InGaAs/InAlAs 양자우물구조의 발광특성에 대한 In0.4Al0.6As 버퍼층 성장온도의 영향 Growth Temperature Effects of In0.4Al0.6As Buffer Layer on the Luminescence Properties of InGaAs/InAlAs Quantum Well Structures원문보기
$In_{0.4}Al_{0.6}As$ 버퍼층의 성장온도 변화에 따른 $In_{0.5}Ga_{0.5}As/In_{0.5}Al_{0.5}As$ 다중양자우물(multiple quantum wells, MQWs)의 광학적 특성을 포토루미네션스(photoluminescence, PL)와 시간분해 포토루미네션스(time-resolved PL, TRPL) 측정을 이용하여 분석하였다. $In_{0.4}Al_{0.6}As$ 버퍼층은 기판의 온도를 $320^{\circ}C$에서 $580^{\circ}C$까지 다양하게 변화시키며 $1{\mu}m$ 성장하였으며, 그 위에 $In_{0.5}Al_{0.5}As$ 층을 $480^{\circ}C$에서 $1{\mu}m$ 성장한 후 InGaAs/InAlAs MQWs을 성장하였다. MQWs는 6-nm, 4-nm, 그리고 2.5-nm 두께의 $In_{0.5}Ga_{0.5}As$ 양자우물과 10-nm 두께의 $In_{0.5}Al_{0.5}As$ 장벽으로 이루어졌다. 4-nm QW과 6-nm QW로부터 PL 피크가 나타났으나, $In_{0.4}Al_{0.6}As$ 성장온도 변화가 가장 큰($320^{\circ}C$에서 $580^{\circ}C$까지 변화) 시료는 6-nm QW에서의 PL 피크만 나타났다. 낮은 온도($320^{\circ}C$에서 $480^{\circ}C$까지 변화)에서 성장한 $In_{0.4}Al_{0.6}As$ 버퍼층 위에 성장한 MQWs의 PL 특성이 우수하게 나타났다. 발광파장에 따른 TRPL 결과로 4-nm QW과 6-nm QW에서의 캐리어 소멸시간을 얻었다.
$In_{0.4}Al_{0.6}As$ 버퍼층의 성장온도 변화에 따른 $In_{0.5}Ga_{0.5}As/In_{0.5}Al_{0.5}As$ 다중양자우물(multiple quantum wells, MQWs)의 광학적 특성을 포토루미네션스(photoluminescence, PL)와 시간분해 포토루미네션스(time-resolved PL, TRPL) 측정을 이용하여 분석하였다. $In_{0.4}Al_{0.6}As$ 버퍼층은 기판의 온도를 $320^{\circ}C$에서 $580^{\circ}C$까지 다양하게 변화시키며 $1{\mu}m$ 성장하였으며, 그 위에 $In_{0.5}Al_{0.5}As$ 층을 $480^{\circ}C$에서 $1{\mu}m$ 성장한 후 InGaAs/InAlAs MQWs을 성장하였다. MQWs는 6-nm, 4-nm, 그리고 2.5-nm 두께의 $In_{0.5}Ga_{0.5}As$ 양자우물과 10-nm 두께의 $In_{0.5}Al_{0.5}As$ 장벽으로 이루어졌다. 4-nm QW과 6-nm QW로부터 PL 피크가 나타났으나, $In_{0.4}Al_{0.6}As$ 성장온도 변화가 가장 큰($320^{\circ}C$에서 $580^{\circ}C$까지 변화) 시료는 6-nm QW에서의 PL 피크만 나타났다. 낮은 온도($320^{\circ}C$에서 $480^{\circ}C$까지 변화)에서 성장한 $In_{0.4}Al_{0.6}As$ 버퍼층 위에 성장한 MQWs의 PL 특성이 우수하게 나타났다. 발광파장에 따른 TRPL 결과로 4-nm QW과 6-nm QW에서의 캐리어 소멸시간을 얻었다.
The luminescence properties of $In_{0.5}Ga_{0.5}As/In_{0.5}Al_{0.5}As$ multiple quantum wells (MQWs) grown on $In_{0.4}Al_{0.6}As$ buffer layer have been investigated by using photoluminescence (PL) and time-resolved PL measurements. A 1-${\mu}m$-thick $In_{0.4}...
The luminescence properties of $In_{0.5}Ga_{0.5}As/In_{0.5}Al_{0.5}As$ multiple quantum wells (MQWs) grown on $In_{0.4}Al_{0.6}As$ buffer layer have been investigated by using photoluminescence (PL) and time-resolved PL measurements. A 1-${\mu}m$-thick $In_{0.4}Al_{0.6}As$ buffer layers were deposited at various temperatures from $320^{\circ}C$ to $580^{\circ}C$ on a 500-nm-thick GaAs layer, and then 1-${\mu}m$-thick $In_{0.5}Al_{0.5}As$ layers were deposited at $480^{\circ}C$, followed by the deposition of the InGaAs/InAlAs MQWs. In order to study the effects of $In_{0.4}Al_{0.6}As$ layer on the optical properties of the MQWs, four different temperature sequences are used for the growth of $In_{0.4}Al_{0.6}As$ buffer layer. The MQWs consist of three $In_{0.5}Al_{0.5}As$ wells with different well thicknesses (2.5-nm, 4.0-nm, and 6.0-nm-thick) and 10-nm-thick $In_{0.5}Al_{0.5}As$ barriers. The PL peaks from 4-nm QW and 6-nm QW were observed. However, for the MQWs on the $In_{0.4}Al_{0.6}As$ layer grown by using the largest growth temperature variation (320-$580^{\circ}C$), the PL spectrum only showed a PL peak from 6-nm QW. The carrier decay times in the 4-nm QW and 6-nm QW were measured from the emission wavelength dependence of PL decay. These results indicated that the growth temperatures of $In_{0.4}Al_{0.6}As$ layer affect the optical properties of the MQWs.
The luminescence properties of $In_{0.5}Ga_{0.5}As/In_{0.5}Al_{0.5}As$ multiple quantum wells (MQWs) grown on $In_{0.4}Al_{0.6}As$ buffer layer have been investigated by using photoluminescence (PL) and time-resolved PL measurements. A 1-${\mu}m$-thick $In_{0.4}Al_{0.6}As$ buffer layers were deposited at various temperatures from $320^{\circ}C$ to $580^{\circ}C$ on a 500-nm-thick GaAs layer, and then 1-${\mu}m$-thick $In_{0.5}Al_{0.5}As$ layers were deposited at $480^{\circ}C$, followed by the deposition of the InGaAs/InAlAs MQWs. In order to study the effects of $In_{0.4}Al_{0.6}As$ layer on the optical properties of the MQWs, four different temperature sequences are used for the growth of $In_{0.4}Al_{0.6}As$ buffer layer. The MQWs consist of three $In_{0.5}Al_{0.5}As$ wells with different well thicknesses (2.5-nm, 4.0-nm, and 6.0-nm-thick) and 10-nm-thick $In_{0.5}Al_{0.5}As$ barriers. The PL peaks from 4-nm QW and 6-nm QW were observed. However, for the MQWs on the $In_{0.4}Al_{0.6}As$ layer grown by using the largest growth temperature variation (320-$580^{\circ}C$), the PL spectrum only showed a PL peak from 6-nm QW. The carrier decay times in the 4-nm QW and 6-nm QW were measured from the emission wavelength dependence of PL decay. These results indicated that the growth temperatures of $In_{0.4}Al_{0.6}As$ layer affect the optical properties of the MQWs.
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문제 정의
본 연구에서는 In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As 다중양자우물 (multiple quantum wells, MQWs) 구조의 최적의 성장조건을 찾기 위하여, 다양한 성장온도에서 In0.4Al0.6As 버퍼층을 성장하였다. In0.
제안 방법
5 μm 성장하였다. In0.5Ga0.5As/ In0.5Al0.5As MQWs의 광학적 특성을 PL과 TRPL 측정을 이용하여 분석하였다. PL과 TRPL 측정은 여기 광원으로 각각 cw 다이오드 레이저(λ=532 nm)와 피코초 펄스 다이오드 레이저(λ=634 nm, pulse width=93 ps)를 사용하였으며, PL 신호는 NIR-PMT (near-infrared photomultiplier tube)를 이용하여 측정하였다.
6As 버퍼층을 1 μm 성장하였다. In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As MQWs 의 광학적 특성을 향상하기 위하여 In0.4Al0.6As 버퍼층의 성장 온도를 변화시켰다. Fig.
6As 버퍼층을 성장하였다. In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As MQWs의 광학적 특성에 대한 In0.4Al0.6As 버퍼층의 성장온도의 영향을 포토루미네션스(photoluminescence, PL)와 시간분해 포토루미네션스 (time-resolved PL, TRPL) 측정을 이용하여 분석하였다.
MBE를 이용하여 GaAs 기판에 성장한 In0.4Al0.6As 버퍼 층의 성장온도에 따른 In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As MQWs의 광학적 특성 변화를 PL과 TRPL 측정을 이용하여 분석하였다. In0.
PL과 TRPL 측정은 여기 광원으로 각각 cw 다이오드 레이저(λ=532 nm)와 피코초 펄스 다이오드 레이저(λ=634 nm, pulse width=93 ps)를 사용하였으며, PL 신호는 NIR-PMT (near-infrared photomultiplier tube)를 이용하여 측정하였다. TRPL 소멸곡선은 TCSPC (time-correlated single photon counting) 시스템을 이용하여 측정하였으며, deconvolution fit을 이용한 TCSPC 시스템의 시간 분해능은 60 ps 이상이다.
따라서 In0.4Al0.6As/In0.5Al0.5As 버퍼층에 성장한 MQWs 시료들의 PL 스펙트럼과 In0.5Al0.5As 버퍼층에 성장한 MQWs 시료의 PL 특성을 비교하기 위해 가장 우수한 PL 특성을 보인 N2 (480°C 성장한 In0.5Al0.5As) 시료의 PL 스펙트럼을 Fig. 2에 나타내었다.
본 연구에서는 1 μm 두께의 In0.4Al0.6As 버퍼층의 성장온도를 변화시켜 성장하고, 그 위에 480°C에서 1 μm 두께의 In0.5Al0.5As를 성장한 후 In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As MQWs를 성장하였다.
여기서 τ1과 τ2는 각각 빠른 소멸성분과 느린 소멸성분의 캐리어 소멸시간(decay time)을 나타내고, A1과 A2는 각각의 성분의 PL 진폭에 대응하는 부분을 나타낸다. 여기 광원의 펄스 폭과 전기적 영향 등을 제거하기 위해 IRF를 측정하여 deconvolution fit을 이용하여 캐리어 소멸시간을 얻었다. Fig.
대상 데이터
In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As MQWs 시료는 MBE (molecular beam epitaxy) 장비를 이용하여 GaAs (001) 기판 위에 성장하였다. MQWs 구조를 성장하기 전에 GaAs 기판에 nGaAs 버퍼층을 580°C에서 0.
성능/효과
발광파장에 따른 PL 소멸곡선 측정으로 4-nm QW과 6-nm QW에서의 캐리어 재결합은 각각 빠른 소멸시간 τ1과 느린 소멸시간 τ2인 것을 확인하였다. 또한 In0.4Al0.6As/In0.5Al0.5As 버퍼층에 성장한 In0.5Ga0.5As/ In0.5Al0.5As MQWs의 PL 특성이 In0.5Al0.5As 버퍼층을 이용한 경우보다 PL 특성이 10배 정도 향상된 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터 In0.
S2와 S4의 발광 파장에 따른 PL 소멸시간은 S1과 비슷한 특성을 보였다. 모든 시료들의 발광파장에 따른 느린 소멸시간 τ2는 6-nm QW의 PL 피크에서 소멸시간이 가장 짧은 것을 확인하였다. 그러나 빠른 소멸시간 τ1은 발광파장이 증가함에 따라 S자 형태가 관찰되었으며 4-nm QW의 PL 피크에서 τ1의 피크 소멸시간을 얻었다.
그 외 다른 시료들은 4-nm QW과 6-nm QW로부터 각각 PL 피크가 측정되었다. 발광파장에 따른 PL 소멸곡선 측정으로 4-nm QW과 6-nm QW에서의 캐리어 재결합은 각각 빠른 소멸시간 τ1과 느린 소멸시간 τ2인 것을 확인하였다. 또한 In0.
4에 나타내었다. 발광파장이 증가함에 따라 PL 소멸은 점차 빨라지다가 S1과 S3 각각 6-nm QW의 PL 피크인 1,442 nm와 1,453 nm에서 가장 빠른 소멸을 보였다. 발광파장이 더 증가하였을 때 PL은 점차 느리게 소멸한다.
5As 버퍼층을 사용하였을 때 대략 7-10배 강하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 PL 결과로부터 In0.4Al0.6As/In0.5Al0.5As 버퍼층 구조가 In0.5Ga0.5As/In0.5Al0.5As MQWs의 버퍼층으로 In0.5Al0.5As 버퍼층보다 우수함을 확인하였다.
5As 버퍼층을 이용한 경우보다 PL 특성이 10배 정도 향상된 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터 In0.4Al0.6As 버퍼층의 성장온도뿐만 아니라 버퍼층 물질에 따라 InGaAs/InAlAs MQWs의 광학적 특성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
이러한 결과로부터 In0.5Al0.5As 버퍼층의 성장조건은 일정한 온도 480°C인 것을 확인하였다.
일정한 온도 480°C에서 성장한 In0.5Al0.5As 버퍼층을 사용한 MQWs의 PL 세기가 가장 강하게 측정되었으며, 가장 높은 온도에서(530-580°C)에서 성장한 In0.5Al0.5 As 버퍼층의 MQWs의 PL 세기가 가장 약하게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
InP 기판의 단점은?
InP 기반의 HEMT는 GaAs 기반의 HEMT와 비교하여 높은 이득과 낮은 잡음 및 우수한 초고주파 특성 등 여러 장점 때문에 밀리미터파 대역에서 동작하는 증폭기의 응용에 주로 사용되어져 왔다. 그러나 InP 기판은 역학적으로 부서지기 쉬운 성질, 높은 재료비용과 작은 사이즈만 이용가능하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 GaAs 기판 위에 metamorphic 버퍼층(buffer layer)을 사용하는 InAlAs/InGaAs metamorphic HEMT (MHEMT) 소자가 많은 관심을 받아왔다 [1-4].
InP 기판이 가진 단점을 개선하기 위해 주목된 소재는 무엇인가?
그러나 InP 기판은 역학적으로 부서지기 쉬운 성질, 높은 재료비용과 작은 사이즈만 이용가능하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 GaAs 기판 위에 metamorphic 버퍼층(buffer layer)을 사용하는 InAlAs/InGaAs metamorphic HEMT (MHEMT) 소자가 많은 관심을 받아왔다 [1-4]. HEMT에 관한 연구는 InAlAs 장벽과 InGaAs 우물 사이에 큰 대역의 전도대의 불연속성을 얻고, In 채널층의 캐리어 농도와 이동도를 개선하기 위한 연구를 해왔다 [5,6].
InP 기반의 HEMT가 밀리미터파 대역에서 동작하는 증폭기의 응용에 사용되어 온 이유는?
또한 InGaAs/InAlAs 이종접합은 AlGaAs/ GaAs와 비교하여 표면재결합이 낮고 이동도가 크므로 HBT (heterojunction bipolar transistor)나 HEMT (high electron mobility transistor) 등 초고속 이종접합 소자 제작에 많은 연구가 이루어지고 있다. InP 기반의 HEMT는 GaAs 기반의 HEMT와 비교하여 높은 이득과 낮은 잡음 및 우수한 초고주파 특성 등 여러 장점 때문에 밀리미터파 대역에서 동작하는 증폭기의 응용에 주로 사용되어져 왔다. 그러나 InP 기판은 역학적으로 부서지기 쉬운 성질, 높은 재료비용과 작은 사이즈만 이용가능하다는 단점이 있다.
참고문헌 (11)
L. J. Cui, Y. P. Zeng, B. Q. Wang, J. Wu, Z. P. Zhu, and L. Y. Lin, J. Appl. Phys. 91, 2429 (2002).
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