KR100491073B1

KR100491073B1 - METHOD FOR ADJUSTING EMISSION WAVELENGTH FROM InGaAs QUANTUM DOTS BY AlGaAs INSERTION LAYER

Info

Publication number: KR100491073B1
Application number: KR10-2001-0088866A
Authority: KR
Inventors: 박용주; 최원준; 한일기; 김은규; 이정일; 박세기
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2001-12-31
Filing date: 2001-12-31
Publication date: 2005-05-24
Also published as: KR20030058417A

Abstract

본 발명은 얇은 AlGaAs 삽입층을 이용하여 InGaAs/GaAs 양자점으로부터 발광되는 방사파장의 조작방법에 관한 것으로, InGaAs 양자점 형성 후에 10 nm 이하의 두께를 갖는 삽입층을 성장시킴으로써 이루어진다. 본 발명에 따른 방사파장의 조작방법은, InGaAs/GaAs 양자점으로부터 발광되는 방사파장의 조작방법에 있어서, 상기 InGaAs/GaAs 양자점을 형성하는 단계, 및 상기 InGaAs/GaAs 양자점 위에 AlGaAs 삽입층을 곧바로 성장시키는 단계를 포함한다. 상기 AlGaAs 삽입층의 유무에 따라서 상기 InGaAs/GaAs 양자점의 광루미네선스의 피크 위치가 변화된다. 상기 AlGaAs 삽입층의 두께가 두꺼워짐에 따라 상기 InGaAs/GaAs 양자점의 기저준위의 피크가 장파장 방향으로 이동하여 서서히 포화된다. 상기 AlGaAs 삽입층에 결함이 있으면, 상기 InGaAs/GaAs 양자점에 존재하는 긴장(strain)을 완화시킨다. 본 발명은 광통신에 많이 이용되는 1.33μm ∼ 1.55μm 대역의 통신용 레이저에 응용이 가능한 기술로써 상온에서 1.33μm의 방사파장을 볼 수 있도록 한다.The present invention relates to a method for manipulating a radiation wavelength emitted from InGaAs / GaAs quantum dots using a thin AlGaAs insertion layer, which is achieved by growing an insertion layer having a thickness of 10 nm or less after InGaAs quantum dot formation. In the method of manipulating the radiation wavelength according to the present invention, in the method of manipulating the radiation wavelength emitted from InGaAs / GaAs quantum dots, forming the InGaAs / GaAs quantum dots, and directly growing an AlGaAs insertion layer on the InGaAs / GaAs quantum dots. Steps. The peak position of the photoluminescence of the InGaAs / GaAs quantum dots changes depending on the presence or absence of the AlGaAs insertion layer. As the thickness of the AlGaAs insertion layer becomes thicker, the peak of the base level of the InGaAs / GaAs quantum dots moves in the long wavelength direction and gradually saturates. If the AlGaAs insertion layer is defective, strains present in the InGaAs / GaAs quantum dots are alleviated. The present invention is a technology that can be applied to the communication laser of the 1.33μm ~ 1.55μm band that is widely used in optical communication to see a radiation wavelength of 1.33μm at room temperature.

Description

METHODS FOR ADJUSTING EMISSION WAVELENGTH FROM InGaAs QUANTUM DOTS BY AlGaAs INSERTION LAYER}

본 발명은 InGaAs/GaAs 양자점으로부터 발광되는 방사파장의 조작방법에 관한 것으로, 특히 InGaAs 양자점 형성 후에 얇은 두께를 갖는 AlGaAs 삽입층을 성장시킴으로써 장파장의 광루미네선스를 얻을 수 있는 방사파장의 조작방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manipulating the radiation wavelength emitted from InGaAs / GaAs quantum dots, and more particularly to a method for manipulating the radiation wavelength which can obtain long wavelength photoluminescence by growing a thin AlGaAs insertion layer after formation of InGaAs quantum dots. It is about.

일반적으로, 1.33 μm ∼1.55 μm 대역의 광통신용 반도체 레이저의 제작은 외국의 여러 연구그룹에 의해서 시도되어져 왔다. 종래에 GaAs 재료를 사용한 연구가 크게 2가지 방법으로 나뉘어져서 실행되어 왔는데 그 하나는 질소원자(N)를 첨가시켜서 밴드갭 보잉 파라메터 (bowing parameter)를 증가시킴으로써 장파장의 발광을 가능하게 만드는 방법 (Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 35, 1273 (1996))이고, 다른 한 가지는 InGaAs 양자점을 사용하여 긴장된 (strained) InGaAs 양자우물 (quantum well) 사이에 삽입시키는 방법(Appl. Phys. Lett. 74, 2815 (1999))이다. In general, the fabrication of optical communication semiconductor lasers in the band 1.33 μm to 1.55 μm has been attempted by various foreign research groups. Conventionally, research using GaAs materials has been largely divided into two methods, one of which is to add long-term light emission by adding a nitrogen atom (N) to increase the bandgap bowing parameter (Jpn) J. Appl. Phys.Part 1 35, 1273 (1996), and the other method is to insert between strained InGaAs quantum wells using InGaAs quantum dots (Appl. Phys. Lett. 74). , 2815 (1999).

그러나, 종래에는 1.33 μm의 반도체 레이저의 실현을 위해서 In(GaAs)P 계열의 재료를 사용하였으나, 디바이스의 온도특성과 발광에 기여하는 전자들의 포획효율이 나쁘다는 문제점이 있다. However, in the past, an In (GaAs) P-based material was used for realizing a semiconductor laser of 1.33 μm, but there is a problem in that the trapping efficiency of electrons contributing to the device's temperature characteristics and light emission is poor.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, InGaAs/GaAs 양자점으로부터 발광되는 방사파장의 조작방법에 있어서, InGaAs 양자점 형성 후에 얇은 두께를 갖는 AlGaAs 삽입층을 성장시킴으로써 장파장의 광루미네선스를 얻을 수 있는 방사파장의 조작방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention is to solve the above-described problem, in the method of operating the radiation wavelength emitted from InGaAs / GaAs quantum dots, after the formation of the InGaAs quantum dots by growing an AlGaAs insertion layer having a thin thickness of long wavelength photoluminescence It is an object of the present invention to provide a method of manipulating the obtained radiation wavelength.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방사파장의 조작방법은, InGaAs/GaAs 양자점으로부터 발광되는 방사파장의 조작방법에 있어서, 상기 InGaAs/GaAs 양자점을 형성하는 단계, 및 상기 InGaAs/GaAs 양자점 위에 AlGaAs 삽입층을 곧바로 성장시키는 단계를 포함한 것을 특징으로 한다. In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method of operating a radiation wavelength, the method comprising the steps of: forming the InGaAs / GaAs quantum dots, and forming the InGaAs / GaAs quantum dots on the InGaAs / GaAs quantum dots And growing the AlGaAs insertion layer immediately.

상기 AlGaAs 삽입층의 유무에 따라서 상기 InGaAs/GaAs 양자점의 광루미네선스의 위치가 변화된다. 상기 AlGaAs 삽입층의 두께가 두꺼워짐에 따라 상기 InGaAs/GaAs 양자점의 기저준위의 피크가 장파장 방향으로 이동하여 서서히 포화된다. 상기 AlGaAs 삽입층에 결함이 있으면, 상기 InGaAs/GaAs 양자점에 존재하는 긴장(strain)을 완화시킨다. The position of the photoluminescence of the InGaAs / GaAs quantum dots changes depending on the presence or absence of the AlGaAs insertion layer. As the thickness of the AlGaAs insertion layer becomes thicker, the peak of the base level of the InGaAs / GaAs quantum dots moves in the long wavelength direction and gradually saturates. If the AlGaAs insertion layer is defective, strains present in the InGaAs / GaAs quantum dots are alleviated.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 사용된 시료의 MOCVD (유기금속화학기상증착법) 방법으로 성장된 InGaAs/GaAs 양자점 구조를 보여준다. 1 shows an InGaAs / GaAs quantum dot structure grown by MOCVD (organic metal chemical vapor deposition) method of a sample used in the present invention.

양자점은 InGaAs 격자로 정합된 GaAs 장벽층 사이에 끼워진 InGaAs 양자점으로 구성되어 있다. 본 발명은 형성된 양자점 위에 매우 얇은 AlGaAs 삽입층을 성장함으로써 양자점으로부터 발광되는 방사파장을 조정한다. The quantum dots consist of InGaAs quantum dots sandwiched between GaAs barrier layers matched with InGaAs lattice. The present invention adjusts the radiation wavelength emitted from the quantum dots by growing a very thin AlGaAs insertion layer on the formed quantum dots.

도 2는 AlGaAs 삽입층이 있는 시료와 없는 시료의 광루미네선스를 측정온도 15 K에서 나타낸 것이다. 도 2의 삽입된 작은 그림은 삽입층이 없는 시료의 레이저 출력밀도 의존도를 보인 것이다. 도 2에서 삽입층이 없는 시료의 경우 양자점의 광루미네선스는 1.1 μm 근처에서 기저준위의 피크가 관찰되었으며, AlGaAs 삽입층을 넣은 시료의 경우는 1.25 μm에서 기저준위의 피크가 관찰되었다. 즉, 삽입층의 유무에 따라서 양자점의 광루미네선스의 피크 위치가 달라짐을 알 수 있다. 2 shows photoluminescence of samples with and without AlGaAs intercalation layers at a measurement temperature of 15K. The inserted small figure in FIG. 2 shows the laser power density dependence of the sample without the insertion layer. In the sample without the insertion layer, the photoluminescence of the quantum dots was found to have a base level peak near 1.1 μm, and in the sample containing the AlGaAs insertion layer, the base level peak was observed at 1.25 μm. In other words, it can be seen that the peak position of the photoluminescence of the quantum dots varies depending on the presence or absence of an insertion layer.

도 3은 AlGaAs 삽입층의 두께에 따른 양자점의 광루미네선스의 변화를 나타낸 것이다. 도 3에서 보듯이, 삽입층의 두께가 두꺼워 짐에 따라서 양자점의 기저준위의 피크가 갑자기 장파장 쪽으로 이동(shift)하며, 서서히 포화되는 것을 볼 수 있다. 이에 비해서 여기준위(excited state)의 피크는 서서히 포화된다. 3 shows a change in photoluminescence of quantum dots according to the thickness of the AlGaAs insertion layer. As shown in FIG. 3, as the thickness of the intercalation layer increases, the peak of the base level of the quantum dot suddenly shifts toward the long wavelength and gradually saturates. In contrast, the peak of the excited state is gradually saturated.

도 4는 삽입층의 알루미늄(Al) 몰분율에 따른 양자점의 광루미네선스 변화를 나타낸 것이다. 10%의 알루미늄(Al)만을 첨가시켜도 기저준위의 피크가 1.17 μm근처에서 포화되는 것을 볼 수 있다. 다시 말해서, 알루미늄의 몰분율의 대소에 관계없이 삽입층을 가진 양자점 구조의 기저준위의 피크는 장파장으로 이동함을 알 수 있다. 전술한 도 3과 4로부터 AlGaAs 삽입층이 InGaAs 양자점의 광루미네선스에 미치는 영향을 살펴보았다. 즉, 삽입층이 양자점의 기저준위를 장파장으로 이동시키는데 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있다. 4 shows the photoluminescence change of quantum dots according to the aluminum (Al) mole fraction of the insertion layer. Even when only 10% of aluminum (Al) is added, it can be seen that the base level peak is saturated near 1.17 μm. In other words, it can be seen that the peak of the base level of the quantum dot structure having an insertion layer shifts to a long wavelength regardless of the magnitude of the mole fraction of aluminum. 3 and 4, the effect of the AlGaAs insertion layer on the photoluminescence of InGaAs quantum dots has been described. In other words, it can be seen that the insertion layer plays an important role in shifting the base level of the quantum dot to a long wavelength.

도 5는 AlGaAs 삽입층이 없는 양자점과 AlGaAs 삽입층이 있는 양자점을 하나의 기판 위에 성장시킨 구조로부터 나오는 광루미네선스를 관찰한 것이다. 도 5는 AlGaAs 삽입층의 역할을 알아보고자 하는 것으로, 도 5에서 보듯이, 삽입층이 없는 양자점으로부터 나오는 양자점의 기저준위 피크(QD1)와 그와는 분리되어서 삽입층이 있는 양자점으로부터 나오는 기저준위의 피크(QD2)가 나타난다. FIG. 5 shows photoluminescence from a structure in which a quantum dot without an AlGaAs insertion layer and a quantum dot with an AlGaAs insertion layer are grown on a single substrate. FIG. 5 illustrates the role of the AlGaAs insertion layer. As shown in FIG. 5, the base level peak QD1 of the quantum dot coming from the quantum dot without the insertion layer and the base level emerging from the quantum dot with the insertion layer separated therefrom The peak QD2 appears.

도 6은 서로 다른 두께의 AlGaAs 삽입층을 가지는 양자점구조의 깊은 준위의 결함을 PICTS(Photo-Induced Current Transient Spectroscopy) 방법을 사용하여 나타낸 것이다. A1 피크는 삽입층이 없는 시료에서 나오는 피크이며, A2와 A3는 삽입층을 가진 구조에서 관찰된 피크이다. 특히, A2피크는 다른 피크들에 비해서 강도가 크며, 삽입층의 두께가 증가함에 따라 발견되는 주된 피크이다. 도 6으로부터 알 수 있는 사실은 결함을 가지는 AlGaAs 삽입층이 InGaAs 양자점과 완충층으로 사용된 GaAs 사이에 발생되는 격자부정합으로 인한 긴장(strain)을 해소시켜줌으로써 앞서 보았던 도 2와 같이 양자점 광루미네선스가 장파장으로 이동하게 된다는 것이다. 또한, 그 정도는 도 3에서처럼 삽입층의 두께에 의존적이며 알루미늄의 조성비에는 커다란 관계가 없음을 알 수 있다. FIG. 6 illustrates a deep-level defect of a quantum dot structure having AlGaAs insertion layers having different thicknesses using a photo-induced current transient spectroscopy (PICTS) method. The A1 peak is the peak coming from the sample without the intercalation layer, and A2 and A3 are the peaks observed in the structure with the intercalation layer. In particular, A2 peak is stronger than other peaks and is the main peak found as the thickness of the intercalation layer increases. As can be seen from FIG. 6, the defective AlGaAs insertion layer solves the strain due to lattice mismatch generated between the InGaAs quantum dots and GaAs used as a buffer layer, thereby reducing the quantum dot photoluminescence as shown in FIG. 2. Is to move to a longer wavelength. In addition, the degree is dependent on the thickness of the insertion layer as shown in Figure 3 and it can be seen that there is no significant relationship in the composition ratio of aluminum.

도 7은 삽입층에 의한 양자점의 구조적인 변화를 관찰하기 위하여 단면 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지 측정을 한 도면이다. 도 7의 (a)로부터 양자점을 볼 수 있으며, 그 크기가 대략 15 nm 임을 알 수 있다. 도 7의 (b)와 (c)는 삽입층이 있는 시료의 단면 이미지로서, (a)와 비교하여 양자점의 크기가 커졌으며, 밀도 역시 감소했음을 알 수 있다. 한편 (c)에서는 삽입층에 의한 평면결점을 볼 수 있다.7 is a cross-sectional transmission electron microscope (TEM) image measurement to observe the structural change of the quantum dots by the insertion layer. It can be seen from FIG. 7A that the quantum dots are approximately 15 nm in size. 7 (b) and 7 (c) are cross-sectional images of a sample having an insertion layer, and the size of the quantum dots is larger than that of (a), and the density is also reduced. On the other hand, in (c), the plane defect by the insertion layer can be seen.

양자점 광루미네선스의 장파장으로의 이동가능성은 양자점의 크기가 증가함에 따른 것으로 볼 수 있으나, 종래기술에 의하면 20 nm의 반경을 가지는 양자점이 50 nm로 그 크기가 증가함에 따라서 변하게 되는 방사에너지의 양이 10 meV 내외인 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 경우는 1.1 μm에서 1.25 μm로의 장파장 이동시 100 meV의 방사에너지의 변화양을 가지게 됨으로써 양자점의 크기에 의한 장파장으로의 이동 가능성을 배제할 수 있다. The mobility of the quantum dot photoluminescence to the long wavelength can be seen as the size of the quantum dot increases, but according to the prior art, the quantum dot having a radius of 20 nm is changed to 50 nm as the size increases. It is known that the amount is about 10 meV, in the case of the present invention has a change amount of the radiation energy of 100 meV during the long wavelength shift from 1.1 μm to 1.25 μm to exclude the possibility of the shift to the long wavelength by the size of the quantum dot.

도 8은 상온에서 관찰된 삽입층이 없는 시료와 4 nm, 7.9 nm의 삽입층을 가지는 시료의 광루미네선스를 나타낸 것이다. 도 8에서 보듯이, AlGaAs가 결함을 가지는 삽입층일지라도 상온에서 양자점의 광루미네선스를 관찰할 수 있었다는 것은 삽입층에 의한 광의 감쇠정도가 크지 않음을 알 수 있으며, 사용된 삽입층은 양자점의 에너지밴드를 조정할 정도의 국부적인 부분에만 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. FIG. 8 shows photoluminescence of a sample without an insertion layer observed at room temperature and a sample having an insertion layer of 4 nm and 7.9 nm. As shown in FIG. 8, the fact that the photoluminescence of the quantum dots can be observed at room temperature even when the AlGaAs has a defect-inserted layer indicates that the attenuation of light by the insertion layer is not large. It can be seen that it only affects the local part of the energy band adjustment.

본 발명은 예시적인 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 이러한 설명들은 제한적 의미로 해석되어서는 아니 될 것이다. 본 발명이 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 상세한 발명을 참고로 하여 예시적인 실시 예를 다양하게 변경 또는 조합하거나 다르게 실시할 수 있음은 명백하다. 따라서, 다음 특허 청구의 범위는 이러한 변경과 실시 예들을 모두 포함하는 것으로 보아야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, these descriptions should not be construed in a limiting sense. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be variously modified, combined, or carried out in various ways with reference to the detailed invention of the present invention. Accordingly, the following claims should be regarded as including all such modifications and embodiments.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사파장의 조작방법은, InGaAs 양자점 형성 후에 얇은 두께를 갖는 AlGaAs 삽입층을 성장시킴으로써 장파장의 광루미네선센스를 얻는 효과가 있다. 즉, GaAs 기판상에 InGaAs 양자점을 형성시킨 뒤 곧바로 AlGaAs 삽입층을 성장함으로서 in-situ 상태에서 쉽게 장파장의 발광을 하는 양자점 구조를 얻어내고, 양자점과 양자점 밑에 성장된 GaAs 물질과의 긴장힘(strain stress)을 완화시킨다. 또한, 종래 기술에 비해 조작이 간단하고, 상온에서 높은 발광특성을 나타낸다.As described above, the method for manipulating the radiation wavelength according to the present invention has the effect of obtaining a long wavelength photoluminescence sense by growing an AlGaAs insertion layer having a thin thickness after the formation of InGaAs quantum dots. In other words, by forming an InGaAs quantum dot on a GaAs substrate, an AlGaAs insertion layer is grown immediately to obtain a quantum dot structure that emits long wavelengths easily in an in-situ state, and a strain between the quantum dot and the GaAs material grown under the quantum dot. relieves stress In addition, compared with the prior art, the operation is simpler, and exhibits high light emission characteristics at room temperature.

아울러, 본 발명은 1.3 ∼ 1.55 μm 대역의 파장을 갖는 광통신용 레이저에 응용이 가능하므로, 1.33 μm의 광통신용 반도체 레이저를 용이하게 제작할 수 있다. In addition, the present invention can be applied to the optical communication laser having a wavelength of 1.3 to 1.55 μm band, it is possible to easily produce a semiconductor laser for optical communication of 1.33 μm.

도 1은 MOCVD 방법으로 성장된 양자점 구조의 개략도.1 is a schematic diagram of a quantum dot structure grown by the MOCVD method.

도 2는 AlGaAs 삽입층이 있는 시료와 AlGaAs 삽입층이 없는 시료의 광루미네선스를 15 K의 저온에서 나타낸 도면. FIG. 2 shows the photoluminescence of a sample with AlGaAs insertion layer and a sample without AlGaAs insertion layer at a low temperature of 15 K. FIG.

도 3은 AlGaAs 삽입층의 두께에 따른 양자점의 광루미네선스의 변화를 나타낸 도면.3 is a view showing a change in photoluminescence of quantum dots according to the thickness of the AlGaAs insertion layer.

도 4는 알루미늄(Al) 조성의 변화에 따른 양자점의 광루미네선스의 변화를 나타낸 도면.4 is a view showing a change in photoluminescence of a quantum dot according to a change in aluminum (Al) composition.

도 5는 AlGaAs 삽입층이 없는 양자점과 AlGaAs 삽입층이 있는 양자점을 하나의 기판 위에 성장시킨 구조로부터 나오는 광루미네선스를 나타낸 도면. FIG. 5 shows photoluminescence from a structure in which a quantum dot without an AlGaAs insertion layer and a quantum dot with an AlGaAs insertion layer are grown on a single substrate. FIG.

도 6은 서로 다른 두께의 AlGaAs 삽입층을 가지는 양자점구조의 깊은 준위의 결함을 PICTS(Photo-Induced Current Transient Spectroscopy) 방법을 사용하여 나타낸 도면. FIG. 6 is a diagram illustrating a deep-level defect of a quantum dot structure having AlGaAs insertion layers having different thicknesses using a photo-induced current transient spectroscopy (PICTS) method. FIG.

도 7은 삽입층에 의한 양자점의 구조적인 변화를 관찰하기 위하여 단면 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지 측정을 한 도면. 7 is a cross-sectional TEM (Transmission Electron Microscope) image measurement to observe the structural change of the quantum dots by the insertion layer.

도 8은 상온에서 관찰된 삽입층이 없는 시료와 4 nm, 7.9 nm의 삽입층을 가지는 시료의 광루미네선스를 나타내는 도면. Fig. 8 shows the photoluminescence of a sample without an insertion layer observed at room temperature and a sample having an insertion layer of 4 nm and 7.9 nm.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

IL: AlGaAs 삽입층IL: AlGaAs insertion layer

Claims

In the operation method of the radiation wavelength emitted from the quantum dot,

Preparing a semi-insulating GaAs substrate;

Forming a GaAs buffer layer on the semi-insulating GaAs substrate;

Forming an InGaAs / GaAs quantum dot on the GaAs buffer layer;

Growing an AlGaAs insertion layer on the InGaAs / GaAs quantum dots;

Forming a GaAs cover layer on the AlGaAs insertion layer

Operation method of radiation wavelength comprising a.

The method of claim 1,

The AlGaAs insertion layer has a thickness of 10 nm or less operating method.

The method of claim 1,

The photoluminescence peak position of the InGaAs / GaAs quantum dot is changed depending on the presence or absence of the AlGaAs insertion layer.

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