KR20050018672A - 연장된 파장 동작을 위한 양자점들의 형성방법 - Google Patents

Abstract

스페이서층을 통해 확장되는 변형된 영역을 갖는 스페이서층에 의해 덮인 제 1 층의 양자점들을 형성함으로써, 1350nm를 넘는 파장과 대략 293K의 온도에서 발생하는 기저상태 발광을 갖는 반도체 양자점들을 포함하는 광전자소자의 능동 영역을 형성하는 방법이 제공된다. 이때, 스페이서층은, 아래에 놓인 제 1 층의 양자점들에 의해 영향을 받는 표면밀도와 구조를 갖는 능동층의 양자점들이 그 위에 형성될 수 있는 형판을 구성한다. 이와 같은 구성은, 폭이 좁은 불균일한 퍼짐을 갖고 긴 파장에서 발광하는 능동층의 양자점들의 형성에 더욱 유리한 성정 파라미터들의 선택을 가능하게 한다. 일례로서, 능동층의 양자점들은 제 1 층의 양자점들보다 낮은 온도에서 형성될 수 있다. 이에 따르면, 능동층의 양자점들이 주변의 스페이서층과 캡층과의 혼합을 덜 겪게 되며, 더욱 변형완화된 상태를 유지할 수 있어, 폭이 더 좁은 불균일한 퍼짐을 갖는 더 긴 파장의 발광을 발생하게 된다. 이와 같은 방법은, 특히 GaAs 기판 상에 광전자소자의 능동 영역을 성장시키는데 적합하다.

Description

연장된 파장 동작을 위한 양자점들의 형성방법{METHOD OF FORMING QUANTUM DOTS FOR EXTENDED WAVELENGTH OPERATION}

본 발명은 광전자소자(optoelectronic devices) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 대략 293K의 온도에서 1350nm보다 큰 파장에서 기저상태 발광이 일어나는 반도체 양자점(quantum dots)들을 포함하는 광전자소자 분야에 관한 것이다.

반도체 재료들이 다수의 광전자소자들에서 사용되고 있다. 반도체 구조는 보통, 소자가 이와 같은 특정한 소자에 필요한 파장에서 광학적으로 활성을 갖도록 구성된다. 다양한 응용분야, 특히 통신분야에서, 1250nm와 1650nm 사이의 파장을 사용하는 것이 요구되고 있다. 이들 파장은, 광섬유 전송과 기타의 광섬유 장치들에 매우 적합하다.

이들 파장에서 사용하기 위해 인듐인(InP) 기판에 기반을 둔 광전자소자들을 제조하는 것이 공지되어 있다. InP 기판보다는, 갈륨비소(GaAs) 기판을 사용하여 이들 파장에서 동작할 수 있는 소자를 제조할 수 있는 것이 바람직할 것이다.

GaAs 기판의 주된 이점은, 이들 기판은 입수가 매우 용이하고 InP 기판보다 값이 싸다는 것이다. GaAs 기판은 이미 더 짧은 파장(1200nm 미만)에서 동작하는 소자에 널리 사용되고 있으며, 이와 같은 소자를 제조, 처리 및 패키지하는 방법은 이미 개발되어, 더 긴 파장에서 동작하는 소자에 맞추어 변형될 수 있다.

GaAs계 소자들의 성능은, 몇가지 면에서, 특히 온도 감도면에서, InP에 기반을 둔 소자들보다 우수하다. InP 시스템이 동일한 구조를 얻는데 필요할 수 잇는 웨이퍼 접함 등의 복잡한 공정과 비교할 때, 수직공동(Surface Cavity) 표면발광 레이저 등의 복잡한 구조가 GaAs 시스템 상에서 한번의 성장단계로 용이하게 제조될 수 있다. 더구나, GaAs 전자소자들은 이미 개발되어 있으며, 동일한 칩 상에 광학기능과 이들을 제어하는데 필요한 전자회로를 모노리틱 방식으로 집적하는 GaAs계 광전자소자들이 비교적 용이하게 제공될 수도 있다.

상기한 내용으로부터, GaAs 시스템이 더 긴 파장에서 동작하도록 제조될 수 있다면, 매우 바람직할 것이라는 것이 자명하다.

GaAs 기판 상에서 더 긴 파장의 동작을 얻기 위해 개시된 3가지의 종래기술이 존재한다(예를 들면, V.M.Ustinov and A.E. Zhukov, "GaAs-based long-wavelength lasers", Semicond. Sci. Technol. 2000, 15, R41 참조). 이것들은, InAs 또는 InGaAs 양자점, GaInNAs 양자우물 또는 양자점과, GaAsSb 양자우물이다.

GaInNAs 및 GaAsSb 양자우물의 경우에, 이 구조에의 질소 또는 안티몬의 첨가는 밴드갭을 감소시키고 더 긴 파장의 발광을 일으킨다. 그러나, 기존의 성장 기술을 사용하면, 질소나 안티몬을 포함시킬 때, 재료의 품질이 열화된다.

그러나, 양자점들은 (양자우물들에 기반을 둔) 2개의 경쟁하는 기술에 비해 다수의 이점을 제공한다. 이들 이점은, (양자우물에 대한 1차원에 비해) 캐리어들의 3차원 구속과, (양자우물에 대한 균일하게 퍼진(broadened) 발광에 비해) 불균일하게 퍼진 발광에 기인한다. 이와 같은 이점으로는, 레이저에 대한 더 낮은 임계전류, 더 작은 온도 감도, 또는 더 넓은 파장 대역에서의 동작 가능성을 들 수 있다.

또 다른 중요한 특징은, 양자점들이 보통 그들의 기본 천이에서 뿐만 아니라, 그들의 기본 천이보다 짧은 (여기상태에 대응하는) 넓은 파장 대역에서도 동작할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 그들의 기저상태로부터 1480nm에서 발광하는 양자점들을 제조하는 것은, 이와 같은 파장에서의 응용을 위해 중요할 뿐만 아니라, (예를 들어, 그들의 제 2 여기상태로부터의) 1300nm 등의 더 짧은 파장에서 사용될 수 있다. 따라서, 여기상태의 축퇴(degeneracy)의 증가로 인해, 그들의 기저상태로부터 1300nm에서 직접 빛을 발광하는 양자점들에 비해 일부의 이점이 얻어지게 된다.

InAs 또는 InGaAs 양자점들은 보통 스트란스키-크라스타노프 성장 모드에 따라 제조되는데, 이때 기판(GaAs)과 양자점 재료(InAs 또는 InGaAs) 사이의 격자 부정합이 3차원 아일랜드의 자기성장(self-formation)을 일으킨다. 이와 같은 성장은, 2가지 주요 기술인 분자선 애피택시(MBE) 또는 유기금속 화학기상증착(MOCVD)d을 사용하여 달성된다. (InGaAs 양자우물에서 사용된 것과 유사한) 통상적인 성장 조건하에서는, 측방향의 양자점 치수가 보통 14 내지 30 nm이며(예를 들면, 미국특허 US-A-5,614435 참조), 이들은 보통 300K에서 1200nm보다 짧은 파장에서 발광한다. 더 긴 파장에서의 발광을 위해 여기에서 주어진 경우에는, 측방향 치수들이 보통 더 크다.

InAs/GaAs 양자점들의 파장을 더욱 더 확장하기 위해, 다음과 같은 다양한 기술들이 개발되었다: R.P.Mirin er al., "1.3㎛ photoluminescence from InGaAs quantum dots on GaAs", Appl. Phys, Lett. 1995, 67, 3795는 교대 층 애피택시를 이용하는 것을 제안하였고, R. Murray et al., "1.3㎛ room temperature emission from InAs/GaAs self-assembled quantum dots", Jpn. J. Appl. Phys. 1999, Part 1 38, 528은 낮은 InAs 성장 속도를 이용하는 것을 제안하였다. 그러나, 이들 기술을 사용하여 얻어진 가장 긴 파장은 1300nm에 근접하며, 최대 1340nm이다.

InGaAs로 양자점들을 덮거나, InGaAs 위에 양자점들을 성장하거나 이들 양자를 사용하는 또 다른 방법이 개발되었다. K. Nishi et al., "A narrow photoluminescence linewidth of 21 meV at 1.35㎛ from strain-reduced InAs quantum dots covered by In _0.2 Ga _0.8 As grown on GaAs substrates", Appl. Phys. Lett. 1999, 74, 1111에는, InGaAs로 양자점들을 덮는 기술이 개시되어 있으며 MBE를 사용하여 1350nm에 이르는 발광을 달성하였다. A. Passaseo et al., "Wavelength control from 1.25 to 1.4㎛ in In _x Ga _1-z As quantum dot structures grown by metal organic chemical vapor deposition", Appl. Phy. Lett. 2001, 78, 1382에서는 이와 유사한 기술을 사용하여 MOCVD로 1390nm에 이르는 발광을 얻었다. 마지막으로, J. Tatebayashi et al., "Over 1.5㎛ light emission from InAs quantum dots embedded in GaAs strain-reducing layer grown by metalorganic chemical vapor deposition", Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 3469에서는 1520nm에 이르는 발광이 관찰되었으나, 발광효율이 크게 줄어, 광전자소자에 사용하기에는 적합하지 않다.

양자점 샘플의 또 다른 중요한 특성은, 낮은 여기와 낮은 온도(보통 10K)에서의 기저상태 포토루미네센스 피크의 반치전폭(Full Width at Half Maximum: FWHM)에서 측정하였을 때의 발광의 불균일한 퍼짐(broadening)이다. 레이저 등의 다양한 응용을 위해서는, FWHM의 최상의 성능을 위해 가능한한 작을 필요가 있다. R.P.Mirin et al., "Narrow photoluminescence linewidths from ensembles of self-assembled InGaAs quantum dots", J. Vac. Sci. Technol. B 2000, 18, 1510에서는, 1300nm보다 큰 발광 파장에 대해 얻어지는 가장 폭이 좁은 FWHM은 18meV이다.

본 발명에 관련된 양자점들의 성장의 한가지 특징은, 연속하는 근접하여 이격된 양자점 층들을 간단히 설정하여 수직 정렬된 양자점 구조들을 성장시킬 수 있는 가능성이다. 이와 같은 특징은, 일찍이 인식되었으며(예를 들면, Q. Xie et al., "vertically self-organized InAs quantum box islands on GaAs (100)", Phys. Rec. Lett. 1995, 75, 2542를 참조), 그 이후로 다양하게 연구되어 왔다. Mukhametzhanov et al., <<independent manipulation of density and size of stress-driven self-assembled quantum dots>>, Appli. Phys. Lett. 1998, 73, 1841에서는, 이와 같은 특징을 사용하여, 이용된 성장조건을 사용하여 다른 방식으로 얻을 수 있는 것보다 낮은 밀도를 갖는 더 큰 양자점들의 제 2 층을 성장하였다. 낮은 밀도를 갖는 작은 제 1 층의 양자점들이 성장되었는데, 이것은 수직 적층으로 인해, 제 2층의 밀도를 좌우하였다. 0.22ML/s의 통상적인 성장 속도에서 성장하기는 하였지만, 이 제 2층 내부에 결과적으로 얻어진 양자점들은, (밀도, 치수 및 발광 특성면에서) 낮은 성장 속도에서 직접 성장시킨 양자점들과 유사하였다.

일면에 따르면, 본 발명은, 1350nm보다 큰 파장과 대략 293K의 온도의 기저상태에서, 또는 여기 상태에서, 방사빔의 발광, 흡수 또는 증폭 중에서 적어도 한가지를 수행할 수 있는 반도체 양자점들을 포함하는 광전자소자를 제공한다.

또 다른 일면에 따르면, 본 발명은, 1350nm보다 큰 파장과 대략 293K의 온도에서 발생하는 기저상태 발광을 갖는 반도체 양자점들을 포함하는 광전자소자의 능동 영역을 형성하는 방법에 있어서,

제 1 층의 양자점들이 기판층과 상기 제 1 층의 상기 양자점들 사이의 격자 부정합으로 인해 변형을 겪도록, 기판층이나 버퍼층 중에서 한 개의 층 위에 형성된 제 1 층의 양자점들을 성장시키는 단계와,

상기 제 1 층 위에, 상기 제 1 층의 상기 양자점들과 스페이서층 사이의 격자 부정합으로 인해 상기 제 1 층의 양자점들 위에 놓이는 변형된 영역들에서 변형을 겪는 스페이서층을 성장시키는 단계와,

능동층의 양자점들의 표면밀도가 상기 제 1 층의 양자점들의 표면밀도에 의해 거의 좌우되도록 상기 능동층의 양자점들이 주로 상기 스페이서층의 변형된 영역들 위에 형성되고, 상기 능동층의 상기 양자점들이 변형되지 않은 표면 상에 성장된 양자점들보다 변형을 덜 받는 변형완화 상태에 상기 능동층의 양자점들이 놓이며, 이때, 상기 능동층에 대한 성장 조건이 제 1 층의 성장조건과 다르며, 적절하게, 특히 상기 변형완화 상태를 거의 유지하고 상기 능동층의 상기 양자점들과 상기 스페이서층의 혼합을 제한하기 위해 기판 온도가 충분히 낮게 선택되도록, 상기 스페이서층 위에 능동층의 양자점들을 성장시키는 단계와,

캡층에 대한 성장조건을 적절하게, 특히 상기 변형완화 상태를 거의 유지하고 상기 능동층의 상기 양자점들과 상기 스페이서층 및 상기 캡층과의 혼합을 제한하기 위해 기판 온도가 충분히 낮게 선택하면서, 상기 능동층 상에 캡층을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법을 제공한다.

본 발명은, 제 2 층의 밀도를 설정하기 위해 제 1 층을 성장시킬 수 있는 가능성에 일부분 의존한다. 이와 같은 기술이 수년동안 알려져 있기는 하지만, 제 2 층의 변형 상태를 처리하기 위해 제 1 층을 사용할 수 있는 가능성과, 이와 같은 제 2 층의 성장 및 캡 형성(capping) 중의 혼합(intermixing)의 중요성은 인식되지 않았다. 이것이, 이와 같은 기술이 실온에서 1350nm보다 바람직한 파장으로 양자점들의 발광을 확장하는데 사용되지 않았던 이유이다.

이와 같은 기술은, 특히 기판이 GaAs 기판인 실시예에 적합하게 사용된다는 것을 알 수 있을 것이다.

적당한 성장 및 캡 형성 조건하에서는, 능동층의 양자점의 변형 완화가 더 낮은 밴드갭과, 이에 따라 더 긴 파장에서의 기저상태 발광을 제공한다. 변형완화로부터 얻어진 이점(긴 파장 발광)이 다른 경합하는 메카니즘으로 인해 일어버리지 않도록, 캡 형성 조건이 선택될 수 있다. 예를 들어, 변형완화된 InGaAs 양자점들은 캠 형성 중에 더 많은 갈륨/인듐 혼합을 겪는 경향이 있으며, 이것은 더 짧은 파장의 발광을 일으킬 수도 있다. 따라서, 기판 온도가 이들 혼합효과를 피할 수 있을 정도로 충분히 낮아질 수 있다. 이것은, 변형 상호작용으로 인해, 능동층의 양자점들의 표면밀도가 제 1 층의 표면밀도에 의해 좌우된다는 사실에 의해 용이하게 된다. 따라서, 능동층의 성장 파라미터들은 그것의 양자점 밀도에 영향을 미치지 않으면서 조정될 수 있다. 이것은, 성장 파라미터들의 변화가 밀도에 크게 영향을 미치고, 기판 온도의 감소가 예를 들면 단파장에서 발광하는 작은 양자점들의 높은 밀도를 발생하는 종래의 양자점 층과 차이가 있다.

InGaAs 장벽층들의 사용 또는 질소의 함유 등과 같이, InAs 양자점들의 발광 파장을 확장하는데 사용된 기존의 기술은, 보통 재료 품질의 열화와, 이에 따른 실온에서의 발광 강도의 큰 저하와 관련된다. 일부 실시예에서는, 긴 파장과 강력한 실온의 발광을 유지하면서 이와 같은 기술을 유리하게 사용하지 않을 수도 있다.

층들 사이의 변형 상호작용과 혼합의 감소는 또한 더 우수한 균일성을 갖는 양자점들을 제공한다. 이에 따르면, 능동층의 포토루미네센스 발광에서 훨씬 폭이 좁은 FWHM이 달성될 수 있다.

스페이서층의 두께는 사용되고 있는 특정한 환경과 물질에 따라 변할 수 있지만, 이와 같은 스페이서층이 유리하게 3x10^-9m 내지 3x10^-8m의 두께를 갖는 것으로 판명되었다는 것을 알 수 있다.

바람직한 실시예에서는, 제 1 층의 양자점들의 변형장(strain field)이 거의 스페이서층을 통해 연장될 수 있을 정도로 충분히 강력하도록, 제 1 층의 양자점들이 성장되는 것이 유리하다. 이것은, 초당 0.06 단일층보다 작은 낮은 성장 속도에서 제 1 양자점 층을 성장시킴으로써 용이하게 된다. 편의상, 이와 같은 성장 속도는 제 2 양자점 층에 대해 일정하게 유지될 수도 있다.

스페이서 층 두께에 의존하여, 능동층의 양자점들이 제 1 층의 양자점들에 전자 결합될 수도 있는데, 이것은 일부의 응용분야에서 이점을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.

특정한 장치와 응용에 의존하여, 양자점들의 표면밀도가 상당히 변할 수도 있다는 것을 알 수 있기는 하지만, 본 발명은, 양자점들의 표면밀도가 제곱미터당 10¹³ 내지 10¹⁵인 실시예에 특히 적합하게 사용된다.

일부의 장치들과 특정한 환경에서는, 1개보다 많은 수의 능동층의 양자점들을 갖는 것이 바람직할 수도 있는데, 이것은 또 다른 (아마 캡층에 의해 제공되는) 스페이서층들과 능동층들을 형성하여, 바람직한 특성을 갖는 능동층의 양자점들의 적층체를 제조하여 달성될 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 기술은 다양한 서로 다른 물질을 사용하여 적용될 수 있지만, 바람직한 실시예들에 있어서, 양자점들은 InAs 양자점들, InGaAs 양자점들 또는 GaInNAs 양자점들 중에서 한가지이다. 마찬가지로, 기판층의 적어도 일부는 다양한 물질로 이루어질 수 있지만, 바람직하게는 GaAs 또는 AlGaAs 중에서 한가지이다. 또한, 스페이서층과 캡층도 GaAs, AlGaAs, InGaAs, InAlGaAs 또는 GaInNAs 등의 다양한 서로 다른 상보성 물질들로 적어도 일부가 구성될 수도 있다. 특히, 스페이서층의 최종 부분 또는 캡층의 최초 부분 또는 이들 양자를 GaAs 대신에 InGaAs으로 형성하는 것이 유리할 수 있다.

전술한 기술을 사용하여 형성된 광전자소자들은 특정한 응용에 의존하여 광범위한 전류의 서로 다른 기능과 형태를 가질 수 있지만, 본 발명은, 능동층이 방사빔 발광, 방사빔 증폭, 방사빔 검출 및 방사빔 흡수 중에서 적어도 한가지를 수행하도록 동작가능할 때 특히 유용하다.

본 기술에 따르며 그것의 개량된 성능과 관련된 능동 영역의 첫 번째 특징은, 능동층에 있는 양자점들의 밀도가 제 1 층의 양자점들의 밀도에 의해 결정된다는 것이다. 이와 같은 구성은, 능동층을 성장시키고 캡을 형성하는데 사용되는 성장 파라미터들에 무관하게, 능동층에 있는 양자점들의 밀도를 선택할 수 있도록 한다.

본 기술의 두 번째 특징은, 능동층의 양자점들의 변형완화 상태가 보존되고, 혼합 효과가 가능한한 감소되도록, 능동층의 성장 파라미터들을 선택하는데 제 1 특징이 사용된다는 것이다. 폭이 좁은 퍼짐을 갖는 더 긴 파장의 발광을 달성하는데 있어서는 2가지 중요한 인자들이 존재한다.

광전자소자를 형성하는 본 방법의 특히 바람직한 유리한 특징은, 능동층이 제 1 층보다 낮은 온도에서 성장된다는 것이다. 이것은, 스페이서층이 존재하지 않은 경우에 능동층의 양자점들을 형성하는데 필요한 것보다 낮은 온도에서, 이 능동층의 양자점들이 형성되기 위한 장소들(sites)을 제공함에 있어서, 스페이서층의 변형된 영역들의 형판(template)/키(keying) 작용에 의해 용이하게 달성된다. 이와 다른 온도보다 낮은 온도에서의 능동층의 양자점들의 형성은, 그들의 균일성과 성능 특성, 예를 들어 더 좁은 FWHM을 갖는 더 긴 파장에서의 발광 특성을 향상시키는데 도움이 된다.

능동층의 양자점들을 형성하기 전에, 스페이서층을 열처리하면, 능동층에 양자점들을 형성하기 위해 형판/키를 제공하는 스페이서층의 작용이 향상된다.

이하, 본 발명의 실시예들을 다음의 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다:

도 1은 광전자소자의 능동 영역의 형성을 개략적으로 나타낸 것이고,

도 2는 5개의 능동층의 양자점들을 갖는 광전자소자의 능동 영역의 층 구조를 개략적으로 나타낸 것이며,

도 3은 3개의 능동층의 양자점들을 갖는 광전자소자의 능동 영역의 층 구조를 개략적으로 나타낸 것이고,

도 4는 스페이서 및 캡층들이 GaAs만으로 구성되는 광전자소자의 능동 영역의 저온, 저 여기(low excitation) 포토루미네센스 스펙트럼을 나타낸 것이며,

도 5는 도 4에 도시된 것과 동일한 광전자 소자의 능동 영역의 실온, 고 여기 포토루미네센스 스펙트럼을 나타낸 것이고,

도 6은 스페이서층의 최종 부분과 캡층의 최초 부분이 InGaAs로 구성되는 광전자소자의 또 다른 능동 영역의 저온, 저 여기 포토루미네센스 스펙트럼을 나타낸 것이며,

도 7은 도 6에 도시된 것과 동일한 광전자 소자의 능동 영역의 실온, 고 여기 포토루미네센스 스펙트럼을 나타낸 것이다.

기저상태로부터 더 긴 파장(1350nm보다 큰 파장)에서 발광하고, 양호한 발광효율과 폭이 좁은 FWHM을 갖는 고품질의 양자점 층들을 제조하는 방법을 설명한다. 이와 같은 구조는, GaAs 기판 상에 성장되고 1350nm보다 큰 파장에서 동작하는 다수의 광전자소자들의 능동 영역으로 사용될 수 있다. 또한, 이와 같은 능동 영역은, 양자점들의 여기상태에서의 발광 및 흡수를 사용하여, 더 짧은 파장에서 동작하는 광전자소자들에 대해 현저한 개량사항을 제공할 수도 있다.

도 1은 광전자소자의 능동 영역을 형성하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다. 스텝 (a)에서, GaAs 기판 등의 기판이 보통 웨이퍼의 형태로 제공된다. GaAs 등의 버퍼층이 이 기판 상에 성장될 수 있다.

스텝 (b)에서, 스트란스키-크라스타노프 성장 모드에 따라 InAs 양자점등의 제 1 층의 양자점들이 형성되어, 기판과 양자점들 사이의 격자 부정합에 기인한 변형이 양자점들을 구성하는 3차원 아일랜드의 자기성장을 일으킨다.

스텝 (c)에서, 제 1 층 위에 GaAs 스페이서층 등의 스페이서층이 적층된다. 제 1 층의 양자점들과 스페이서층 사이의 격자상수 부정합이, 스페이서층과 양자점들 사이에, 스페이서층의 상부면을 통해 위로 연장되어, 하부에 놓인 제 1 층의 양자점들에 대응하는 스페이서층의 상부면에 변형된 영역들을 형성하는 변형장을 발생한다.

스텝 (d)에서, InAs 양자점들과 같은 능동층의 양자점들이 스페이서층 상에 적층된다. 스페이서층의 상부면에 있는 변형된 영역들은, 제 1 층의 양자점들 위에 놓이도록 정렬된 능동층의 양자점들을 형성하기 위한 형판을 구성한다. 이와 같은 변형장의 존재는, 반사 고에너지 전자 회절(Reflection High Energy Electron Diffraction: RHEED)를 사용하여 측정할 수 있는 것과 같이, 성장이 2D로부터 3D로 변화하는데 필요한 InAs 커버리지의 축소로 나타난다. 능동층의 양자점들의 표면밀도는, 이 능동층의 형성에 사용되는 특정한 성장 파라미터들보다는, 스페이서층의 상부면에 있는 변형된 영역들에 의해 주어진 형판에 의해 효과적으로 제어된다. 따라서, 이 능동층의 양자점들은, 하부에 놓인 제 1 층과 스페이서층이 존재하지 않을 때 이 능동층의 양자점들을 형성하는데 필요한 것과는 다른 성장 파라미터들을 사용하여 형성될 수 있다. 능동층의 양자점 표면밀도로부터의 능동층의 양자점들에 대한 성장 파라미터들의 이와 같은 적어도 부분적인 분리는, 다른 방식으로 가능할 수 있는 것보다 능동층의 양자점들의 장파장 발광 특성을 달성하는데 더 유리한 성장 파라미터들이 사용될 수 있도록 한다. 일례로서, 능동층의 양자점들은 더 낮은 온도에서 성장되어, 양자점들의 물질과 하부에 놓인 스페이서층의 혼합을 덜 일으킬 수 있다. 이와 같이 형성된 능동층의 양자점들의 더 높은 균일성은 더 폭이 좁은 불균일한 퍼짐을 일으킨다. 더구나, 스페이서층이 하부에 놓인 제 1 층에 의해 변형되므로, 이 스페이서층은 변형된 영역에 능동층의 양자점들과 더욱 근접하게 일치하는 격자상수를 가지며, 이에 따라 능동층의 양자점들이 변형되지 않은 표면에 형성된 양자점들보다 더욱 더 변형완화된다. 이것은, 감소된 혼합과 함께, 바람직한 장파장 발광에 기여한다.

스텝 (e)에서, GaAs 등의 캡층이 능동층의 양자점들 위에 형성된다. 캡층, 특히 그것의 최초 수 나노미터가, 보통, 능동층과 동일한 성장조건 하에서 성장되어, 성장중단을 방지하지만, 반드시 성장되어야 하는 것은 아니다.

도 1에 도시된 간단한 실시예는, 1가지 물질계, 즉 GaAs 및 InGa를 사용하지만, 캡층들 및/또는 스페이서층들을 GaAs 대신에 InGaAs로 형성하는 것과 같이, 다른 방법도 사용가능하다 것은 자명하다. 또 다른 대안으로서, InAlGaAs 스페이서와 AlGaAs의 물질계가 전술한 GaAs 및 InGaAs 대신에 사용될 수도 있다. 또한, GaInNAs가 양자점들 또는 스페이서/캡층들의 재료로 사용될 수도 있다.

도 1의 실시예는 단일 능동층의 형성을 나타낸 것이다. 도 2는 스페이서층과 능동층을 반복 적층하여 또 다른 능동층들이 형성되는 광전자소자의 능동 영역을 나타낸 것이다. 도 2의 실시예에서는, 초기의 제 1 층의 양자점들이 형성되면, 관련된 캡층/스페이서층들과 능동층들로 이루어진 5개의 그룹이 그 위에 적층된 후, 최종적인 캡층이 형성된다.

도 3은 광전자소자의 능동 영역의 또 다른 실시예를 예시한 것이다. 본 실시예에서는, 3개의 능동층이 형성된다. 이 장치는 3개의 층들의 그룹으로 구성되며, 각각의 층들의 그룹은 제 1 층, 스페이서층, 능동층 및 캡층을 포함한다. 제 1 층이 적층된 후에, 또 다른 제 1 층이 그 위에 적층되어, 이 과정이 반복된다.

도 3의 실시예에서 캡층과 스페이서층의 구별은, 스페이서층의 두께에 대한 캡층의 두께와 관련된다. 캡층이 일반적으로 훨씬 더 두꺼우므로, 변형된 영역이 캡층을 통해 연장되지 않는다.

도 4는 상기한 기술에 따라 형성된 광전자소자의 능동 영역의 저온(10K), 저 여기 포토루미네센스 스펙트럼을 예시한 것이다. 이와 같은 제 1 예에서, 스페이서층과 캡층은 GaAs만으로 형성된다. 이 도면에서 알 수 있는 것과 같이, 발광은 14meV의 반치전폭을 갖고 비교적 높은 1280nm에서 피크값을 가져, 형성된 양자점들의 높은 균일성을 나타낸다.

도 5는 동일한 소자에 대한 실온, 고 여기 스펙트럼을 예시한 것이다. 이와 같은 경우에, 이와 같은 소자의 실온 상태에 대해 발광 피크들의 파장이 기저상태 발광에 대하여 대략 1390nm로 상향 이동하였는데, 이것은 심지어 1430nm로 확장된다. 이것은 1350nm를 넘는 파장에서 동작하는 GaAs계 소자의 제조를 가능하게 한다. 더구나, 1300nm 근처에서 제 1 여기상태를 관찰할 수 있다. 따라서, 제 1 여기상태에서 얻을 수 있는 최대 광학 이득이 기저상태에서 얻을 수 있는 광학 이득의 2배가 되므로, 이와 같은 능동 영역이 1300nm 근처에서 동작하는 GaAs계 양자점 소자들의 성능을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 기술의 이점을 예시하는 양자점 샘플의 또 다른 예를 이하에서 설명한다. 이전의 예와의 차이는, 양자점들의 캡을 형성하는데 GaAs 대신에 InGaAs를 사용한 점이다. 결과적으로 얻어진 발광 파장은 훨씬 더 길며, 실온에서 1480nm에서 관찰되었다.

도 6은 상기한 기술에 따라 형성된 이와 같은 다른 능동 영역의 저온(10K), 저 여기 포토루미네센스 스펙트럼을 예시한 것이다. 이전의 예와의 차이점은, 스페이서층의 최종 부분과 캡층의 최초 부분에 GaAs 대신에 InGaAs를 사용한 점이다. 알 수 있는 것과 같이, 발광이 14.5meV의 좁은 FWHM을 갖고 (10K에서) 1350nm의 더욱 높은 파장에서 피크값을 갖는다.

도 7은 동일한 능동 영역에 대한 실온, 고 여기 스펙트럼을 예시한 것이다. 이와 같은 경우에, 기저상태로부터의 실온의 발광은 1480nm에서 피크값을 갖고, 1500nm를 넘어 확장된다는 것을 알 수 있다. 이것 역시 이들 긴 파장에서 동작하는 GaAs계 소자의 제조를 가능하게 한다. 또한, 제 1 여기상태 발광이 1390nm에서 관찰되고, 제 2 여기상태 발광이 1300nm 근처에서 관찰된다. 따라서, 제 2 여기상태에서 얻을 수 있는 최대 광학 이득이 기저상태의 광학 이득의 4배이고, 제 1 여기상태의 최대 광학 이득이 기저상태로부터의 광학 이득의 2배이므로, 이와 같은 능동 영역은 이들 파장에서 동작하는 GaAs계 양자점 소자들의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 4 및 도 5에 저온 및 실온 스펙트럼들이 예시된 광전자소자의 예를 형성하는데 사용되는 파라미터들의 더욱 구체적인 예를 이하에서 설명한다.

2인치의 n+ 도핑된 GaAs 웨이퍼를 분자선 애피택시(MBE) 시스템에 적재하고, 초진공으로 펌프로 공기를 빼내었다. 산화물 제거를 위해 기판 온도를 620℃로 설정하였다. 580℃에서 100nm의 GaAs 버퍼층을 성장한 후에, 제 1 양자점 층을 성장시키기 위해 온도를 500℃로 하강시켰다. MBE 시스템에서는 기판의 절대 온도를 평가하기가 곤란하다. 본 발명에서는, 기준 온도가 GaAs 표면 재구성이 2x4 패턴으로부터 c4x4 패턴으로 변하는 온도로서, 이 패턴은 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)을 사용하여 감시하였다. 이때 사용된 비소 백그라운드 압력에 대해, 이 기준온도는 고온계를 사용하여 500℃인 것으로 측정되었다. 열전쌍을 사용하여 이 기준온도에 대해 나머지 온도들을 측정하였다. 제 1 양자점 층은 초당 0.015 단일층의 성장 속도에서 2.2ML의 InAs이 적층으로 이루어지고, 곧바로 500℃에서 12nm의 GaAs로 캡을 형성하였다. 그후, 온도를 580℃로 승온하여, 샘플을 10분간 열처리한 후, 능동 양자점 층을 성장시키기 위해 온도를 다시 470℃로 하강하였다. 이 층은 470℃에서 2.7ML의 InAs의 적층으로 구성되며, 곧바로 470℃에서 10nm의 GaAs로 캡을 형성하였다. 그후, GaAs 캡(100nm)의 나머지를 성장시키기 위해 온도를 580℃로 승온하였다. 이와 같은 샘플에서 얻어진 저온 및 실온의 포토루미네센스에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하기 바란다.

두 번째 예(도 6 및 도 7)에 대해, 유일한 차이점은, 스페이서층이 10nm의 GaAs와 그후의 15%의 인듐 조성을 갖는 2nm의 InGaAs로 구성되고, 캡층의 최초 5nm가 26%의 인듐 조성을 갖는 5nm의 InGaAs로 대체된 점이다.

도면의 범례

도 4:

저온, 저 여기 포토루미네센스 스펙트럼. 발광이 14meV의 좁은 반치전폭을 갖고 0.968eV(1280nm)에서 피크값을 나타내어, 양자점들의 높은 균일성을 표시하였다.

도 5:

실온, 고 여기 스펙트럼. 기저상태 발광이 1390nm에서 피크값을 나타내었으며 1430nm 근방까지 확장되었다. 최초의 여기 발광은 1300nm 근처에서 발생하였다.

도 6:

(스페이서층과 캡층에 InGaAs를 포함하는) 제 2 샘플의 저온, 저 여기 포토루미네센스 스펙트럼. 발광이 14.5meV의 좁은 반치전폭을 갖고 0.918eV(1350nm)에서 피크값을 나타내어, 양자점들의 높은 균일성을 표시하였다.

도 7:

(스페이서층과 캡층에 InGaAs를 포함하는) 제 2 샘플의 실온, 고 여기 스펙트럼. 기저상태 발광이 1480nm에서 피크값을 나타내었으며 1500nm를 넘어 확장되었다. 최초의 여기상태 발광은 1390nm에서 발생하였으며, 두 번째 여기상태 발광은 1300nm 근처에서 발생하였다.

Claims (21)

1350nm보다 큰 파장과 대략 293K의 온도에서 발생하는 기저상태 발광을 갖는 반도체 양자점들을 포함하는 광전자소자의 능동 영역을 형성하는 방법에 있어서,

제 1 층의 양자점들이 기판층과 상기 제 1 층의 상기 양자점들 사이의 격자 부정합으로 인해 변형을 겪도록, 기판층이나 버퍼층 중에서 한 개의 층 위에 형성된 제 1 층의 양자점들을 성장시키는 단계와,

상기 제 1 층 위에, 상기 제 1 층의 상기 양자점들과 스페이서층 사이의 격자 부정합으로 인해 상기 제 1 층의 양자점들 위에 놓이는 변형된 영역들에서 변형을 겪는 스페이서층을 성장시키는 단계와,

능동층의 양자점들의 표면밀도가 상기 제 1 층의 양자점들의 표면밀도에 의해 거의 좌우되도록 상기 능동층의 양자점들이 주로 상기 스페이서층의 변형된 영역들 위에 형성되고, 상기 능동층의 상기 양자점들이 변형되지 않은 표면 상에 성장된 양자점들보다 변형을 덜 받는 변형완화 상태에 상기 능동층의 양자점들이 놓이며, 이때, 상기 능동층에 대한 성장 조건이 제 1 층의 성장조건과 다르며, 적절하게, 특히 상기 변형완화 상태를 거의 유지하고 상기 능동층의 상기 양자점들과 상기 스페이서층의 혼합을 제한하기 위해 기판 온도가 충분히 낮게 선택되도록, 상기 스페이서층 위에 능동층의 양자점들을 성장시키는 단계와,

캡층에 대한 성장조건을 적절하게, 특히 상기 변형완화 상태를 거의 유지하고 상기 능동층의 상기 양자점들과 상기 스페이서층 및 상기 캡층과의 혼합을 제한하기 위해 기판 온도가 충분히 낮게 선택하면서, 상기 능동층 상에 캡층을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

제 1항에 있어서,

상기 스페이서층을 3x10^-9 내지 3x10^-8의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 제 1 층의 양자점들은 초당 0.06 단일층보다 작은 성장속도로 성장되는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

제 1항, 제 2항 또는 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 층의 상기 양자점들을 제곱미터당 10¹³ 내지 10¹⁵의 표면밀도를 갖도록 성장시키는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

제 1항, 제 2항, 제 3항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 캡층은 1개 이상의 추가적인 능동층들과 캡층들을 성장시키는 스페이서층으로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

제 1항, 제 2항, 제 3항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

1개 이상의 추가적인 제 1 층, 스페이서층, 능동층 및 캡층의 그룹들을 상기 캡층 위에 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 양자점들은,

(i) InAs 양자점들,

(ii) InGaAs 양자점들, 및

(iii) GaInNAs 양자점들 중에서 한가지인 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기판층 또는 상기 버퍼층 중에서 적어도 일부는,

(i) GaAs,

(ii) AlGaAs 중에서 한가지인 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스페이서층의 적어도 일부는,

(i) GaAs,

(ii) AlGaAs,

(iii) InGaAs,

(iv) InAlGaAs, 및

(v) GaInNAs 중에서 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 캡층의 적어도 일부는,

(i) GaAs,

(ii) AlGaAs,

(iii) InGaAs,

(iv) InAlGaAs, 및

(v) GaInNAs 중에서 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 능동층은,

(i) 방사빔 발광,

(ii) 방사빔 증폭,

(iii) 방사빔 검출, 및

(iv) 방사빔 흡수 중에서 적어도 한가지를 수행하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서.

상기 활성층의 양자점들의 평균 크기는 상기 제 1 층의 양자점들의 평균 크기와 다른 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 능동층을 상기 제 1 층보다 낮은 온도에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 캡층을 상기 제 1 층보다 낮은 온도에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스페이서층 위에 상기 능동층을 성장시키기 전에 상기 스페이서층을 열처리하는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

성장 파라미터들을 변경하기 위해, 상기 스페이서층과 상기 능동층 사이에서 성장을 중단시키는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

성장 파라미터들을 변경하기 위해, 상기 능동층과 상기 캡층 사이에서 성장을 중단시키는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 층의 양자점들이 상기 능동층의 양자점들과 전자 결합되는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 능동층의 상기 양자점들은, 기저상태에서 빛을 발광, 흡수 또는 증폭하는 것 중에서 적어도 한가지를 수행하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 능동층의 상기 양자점들은, 여기상태에서 빛을 발광, 흡수 또는 증폭하는 것 중에서 적어도 한가지를 수행하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 광전자소자의 능동 영역 형성방법.

청구항 1 내지 20 중에서 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 성장된 능동 영역을 포함하는 광전자소자.