3차원 질화갈륨 구조의 극성, 반극성, 비극성 면에 따른 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 관한 연구 : Study on the growth of InGaN quantum dots depending on the polar, semipolar and nonpolar planes of three-dimensional GaN structures원문보기
지난 수년간, 3족 질화물계 양자점 (quantum dot)은 발광 다이오드 (Light-emittind diodes), 레이저 다이오드 (Laser diodes) 등의 광전소자 분야의 잠재적 응용물질로써 각광받아왔다. 인듐질화갈륨 양자점은 인듐질화갈륨 양자우물 (quantum well)에 비하여 높은 이송자 구속으로 인하여 내부양자효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 높은 인듐 함량이 가능한 인듐질화갈륨 구조를 만들 수 있다. 이러한 장점들로 인해 인듐질화갈륨 양자점은 많은 연구 집단에서 연구되어왔다. 현재까지, 대부분의 연구집단은 (0001) 방향의 ...
지난 수년간, 3족 질화물계 양자점 (quantum dot)은 발광 다이오드 (Light-emittind diodes), 레이저 다이오드 (Laser diodes) 등의 광전소자 분야의 잠재적 응용물질로써 각광받아왔다. 인듐질화갈륨 양자점은 인듐질화갈륨 양자우물 (quantum well)에 비하여 높은 이송자 구속으로 인하여 내부양자효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 높은 인듐 함량이 가능한 인듐질화갈륨 구조를 만들 수 있다. 이러한 장점들로 인해 인듐질화갈륨 양자점은 많은 연구 집단에서 연구되어왔다. 현재까지, 대부분의 연구집단은 (0001) 방향의 질화갈륨 템플릿위에 성장된 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 초점을 맞춰왔다. 몇몇 집단은 질화갈륨 피라미드 구조의 꼭짓점 또는 양자우물 내 형성된 양자점에 관한 연구를 진행해왔다. 그리고, 일부 집단만이 나노막대, 나노선 등의 나노구조의 비극성 면에 형성된 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 관해 연구를 진행해왔다. 하지만, 3차원 질화갈륨 구조의 다양만 극성을 갖는 면 위에 동시에 성장된 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 관한 연구는 현재까지 발표된 바 없다. 3차원 질화갈륨 구조 성장 시 다음과 같은 이점이 존재한다. 먼저, 대부분의 3차원 구조는 에피텍시얼 수평 과성장 (Epitaxial Lateral Overgrowth) 법을 통해 성장되기 때문에, 저결함의 에피택시얼 층을 얻을 수 있게 된다. 두 번째로는 3차원 질화갈륨구조는 여러 성장면을 갖게 되는데, 여러 성장면이 존재하는 구조에서는 각각의 면에서의 이송자 확산정도가 다르기 때문에 인듐질화갈륨 박막을 성장하게 될 경우 인듐질화갈륨 박막 내의 인듐 함량과 두께가 위치별로 달라지게 됨으로써 다양한 파장의 빛을 발광할 수 있게 된다. 인듐질화갈륨 양자점은 인듐질화갈륨 박막과 질화갈륨 박막 사이에서 발생하는 응력을 완화시키기 위해 형성되는 구조이기 때문에, 여러 성장면을 갖는 3차원 질화갈륨 구조위에서 양자점을 성장하게 될 경우 각각의 면에서 구조적, 조성적, 광학적 특성의 차이가 인듐질화갈륨 박막에 비해 훨씬 크게 나타날 것으로 예상된다. 본 연구에서는 유기금속화학기상증착법 (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)을 통해 (0001) 극성, (11-22) 반극성, (11-20) 비극성 면을 갖는 3차원 질화갈륨 구조위에 동시에 형성된 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 관해 보고한다. 최적화된 인듐질화갈륨 양자점의 성장 조건을 확보하기 위하여 유기금속 소스량, V/III 비, 성장 멈춤 시간에 대한 체계적인 연구를 수행하였다. 이러한 과정을 통해 작은 크기와 높은 밀도를 갖는 적절한 인듐질화갈륨 양자점의 성장 조건을 최적화하였다. 추가적으로, 각각의 면의 비율이 적절하고 경면을 갖는 3차원 질화갈륨 구조의 성장 조건에 대한 연구도 동시에 진행하였다. 마지막으로, 최적화된 인듐질화갈륨 양자점 성장 조건을 3차원 질화갈륨 조건에 적용하였다. 본 연구에 적용된 융합구조의 구조적 특성은 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy), 원자력현미경 (Atomic Force Microscopy), 고해상도투과전자현미경 (High Resolution-Transmission Electron Microscopy), 주사투과전자현미경 (Scanning Transmission Electron Microscopy)로 관찰되었다. 조성적 특성은 주사투과전자현미경-에너지분산형분광분석법 (Scanning Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 통해 관찰되었다. 마지막으로 광학적 특성은 광 루미네선스 (Photoluminescence), 음극선 루미네선스 (Cathodoluminescence) 저온 광 루미네선스(Low Temperature-Photoluminescence)를 통해 관찰되었다.
지난 수년간, 3족 질화물계 양자점 (quantum dot)은 발광 다이오드 (Light-emittind diodes), 레이저 다이오드 (Laser diodes) 등의 광전소자 분야의 잠재적 응용물질로써 각광받아왔다. 인듐질화갈륨 양자점은 인듐질화갈륨 양자우물 (quantum well)에 비하여 높은 이송자 구속으로 인하여 내부양자효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 높은 인듐 함량이 가능한 인듐질화갈륨 구조를 만들 수 있다. 이러한 장점들로 인해 인듐질화갈륨 양자점은 많은 연구 집단에서 연구되어왔다. 현재까지, 대부분의 연구집단은 (0001) 방향의 질화갈륨 템플릿위에 성장된 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 초점을 맞춰왔다. 몇몇 집단은 질화갈륨 피라미드 구조의 꼭짓점 또는 양자우물 내 형성된 양자점에 관한 연구를 진행해왔다. 그리고, 일부 집단만이 나노막대, 나노선 등의 나노구조의 비극성 면에 형성된 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 관해 연구를 진행해왔다. 하지만, 3차원 질화갈륨 구조의 다양만 극성을 갖는 면 위에 동시에 성장된 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 관한 연구는 현재까지 발표된 바 없다. 3차원 질화갈륨 구조 성장 시 다음과 같은 이점이 존재한다. 먼저, 대부분의 3차원 구조는 에피텍시얼 수평 과성장 (Epitaxial Lateral Overgrowth) 법을 통해 성장되기 때문에, 저결함의 에피택시얼 층을 얻을 수 있게 된다. 두 번째로는 3차원 질화갈륨구조는 여러 성장면을 갖게 되는데, 여러 성장면이 존재하는 구조에서는 각각의 면에서의 이송자 확산정도가 다르기 때문에 인듐질화갈륨 박막을 성장하게 될 경우 인듐질화갈륨 박막 내의 인듐 함량과 두께가 위치별로 달라지게 됨으로써 다양한 파장의 빛을 발광할 수 있게 된다. 인듐질화갈륨 양자점은 인듐질화갈륨 박막과 질화갈륨 박막 사이에서 발생하는 응력을 완화시키기 위해 형성되는 구조이기 때문에, 여러 성장면을 갖는 3차원 질화갈륨 구조위에서 양자점을 성장하게 될 경우 각각의 면에서 구조적, 조성적, 광학적 특성의 차이가 인듐질화갈륨 박막에 비해 훨씬 크게 나타날 것으로 예상된다. 본 연구에서는 유기금속화학기상증착법 (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)을 통해 (0001) 극성, (11-22) 반극성, (11-20) 비극성 면을 갖는 3차원 질화갈륨 구조위에 동시에 형성된 인듐질화갈륨 양자점의 성장에 관해 보고한다. 최적화된 인듐질화갈륨 양자점의 성장 조건을 확보하기 위하여 유기금속 소스량, V/III 비, 성장 멈춤 시간에 대한 체계적인 연구를 수행하였다. 이러한 과정을 통해 작은 크기와 높은 밀도를 갖는 적절한 인듐질화갈륨 양자점의 성장 조건을 최적화하였다. 추가적으로, 각각의 면의 비율이 적절하고 경면을 갖는 3차원 질화갈륨 구조의 성장 조건에 대한 연구도 동시에 진행하였다. 마지막으로, 최적화된 인듐질화갈륨 양자점 성장 조건을 3차원 질화갈륨 조건에 적용하였다. 본 연구에 적용된 융합구조의 구조적 특성은 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy), 원자력현미경 (Atomic Force Microscopy), 고해상도투과전자현미경 (High Resolution-Transmission Electron Microscopy), 주사투과전자현미경 (Scanning Transmission Electron Microscopy)로 관찰되었다. 조성적 특성은 주사투과전자현미경-에너지분산형분광분석법 (Scanning Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 통해 관찰되었다. 마지막으로 광학적 특성은 광 루미네선스 (Photoluminescence), 음극선 루미네선스 (Cathodoluminescence) 저온 광 루미네선스(Low Temperature-Photoluminescence)를 통해 관찰되었다.
In recent years, III-Nitride based quantum dots (QDs) have been attracted for potential applications in optoelectronic devices such as light-emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs) and so on. InGaN quantum dots have the potential to enhance the internal quantum efficiency of the device by its hig...
In recent years, III-Nitride based quantum dots (QDs) have been attracted for potential applications in optoelectronic devices such as light-emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs) and so on. InGaN quantum dots have the potential to enhance the internal quantum efficiency of the device by its higher carrier confinement than InGaN quantum wells (QWs). Also, high indium incorporated InGaN structures can be grown using InGaN QDs. Due to these advantages, InGaN QDs have been investigated by many research groups. So far, most of them have focused on the growth of InGaN QDs grown on (0001) GaN templates. Some of them have studied InGaN QDs formed on the apex of the GaN pyramid or dot-in-well structure; InGaN QDs embedded in InGaN QWs structure. And a few groups have investigated the growth of InGaN QDs formed on nonpolar plane of nanostructures such as nanorods (NRs), nanowires (NWs). However, there has been no report on the growth of InGaN QDs simultaneously formed on various polarity facets of 3D GaN structures. There are several advantages in the growth of 3D GaN structures. Firstly, most of these structures are grown through epitaxial lateral overgrowth (ELO) method. This method is a superior technique to obtain low defect epitaxial layers. Secondly, 3D GaN structures have multi-facets. On multi-facet structure, InGaN layer have variations in thickness and indium compositions due to different diffusivity of indium and gallium adatoms at each facet. As InGaN QDs are formed from InGaN layer to relax the stress between InGaN/GaN interface, the difference in structural, compositional and optical properties of InGaN QDs formed on each facet will be bigger than those of InGaN layer. In this study, we report the growth of InGaN QDs simultaneously formed on 3D GaN structure which have (0001) polar, (11-22) semipolar and (11-20) nonpolar plane using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) system. To modify the optimized growth conditions of InGaN QDs, we performed a systematic studies on the metal-organic source flow rate, V/III ratio, growth interruption time. Through these performances, we optimized the proper growth conditions for InGaN QDs which have small sizes and high density. Additionally, we have studied the growth conditions of three-dimensional (3D) GaN structures for the proper ratio of each plane and mirror-like surfaces. Finally, we have adapted the optimized growth conditions of InGaN QDs to 3D GaN structures. The structural properties of this combined structure were observed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) and High Resolution-Transmission Electron Microscopy (HR-TEM) and Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). The compositional properties were observed by Scanning Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (STEM-EDS) and the optical properties were observed by Photoluminescence (PL), Cathodoluminescence (CL) and Low Temperature Photoluminescence (LT-PL).
In recent years, III-Nitride based quantum dots (QDs) have been attracted for potential applications in optoelectronic devices such as light-emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs) and so on. InGaN quantum dots have the potential to enhance the internal quantum efficiency of the device by its higher carrier confinement than InGaN quantum wells (QWs). Also, high indium incorporated InGaN structures can be grown using InGaN QDs. Due to these advantages, InGaN QDs have been investigated by many research groups. So far, most of them have focused on the growth of InGaN QDs grown on (0001) GaN templates. Some of them have studied InGaN QDs formed on the apex of the GaN pyramid or dot-in-well structure; InGaN QDs embedded in InGaN QWs structure. And a few groups have investigated the growth of InGaN QDs formed on nonpolar plane of nanostructures such as nanorods (NRs), nanowires (NWs). However, there has been no report on the growth of InGaN QDs simultaneously formed on various polarity facets of 3D GaN structures. There are several advantages in the growth of 3D GaN structures. Firstly, most of these structures are grown through epitaxial lateral overgrowth (ELO) method. This method is a superior technique to obtain low defect epitaxial layers. Secondly, 3D GaN structures have multi-facets. On multi-facet structure, InGaN layer have variations in thickness and indium compositions due to different diffusivity of indium and gallium adatoms at each facet. As InGaN QDs are formed from InGaN layer to relax the stress between InGaN/GaN interface, the difference in structural, compositional and optical properties of InGaN QDs formed on each facet will be bigger than those of InGaN layer. In this study, we report the growth of InGaN QDs simultaneously formed on 3D GaN structure which have (0001) polar, (11-22) semipolar and (11-20) nonpolar plane using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) system. To modify the optimized growth conditions of InGaN QDs, we performed a systematic studies on the metal-organic source flow rate, V/III ratio, growth interruption time. Through these performances, we optimized the proper growth conditions for InGaN QDs which have small sizes and high density. Additionally, we have studied the growth conditions of three-dimensional (3D) GaN structures for the proper ratio of each plane and mirror-like surfaces. Finally, we have adapted the optimized growth conditions of InGaN QDs to 3D GaN structures. The structural properties of this combined structure were observed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) and High Resolution-Transmission Electron Microscopy (HR-TEM) and Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). The compositional properties were observed by Scanning Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (STEM-EDS) and the optical properties were observed by Photoluminescence (PL), Cathodoluminescence (CL) and Low Temperature Photoluminescence (LT-PL).
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