공학석사학 논문

역 SLD를 한 결합 양자 성장 특성평가

Growth and characterization of coupled quantum

dots for broadband superluminescence diodes

2008년 2월

인하 학교 학원

세라믹공학과

박 성

공학석사학 논문

역 SLD를 한 결합 양자 성장 특성평가

Growth and characterization of coupled quantum

dots for broadband superluminescence diodes

2008년 2월

지도교수 조 남 희

이 논문을 석사학 논문으로 제출함

인하 학교 학원

세라믹공학과

박 성

본 논문을 박성 의 석사학 논문으로 인정함

2008년 2월

주심

부심

원

목 차

요 약 1

Abstract 2

1장 서 론 4

2장 이론 배경 5

2 1 자발 형성 양자 5

2 1 1양자구조 양자구속효과 5

2 1 2 양자 의형성 에피택시성장모드 7

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드 11

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법 15

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성 19

2 5 양자 의응용 24

2 6 양자 의 SLD 사용 합성 24

3장 실험 장치 26

3 1 분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy) 26

3 2 MBE 성장 27

3 3 RGA (Residual Gas Analyzer) 33

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) 35

4장양자 성장 측정방법 38

4 1실험방법 38

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법 39

4 1 2 열처리 InAs양자 성장방법 41

4 1 3 13 장 역의 DASWELL 성장방법 42

4 1 4 SLD활성층성장방법 43

4 2 PL (Photoluminescence) 45

4 3 AFM (Atomic Force Microscope) 48

5장결과 고찰 49

5 1 12 InAs양자 성장 50

5 2 13 DASWELL성장 51

5 3 12 InAs열처리양자 성장 53

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리 55

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성 58

6장결론 60

참고문헌 61

그 림 목 차

그림 2 1양자구속효과에 한상태 도 7

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 9

그림 2 3에피택시성장모드 10

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 13

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening 14

그림 2 6 ALE성장방법의개략도 15

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도 18

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교 23

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도 30

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습 31

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정 32

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면 34

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도 36

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern 37

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장 38

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조 40

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조 41

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조 42

그림 4 5 SLD(super luminescene diode)활성층구조 44

그림 4 6 PL측정장치의개략도 46

그림 4 7 AFM장치의개략도 48

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

그림 5 2 DASWELL (dot In asymmetric well)의 PL특성 52

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼 53

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지 54

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지 56

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak 57

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성 59

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성 60

표 목 차

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성 22

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교 22

표 4 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

공학석사학 논문

역 SLD를 한 결합 양자 성장 특성평가

Growth and characterization of coupled quantum

dots for broadband superluminescence diodes

2008년 2월

지도교수 조 남 희

이 논문을 석사학 논문으로 제출함

인하 학교 학원

세라믹공학과

박 성

본 논문을 박성 의 석사학 논문으로 인정함

2008년 2월

주심

부심

원

목 차

요 약 1

Abstract 2

1장 서 론 4

2장 이론 배경 5

2 1 자발 형성 양자 5

2 1 1양자구조 양자구속효과 5

2 1 2 양자 의형성 에피택시성장모드 7

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드 11

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법 15

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성 19

2 5 양자 의응용 24

2 6 양자 의 SLD 사용 합성 24

3장 실험 장치 26

3 1 분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy) 26

3 2 MBE 성장 27

3 3 RGA (Residual Gas Analyzer) 33

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) 35

4장양자 성장 측정방법 38

4 1실험방법 38

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법 39

4 1 2 열처리 InAs양자 성장방법 41

4 1 3 13 장 역의 DASWELL 성장방법 42

4 1 4 SLD활성층성장방법 43

4 2 PL (Photoluminescence) 45

4 3 AFM (Atomic Force Microscope) 48

5장결과 고찰 49

5 1 12 InAs양자 성장 50

5 2 13 DASWELL성장 51

5 3 12 InAs열처리양자 성장 53

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리 55

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성 58

6장결론 60

참고문헌 61

그 림 목 차

그림 2 1양자구속효과에 한상태 도 7

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 9

그림 2 3에피택시성장모드 10

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 13

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening 14

그림 2 6 ALE성장방법의개략도 15

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도 18

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교 23

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도 30

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습 31

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정 32

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면 34

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도 36

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern 37

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장 38

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조 40

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조 41

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조 42

그림 4 5 SLD(super luminescene diode)활성층구조 44

그림 4 6 PL측정장치의개략도 46

그림 4 7 AFM장치의개략도 48

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

그림 5 2 DASWELL (dot In asymmetric well)의 PL특성 52

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼 53

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지 54

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지 56

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak 57

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성 59

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성 60

표 목 차

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성 22

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교 22

표 4 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

본 논문을 박성 의 석사학 논문으로 인정함

2008년 2월

주심

부심

원

목 차

요 약 1

Abstract 2

1장 서 론 4

2장 이론 배경 5

2 1 자발 형성 양자 5

2 1 1양자구조 양자구속효과 5

2 1 2 양자 의형성 에피택시성장모드 7

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드 11

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법 15

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성 19

2 5 양자 의응용 24

2 6 양자 의 SLD 사용 합성 24

3장 실험 장치 26

3 1 분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy) 26

3 2 MBE 성장 27

3 3 RGA (Residual Gas Analyzer) 33

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) 35

4장양자 성장 측정방법 38

4 1실험방법 38

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법 39

4 1 2 열처리 InAs양자 성장방법 41

4 1 3 13 장 역의 DASWELL 성장방법 42

4 1 4 SLD활성층성장방법 43

4 2 PL (Photoluminescence) 45

4 3 AFM (Atomic Force Microscope) 48

5장결과 고찰 49

5 1 12 InAs양자 성장 50

5 2 13 DASWELL성장 51

5 3 12 InAs열처리양자 성장 53

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리 55

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성 58

6장결론 60

참고문헌 61

그 림 목 차

그림 2 1양자구속효과에 한상태 도 7

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 9

그림 2 3에피택시성장모드 10

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 13

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening 14

그림 2 6 ALE성장방법의개략도 15

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도 18

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교 23

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도 30

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습 31

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정 32

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면 34

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도 36

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern 37

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장 38

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조 40

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조 41

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조 42

그림 4 5 SLD(super luminescene diode)활성층구조 44

그림 4 6 PL측정장치의개략도 46

그림 4 7 AFM장치의개략도 48

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

그림 5 2 DASWELL (dot In asymmetric well)의 PL특성 52

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼 53

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지 54

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지 56

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak 57

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성 59

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성 60

표 목 차

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성 22

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교 22

표 4 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

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그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

목 차

요 약 1

Abstract 2

1장 서 론 4

2장 이론 배경 5

2 1 자발 형성 양자 5

2 1 1양자구조 양자구속효과 5

2 1 2 양자 의형성 에피택시성장모드 7

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드 11

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법 15

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성 19

2 5 양자 의응용 24

2 6 양자 의 SLD 사용 합성 24

3장 실험 장치 26

3 1 분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy) 26

3 2 MBE 성장 27

3 3 RGA (Residual Gas Analyzer) 33

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) 35

4장양자 성장 측정방법 38

4 1실험방법 38

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법 39

4 1 2 열처리 InAs양자 성장방법 41

4 1 3 13 장 역의 DASWELL 성장방법 42

4 1 4 SLD활성층성장방법 43

4 2 PL (Photoluminescence) 45

4 3 AFM (Atomic Force Microscope) 48

5장결과 고찰 49

5 1 12 InAs양자 성장 50

5 2 13 DASWELL성장 51

5 3 12 InAs열처리양자 성장 53

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리 55

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성 58

6장결론 60

참고문헌 61

그 림 목 차

그림 2 1양자구속효과에 한상태 도 7

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 9

그림 2 3에피택시성장모드 10

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 13

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening 14

그림 2 6 ALE성장방법의개략도 15

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도 18

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교 23

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도 30

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습 31

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정 32

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면 34

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도 36

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern 37

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장 38

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조 40

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조 41

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조 42

그림 4 5 SLD(super luminescene diode)활성층구조 44

그림 4 6 PL측정장치의개략도 46

그림 4 7 AFM장치의개략도 48

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

그림 5 2 DASWELL (dot In asymmetric well)의 PL특성 52

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼 53

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지 54

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지 56

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak 57

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성 59

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성 60

표 목 차

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성 22

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교 22

표 4 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

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2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

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그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

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(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

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layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

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면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

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2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

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물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

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diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

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S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

4 1실험방법 38

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법 39

4 1 2 열처리 InAs양자 성장방법 41

4 1 3 13 장 역의 DASWELL 성장방법 42

4 1 4 SLD활성층성장방법 43

4 2 PL (Photoluminescence) 45

4 3 AFM (Atomic Force Microscope) 48

5장결과 고찰 49

5 1 12 InAs양자 성장 50

5 2 13 DASWELL성장 51

5 3 12 InAs열처리양자 성장 53

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리 55

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성 58

6장결론 60

참고문헌 61

그 림 목 차

그림 2 1양자구속효과에 한상태 도 7

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 9

그림 2 3에피택시성장모드 10

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 13

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening 14

그림 2 6 ALE성장방법의개략도 15

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도 18

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교 23

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도 30

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습 31

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정 32

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면 34

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도 36

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern 37

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장 38

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조 40

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조 41

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조 42

그림 4 5 SLD(super luminescene diode)활성층구조 44

그림 4 6 PL측정장치의개략도 46

그림 4 7 AFM장치의개략도 48

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

그림 5 2 DASWELL (dot In asymmetric well)의 PL특성 52

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼 53

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지 54

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지 56

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak 57

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성 59

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성 60

표 목 차

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성 22

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교 22

표 4 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

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2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

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물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

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diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

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S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

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그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

그 림 목 차

그림 2 1양자구속효과에 한상태 도 7

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 9

그림 2 3에피택시성장모드 10

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 13

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening 14

그림 2 6 ALE성장방법의개략도 15

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도 18

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교 23

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도 30

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습 31

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정 32

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면 34

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도 36

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern 37

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장 38

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조 40

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조 41

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조 42

그림 4 5 SLD(super luminescene diode)활성층구조 44

그림 4 6 PL측정장치의개략도 46

그림 4 7 AFM장치의개략도 48

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

그림 5 2 DASWELL (dot In asymmetric well)의 PL특성 52

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼 53

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지 54

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지 56

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak 57

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성 59

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성 60

표 목 차

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성 22

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교 22

표 4 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조 42

그림 4 5 SLD(super luminescene diode)활성층구조 44

그림 4 6 PL측정장치의개략도 46

그림 4 7 AFM장치의개략도 48

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

그림 5 2 DASWELL (dot In asymmetric well)의 PL특성 52

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼 53

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지 54

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지 56

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak 57

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성 59

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성 60

표 목 차

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성 22

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교 22

표 4 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

표 목 차

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성 22

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교 22

표 4 1도포주기에따른양자 의특성비교 50

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

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그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 1 -

요 약

고출력 반도체 원은 고출력 리이 다이오드 (Laser Diodes LD) 와 고휘도

원 ( Super-Luminescence Diode SLD )으로 구분할 수 있다 고출력 이 다이오

드는 정보통신분야 의료분야 제료가공분야 자분야 그 외 각종 센서 분야 등 첨

단산업의 범 한 분야에서 핵심기술로 이용되고 있으며 앞으로도 각기 고유의 응

용분야를 계속 확 할 수 있는 응용성과 시장성이 단히 큰 기술이다 양자 을

이용한 고휘도 원 ( Super-Luminescence Diode SLD )는 측면발 을 하고 장

역폭이 넓고 low-coherence 이며 단일모드 섬유와 결합효율이 좋고 높은 효

율을 얻을 수 있는 발 소자다 SLD의 장 역폭을 증가시키기 해 분자선 에

피텍시( Molecular Beam Epitaxy MBE ) 법으로 성장된 12 장 역의 발

특성을 가지는 InAs ALE 양자 과 13 장 역의 발 특성을 가지는

DASWELL ( Dots in an Assymmetric Well )을 수직 층하여 학 특성을 분석

하 다 상온 PL ( Photoluminescence ) 측정 결과 1179nm와 1256nm에서 두 개의

peak이 생김을 확인하 다 이는 시료 내의 두 종류의 양자 이 모두 발 특성을

보임을 의미하며 두 양자 의 발 특성이 첩되어 장 역폭이 증가하는 효과

를 보인다 반치폭은 150nm을 보여 두 종류의 양자 을 수직으로 층한 구조가

SLD의 장 역폭을 향상시킴을 알 수 있다 한 EL ( Electroluminescence ) 측

정 결과도 PL 결과와 유사한 특성을 보임을 확인하 다

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

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그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

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그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

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그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 2 -

abstract

High power semiconductor light sources consist of high power laser diodes and

superluminescence diodes They have various applications in the fields of

information technology medical treatment material processing electronics and

various sensors they also will enlarge their own applications and markets

Super-Luminescence Diodes which used quantum dots have edge emitting

characterization the broad wave length bandwidth and the low-coherence Also

SLD combination efficiency is good with the single mode optical fiber and it is

a luminous element that is the possibility of getting the high optical efficiency

To increase the range of band width for SLD the optical properties of vertically

deposited InAs ALE quantum and DASWELL grown by MBE were analyzed

The luminescent band width of the quantum dot and DASWELL are 12 band

width and 13 respectively Two peaks (1179nm 1256nm) were observed by

PL at room temperature indicating that both quantum dots were luminescent

and band width was enhanced due to the overlapped luminescence bandwidth

FWHM was 150nm and this means that vertically deposited two quantum dots

can increase the effectively band width of SLD EL also observed consistent

results with PL

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 3 -

1장 서론

Superluminescence diodes (SLD)는측명발 (edge-emitting)을한다는 에서통상의

Febry-Perot 이 다이오드와유사하나 장 역폭이넓고 low-coherence 라는 에

서다르고단일모드 섬유와결합효율이좋고높은 출력을얻을수있다는 에서표

면발 LED (Light-Emitting Diode)와다른특징을갖는발 소자이다

SLD개발의필요성은크게기술 인측면과경제산업 인측면으로살펴본다첫번째

기술 인측면으로고출력 반도체 원기술은 재 정보통신분야 의료분야 재료가공

분야 자분야그외각종센서분야등첨단산업의 범 한분야에서핵심기술로이용

되고있는기술이다

bull정보통신분야 장 역고출력 원인 SLD는 통신 지역네트웍 구성에핵심이

되는WDMDWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Dense WDM-Passive

Optical Network)에서 원의 용량화 렴화를 해사용된다

bull의료분야 장 역고출력 원인 SLD는생체내미세조직단면을고해상도로

찰하는진단 상장비인 OCT(Optical Coherence Tomography) 등에핵심 원으로이

용된다

bull센서분야 장 역폭이넓고 출력이큰 원은 자동차 선박 항공등에이용되는

섬유자이로스코 의고감도성능을좌우하는핵심기술이다 LED는 장 역폭이넓

으나 출력이낮다는문제 이있고 EDFA가 장 역폭과 출력 면에서 당하나

가격이수만달러라는문제 이있다이와같은이유로상 으로 가인 장 역

출력 원인 SLD가 가의고감도 섬유자이로스코 시스템개발에핵심으로이용된

다

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

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2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

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면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

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그림 2 6 ALE성장방법의개략도

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그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

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2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

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물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

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diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

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S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

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그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 4 -

두번째경제산업 인측면으로 역고출력 SLD를이용한WDM-PON 원의개

발은 선진국과도충분한기술 경쟁력을갖고있으므로국내의 산업 분야는물론수출

에상당한기여를할 것이다 역고출력 SLD를 섬유자이로스코 개발에이용하

면고감도이며자동차 카메라 등에장착 가능한가격수 의자이로스코 제작이가능

하므로고 자동차 카메라등의수출과고부가산업의발 에큰 기여를할 것이다

역고출력 SLD의 요응용분야의하나인 OCT는 MIT의 Lincoln Lab 연구원들이

CDT라는벤처회사를창업하고이회사의가치평가가 3000만 달러에이를만큼의료기

기산업분야에서상당히 고부가가치산업으로 단된다 OCT에 한 극 인개발연

구가 1990년 말부터시작된것을고려할때 역고출력 SLD를이용한OCT에 한

국내의조기연구는세계경쟁력을확보할수있는기회가될것이다이외에도 역고

출력 SLD는모드잠김 반도체 이 장변조외부공진기 이 거리 strain측정

을 한 센서 스펙트로메터 실시간 신호처리 연산에 이용되는 acousto-optic

correlatior등의다양한분야에서핵심소자로이용되므로고출력 역 SLD는그자체

로도부품가치를인정받을수있는고부가부품산업이며이를이용한다양한분야의벤

처를창업할수있으므로산업발 에지 한기여를할것이다

그러나 재까지상품화 는연구단계에서개발된 SLD는아직 DWDM OCT자이로스

코 등의시스템에 용할만큼개발되지못하 다이에 한근본원인은원하는넓은

장 역폭에서원하는만큼의 출력을얻지못했기때문이다

이와같은특성의 SLD에 한 안으로 역고출력 섬유증폭기가사용될수있으

나가격이수만 달러에이를만큼 고가이며 구조가복잡하고 부피가큰 단 이있어서

미국일본등선진국에서는최근몇년 부터 역이면서동시에고출력특성을갖는

가의 SLD를개발하려는연구가활발히진행되고있다본연구에서수행할 SLD분야

에서의연구는응용성이다양한양자 을이용한 역이면서동시에고출력특성을갖

는 SLD활성층을설계하고자한다

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 5 -

2장이론 배경

2 1 자발형성양자 (Self Assembled Quantum Dots)

2 1 1양자구조 양자구속효과

1920년 말 Bloch가 이상 인 결정고체를 설명하기 해 밴드구조 개념을 제안한 후

1970년 다층의헤테로구조반도체로발 하 으며 1980년 말에는양자구조에 한

연구가 계속되어서 양자 우물 양자선 양자 에 한 연구가 계속되고 있다

AlGaAsGaAs와 같은 이종 합구조로 만든 양자소자는 자나 정공이 에 지 가

더 높은 AlGaAs 층의 도 는가 자 로이동할 수가없어 GaAs 층내의 도

는가 자 에구속된다이때 GaAs층을 자의드 로이(de Broglie) 장보다얇은

두께로성장시켜 2차원 으로 하를구속함으로써양자효과가나타나우물(well)층내

의 자의에 지가 bulk의연속 인상태에서불연속 인상태로변하게되어우물내

에 불연속 인 양자 가 형성된다 이 게 2차원 으로 구속된 구조를 양자우물

(quantum well)이라한다[1] 이러한 자의양자구속효과를 1차원 0차원으로확

시킨것을양자선(quantum wire)[2] 양자 (quantum dot)[3] 이라한다

양자구속효과는캐리어들의에 지구조와상태 도 (density of states)를크게변화시

키게 된다 3차원에서 2차원으로 하를구속시킴으로써 상태 도는낮은 에 지부분

에서날카로운 edge를갖게 되며 edge에서상태의수가증가하게된다이를 1차원 0차

원으로 하를가두면상태 도는 edge보다날카로워지고좁아지게된다특히양자

에서는 δ(delta)함수형태로상태 도를가지며보다 높은 수 의 하구속으로인해

단 자트랜지스터(SET) 메모리 소자등으로응용이가능하며반도체 이 에서보

다낮은문턱(threshold) 류와온도에서의안 성등을갖게된다

양자 은 3차원구속특성에의해매우강한단일 장의빛을낼수있게된다는 에서

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 6 -

학 성질을기존의구조에서보다크게향상시킬수있다 한양자우물등에비해서

수평성분의양자구속효과가더해지기때문에에 지 도가분산밴드에서원자수

의단일에 지 벨로제한되고화합물조성과양자 크기형태에의해결정된빛의

장을다양하게얻을수있고온도가증가하여도보다안정 으로동작하는특성임계

류가매우 낮은 특성등의장 을갖고있으며 단 자소자에응용할수있는등 소자

개발 개선에큰 발 을이룰 수있다 이러한장 이외에 학이득이크고문턱 압

이 작고 분 폭이 좁으며 변조속도가 빠른 이 다이오드 등의 소자 구 이 가능하

다[45]

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 7 -

(a) (b) (c)

그림 2 1 양자 구속효과에 한 상태 도 (a)벌크(3D) (b) 양자우물 (2D) (c) 양자

(0D)

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

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그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

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5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

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그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

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5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

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그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 8 -

2 1 2양자 의형성 에피택시성장모드

양자 을형성하는방법으로는그림 2 2 에서와같이 (a) 콜로이드를이용한방법이있

으며 (b)사진공정을통한패터닝과식각을이용한방법이있으며 (c) 변형에 지에의한

2차원에서 3차원으로의 이로반도체표면에응집된 strained island가형성시키는방법

이있다이런양자 을소자에응용하기 해서는다음과같은조건이갖추어야한다첫

번째로양자 의 도 1011cm-2 안 으로되어야하며두번째는양자 들의크기모양

조성들이균일해야한다세번째로는결함이없도록물질의성질이좋은 상태로성장해

야한다이러한조건을갖추어야상온에서동작하는소자를제작할수있다

에피택시성장모드 그림과같이세가지로분류한다첫째 Frank-van der Merwe (F-M)

성장모드 (a)는박막이기 을모두덮고두께가균일한 2D로성장하는 layer-by-layer성

장모드로써 박막의원자들 간의결합에비해박막의원자와기 의원자들 간의결합력

이보다클때가능하다둘째 Volmer-Weber (V-W)성장모드 (b)는 3D로바로성장하는

모드로박막을 구성하는 원자들 간의결합이 매우 강해서기 의표면에 지가박막과

계면에 지보다작을경우 wetting이이루어지지않고 체에 지를낮추기 해 3차원

클러스터를생성한다마지막으로 Stanski-Krastanow (S-K)성장모드 (c)는박막의표면

에 지가작고기 에 해격자불일치가클때 기에 F-M모드로성장한후일정두께

이상이되면격자불일치에의한변형에 지를이완하기 해서 V-W모드로 이하여 2

차원 wetting층 에 3차원 인 island가형성되는것을말한다그리고어느정도얇은

박막의증착은 이와같은결합이없는 coherent성장이이루어진다

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

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5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

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그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

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그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 9 -

그림 2 2나노구조를형성하기 한여러가지방법 (a)콜로이드를이용한나노크기

의입자를형성하는 방법 (b) 사진공정을 통한패터닝과식각을이용한방법 (c)자발

형성을이용한나노구조의성장방법

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

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(a) (b) (c)

그림 2 3에피택시성장모드 (a) F-M성장모드 (b) V-W성장모드 (c) S-K성장모드

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

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layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 11 -

2 2 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K)성장모드

그림2 4는부정합계의 체 에 지의변화를시간함수로보여주고있다 이때 성장층

은 X 까지일정한속도로증착되고그후변하고있다이것을다음의세부분으로나루

수있다

A 역

이때는기 에증착되는성장층이 2D로층과층이성장되어 wetting layer를형성한다

이때응력변형에 지 E(el)는 2-1식과같이성장된양에선형 으로증가하게된다

E(el)=Cmsup2At (2-1)

C elastic coefficient

m misfit

A area

t 성장층의두께

그리고성장두께가 tcw (the critical wetting layer thickness)에도달되면안정한 2D성장

을떠나불안정한 2D 상태로변하게된다이때 두꺼운 wetting layer가형성되어 S-K성

장으로 이를할 비단계에있게된다이후로는물질이공 이없어도 3D island성장

이계속된다

B 역 (핵 생성)

X 에도달하게 되면 2D - 3D로 이가가능하게 된다 하지만 실질 인성장온도에서

열 으로활성화된 핵들이어떤 임계두께에도달하기 에형성되기시작할수도있다

이핵형성을 한활성화에 지는 EA - EE (EA 3D 형성에 한장벽 EE 불안정한 2D

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 12 -

layer내에서의여분에 지) 이다 만약두께의편차에의해서임계핵이형성된다고가

정하면고 인핵형성이론에의하면다음과같이표 할수있다 [6]

= σ exp

(2-2)

단 시간당생성되는임계핵의수

σ 표면에서유동 인과포화물질의농도

Island가형성되면 EE는감소하고 island는성장을시작하면서물질들을소모한다

Island성장

Island가성장하는 기에높은응력 때문에 island는크기가커지기시작하고그성장

속도는극히 빨라질수있다온도가높을수록공 물질의확산이커지므로 island는더

욱 빨리성장한다 이때 island성장의시작은 매우 안정하기때문에성장속도가매우 빠

르다

C 역(Ripening)

Excess물질을다소모하면다른크기의양자 들이표면확산에의하여느린반응을하

여 평형 상태가 된다 이 반응은 작은 양자 들이 큰 양자 에 결합하는 Ostwald

ripening 이라고알려져 있다 그림 2 4 에서처럼 ripening은 작은 cluster를소모하면서

큰 cluster가 커지는과정을말한다

일정한온도에서원자들이 cluster에서탈착될 확률은 항상존재한다 그래서이원자들

은표면확산에의해서다른 cluster에달라붙는다 큰 cluster로부터 나오는원자들이이

동도 있지만 주된 이동은 작은 cluster로부터 큰 cluster로의 원자의 이동으로 나타나서

체 으로 평균 cluster 크기가 커진다 Ripening의 주요한 원동력은 다른 크기의

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

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그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 13 -

cluster에서의증기압의차이때문에나타나는확산될수있는물질의농도차이이다조

그만 cluster 에서의 증기압은 큰 cluster 에서의 증기압보다 더 크다 그래서 작은

cluster 에있는원자들이표면에따라서확산되어서큰 cluster에달라붙게된다그결

과큰 cluster는 커지게된다[78]

그림 2 4 2D - 3D 이에 한 시간에 따른 총에 지의 계 A는 에피층의

성장 구간 B는 2D층에서 3D 양자 으로의 이 구간 C는 ripening이 일어나

는 구간

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 14 -

그림 2 5 크기가 서로 다른 양자 의 표면에서 원자의 농도 차에 의해 일어나

는 Ostwald ripening

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

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5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 15 -

2 3 Atomic Layer Epitaxy (ALE)성장방법

Atomic layer epitaxy (ALE)는박막증착과단결정 epitaxial성장을 한표면제어공정

이다 ALE공정은주로Ⅱ-Ⅵ족과Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체에 oxide그리고 nitride와같은

화합물 증착에 이용하기 해 개발 되어 졌으며 단원자 물질에도 확 이용되고 있다

[28]그리스어로부터유래된 Epitaxy란용어는 ldquoarrange-on이라는뜻을가지고있으며

통 으로이것은 기 에단 결정층성장시기 의결정구조가성장시킬 층의결정

구조를제어하는것을설명하는데주로사용되어졌다원자층증착에서 rdquoarrange-onldquo은

순차 표면제어로써얻어질수있으며이는성장시킬막의구조뿐아니라한번의반응

공정시에단 원자층(one atomiclayer)이나단 분자층(one monolayer)씩 성장시킬 막의

성장률을제어할수있다이러한물질의구조제어와성장시킬 막의성장률제어는원자

층의증착이결정질 화합물박막과복잡한구조의박막 격자(superlattice) 층상형합

박막의성장에유용하게 이용될 수있게 한다 근본 으로원자층에피성장은 ZnS의

다결정이나비정질박막의성장과 electroluminescent display소자의 연 oxide형성을

해 개발 되어졌다[910] 면 박막형성에서 원자층 에피 성장은 훌륭한 균일함

(uniformity)과재 성을가지는고품질의박막을만드는데사용되어질수있다 한원

자층에피성장의고유한특징의하나는공정의비용 감에있다앞으로원자층에피성

장은다결정질물질과산화물등차세 반도체소자재료개발에활발히응용될것이다

원자층에피성장에서박막성장을 한순차 표면제어는박막성장을 해공 되는각

각의반응물질과기 간의표면포화반응(surface saturation reaction)에기반을두고있

다 [11] 각 표면반응으로인해표면 에성장될 물질의단 원자층을형성하게 된다 한

번의반응공정에서얻어진 다 원자층은 벌크 결정면의 도에 하는원자 도를 갖는

rdquofull monolayer가 될 수도 있으며 사용된 반응물로 인한 표면 재배열 상과

steric-hindrance효과로인하여 ldquopartial monolayer가될수도있다

만일사용된반응물이성장되는물질의원자자체라면그표면반응은첨가반응이며표

- 16 -

면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

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면포화를 한 필수조건은 반응물들의응축(condensation)이발생하지않아야 한다 그

림 2 6은 ALE 성장방법의개략도를나타낸 그림이다 각각의표면포화반응은 원자층

에피성장의우수한특징이며 단순히 공정반응순서만이표면제어를발생시킨다고할

수는 없다 이러한 표면포화반응은 박막의 성장률을 반응물의 공 량에 의존하지 않고

반응 cycle 의 수에비례하게 만든다 따라서원자층에피성장으로박막을성장시킬경

우박막의두께를 단하기 해성장공정 에박막의두께를모니터링할필요없이반

응 cycle의수로써박막의두께를결정할수있다

ALE 법의 성장과정은 양이온을 먼 정렬시키고 음이온을 정렬시키는 방식을 하나의

주기로하여원하는두께에이르기까지몇 주기를반복 으로성장시키게 된다 이 게

성장된박막은 넓은 역에균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있

으며 하나의주기당 성장되는두께가정해지게 되어성장주기를조 하면박막의두께

를보다정 하고쉽게제어할수있다그림 2 7은 ALE one cycle에 해보여 다

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

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그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

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2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

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물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

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wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

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2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 17 -

그림 2 6 ALE성장방법의개략도

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 18 -

그림 2 7 ALE방법에의한 1 cycle의원료공 방식의개략도

- 19 -

2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

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5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

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그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

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5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

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그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

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2 4 In(Ga)As ALE양자 의특성

In(Ga)As ternary 화합물은 lattice constant의 범 가 GaAs와 InAs의 간값을갖는

다[1213] In의mole fraction이 053인 In053Ga047As의경우를제외하고모든 InXGa1-XAs

는 부분GaAs혹은 InP기 에 epitaxially성장되어사용되며 부분의경우기 과

격자상수가 일치하지 않는 lattice mismatch system을 형성한다[14] InXGa1-XAs의기계

혹은열 특성은 GaAs나 InAs에비해잘 알려져있지않은상태이나소자의성능향

상이나 novel device제작등에유리한특성으로인하여많은연구가진행되고있는물질

이다[15]

InXGa1-XAs는모든 x값에 하여 direct bandgap을갖는물질로특히 소자분야에많

은응용가능성이있다 한상온에서의 자이동도가약 30000Vs로GaAs의 9200

Vs에 비해 매우 크며 electron velocity 와 conduction band에서의 inter-valley

separation 등의 특성이 매우 우수하여 modulation doped field effect transistors

(MODFET) 등의 자소자에 응용되고 있으며 bandgap이 In의 mole fraction에 따라

035eV에서 143eV 까지가변이 가능하므로 optical fiber 통신 등에 응용되는 소자와

opto-electronic integrated circuits (OEIC)등에응용되고있다 [16]

Lattice mismatched InXGa1-XAs는매우다양한응용가능성을갖는다 Strained반도체는

bandgap engineering을 해 매우 활발히 연구되어 왔다 Epitaxy 과정에서 발생되는

biaxial strain relax혹은 strain-relieved되어 bandgap tailoring이나 pseudomorphic등

의 bandgap engineering 등에 응용되고 있다 이러한 band structure의 변형은 field

effect transistor (FET)나 quantim well laser 혹은 pseudomorphic heterojunction

field-effect transistor (HEMT)등의소자에응용되어소자의성능을크게향상시켰다

GaAs 와 InAs 는 모두 zinc-blende structure를 가지며 두 화합물 반도체는 완벽히

miscible하다두물질의mobility와 bandgap lattice constant를다음표 2-1에나타내었

다표에서보는바와같이두화합물의특성은 다른것을볼수있다그러나두화합

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 20 -

물의 간체인 InXGa1-XAs는 x값의변화에따라 band구조등의특성이바 므로필요한

특성을 요하는 화합물을 제작하기가 용이하다 두 화합물의 간체인 InXGa1-XAs의

lattice constant a와 bandgap Eg는각각다음식에의하여표 될수있다 [17]

a = 60583 - 04050 ( 1 - x ) (2 - 3)

Eg= 036 + 07 ( 1 - x ) + 0555 ( 1 - x )2

(2 - 4)

In의mole fraction x가 053인경우는 InP의 lattice constant와같으며그이외의모든 x

에 하여는 GaAs InP기 과의 lattice constant가일치하지않아 strained epitaxial

layer 의형태로성장이된다 strained epitaxial ayer에서 lattice mismatch에의해발생

하는두께를 critical thickness(hc60)라하며그두께에 하여는 S Adachi등의실험결과

에의하여다음식과같이표 될수있다[16]

hc60=

sup2

(2 - 4)

θ = 60 μ = Poisson ratio

Critical thickness 이하의 strained layer GaAs 혹은 InP와의 band discontinuities를이

용하여 13혹은 155등의 통신용 소자제작 GaAs와 InGaAs based device의

집 등에 이용되고 있다 InAs의 경우 기 으로 사용할 경우 기 과 에피층 사이의

lattice mismatch는약 72이고 3차원morphology가나타나는두께는약 1ML이다

격자부정합을 이용한 3차원(3D) 양자 혹은 3D-like surface morphology는 기에는

격자부정합에의해 유발되는 strain 에 지를완화시키는과정이라알려져 왔다[19] 박

막성장 발생하는 이러한 3차원 구조의 실체는 최근 reflection high energy electron

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

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그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

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그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

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3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

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5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

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그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

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5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

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그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 21 -

diffraction (RHEED) 등 in-situ 측 장치와 같은 발 에 의해 SiGe Si InGaAs

GaAs 등의 몇몇 system에서 그 발생 mechanism 특성이 밝 졌다[20] 특히

Eaglesham 등은 부분 으로 strained와 coherent 한 3D island의 존재를 밝 냈으며

Guha등은특정한크기이상의 3D islands에의 defect등에 한연구를하 다즉 InAs

island 의 크기가 특정한 크기이상이 되면 stress의 집으로 인한 defects의 도입이

island edge로부터 칭 으로 발생한다 이것은 Frank 와 Van der Merwe 등에 의한

islands growth mode의 misfit dislocation이 발생하는 mechanism과는 다른 strain

relaxation mechanism에의한것이다 Islands 성장모드의경우 기 과에피층간의결

합력이약하기때문으로wetting layer없이 3차원구조의성장이시작된다 ALE방법에

의한성장은 넓은 역이균일하게성장되고성장률도낮아 양질의박막을얻을수있으

며성장주기를조 하여박막의두께를보다정 하게제어할수있다는장 을가지고

있다

S-K 성장모드와 ALE 방법에의한 In(Ga)As 양자 의특성비교는표 2-2 와같고그림

2-8은두성장모드양자 의 TEM비교사진이다

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 22 -

S-K QDs ALE QDs

Wetting Layer(WL) very thin WL no WL

wavelength 상온에서 113~115~13 부근

(InAsInP 14~17)

FWHM(Linewidth) ~80meV(broad) ~40meV(narrow)

PL Intensity 온도 의존성이 크다 온도 의존성이 작다

QD size distribution 체로 불균일 체로 균일

QD height 14 of diameter 12 of diameter

MaterialMobility μ

(300 K Vs)Bandgap Eg (eV)

Lattice constant

a (Å)

GaAs 9200 1424 56533

InAs 30000 0354 60584

표 2 1 GaAs와 InAs의물리 특성

표 2 2 S-K양자 과 ALE양자 의비교

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 23 -

wettin layer두께 21nm정도

wetting layer두께 4nm정도

그림 2 8 ALE dot과 S-K dot의 wetting layer비교

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

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을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

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3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

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등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

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3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

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이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

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그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

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그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

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3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

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그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

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(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

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4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

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5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 24 -

2 5양자 의응용

양자 은 양자 발 소자혹은 수 소자와같은 규모의양자 군을필요로하는응

용과단일양자 의특성을 극 으로이용하려는단일양자 기반의양자정보처리에

응용으로나 수있다일반 으로GaAs기 상에성장되는 In(Ga)As양자 은그성장

방식에기인하는특성으로인해양자 은양자 발 소자혹은수 소자와같은 규모

의 양자 군을 필요로 하는응용과단일 양자 의 특성을 극 으로이용하려는 단일

양자 기반의양자정보처리에응용으로나 수있다일반 으로 GaAs기 상에성장

되는 In(Ga)As양자 은그성장방식에기인하는특성으로인해기존양자우물을기반으

로하는 소자가갖는고속동작시큰 chirping을갖는단 을극복할수있는장 이다

최근 Michigan 의 Bhattacharya 그룹에서는 상온에서 측정할 수 없을 정도로 작은

chirping을 갖는 15GHz의 직 변조 역폭의양자 LD(Laser Diodes)를 보고한바가

있다 [4]낮은 Auger효과와운반자구속효과를지닌양자 이갖는높은온도안정성때

문에양자 을이용한고출력 LD는양자우물에 LD에비해매우좋은특성들이보고되고

있다 최근에 Bimberg 그룹에서 상온 연속 동작시 4W의 출력에서 95의 양자효율과

51의 력변화효율을갖는 13 고출력 LD를발표하 다특히이들은단일모드로

100까지 kink-free 동작이가능함을보고한바도있는데이는양자우물 LD에비해매

우놀라운수 이다

통신에서 128~132 장 는 2~10의거리 역에서 data통신에이용되는 요한

장 역이다 양자우물을 활성층으로 사용하는 경우 이 장 역을 한 물질께는

InGaAsP InP혹은 InAlAs InP이다 InP는 GaAs에비해상 으로열 도도가낮

으므로 InP계양자우물 LD 의안정된 동작을 해서는 TEC (Thermo-Electric Cooler)를

이용한온도안정화가필수 이다 따라서 InP 양자우물 LD는실장비용의증가에의한

비용의증가가단 이다 하지만 GaAs 기 상의 In(Ga)As 양자 은상기 장 역에서

좋은 발 특성을보인다 GaAs 기 상이 InP에비해상 으로열 도도가좋은 특성

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 25 -

을지니고있을뿐만 아니라양자 특성이열에강한특성을지니고있어 13 장

역에서 cooler-less LD제작을 한 합한활성층이라할수있다

양자 은운반자의 3차원구속효과뿐만아니라크기릐불균일성에기인하는발진 장

의 inhomogeneous broadning특성과매우빠른이득회복특성을갖는다 이러한특성으

로인해양자 을활성층으로하는 증폭기는채 간의 설이 고 자동 이득고정기

능을가질 뿐만 아니라다채 동시신호처리가가능하다 특히 빠른이득회복특성으로

인해 재 40 Gbps 의양자 증폭기가보고되고있는실정이다

2 6양자 의 SLD 사용 합성

양자 이양자우물에비하여갖고있는여러장 들은그동안 양자우물기반의고출력

이 다이오드가수반한문제 들을극복할 수있는가능성을제시한다 앞 에서다

룬양자 이갖는여러장 들 특히고출력 이 다이오드와 련된사항들을상기

한다낮은문턱 류낮은비발 표면결합 (non-radiative surface recombination)이론

으로 무한 값의 특성 온도 (charateristics temperature) 낮은 선폭 증가 요소

(linewidth enhancencement factor α-factor)등이라할수있다

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 26 -

3장 실험장치

3 1분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)

화합물반도체의에피택시방법 의하나인분자선에피택시 (Molecular Beam Epitaxy

MBE)는 1969년 Bell 연구소의 J R Arthur에의해 명명되어졌고 고진공(ultra high

vacuum)하에서각 cell속의 source가 shutter의제어에의하여방사되어열에 지를갖

는분자 는원자선과고온으로유지된기 표면사이의반응에의하여박막이형성되

어진다 MBE를이용한결정의성장은 비열평형상태에서이루어지게 되므로푠면의역

학(kinetics)에의해지배되어진다 따라서열평형상태에서진행되는유기 속화학기상

증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD)과는구별되게된다

MBE의특징은다음과같다

1 고진공상태에서박막의성장이이루어지는 dry process 이다 따라서성장실주변

으로부터박막으로의불순물유입이최소화될수있다 한성장실내부에존재하는잔

류기체와 effusion cell로부터기 에입사되는분자선과의기 에 한흡착비율은약 1

105정도로낮아서성장실내에존재하는CO CH4 O2등이성장층으로침투할확률이매

우 낮으므로 에피층에 한 불순물 유입량을 최 한 억제할 수 있다 MOCVD 경우

undoped GaAs를성장시킬경우불순물주입량은 ~1015정도인데비하여MBE에서

는 ~1014 이하로제한할수있다

2 다른 박막성장장치에 비하여 낮은 온도에서 성장을 실시 한다 MBE에서는 GaAs

AlGaAs 의 경우 약 600 정도에서 박막을 성장시키므로 박막 층간의 inter layer

diffusion등이매우 으므로HEMT hetero structure bipolar junction transistor (HBT)

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 27 -

등성장층간 격한불순물농도나조성을갖는소자제작을 한박막성장에유리하다

3성장속도가느리다박막층의성장속도는Åsec정도로두께제어성이우수하다

4큰 면 에서균일한계면을얻을수있다각각의 cell로부터기 에이르는각각의분

자들은 서로간의 충돌이나 산란없이 기 에 도달하고 박막의 성장 기 을 회

(rotation)시키므로타장비에비해균일한박막을얻을수있다

5 박막의 in-situ monitoring이가능하다 Reflection High Energy Electron Diffraction

(RHEED) 등의표면 층장비에의하여결정성장 혹은결정성장 후의표면상태등

을확인하여결정성장의제어에 feed back할수있다

일반 으로많이사용되고있는분석장비는진공도의유지상태와각분자들의분압의

정보를 제공하는 RGA(Residual Gas Analyzer)가이용된다 에피층이방향성을가지고

성장되어지는가의여부를 자빔의회 패턴(diffraction pattern)의모양에의해확인하

며성장 형성된빔의 intensity의 oscillation을통해성장한에피층의두께가성장속도

를알게해주는RHEED가있다

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 28 -

3 2 MBE성장

본실험에이용된 VG V80H MBE장치의실제사진이그림에보여진다본장비에는분

석장비로 RGA와 RHEED장치를갖추고있으며 cell에서나오는빔의 flux를알수있는

beam flux monitor가있다진공 chamber는성장되어질시편을담고있는 cassette entry

lock 이보 된 entry chamber와성장을 비하는 preparation chamber 성장을시키

는 deposition chamber가 있다 각 chamber는 진공도 유지를 해 ion pump가 있고

entry chamber 쪽에서는터보펌 (turbo pump)를이용하여약 1times10-5Torr정도까지 진

공도를 유지하고 있다 Deposition chamber의 ion pump 와 Ti sublimation pump는

10-9~10

-11Torr정도까지진공을유지하고있으며 cryogenic shroud가있어서성장 에

잔류 가스들을 포획하여 기 으로 불순물이 들어가는 것을 일 수가 있다 본 장비의

cell은 As Ga Al In이있어 GaAs AlGaAs AlAs InAs InGaAs등을성장할수있

으며 불순물(dopant) source로는 n-type 도핑을 한 Si과 p-type도핑을 한 Be cell이

있다 Si는Ⅳ족 물질로써 일반 인Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의경우 Ⅳ족 원소를 n형불순

물로Ⅱ족원소의물질을주로 p형의불순물로사용한다그러나 Ⅳ족물질의경우그물

질이반도체내의Ⅲ족물질과결합력이큰지아님Ⅴ족물질과결합력이큰지에따라Ⅳ

족물질은도핑형태가달라지는불순물로쓰일수있다 를들어 Si같은경우 부분의

결정방향에서Ⅴ족인 As와결합력이더크므로Ⅲ족인 Ga Al 자리에치환되므로캐리

어의형태가 자인 n형의불순물이되며 이와반 로같은 Ⅳ족인탄소 (C)인경우는

Ⅲ족 물질과결합력이커서 Ⅳ족인 As 자리에치환되므로 p형불순물이된다 Ⅲ-Ⅴ족

화합물반도체의성장을하는MBE장치에서는Ⅳ족인 Si를 n형불순물로Ⅱ족인 Be를 p

형불순물로쓰고있다 MBE성장시성장속도와불순물의양은모두 cell의온도에의존

하는값이다 cell의온도와원료의증발되는양은 지수 으로비례하는값임을 RHEED

oscillation을통해알수있으며이를통해성장물질의성장속도를계산할수있다불순

물의양은Hall측정을통해캐리어의농도를측정하므로써알수있다

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 29 -

이 cell내의 source들은 고진공하에서긴평균자유거리(mean free path)를갖게되므

로 shutter를 open함에의해서방출되어기 에성장한다 Cassette entry lock에보

된 성장되어질 시편이 부착된 Mo-block이 sample trolley drive에 의하여 deposition

chamber쪽으로이동되어 K-cell을향하게회 된 뒤에에피층이성장되게되는것이다

Deposition chamber내의MBE process의개략도를그림 3 1과같이나타낼수있다

성장실내부의미세한양의잔류가스들은성장되는물질의질 하를 래할수있다

를 들어 CO는 성장 기 과 반응하여 carbon의 도핑효과를 나타내며 undoped

GaAs를성장시켰을경우약 1times1015 이하의 p-type도핑효과가있다 한 O2의경우

분압이 1times10-12 Torr이하로유지되지못하면 성장층의 기 특성을심하게 하

시킬 수있다 이러한이유로 Chamber 내부의 cryopanel 공간에액체 질소가지속 으

로 공 함으로써 온 상태를 유지하여 잔류 가스들을 포획하고 effusion cell의 각

source dopant 들이 setting된 온도에서 shutter의 on-off 제어에의해기 을향해방

출되어 wafer 에 증착된다 성장실 내부에 잔류가스 검출을 하여 Residual gas

analysis (RGA)를통해성장 후그리고성장 에수시로확인을한다

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 30 -

그림 3 1 VG 80H MBE장비의개략도

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 31 -

그림 3 2 VG 80H MBE장비의실제모습

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 32 -

그림 3 3 Growth chamber내의분자선에피택시과정

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 33 -

3 3 RGA Residual Gas Analyzer

가스분석용 질량분석기 (Residual Gas Analyzer RGA)는 일반 으로 질량 범 가

1sim100 혹은 1sim200 amu인 Quadrupole 질량분석기로서 진공시스템 안에 잔류하는

가스를 측정하거나 공정시스템 안의 Reactant gas 혹은 Product gas의 변화를

Monitoring하는데 사용되는 것을 의미한다 RGA의 분해능은 1 amu 차이의 Peak를

분리할 수 있으면 충분하며 휘발성 물질로서 200 amu 이상의 질량을 갖는 것은

드물기 때문에 200 amu 질량범 한 충분하다 RGA의 응용분야는 일차 으로

진공시스템 안의 잔류가스를 측정하는 것이다 이러한 잔류가스의 조성분석을 통하

여 진공도를 측정하며 진공시스템 안으로 흘려주는 가스의 양 혹은 시스템 안에서

일어나는 화학반응을 실시간 Monitoring할 수 있다 RGA의 이차 인 응용분야는

진공시스템의 Leak detector로서의 사용이다 RGA는 일반 으로 사용되는 Helium

leak detector와는 달리 진공시스템에 어떤 향을 주지 않고 Helium 가스 없이도

사용될 수 있는 장 을 갖는다 부분의 반도체 제조공정 (Sputtering CVD

PECVD Plasma etch MBE)은 진공시스템 안에서 이루어지며 산소 수분

Hydrocarbon 등의 불순물 가스는 엄격히 규제되어야 한다 RGA는 반도체 제조용

Chamber에 부착되어 Process monitoring용으로 많이 사용된다 그림3 4 는 MBE를

이용한 성장 growth chamber를 RGA로 monitoring을 한 것이다 mass peak이

1 2 16 18 38 75에서 나온 것으로 보아 H He O H2O CO2 As 임을 알 수 있

다

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 34 -

그림 3 4 Growth chamber내의 RGA화면

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 35 -

3 4 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)

RHEED는 10~50 keV정도의 자선을시료표면에 1~2deg정도의낮은 각도로입사시켜

서 자의 동성에의해결정격자에회 된 자선을반 측 형 스크린에투 시켜

결정표면의모습을조사하는방법이다 그림3 5는 RHEED의개략도이다 이때 자선

은시료표면에 2~3층내외만 침투하게 되므로표면의정보를잘알 수가있다 RHEED

에서 k0라는 수를가진입사 자 가회 되기 한조건은반사 k와의벡터차 (s =

k - k0 scattering vector)가Miller 지수 (hkl)로표 되는결정면의역격자벡터 (Ghkl)와

일치해야만 한다 그러므로Miller 지수(hkl)로표 되는결정면에 장이 λ인 자 가

각 θ로입사하면 2dhkl sinθ = nλ(n은 정수)의 Bragg 조건을만족하는격자만이탄성산

란하여반사된다따라서 RHEED를통해보여지는 pattern은역격자의정보를가지고있

다

RHEED가MBE에서차지하는 요역할로는첫째성장기 의산화막제거를확인시켜

주며결정성장의유무에 한여부를확인시켜 다 GaAs표면에는산화막이형성되어

있으므로성장에앞서기 내의산화막을제거하기 하여가열(약 600)을하게 된다

기 에 산화막이 제거 되었는지에 한 여부는 RHEED pattern을 통해 알 수 있다

GaAs는 zincblend구조로써 FCC구조를기본으로한다 RHEED는역격자정보를가지

고 있는데 FCC 구조는 역격자 공간에서 BCC 구조가 된다 GaAs(100) 방향에서

As-stabilized RHEED pattern 은 (2times4) 구조나 (2times8) 구조로표면에재배열이발생한다

GaAs(100)방향이 (2times4)구조가나타내는 RHEED pattern은 [110]에서는 2-fold [110]에

서는 4-fold 구조를갖는다 그러므로 90deg 차이를두고 RHEED pattern이다르게 나타남

을알 수가있다 따라서 RHEED pattern은 결정성장시발생되는표면의재배열에 한

정보를 다그림 3- GaAs기 의 deoxidation과정후의 RHEED pattern을보여 다

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

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4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 36 -

그림 3 5 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)개략도

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

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5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 37 -

(a) 2-fold (b) 4-fold

그림 3 6 Deoxidation후의 2x4 RHEED pattern

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

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그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

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5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

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그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

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그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

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6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 38 -

4장양자 성장 측정방법

4 1실험방법

두개의 서로 다른 장 역의 양자 을 MBE를 이용하여 ALE 성장모드로 성장시킨

InAs GaAs계의양자 구조이다 12 장 역의 InAs양자 과 13 장 역의

DASWELL (Dots an asymmetric well)을 층하려고한다두개의서로다른 장 역

의양자 을 층하기 에각각의양자 을성장하여특성을분석후에 층을하려한

다양질의양자 성장을 해그림 4 1과같이 1 3 5의반복주기를주어 InAs양자 을

성장한후각각의특성을AFM이미지를통해분석하 다

그림 4 1 ALE성장모드를이용한양자 성장

AFM분석을통해 3회반복성장한양자 이 도높이폭 PL피크특성이가장좋은것

으로나타났다 3주기 ALE양자 성장모드로 12 InAs 양자 InAs열처리양자

DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)을성장한다

- 39 -

4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

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4 1 1 12 장 역의 InAs양자 성장방법

InAs양자 성장을 해기 은 n+-type의GaAs(100)을사용하 고최 preparation

chamber에시료를 장시킨후꺼내어 heating stage에넣고불순물과수분을제거하기

해 outgassing을하 다 outgassing은기 을 400까지올려서 preparation chamber

의진공이약 10-9Torr가될때까지한다보통약한시간이상을가열시켜야한다그후

에가열된기 을 Growth chamber로이동 후증착 용기 고정장치에 지한후기

온도가 600이상으로가열하여시료표면의산화막을제거하는과정을실시한다산화

막제거과정은 RHEED의패턴을 찰함으로써알수있다다음으로에피층성장을 한

결함이없고표 면을만들기 해 300두께의GaAs buffer층을성장한다성장시기

온도는 600정도이다 GaAs buffer층성장후기 온도를 500로낮추어서 38

두께의 GaAs층을성장하 다 이 GaAs 에피층은 양자 에 한장벽층으로이용된다

GaAs층 에 ALE 방식으로 In 1 monolayer와 As 1 monolayer 를 3주기반복성장하여

InAs양자 을성장하 다다시 38두께의GaAs층을성장하 다 그 에 AFM 찰

을 한 InAs ALE 양자 을다시성장한후온도를 격히 내려 성장을끝냈다 온도를

격히 내린 이유는기 온도변화에따른양자 에 한 향을최소화하기 함이다

그림 4 2 12 장 역의 InAs ALE성장구조이다

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 40 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

GaAs 38nm

InAs ALE 양자점

600

500

그림 4 2 12 장 역의 InAs양자 성장구조

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

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GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

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4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 41 -

4 1 2열처리 InAs양자 성장방법

12 장 역의 InAs양자 을열처리하여 장을이동하려한다 12 장 역의

InAs ALE양자 을성장후 5두께의GaAs층을성장한다일반 인 InAs양자 의높

이는 7~8 이다 이양자 을 5 두께의 GaAs층으로덮으면 1~2 정도의양자 윗

부분이외부로노출이된다 기 온도를양자 성장온도보다 100 높여서외부로노

출된부분을열처리한다열처리시간은 600sec이다열처리를통해노출되어있는 InAs

양자 의윗부분이분리되는효과를나타내기 해서이다열처리후기 온도를 500

내리고 38 두께의 GaAs층을 성장후에다시기 온도를올려 AFM 찰을 한열처

리양자 을성장한다그림 4 3은열처리양자 성장구조이다

그림 4 3열처리 InAs양자 성장구조

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 42 -

GaAs Sub

GaAs buffer

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

InGaAs

GaAs 38nm

InGaAs

InAs ALE 양자점

600

500

4 1 3 13 장 역의 DASWELL성장방법

InAs 양자 을 InGaAs 양자우물 안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에

포획되는Dot In An Asymmetric Well (DASWELL)구조를사용하 다 InAs양자 성

장과같은방식을GaAs기 에GaAs buffer를한후 500에서 38두께의GaAs층성

장까지는같은공정이다그후에 InGaAs Quantum well을성장한후ALE성장모드양

자 을성장한후다시 InGaAs Quantum well을성장을한다 AFM이미지 찰을 해

마지막층에는ALE양자 을성장한다

그림 4 4 13 장 역의 DASWELL성장구조

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 43 -

4 1 4 SLD활성층성장방법

SLD 활성층성장을 해 13 DASWELL 과 12 InAs 양자 을 층하 다 GaAs

기 에 GaAs buffer층 성장 과정까지는 InAs ALE 양자 성장과 동일하다 GaAs

buffer성장후기 온도를 500로내린다기 의온도가안정화되면 AlGaAs (2)와

GaAs (2)를 10회반복하여성장한 AlGaAs cladding층을두었다이는 KIST에서주로

사용하는 Digtal alloy 방식으로 AlGaAs를한번에성장하는방식보다반복 주기를주어

성장함으로써보다균일한AlGaAs층성장을할수있다 cladding층 에DASWELL을

성장하고 에 5두께의GaAs층을덮는다다시기 온도를 600로높이고온도가안

정화되면 50 두께의 GaAs층을성장한다 다시기 온도를 500로내리고 GaAs 성

장후에 InAs ALE양자 을성장한다그후GaAs층으로덮는다

- 44 -

그림 4 5 SLD활성층구조

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

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그림 4 5 SLD활성층구조

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4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

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그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

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4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

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그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

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5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

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주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

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5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

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그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

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5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

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그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

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5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

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열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

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그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

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5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 45 -

4 2 Photoluminescence(PL)

본연구에서제작된 시료의 학 특성을평가하기 해 Photoluminescence(PL) 실험

을 수행하 다 PL이란 direct bandgap 구조를 갖는 시료에 학 인 에 지를 가했을

때이를흡수한 자가안정상태로 이하며발출되는빛으로이를통하여물질의 band

구조 crystal의 quality 등을 간 으로 확인할 수 있는 방법이다 본 연구에서 사용한

PL장치를그림에나타내었고본실험에사용된장치를기 으로각각의기능과기본

인사양은아래와같다

(1) Loading부 측정하고자하는시료를 loading할수있는장치로시료의 온 특성

을측정할수있도록 온장치로되어있다

(2) 원장치 시료에 에 지를 인가하여 valence band에 있는 자를 conduction

band로 pumping하는장치이며 laser와mirror 즈 등의 학장치로구성이되어있다

사용되는 원은안정상태에있는 자가충분히여기될수있도록시료의 bandgap보

다큰 에 지를갖는 laser가이용되어야 하며 본실험에서는 514nm의 장을갖는 Ar

laser가사용되었다

(3) 분 감 계 시료에서방출된 빛을감지하는장치로측정하고자하는빛의 장

에따라 InGaAs (300~900nm)나Ge(850~1500nm) detector등을이용한다

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 46 -

그림 4 6 Photoluminescence(PL)측정장치의개략도

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 47 -

4 3 Atomic Force Microscope(AFM)

그림본실험에서사용된 AFM의개략도를보여 다기본 인AFM은표면형태를측정

하는 AFM모듈과이를제어하기 한 controller측정한 data를분석 상화하며 이

들자료들을 장과 controller를 리하는 computer system으로구성되어있다이들

가장 요한것이모듈인데시료표면과가깝게 치하여표면형태를검출하는 probe시

료를래스터 scanning 시키는 sample holder 바늘 로 이 빔을쏘아주는 학장치

바늘에서반사되는 이 빔을검출하는수 다이오드세트다이오드에서입력되는신

호를받아 z방향의 치를제어하는 feedback회로등으로구성된다

본실험에서사용된 AFM은 park science instrument사에서제작한 SFM-BD2모델이고

STM과일체형으로되어있다

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

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그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 48 -

그림 4 7 Atomic Force Microscope(AFM)장치의개략도

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 49 -

5장결과 고찰

5 1 InAs양자 성장을 한도포주기

InAs양자 에서GaAs기 에 In을도포한후 As를도포하는식으로반복주기에변

화를주어특성을비교하 다 In과As도포를 1 3 5번의반복주기로성장하여원자력

간 미경 (Atomic Force Microscopy AFM) 이미지로부터 얻은 결과를그림 5 1 으로

각각의특성에따라나타내었다 양자 의높이는주기가증가함에따라최소 25에서

최 약 12까지비교 선형 으로증가함을알수있다 양자 의폭은 5주기에서포

화된다 한양자 도는 5주기에서감소함을보인다 이결과로 3주기까지각 양자

들이성장을하다가그이상 In과As를공 하게되면양자 이주변의양자 과합쳐

지는과정에서 도는감소를이루며그이후공 되어진 In As는새로운양자 을형성

하기보다는기존의양자 높이를높이는데사용되기때문이다 그림 5 4는실험에쓰

인 ALE성장모드 InAs 3주기양자 의 AFM이미지를나타낸것이다그림에서보듯이

양자 의높이는약 75 이며 폭은 44 정도이며 평균 도는약 40times1010-2 이다

InAs양자 의 장인 12에서 PL peak을보인다여러특성분석을한결과 InAs ALE

3주기양자 이최 임을알수있다

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 50 -

주 기 1 3 5

양자 높이() 35 75 11

양자 폭() 30 44 69

양자 도(-2) 30times10 50times10 48times10

PL peak 1190 1198 1280

그림 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

표 5 1도포주기에따른양자 의특성비교

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 51 -

5 2 13DASWELL성장

GaAs matrix에성장된 양자 을활성층으로사용하는경우 기 상태발진을 해서는

양자 의 도를 높게 하고 양자 을 층하는 방법을 사용하 다 InAs 양자 을

InGaAs 양자우물안에 치시킴으로써 운반자가효율 으로양자 에포획되는 Dot In

An Asymmetric Well (DASWELL) 구조를사용하 다 InGaAs 양자우물을도입함으로

써 운반자포획이증가하고이로인해발진개시문턱 압이낮아질 뿐만 아니라특성온

도가증가한다 ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기 해 PL측

정을하 다 PL측정은 상온(300K)에서 5145 Ar+ 이 로여기 원의세기를 30

로고정하여수행하 다그림 5 2는상온에서측정한시료의 PL특성을나타내고있다

PL의신호형태가 3개의상태 (기 상태 1차여기상태 2차여기상태)로이루어져있음을

나타낸다 PL신호에서볼수있는뚜렷한에 지 의 찰은 3차원 운반자구속효

과에서비롯된다는것을의미한다그림 4 2에서보여진 PL신호형태는 3개의에 지

로이루어져 있는데바닥 와첫번째 는피크 치와반치폭특성은잘나타난

반면두번째여기 는넓게분산되어나타났다이는양자 내의 치한여기 에

있는 운반자들이 인 되어있는 양자 사이를 상호 이동하면서 나타난 결과이다 PL

peak이 1294에서나타남을알수있다

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 52 -

그림 5 2 DASWELL (Dot In An Asymmetric Well)의 PL특성

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 53 -

5 3 12 InAs양자

그림 5 3에서보이듯이ALE성장모드에의한 InAs양자 의 학 특성을조사하기

해 PL측정을 하 다 DASWELL 과 같이 양자 특성의 peak이 나타남을 알 수 있다

InAs 양자 장 역인 1216 근처에서 peak 나왔다 그림 4 5를 통해 InAs 양자

AFM 이미지를나타낸 것이다 AFM 로그램인 XEI를통해양자 하나에 line을 고

line profile을통해그어진 line의높이를나타낼수있다이것을통해양자 의 height가

약 75 이고 width는 약 45 정도임을 알 수 있다 그리고 양자 의 평균 도는 약

40times1010-2이다그림 5 4에서볼수있듯이양자 이균일한크기로분포되어있음을

알수있다

그림 5 3 InAs ALE양자 PL스펙트럼

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 54 -

그림 5 4 InAs양자 의 AFM이미지

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 55 -

5 4 12 장 역의 InAs양자 열처리

DASWELL을성장후에GaAs spacer로간격을조 한다 ALE성장모드로 InAs양자

을성장한다 1216nm의양자 을성장하 다 AFM 그림 5 4를참조하면양자 의높

이가약 8nm정도로성장한후GaAs를 5nm정도성장하여덮는다 600이상에서 5분간

열처리를하여 InAs 양자 의약 2~3되는부분에열을가하여 InAs 의결합을분해함

으로써 장 역을변화를주었다그림 5 4를통해 InAs양자 AFM이미지에서알수

있듯이양자 의높이가약 75이었던양자 들이열처리를통해그림 5 5에서보이듯

표면의높이평균이 1이하가되었다이 AFM이미지에알수있듯이 5 GaAs로덮히

고남은 InAs양자 의 2~3의윗부분에서 InAs의결합이깨져분해되어있음을알수

있다그림 5 6의 PL 데이터를보면 InAs 양자 의열처리를통해 1216nm의 PL peak이

1186nm로약 30 의 장이왼쪽으로이동하 음을알 수있다 열처리양자 을사용

하면 SLD의 장 역폭이더 broad할것이라 상한다

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 56 -

열처리 열처리후

그림 5 5 InAs ALE열처리양자 의 AFM이미지

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 57 -

그림 5 6 12 InAs ALE양자 열처리후 PL peak

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 58 -

5 5 SLD용활성층의 PL EL특성

양자 의물리 크기가본질 으로비균일성을갖고있고따라서비균일양자 크기

는앙상볼효과로나타나결국 특별한 bandgap engineering 없이도에 지 역이넓은

을방출할것이라는아이디어에근거하여 13 장 역의 DASWELL과 12 장

역의 InAs양자 을 층구조를사용한것이다 DASWELL과 InAs양자 단두층

층만으로도 PL(photoluminescene)과 EL(elctroluminescene)결과를통해상당히 broad

한 장 역을얻을수있음을확인하 다

그림 5 7은상온에서측정한 PL측정결과이다 12 장 역의양자 과 13 장

역의 DASWELL을 층한결과각양자 의고유 장이보 되면서반치폭이 150

정도의 장 역이 넓은 발 특성을 보임을 알 수 있다 두개의 최고 peak 장이 약

1185와 1270정도임을알수있다 InAs양자 의고유 장에는큰변화가없는데

DASWELL의 장 역에 변화가 생겼음을 알 수있다 이는 DASWELL을먼 성장한

후 InAs 양자 을성장하고열처리를하면서 DASWELL 에도열처리의 향을받은 것

으로 단된다 그림 5 8은 SLD의 EL스펙트럼을나타내었다 DASWELL과 InAs 양자

각각의 EL특성양자 SLD의이득폭이약 160nm로확인되었다

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 59 -

그림 5 7 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 PL특성

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 60 -

그림 5 8 DASWELL InAs양자 그리고 SLD의 EL특성

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 61 -

6장결 론

MBE를이용한ALE양자 성장모드에의해성장된 1300nm 장 역의DASWELL과

1200nm 장 역의 InAs ALE 양자 을단 2층 층하여 PL EL의특성을 측정하

다 AFM 이미지를통해 InAs성장시에 3주기로 In과 As를순차 으로도포함으로성장

한 양자 의 height가약 75이고width는약 45정도임을알수있으며양자 의평

균 도는약 40times1010-2임을확인하 다상온 PL EL특성을통해 12 장 역의

양자 성장을하 음을알수있다 한양자 의열처리를통해서 장 역이 1216

에서 1816로의변화가나타남을알수있다양자 의열처리효과로얻어진 장 역

의 변화는 앞으로도 다양한 장 역의 양자 성장연구가 가능할 것이다 DASWELL

층후에 InAs열처리양자 을 2층 층함으로써각고유의 장 역을보 하면서넓

은 장 역에걸쳐발 하는특성을보임을 PL과 EL결과로알수있다단순히서로다

른 2층 층으로반치폭이 160 에이르는 SLD를활성층을개발함으로써 앞으로다양

한연구에시작이될것이다 InAs양자 을먼 성장후에열처리를하고 DASWELL을

성장함으로써더넓은 장 역의성장도가능할것이다 1 장 역의 InGaAs양자

을 층한다면 장 역의폭은상당히넓어질것으로생각되며다양한연구의가능성

을보인다

결론 으로 ALE 방법으로성장시킨 양자 을이용한 역 SLD의제작을 해로 12

장 역의양자 과 13 장 역 DASWELL의 층 순서변화 층수의 변화

다른 장 역인 1 InGaAs양자 의 층등으로 보다더넓은 장 역의 SLD활

성층의제작이가능하리라생각되고많은연구가필요할것으로 단된다

- 62 -

참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

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참고문헌

1 A Chin C C Liao J Chu and S S Li J Cryst Grwoth 175176999 (1997)

2 T Kato T Takeuchi Y Inoue S Hasegawa K Inoue and H Nakashima

Appl Phys Lett 72(4) 465 (1998)

3 C Ribbat R L Sellin IKaiander F Hopfer N N Ledentsov D Bimberg A

R Kovsh V M Ustinov A E Zhukov and M V Maximov Appl Phys Lett

82 952 (2003)

4 D Bimberg M Grunmann and NN Ledentsov Semiconductor Quantum

dots MRS Bulletin 23(2) 24 (1998)

5 M -F Li Low-Dimensional Semiconductor Structures in Modern

Semiconductor Quantum Physics 486 (1994)

6 M Zinke-Allmang L Feldman and M Grabow Surf Sci Rep 16 377 (1992)

7 V Shchukin N Ledentsov P Kopev and D Bimberg Phys Rev Lett 75

2968 (1995)

8 K-N Tu J Mayer and L Feldman Electronic Thin Film Science for Electrical

Engineers and materials Scientists (Macmillan New York 1992)

9 T Suntola and J Antson Patent US 4058430 (1997)

10 T Suntola J Antson A Pakklala and S Lindfors SID Digest (1980) 108

11 T Suntola Handbook of Thin Film Precess Technology 1st Ed(institute of

physics Publishing Lodon 1995)

12 E kapon K Kash E M Clausen D M Hwang and E Colas Appl Phys

Lett 60 47 (1992)

13 W Hornischer P Grambow T Demel E Bauser D Heitmann and K von

Klitzing Appl Phys Lett 60 2998(1992)

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌

- 63 -

14 Y Arakawa and A Yariv IEEE J Quantum Electron QE-22(1987)

15 E Kapon S Simhony J P Harbison L T Florez and P Worland Appl

Phys Lett 56 1825(1990)

16 N Ogasawara R Itoh and Moria Jpn J Appl Phys 24 L519(1985)

17 V A Shchukin N N Ledentsov P S Kopev and D Bimberg Phy Rev

Lett 56 1825(1990)

18 R Hull and A Fisher-Colbie Appl Phys Lett 50 851(1987)

19 S Guha A madhukar and K C Rajkumar Appl Phys Lett 57 2110(1990)

• 요약
• Abstract
• 1장 서론
• 2장 이론 배경
• • 21 자발 형성 양자점
  • 211 양자구조 및 양자 구속 효과
  • 212 양자점의 형성 및 에피택시 성장모드
  • 22 성장기구와 Stranski-Krastanow(S-K) 성장모드
  • 23 Atomic Layer Epitaxy (ALE) 성장 방법
  • 24 In(Ga)As ALE 양자점의 특성
  • 25 양자점의 응용
  • 26 양자점의 SLD 사용 적합성
  • • 3장 실험 장치
    • • 31 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy)
      • 32 MBE 성장
      • 33 RGA (Residual Gas Analyzer)
      • 34 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)
      • • 4장 양자점 성장 및 측정 방법
        • • 41 실험방법
          • 411 12 파장대역의 InAs 양자점 성장방법
          • 412 열처리 InAs 양자점 성장방법
          • 413 13 파장대역의 DASWELL 성장방법
          • 414 SLD 활성층 성장방법
          • 42 PL (Photoluminescence)
          • 43 AFM (Atomic Force Microscope)
          • • 5장 결과 및 고찰
            • • 51 12 InAs 양자점 성장
              • 52 13 DASWELL 성장
              • 53 12 InAs 열처리 양자점 성장
              • 54 12 파장대역의 InAs 양자점 열처리
              • 55 SLD용 활성층의 PL EL 특성
              • • 6장 결론
                • 참고문헌