차세대반도체연구회

(요약) 프랑스의 연구팀에 의해 5월 30일자 online으로 `Nano Letters`에 소개된 “Exciton and biexciton luminescence from single GaN/AlN quantum dots in nanowires” 제목의 연구가 발표되었다. 이 연구는 1meV 정도의 좁은 발광 범위를 가지는 나노와이어 내의 단일 GaN/AlN 양자점 구조를 형성시키는데 성공하였고, 이러한 양자점에서 exciton과 biexciton에 의한 재결합(recombination)특성도 확인하였다. (내용) GaN/AlGaN 헤테로구조(heterostructure)는 UV(ultraviolet) emitter나 통신용 파장 intersubband 소자 등의 광전자(optoelectronics) 소자로의 응용을 위해 활발히 연구되고 있다. 단일 GaN 양자점은 GaN과 AlN 사이의 큰 band offset으로 인해 상온에서 단일 포톤 방출(single photon emission)을 증명하기 위해서도 사용될 수 있다. GaN/AlGaN 헤테로구조는 몇 가지 독특한 특성으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 이 구조가 c축을 따라 성장할 때, 이들은 wurtzite 구조를 형성하여 엄청난 내부 전기장을 가지게 된다. 게다가 큰 band offset과 높은 홀 유효질량으로 인해 강한 구속(confinement) 효과와 국소화(localization) 효과를 가지게 된다. 단일 극성 GaN/AlN 양자점은 실험적으로 마이크로광루미네선스(microphotoluminescence) 특성을 가진다는 것도 증명된 바 있다. SK(Stranski-Krastanow) 모드에서 성장한 이러한 양자점에서는 양자점 밀도를 정확히 알아보기는 어려운데 그 이유는 이 구조 내의 결함(defect)들로 인해 양자점 발광 영역에서residual 발광이 일어나고, 또한 스펙트럼 확산 현상(spectral diffusion effect)이 나타나기 때문이다. 나노와이어 구조가 높은 결정 특성을 가지는 3족-N 물질 결합을 만들어낼 수 있는 해결책으로 알려져 있다. 따라서 나노와이어 헤테로구조에 기반한 결함이 없는(defect-free) GaN 양자점을 이용하면 SK 양자점의 경우에 발생하는 위와 같은 문제점과 한계들을 극복할 수 있을 것으로 보인다. 따라서 길이방향(longitudinal) 헤테로구조를 갖는 나노와이어를 이용하면 단일 GaN/AlN 양자점의 특성을 파악하고 이를 광전자 소자로 응용하기 위한 연구를 할 수 있을 것이다. MBE에서 GaN은 N-rich 조건 하에서는 자연스럽게 나노와이어로 성장을 한다. 이러한 나노와이어 내에 양자점을 만드는 것은 이러한 헤테로구조에서의 단일 양자점을 분리하여 그에 대한 광학 특성을 알아볼 수 있는 새로운 공정 기술이다. 특히 GaN의 경우에는 이 구조를 이용하면 앞에서 설명한 SK 양자점에서 나타나는 것과 같은 residual 발광과 같은 문제를 제거할 수 있어서 광학 특성을 알아보기에 적합하다. 지금까지 MBE를 이용한 GaN과 AlGaN 나노와이어 성장법은 증명되었다.GaN 나노와이어는 bulk GaN에 비해 뛰어난 광학 특성을 가지는데 이는 나노와이어 구조에서는 벌크에 비해 결함(defect)이 적기 때문인 것으로 해석되고 있다. AlGaN 나노와이어 내에 GaN을 삽입시키는 기술도 이미 증명된 바가 있다. 하지만 이러한 구조는 단일 나노와이어를 사용함에서 삽입(insertion) 과정 때문에 100meV 이상의 넓은 범위의 발광(broad emission)이 일어난다는 단점을 보인다. 이러한 문제를 해결한 연구가 있어서 이를 소개하고자 한다. 프랑스의 연구팀에 의해 5월 30일자 online으로 `Nano Letters`에 소개된 “Exciton and biexciton luminescence from single GaN/AlN quantum dots in nanowires” 제목의 연구가 바로 그것이다. 이 연구는 1meV 정도의 좁은 발?자점 구조를 형성시키는데 성공하였고, 이러한 양자점에서 exciton과 biexciton에 의한 재결합(recombination)특성도 확인하였다. 이러한 구조를 이용하면 GaN/AlN 헤테로구조의 특성을 더 잘 파악하고 여러 가지 응용 범위가 많은 단일 GaN 양자점의 특성을 파악할 수 있을 뿐만 아니라 이를 이용하여 앞으로 UV emitter나 상온에서 동작하는 단일 포톤 광원(single photon source) 등으로 이용할 수 있을 것으로 보여 그 기대가 매우 크다. 그림 1에는 연구팀이 제작한 GaN/AlN 구조도와 이의 실제 샘플에 대한 HRTEM 이미지가 나타나 있고, 그림 2에는 GaN 나노와이어와 GaN/AlN에 대한 마이크로광루미네선스 결과가 나타나 있다. 그림 3에는 실리콘 기판 위에 분산된 두 종류의 단일 나노와이어의 마이크로광루미네선스 결과 그래프가 설명되어 있다. 반도체 소자 구조에서 헤테로구조에 대한 연구는 이미 꽤 오래 전부터 수행되었으며, 특히 이를 이용한 광소자들이 많이 연구되어 왔다. 하지만 이번 연구는 나노와이어 내에 양자점을 배치시키는 새로운 구조를 통하여 양자점의 특성 파악 기술을 향상시켰을 뿐만 아니라 이 구조 자체로도 광전자소자로의 응용이 가능한 만큼 매우 가치 있는 연구라고 할 수 있겠다. 이 연구 결과와 실험 기법을 이용하여 앞으로 GaN의 다양한 특성 분석이 가능할 것이고 이러한 구조를 이용한 다른 물질로 이루어진 소자들도 제작 가능할 것으로 보여 매우 기대가 크다. * 출처: Kisti NDSL