Epitaxy ( epitaxial growth, 에피택셜 성장 )

정의상 가정	Chemical Vapor Deposition(CVD)
내용상 가정
공식
단위
응용

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에피택셜 성장이란 기판 위에 방향성을 가지는 단결정 막을 성장하는 것으로 defact 없이 perfect semiconductor를 만들수 있지만, 그 속도가 매우 느려 현재 연구용으로 사용합니다.

이 epitaxy에는 homo epitaxy(Si/Si, SiC/SiC, GaAs/GaAs, GaN/GaN)와 hetero epitaxy(Si/Ge, GaN/Sic, GaN/Al2O3, AlAs/GaAs)가 있습니다. homo epitaxy는 동일물질로 증착하기 때문에 문제가 없지만,

homo epitaxy는 hetero epitaxy의 경우 이종의 물질로 증착하는 것으로 기판과 증착하고자 하는 물질의 원자 크기가 달라 dislocation과 strain이 발생합니다. 

이러한 것을 나타내는 것을 Lattice misfit이라하고 lattice mismatch, 즉 기판과 film의 lattice가 얼마나 잘 일치하는냐를 의미합니다. 

이며 이런 관점에서 볼때 박막증착은 다음과 같은 고려사항으로 이루어지게 됩니다.

최선으로 1. same or similar crystal structure이고, 차선으로 2. less lattice mis match이고 그 다음에 similar thermal expansion coefficient입니다. 마지막 사항은 film과 substrate의 열팽창계수가 다르다면, 온도변화시 즉 증착할때의 hot에서 평소상태 cold로 오게되면 휘게 됩니다. 휘면 자연적으로 stress가 발생하게 됩니다.

이때 위 그림과 같은 stress를 줄이기 위해 layer growth island와 defect dislocation을 만들게 되고, 아래그림 오른쪽과 같이 misfit dislocation이 생기는데 이럴경우 이 dislocation부근에 불안정하여 전자 trap이 생깁니다.

아래 그림은 이 misfit으로 인해 생길 수 있는 defect의 종류를 종리해 논것입니다.

expitaxy의 종류로는 VPE(Vapor-phase epitaxy), LPE(Liquid-phase epitaxy)으로 기상, 액상을 source로 이용하는 것이있습니다. 이는 CVD와 거의 비슷합니다. MBE(molecular beam epitaxy)는 molecular beam을 이요하는 것으로 PVD의 evaporator와 비슷합니다.

순서대로 LPE->VPE->MOCVD->MBE로 발전됬으며 LPE는 두껍고, VPE는 독성에 폭발 위험이 있고, MOCVD는 독성이 매우 강하고 MBE는 낮은 압력이 필요합니다. 이때 MBE는 melting pooint가 높아 이온빔을 이용합니다.

간단하게 살펴보자면

LPE는 source를 녹인 것을 기판이 지나갈때 뭍히는 것이고 이는 다양한 물질의 layer by layer가 가능합니다.

성장속도가 높으나 결정성이 낮고 두깨차이가 울퉁불퉁해 poor thickness uniformity입니다.

참고로 GaN기판은 단결정체가 어려워 Al2O3을 증착후 자르는 방식으로 진행됩니다.

VPE는 hydride(HVPE), chloride(Cl-VPE), Metal-organic(MOVPE)의 종류가 있습니다.

진행 과정은 아래 그림과 같이 bulk flow가 gas diffusion으로 surface에 가면 absorption onto surface한뒤 surface diffusion(migration)을 거쳐 surface reaction(growth) 후 desorption of byproducts의 과정으로 진행이 됩니다.

Hydride vapor phase epitaxy(HVPE)의 경우 3족에는 GaCl, InCl같은 chlorides물질이 들어가고, 5족 물질에는 hydrides인 NH3, PH3, AsH3와 같은 물질이 들어갑니다.

또한 Chloide vapor phase epitaxy의 경우

3족은 chloides 5족도 chlorides가 들어가

Metal organic vapor phase epitaxy의 경우에는 3족이 metal organic compounds이고 5족이 hydrides입니다. 

이때 이는 박막층 미세제어가 가능합니다.

MOCVD는 진공에서 precursor gas molecules들이 들어오고 precursor가 surface으로 adsorption됩니다. 

그후 precursor가 decomposition되며, 마지막으로 byproduct gases들이 desorption됩니다.

아래 그림은 Atomic layer deposition(ALD)로 아주 느리고 아주 낮은 온도로 반복하여 하나하나 화학결합으로 증착하는 것입니다.

MBE는 기판에 고진공 상태에서 증착 성분의 분자선을 기판위에 차례로 주입하는 방법입니다.

이때 원통형의 셀(Effusion cell)을 가열하여 빔이 진공속에 사출되어 기판 표면으로 향해 film에 분자를 하나하나 증착시킵니다.

이는 thin film이 성장가능하고(mono layer), 큰 size에서는 uniformity의 문제가 있을 수 있습니다.

또한 연구용으로 in-situ즉 실시간 분석이 가능합니다.