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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.9 pp.542-546
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.9.542

Effect of Si Doping in Self-Assembled InAs Quantum Dots on Infrared Photodetector Properties

Dong-Bum Seo1, Je-hwan Hwang2, Boram Oh2, Jun Oh Kim2, Sang Jun Lee2, Eui-Tae Kim1
1Department of Materials Science & Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
2Division of Convergence Technology, Korea Research Institute of Standard Science, Daejeon 34113, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : etkim@cnu.ac.kr (E.-T. Kim, Chungnam Nat’l Univ.)
June 17, 2019 August 17, 2019 August 19, 2019

Abstract


We investigate the characteristics of self-assembled quantum dot infrared photodetectors(QDIPs) based on doping level. Two kinds of QDIP samples are prepared using molecular beam epitaxy : n+-i(QD)-n+ QDIP with undoped quantum dot(QD) active region and n+-n(QD)-n+ QDIP containing Si direct doped QDs. InAs QDIPs were grown on semi-insulating GaAs (100) wafers by molecular-beam epitaxy. Both top and bottom contact GaAs layer are Si doped at 2×1018/cm3. The QD layers are grown by two-monolayer of InAs deposition and capped by InGaAs layer. For the n+-n(QD)-n+ structure, Si dopant is directly doped in InAs QD at 2×1017/cm3. Undoped and doped QDIPs show a photoresponse peak at about 8.3 μm, ranging from 6~10 μm at 10 K. The intensity of the doped QDIP photoresponse is higher than that of the undoped QDIP on same temperature. Undoped QDIP yields a photoresponse of up to 50 K, whereas doped QDIP has a response of up to 30 K only. This result suggests that the doping level of QDs should be appropriately determined by compromising between photoresponsivity and operating temperature.



Si 도핑이 InAs 자기조립 양자점 적외선 소자 특성에 미치는 효과

서 동범1, 황 제환2, 오 보람2, 김 준오2, 이 상준2, 김 의태1
1충남대학교 공과대학 신소재공학과
2한국표준과학연구원 융합물성측정센터

초록


    Chungnam National University

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    InAs/GaAs 자기조립 양자점(self-assembled quantum dots: QDs)을 이용한 QD 적외선 소자(QD infrared photodetectors: QDIPs)는 차세대 열상 감지소자로 큰 관심 속에 연구 되고 있다. 적외선 감지소자는 군수용에서 민수용까지 응 용범위가 폭넓게 확대되어왔고 적외선 파장범위에 따라 활용분야가 다양해지고 있다.1-4) 다양한 방식의 적외선 검 출기 중 반응속도가 빠르고 검출능력이 우수한 양자형 검출기로써는 mercury cadmium telluride(MCT)나 양자 우물 적외선 소자(quantum-well infrared photodetectors: QWIPs)가 주로 상용화되어 왔다. 그러나 MCT의 경우 넓은 감지 파장영역과 높은 양자효율의 강점을 가지고 있지만 성장기판의 불안정성으로 대면적 소자제작이 어 렵고 기계적, 화학적 결함 취약성이 단점으로 알려져 있 다.5) QWIPs은 GaAs 기반의 안정된 에피 성장기술을 통 해 균일한 대면적 성장 및 공정이 가능하지만 수직으로 입사하는 빛을 감지할 수 없어 소자표면에 감응을 위한 그레이팅 공정을 추가하여야 하고 상대적으로 낮은 동 작온도(<77 K)의 단점이 있다.6) 이에 반해, QDIPs은 3 차원적으로 운반자를 양자구속하여 발생하는 불연속적 에 너지 준위로 인해 QWIPs에 비해 낮은 암전류를 가지 고, 기존의 QWIP 소자공정을 그대로 적용 가능하면서 도 수직으로 입사되는 빛의 감지가 가능하다는 강점을 가지고 있다.7-12)

    QDIPs의 특성은 기판온도, Ⅲ/Ⅴ족 비율, 성장속도 등 에 의한 양자점의 형태나 도핑농도, 소자구조 등의 여 러 요소에 따라 크게 영향을 받게 되는데, 성장 매개변 수나 공정변수 등은 폭넓은 연구가 진행되고 있으나 상 대적으로 직접도핑에 관한 연구는 깊게 진행되지 않았 다.13) 직접도핑은 농도에 따라 양자점의 특성변화에 기 여하며 양자점 구조에 광전류 발생을 위한 운반자 공급 의 매개체로써 적외선 소자 특성의 주요한 변수로 작용 할 수 있다.14) 본 연구에서는 분자선 에피텍시(molecular beam epitaxy: MBE)법을 사용하여 InAs/InGaAs 자기조 립 양자점이 적용된 적외선 소자를 성장하고 양자점 활 성층의 직접도핑 유무에 따른 소자 특성의 차이를 논하 고자 한다. QDIP 소자는 GaAs 기판에 InAs 양자점이 In0.15Ga0.85As 양자우물 구조에 둘러싸여 있는 dots-inwell( DWELL) 구조를 기반으로 활성층에 도핑을 하지 않 은 n+-i(양자점)-n+ 구조와 활성층에 Si dopant를 2×1017/ cm3 도핑한 n+-n-(양자점)-n+ 구조(Fig. 1)를 성장하였으 며, photoluminescence(PL) 및 적외선 광전류 스펙트럼, 암전류 특성을 비교 분석하였다.

    2. 실험 방법

    QDIP 소자는 Fig. 1과 같은 구조로 MBE를 이용하여 반절연성 GaAs(100) 웨이퍼에 성장되었다. 도핑 되지 않 은 GaAs 버퍼층을 200 nm 두께로 성장한 후 Si이 도핑 된 n+ GaAs 하부전극 층을 570 ºC에서 성장하였다. 이 후 양자점을 포함하는 DWELL구조의 활성층을 495 ºC 에서 7회 반복 적층 하였고 마지막으로 Si이 도핑 된 n+ GaAs 상부전극 층을 570 ºC에서 성장하여 소자구조를 완 성하였다. 상하부 n+ GaAs 전극층의 두께는 각각 600 nm와 200 nm이며 도핑농도는 2×1018/cm3 이다. 자발형성 양자점은 1 nm 두께의 In0.15Ga0.85As 위에 2 ML의 InAs를 성장시켜 형성하였다. 이후 6 nm 두께의 In0.15Ga0.85As 층과 50 nm의 GaAs를 양자점의 capping 층으로 증착하 였다. 위와 같은 양자점 층을 7번 반복하여 활성층을 형 성하였다. 도핑 양자점 소자의 경우, 동일한 구조의 2.0 ML InAs 성장 시, 2×1017/cm3 농도의 Si dopant를 직 접도핑 하였다. 도핑농도는 Hall 측정을 통해 보정된 Si 셀 온도를 설정하여 조절되었다. QDIP 소자는 자외선 사 진공정과 BCl3를 사용하는 유도결합 플라즈마 반응성 이 온 식각장치를 이용하여 410×410 μm2 크기의 메사구조 로 제작하였다. 건식 식각의 플라즈마 이온으로 인해 생 기는 표면 결함층은 이전 연구와 동일하게 citric acid 수 용액(C6H8O7: H2O = 50 : 1)으로 습식 식각하여 제거하였 다. QDIP의 접합층에는 Ge/Au/Ni/Au를 진공 증착한 후 380 ºC에서 1분간 급속 열처리 공정을 통해 Ohmic 접 촉을 형성하였다.15) 제작된 소자는 cryostat에 장입하여 퓨 리에 변환 적외선 분광기(Nicolet Instrument, Inc.)를 이 용하여 광전류 스펙트럼 및 암전류를 측정하였다.16)

    3. 결과 및 고찰

    Fig. 2는 상온에서의 도핑 유무에 따른 QDIPs의 PL 스펙트럼을 보이고 있다. 미도핑 양자점 소자(undoped QDIP)의 피크는 1.01 eV에 위치하지만, 도핑 양자점 소 자(doped QDIP)의 경우 1.04 eV로 약간 청색 편이(blue shifted)된 PL 피크를 보였으며, 이는 도핑으로 인한 양 자점 내의 state filling 효과에 의한 것일 수 있다.13) 아 래에서 보일 두 QDIPs 간의 광전류 스펙트럼 피크 차 이가 크지 않은 것으로 미루어 InAs 양자점 크기 차이 에 의한 영향은 배제할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 doped QDIP의 PL 피크 반가폭은 약 70 meV로 undoped QDIP(~53 meV)보다 약간 크게 관찰된다. 이 역시 도핑 에 의한 양자점 균일성 감소와 더불어 state filling 효과 에 의한 전자의 기저 및 여기 에너지 준위로 부터의 천 이가 영향을 미친 것으로 보인다.

    Fig. 3(a)(b)는 undoped QDIP과 doped QDIP의 온 도에 따른 광전류 스펙트럼 특성을 나타낸 것으로, undoped QDIP은 8.36 μm의 피크를 보이며 6~10 μm 영역의 적 외선 파장에 감응하는 특성을 가졌다. Doped QDIP의 스 펙트럼 피크는 약 8.2 μm로 undoped QDIP와 큰 차이 가 없으나, 적외선 반응은 5~12 μm에서 약간 더 넓은 영 역을 감지하는 특성을 보이고 있다. 도핑 유무에 따라 가장 차이를 보이는 특성은 측정온도에 따른 광전도 특 성이었다. Undoped QDIP의 경우 10 K에서 50 K까지 온도가 올라감에 따라 광전류 값이 감소하였고 그보다 높은 온도에서는 반응을 확인할 수 없었다. Doped QDIP 은 온도가 올라감에 따라 광전류 값이 감소하여 30 K까 지 에서만 적외선에 감응하는 특성을 보였다.

    반면 같은 10 K에서는 doped QDIP이 undoped QDIP 에 비해 더 강한 광전류값을 보였다[Fig. 4(a)]. 이러한 광전도 스펙트럼 특성은 Fig. 4(b)의 양자점 에너지밴드 구조 모식도에서 표현한 바와 같이 Si 도핑이 전자의 intraband 천이 특성에 영향을 주기 때문으로 보인다. Undoped QDIP은 양자점의 가장 낮은 기저상태에서만 전 자들이 존재하게 되고 적외선에 의해 InAs 양자점과 InGaAs 양자우물이 결합되어 있는 에너지 준위로 여기 되어 광전류특성에 기여하게 된다. 반면 doped QDIP의 경우 전자는 양자점의 기저상태와 그 위의 에너지 준위 에 존재하게 되고 적외선에 의해 InAs 양자점과 InGaAs 양자우물이 결합되어 있는 에너지 준위 또는 GaAs의 벌 크 연속준위로 여기하게 되어 광전류특성에 기여하는 것 으로 판단된다.8) 이에 따라 10 K에서는 양자점 안에 많 은 전자를 가지고 있는 doped QDIP이 더 큰 광전류 특 성을 보일 수 있다.17) 그러나 소자 동작온도가 올라감에 따라 양자점 에너지 준위에 있는 전자가 입사되는 적외 선이 아닌 주변 열에너지에 의해 여기될 수 있다. Doped QDIP의 경우 전자들이 기저 에너지 상태를 채우고 더 높은 에너지 준위에 존재하기에, 즉 양자점에 더 작은 에너지로 구속되어 있는 상태이기에 열 에너지에 의해 전자들이 양자 에너지 준위로부터 GaAs 연속 에너지 준 위로 보다 높은 확률로 여기된다[Fig. 4(b)]. 이에 따라 50 K 이상에서는 doped QDIP의 경우 주변 잡음 신호 가 커지게 되어 오히려 광전류 특성을 관찰할 수 없게 되는 것으로 사료된다. 이러한 차이는 undoped와 doped QDIPs의 암전류 특성 결과와도 일치하는 것이다.

    Fig. 5(a)(b)는 각각 undoped 및 doped QDIP의 온도 에 따른 암전류 특성을 나타낸 것으로써, undoped QDIP 가 doped QDIP에 비해 암전류가 약 10배 이상 낮은 것 을 알 수 있다. 동일한 구조임에도 암전류 값의 차이가 크게 발생하는 것은 앞서서 논의한 직접 도핑으로 인한 초과전자의 영향으로 이해할 수 있다. 일정수준 이상의 도핑은 양자점의 여기상태를 전자로 채우게 되고, 이러 한 여기상태의 운반자들은 GaAs 가장자리 전도대에 대 해 낮은 결합 에너지를 가지게 된다.18) 충분히 낮은 온 도에서는 광전류에 기여하던 운반자들은 온도가 상승하 면서 열에너지를 받아 암전류에 보다 더 쉽게 기여하게 되며, 결과적으로 암전류가 증가함에 따라 Fig. 5의 결 과와 같이 undoped QDIP가 더 높은 온도에서도 감응 특성을 확보한 것으로 보인다. 이와 같이 양자점을 포 함하는 활성층의 도핑에 대한 최적화 연구가 진행된다 면 고온에서 동작하는 보다 향상된 성능의 양자점 적외 선 소자 구현이 가능할 것으로 보인다.

    4.결 론

    본 연구에서는 MBE를 이용해 반절연성 GaAs(100) 웨 이퍼 위에 도핑유무에 따른 양자점 적외선 소자를 성장 하였다. Doped QDIP의 광전도 스펙트럼 피크는 8.4 μm 로 undoped QDIP과 유사했지만 감지파장영역이 5~12 μm로 6~10 μm 영역의 undoped QDIP보다 약간 더 확 장된 광전도 감응 스펙트럼 특성을 나타내었다. 10 K의 극저온의 광전류 세기는 도핑으로 인한 운반자의 양이 증가한 doped QDIP가 더 높게 나타났다. 반면 암전류 는 doped QDIP이 약 10배 정도 더 높았으며 이는 Si 도핑으로 양자점의 여기상태가 운반자로 채워졌기 때문 으로 판단된다. 따라서 undoped QDIP이 상대적으로 높 은 온도까지 광전도 특성을 보였다. 이와 같이 QDIP 구 조에서 도핑이 광전류 감응 스펙트럼 및 암전류, 소자 작동온도 특성에 크게 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었으며 고감도 고온동작 QDIP을 위해서는 도핑농도의 최적화가 필수적임을 확인하였다.

    Acknowledgement

    This study was supported by Research Fund of Chungnam National University.

    Figure

    MRSK-29-9-542_F1.gif

    Schematic of InAs QDIP structure.

    MRSK-29-9-542_F2.gif

    PL spectra of undoped and doped QDIPs at room temperature.

    MRSK-29-9-542_F3.gif

    Intraband photocurrent spectra of (a) undoped and (b) doped QDIPs at various temperatures.

    MRSK-29-9-542_F4.gif

    (a) Intraband photocurrent spectra at 10 K and (b) schematic energy-band diagrams of undoped and doped QDIPs.

    MRSK-29-9-542_F5.gif

    Dark current characteristics for (a) undoped and (b) doped QDIP at various temperatures.

    Table

    Reference

    1. H. Yuan, G. Apgar, J. Kim, J. Laquindanum, V. Nalavade, P. Beer, J. Kimchi and T. Wong, Proc. Of SPIE, 6940, 69403C1 (2008).
    2. P. Norton, J. Campbell III, S. Horn and D. Reago, Proc. of SPIE, 4130, 226 (2000).
    3. S. Horn, P. Norton, T. Cincotta, A. J. Stoltz, Jr., J.D. Benson, P. Perconti and J. Campbell III, Proc. of SPIE, 5074, 44 (2003).
    4. W. A. Radford, E. A. Patten, D. F. King, G. K. Pierce, J. Vodicka, P. Goetz, G. Venzor, E. P. Smith, R. Graham, S. M. Johnson, J. Roth, B. Nosho and J. Jensen, Proc. SPIE 5783, 325 (2005).
    5. A. Rogalski, Prog. Quantum Electronics, 27, 59 (2003).
    6. B. F. Levine, J. Appl. Phys., 74, R1 (1993).
    7. A. Madhukar, J. Campbell, E. T. Kim, Z. H. Chen and J. Ye, in Semiconductor Nanostructures for Optoelectronic Applications, p. 45, T. Steiner, Artech House, Inc., Boston (2004).
    8. E. T. Kim, Z. H. Chen and A. Madhukar, Appl. Phys. Lett., 79, 3341 (2001).
    9. Z. Ye, J. Campbell, Z. H. Chen, E. T. Kim and A. Madhukar, IEEE J. Quantum Electron., 38, 1234 (2002).
    10. E. T. Kim, Z. H. Chen, M. Ho and A. Madhukar, J. Vac. Sci. Technol., B, 20, 1188 (2002).
    11. S. J. Lee, J. O. Kim, Y. G. Kim, S. K. Noh, Y. H. Kyu, S. M. Choi and J. W. Choe, J. Korean Phys. Soc., 46, 1396 (2005).
    12. J. O. Kim, S. J. Lee, S. K. Noh, Y. H. Ryu, S. M. Choi and J. W. Choe, J. Korean Phys. Soc., 47, 838 (2005).
    13. H. L. Wang, F. H. Yang and S. L. Feng, J. Cryst. Growth, 212, 35 (2000).
    14. J. Phillips, K. Kamath, X. Zhou, N. Chervels and P. Bhattacharya, Appl. Phys. Lett., 71, 2079 (1997).
    15. D. B. Seo, J. H. Hwang, B. Oh, S. K. Noh, J. O. Kim, S. J. Lee and E. T. Kim, Korean J. Mater. Res., 28, 659 (2018).
    16. T. D. Nguyen, J. O. Kim, Y. H. Kim, E. T. Kim, Q. L. Nguyen, S. J. Lee, AIP Adv., 8, 025015 (2018).
    17. R. S. Attaluri, S. Annamalai, K. T. Posani, A. Stintz and S. Krishna, J. Appl. Phys. 99, 083105 (2006).
    18. D. B Seo, T. D. Nguyen and E. T. Kim, Int. J. Nanotechnol., 13, 385 (2016).