절차로서 다른 빔 강도를 일정하게 유지함으로써 Al과 Ga셀을 교대로 개폐한다. 4원성장중에 In, As, Sb의 세 이퓨젼 셀의 셔터는 항상 개방되어 있고 Ga와 Al의 셔터는 4원 성장에서 설명한 것과 비슷한 방법에 의하여 양자 택일로 개폐된다. (각 펄스의 시간은 또한 세 원자층의 성장 시간 보다 더 적다)다음에 두개의 4원 InGaAsSb와 InAlAsSb를 형성할 수 있는 분자 빔이 양자택일로 펄스되고 다음에 5원의 InGaAlAsSb가 기판상에 성장된다. InP, InAs 또는 GaSb와 같은 2원 반도체는 성장용 기판으로써 사용될 수 있다.
비슷한 방법으로 다른 세개의 5원을 성장하는 방법에 대하여 설명한다.
(a) GaAs 또는 InP기판에 격자 정합된 두 개의 4원 InGaAsP와 InAlPAs를 사용하여 InGaAlAsP가 성장될 수 있다.
(b) GaAs, InP, InAs 또는 GaSb기판에 격자 정합된 두개의 4원 InGaPSb와 InAlPSb를 사용하여 InGaAlPSb가 성장될 수 있다.
(c) GaAs, InP 또는 InAs기판에 격자 정합된 두 개의 4원 GaPAsSb와 AlPAsSb를 사용하여 GaAlPAsSb가 성장될 수 있다.
비록 발명의 단 몇가지 실시예만을 설명하였지만 발명의 다른 실시예 및 수정이 가능함은 명백하다.

Claims (22)

  1. MBE법에 의하여 III-V 2원 화합물 반도체의 기판에 격자 정합된 III-V족 4원 혼정 반도체를 성장시키는 방법에 있어서, (a) 상기 III-V 4원 반도체의 각 구성 원소에 대하여 네 개의 이퓨젼 셀을 제공하고, (b)상기 네 개의 이퓨젼 셀 중에서 세 개가 선택된 이퓨젼 셀의 두 그룹, 즉 Al셀을 포함하는 것과 Ga셀을 포함하는 것의 두 그룹이 상기 기판에 격자 정합된 각 III-V족 3원 반도체를 성장시킬 수 있도록 상기 이퓨젼 셀의 각 분자 빔 강도를 조정하고, (c) 세 개의 원자층의 두께보다 더 적은 값에 상당 하는 성장시간 동안에 상기 세 개의 이퓨젼 셀 중에서 단지 첫번째 그룹만 작동시키고, (d)세개의 원자층의 두께보다 더 적은 값에 상당하는 성장 시간 동안 상기 세개의 이퓨젼 셀 중에서 단지 두번째 그룹만 작동시키고, (e)상기 4원 반도체 층의 필요한 두께가 얻어질 때까지 중단함이 없이 단계(c)와 (d)를 양자택일로 반복하는 등의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 III-V족 4원 혼정 반도체 성장방법.
  2. 청구범위 제 1 항에 있어서, 단계 (c)에서의 첫번째 성장 시간과 단계 (d)에서의 두번째 성장 시간의 비율이 상기 성장하는 4원 반도체층의 에너지 밴드 갭에 의하여 결정되고, 상기 에너지 밴드 갭은 단계(b)에서 이퓨젼 셀의 상기 두 그룹이 성장할 수 있는 두 3원의 에너지 밴드 갭 사이의 특정값을 가지는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  3. 청구범위 제 1 항에 있어서, 상기 2원 기판과 상기 4원을 구성하는 원소는 III족 원소 Al, Ga, In과 V족 원소 P, As, Sb로부터 선택되어지는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  4. 청구범위 제 1 항에 있어서, InP기판에 격자 정합된 InGaAlAs 4원 반도체가 상기 기판에 격자 정합된 두개의 3원 반도체 InGaAs와 InAlAs를 성장시키도록 조정되어 있는 이퓨젼 셀을 사용하여 성장되어지는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  5. 청구범위 제 1 항에 있어서, GaAs기판에 격자 정합된 InGaAlP 4원 반도체가 상기 기판에 격자 정합된 두개의 3원 반도체 InGaP와 InAlP를 성장시키도록 조정되어 있는 이퓨젼 셀을 사용하여 성장되어지는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  6. 청구범위 제 1 항에 있어서, InP기판에 격자 정합된 AlGaAsSb 4원 반도체가 상기 기판에 격자 정합된 두개의 3원 반도체 AlAsSb와 GaAsSb를 성장시키도록 조정되어 있는 이퓨젼 셀을 사용하여 성장되어지는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  7. 청구범위 제 1 항에 있어서, InP 또는 GaAs기판에 격자 정합된 AlGaPSb 4원 반도체가 상기 기판에 격자 정합된 두개의 3원 반도체 AlPSb와 GaPSb를 성장시키도록 조정되어 있는 이퓨젼 셀을 사용하여 성장되어지는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  8. 청구범위 제 1 항에 있어서, 일련의 단계(c)와 (d)의 앞 또는 뒤에 추가의 성장 단계를 포함하고 상기 성장단계는 단계(b)에서 조정된 것과 같은 분자 빔 강도를 갖는 3원 반도체 성장용 이퓨젼 셀의 상기 두 그룹중, 어느 하나를 사용하지만 별개의 3원 반도체를 형성하는데에 충분한 성장기간을 가지며 이것에 의하여 3원/4원의 헤테로 구조가 형성되어지는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  9. 청구범위 제 1 항에 있어서, 일련의 단계(c)와 (d)의 앞과 뒤에 추가적인 성장 단계를 포함하고 상기 성장 단계는 단계(b)에서 조정된 것과 같은 분자 빔 강도를 갖는 3원 반도체 성장용 이퓨젼 셀의 상기 두 그룹중, 어느 하나를 사용하지만 별개의 3원 반도체를 형성하는데에 충분한 성장 기간을 가지며 이것에 의하여 두 3원 층에 의해 삽입된 4원층 또는 양자정이 형성되는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  10. 청구범위 제 9 항에 있어서, 상기 동일 단계를 여러번 반복하는 추가 단계를 포함하고 이것에 의하여 다수 양자정(multi-quantum-well)이 형성되는 상기 양자정 형성방법.
  11. MBE법에 의하여 III-V 2원 화합물 반도체의 기판에 격자 정합된 III-V족 5원 혼정 반도체를 성장시키는 방법에 있어서, (a) 상기 5원 반도체의 각 구성 요소로서 다섯개의 이퓨젼을 셀을 제공하고, (b) 상기 다섯개의 이퓨젼 셀중에서 네개의 선택된 이퓨젼 셀의 두 그룹, 즉 Al셀을 포함하는 그룹과 Ga셀을 포함하는 그룹이 상기 기판에 격자 정합된 III-V족 4원 반도체 각각을 성장시킬 수 있도록 상기 이퓨젼 셀의 각 분자 빔 강도를 조정하고, (c) 세개의 원자층의 두께보다 더 적은 값에 상당하는 성장 시간 동안에 상기 네개의 이퓨젼 셀의 단지 첫번째 그룹만을 작동하고, (d) 세개의 원자층의 두께보다 더 적은 값에 상당하는 성장 시간동안 상기 네개의 이퓨젼 셀의 단지 두번째 그룹만을 작동하고, (e) 상기 5원 반도체 층의 필요한 두께가 얻어질 때까지 중단함이 없이 단계(c)와 (d)를 양자택일로 반복하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 III-V족 5원 혼정 반도체 성장방법.
  12. 청구범위 제 11 항에 있어서, 단계(c)에서의 첫번째 성장시간과 단계(d)에서의 두번째 성장시간의 비율이 상기 성장하는 5원 반도체 층의 에너지 밴드 갭에 의하여 결정되고, 상기 에너지 밴드 갭이 단계(b)에서 상기 두 세트의 이퓨젼 셀을 성장시킬 수 있는 4원의 에너지 밴드 갭 사이의 특정 값을 갖는 III-V족 5원 반도체 성장방법.
  13. 청구범위 제 11 항에 있어서, 상기 2원 기판과 상기 5원을 구성하는 원소가 III족 원소 Al, Ga, In과 V족 원소 P, As, Sb로부터 선택되어지는 III-V족 5원 반도체 성장방법.
  14. 청구범위 제 11 항에 있어서, 상기 기판이 GaAs, InP, InAs, GaSb와 같은 2원 반도체중의 하나인 III-V족 5원 반도체 성장방법.
  15. 청구범위 제 11 항에 있어서, InP, 또는 InAs, 또는 GaSb기판에 격자 정합된 InGaAlAsSb 5원 반도체가 상기 기판에 격자 정합된 두개의 4원 반도체 InGaAsSb와 InAlAsSb를 성장시키도록 조정되어 있는 이퓨젼 셀을 사용하여 성장되어지는 III-V족 5원 반도체 성장방법.
  16. 청구범위 제 11 항에 있어서, GaAs 또는 InP기판에 격자 정합된 InGaAlPAs 5원 반도체가 상기 기판에 격자 정합된 두개의 4원 반도체 InGaPAs와 InAlPAs를 성장시키도록 조정되어 있는 이퓨젼 셀을 사용하여 성장되어지는 III-V족 5원 반도체 성장방법.
  17. 청구범위 제 11 항에 있어서, GaAs, 또는 InP, 또는 InAs, 또는 GaSb기판에 격자 정합된 InGaAlPSb 5원 반도체가 상기 기판에 격자 정합된 두개의 4원 반도체 InGaPSb와 InAlPSb를 성장시키도록 조정되어 이퓨젼 셀을 사용하여 성장되어지는 III-V족 5원 반도체 성장방법.
  18. 청구범위 제 11 항에 있어서, GaAs, 또는 InP, 또는 InAs기판에 격자 정합된 GaAlPAsSb 5원 반도체가 상기 기판에 격자 정합된 두개의 4원 반도체 GaPAsSb와 AlPAsSb를 성장시키도록 조정되어 있는 이퓨젼 셀을 사용하여 성장되어지는 III-V족 5원 반도체 성장방법.
  19. MBE법에 의하여 III-V 2원 화합물 반도체의 기판에 격자 정합된 III-V족 4원 혼정 반도체 성장방법에 있어서, (a) 상기 4원에 포함되고 In, P, As 및 Sb의 그룹으로부터 선택된 두 원소의 이퓨젼 셀과 Ga 및 Al의 이퓨젼 셀을 제공하고, (b) 상기 두개의 선택된 원소와 Ga로 구성된 3원이 InP 또는 GaAs기판에 격자 정합되도록 상기 두개의 선택된 원소 및 Ga이퓨젼 셀의 분자 빔 강도를 조정하고, (c) 상기 두개의 선택된 원소와 Al로 구성된 3원이 InP 또는 GaAs기판에 격자 정합되도록 상기 두개의 선택된 원소 및 Al 이퓨젼 셀의 분자 빔 강도를 조정하고, 이것에 의하여 상기 두개의 선택된 원소에 대한 분자 빔 강도가 단계(b)에서의 분자 빔 강도와 같아지며, (d)상기 두개의 선택된 원소의 분자 빔을 연속적으로 방사하고, Al 및 Ga이퓨젼 셀의 셔터에 대한 개폐동작을 교대로 반복하며, 이것에 의하여 Ga 또는 Al셀 셔터의 각 개방시간이 3개의 원자층 성장 시간보다 더 적어지는 등의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 III-V족 4원 혼정 반도체 성장방법.
  20. 청구범위 제 19 항에 있어서, 상기 4원이 InGaAlAs, InGaAlP, InGaAlSb중의 하나인 경우에 Ga의 분자 빔 강도는 상기 단계(b)에서의 In의 분자 빔 강도에 대조하여 조정되고 Al의 분자 빔 강도는 상기 단계(c)에서의 In의 분자 빔 강도에 대조하여 조정되는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  21. 청구범위 제 19 항에 있어서, 상기 4원이 AlGaAsSb, AlGaPSb, AlGaAsP 중 하나인 경우에 두 개의 V족 원소의 분자 빔 강도가 상기 기판에 격자 정합되도록 조정되는 III-V족 4원 반도체 성장방법.
  22. MBE법에 의하여 III-V 2원 화합물 반도체의 기판에 격자 정합된 III-V쪽 5원 혼정반도체 성장방법에 있어서, (a) In, P, As 및 Sb의 그룹으로부터 선택된 세개의 원소에 대한 이퓨젼 셀과 Ga 및 Al의 이퓨젼 셀을 제공하고, (b) 상기 세개의 선택된 원소와 Ga로 구성된 4원이 상기 기판에 격자 정합되도록 상기 세개의 선택된 원소와 Ga이퓨젼 셀의 분자 빔 강도를 조정하고, (c) 상기 세개의 선택된 원소와 Al로 구성된 4원이 상기 기판에 격자 정합되도록 상기 세개의 선택된 원소 및 Al이퓨젼 셀의 분자 빔 강도를 조정하고, 이것에 의하여 상기 세개의 선택된 원소에 대한 상기 분자 빔 강도가 단계(b)에서의 분자 빔 강도와 같아지며, (d) 상기 세개의 선택된 원소의 이퓨젼 셀로부터 분자 빔을 연속적으로 방사하고, Ga와 Al이퓨젼 셀의 셔터에 대한 개폐동작을 교대로 반복하며, 이것에 의하여 Ga 또는 Al셀 셔터의 각 개방 시간이 세개의 원자층의 성장시간보다 더 적어지는 등의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 III-V족 5원 혼정 반도체 성장 방법.
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