The growth of InSb epitaxial layers by LPMOCVD and crystal quality analysis by photoluminescence

Abstract

중적외선은 대기 중에서 높은 투과율을 가지고 있는 영역이기 때문에, 1000K 의 온도를 가진 물체가 방출하는 에너지를 검출할 수 있는 영역이다. InSb는 중적외선을 검출하는 적외선 검출소자의 재료로 널리 사용되고 있어서, 군사적인 용도로 큰 활용 가치가 있다. 하지만 국내에서는 InSb 적외선 소자 제작을 위한 기술이 부족하여, 현재는 대부분의 적외선 소자를 수입에 의존하고 있는 상황이다. 현재 주로 사용되고 있는 InSb 적외선 소자의 경우 이온주입을 통해 p-n접합을 형성하는데, 이온주입 과정에서 격자의 손상을 유발하여 적외선 소자의 암전류 증가로 인한 검출도의 감소가 발생할 수 있다. 국내에서 에피성장 방식의 InSb 적외선 소자 제작기술을 개발하게 될 경우 이러한 영향을 줄일 수 있으며, 동작온도 상승의 가능성 또한 존재한다. 이를 위하여 본 학위기간 동안 유기화학기상증착법 (Metal-organic chemical vapor depiction)을 이용하여 InSb의 에피성장 연구를 진행하였다. 하지만 고품질의 InSb 박막을 얻기까지 많은 어려움이 존재하였다. InSb의 낮은 녹는점, 낮은 증기압, 원료 가스의 낮은 분해율, 그리고 자연 산화막 제거의 어려움 등의 문제들이 존재하였지만, 이러한 어려움을 순차적으로 해결하면서 고품질의 InSb 에피 박막을 성장할 수 있었다. 우선 in-situ방법으로 자연 산화막의 제거가 어렵기 때문에 etchant를 이용한 ex-situ방법을 통하여 자연 산화막을 제거 하였으며, 성장 전 열처리 과정도 InSb 에피 박막의 특성에 큰 영향을 주는 것으로 나타나 고품질 InSb 에피성장에 매우 중요한 요소로 밝혀졌다. 또한, InSb는 녹는점이 매우 낮고, Sb의 증기압이 As, P물질에 비하여 낮기 때문에 InSb의 성장이 이루어지는 동안 성장 조건의 미세한 조절이 InSb 에피층의 형성에 중요한 영향을 주었다. 특히 성장온도가 상승함에 따라 InSb의 원료 가스의 분해율이 상승하고, 표면에서의 mean free path가 증가하는 등의 원인으로 인하여 에피층 표면의 굴곡이 완만해지는 결과가 얻어졌다. 가장 좋은 퀄리티를 가지는 InSb 에피성장 조건을 파악하기 위하여 510도에서 성장한 에피층들을 X선 회절 분석법으로 분석하였다. X선 회절 분석법으로는 InSb 기판에 비해 퀄리티가 좋아진 것은 반가폭의 감소를 통해 확연히 확인 되었으나 에피층간의 반가폭 차이는 미미한 수준이어서 조건의 우열을 가리기 어려웠다. 이러한 이유 때문에 광발광 분석법을 이용하여 InSb MWIR detector의 동작온도인 77 K에서의 광특성을 분석하였다. 77 K에서 광발광 특성은 비대칭 형태를 가지며 낮은 에너지쪽에서는 결함 준위들이 융합되어 있는 모양이 나타났다. 이러한 peak 형태의 원인을 밝혀내기 전에는 퀄리티에 대한 정확한 분석이 어렵기 때문에, 저온에서 주사하는 빛의 세기를 변경하고, 측정 온도를 변화시키며 InSb의 광발광 특성을 분석하였다. InSb의 광발광 특성은 좁은 밴드갭 때문에 아직 완전히 밝혀지지 않은 에너지 준위들이 있다. 특히 213 meV 위치의 peak은 기존에 포논과 연관된 발광으로 여겨졌으나, 최근 안티몬의 안티사이트와 연관된 defect라는 주장도 제기되었다. 성장된 에피층에서도 이 위치에 peak이 발견되었고, power을 올리며 그 peak 면적의 변화량을 관찰한 결과, free excition의 변화와 유사한 경향성을 가져 shallow defect보다는 포논과 연관된 발광인 것으로 생각된다. 온도를 올리며 광발광 특성을 분석한 결과, 높은 에너지 쪽으로의 peak broadening이 온도가 증가함에 따라 점점 심해졌다. 이러한 phonon replica는 이론적 발광함수에 따르면, 반가폭이 3kT로 알려져 있으며 77 K 에서는 20 meV 정도가 된다. 이 수치는 InSb 포논의 크기가 23임을 감안하면 매우 큰 수치라 볼 수 있다. 이러한 경향성과, phonon replica가 측정 온도의 증가에 따라 강하게 나타나는 현상을 생각하면, broad한 shoulder peak은 phonon replica에 의한 영향 때문이라 생각할 수 있다. 문헌들에 따르면, GaN의 yellow luminescence의 예와 같이 deep defect 등과 같은 경우에도 온도가 올라가며 그 intensity가 세지는 것처럼 나타나기도 한다. 하지만 InSb의 좁은 bandgap을 감안하면, defect level이 InSb band의 중앙에 있다 하여도 shallow defect처럼 행동할 것으로 생각된다. 따라서 77 K 에서의 shoulder peak은 주로 phonon replica에 의한 영향 때문으로 생각되며, 좋은 퀄리티의 박막에서 Phonon replica의 intensity가 크게 나타난다고 보고되었기 때문에, 77 K 에서의 peak intensity를 박막의 품질과 연관시켜 생각할 수 있다. 이러한 peak의 넓이를 계산해 본 결과, V/III ratio 4.4 에서 성장한 샘플이 가장 큰 peak intensity를 가졌고, 따라서 최적의 InSb 성장조건으로 판단된다. 이 결과를 통하여, 높은 온도와 적당한 V/III ratio에서 성장시킨 샘플의 퀄리티가 가장 좋음을 알 수 있다. 따라서, 본 연구를 통하여 고품질의 InSb 박막을 형성할 수 있었고, 이를 바탕으로 동작 온도의 상승이 가능한 소자를 제작할 수 있는 기반을 마련하였다.