Reduction of threading dislocations in a Ge epitaxial layer grown on a Si(001) substrate

Abstract

이 연구의 목표는 광검출기 및 다중접합 태양전지 등으로 응용 가능한 고품질의 게르마늄 에피층을 실리콘 기판 위에 성장하는 것이다. 목표의 달성을 위한 실험은 다음과 같이 진행되었다. 우선 2단계 성장법을 이용하여 평탄한 표면을 갖는 게르마늄 에피층을 성장하였다. 이때에 성장 조건이 에피층의 물성에 미치는 영향을 알아보았다. 그리고 성장한 게르마늄 에피층 내부에 존재하는 관통전위 밀도를 줄이기 위하여 후속공정으로 급속 열처리를 이용한 열처리를 진행하였다. 이때에 열처리 온도, 시간 등 열처리 조건이 게르마늄 에피층에 미치는 영향을 알아보고, 최적화하였다. 마지막으로 실리카 나노구체를 이용한 재성장방법을 통하여 결함밀도가 감소한 게르마늄 에피층을 얻고자 하였다.

첫째, 2단계 성장법을 이용하여 게르마늄 에피층을 실리콘 기판 위에 성장하였다. 저온에서 순수 게르마늄 완충층을 성장함으로써, 3차원 적인 성장이 억제된 2차원적으로 성장한 평탄한 에피층을 얻을 수 있었다. 게르마늄 에피층의 결정성은 에피층의 두께가 증가함에 따라서 향상되는 양상을 보였으며, 관통전위밀도 역시 두께가 증가함에 따라서 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 900 nm 성장한 게르마늄 에피층에서 4.3 x 108 cm-2 의 관통전위밀도를 얻을 수 있었으며, 이는 고온 성장 중 관통전위들이 이동하면서 만나서 소멸되었기 때문이다. 이러한 두께증가에 따른 관통전위 밀도감소가 결정성의 향상의 원인으로 작용하였다. 실리콘 기판 위 성장한 게르마늄 에피층을 이용하여 제작한 2중접합태양전지의 효율은 10.3%로 게르마늄 기판을 이용하여 제작한 태양전지에 비해서 감소된 효율이었다. 이러한 효율 감소의 원인은 108 cm-2 수준의 결함밀도에서 기인 한 것으로 결함 밀도 감소를 위해 후속 열처리를 진행하였다.

후속 열처리는 급속열처리장비를 이용하여 진행하였다. 30초의 짧은 시간동안 열처리를 진행하였지만 게르마늄 표면에 높은 밀도의 구덩이가 형성되면서 표면이 거칠어 지는 것을 확인하였다. 이는 결함식각 및 열에너지에 의한 손상 때문이며, 게르마늄 표면에 이산화규소 박막을 증학함으로써 이러한 손상을 억제할 수 있었다. 하지만 850 oC 에서는 게르마늄이 쉽게 승화하기 때문에 매우 큰 구덩이가 형성되면서 이산화규소 박막이 보호층으로써의 역할을 하지 못한다는 것을 확인할 수 있었다. 열처리 온도가 증가함에 따라서 결정성이 향상되고, 결함밀도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 열처리 시 게르마늄과 실리콘간의 열팽창 계수차이 때문에 게르마늄 에피층 내부에 응력이 걸리며, 이 응력은 열처리 온도가 증가함에 따라서 증가하기 때문에 고온에서 열처리를 증가할수록 전위가 더 쉽게 이동하여 소멸할 수 있다. 따라서 800 oC 에서 열처리 시 가장 낮은 2.2 x 108 cm-2 의 전위밀도를 얻을 수 있었다. 결함밀도를 더 줄이기 위해서 주기적인 급속열처리를 진행하였다. 주기를 증가함에 따라서 결함밀도가 감소하는 경향을 보였고, 20번 반복하였을 때 3.5 x 107 cm-2 의 결함밀도를 얻을 수 있었다. 주기적인 열처리를 진행할 경우, 반복적인 인장, 압축응력이 게르마늄 에피층에 가해지기 때문에 결함의 이동이 활성화 되어 결함이 지속적으로 감소하게 되는 것이다. 주기적인 급속 열처리방법을 사용함으로써 짧은 시간에 결함밀도를 줄일 수 있었다.

태양전지 응용 및 3-5족 물질 성장을 위하여 6도 기울어진 실리콘 기판 위에 성장한 게르마늄 에피층에 주기적인 급속 열처리를 진행하였다. 10회 진행하였을 때, 에피층의 관통전위 밀도는 여전히 108 cm-2 였다. 투과전자현미경을 이용하여 전위를 관찰해본 결과, 6도 기울어진 실리콘 기판 위에 성장한 게르마늄 에피층 내부에는 움직이지 못하는 칼날전위가 다수 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 칼날전위의 버거의 벡터는 최밀집면이 아닌 (001) 면상에 있기 때문에 이 전위는 움직일 수 없다. 따라서 열처리에 의한 이동이 불가능하기 때문에 열처리후에도 다수의 전위가 에피층 내부에 남아있는 것을 알 수 있었다. 하지만 결함밀도의 감소는 상부에 성장한 비화갈륨 에피층의 광학성질을 향상시켰다.

마지막으로 실리카 나노구체를 이용한 게르마늄 재성장을 진행하였다. 세코식각법을 이용하여 선택적으로 게르마늄 에피층의 결함을 식각하였다. 초기성장 게르마늄 에피층의 결함밀도는 6.44 x 108 cm-2 이며, 식각구덩이의 크기는 식각시간에 비례하여 증가하였으며, 과식각 시 식각구덩이들끼리 만나면서 표면이 거칠어 지는 것을 확인하였다. 60초동안 결함식각한 게르마늄 에피층 표면에 실리카 나노구체의 집적을 진행하였다. 실리카 나노구체가 분산되어있는 콜로이드 내부의 실리카 나노구체의 농도를 감소함에 따라서 식각구덩이가 아닌 평탄한 면상에 존재하는 실리카 나노구체의 양이 감소하였으며, 농도가 9/8 mg/ml 인 콜로이드 사용 시 식각구덩이에만 선택적으로 실리카 나노 구체를 집적할 수 있었다. 실리카 나노구체가 선택적으로 집적된 형판 우에 게르마늄 재성장을 진행하였다. 350-500 oC 의 성장온도에서 성장 시 모든 온도에서 3차원적인 성장을 하였다. 성장온도를 감소함에 따라서 {111} 면 성장이 억제되었으며, 실리카 나노 구체 위로 측면과성장이 진행되는 것을 확인하였다. 최종적으로 2단계 성장을 진행하여 실리카 나노구체를 모두 덮은 게르마늄 에피층의 성장이 가능하였다. 하지만 3차원적인 성장으로 인하여 매우 거친 표면이 얻어졌다. 투과전자현미경을 이용한 분석을 통하여 실리카 나노구체가 관통전위의 진행을 막았음을 확인할 수 있었지만, 실리카 나노구체에서부터 생성되는 관통전위도 관찰할 수 있었다. 이는 실리카 나노구체 위로 과성장하는 게르마늄들이 만날 때 오류가 발생하여 생성된 것으로 보인다. 하지만 최종적인 게르마늄 재성장 에피층의 전위밀도는 6.94 x 107 cm-2 로 감소하였으며, 10번의 주기적인 급속열처리를 통하여 1.4 x 107 cm-2로 결함밀도가 감소한 게르마늄 에피층을 얻을 수 있었다. 하지만 재성장한 게르마늄 에피층을 소자에 응용하기 위해서는 후속평탄화 과정이 필요할 것으로 생각된다.