에피택시

3. 에피택시 성장 방식

이종 에피택시 성장은 볼머-베버(Volmer–Weber, VW), 프랭크-반 데어 메르베(Frank–van der Merwe, FM), 스트란스키-크라스타노프(Stranski–Krastanov, SK)의 세 가지 주요 성장 방식으로 분류된다.^[10][11]

• '''볼머-베버 성장'''은 흡착물-흡착물 상호 작용이 강해 3차원 섬 형태로 성장한다.
• '''프랭크-반 데어 메르베 성장'''은 흡착물-표면 상호 작용과 흡착물-흡착물 상호 작용이 균형을 이루어 2차원 층상으로 성장한다.
• '''스트란스키-크라스타노프 성장'''은 초기에는 2차원 층상 성장을 하지만, 임계 두께에 도달하면 3차원 섬 성장 방식으로 전환된다.

3. 1. 볼머-베버 성장 (Volmer-Weber, VW)

3. 2. 프랭크-반 데어 메르베 성장 (Frank-van der Merwe, FM)

3. 3. 스트란스키-크라스타노프 성장 (Stranski-Krastanov, SK)

4. 에피택시 성장 기술

에피택시 성장 기술은 성장 환경과 원료 공급 방식에 따라 다양하게 분류할 수 있다.

• 기상 에피택시(Vapor-Phase Epitaxy, VPE): 기체 상태의 원료를 기판에 공급하여 박막을 성장시키는 방법이다. 저온에서 고순도 결정 성장이 가능하며, GaAs와 같은 화합물 반도체 성장에 유리하다.
• 수소화물 VPE(HVPE): 수소화물을 원료로 사용한다.
• 유기금속 VPE(MOVPE/MOCVD): 유기 금속 화합물을 원료로 사용한다.
• 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE): 고진공 환경에서 분자선을 기판에 쏘아 박막을 성장시키는 방법이다. 정밀한 두께 및 조성 제어가 가능하다.
• 화학빔 에피택시(Chemical Beam Epitaxy, CBE): MBE와 VPE의 장점을 결합한 기술로, 기체 상태의 원료를 분자 빔 형태로 공급한다.
• 액상 에피택시(Liquid-Phase Epitaxy, LPE): 용융된 원료 용액에서 기판 위에 결정을 성장시키는 방법이다.
• 고상 에피택시(Solid-Phase Epitaxy, SPE): 비정질 물질을 가열하여 결정질로 변화시키는 방법이다.

4. 1. 기상 에피택시 (Vapor-Phase Epitaxy, VPE)

4. 1. 1. 화학 기상 증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD)

4. 1. 2. 유기금속 에피택시 (Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy, MOVPE/MOCVD)

4. 1. 3. 수소화물 기상 에피택시 (Hydride Vapor-Phase Epitaxy, HVPE)

4. 2. 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)

4. 3. 화학빔 에피택시 (Chemical Beam Epitaxy, CBE)

4. 4. 액상 에피택시 (Liquid-Phase Epitaxy, LPE)

4. 4. 1. 원심력 액상 에피택시

4. 5. 고상 에피택시 (Solid-Phase Epitaxy, SPE)

5. 에피택시얼 성장에서의 격자 정합

Si 에피택시얼층이 Si 기판 위에 성장될 경우에는 결정 격자의 자연적인 정합이 이루어지므로 고품질의 단결정이 생성된다. 그러나 종종 기판과 다른 에피택시얼층을 성장시킬 필요가 있으며, 이를 이종에피택시(heteroepitaxy)라 한다. 격자 구조 및 격자 상수가 두 종류의 물질에 대해 같으면 이종에피택시를 쉽게 얻을 수 있다. 예를 들어, 비화갈륨(GaAs)와 AlAs는 모두 섬아연광 구조이며, 격자 상수는 약 5.65Å이다. 따라서 3원소 합금 AlGaAs는 GaAs 위에 매우 적은 격자 상의 차이를 가지며 성장될 수 있다. 또한 GaAs는 게르마늄(Ge) 기판 위에도 성장될 수 있다.

AlAs 및 GaAs는 유사한 격자 상수를 가지므로, AlGaAs는 AlAs로부터 GaAs에 이르는 모든 조성 범위에 걸쳐 동일한 격자 상수를 갖는다. 따라서 3원소 화합물인 Al_xGa_1-xAs는 조성비 x를 원하는 소자 특성에 맞게 선택하여 GaAs 웨이퍼 위에 형성될 수 있다. 이때 형성된 에피택시얼층은 GaAs 기판과 정합된 상태이다.

위 그림은 Ⅲ-Ⅴ족 3원소 화합물의 조성비가 변함에 따른 에너지 대역간극(E_g)과 격자 상수(a)의 관계를 나타낸 것이다. 예를 들어, InGaAs의 성분이 Ⅲ족 부격자상에 InAs로부터 GaAs로 변화될 때, 에너지 대역간극은 0.36 eV에서 1.43 eV로, 결정 격자 상수는 InAs의 6.06Å에서 GaAs의 5.65Å으로 변화한다. 고정된 격자 상수를 갖는 원소 화합물 위에는 이 3원소 화합물이 모든 조성비를 가지며 성장될 수 없다. 그러나 위 그림에서 볼 수 있듯이 InP 기판 위에는 일정한 조성비의 InGaAs를 성장시킬 수 있다. InP에서 InGaAs에 이르는 수직 선분(동일한 격자 상수를 가짐)은 중간 조성비(정확히 In_0.53Ga_0.47As)를 갖는 정합된 화합물이 InP 기판 위에 성장될 수 있음을 보여준다. 유사하게, 3원소 화합물인 InGaP도 Ga 및 In이 약 50%의 조성비로 GaAs 기판 위에 정합된 성장을 할 수 있다. 주어진 기판 위에 정합된 결정 성장의 종류를 늘이기 위해서는 InGaAs와 같은 4원소 화합물을 이용하면 좋다. Ⅲ, Ⅴ족 부격자의 조성비를 동시에 변화시킴으로써 원하는 에너지 대역간극을 쉽게 얻을 수 있으며, 동시에 GaAs나 InP와 같이 많이 이용되는 2원소 화합물 기판 위에 정합된 결정을 만들 수 있다.

GaAsP의 격자 상수는 조성비에 따라 GaAs와 GaP 사이에 있다. 예를 들어, 적색 LED에 사용되는 GaAsP 결정은 40%의 P와 60%의 As로 구성되어 있다. 이 결정은 GaAs나 GaP 기판 위에 직접 성장될 수 없으므로, 결정 성장 시 격자 상수를 점진적으로 변화시키는 것이 중요하다. 성장은 GaAs나 Ge 기판을 이용하여 GaAs에 가까운 조성비로 시작된다. 먼저 약 25µm 두께까지는 원하는 As와 P의 조성비를 얻을 때까지 P를 점진적으로 증가시키며 성장시킨다. 그 후 원하는 에피택시얼층(약 100µm 두께)은 이 변화층(graded region) 위에 성장된다. 이러한 방법으로 에피택시얼 성장은 항상 유사한 격자 상수를 갖는 결정 위에 이루어진다. 이 변화층에서의 격자 변위에 의한 전위가 약간 있으나, 양질의 결정이 만들어지며 LED에 사용될 수 있다.

정합된 에피택시얼층을 많이 이용하며, 박막(약 100Å 두께)의 부정합된 결정도 성장시킬 수 있다. 부정합이 수 %이고 층이 매우 얇으면, 에피택시얼층은 시드 결정에 맞춰가는 격자 상수를 가지며 성장될 수 있다. 성장된 층은 그 격자 상수가 시드 결정에 맞추어지는 과정에서 표면을 따라 압축 응력(compression)이나 인장 응력(tension)이 발생한다. 이러한 층을 슈도모르픽(pseudomorphic)이라 하는데, 이는 변위가 없이는 기판 위에 정합될 수 없기 때문이다. 그러나 에피택시얼층이 격자의 부정합에 의존하는 임계층 두께 t_c를 초과하면, 변위 에너지는 미스핏 전위(misfit dislocation)라 불리는 결함을 만들게 된다. 이 약간 부정합된 결정층을 교대로 성장시켜 변위층-초격자(strained-layer superlattice; SLS)를 형성할 수 있으며, 이는 교대로 성장된 층들이 인장 응력이나 압축 응력을 갖고 있다. SLS의 격자 상수는 층을 이루는 두 물질 상수의 평균이 된다.

6. 에피택시의 응용

에피택시는 여러 분야에서 널리 활용되는 기술이다.

광물학에서 에피택시는 한 광물이 다른 광물 위에 규칙적으로 성장하여 두 광물의 특정 결정 방향이 정렬되는 현상을 의미한다. 이러한 현상은 상부 성장층과 기질의 격자 내 일부 면에서 원자 간 간격이 비슷할 때 발생한다.^[27] 브라질 바이아산 적철석 위에 에피택시 성장한 루틸이 그 예시이다.

6. 1. 반도체 소자

6. 2. 광물학

6. 3. 나노 기술

참조

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