1. 서 론
양자점 적외선 소자(quantum-dot infrared photodetectors: QDIPs)는 기존 소자들의 단점들을 극복하면서 성능을 극 대화할 수 있는 차세대 열상 감지소자로서 연구되어왔 다. 적외선 감지소자는 군수용 및 민수용으로도 폭넓게 응용되며 단파장, 중파장, 장파장 등의 적외선 파장범위 에 따라 활용분야가 다양해지고 있다.1-4) 다양한 방식의 적외선 검출기 중 반응속도가 빠르고 검출능력이 높은 양자형 검출기로서는 대표적으로 HgCdTe나 양자우물 적 외선 소자(quantum-well infrared photodetectors: QWIPs) 가 주로 상용화되어 왔다, 그러나 HgCdTe의 경우 감지 파장영역이 넓고 양자효율이 뛰어나지만 대면적 기판 확 보가 어렵고 기계적, 화학적 취약성이 단점으로 알려지 고 있다.5) QWIPs는 GaAs 웨이퍼에서 안정된 에피 성 장기술을 기반으로 균일한 대면적 성장 및 공정이 가능 하지만 수직으로 입사하는 적외선을 감지할 수 없어 소 자표면에 그레이팅 공정이 추가하여야 하고 상대적으로 낮은 동작온도(< 77 K)의 단점이 있다.6) 이에 반해, 자기 조립 양자점을 이용한 QDIPs은 3차원적으로 운반자를 양 자구속하여 QWIPs에 비해 낮은 암전류를 가지고, 기존 의 QWIPs 소자공정을 그대로 적용 가능하면서도 수직 입 사 빛의 감지가 가능하다는 큰 강점을 가지고 있다.7-12)
QDIPs의 성능은 양자점, 도핑농도, 소자구조 등의 여 러 요소에 따라 크게 영향을 받게 되는데, 이 중에서도 양자점의 크기와 모양, 성장방법은 감지 파장 및 성능 에 가장 큰 영향을 미치게 된다. 양자점을 형성하는 방 법으로는 GaAs 기판과 InAs의 격자상수 차이에 따른 변 위 에너지에 의한 InAs 자기조립 특성을 이용한 Stranski- Krastanov(SK) 성장법이 가장 많이 연구되어 왔다.7-12) 최 근에는 SK 자기조립 양자점 외에 1개 분자층 미만(sub monolayer: SML)의 InAs을 적층하여 양자점 효과를 얻 는 구조도 우수한 적외선 감지 특성을 보인다는 결과도 발표되고 있다.13-14) 본 연구에서는 분자선 에피텍시(molecular beam epitaxy: MBE)법을 사용하여 SK 및 SML InAs 양자점이 적용된 적외선 소자를 성장하고 소자 특 성의 차이를 논하고자 한다. QDIP 소자는 GaAs 기판 에 SK 및 SML InAs 양자점이 In0.15Ga0.85As 양자우물 구조에 둘러싸여 있는 dots-in-well(DWELL) 구조를 기 반으로 한 n+-n-(양자점)-n+ 구조로 성장하였다(Fig. 1). Photoluminescence(PL) 및 광전도, 암전류 특성을 바탕 으로 한 SK 및 SML 양자점의 에너지 구조 및 천이 특 성 또한 논의하고자 한다.
2. 실험 방법
SK 및 SML QDIP 소자는 Fig. 1과 같이 n+-n-(양자 점)-n+ 구조로 MBE를 이용하여 GaAs (100) 웨이퍼에 성장되었다. 먼저 도핑되지 않은 GaAs 버퍼층을 200 nm 두께로 성장시킨 후 고농도의 Si이 도핑된 n+ GaAs 층 을 570 °C에서 성장시켰다. 이후 양자점을 포함하는 활 성층을 495 °C에서 7회 반복 적층시켰고 마지막으로 Si 이 도핑된 n+ GaAs 층을 성장시켜 소자구조를 완성하 였다. 상하부 n+ GaAs의 두께는 각각 600 nm와 200 nm 이며 도핑농도는 2 × 1018/cm3 이었다. SK 양자점은 1 nm 두께의 In0.15Ga0.85As 위에 2 ML의 InAs를 성장시켜 형 성하였다. 이때 Si을 2 × 1017/cm3 농도로 도핑하였다. 이 후 6 nm 두께의 In0.15Ga0.85As 층과 50 nm의 GaAs를 양 자점의 capping 층으로 증착하였다. 이러한 양자점 층을 7번 반복하여 활성층을 형성하였다. SML 양자점은 1 nm 두께의 In0.15Ga0.85As 위에 0.3 ML의 InAs를 증착 후 In0.15Ga0.85As 1 nm를 증착하는 과정을 4번 반복하고 마 지막 0.3 ML InAs 후에는 3 nm In0.15Ga0.85As 층을 성 장시켜 SK 양자점 구조와 같이 SML 양자점이 총 6 nm 두께의 In0.15Ga0.85As 층에 둘러싸이게 되는 효과를 주었 다. SML 양자점 성장 시에도 Si 을 2 × 1017/cm3로 도 핑하였다. 각 InAs 0.3ML 증착 후에는 In0.15Ga0.85As 성 장 전에 5초의 중단시간을 줘서 In 소스 원자들이 이동 할 시간을 주었다. 이러한 SML 양자점 층도 7번을 반 복하여 활성층을 형성시켰다. SML QDIP 구조에서는 2 nm 두께의 Al0.08Ga0.92As 층을 삽입하여 감지소자의 암 전류 감소를 꾀하였다. QDIP 소자는 자외선 사진공정과 BCl3를 사용하는 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각 장치를 이용하여 410 × 410 μm2 크기의 메사구조로 제작 하였다. 건식 식각의 플라즈마 이온으로 인해 생기는 표 면 결함층은 citric acid 수용액(C6H8O7: H2O = 50 : 1)으 로 식각하여 제거하였다. 메사 전면에는 적외선을 수광 하기 위해 300 μm 지름의 원형 윈도우를 남겨 두었다. QDIP의 상부 및 하부 접합층에는 Ge/Au/Ni/Au(26nm/ 54nm/15nm/350nm)를 진공 증착한 후 포밍 가스 분위기 에서 380 °C에서 1분간 급속 열처리(rapid thermal annealing) 공정을 통해 Ohmic 접촉을 형성하였다. 제작된 소자는 퓨리에 변환 적외선 분광기를 이용한 광전도 측 정장치를 통해 적외선 감지특성이 분석되었다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 2는 상온에서 SK와 SML QDIPs의 PL 스펙트럼 결과를 보이고 있다. SK QDIP은 1.04 eV에서 피크를 가지는 강한 PL 특성을 보이고 있다. SML QDIP의 경 우에는 1.24 eV에서 강한 PL 피크를 보이고 있다. 일반 적으로 양자우물의 경우 상온에서는 매우 약하거나 거 의 PL 특성을 관찰할 수 없는 데 이와 같이 1.04 eV 및 1.24 eV에서의 강한 PL 특성은 양자점의 특성이라고 생 각할 수 있다. SML QDIP의 SK QDIP에 비해 blueshifted된 PL 피크는 SML 양자점이 상대적으로 양자점 의 크기가 더 작음을 의미한다. SML QDIP의 PL 반가 폭은 약 36 meV로 SK QDIP의 반가폭(~71 meV) 보다 크게 작아 양자점 크기의 균일성은 향상된 것으로 사료 된다.14)
Figs. 3(a)와 3(b)는 각각 SK와 SML QDIPs의 온도에 따른 광전도 스펙트럼 특성이다. SK QDIP은 8.4 μm에 서 피크를 가지고 6-12 μm 영역의 적외선 파장에 반응 하는 광전도 스펙트럼을 보이고 있다. 반면 SML QDIP 는 보다 장파장인 11.7 μm에서 피크를 보이고 있으며 9- 14 μm 영역에서 광전도 특성을 나타내고 있다. 온도에 따른 광전도 특성을 비교하면, SK QDIP의 경우 10 K 에서 30 K로 측정 온도가 올라감에 따라 광전류 값이 감소하였고 그 이상의 온도에서는 광전류 특성을 얻을 수 없었다. SML QDIP도 온도가 올라감에 따라 광전류 값이 감소하였으나 50 K 까지는 광전도 특성을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 이유는 이후 Figs. 4와 5의 결과 에서 논의될 것처럼 온도가 올라감에 따라 암전류 특성 이 우세해지기 때문으로 판단된다. 참고로 SML QDIP 의 4 μm 근처의 신호는 잡음특성으로 파악된다.
이러한 PL 및 광전도 특성은 SK와 SML 양자점의 에 너지구조 및 interband와 intraband 천이 특성의 이해를 통해 해석할 수 있다. Fig. 4에 SK와 SML 양자점의 에 너지구조 및 에너지 상태와 이와 관련된 천이특성을 나 타내었다. Interband 천이 특성을 반영하는 PL 스펙트럼 을 통해 SK 양자점의 전자 기저상태 에너지가 SML 양 자점 보다 더 낮은 것을 알 수 있다. 적외선 감응은 전 자 에너지준위 간의 intraband 천이 특성과 관련 있고 DWELL 구조에서는 적외선 감응 intraband 천이의 최종 준위는 InAs 양자점과 In0.15Ga0.85As 양자우물이 결합된 준위로 알려졌다.7,8) SK 및 SML QDIPs의 DWELL 구 조에서 같은 두께 및 조성의 In0.15Ga0.85As 양자우물이 존재하기에 적외선 감응 intraband 천이의 최종 준위의 에너지는 거의 같다고 유추할 수 있다. 따라서 SML QDIP의 경우가 적외선 감응 intraband 천이 에너지가 더 작게 되고 따라서 Fig. 3과 같이 더 장파장의 적외선을 검출하는 결과를 보인 것으로 판단되다.
Fig. 5는 SK 및 SML QDIPs의 온도에 따른 암전류 특성을 보이고 있다. SML QDIP가 SK QDIP에 비해 약 10배에서 100배 정도 암전류 값이 낮은 것을 볼 수 있다. 적외선 감응 intraband 천이의 시작 에너지준위 값 이 더 낮은 SK QDIP가 보다 낮은 암전류 값을 가져야 하는 것이 일반적인 결과이지만, SML QDIP 구조 내에 2 nm 두께의 Al0.08Ga0.92As 층을 암전류 차단층으로 삽 입하였기 때문에 더 낮은 암전류 값을 얻을 수 있었다 고 판단된다.7) 암전류가 크게 낮아진 결과로서 Fig. 3의 광전도 결과에서와 같이 SML QDIP의 경우 더 높은 온 도에서도 적외선 감응 특성을 확보한 것으로 생각된다. 이 와 같이 양자점이 존재하는 활성층에서의 도핑 농도와 Al0.08Ga0.92As 암전류 차단층의 최적화 연구가 향후 진 행된다면 보다 우수한 성능의 QDIPs 소자가 구현될 것 으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 MBE를 통해 GaAs (100) 웨이퍼 위에 서 수직 입사하는 적외선에 감응하는 n+-n-(양자점)-n+ 구 조의 QDIPs 소자를 성장하였다. SK 양자점 대비 SML 양자점은 blue-shifted 된 PL 스펙트럼 특성을 보인 것 으로 미루어 더 작은 크기의 양자점이 형성되었고 이에 따라 전자 기저 에너지준위가 더 낮은 것으로 유추된다. 이에 따라 SK QDIP은 8.4 μm에서 피크를 보이는 광전 도 스펙트럼 특성을 보였고, SML QDIP은 보다 장파장 인 11.7 μm에서 피크를 보인 광전도 스펙트럼 특성을 나 타냈다. 이는 적외선 감응 interband 천이가 시작되는 전 자 에너지준위가 SML 양자점의 경우 상대적으로 더 높 기 때문인 것으로 생각된다. 암전류는 SML QDIP이 약 10-100배 정도 더 낮았고 이는 2 nm 두께의 Al0.08Ga0.92- As 암전류 차단층 때문인 것으로 판단된다. 이에 따라 SML QDIP이 더 고온에서도 안정적으로 광전도 특성을 보였다. QDIPs 구조에서 양자점의 성장방법에 따라 적 외선 검출 파장을 조절할 수 있었고 도핑 및 AlxGa1-xAs 암전류 차단층의 최적화를 통해 QDIPs 성능을 극대화 할 수 있을 것으로 사료된다.
