As one of area dependent epitaxial growth techniques in organo metallic vapor phase epitaxy, bridged mask growth (BMG) technique is suggested and investigated. This thesis is a report of researches in BMG technique.
BMG technique employs plural of dielectric stripe bridges in the air for controlling the epitaxial growth characteristics under the bridges. The plural of SiNx bridges are sustained on the spacer tower those compose trench structure. The tops of the spacers are covered by the wide SiNx pads those keep the bridges in the air. The growth characteristics below bridges are controlling by the constrained diffusion through the bridges.
A structure of 500Å InGaAs/2μm~6μm InP/500Å InGaAs is suggested as a structure of spacers those composed wall of trench. With this structure of spacer and technique of selective etching, the bridges of 2,000Å thick, minimum 1μm wide and 20μm long are successfully fabricated. Using the selective etching technique, flat bottom of trench is achieved. The bridges of aforementioned dimensions are well sustained without breakage or loose against the stresses of N2 blowing, de-ionized water rinsing and thermal expansion during the fabrication processes and epitaxial growth.
InP homo-epitaxy are performed using BMG technique. The reduction in growth rate at inside of BMG pattern compared to that far from BMG pattern was confirmed using scanning electron microscope (SEM) and alpha step surface profiler. In BMG technique, the growth rate under the bridges is controlled by the fill factor rather than the individual widths of bridges ($W_m$) and open gaps ($W_g$) between the bridges. Here, the fill factor is defined as $W_m/(W_{m+}W_g$). In case of selective area growth (SAG), the growth rate at the SAG pattern cannot be explained in terms of fill factor. The difference between the BMG and SAG techniques in aspect of growth rate versus fill factor is come from the difference in the traveling length of reagent gas. In case of BMG technique, the growth rate is linearly depend on the fill factor. This linearity of growth rate versus fill factor will make the design of BMG pattern simple and easy.
Less than 5μm of transition length was observed as the extent of transition in the growth rate between the inside and outside of BMG pattern by SEM and alpha step surface profiler. This extent in transition of 5μm is very short compared to the cases of SAG and silicon-shadow mask growth (Si-SMG) and comparable to the butt coupling technique.
In case of short period of bridge and open gap widths, a atomically flat surface of epitaxially grown layer was confirmed by the phase contrast optical microscope and atomic force microscope (AFM). With larger period of bridges and open gap widths, a corrugated surface of epitaxially grown layer was observed. The occurrence of corrugation is depending on the spacer layer thickness. With thicker spacer layer, the corrugation is occurred in the larger repletion length of bridges and open gaps. The diffusion of reagent gas in the gas phase below bridges is a one of key factor to corrugated surface.
Below 0.24 of fill factor, the growth rate under the bridges is larger than that far from BMG pattern. Over 0.24 of fill factor, the growth rate under the bridges is smaller than that of field. This behavior of growth rate versus fill factor is explained by the SAG effect in BMG method. In case of BMG, the wide SiNx pads on the top of the spacers induce SAG effect. The effect of SAG in growth rate is compensated by the constrained diffusion through bridges at the fill factor of 0.24.
Using the BMG method, strain compensated InGaAsP/InGaAsP MQWs were successfully realized. The shift in photo-luminescence (PL) wavelength of MQWs under the bridges compared to that of field is observed. The shift of PL wavelength is well explained by the thickness variation induced by the bridges. The PL wavelength of BMG is well described by the fill factor rather than the individual dimensions of bridge and open gap.
The PL wavelengths inside and outside of BMG pattern changed within 20μm. The extent of transition in PL wavelength is very short compared to the cases of SAG and Si-SMG. The investigation of PL along the perpendicular to the trench direction show the epitaxial quality is uniform. This characteristic of uniform epitaxial quality is one of merit against to the case of embedded growth.
Similarly to the case of growth rate, the effect of SAG is observed in PL wavelength investigation. Using the data of PL wavelength transition in SAG case, the pure bridge effect is deducted from the transition of PL wavelength in BMG case. The pure bridge effect of wavelength transition is step-like. The minimized SAG effect in BMG technique can be achieved with maximized trench width and minimized spacer width. This tendency of step-like wavelength transition can suggest easy device design.
As a conclusion, the new epitaxial growth technique named as BMG is suggested and developed. This new technique has several merits over pre-existing epitaxial method. The merits of BMG method can be summarized as follows; the transition of epitaxial characteristics between the inside and outside of BMG pattern occurs in very short extent, so the more compact integration of devices is possible; in spite of rapid transition of growth characteristics at the edge of BMG pattern, there is no imperfection such like dislocation, so electrically stable quality of epitaxial layer can be anticipated; wide trench width is applicable, so uniform quality of epitaxial layer is easily achieved; the growth characteristics is controlled by the fill factor, so easy design of mask pattern is available; with minimizing the effect of SAG, the PL characteristic changed step-like at the edge of BMG pattern, so easy design of devices can be possible.
현재의 광통신의 발전은 반도체 레이저 다이오드등의 광소자의 발전과 궤를 같이하고 있다. 특히 InP를 기반으로 하는 InGaAs, InGaAsP 등의 III-V 족 화합물 반도체는 직접 천이 밴드 갭 특성을 갖고 있으며, 조성에 따라 밴드 갭 에너지가 0.7eV에서 1.35eV로 변할 수 있어 단일 모드 광섬유(single mode fiber)의 최저 분산 영역인 파장 1.3㎛ 와 최저 손실 영역인 파장 1.55㎛의 파장대에 대응되므로 장거리 광통신에 있어서는 필수 불가결한 소재가 되었다.[1~3] 우수한 특성의 광소자를 개발하기 위해 InP에 원하는 밴드 갭과 격자 상수를 갖는 반도체 박막을 성장하는 과정인 epitaxial growth 기술도 계속 발전하여왔다.
1970년대 및 1980년대 중반까지 널리 사용된 에피 결정 성장 방식인 LPE (Liquid Phase Epitaxy) 방법이 성장 속도가 매우 빨라 이로 인해 매우 얇은 두께를 갖는 박막의 성장에는 어려움이 있었으며[4,5] 이 문제를 극복하기 위하여 유기 금속 기상 성장법 (organo metallic vapor phase epitaxy ; OMVPE)[6,7], 분자선 증착법 ( molecular beam epitaxy; MBE)[8,9]등의 에피 성장 방식이 개발, 발전 되어 왔다. 에피 성장 장비의 발달과 더불어 에피 성장 기술도 발전하여 왔으며, 계단형 상태 밀도 수 (density of state ; DOS)를 갖는 구조인 양자 우물 구조(quantum well; QW)의 성장법, heavy hole과 light hole의 축퇴를 깨기 위한 응력이 가해진 양자 우물 구조의 개발 등 물질의 특성을 바꾸는 연구가 진행 되어 왔다.[10,11] 이와 동시에 여러 가지 기능을 갖는 다양한 소자를 한 웨이퍼 위에 집적하기 위한 집적화의 연구가 다양한 형태로 진행 되어왔다.[12-19]
광소자의 집적은 전기적 신호를 광 신호로 변환시켜주는 반도체 레이저 다이오드와 광신호를 전기 신호로 바꾸어주는 수광소자, 광 필터, 광 증폭기 등의 다양한 광소자를 여러 가지 조합으로 집적 시키는 기술이다. 이러한 집적된 광소자를 몇 가지 예로 들면 광변조기가 집적된 DFB-LD[13], 광변조기가 집적된 DBR-LD[14], mode size converter가 집적된 LD[15], 한번의 에피 성장으로 다양한 발진 파장을 갖는 laser array[18], 광소자와 전자소자를 집적한 transceiver[19] 등 다양한 조합이 가능하게 된다. 다양한 소자를 한 웨이퍼 위에 집적 시키는 monolithic 집적 방식은 각각의 소자를 각기 다른 웨이퍼에 제작하여 집적 시키는 방식인 hybrid 방식에 비해, 높은 신뢰도와 더 나은 특성 및 저 가격화의 장점으로 인해 많은 연구가 이루어 져 왔다. 여러 기능을 한 웨이퍼 위에 동시에 제작하는 집적형 광소자로의 발전은 광소자의 저 가격화를 가능하게 하여 좀 더 빨리 정보 통신의 세계를 열어가는데 일조 할 것이다.
광소자의 특성을 개선하고 가격을 낮추는데 필수적인 monolithic 소자 집적 기술로는 butt coupling 기법과, 웨이퍼 표면의 지역에 따라 다른 특성을 갖는 에피를 성장 하는 기술인 선택적 결정 성장 기법(selective area growth; SAG)의 두 가지 기법이 대표적으로 사용 되고 있다. 이중 butt coupling 기법은 각각의 소자를 독립적으로 최적화 할 수 있다는 장점이 있으나, butt coupling 영역에서 발생하는 결정 결함에 의한 소자 특성의 저하 및 접합부에서의 급격한 변화에 따른 광의 흡수 및 산란 손실이 광소자의 안정적 동작을 저해하는 요소로 작용하고 있다[20-23]. 이에 비해 SAG 기법은 집적되는 각각의 소자를 독립적으로 최적화 할 수는 없으나 접합 부위에서의 mode matching 문제를 줄일 수 있다는 장점이 있으며, butt-coupling에 비해 에피 성장 횟수가 적다는 장점이 있다[15,16,18]. 이런 장점으로 인해 SAG 기법은 접합부에서의 광의 반사 또는 손실이 심각한 문제로 대두되는 spot size converter가 집적된 광 증폭기(optical amplifier) 등의 제작에 사용되고 있다[24]. SAG기법은 SAG로 성장되는 부분이 SAG가 적용되지 않는 부위에 대해 성장 속도가 늘어나게 된다.[25-27] 이런 특성을 multi quantum well 구조에 적용 할 경우, SAG로 성장 되지 않은 부분에 비해 SAG로 성장 되는 부위에서의 energy band gap이 적색 편이가 일어나게 된다.[28,29] 그러므로 SAG를 레이저 다이오드와 광 변조기의 소자 집적에 사용 할 경우 상대적으로 낮은 에너지 밴드갭이 요구되는 레이저 다이오드를 SAG 성장 시켜야 하고 이에 비해 상대적으로 큰 에너지 밴드갭이 요구되는 광 변조기 부분을 SAG 처리 되지 않은 지역에 성장 시켜야 한다. 일반적으로 SAG로 성장 된 부위의 에피 특성이 SAG를 가하지 않은 부위에 비해 나빠지게 된다. 그러나 레이저 다이오드는 active서 소자로 고품질의 에피 특성이 요구되며, 광변조기 부분은 이에 비해 상대적으로 에피 특성이 레이저 다이오드에 비해 나빠도 됨에 비해 SAG 기법은 에피의 품질 특성이 이에 반대되는 경향을 보인다. 그러므로 인위적인 변형을 가한 부분이 energy band gap의 청색 변이가 일어나는 에피 성장법이 레이저 다이오드와 modulator의 집적에는 더 적절한 방법이다. 이러한 특성을 가지는 비평면 성장 기법으로 embedded growth[30-34], silicon-shadow mask growth (Si-SMG) 등의 방법이 제시 되었다[35,36]. 그러나 기존에 제시된 EMG 법은 매우 두꺼운 반도체 희생층을 사용하여야 된다는 점과 trench 폭이 매우 좁아야 하므로 성장 특성의 조절이 어려운 문제가 있으며, Si-SMG 법은 현재 OMVPE에서 주로 채택되고 있는 고속 회전형 장비에는 채택 되기 어려운 단점 등으로 SAG에 비해 널리 채택되지 못하고 있다
본 고에서는 지역 별로 상이한 성장 특성을 갖는 에피 성장 방식으로 bridge mask growth(BMG) 에피 성장 방식을 제시하고 이 성장 방식과 기존의 butt coupling, SAG, EMG, Si-SMG 방식의 에피 성장 법과의 차이를 논하도록 한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 제 2장에서 기존에 제시된 소자 집적 방법인 butt coupling, SAG, EMG, SMG 방법 등에 대해 간단히 고찰하고 각 에피 성장법의 장단점을 분석한다. 제 3 장에서는 BMG 법을 위한 기판 준비 과정을 상술하고 제 4장에서는 BMG을 이용한 InP의 성장 실험 결과 및, InGaAsP/InGaAsP MQW 의 성장 실험 결과를 상술한다. 제 5 장에서는 본 연구의 결과를 정리 요약한다.
