[논문 리뷰] Temperature stable 1.3 {\mu}m emission from GaAs

Sławomir Prucnal, Kun Gao외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 08.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 27인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 밀리초 단위 플래시 램프 앤일링을 통해 GaAs에서 1.3 μm 광발광의 준온도 안정성을 입증하였으며, 이 발광은 VAs–X 기부자-수용체 쌍 결함에 기인한다고 규명하였다. 비 doping 및 질소 도핑된 반결합성 GaAs에서 최고의 발광 강도와 최소한의 온도 냉각 효과(15 K에서 300 K로 올라갈 때 50% 감소에 그침)를 기록하였고, 결함 공학을 통해 광섬유 통신 응용을 위한 조절 가능한 가까운 적외선 발광을 실현하였다.

ABSTRACT

Gallium arsenide has outstanding performance in optical communication devices for light source purposes. Different approaches have been done to realize the luminescence from GaAs matching the transmission window of optical fibers. Here we present the realization of quasi- temperature independent photoluminescence at around 1.3 {\mu}m from millisecond-range thermally treated GaAs. It is shown that the VAs donor and X acceptor pairs are responsible for the 1.3 {\mu}m emission. The influence of the flash-lamp-annealing on the donor-acceptor pair (DAP) formation in the nitrogen and manganese doped and un-doped semi-insulating GaAs wafers were investigated. The concentration of DAP and the 1.3 {\mu}m emission can be easily tuned by controlling doping and annealing conditions.

연구 동기 및 목표

• 광섬유 통신을 위한 GaAs에서 1.3 μm 근적외선(NIR) 발광의 온도 안정성을 확보하기 위한 방법 개발.
• 플래시 램프 앤일링(FLA)이 1.3 μm 발광을 담당하는 기부자-수용체 쌍(DAP) 형성에 미치는 영향을 조사.
• 도핑(N, Mn) 및 앤일링 조건이 DAP 농도와 발광 효율성에 미치는 영향 규명.
• 포지트론 고갈 및 스펙트로스코픽 기법을 활용해 1.3 μm 발광의 결함 기원을 규명.
• 반결합성 GaAs에서의 결함 공학이 합금화나 이종구조 성장 없이도 NIR 빛 발광을 위한 더 단순한 대안이 될 수 있음을 입증.

제안 방법

• 반결합성(100) GaAs 웨이퍼에 표면 온도 약 1200 °C에서 3–20 ms 동안 플래시 램프 앤일링(FLA)을 적용.
• 특정 에너지 및 농도로 질소와 망간을 이온 주입하여 결함 형성 조절이 가능한 도핑층 제작.
• 15 K에서 300 K까지의 온도 의존 광발광(PL) 측정을 통해 발광의 열적 안정성 평가.
• 백산산성 기하학에서의 μ-라만 스펙트로스코피를 사용해 진동 모드 식별 및 GaNxAs1−x 및 Ga1−xMnxAs 합금 형성 확인.
• 도플러 너비 증가를 동반한 포지트론 고갈 스펙트로스코피를 활용해 결함 농도 정량화 및 VAs–X 결함 복합체 식별.
• PL 스펙트럼과 홀 측정 기반의 에너지 준위도를 구성하여 산소 공석 및 X 결함에 관여하는 복사 전이 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플래시 램프 앤일링 후 GaAs에서 1.3 μm 광발광을 일으키는 결함 복합체는 무엇인가?
• RQ2 질소 또는 망간 도핑이 반결합성 GaAs에서 기부자-수용체 쌍의 형성과 광학적 활성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 도핑 및 비도핑 GaAs 시료에서 1.3 μm PL 발광이 온도 상승에 따라 얼마나 안정적인가?
• RQ4 유사한 열처리를 거친 후에도 망간 도핑은 왜 1.3 μm PL를 완전히 억제하는가?
• RQ5 FLA를 통한 결함 공학이 복잡한 합금화나 이종구조 성장 없이도 온도 안정성 NIR 발광을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• GaAs에서 1.3 μm 발광은 주로 VAs–X 기부자-수용체 쌍 재결합에 기인하며, X 결함는 발화대 위 약 0.47 eV 곳에 위치한다.
• 비도핑 및 질소 도핑된 GaAs 시료는 15 K에서 300 K로 온도 상승 시 1.3 μm PL 강도가 50% 감소에 그쳐 준온도 독립성을 보였다.
• 1.3 μm PL 강도가 가장 높은 것은 138.7 Jcm⁻²에서 20 ms FLA를 시행한 비도핑 GaAs에서 관측되었으며, 질소 도핑 시료는 74.5 Jcm⁻²에서 3 ms FLA 후에 최고 강도를 기록하였다.
• 망간 도핑 시료는 X 중심의 정공 매개 억제로 인해 1.3 μm 발광이 극히 미약하여, 전하 상태가 광학적 활성에 영향을 준다는 것을 확인하였다.
• 질소 도핑은 VAs–X 복합체 농도를 감소시켰지만 열 냉각 저항성을 향상시켜 15 K 대비 실온에서 42%의 PL 강도 유지율을 기록하였다.
• VAs–X 복합체는 1.3 μm 발광의 주요 기원으로 규명되었으며, 보조적인 1.22 μm 밴드는 직접 도너 밴드에서 X 결함로의 전이에 기인한 것으로 추정된다.