(0001)면 GaN 기판에 성장된 InGaN Green 양자우물구조의 광학이득 특성에 대한 연구 = A Study on the Optical Gain Characteristics of InGaN Green Quantum Well Structures Grown on (0001) Plane GaN Substrate
저자
발행사항
시흥 : 한국공학대학교 일반대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(석사)-- 한국공학대학교 일반대학원 : IT반도체융합공학과 2023. 2
발행연도
2023
작성언어
한국어
발행국(도시)
경기도
형태사항
; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김윤석
UCI식별코드
I804:41069-200000664323
소장기관
III-Nitrides 재료를 사용한 반도체는 자외선부터 근적외선까지 넓은 범위에 파장을 담당할 수 있는 장점을 가져 현재 조명, 디스플레이, 통신 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 하지만 녹색영역에서 광효율이 낮아지는 소위 Green gap 이라고 불리는 문제점을 가지고 있다.
녹색영역 파장을 방출하기 위한 InGaN 기반 반도체는 In의 조성을 늘려 밴드갭을 설계한다. 이때 재료적 특성으로 인해 두가지 주요 문제점을 가진다. 첫째로 In의 뭉침현상으로 인해 조성적 요동이 발생하는 Potential fluctuation과 둘째로 GaN 결정의 자발분극 특성과 InGaN/GaN과의 격자상수 차이로 인한 압전분극이 반대방향으로 작용하는 Internal electric field이 광효율을 낮추는 주요 문제점으로 알려져있다. 이러한 문제점들은 특히 Laser의 발진에 있어서 임계 전류를 높이는 문제점을 야기한다.
이에 본 연구에서는 두가지 문제점 중 In의 뭉침현상을 크게 억제시키고 (0001)면 독립형 GaN 기판에서 성장된 InGaN 기반 Green 양자우물구조의 시료를 광학적으로 조성적 불균일성이 개선되었는지 확인하고 매질 이득을 측정하는 광학적 특성을 분석하였다. 이를 위해 형광이미지 및 PL을 측정하였고 Confocal laser scanning micro PL, TDPL, VSLM 실험을 위한 광학계를 구성하였다.
결과, 형광 이미지 상에서 관찰되는 스트라이프 형태의 발광은 Micro PL 이미지와의 비교하였을 때 발광 강도와는 상관관계가 적었으며 피크 파장, 반치폭 과의 연관성이 있음을 통해 In 조성의 뭉침 현상이 발생했다는 것을 알 수 있었다. 하지만 종래의 G-LED와 비교했을 때 그 차이가 매우 커 상대적으로 조성의 불균질성이 개선됨을 알 수 있었다. TDPL 실험을 통해 내부양자요율이 12.1%로 측정되었으며 Varshni 방정식을 이용하여 국소화 정도를 측정하였다. 타 소자와 비교 시 상대적으로 낮은 값을 가지는 것으로 In 뭉침현상이 줄어들었다는 것을 확인했다. VSLM 실험을 통해 스트라이프 길이가 증가함에 따라 유도 발진에 필요한 여기밀도가 감소하는 것을 확인했다. 하지만 여기 영역이 늘어나게 되면 Joule heating 효과로 인해 파장의 Redshift가 발생하며 이득의 포화현상에도 영향을 주는 것을 확인했다. 이는 향후 캐비티 형성 시 고려되야할 사항으로 보인다.
Semiconductors using III-Nitrides have the advantage of being able to handle a wide range of wavelengths from ultraviolet to near-infrared, and are currently used in various fields such as lighting, display, and communication. However, it has a problem called "Green gap" in which light efficiency is lowered in the green region.
InGaN-based semiconductors for emitting green wavelengths are designed with a band gap by increasing the composition of In. At this time, it has two main problems due to material characteristics. First, potential fluctuation due to compositional fluctuations of In, and second, internal electric field in which the spontaneous polarization characteristics of GaN crystal and piezoelectric polarization due to the difference in lattice constant with InGaN/GaN act in opposite directions to each other. These are known to be a major problem in lowering light efficiency. These problems increase the critical current especially in laser oscillation.
In this study, the optical properties of an InGaN green quantum well structures grown in the (0001) GaN substrate with greatly suppressed compositional heterogeneity of In are analyzed. Fluorescenece image and PL were measured, and optical systems for Confocal laser scanning micro PL, TDPL, and VSLM experiments were constructed.
As a result, the stripe-type light emission observed on the fluorescence image had little correlation with the light emission intensity when compared to the Micro PL image. On the other hand, there was a correlation with the peak wavelength and full width at half maximum. This means that heterogeneity in composition of In has occurred. However, when compared with the conventional G-LED, the difference was very large, and it was found that the heterogeneity of the composition was relatively improved. Through the TDPL experiment, the IQE was measured to be 12.1%, and the degree of carrier localization was measured using the Varshni equation. It was confirmed that the heterogeneity was reduced by having a relatively low value when compared to other devices. Through VSLM experiments, it was confirmed that the excitation density required for induced oscillation decreases as the stripe length increases. However, it was confirmed that when the excitation region is increased, the wavelength redshift occurs due to the Joule heating effect, which also affects the gain saturation. This seems to be a matter to be considered when forming a cavity in the future.
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