[논문]디지털 합금 InGaAlAs 다중 양자 우물의 열처리 온도에 따른 발광 특성

조일욱; 변혜령; 류미이; 송진동

doi:10.5757/jkvs.2013.22.6.321

디지털 합금 InGaAlAs 다중 양자 우물의 열처리 온도에 따른 발광 특성
Effect of Annealing Temperature on the Luminescence Properties of Digital-Alloy InGaAlAs Multiple Quantum Wells 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.22 no.6, 2013년, pp.321 - 326

조일욱 (강원대학교 물리학과) , 변혜령 (강원대학교 물리학과) , 류미이 (강원대학교 물리학과) , 송진동 (한국과학기술연구원 다원물질융합연구소 광전융합시스템연구단)

초록
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디지털 합금(digital alloy) InGaAlAs 다중 양자 우물(multiple quantum wells: MQWs) 구조의 열처리(rapid thermal annealing: RTA) 온도에 따른 발광 특성을 PL (photoluminescence)와 TRPL (time-resolved PL)를 이용하여 분석하였다. $700^{\circ}C$에서 $850^{\circ}C$까지 온도를 변화시켜 RTA한 디지털 합금 MQWs의 PL 결과는 $750^{\circ}C$에서 RTA한 시료가 가장 강한 PL 세기와 가장 좁은 반치폭을 나타내었다. 이것은 $750^{\circ}C$에서 30초 동안 RTA하였을 때 비발광 재결합 센터가 감소하고 가장 매끄러운 경계면이 형성되는 것을 나타낸다. RTA 온도를 $800^{\circ}C$와 $850^{\circ}C$로 증가하였을 때 PL 피크는 청색편이 하였으며 PL 세기는 감소하였다. PL 피크의 청색편이는 RTA 온도가 증가함에 따라 InGaAs/InAlAs SPS (short-period superlattice)의 경계면에서의 Ga과 Al의 혼합(intermixing)으로 Al 함량이 증가한 것으로 설명되며, PL 세기의 감소는 경계면의 거칠기의 증가와 인듐의 상분리(phase separation)로 인한 비균일 조성(compositional fluctuation)으로 설명된다. RTA 온도를 증가하였을 때 PL 소멸시간은 증가하였으며, 이것은 비발광 재결합 센터(결정 결함)가 감소한 것을 나타낸다. 디지털 합금 InGaAlAs MQWs 시료의 PL 특성은 적절한 RTA 조건에서 현저히 향상되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of rapid thermal annealing (RTA) on the optical properties of digital-alloy InGaAlAs multiple quantum well (MQW) structures have been investigated by using photoluminescence (PL) and time-resolved PL measurements as a function of RTA temperature. The MQW samples were annealed from $700^{\circ}C$ to $850^{\circ}C$ for 30 s in a nitrogen atmosphere. The MQW sample annealed at $750^{\circ}C$ exhibited the strongest PL intensity and the narrowest FWHM (Full width at half maximum), indicating the reduced nonradiative recombination centers and the improved interfaces between the wells and barriers. The MQW samples annealed at $800^{\circ}C$ and $850^{\circ}C$ showed the decreased PL intensities and blueshifted PL peaks compared to $750^{\circ}C$-annealed sample. The blueshift of PL peak with increasing RTA temperatures are ascribed to the increase of aluminum due to intermixing of gallium (Ga) and aluminum (Al) in the interfaces of InGaAs/InAlAs short-period superlattices. The decrease of PL intensity after annealing at $800^{\circ}C$ and $850^{\circ}C$ are attributed to the interface roughening and lateral composition modulation caused by the interdiffusion of Ga and Al and indium segregation, respectively. With increasing RTA temperature the PL decay becomes slower, indicating the decrease of nonradiative defect centers. The optical properties of digital-alloy InGaAlAs MQW structures can be improved significantly with optimum RTA conditions.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

PL과 TRPL의 여기 광원으로 각각 cw 다이오드 레이저(λ=660 nm)와 펄스 다이오드 레이저(λ=634 nm, pulse width=50 ps)를 사용하였으며, PL 신호는 NIR-PMT (Hamamatsu R5509-73) 검출기를 사용하여 측정하였다.
층을 제거하였다. RTA 온도에 따른 InGaAlAs MQWs의 발광 특성을 분석하기 위하여 PL과 TRPL 측정을 하였다. PL과 TRPL의 여기 광원으로 각각 cw 다이오드 레이저(λ=660 nm)와 펄스 다이오드 레이저(λ=634 nm, pulse width=50 ps)를 사용하였으며, PL 신호는 NIR-PMT (Hamamatsu R5509-73) 검출기를 사용하여 측정하였다.
모든 InGaAs와 InAlAs는 InP와 살창 상수가 일치되게 성장하였다. SCH와 장벽은 6.6 Å의 (InGaAs)_0.4와 9.8 Å의 (InAlAs)_0.6 증착을 각각 30회와 4회 반복하여 30 nm와 6.56 nm 두께로 성장하였으며, 우물은 15 Å의 (InGaAs)_0.8와 3.75 Å의 (InAlAs)_0.2 증착을 5회 반복하여 9.38 nm 두께로 성장하였다. 디지털 합금 (InGaAs)_1-z(InAlAs)_z의 성분 z는 In_0.
디지털 합금 MBE법으로 성장한 1.3 μm InGaAlAs MQWs 시료들의 RTA 온도에 따른 발광 특성을 PL과 TRPL을 이용하여 분석하였다.
디지털 합금 기술로 성장한 InGaAlAs MQWs 시료는 발광 특성을 향상하기 위하여 700℃ (A700), 750℃ (A750), 800℃ (A800), 850℃ (A850)에서 30초 동안 질소분위기에서 RTA 하였으며, PL 측정을 위하여 RTA 후 SiO₂층을 제거하였다. RTA 온도에 따른 InGaAlAs MQWs의 발광 특성을 분석하기 위하여 PL과 TRPL 측정을 하였다.
그러나 적절한 조건에서 열처리를 함으로써 이러한 비발광 재결합 센터가 제거되고 PL 특성이 크게 향상된다는 결과가 보고되었다 [8]. 본 연구에서는 디지털 합금 InGaAlAs MQWs 시료들의 열처리 온도에 따른 발광 특성을 PL (photoluminescence)과 TRPL (time-resolved PL) 측정을 이용하여 분석하였다.
특히 1.3 μm InGaAlAs 다중 양자 우물(multiple quantum wells: MQWs) LD 구조 성장을 위해 디지털 합금(digital alloy) 기술을 이용하여 다중 합금 InGaAlAs/InGaAlAs (우물/장벽) 구조를 성장하였다.

이론/모형

마지막으로 25 nm 두께의 InAlAs 캡층(capping layer)을 510℃에서 성장하였다. 그리고 열처리(rapid thermal annealing: RTA) 동안 비소 (As)의 재증발을 막기 위하여 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)법으로 150 nm 두께의 SiO₂를 증착하였다. Fig.

성능/효과

3 μm InGaAlAs MQWs 시료들의 RTA 온도에 따른 발광 특성을 PL과 TRPL을 이용하여 분석하였다. 700℃에서 RTA한 A700 시료의 PL 세기가 가장 약하게 나타났으며, 750℃에서 RTA 한 A750 시료의 PL 세기가 가장 강하게 나타났으며 반치 폭도 가장 좁게 나타났다. 이러한 A750의 PL 세기의 증가와 반치폭의 감소는 750℃에서 RTA하였을 때 낮은 온도에서 성장한 InAlAs층에 형성된 결함이 치유되어 비발광 재결합 센터가 감소하고 가장 매끄러운 우물/장벽 경계면이 형성되는 것으로 설명할 수 있다.
700℃에서 RTA한 A700 시료의 PL 피크는 1,242 nm에서 나타나고 750℃에서 RTA한 A750 시료의 PL 피크는 1,245 nm로 장파장 영역으로 이동하였다. 800℃와 850℃에서 RTA한 A800 시료와 A850 시료의 PL 피크는 각각 1,243 nm과 1,239 nm에서 나타났으며, A750 시료의 PL 피크보다 단파장 영역에서 나타났다. Fig.
또한 InGaAs/InAlAs SPS 경계면에서 Ga과 Al의 혼합으로 Al 함량이 증가하여 PL 피크의 청색편이가 나타난다. PL 피크에서의 PL 신호는 A700 시료가 가장 빠르게 소멸하였으며 RTA 온도를 증가함에 따라 PL은 느리게 소멸하였다. RTA 온도가 증가하였을 때 PL 소멸시간의 증가는 결정 결함이 개선되어 비발광 재결합 과정이 감소하고 발광 재결합 과정이 우세해 진 것으로 설명된다.
A800 시료의 청색편이는 A700과 A750 시료보다 약 2배 크게 나타났으며 이것은 인듐의 상분리로 인한 alloy compositional fluctuations에 의한 localized states의 filling 효과로 설명할 수 있다 [9]. 디지털 합금 InGaAlAs MQWs 시료를 700℃에서 850℃까지 온도를 변화시켜 RTA한 후 저온에서 측정한 PL 결과는 750℃에서 RTA한 시료가 가장 강한 PL 세기와 가장 좁은 반치폭을 나타내었다. 이러한 결과는 750℃에서 30초 동안 질소분위기에서 RTA하였을 때 디지털 합금 InGaAlAs MQWs 시료의 PL 특성이 가장 우수하다는 것을 나타낸다.
STM (scanning-tunneling microscopy) 측정에서 750℃에서 RTA한 A750의 양자우물과 장벽의 경계면은 A700 시료에 비해 매끄러운(smoothing) 경계면을 이루고, RTA 온도를 800℃로 증가하였을 때 Ga과 Al의 상호확산 (interdiffusion)으로 인한 우물/장벽의 혼합으로 거칠어 진(roughening) 경계면이 형성된 것을 확인하였다 [9]. 또한 800 ℃ RTA 시료의 filled states topography 영상에서 인듐의 상분리(phase segregation)로 인한 비균일 조성 (lateral composition modulation)이 나타났다. Fig.
1I₀일 때 반치폭인 가장 작게 나타난다. 여기 광원의 세기를 더 증가하였을 때 반치폭이 다시 증가하였으며, A750 시료의 반치폭이 모든 영역에서 가장 좁게 나타났다. 반치폭은 시료의 균일도(uniformity)를 나타내는 것으로 작은 반치폭은 균일도가 좋은 것을 나타낸다.
RTA 온도가 증가하였을 때 PL 소멸시간의 증가는 결정 결함이 개선되어 비발광 재결합 과정이 감소하고 발광 재결합 과정이 우세해 진 것으로 설명된다. 이러한 PL과 TRPL 결과는 디지털 합금 기술로 성장한 InGaAlAs MQWs의 PL 특성은 최적의 RTA 조건을 결정함으로써 크게 향상할 수 있다는 것을 나타낸다. 그러므로 1.
디지털 합금 InGaAlAs MQWs 시료를 700℃에서 850℃까지 온도를 변화시켜 RTA한 후 저온에서 측정한 PL 결과는 750℃에서 RTA한 시료가 가장 강한 PL 세기와 가장 좁은 반치폭을 나타내었다. 이러한 결과는 750℃에서 30초 동안 질소분위기에서 RTA하였을 때 디지털 합금 InGaAlAs MQWs 시료의 PL 특성이 가장 우수하다는 것을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	InGaAlAs/InP은 어떤 물질로 많은 관심을 받아왔는가?	InGaAlAs/InP은 1.3∼1.55 μm 영역대의 InGaAsP/InP 레이저 다이오드(laser diode: LD)를 대체할 수 있는 물질로 많은 관심을 받아왔다 [1-7]. 특히 1.
	무엇을 위해 디지털 합금 기술을 이용하여 다중 합급 우물/장벽 구조를 성장하였는가?	55 μm 영역대의 InGaAsP/InP 레이저 다이오드(laser diode: LD)를 대체할 수 있는 물질로 많은 관심을 받아왔다 [1-7]. 특히 1.3 μm InGaAlAs 다중 양자 우물(multiple quantum wells: MQWs) LD 구조 성장을 위해 디지털 합금(digital alloy) 기술을 이용하여 다중 합금 InGaAlAs/InGaAlAs (우물/장벽) 구조를 성장하였다. 디지털 합금 기술은 MBE (molecular beam epitaxy)를 이용하여 구성성분(constituents)의 반복 주기를 조절하여 이원(binary) 또는 삼원(ternary) 합금의 매우 얇은 단분자층(a few monolayers)의 SPS (short-period superlattice)를 성장하기 위하여 사용된다 [2-5].
	digital alloy 기술은 무엇을 위하여 사용되는가?	3 μm InGaAlAs 다중 양자 우물(multiple quantum wells: MQWs) LD 구조 성장을 위해 디지털 합금(digital alloy) 기술을 이용하여 다중 합금 InGaAlAs/InGaAlAs (우물/장벽) 구조를 성장하였다. 디지털 합금 기술은 MBE (molecular beam epitaxy)를 이용하여 구성성분(constituents)의 반복 주기를 조절하여 이원(binary) 또는 삼원(ternary) 합금의 매우 얇은 단분자층(a few monolayers)의 SPS (short-period superlattice)를 성장하기 위하여 사용된다 [2-5]. 디지털 합금 기술은 MBE를 이용한 삼원(ternary) 또는 사원(quaternnary) 물질(InGaAs, InAlAs, InGaAlAs)을 성장할 때 요구되는 소스 셀 온도 변화와 성장 중단 등과 같은 복잡한 과정을 생략할 수 있어서 1.

참고문헌 (10)

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P. Offermans, P. M. Koenraad, J. H. Wolter, J. D. Song, J. M. Kim, S. J. Bae, and Y. T. Lee, Appl. Phys. Lett. 82, 1191 (2003).

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J. D. Song, J. M. Kim, J. S. Yu, S. J. Bae, and Y. T. Lee, Proceedings of 14th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, 335 (2002).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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