The antimony (Sb)-based III-V compound semiconductors are excellent candidates for high-speed and low-power electronic devices for data processing, communication, imaging, sensing, and particularly portable equipments. Specially, Sb-based heterostructures formed from III-V compound semiconductors with the nearly lattice-matched $6.1 \mbox{\AA}$ as lattice constant (GaSb, AlSb, InAs, and related alloys) have attracted significant interest because of their enormous flexibility. These applications of Sb-based III-V compound semiconductors require the control of structural and electronic properties at nanometer scale. Sb-based quantum heterostructures with narrow layers provide significant challenge to molecular beam epitaxy (MBE) growth technology, conventional materials characterization techniques, heterostructure physics and device modeling. However, unfortunately, none of the binary and few of the ternary Sb-based compound semiconductors are lattice matched to GaAs and/or InP. There are few reports on the studies of Sb-based III-V compound semiconductors on silicon (Si) substrate due to a large mismatch in comparison with arsenides, nitrides, and phosphides. In addition, the growth of Sb-based compound semiconductors on Si substrate causes the generation of defects by polar/non-polar system, such as antiphase domain boundary (ADB). In this dissertation, the growth behavior of the Sb-based III-V compound semiconductors on Si and GaAs substrates by MBE method and their structural properties were covered to achieve a high-quality Sb-based heterostructures. Specifically, the role of buffer system and the growth mechanism of polar materials on polar (GaAs) and/or non-ploar (Si) substrates were detailedly studied from a structural viewpoint using transmission electron microscopy (TEM).
Structural properties and growth mechanism of gallium antimonide (GaSb) on Si and GaAs substrate were studied in chapter 3. Specifically, a role of low-temperature (LT) AlSb buffer was widely treated from a structural point of view.
GaSb was grown to 3D islands and coalesced into bigger islands when they are directly grown on Si substrate to the thickness of 250 nm. The growth directions have been tilted with the specified orientation relation between GaSb and Si substrate to reduce the lattice misfit at a few islands. It was observed the tilting of GaSb grains occurred through twin boundaries. The relative orientation of GaSb $<1\overline {1} 0>$ // Si $<1\overline {1} 0>$ and GaSb ${\overline {1}{1}1}$ // Si {220} was observed at the tilted interface. A LT AlSb buffer plays a key role for the growth of high quality GaSb layer on Si substrate. GaSb layers were epitaxially grown when a LT AlSb buffer was introduced on the interface. Only 90° misfit dislocations, which are the most efficient dislocation for the misfit strain relaxation because the Burgers vector puts on {001} plane, were observed at the interface when a GaSb layer was grown on the LT AlSb buffer. In the experiment, the average spacing of 90° misfit dislocations was close to the theoretical value $(~ 35.2 \AA)$ to relax completely the misfit strain by lattice mismatch between GaSb and Si substrate. At the initial growth stage, the GaSb directly deposited on Si substrate was grown to 3D island structure surrounded by low-index planes. On the other hand, when the LT AlSb buffer was introduced, the GaSb grew closly to 2D layer-by-layer structure. The LT AlSb buffer, in actuality, which shows 3D island-like morphology, forces the increasing of nucleation rate and the decreasing of surface migration of reacting materials. The polar property of GaSb grown on Si substrate was free from the effect of the substrate. On the other hand, when GaSb was grown on GaAs substrate, its polar property was affected by the substrate. Elongated islands along the $[1\overline {1} 0]$ direction were observed on the surface. GaSb, like the growth on Si substrate, grew closer to 2D layer-by-layer growth mode on the LT AlSb buffer. Two different growth modes in GaSb islands directly grown on GaAs substrate were observed, although the misfit strain in 3D island growth is relaxed by the introduction of misfit dislocations in both of two growth modes. One type is related to the bending phenomenon of the GaSb/GaAs interface. The other type shows an intermediated layer between GaSb and GaAs substrate. The surface bending phenomenon and the existence of intermediated layer are related to the strain relaxation. A periodic array of 90° misfit dislocations localized at the interface between GaSb and GaAs substrate was observed along the <110> direction as shown in the growth on Si substrate. However, because the average separation distance of 90° dislocations ranges approximately from $56 \AA$ to $60 \AA$, it is much larger than that of the GaSb/Si heterostructure. This value approximates to the theoretical value to efficiently relax the misfit strain. When a LT AlSb buffer was introduced between GaSb and GaAs substrate, the GaSb/GaAs interface was very homogeneous and the GaSb islands show a very small aspect ratio.
In chapter 4, the growth of InSb thin film was studied to clarify the effects of step-graded buffer systems and the low-temperature (LT) InSb initiation layer. The temperature and V/III ratio dependences in the growth of $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ layered structure were investigated in the last part.
The large lattice mismatch of approximately 19.3 % between InSb and Si substrate is significantly reduced by using the $In_{1-x}Al_xSb$ step-graded buffer layer. Exactly, the density of threading dislocations was reduced by using the $In_{1-x}Al_xSb$ step-graded buffer systems. In addition, many dislocations were annihilated at the interfaces between layered buffers. However, the interfaces between $In_{1-x}Al_xSb$ buffer layers and/or individual $In_{1-x}Al_xSb$ layer can play a role as the generation sites for stacking faults and microtwins. Since, a lad $In_{1-x}Al_x$Suffer system might degrade the structural and electrical properties of InSb layer. A lot of planar defects and surface steps were observed in the InSb thin film directly grown on the AlSb buffer layer. On the other hand, when the InSb thin film was grown via two-step growth method, it was nearly free from the planar defects and had a smooth surface. Not only the LT InSb initiation layer relaxes the misfit strain in the InSb thin film by introducing 90℃ dislocations on the interface, it prevents defects from being generated and propagating through the interface by trapping as well. The average spacing between two 90° dislocations at the InSb/AlSb interface is approximately 96.8℃. Finally, the crystalline quality of $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ heterostructures was improved by lowering the V/III flux ratio at the fixed temperature (380℃) and increasing the growth temperature at the fixed V/III ratio (6). Many planar faults, including microtwins, were observed in the of $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ layer grown at the Sb-rich condition. Specifically, V-shaped defects related to the microtwins were observed. On the other hand, of $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ layered structure grown at the optimal condition are free from planar faults. Growth conditions, like temperature and V/III flux ratio, must be carefully selected for a high quality of $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ layer considering misfit strain, surface migration length, and surface tension.
Antimony 계 III-V 족 화합물 반도체는 정보 통신이나 휴대용 장비 및 인공 위성 장비를 위한 저전압 초고속 전자 소자를 위한 중요한 재료로 인식되고 있다. 특히, 6.1 Å 정도의 격자 상수를 가지는 III-V 족 화합물 반도체 재료들로 이루어진 antimony 계 화합물 반도체 이종접합구조는 넓은 범위에서 물리적 특성 제어가 가능하기 때문에 많은 관심이 집중되고 있다. 이러한 antimony 계 화합물 반도체가 실제 소자로 응용되기 위해서는 정밀한 구조적 특성과 전기적 특성의 제어가 요구된다. 따라서 이러한 antimony 계 화합물 반도체에 관한 연구는 기존의 박막 증착 기술이나 재료 특성 평가 기술, 이종접합구조의 물리적 현상 연구 등에 있어서 새로운 도전을 요구하고 있다.
그러나 antimony 계 화합물 반도체는 기존에 다른 III-V 족 화합물 반도체 재료에서 이종접합구조 형성을 위한 기판으로 사용되어지고 있는 GaAs나 InP와 큰 격자불일치도를 가지기 때문에 이러한 기판 위에서 이종접합구조를 형성하는 것은 매우 어려운 일이다. 특히, 반도체 산업에서 널리 사용되고 있는 실리콘 (Si) 기판 위에 antimony 계 화합물 반도체의 이종접합구조 성장에 관한 연구는 미미하다. 따라서 본 논문에서는 Si 기판과 GaAs 기판 위에 antimony 계 화합물 반도체의 고품질 이종접합구조를 성장시키기 위하여 antimony 계 III-V 족 화합물 반도체의 성장 기구와 구조적 특성에 관한 연구를 수행하였다. 특히, 투과전자현미경을 이용하여 큰 격자불일치도를 감소시키기 위하여 사용된 완충층의 역할과 격자불일치에 의해 만들어지는 결정 결함의 거동, 이종접합구조의 기판의존성에 관하여 연구하였다.
Si 기판과 GaAs 기판 위에 성장된 GaSb 의 구조적 특성과 성장 기구에 관한 연구가 3장에서 진행되었다. Si 기판 위에 250 나노미터의 두께로 바로 증착된 GaSb 박막은 3차원 섬 형상으로 성장하거나, 또는 그들이 합쳐져서 늘어진 섬 형상으로 성장하였다. 이 경우에 일부의 섬 형상으로 성장한 GaSb 에서 격자불일치도를 줄이기 위하여 Si 기판과 특정한 방향 관계를 유지하며 그 성장 방향을 변화시키는 현상이 발견되었다. 이러한 GaSb 에서 성장방향의 변화는 쌍정립계를 통하여 진행하였다. Si 기판과 GaSb <1$\overline{1}$ 0> // Si <1$\overline{1}$0> 과 GaSb ${\overline {1}{1}1}$ // Si {220} 의 결정학적 방향 관계를 만족시키고 있는 GaSb 과 관찰되었다. 이러한 방향 관계를 가질 때의 격자불일치도는 GaSb 가 Si 기판과 GaSb $<1\overline {1} 0>$ // Si $<1\overline {1} 0>$ 과 GaSb {111} // Si {111} 의 방향 관계를 가질 때 보다 3.2 % 가량 감소하였다 (12.3 % -> 9.1 %).
이와는 달리, 저온 AlSb 완충층을 Si 기판과 GaSb 사이에 증착하였을 경우에 GaSb 는 layer-by-layer 구조로 성장하였다. 이러한 결과로부터 저온 AlSb 완충층이 GaSb 의 이종접합구조 형성을 위하여 중요한 역할을 한다는 것이 확인되었다. 특히, 저온 AlSb 완충층 위에 증착된 GaSb 와 Si 기판 사이에서는 격자불일치에 의한 불일치 응력 변형을 가장 효율적으로 완화시킬 수 있는 90도 전위의 주기적 배열이 관찰되었다. 90도 전위의 주기적 배열에서 두 90도 전위 간의 평균 거리는 격자불일치에 의해 유발된 불일치 응력 변형을 완전하게 제거할 수 있는 이론적인 값에 근접하고 있었다 $(~ 35 \AA)$. 저온 AlSb 완충층의 역할을 확인하기 위하여 아주 얇은 GaSb 가 증착되었다 (두께 ~ 5 나노미터). Si 기판 위에 바로 증착된 GaSb 는 두껍게 증착된 GaSb 와 마찬가지로 3차원 섬 형상으로 성장하였으며, 3차원 섬들의 표면은 낮은 지수를 가지는 면들로 이루어져 있었다. GaSb 섬들의 높이는 100 나노미터 이상으로 매우 높았으며, 그들의 aspect ratio (폭에 대한 높이의 비) 는 1/2 에서 3/4 정도의 값을 가졌다. 반면에 저온 AlSb 완충층 위에 증착된 GaSb 는 증착 초기에 이미 layer-by-layer 구조에 가깝게 성장하였으며, 그 높이와 aspect ratio 는 각각 20 나노미터 이하와 1/3 이하로써 Si 기판 위에 바로 증착된 GaSb 보다 훨씬 작은 값들을 보였다. 이러한 결과로부터, 저온 AlSb 완충층은 핵생성과 성장 초기 단계에서 핵생성 속도를 향상시키고 기판 표면에서 반응물들의 이동을 억제함으로써 layer-by-layer 성장을 가능하게 하는 것으로 판단된다. 그리고 이 실험에서는 GaSb 와 Si 기판 사이의 계면에서 60도 전위가 많이 관찰되었다. 이러한 결과들로부터 성장 초기의 60도 전위들이 연속되는 성장 중에 그들의 반응에 의해 90도 전위로 변화하는 것으로 생각된다. 또한 이 실험에서 Si 기판 위에서 완충층의 존재에 관계없이 증착된 GaSb 의 극성 특성은 Si 기판에 의해 영향을 받지 않는 것으로 확인되었다.
반면에, GaAs 기판 위에 증착된 GaSb 는 극성 특성을 나타내었다. GaSb 는 GaAs 기판 위에서 $[1\overline{1}]0]$ 방향으로 늘어진 섬 형상으로 성장하였다. 저온 AlSb 완충층이 GaSb 와 GaAs 기판 사이에 증착되었을 경우에는 Si 기판 위에서와 마찬가지로 layer-by-layer 성장 특성이 향상되었다. GaAs 기판 위에 바로 증착된 GaSb 섬들에서, 비록 GaSb 섬 내부에 불일치 전위의 존재에 의해 응력 변형의 완화가 일어난다고 할지라도, 두 가지 특징적인 성장 모드가 관찰되었다. 첫 번째 모드에서는 GaSb 와 GaAs 기판 사이 계면에서 ‘휘어짐 현상 (bending phenomenon)’이 관찰되었으며, 다른 한 가지 모드에서는 GaSb 와 GaAs 기판 사이에 ‘중간층 (intermediated layer)’의 존재가 확인되었다. 이러한 특이한 성장 거동은 격자불일치에 의해 유발된 응력 변형의 완화와 관련되어져 있다. GaAs 기판 위에서 GaSb 의 성장에서도 그 계면에서 <110> 방향을 따라 90도 전위의 주기적 배열이 관찰되었다. 그러나 이러한 90도 전위들 사이의 간격은 $56\{AA}$ 에서 $60 \{AA}$ 정도로써 Si 기판 위에서 보다 훨씬 큰 값을 가진다. 이러한 현상은 GaSb 가 Si 기판 보다는 GaAs 기판과 더 작은 격자불일치도를 가지기 때문이다. 저온 AlSb 완충층이 GaSb 와 GaAs 사이에 증착되었을 때 그 계면은 매우 균일하였으며, Si 기판에서와 마찬가지로 그 높이와 aspect ratio 가 크게 감소하였다.
4장에서는 step-graded InxAl1-xSb 완충층과 저온 InSb 완충층 위에서 증착된 InSb 박막의 구조적 특성과 그러한 완충층들의 역할이 연구되었다. 마지막 부분에서는 $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ 이종접합구조 성장의 온도와 V/III 비에 대한 의존성이 연구되었다.
Si 기판과 InSb 사이의 19.3 % 에 달하는 큰 격자불일치도는 step-graded $In_xAl_{1-x}lSb$ 완충층의 도입에 의해 크게 감소될 수 있다. 이러한 격자불일치도의 감소는 이종접합구조의 형성을 가능하게 하고 결함의 발생을 감소시킬 수 있다. 실제로 InSb 는 Si 기판 위에 증착된 step-graded $In_xAl_{1-x}lSb$ 완충층 위에서 이종접합구조로 성장하였다. 또한, InSb 박막의 통과 전위 밀도의 감소와 step-graded $In_xAl_{1-x}lSb$ 완충층에 의한 전위의 소멸 현상이 확인되었다. 그러나 step-graded $In_xAl_{1-x}lSb$ 완충층 내부나 $In_xAl_{1-x}lSb$ 층들 사이의 계면은 적층결함이나 쌍정결함의 생성 위치를 제공하였다. 이러한 적층결함이나 쌍정결함은 InSb 박막의 특성에 나쁜 영향을 미치고 있었다.
이러한 step-graded $In_xAl_{1-x}lSb$ 완충층의 역할을 대신하기 위하여 저온 InSb 완충층이 AlSb 층 위에 증착되었다. AlSb 층 위에 바로 증착된 InSb 박막에서는 많은 면결함과 표면에서의 계단들 (surface steps) 이 관찰되었다. InSb 박막의 구조적 특성은 저온 InSb 완충층의 도입에 의해 크게 향상되었다. 면결함과 표면 계단은 저온 InSb 완충층의 도입에 의해 거의 완전하게 제거되었다. 저온 InSb 완충층은 AlSb 층과 InSb 박막 사이의 계면에서 90도 전위를 형성함으로써 응력 변형을 제거할 뿐 만 아니라, 아래 층들로부터 유발되어 InSb 박막 내부로 전파되는 결함을 계면에서 소멸시키고 계면에서의 결함 생성을 억제시킴으로써 InSb 의 구조적 특성을 향상시킬 수 있었다. 마지막으로, $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ 이종접합구조의 결정 특성은 동일한 성장 온도 (380 ℃) 에서 V/III 비의 감소와 동일한 V/III 비 (6) 에서 성장 온도의 증가에 의해 향상되었다. Antimony (Sb)-rich 조건에서는 많은 면결함들 (특히, 쌍정) 이 $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ 이종접합구조에서 관찰되었다. 특히, 쌍정들에 의해 경계가 만들어지는 V 자 형상의 결함들이 많이 관찰되었다. 최적화된 조건에서 성장된 $In_{0.8}Al_{0.2}Sb/InSb$ 이종접합구조에서는 면결함들이 관찰되지 않았다. 따라서 고품질의 이종접합구조를 형성하기 위해서는 불일치 응력 변형과 표면에서 반응물의 이동, 표면 장력 등을 고려하여 성장 조건을 선택하여야 한다.
