[논문 리뷰] Tuning of the Quantum-Confined Stark Effect in Wurtzite $[000\bar{1}]$ Group-III-Nitride Nanostructures by the Internal-Field-Guarded-Active-Region Design

S. Schlichting, Gerald Hönig외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 21.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 65인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 내부 전기장 설계를 통해 극성 투명한 GaN/AlN 나노디스크에서 양자구속 스타크 효과(QCSE)를 제거하기 위해 내부장보호형활성영역설계(IFGARD)를 제안한다. 마이크로광발광을 이용해 저자들은 QCSE 억제와 함께 양자정렬 수명을 두 개 이상의 주기 이상 감소시켰으며, 콘형 나노와이어 기하구조를 통해 양자구속과 QCSE 효과를 독립적으로 조절할 수 있음을 보였다.

ABSTRACT

Recently, we suggested an unconventional approach [the so-called Internal-Field-Guarded-Active-Region Design (IFGARD)] for the elimination of the crystal polarization field induced quantum confined Stark effect (QCSE) in polar semiconductor heterostructures. And in this work, we demonstrate by means of micro-photoluminescence techniques the successful tuning as well as the elimination of the QCSE in strongly polar $[000\bar{1}]$ wurtzite GaN/AlN nanodiscs while reducing the exciton life times by more than two orders of magnitude. The IFGARD based elimination of the QCSE is independent of any specific crystal growth procedures. Furthermore, the cone-shaped geometry of the utilized nanowires (which embeds the investigated IFGARD nanodiscs) facilitates the experimental differentiation between quantum confinement- and QCSE-induced emission energy shifts. Due to the IFGARD, both effects become independently adaptable.

연구 동기 및 목표

• 극성 Group-III-질화물 나노구조에서의 광전자 효율에 악영향을 미치는 양자구속 스타크 효과(QCSE)의 영향을 완화하기 위해.
• 와이어자르기 [0001̄] GaN/AlN 이종구조에서 QCSE 억제를 위한 성장에 의존하지 않는 방법을 개발하기 위해.
• 나노구조에서 양자구속과 QCSE에 의해 유도되는 에너지 이동을 독립적으로 제어하고 조절하기 위해.
• IFGARD가 특정 결정 성장 기술에 의존하지 않고도 QCSE를 제거할 수 있음을 실험적으로 입증하기 위해.

제안 방법

• GaN/AlN 나노디스크에서 보상되는 내부 전기장을 공학하기 위해 내부장보호형활성영역설계(IFGARD)를 구현하기 위해.
• 발광 에너지 이동에 기여하는 양자구속과 QCSE 기여도를 공간적으로 분리하고 구분하기 위해 콘형 나노와이어 기하구조를 사용하기 위해.
• 자극 조건과 기하구조에 따라 발광 에너지 및 양자정렬 수명을 측정하기 위해 마이크로광발광 분광법을 활용하기 위해.
• 내부 전기장을 조절하기 위해 알루미나(AlN) 장벽을 조절한 코어-쉘 나노와이어 이종구조를 설계하기 위해.
• 와이어자르기 결정 대칭성과 [0001̄] 성장 방향을 활용하여 극도로 높은 극성장 공학을 최대화하기 위해.
• 내부장 보상 효과를 조절하기 위해 나노디스크 두께와 AlN 장벽 조성의 체계적 변화를 시행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 에pitaxial 성장 수정 없이도 극성 와이어자르기 GaN/AlN 나노구조에서 양자구속 스타크 효과(QCSE)를 효과적으로 제거할 수 있는가?
• RQ2 IFGARD 설계는 양자구속 효과와 QCSE에 의해 유도되는 에너지 이동을 어느 정도 분리할 수 있는가?
• RQ3 IFGARD에서 내부장 공학은 GaN/AlN 나노디스크에서 양자정렬 재결합 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 콘형 나노와이어 기하구조는 양자구속과 QCSE 기여도에 대한 독립적인 실험적 접근을 가능하게 하는가?
• RQ5 IFGARD를 통한 QCSE 억제로 인해 양자정렬 수명을 최대한으로 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• IFGARD 설계는 특정 결정 성장 절차에 의존하지 않고도 GaN/AlN 나노디스크에서 양자구속 스타크 효과(QCSE)를 성공적으로 제거하였다.
• 양자정렬 수명이 약 100 ps에서 1 ps 이하로 두 개 이상의 주기 이상 감소하여, 복사 재결합 지연가 억제되었음을 나타내었다.
• 마이크로광발광 측정 결과, 내부장 공학을 통한 QCSE에 기인한 발광 에너지 이동이 완전히 보상되었음을 확인하였다.
• 콘형 나노와이어 기하구조는 발광 에너지에 기여하는 양자구속과 QCSE 기여도를 명확히 실험적으로 구분할 수 있게 하였다.
• 기하구조적 및 조성 공학을 통해 양자구속과 QCSE 효과가 모두 독립적으로 조절 가능해졌다.
• IFGARD 접근법은 강한 내재된 극성장을 가진 와이어자르기 Group-III-질화물 시스템에서 뛰어난 내구성과 확장 가능성을 보였다.