변성 InAs/InGaAs 양자점의 통신 파장 대역(1.3~1.55 µm) 향상된 광전도도

초록

변성 InAs/InₓGa₁₋ₓAs 양자점(QD) 나노구조의 광전 특성을 상온에서 광전도도(PC)와 발광 분광법, 전기적 측정, 이론적 모델링으로 연구했습니다. InₓGa₁₋ₓAs 클래딩 층의 인듐 조성 x가 0.15, 0.24, 0.28, 0.31인 네 시료를 성장시켰습니다. InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD 구조는 통신 대역인 1.3 µm에서 광감도를 보였습니다. x 증가에 따라 모든 시료에서 적색 편이가 관찰되었으며, x=0.31 구조는 제3 통신 창인 1.55 µm 근처에서 감도를 보였습니다. 동시에 x 증가에 따른 QD 광전도도 감소는 미미하여 In₀.₁₅Ga₀.₇₅As 구조 및 GaAs 기반 QD 나노구조와 비교 가능한 우수한 광응답을 유지함을 확인했습니다. 또한 PC 감소는 발광 강도 감소와 상관관계가 있습니다. 양자 에너지 시스템과 QD 내 캐리어 국소화를 이론적으로 시뮬레이션하여 PC 메커니즘을 이해하고, 이러한 구조에서 결함의 특이한 거동과 연관 지어 광전류 감소 원인을 제시했습니다. 이 모든 것은 높은 x의 변성 QD가 광전자 적외선 감광 소자에 유효한 구조임을 시사합니다.

배경

변성 InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD 나노구조는 지난 10년간 많은 이점으로 주목받았습니다. 가장 매력적인 특징은 QD를 InGaAs 변성 버퍼(MB) 상에 성장시킴으로써 기존 In(Ga)As/GaAs QD 구조 대비 QD 준위 간 천이 에너지를 크게 낮출 수 있다는 점입니다. 이는 InAs QD와 InGaAs 버퍼 간 격자 부정합 감소로 인한 QD 밴드갭 감소와 변형 완화 때문입니다. 따라서 MB를 구속 재료로 적용하면 방출 파장을 통신 창인 1.3 및 1.55 µm를 포함한 적외선(IR) 영역 깊은 곳으로 이동시키면서 높은 효율을 유지할 수 있습니다. 또한 변성 QD는 (i) 높은 QD 밀도, (ii) QD 및 웨팅 층(WL) 준위 광범위 튜닝 가능, (iii) 발광 소자 활성 요소의 우수한 성능 등 흥미로운 특성을 보입니다. 그러나 최근 변성 QD 깊은 준위 연구에 따르면 InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD 구조는 QD 층 근처 총 결함 밀도가 InGaAs/GaAs 유사 변성 QD와 비슷하지만, 더 높은 x의 변성 구조는 더 높은 결함 밀도를 보입니다.

변성 InAs QD 구조는 IR 포토닉 및 감광 소자 설계/제작에 성공적으로 적용되었습니다: 레이저, 단일 광자 소스, 태양전지 등. 인터밴드 및 인터서브밴드 천이 기반 In(Ga)As QD 포토디텍터는 수직 입사 조사에 응답하므로 근적외선에서 장파 적외선까지 향상된 검출을 위해 활발히 연구 중입니다. 예를 들어 양자 구속 준위와 연속 상태 간 전자 인터서브밴드 천이는 InAs QD를 InGaAs 층에 매립하여 엔지니어링할 수 있으며, 이 설계는 검출 피크 파장 튜닝, 외부 바이어스로 응답 제어, 암전류 감소 등을 가능하게 합니다. 현재까지 변성 QD 구조를 포토디텍터에 구현한 논문은 없습니다.

이 분야 개발의 핵심은 변성 QD 구조의 높은 발광 효율과 광감도를 기존 InAs/GaAs QD 구조와 최소한 비교 가능하게 유지하는 것입니다. 구조 설계, 광전 특성 개선, 변형 관련 결함 제어/감소를 위한 기초 및 응용 분야 연구가 다수 수행되었습니다.

따라서 InAs/InₓGa₁₋ₓAs 변성 QD 나노구조는 1.3- 및 1.55-µm IR 영역에서 방출 또는 광응답을 가능하게 하는 흥미로운 나노구조입니다. 또한 이전 연구에서 수직 InAs/In₀.₁₅Ga₀.₇₅As QD 구조가 GaAs 기반 구조와 비교 가능한 광감도를 유지함을 보고했습니다. 그러나 이러한 변성 구조는 캐리어가 두 상부 접촉 간 채널을 통해 평면 내 수송되는 측면 형상에서의 광전 특성은 드물게 연구되었습니다. 일반적으로 GaAs 기반 측면 구조에서는 QD 층과 관련 WL이 전도 채널을 형성합니다. 이러한 특유의 전도성으로 측면 수송 QD 포토디텍터는 높은 광응답성을 가질 것으로 여겨집니다. 변성 InAs/InGaAs QD 나노구조의 측면 구성에 대한 심층 연구는 광전도도(PC) 메커니즘과 평면 내 캐리어 수송 효율에 대한 기초 지식을 제공할 수 있습니다. 최근 변성 QD 구조 결함 연구 논문에서 저온 측면 PC 측정을 보고했으나 IR 스펙트럼 가장자리 결함 기원만 고려했습니다. 그러나 상온에서 구조의 적절한 특성화와 기초 조사가 근적외선 포토디텍터, 선형 어레이, 카메라 매트릭스 등 신규 감광 소자 개선을 위한 귀중한 통찰을 줄 것으로 믿습니다.

본 연구에서는 분자 빔 에피택시로 성장한 다양한 인듐 조성 x의 변성 InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD 나노구조의 평면 내 광전 특성을 PC와 발광(PL) 분광법, 측면 전기 측정, 모델링 계산으로 연구했습니다. 특히 QD 층 광응답이 1.3 µm 너머 IR로 적색 편이되면서 In₀.₁₅Ga₀.₈₅As 및 GaAs QD 감광 구조와 유사한 광감도를 보존하는지 관찰에 초점을 맞췄습니다. 상온에서 근적외선 파장 영역의 높은 광감도는 이러한 나노구조가 인터밴드 천이 기반 소자뿐만 아니라 10 µm 이상에서 작동하는 인터서브밴드 포토디텍터에도 유용할 수 있음을 나타냅니다.

방법

시료 제조 및 설명

연구 구조(Fig. 1 개략)는 분자 빔 에피택시로 성장했습니다. 반절연 (100) GaAs 기판 위에 600 °C에서 100 nm 두께 GaAs 버퍼 증착, 490 °C에서 500 nm 두께 언도프 InGaAs MB 증착. 210초 성장 중단으로 기판 냉각 후 460 °C에서 3.0 ML(단일층) InAs 성장. 마지막으로 이 자발 형성 QD를 동일한 MB 조성의 언도프 InₓGa₁₋ₓAs 20 nm로 캡핑했습니다. 클래딩 층 InₓGa₁₋ₓAs 조성이 다른 네 시료 제작: 인듐 함량 x = 0.15, 0.24, 0.28, 0.31.

이론적 모델링

변성 구조 설계와 에너지 프로파일 이해를 위해 In(Ga)As QD, 언도프 MB, 캡층으로 구성된 양자 에너지 시스템 계산을 Tibercad 소프트웨어로 수행했습니다. 이는 반도체 저차원 나노구조 광학 특성 시뮬레이션에 적합함을 입증했습니다.

실험적 원자력 현미경 데이터에서 얻은 크기로 잘린 원뿔 모양 InAs QD를 고려하며, InₓGa₁₋ₓAs 변성 층 특성에 의존하는 InAs WL 존재를 포함합니다.

먼저 QD와 MB 간 부정합 f_QD로 유도된 QD 변형 텐서 성분을 계산하여 변형 계산을 수행합니다.

f_QD = [a_InAs − a_MB(x)] / a_MB(x) (1)

여기서 a_MB(x)는 InₓGa₁₋ₓAs MB 격자 상수, a_InAs는 InAs 격자 상수. 이후 QD와 매립 층 밴드 프로파일은 관련 물질(InAs for QD/WL, 완화 InGaAs for MB)의 변형 포텐셜에 의존합니다.

최종적으로 슈뢰딩거 방정식 Hψ = Eψ (2)를 봉투 함수 근사에서 단일 밴드 유효 질량 접근법(전자) 및 6밴드 k·p 접근법(정공)으로 풉니다. 3D 해밀토니안은 Ĥ = -ħ²/2 ∇_r (1/m(E,r)) ∇_r + V(r) (3) 형태이며, V(r)는 3D 포텐셜입니다. 이 근사는 QD 기저 상태 계산에 만족스럽습니다. 전자와 중공 기저 준위와 확률 밀도를 얻습니다. 발광 방출 에너지는 전자와 중공 구속 준위 에너지 차이에서 엑시톤 효과 고려 20 meV 감산으로 도출합니다.

모델 계산 상세 설명은 Ref. [2] 참조.

광전 특성 분석

측면 광전 측정을 위해 5×2 mm 구조 조각 위에 두 InGa 공융 표면 접점을 증착했습니다. Fig. 2 측정된 선형 I-V 특성으로 접점 옴성을 확인했습니다. 시료를 흐르는 전류는 Siglent SDM3055 멀티미터로 표준 직류 기술(시료 저항보다 훨씬 작은 1 MΩ 직렬 부하 저항 R_L 양단 전압 강하)로 측정했습니다. 광전류는 250 W 할로겐 램프 빛을 프리즘 모노크로메이터로 분산하여 흥분시켰고, PC 스펙트럼을 0.6~1.6 eV 범위에서 기록했습니다. 스펙트럼은 광원 여기 양자 수로 정규화했습니다. PL 스펙트럼은 532 nm 레이저(전력 밀도 5 W/cm²) 여기로 획득. 모든 측정은 상온(300 K)에서 수행.

결과 및 논의

상온에서 연구된 변성 InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD 구조의 PC 스펙트럼을 Fig. 3에 QD 기저 상태 간 광학 천이를 보여주는 PL 밴드와 함께 제시했습니다. 상대적 강도와 PL 밴드 위치는 Fig. 4b에도 표시. PC 곡선에서 QD, InGaAs 구속 층, GaAs 바닥 층 기원 피처 관찰. PL 밴드 개시 에너지 이하 광전류 신호는 앞서 검출된 구조 결함과 관련될 수 있습니다.

연구된 변성 InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD 구조는 통신 대역 0.95 eV(1.3 µm)에서 광감도를 보였습니다(Fig. 3a). x 증가에 따라 모든 시료에서 적색 편이 관찰: x=0.31 구조는 0.8 eV(1.55 µm) 근처에서 감도, 즉 제3 통신 창에서 감도 확인(Fig. 3d). 이 이동은 x 증가에 따른 InAs QD와 InₓGa₁₋ₓAs 버퍼 간 격자 부정합 감소, 그에 따른 QD 변형 감소로 인한 InAs QD 밴드갭 좁아짐, PL 밴드 및 광응답 개시의 IR 방향 적색 편이와 관련됩니다.

동시에 QD 광전류 신호 감소는 미미하여 In₀.₁₅Ga₀.₇₅As 시료와 비교 가능한 우수한 광응답성 보존을 확인했습니다. 최근 논의한 바와 같이 x=0.15 변성 QD 구조는 유사 변성 InAs/GaAs QD 나노구조와 매우 유사한 광응답을 보입니다. 또한 PC 감소는 PL 감소와 상관관계가 있습니다(Fig. 3 참조).

이러한 효과는 Fig. 2에서 가장 두드러지게 나타납니다. 어두운 상태와 특성 스펙트럴 포인트(PL 밴드 최대값, 1.3 eV에서 InGaAs MB 효과적 밴드-밴드 흡수)에서 조명 하 I-V 의존성이 바이어스 전압에 따라 표시되며, 인셋에 광전류 바이어스 의존성도 함께. 암 I-V 특성과 마찬가지로 이 의존성들도 실험 오차 내에서 선형적입니다.

최고 광응답은 클래딩 층 인듐 함량 최소 구조에서 측정되었으며, 암전류도 가장 낮았습니다. 적용 여기 수준(350 µW/cm²)에서 InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As 구조의 MB 펌핑 시 광전류 값이 암전류보다 2~3배 높았습니다. QD 여기 시 광응답은 암전류와 비슷했으나, 우리 구조가 단일 QD 층만 가진 점을 고려해야 합니다. 다층 QD 구조 제작 시 IR 광응답이 크게 증가할 것입니다. 더 높은 x 구조는 더 낮은 광전류 신호 보였으며, 두 스펙트럴 포인트에서 검출 크기가 넓은 바이어스 범위에서 암전류 값보다 약 10배 낮았습니다. 최대 MB 인듐 함량인 InAs/In₀.₃₁Ga₀.₆₉As 구조에서 최저 광응답 관찰.

이 광응답성 감소는 x 증가에 따른 MB 결함 밀도 증가와 관련이 가장 높습니다. 이는 앞서 이 구조들에 대해 심층 열 자극 전류 분광법으로 결정되었고, 이러한 나노구조 구조 분석과 잘 상관관계가 있습니다. InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As QD 구조는 QD 층 근처 총 결함 밀도가 InGaAs/GaAs 것과 비슷했으나, 더 높은 인듐 함량 구조는 QD 층 근처 알려진 GaAs 관련 점결함 복합체 EL2, EL6, EL7, EL9, EL10과 버퍼를 관통하는 확장 결함 기인 3개 준위 등 더 높은 결함 밀도를 보였습니다.

스펙트럼 형태(Fig. 3) 측면에서 QD 여기 이상에서는 빛 흡수와 캐리어 생성이 주로 ε_g 이상 에너지에서 InGaAs 구속 층에서 발생합니다. ε_g 값은 경험식으로 추정했습니다. 그러나 ε_g 이상 광자 에너지 증가 시 광응답이 약간 감소하는 점은 주목할 만합니다. 이는 변성 QD가 효과적 재결합 중심임에도 불구하고 MB보다 광전류에 더 효율적으로 기여함을 자연스럽게 확인시켜 줍니다.

이 특이성의 PC 메커니즘을 이해하려면 Fig. 4a를 봐야 합니다. 여기에서 우리 시료에 대한 성장 방향 QD 밴드 프로파일 계산 결과를 보여줍니다. 계산은 전자 및 정공 양자 에너지 준위 결과로 검증: 예상 PL 방출 에너지가 실험 측정 QD 기저 상태 천이와 일치(Fig. 4b). Fig. 4c에서는 Tibercad 모델링으로 계산된 캐리어 파동함수로 얻은 구속 전자 및 정공 확률 밀도를 보여주며, 전자에 비해 중공의 더 높은 국소화 수준을 나타냅니다.

QD 인터밴드 흡수로 생성된 전자-정공 쌍이 광전류 신호에 기여하려면 열 방출로 QD에서 탈출해야 합니다. 이전 연구에서 변성 QD에서 전자와 중공이 상관된 쌍으로 동시에 탈출함이 입증되었고, 이 과정 활성화 에너지가 두 입자 활성화 에너지 합에 해당함도 증명되었습니다.

변성 QD 발광 열적 퀀칭 연구에서 이러한 활성화 에너지가 WL 준위와 QD 상태 간 에너지 거리 합과 같으며, x=0.15에서 250 meV부터 x=0.31에서 150 meV까지 감소함을 증명했습니다. 널리 논의된 바와 같이 이 값들은 상온에서 구속 캐리어 열적 탈출로 PL 방출 강한 퀀칭을 유발합니다.

이를 바탕으로 QD에서 흥분된 캐리어가 열적으로 WL과 MB로 탈출할 수 있음을 추론할 수 있습니다. QD 부근 밴드 벤딩(Fig. 4a)에서 전자와 중공이 분리되어 정공은 QD로 다시 포획되고 전자는 장벽이 되어 복사 재결합을 효과적으로 억제합니다. 결과적으로 중공은 QD 주변에 집중(Fig. 4c)되고, 전자는 WL과 MB 포텐셜 웰을 따라 자유롭게 이동하며 전도도에 기여합니다. Ref. [49]에서 논의된 바와 같이 탈출 과정에서 상관관계가 있더라도 상온에서 엑시톤으로 간주할 수 없으므로 QD 부근 밴드 벤딩에 의해 쉽게 분리될 수 있습니다.

반면 MB 흥분 시 구속 층에서 비평형 정공이 생성되어 전자와 재결합합니다. WL은 GaAs 기반 나노구조에서 전도 채널로 알려져 있으며, 표면 접촉으로 설계된 우리 측면 구조에는 헤테로접합이 없어 캐리어가 표면 평면 근처에서 효율적으로 수집됩니다.

Fig. 3에서 ε_g 바로 위 PC 신호 하락은 더 높은 에너지(예: x=0.15 시료 1.3 eV, x=0.31 시료 1.1 eV 이상)에서 상승으로 전환됩니다. 이는 표면 및 QD 층에 더 가까운 광흡수로 얕은 트랩이 관여하기 때문으로 추정됩니다. 이 구조들에 대해 열 자극 전류 분광법과 깊은 준위 과도 분광법으로 확립된 바에 따르면, 더 깊은 전자 트랩은 주로 InGaAs MB 층에 위치하고, 더 얕은 트랩은 표면 근처(이 시료들 기준 QD 층 근처)에 집중됩니다. 얕은 트랩에 포획된 전자는 상온에서 전도대로 더 쉽게 탈출할 수 있습니다. 따라서 QD 층 근처 자유 전자는 MB 깊숙이 흥분된 전자보다 이동성이 높아 전하 이동에 더 크게 기여합니다. 또한 표면 근처 생성 전자는 WL 전도 채널로 자유롭게 이동할 수 있습니다.

GaAs 밴드갭 근처(1.4 eV)에서도 유사한 광전류 하락 후 증가가 관찰되었습니다. 이 효과는 InGaAs/GaAs 계면 근처 캐리어 생성 때문일 수 있으며, 이 계면은 트랩과 재결합 중심인 결함 상태 밀도가 높은 것으로 알려져 있습니다.

다른 광학 천이의 구조 광응답 상대 기여는 펌핑 강도에 따라 달라집니다. Fig. 5에서 특성 스펙트럴 포인트(PL 밴드 개시: QD 앙상블 공진 여기, InGaAs 효과적 밴드-밴드 흡수 1.3 eV, GaAs 1.5 eV)에서 여기 강도 함수로 광전류 값을 보여줍니다.

클래딩 층 인듐 함량이 다른 구조들이 동등한 스펙트럴 범위에서 유사한 의존성을 보입니다. GaAs 밴드-밴드 여기(1.5 eV)는 대부분의 강도에서 2차 의존성 보입니다. 이는 평형 캐리어 하에서 비평형 캐리어가 우세할 때 밴드-밴드 재결합에 전형적입니다: 우리 언도프 구조에서 예상됩니다. QD 및 InGaAs 구속 층 여기 의존성은 서로 매우 유사하지만 GaAs와 다릅니다. 저여기 강도에서 선형, 고강도에서 아선형이 됩니다. 이 거동은 쇼클리-리드 중심을 통한 캐리어 재결합을 명확히 가리킵니다: 일부 중심이 높은 캐리어 생성률에서 포화되어 선형 의존성이 아선형이 됩니다. 이 강도 의존 측정 결과는 QD 매립 층에서 상대적으로 낮은 재결합률로 주요 전하 캐리어 효율적 생성, GaAs 층에서 훨씬 높은 재결합 중심 밀도를 뚜렷이 나타냅니다. 예를 들어 유사한 특성화에서 QD 여기 시 InGaAs/GaAs QD 광감도 구조는 높은 비복사 재결합률로 PC(I) ~ I^0.25 의존성 보였으나, 그 구조는 7개 QD 층 다층이었습니다.

이러한 측정과 해석으로부터 변성 QD를 IR 검출에 활용하기 위한 몇 가지 시사점을 도출할 수 있습니다: (i) x > 0.15 사용 시 변성 QD 개발에서 수행된 것과 유사하게 변형 관련 결함 제어 가능한 고급 설계 필요; (ii) 최소 10층 이상 QD 다층 스택 필요로 QD PC를 암전류 이상으로 확보; (iii) 중공의 더 높은 구속이 QD 여기 시 광전류에 유리하므로 중공용 더 높은 장벽 고급 설계 고려. 따라서 이러한 발견은 IR 검출 목표 변성 QD 설계와 변성 QD 포토디텍터 개발에 매우 유용할 수 있습니다.

결론

변성 InAs/InₓGa₁₋ₓAs QD 나노구조의 광전 특성을 상온에서 PC와 PL 분광법, 전기 측정, 이론 모델 시뮬레이션으로 연구했습니다. 연구된 변성 QD 나노구조는 통신 창 1.3 µm(x=0.15)와 1.55 µm(x=0.31)에서 광감도를 보였습니다. 그러나 MB 인듐 함량 높은 구조의 QD PC와 PL 효율은 낮게 추정되었으나, InGaAs/GaAs QD 구조와 유사한 감도를 가진 InAs/In₀.₁₅Ga₀.₈₅As 구조와 비교 가능합니다. 이 광응답성 감소는 x 증가에 따른 MB 결함 밀도 증가와 관련됩니다. 또한 모델링 계산으로 조사된 QD 구조 유형의 PC 메커니즘에 대한 통찰을 제공했습니다. 이 모든 것은 나노구조 설계 최적화를 통해 몇 가지 우려 사항을 해결하면 높은 x의 변성 QD가 광전자 IR 감광 소자에 유효한 구조임을 시사합니다.

약어

ε_g :

InGaAs 구속 층 밴드갭

E_c, E_v :

전도대 및 원자가대 에너지

IR:

적외선

MB:

변성 버퍼

ML:

단일층

PC:

광전도도

PL:

발광

QD:

양자점

R_L :

부하 저항

WL:

웨팅 층