Long-wavelength infrared photodetectors using quantum structure including quantum-wells (QW) and quantum-dots (QD) were demonstrated.
The selection rule of n-type QW structure prevents the quantum well infrared photodetector (QWIP) from absorbing normally incident light, which initiate the study on the methods for overcoming the selection rule. First, the conventional waveguide-type GaAs/AlGaAs QWIP was fabricated. The QWIP contained 45° polished edge upon which the light impinged. Second, multiquantum well grown on the V-groove-substrate was used to fabricate normal incidence GaAs/AlGaAs QWIP. The above two QWIPs showed the photoconductive signal with the peak wavelength of 9.2㎛. Third, the performances of (111) and (100) p-type GaAs/AlGaAs QWIP were theoretically studied by 4×4 Kohn-Luttinger Hamiltonian. The p-type QWIP using intervalence-subband transitions respond with normally indident light due to the s- and p-band mixing. The quantum efficiency of the (111) p-type QWIP was ~67% of that of the (100) p-type QWIP. Nevertheless, the detectivity of the (111) p-type QWIP was~30% larger than that of the (100) p-type QWIP. This was because of the extremely low dark current due to the heavier heavy hole of (111) QWIP.
The modulation-doped lateral transport quantum dot infrared photodetector (LAT-QDIP) which contains five stacks of InAs/GaAs QDs underdneath the GaAs/AlGaAs hetero interface was demonstrated with the peak wavelength of ~10㎛. The LAT-QDIP has three superiorities compared to conventional n-i-n diode structure QDIP which utilizes vertical transport. First, the LAT-QDIP has low noise mechanism which is achieved by decoupling the transport region from the noisy QD region. Furthermore, it is well known that the two-dimensional transport channel has very low noise. Second, the LAT-QDIP has extremely low dark current. This is because the electrons captured in QDs can hardly be thermalized due to the high barrier of QDs which have discrete energy level and the 2-D transport channel is depleted by surface potential. Third, the LAT-QDIP has very large photoconductive gain. This is because of the long life time and short transit time of photoexcited carrires due to the lack of optical phonon scattering and the strong internal transverse electric field and 2-D transport channel, respectively. The achieved detectivities were $6×10^{10}cmHz\frac^{1/2}$/W and $3×10^7cmHz\frac^{1/2}$/W at T= 80 and 300 K, respectively. The value at 80 K is very close to the state of the art of HgCdTe detector. Furthermore, we believe that this is the first observation of room temperature operation quantum dot infrared photodetector. The photoconductive gain of 184 and the quantum efficiency of 4% were estimated at the temperature of 80 K.
양자구조(양자우물, 양자점)를 이용하여 장파장대의 적외선을 감지할 수 있는 소자가 제작 되었다.
먼저 양자우물 구조의 선택법 (selection rule)에 대해 이론적인 고찰이 행해졌다. 그 선택법에 의하면 n형의 양자우물 구조는 소자의 양자우물 성장방향으로 수직입사하는 빛(면편광 성분, in-plane-polarized light)은 감지를 못 하고 대신에 양자우물의 성장방향에 직각으로 입사하는 빛(수직편광 성분, z-polarized light)에 대해 민감하게 반응하게 된다. 이에 따라 그 선택법을 극복하는 수단이 연구되어져야 한다는 판단 아래 세 가지 방법이 실험적 또는 이론적으로 연구되었다. 실험적으로는 소자의 끝 면을 45°로 갈아내어 그 면으로 수직입사하는, 즉, 소자에 비스듬히 입사하는 적외선을 탐지하는 방법과 재료의 윗 면을 'V'자 모양으로 식각한 뒤 그 위에 다중 양자우물을 길러서 소자 윗 면으로부터 수직입사하는 빛을 탐지하는 방법이 연구 되었다. 이 구조들을 이용하여 약 9.2㎛의 중심 파장을 갖는 적외선 감지소자를 제작하였다. 이론적으로는 기판의 방향이 (100) 또는 (111)인 p형의 다중양자 우물을 이용한 적외선 감지소자에 대한 특성이 4×4 Kohn-Luttinger Hamiltonian을 이용하여 연구 되었다. 이 p형의 다중 양자우물 적외선 감지소자는 가전자대역(valance band)내에서의 부밴드 천이 (intersubband transition)를 이용하게 되는데 이 때 자체내의 s-band와 p-band의 혼합으로 자연적으로 면편광 성분을 흡수할 수 있다. 계산결과 (111) 기판위에 만들어진 소자의 양자효율은 (100) 기판위에 만들어진 소자의 양자효율 보다 약 67% 정도로 낮았으나 감지도(detectivity)는 오히려 약 30% 정도 컸다. 이는 (111) 기판위에 만들어진 소자의 헤비홀(heavy hole)의 무게가 (100) 기판에서보다 커서 암전류(dark current)가 작기 때문이었다.
다음으로 5층의 InAs/GaAs 양자점 층을 GaAs/AlGaAs 이종접합면 아래에 위치시켜 ~10㎛에서 중심파장을 갖는 수평전도 양자점 적외선 감지소자가 제작되었다. 이 소자는 기존의 수직전도를 이용한 소자에 비해 크게 세 가지의 장점을 갖고 있다. 첫째, 제작된 소자는 매우 작은 잡음특성을 갖는다. 이는 양자점층과 반송자의 전도층을 분리시킴으로써 구현 되었고 또한 2차원 전도층의 저잡음 특성은 이미 잘 알려져 있다. 둘째, 제작된 소자는 매우 작은 암전류를 갖는다. 양자점의 불연속적인 에너지 준위로 인하여 양자점 안에 갖혀 있는 반송자가 열적으로 여기되기 힘든 이유가 하나이고, 또한 이 상태에서 2차원 전도통로 또한 소자의 표면 전위로 인하여 평상시에 공핍되어 있는 것이 또 하나이다. 세째, 제작된 소자는 매우 큰 광전도이득을 갖는다. 이는 양자점에서 여기된 반송자의 생존시간이 길고 여기된 반송자가 감지전극으로 도달하는 시간이 매우 짧기 때문이다. 80 K에서의 감지도는 $6×10^{10}cmHz\face^{1/2}/W$였고 300 K에서의 감지도는 $3×10^7cmHz\face^{1/2}/W$였다. 80 K에서의 수치는 HgCdTe 소자의 최고값에 근접한 값이고 300 K에서의 값은 세계 최초로 측정된 값이다. 80 K에서 유추된 광전도 이득은 184였고 그때의 양자 효율은 4%였다.
