• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.129-129
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• 2010

적외선 검출소자(Infrared Photodetector)는 근적외선에서 원적외선 영역에 이르는 광범위한 파장 범위의 적외선을 이용하는 기기로서 대상물이 방사하는 적외선 영역의 에너지를 흡수하여 이를 영상화할 수 있는 장비이다. 적외선 관련 기술은 2차 세계대전 기간에 태동하였으며, 현재에는 원거리 감지기술 등과 접목되면서 그 활용 분야가 다양해지고 있다. 특히 능동형 정밀 타격무기를 비롯한 감시 정찰 장비 및 지능형 전투 장비 시스템 등에 대한 요구를 바탕으로 보다 정밀하고 신속한 표적 감지 및 정보처리 기술에 관한 연구가 선진국을 통해서 활발히 진행되고 있다. 기존의 Bolometer 형식의 열 감지 소자는 반응 속도가 느리고 측정 감도가 낮은 단점이 있으며, MCT(HgCdTe)를 이용한 적외선 검출기의 경우 높은 기계적 결함과 77K 저온에서 동작해야하기 때문에 발생하는 추가 비용 등이 문제점으로 지적되고 있다[1]. 이에 반해 화합물 반도체 자기조립 양자점(self-assembled quantum dot)을 이용한 적외선 수광소자는 양자점이 가지는 불연속적인 내부 에너지 준위로 인하여, 높은 내부 양자 효율과 온도 안정성을 기대할 수 있으며, 고성능, 고속처리, 저소비전력 및 저소음의 실현이 가능하다. 본 연구에서는 적층 InAs/InGaAs dot-in-a-well 구조를 유기금속화학기상증착법을 이용하여 성장하고 이를 소자에 응용하였다. 균일한 적층 양자점의 성장을 위해서 원자현미경(atomic force microscopy)을 이용하여, 각 층의 양자점의 크기와 밀도를 관찰하였고, photoluminescence (PL)를 이용하여 발광특성을 연구하였다. 각 층간의 GaAs space layer의 두께와 온도 조절 과정을 조절함으로써 균일한 적층 양자점 구조를 얻을 수 있었다. 이를 이용하여 양자점의 전도대 내부의 에너지 준위간 천이(intersubband transition)를 이용하는 n-type GaAs/intrinsic InAs 양자점/n-type GaAs 구조의 양자점 적외선수광소자 구조를 성장하였다. 이 과정에서 상부 n-type GaAs의 성장 온도가 600도 이상이 되는 경우 발광효율이 급격히 감소하고, 암전류가 크게 증가하는 것을 관찰하였다. 이는 InAs 양자점과 주변 GaAs 간의 열에 의한 상호 확산에 의하여 양자점의 전자 구속 효과를 저해하는 것으로 설명된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.426-426
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• 2012

본 연구에서는 GaAs p-i-n 접합 구조에 InAs 양자점을 삽입한 양자점 태양전지(Quantum Dot Solar Cell; QDSC)의 내부 전기장(internal electric field)을 조사하기 위하여 Photoreflectance (PR) 방법을 이용하였다. QDSC 구조는 GaAs p-i-n 구조의 공핍층 내에 8주기의 InAs 양자점 층을 삽입하였으며 각 양자점 층은 40 nm 두께의 i-GaAs로 분리하였다. InAs/GaAs QDSC는 분자선박막 성장장치(molecular beam epitaxy; MBE)를 이용하여 성장하였다. 이 때 양자점의 형성은 InAs 2.0 ML(monolayer)를 기판온도 $470^{\circ}C$에서 증착하였다. QDSC 구조에서 여기광원의 세기에 따른 전기장의 변화를 조사하였다. 아울러 양자점 층 사이의 i-GaAs 층 내에 6.0 nm의 AlGaAs 퍼텐셜 장벽(potential barrier)을 삽입하여 퍼텐셜 장벽 유무에 따른 전기장 변화를 조사하였다. PR 측정에서 여기광원으로는 633 nm의 He-Ne 레이저를 이용하였으며 여기광의 세기는 $2mW/cm^2$에서 $90mW/cm^2$까지 변화를 주어 여기광세기 의존성실험을 수행하였다. 여기광의 세기가 증가할수록 photovoltaic effect에 의한 내부 전기장의 변화를 관측할 수 있었다. PR 결과로부터 p-i-n 구조의 p-i 영역과 i-n 접합 계면의 junction field를 검출하였다. p-i-n의 i-영역에 양자점을 삽입한 경우 PR 신호에서 Franz-Keldysh oscillation (FKO)의 주파수가 p-i-n 구조와 비교하여 변조됨을 관측하였다. 이러한 FKO 주파수성분은 fast Fourier transform (FFT)을 이용하여 검출하였다. FKO의 주파수 성분들은 고전기장하에서 electron-heavyhole (e-hh)과 electron-lighthole (e-lh) 전이에 의해 나타나는 성분으로 확인되었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.441-441
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• 2012

Franz Keldysh Oscillation (FKO)은 p-n 접합 구조의 Photoreflectance (PR) spectra에서 표면 및 계면의 전기장(electric field) 특성을 반영한다. InAs/GaAs 양자점 태양전지(Quantum Dot Solar Cell, QDSC) 구조에서 InAs 양자점 층 전후에 AlGaAs 층을 삽입하여 퍼텐셜 장벽(potential barrier) 두께에 따른 PR spectra 및 GaAs-matrix에서 FKO 주파수 특성을 비교 분석하였다. InAs/GaAs 양자점 태양전지는 p-i-n 구조의 i-GaAs에 2.0 monolayer (ML), 8주기의 InAs 양자점 층을 삽입하여 Molecular Beam Epitaxy (MBE) 방법으로 성장하였다. 각 양자점 층 전후에 두께가 각각 0.0, 1.6, 2.8, 6.0 nm인 AlGaAs 층을 삽입하여 퍼텐셜 장벽 두께에 따른 FKO 주파수 변화를 관측하였다. 또한 태양전지 구조의 전기장 분포를 좀 더 용이하게 관측하기 위해 여기 광의 세기(power intensity)를 충분히 낮추어 Photovoltaic effect에 의한 내부 전기장의 변화를 최소화하여 비교 분석하였다. InAs/GaAs 양자점 태양전지 구조에서 AlGaAs 장벽층이 없는 경우, PR spectra의 Fast Fourier Transform 결과에 반영되는 FKO 주파수 특성은 p-i-n 구조 계면에서 공핍층(depletion region)의 space charge field보다 양자점 층의 내부 전기장에 의한 FKO 주파수가 더 큰 진폭(amplitude)을 보였다. 반면에, AlGaAs 장벽층이 삽입되면 두께가 커짐에 따라 p-i-n 구조 계면의 space charge field에 의해 더 큰 진폭의 FKO 주파수가 관측되었다. 이는 AlGaAs 장벽층이 삽입됨으로써 양자점 층 내 양자 상태 수 및 여기광에 의한 캐리어의 수와 관련이 있음을 확인하였으며, 결과적으로 GaAs-matrix에서 p-i-n 구조 계면의 space charge field에 영향을 미치게 됨을 알 수 있다. 이러한 PR 특성 결과들을 InAs/GaAs 양자점 태양전지의 설계 및 제조에 반영함으로써 양자효율 증대에 기여할 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.235-235
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• 2010

본 연구에서는 태양전지의 활성영역에 삽입할 InAs 양자점에 AlxGax-1As 장벽층을 삽입하여 그 두께변화에 따른 광학적 특성 변화를 photoreflectance spectroscopy (PR)과 photoluminescence (PL)를 이용하여 연구하였다. 본 연구에 사용된 InAs/AlGaAs 양자점 구조는 GaAs (100) 기판 위에 GaAs buffer layer를 500 nm 성장 ($Ts=580^{\circ}C$) 후 기판온도 $470^{\circ}C$에서 InAs 양자점, GaAs cap 층과 AlxGax-1As 장벽층 순서로 5 층의 InAs/GaAs/AlxGax-1As 양자점 구조를 형성하였다. GaAs cap 층의 두께는 4 nm로 고정하고 AlGaAs 장벽층 두께를 0~6 nm 까지 변화시켰다. 각 양자점 층 사이에 AlxGax-1As 장벽층의 삽입 유무에 따라 PR 신호에서 Franz-Keldysh oscillation (FKO)의 주기 변화가 관측되었다. AlGaAs 두께가 증가 할수록 PL 신호의 세기가 증가함을 보였으며 PL 신호의 온도의존 특성이 변화됨을 관측할 수 있었다. AlGaAs 장벽층 대신 AlAs 장벽층을 삽입한 시료에서도 유사한 경향성을 관측하였으며, 이는 양자점에 구속된 운반자의 터널링 현상과 높은 장벽층에 의한 운반자의 구속 강도의 변화에 의한 것으로 사료된다. 특히 장벽층의 유무에 따른 FKO의 변화는 시료의 표면 전기장의 변화에 기인한 것으로 운반자의 구속효과뿐만 아니라 InAs 양자점 성장중 형성된 표면결함 밀도의 변화에 의한 것으로 추정하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.165-165
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• 2010

$1.55\;{\mu}m$ 대역의 레이저 다이오드를 제작하기 위해, InP(001) 기판에 InAlGaAs 물질을 장벽층으로 하는 InAs 양자점 구조를 분자선증착기 (MBE)를 이용하여 성장하고 구조 및 광학적 특성을 Double Crystal X-ray Diffraction (DCXRD), Atomic Force Microscopy (AFM), Photoluminescence (PL)을 이용하여 평가하였다. 일반적으로 InAlGaAs 물질은 고유한 상분리 현상 (Phase Separation)이 나타나는 특성이 있으며, 이는 양자점 성장에 중요한 요인으로 작용할 수 있다. 이러한 InAlGaAs 물질의 상분리 현상을 기판온도 ($540^{\circ}C$, $555^{\circ}C$, $570^{\circ}C$)를 비롯한 성장변수를 변화시켜 제어하고 InAs 양자점 형성에 어떠한 영향을 미치는지를 분석하였다. 540의 성장온도에서 InP(001) 기판에 격자정합한 InAlGaAs 장벽층이 성장온도를 $570^{\circ}C$로 증가시킬 경우 기판에 대하여 인장 응력 (Tensile Strain)을 받는 구조로 변화되었다. 인장응력을 받는 InAlGaAs 장벽층을 Ga Flux 양을 조절하여 격자정합한 InAlGaAs 층을 형성할 수 있었다. AFM을 통한 표면 형상 분석 결과, 서로 다른 기판온도에서 성장한 InAlGaAs 물질이 InP(001) 기판에 격자정합 조건일지라도 표면의 거칠기 (Surface Roughness)는 매우 다른 양상을 보였고 InAs 양자점 형성에 직접적으로 영향을 주었다. $570^{\circ}C$에서 성장한 InAlGaAs 위에 형성한 InAs 양자점의 가로방향 크기를 세로방향 크기로 나눈 비율이 1.03으로서, 555와 $540^{\circ}C$의 1.375 와 1.636와 비교할 때 모양 대칭성이 현저히 개선된 것을 알 수 있다. 상분리 현상이 줄어 표면 거칠기가 좋은 InAlGaAs 위에 양자점을 형성할 때 원자들의 이동도가 상대적으로 높아 InAs 양자점의 크기가 증가하고, 밀도가 감소하는 현상이 나타났다. 또한 InAlGaAs 장벽층이 InP(001) 기판을 기준으로 응력 (Compressive 또는 Tensile)이 존재하는 경우, InAs 양자점 모양이 격자정합 조건 보다 비대칭적으로 변하는 특성을 보여 주었다. 이로부터, 대칭성이 개선된 InAs 양자점 형성에 InAlGaAs 장벽층의 표면 거칠기와 응력이 중요한 변수로 작용함을 확인 할 수 있었다. PL 측정 결과, 발광파장은 $1.61\;{\mu}m$로 InAs 양자구조 형상에 따라 광강도 (Intensity), 반치폭 (Line-width broadening) 등이 변화 되었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.166-166
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• 2010

산업 전반에 걸쳐 중요한 광원인 808 nm 대역의 레이저 다이오드 제작에는 현재 InGaAsP/InGaP/GaAs 및 InGaAlAs/GaAs 양자우물을 이용하여 제작되고 있다. 이는 양자우물과 이를 둘러싸는 장벽물질간의 band-offset이 적어 효율적인 고출력 레이저 다이오드의 제작에 어려움이 있기 때문에 강한 캐리어 구속 효과를 지니는 양자점을 사용하는 것이 고출력 레이저 다이오드를 제작할 수 있는 방법이다. 실험에 사용된 InAlAs 양자점은 Riber사의 compact21 MBE 장치를 사용하여 성장하였으며 GaAs기판을 610도에서 가열하여 표면의 산화층을 제거하고 580도에서 약 100 nm 두께의 GaAs 버퍼층 및 30 nm 두께의 $Al_{0.4}Ga_{0.6}As$층을 성장하였다. GaAs 기판의 온도를 내린 후 migration enhanced epitaxy 방법을 사용하여 InAs 및 AlAs를 번갈아 주입하여 성장하였다. InAlAs 양자점의 성장 중에 InAlAs의 양, 성장 온도, As flux량 및 As 분자 상태 변화 등 다양한 조건을 변화 시켜 샘플을 성장시켰다. 그 결과 기판 온도가 600도이며 As4 flux가 $1\;{\times}\;10^{-6}\;Torr$ 조건하에서 성장한 InAlAs/AlGaAs 양자점이 양질의 808 nm의 파장 대역을 얻을 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.228.1-228.1
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• 2013

Photoreflectance (PR) 분광법은 비접촉, 비파괴적인 변조분광법으로서 반도체 표면 및 계면의 광학적 특성 연구에 많이 이용되고 있다. PR 신호의 Franz-Keldysh oscillation (FKO)으로부터 Molecular Beam Epitaxy (MBE) 방법으로 성장한 InAs/GaAs 양자점 태양전지 접합계면의 전기장을 조사하였다. InAs 양자점의 크기는 각각 1.7, 2.0, 2.5, 3.0 monolayer이며, p+-n-n+ 태양전지 구조의 표면으로부터 1.8 ${\mu}m$, 활성영역으로부터 약 1.1 ${\mu}m$ 위치에 삽입되어 있다. 여기광 세기가 큰 영역(1~200 $mW/cm^2$)에서 접합계면의 전기장으로부터 관측한 photovoltage 효과는 로그 스케일에서 대체로 선형적인 분포를 보였으며, 이를 계산결과와 비교 분석하였다. 또한, 양자점 크기 및 온도에 따른 photovoltage 효과는 활성영역에서 여기된 운반자의 양 및 양자점에 의한 전하트랩의 영향과 관련하여 비교 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.265-265
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• 2011

자발형성법으로 InP (001) 기판에 성장한 InAs/InAlGaAs 양자점(QDs: quantum dots)의 광학적 특성을 PL (photoluminescence)와 TRPL (time-resolved PL)을 이용하여 분석하였다. InAs QDs 시료는 single layer InAs QDs (QD1)과 7-stacked InAs QDs (QD2)를 사용하였다. 두 시료 모두 저온 (10 K)에서 1,320 nm에서 PL 피크가 나타나고, 온도가 증가함에 따라 PL 피크는 적색편이 (red-shift)를 보였다. 양자점의 온도를 10 K에서 300 K까지 증가하였을 때 QD1은 178 nm 적색편이 하였으며, PL 스펙트럼 폭은 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 그러나 QD2는 264 nm 적색편이를 보였으며 PL 스펙트럼의 폭은 QD1 시료와 반대로 온도가 증가함에 따라 감소하였다. QD2의 아주 넓은 PL 스펙트럼 폭과 매우 큰 적색편이는 InAs 양자점 크기의 변화가 QD1에 비해 훨씬 크기 때문이다. QD2의 경우 InAs 층수(layer number)가 증가함에 따라 InAs QD의 크기가 점차 증가하므로 QD 크기의 변화가 single layer인 QD1 시료보다 훨씬 크다. QD1의 PL 소멸은 파장이 증가함에 따라 점차 느려지다가 PL 피크 근처에서 가장 느린 소멸 곡선을 보이고, 파장이 더 증가하였을 때 PL 소멸은 점차 빠르게 소멸하였다. 그러나 QD2의 PL 소멸곡선은 파장이 증가함에 따라 점차 빠르게 소멸하였다. 이것은 QD2는 양자점 크기의 변화가 매우 크기 때문에 (lateral size=18~29 nm, height=2.8~5.9 nm) 방출파장이 증가함에 따라 양자점 사이의 파동함수의 겹침이 증가하여 캐리어의 이완이 증가하기 때문으로 설명된다. 온도에 따른 TRPL 결과는 두 시료 모두 10 K에서 150 K 까지는 소멸시간이 증가하였고, 150 K 이후부터는 소멸시간이 감소하였다. 온도가 증가함에 따라 소멸시간이 증가하는 것은 양자점에서 장벽과 WL (wetting layer)로 운반자(carrier)의 이동, 양자점들 사이에 열에 의해 유도된 운반자의 재분배 등으로 인한 발광 재결합으로 설명할 수 있다. 150 K 이상에서 소멸시간이 감소하는 것은 열적효과에 의한 비발광 재결합 과정에 의한 운반자의 소멸이 증가하기 때문이다. 온도에 따른 TRPL 결과는 두 시료 모두 150 K까지는 발광재결합이 우세하고, 150 K 이상에서 비발광재겹합이 우세하게 나타났다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2000.02a
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• pp.85-85
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• 2000

Stranski-Krastanow 자발형성 방법에 의한 양자점의 성장은 다른 공정에 비해 결함이 적은 반면에 크기와 위치를 조절하기 어렵다. 최근 20-off GaAs 기판을 이용한 양자점의 성장은 다른 공정과는 달리 성장조건만으로 선택적인 성장을 얻을 수 있으며 양자점의 크기가 terrace width를 벗어나지 않으므로 uniformity를 향상시킬 수 있다. 20-off GaAs 기판의 trrrace 넓이는 약 99 이지만 성장조건하에 Ga의 diffusion에 의한 step bunching 효과에 의하여 그 넓이는 변화하며 특히, 성장 두께에 따라 넓이는 증가한다. 이러한 현상을 바탕으로 20-off 기판위에 GaAs buffer 층을 1000 , 22 을 갖게 되었다. 이로써 20-off 기판을 이용할 경우,GaAs buffer 층의 두께만으로 양자점의 크기를 조절할 수 있다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.15 no.2
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• pp.209-215
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• 2006

We investigated the optical property and the electronic subband structure of InAs quantum dots in an InAsGa/GaAs well structure utilizing photoluminescence (PL), PL excitation (PLE) and near infrared transmission spectroscopy. From transmission and PLE spectra, we found three bound states in the InAs quantum dot and two bound states in InGaAs/GaAs quantum well, and correlated to the results of intersubband transitions observed in photocurrent spectrum.