수소화 처리된 InAs/GaAs 양자점 적외선 수광소자의 전기적 특성

남형도,송진동,최원준,조운조,이정일,최정우,양해석,Nam H.D.,Song J.D.,Choi W.J.,Cho W.J.,Lee J.I.,Choe J.W.,Yang H.S. 한국진공학회 2006 Applied Science and Convergence Technology Vol.15 No.2

InGaAs/GaAs 양자 우물 내에 삽입된 InAs 양자점으로 구성된 5층의 흡수층과 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As/GaAs$ SL (superlattice) 암전류 장벽층을 갖는 QDIP (quantum dot infrared photodetector) 구조에 대한 수소 RF 플라즈마에 의한 수소화 처리가 QDIP의 전기적. 광학적 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. RF 플라즈마 수소화 처리는 양자점의 밴드구조에 영향을 미치지 않았으며 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As/GaAs$ SL 암전류 장벽층 내의 결함 제거 및 QDIP 구조 내 결함 생성을 동시에 유도함으로써 QDIP의 전기적 특성 향상은 수소 플라즈마 처리시간의 함수임을 알았다. 20 W의 수소 RF 플라즈마를 사용했을 때, 10분간의 플라즈마 조사가 가장 좋은 전기적 특성을 제공하여 높은 암전류 때문에 원시료에서는 측정 할 수 없었던 광전류 신호를 측정 할 수 있었다. In this paper, we investigated the effect of hydrogen-plasma (H-plasma) treatment on the electrical and optical properties of a quantum dot infrared photodetector (QDIP) with a 5-stacked InAs dots in an InGaAs/GaAs well structure and $Al_{0.3}Ga_{0.7}As/GaAs$ SL (superlattice) current blocking layer. It has been observed that H-plasma treatment didn't affect the band structure of QDIP. It has been also observed that the H-plasma treatment on the QDIP not only enhance the electrical property of QDIP by curing the defect channels in $Al_{0.3}Ga_{0.7}As/GaAs$ SL but also introduce defects in QDIP structure. The H-plasma treatment for 10 min with 20 W of RF power provided the lowest dark current, which made it possible to measure the photo-current (PC) of QDIP whose PC was not detectable without the H-plasma treatment due to the high dark current.

고분해능 XRD 분석에 의한 InAs/GaSb 응력초격자 구조의 성장 최적화 연구

김준오,신현욱,최정우,이상준,김창수,노삼규,Kim, J.O.,Shin, H.W.,Choe, J.W.,Lee, S.J.,Kim, C.S.,Noh, S.K. 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.4

For the growth optimization of InAs/GaSb (8/8-ML) strained-layer superlattice (SLS), the structure has been grown under various conditions and modes and characterized by the high-resolution x-ray diffraction (XRD) analysis. In this study, the strain modulation is induced by changing parameters and modes, such as the growth temperature, the ratio of V/III beam-equivalent-pressure (BEP), and the growth interruption (GI), and the strain variation is analyzed by measuring the angle separation of 0th-order satellite peak in XRD patterns. The XRD results reveal that the growth temperature and the V/III(Sb/Ga) ratio are major parameters to change the crystallineity and the strain modulation in SLS structures, respectively. We have observed that the SLS samples with compressive strain prepared in this study are show a transition to tensile strain with decreasing V/III(Sb/Ga) ratio, and the GI process is a sensitive factor giving rise to strain modulation. These results obtained in this study suggest that optimized growth temperature and V/III(Sb/Ga) ratio are $350^{\circ}C$ and 20, respectively, and the appropriate GI time is approximately 3 seconds just before InAs growth that the crystallineity is maximized and the strain relaxation is minimized. InAs/GaSb (8/8-ML) 응력초격자 (SLS)의 성장 변수를 최적화하기 위하여, 다양한 조건 및 모드에서 SLS 구조를 제작하여 고분해능 X선회절 (XRD) 특성을 분석하였다. 본 연구에서는 성장온도, V/III 분자선 비율, 성장일시정지 (growth interruption, GI) 등의 변화를 통하여 SLS 계면층의 응력 변조를 유도하였고, XRD 0차 위성피크의 변위로서 응력의 변화를 고찰하였다. XRD 분석 결과로부터, SLS의 결정성과 응력의 변화를 유발하는 주요 변수는 각각 성장온도와 V/III(Sb/Ga) 비율임을 보여 주었다. 압축변형을 가지고 있는 본 연구에서 제작한 SLS 시료는 V/III(Sb/Ga) 비율의 감소에 따라 인장변형으로 전환됨을 보여 주었으며, GI 모드 및 시간에 따라 응력이 민감하게 변함을 관측할 수 있었다. 본 연구 결과로부터, [InAs/GaSb]-SLS ([8/8]-ML)의 최적 성장온도와 V/III(Sb/Ga) 비율는 각각 $350^{\circ}C$와 20이고, 결정성을 극대화하고 응력완화를 감소시키기 위해서는 InAs 성장 직전 약 3초 동안의 GI방법이 유효함을 보였다.

계면 흡착에 의한 InAs/GaSb 초격자의 응력변조 효과

신현욱,최정우,김준오,이상준,김창수,노삼규,Shin, H.W.,Choe, J.W.,Kim, J.O.,Lee, S.J.,Kim, C.S.,Noh, S.K. 한국진공학회 2011 Applied Science and Convergence Technology Vol.20 No.1

In this study, the interface soaking effect in InAs/GaAs strained-layer superlattice (SLS) on crystalline phase modulation has been analyzed by the x-ray diffraction (XRD) curve. The strain variation induced by As and/or Sb soaking was determined by the separation angle between the substrate peak and the 0th-order superlattice satellite peak in the XRD spectra. Contrated that the As/InAs soaking arises minor GaAs-like interfacial layer, the Sb/GaSb soaking induces InSb-like one. The Fourier-transformed curves of the Pendellosung interference oscillation shows that the optimum soaking times of As/InAs and Sb/GaSb are 2 sec and 12 sec, at which the highest crystallineity has, respectively. An anomalous twin-peak phenomenon that a satellite peak splits into two peaks was observed in the SLS structure co-soaked by As and Sb at InAs${\rightarrow}$GaSb interfaces. We suggest that it may be resulted from coexistence of two kinds crystalline phases of InAsSb and GaAsSb due to intermixing of In${\leftrightarrow}$Ga and Sb${\leftrightarrow}$As. 본 연구에서는 InAs/GaSb 응력초격자(SLS)의 계면 흡착(soaking)에 의한 응력변조 효과를 X선회절(XRD)을 통하여 분석하였다. As과 Sb 흡착에 의하여 유도된 응력의 변화는 XRD 곡선의 기판피크과 0차 위성피크 사이의 분리각으로부터 조사하였으며, As/InAs 흡착은 약간의 GaAs-like 계면층을 유발하는 반면, Sb/GaSb 흡착은 InSb-like 계면상을 유도하는 것으로 분석되었다. Pendellosung 간섭진동의 Fourier 변환 곡선을 이용하여, [InAs/GaSb]-SLS 성장에서 결정성이 가장 우수한 최적 As/InAs와 Sb/GaSb의 흡착시간은 각각 2 sec와 10 sec임을 밝혔다. InAs${\rightarrow}$GaSb 계면에 As과 Sb를 동시에 흡착시킨 SLS에서 XRD 위성피크가 2개로 분할되는 특이한 쌍정현상이 관측되었는데, 이것은 계면에서 In${\leftrightarrow}$Ga 및 Sb${\leftrightarrow}$As 상호혼합에 의한 InSbAs와 GaAsSb의 2종의 결정상이 공존함으로써 발생한 현상으로 추정된다.

적외선검출소자를 위한 GaSb 결정 및 MBE로 성장한 Gasb/SI-GaAs 박막의 진성결함에 관한 연구

김준오,신현욱,최정우,이상준,노삼규,Kim, J.O.,Shin, H.W.,Choe, J.W.,Lee, S.J.,Noh, S.K. 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.2

Sb에 기초한 응력 초격자 적외선검출소자의 구성 물질인 도핑하지 않은 기판 GaSb 결정과 GaSb/SI-GaAs 박막에 잔존하고 있는 진성결함 (intrinsic defect)을 비교 조사하였다. 상온 근처 (250 K)까지 광여기 발광 (PL)을 보이는 GaSb 결정에서의 발광 에너지의 온도의존성으로부터, 밴드갭 에너지에 관한 경험식인 Varshni 함수의 파라미터 ($E_o$, $\alpha$, $\beta$)를 결정하였다. GaAs 기판 위에 성장된 이종 GaSb 박막에서는 GaSb 주요 진성결함으로 알려져 있는 29 meV의 이온화 에너지를 가지는 위치반전 (antisite) Ga ([$Ga_{Sb}$]) 결함과 함께 위치반전 Sb ([$Sb_{Ga}$])와의 복합결함 ([$Ga_{Sb}-Sb_{Ga}$])과 관련된 것으로 분석된 732/711 meV의 한 쌍의 깊은준위 (deep level)가 관측되었다. PL의 온도 및 여기출력 의존성을 분석하여, Sb-rich상태에서 성장된 GaSb 박막에서는 잉여 Sb의 자발확산 (self-diffusion)에 의하여 치환된 위치전도 [$Ga_{Sb}$] 및 [$Sb_{Ga}$]가 결합하여 [$Ga_{Sb}-Sb_{Ga}$]의 깊은준위를 형성하는 것으로 해석되었다. We have investigated the intrinsic defects remaining in epitaxial GaSb layers grown on SI-GaAs substrates compared to those in bulk GaSb crystal substrate, which is a basic material of Sb-based strained-layer superlattice infrared photodetectors. From the functional dependence of the band-to-band transition energy of the photomuminescence (PL) spectra observing up to near room-temperature (250 K), the temperature parameters of [$E_o$, $\alpha$, $\beta$] of undoped GaSb crystal are determined by using the Varshni empirical equation describing the temperature variation of the bandgap energy. Additionally to the antisite-Ga ([$Ga_{Sb}$]) with an ionization energy of 29 meV that is well known to a major intrinsic defect in GaSb, epitaxial GaSb layers show a pair of deep states at the emission energy of 732/711 meV that may be related with a complex of two antisite-Ga and antisite-Sb ([$Ga_{Sb}-Sb_{Ga}$]). Based on the analysis of the temperature and the excitation-power dependences of PL, it suggests that excess-Sb substitutes Ga-site by self-diffusion and two anti sites of [$Ga_{Sb}$] and [$Sb_{Ga}$] could form as a complex of [$Ga_{Sb}-Sb_{Ga}$] in GaSb epilayers grown under Sb-rich condition.

광학적 방법으로 측정된 양자우물 안의 InAs 양자점의 에너지 준위

남형도,곽호상,송진동,최원준,조운조,이정일,조용훈,최정우,양해석,Nam H.D.,Kwack H.S.,Doynnette L.,Song J.D.,Choi W.J.,Cho W.J.,Lee J.I.,Cho Y.H.,Julien F.H.,Choe J.W.,Yang H.S. 한국진공학회 2006 Applied Science and Convergence Technology Vol.15 No.2

PL (photoluminescence), PLE (PL excitation) 그리고 근 적외선 투과 분광법을 활용하여 InAsGa/GaAs 우물 내 InAs 양자점 구조의 광학적 특성과 전자 버금 띠 구조에 대하여 연구하였다. 투과 스펙트럼과 PLE 스펙트럼으로부터 InAs 양자점 내 세 개의 구속 상태와 InGaAs/GaAs 우물 내에 두 개의 구속 상태가 존재함을 발견하였고, 광전류 스펙트럼에서 관측된 버금 띠 사이 전이들과 연관지어 해석하였다. We investigated the optical property and the electronic subband structure of InAs quantum dots in an InAsGa/GaAs well structure utilizing photoluminescence (PL), PL excitation (PLE) and near infrared transmission spectroscopy. From transmission and PLE spectra, we found three bound states in the InAs quantum dot and two bound states in InGaAs/GaAs quantum well, and correlated to the results of intersubband transitions observed in photocurrent spectrum.

InAs/GaSb 응력초격자를 이용한 적외선검출소자의 제작 및 특성 연구

김준오,신현욱,최정우,이상준,김창수,노삼규,Kim, J.O.,Shin, H.W.,Choe, J.W.,Lee, S.J.,Kim, C.S.,Noh, S.K. 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.2

150 주기의 InAs/GaSb (8/8-ML) 제2형 응력초격자 (SLS)를 활성층에 탑재한 초격자 적외선검출소자 (SLIP) 구조를 MBE 방법으로 성장하고, 직경 $200{\mu}m$의 개구면을 가지는 SLIP 개별소자를 시험 제작하였다 고분해능 투과전자현미경 (TEM) 이미지의 휘도분포와 X선회절 (XRD) 곡선의 위성피크의 분석 결과는 SLS 활성층은 균일한 층두께와 주기적 응력변형을 유지하는 급격한 계면의 초격자임을 입증하였다. 흑체복사 적외선 광원을 이용하여 측정한 입사파장 및 인가전압에 따른 반응도 (R)와 검출률 ($D^*$)로부터, 차단파장은 ${\sim}5{\mu}m$이고 최대 R과 $D^*$ ($\lambda=3.25{\mu}m$)는 각각 ${\sim}10^3mA/W$ (-0.6 V/13 K)와 ${\sim}10^9cm.Hz^{1/2}/W$ (0 V/13 K)임을 보였다. 반응도의 온도의존성으로부터 분석한 활성화에너지 275 meV는 광반응 과정에 개입되어 있는 가전대 및 전도대 부준위 사이의 에너지 간격 (HH1-C)과 잘 일치하였다. The superlattice infrared photodetector (SLIP) with an active layer of 8/8-ML InAs/GaSb type-II strained-layer superlattice (SLS) of 150 periods was grown by MBE technique, and the proto-type discrete device was defined with an aperture of $200-{\mu}m$ diameter. The contrast profile of the transmission electron microscope (TEM) image and the satellite peak in the x-ray diffraction (XRD) rocking curve show that the SLS active layer keeps abrupt interfaces with a uniform thickness and a periodic strain. The wavelength and the bias-voltage dependences of responsivity (R) and detectivity ($D^*$) measured by a blackbody radiation source give that the cutoff wavelength is ${\sim}5{\mu}m$, and the maximum Rand $D^*$ ($\lambda=3.25{\mu}m$) are ${\sim}10^3mA/W$ (-0.6 V/13 K) and ${\sim}10^9cm.Hz^{1/2}/W$ (0 V/13 K), respectively. The activation energy of 275 meV analyzed from the temperature dependent responsivity is in good agreement with the energy difference between two SLS subblevels of conduction and valence bands (HH1-C) involving in the photoresponse process.

수평 자기정렬 InGaAs/GaAs 양자점의 형태 및 분광 특성 연구

김준오,최정우,이상준,노삼규,Kim J. O.,Choe J. W.,Lee S. J.,Noh S. K. 한국진공학회 2006 Applied Science and Convergence Technology Vol.15 No.1

Laterally self-aligned InGaAs/GaAs quantum-dots (QDs) have been fabricated by using a multilayer stacking technique. For the growth optimization, we vary the number of stacks and the growth temperature in the ranges of 1-15 periods and $500-540^{\circ}C$. respectively, Atomic force microscope (AFM) images and photoluminescence (PL) spectra reveal that the lateral alignment of QDs is enhanced in extended length by an increased stack period, but severely degrades into film-like wires above a critical growth temperature. The morphological and the photoluminescence characteristics of laterally self-aligned InGaAs QDs have been analyzed through mutual comparisons among four samples with different parameters. An anisotropic arrangement develops with increasing number of stacks, and high-temperature capping allows isolated QDs to be spontaneously organized into a one-dimensionally aligned chain-like shape over a few ${\mu}m$, Moreover, the migration time allowed by growth interruption plays an additional important role in the chain arrangement of QDs. The QD chains capped at high temperature exhibit blue shifts in the emission energy, which may be attributed to a slight outdiffusion of In from the InGaAs QDs. 다중 적층법을 이용하여 수평방향으로 자기정렬된 InGaAs/GaAs 양자점(quantum dot, QD)을 제작하고, 원자력간 현미경(AFM) 사진과 발광(PL) 스펙트럼을 이용하여 QD의 특성을 분석하였다. 적층주기가 증가함에 따라 정렬 QD의 길이가 길어지고, 임계 성장온도 이상에서는 QD 사이의 상호확 산에 의하여 양자선 형태로 변화함을 관측하였다. 성장 변수가 서로 다른 4개 시료의 비교 분석을 통하여, 수직으로 적층되면서 비등방성 정렬이 이루어지고, 수 ${\mu}m$ 이상 1차원적으로 정렬된 QD 사슬 모양 의 구조를 얻을 수 있었다. 또한 성장일시멈춤 과정을 통한 이주시간의 증가는 QD의 1차윈 정렬에 중요한 변수임을 알 수 있었다. 고온에서 덮개층을 형성한 QD 구조에서 관측된 발광 에너지의 청색변위 현상은 InGaAs QD로부터 In이 덮개층으로 확산되었기 때문으로 해석된다.

InAs 양자점의 크기에 따른 분광학적 특성

권영수(Y. S. Kwon),임재영(J. Y. Leem),이철로(C. R. Lee),노삼규(S. K. Noh),유연희(Y. H. Ryu),최정우(J. W. Choe),김성만(S. M. Kim),이욱현(U. H. Lee),류동현(D. H. Ryu),이동한(D. H. Lee),박장환(Jang-Hwan Park) 한국진공학회(ASCT) 1999 Applied Science and Convergence Technology Vol.8 No.4(1)

MBE(Molecular Beam Epitaxy) 방법으로 InAS 양자점의 크기를 달리하여 성장한 lnAs 양자점의 구조적 특성과 분광학적 특성을 조사하였다. 구조적 특성은 AFM(Atomic Force Microscopy)으로 하였으며, 광학적 특성은 PL(Photoluminescence)로 수행하였다. AFM 측정결과 양자점의 밀도는 2 ML에서 최대 값인 1.1×10¹¹/㎠이다. 양자점의 크기가 증가함에 따라 PL 피크는 적색편이를 하고 있었다. 발광피크의 온도의존성을 조사한 결과 온도의 증가에 따라 발광피크는 낮은 에너지로 이동하였으며, 20 K에서 180 K 구간에서는 발광피크의 FWHM(Full Width at Half Maximum) 값은 감소하였으며, 180 K 이상의 온도에서는 온도의 증가에 따라 FWHM도 증가하였다. 한편 Arrehenius-type function으로 구한 활성화 에너지는 InAs 양자점의 크기가 증가함에 따라 증가하였다. We present Photoluminescence (PL) and Atomic Force Microscopy (AFM) image on InAs quantum dots (QDs) having different size which grown by Molecular Beam Epitaxy (MBE). For different size QDs, analysis of the AFM profiles show that the density of QDs was the maximum value (1.1×10¹¹/㎠) at 2.0 ML. In the PL spectra of QDs, it is found that the peak energy decreases with increasing dot size due to the effect of quantum confinement. Temperature dependence of PL intensities show that the PL is quenching and Red shift as the temperature increase. The FWHM range of 20 K~80 K is narrowing with increasing temperature. When temperature is over 180 K, the line-width starts to increase with increasing temperature. At last, temperature dependence of the integrated intensities were fit using the Arrehenius-type function for the activation energy. Fit value of the activation energy was increased with increasing QDs-size.