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Study on quantum structure infrared photodetector : dark current reduction methods = 양자구조 적외선 감지 소자에 관한 연구 : 암전류 감소 구조 연구
서명 / 저자 Study on quantum structure infrared photodetector : dark current reduction methods = 양자구조 적외선 감지 소자에 관한 연구 : 암전류 감소 구조 연구 / Jin-Sung Park.
저자명 Park, Jin-Sung ; 박진성
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2002].
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초록정보

We show that the QSIP introduced modulated barrier had the characteristics of reducing dark current, increasing the responsivity and detectivity. QWIP shows the absorption of long wavelength infrared absorption. Responsivity of proposed QWIP is twice larger than that of standard QWIP. This difference is originated built in electric field in proposed modulated barrier QWIP. Detectiviy is one order larger than that of standard QWIP. This result comes from the dark current reduction structure. In long wavelength range, the operating temperature of QDIP is disappointed. The photocurrent spectroscopy is only shown in cryogenic temperature. This is because that we have not any results of structure dependency of QDIPs. Many aspects of QDIP are not studied yet. In this thesis, the absorption photocurrents of QDIP were observed from 6㎛ to 12㎛ and study the QDIP characteristics according to the doping methods. Measured photocurrents are originated the intersubband transition in InAs quantum dots. The Δλλ is 0.38 indicating that the intersubband transition is most likely bound to continuum state. The highest temperature observing the photocurrent $T_opt$ of KSMB017 and KSMB019 is 210K and 170K, respectively. This result shows the possibility of QDIPs detecting wavelength range of 8~12㎛ at higher temperature than cryogenic temperature. On the view of the limit operating temperature, QDIP is superior to QWIP. The difference of QD quality is one of the major factors to decide the $T_opt$. The quality of QDs varies severely according to doping methods. From results, we conclude that doping on the dots for high temperature operation, uniform doping in the dot for high responsivity is effective methods, respectively. We can expect that QDIP, which combine the modulated barrier structure and QD, will be operated at near room temperature.

상온의 물체는 복사를 통해서 그 물체의 에너지를 방출한다. 이 때 복사 파장은 장파장 적외선 영역으로 8㎛에서 12㎛ 영역에 해당한다. 이 영역의 파장을 검출할 수 있는 물질로 MCT( Mercury Cadmium Telluride)가 늘리 이용 되고 있다. MCT는 물질성장이 어렵고 또한 상온에서 동작이 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하고자, 양자구조 적외선 감지소자(Quantum Structure Infrared Photodetector)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 양자 구조 적외선 소자는 크게 양자우물(Quantum Well)과 양자점(Quantum Dot)을 이용한 소자로 나뉜다. 양자 우물 적외선 감지 소자는 안정된 III-V족의 발달된 성장 및 공정 기술을 이용하여 MCT와 비견되는 성능을 보이고 있으나, 수직 입사 된 적외선 감지를 위해서는 추가의 구조가 필요하며 특히 77K 이상에서 동작 할 수 없는 단점을 가지고 있다. 그러나 양자점 적외선 소자는 3차원 감금 구조의 특성을 가진 양자점을 이용하기 때문에 수직입사 된 적외선을 검출 할 수 있으며 상온에서 동작가능성을 가지고 있다. 하지만, 양자점 형성 기술의 발전이 빠르지 않아 연구 대상으로 큰 주목을 받지 못 하였으나, S-K 성장 방법의 발견 이 후 양자점 적외선 수광 소자 연구가 매우 활발히 진행 되고 있다. 지금 까지 양자점 수광 소자의 성능은 기대치 보다는 매우 낮았으며, 소자에 대한 체계적인 연구가 미흡하였다. 양자구조 적외선 수광 소자는 기본적으로 광 전도성(Photo conductive) 성질을 이용하기 때문에 높은 암전류(Dark Current) 특성을 가지며, 이 특성으로 인해 높은 잡음 특성 및 동작온도에 제약을 받아 왔다. 본 논문에서는 이러한 암전류를 감소 시키는 구조에 대한 연구 및 양자점 적외선 감지 소자의 도핑 방법에 따른 특성을 비교를 하였다. 양자우물 적외선 감지소자에 낙타-등 모양의 에너지 장벽 층을 형성하여 암전류 감소 특성을 확인 하였다. 이 구조는 암전류는 기존 구조에 비해 18K에서 1/10로 감소 됨을 확인 하였다. 또한 10㎛ 근처에서의 흡수 파장의 최고치를 표준 구조와 제안된 낙타-등 양자우물 적외선 감지 소자 모두 에서 관찰 할 수 있었다. 반응도(Responsivity [A/W])에서도 2배 정도의 성능 향상을 보였으며, 이는 낙타-등 구조에 의한 고유의 전계(Built-in Potential)에 의한 광 전달 이득(Photo-conductive Gain)에 의한 것이다. 또 한 검출율(Detectivity)도 10배 큰 값을 가지는 특성을 보였으며 이는 향상된 반응도와 감소된 암전류 특성에 기인 한 것이다. 양자점을 이용한 적외선 소자가 상온에서 동작하기 위해서는 결점이 없고 낮은 열 여기 특성을 가지며 균일한 크기를 가지며 높은 밀도를 가지는 양자점과, 낮은 암전류를 가지는 구조와 암전류를 최소화하는 도핑 수준 및 양자점의 특성에 영향을 주지 않으면서 효과적으로 반송자를 공급하는 구조가 결합 되어야 한다. 본 연구에서는 양자점에 영향을 주지 않으며 효과적으로 반송자를 공급하는 도핑 방법에 대한 연구를 하였다. 양자점 아래, 위, 속에 균일하게, 미소 층에 반송자를 공급하는 층을 위치 시키는 4가지 방법에 대한 특성을 비교하였다. 4가지 방법 중 아래와 속 균일하게 도핑 하는 방법이 양자점 크기 균일도가 가장 좋았다. 4가지 구조 모두 10㎛에서 광전류 특성을 보였다. 동작 온도에서는 반송자 공급 층을 위해 한 것과 속에 균일하게 한 것이 매우 높은 온도인 각각 210K 와 170K에서 동작하였으며 이 동작온도는 세계적으로도 매우 높은 동작 온도이다. 이는 낮은 열 여기 특성에 기인 한 것으로, 이러한 도핑 방법이 양자점의 고유한 특성에 영향을 거의 미치지 않았음을 알 수 있다. 반응도 측면에서는 양자점 안에 균일하게 도핑 한 것이 다른 방법에 비해 4배에서 50배 이상의 큰 값을 가지는 특성을 보였다. 이를 종합 하여 보면 양자점 안에 균일하게 도핑을 하는 것이 가장 효과적인 반송자 공급 방법임을 알 수 있다. 균일한 도핑을 양자점과 낙타-등 구조를 결합하면 낮은 암전류 특성 및 높은 반응도를 가지는 상온에서 동작하는 양자점 적외선 검출 소자를 개발 할 수 있을 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 02058
형태사항 ix, 101 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박진성
지도교수의 영문표기 : Song-Cheol Hong
지도교수의 한글표기 : 홍성철
수록잡지명 : "Reduction of dark current in a n-type In0.3Ga0.7/GaAs quantum well infrared photodector by using a camel diode structure". Solid-state elelctronics, v.46, pp.651-654 (2002)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학전공,
서지주기 Includes references
주제 Quantum structure infrared photodetector
Quantum dot infrared photodetector
Qunatum well infrared photodetector
dark current reduction
camel structure
양자점 적외선 감지 소자
양자우물 적외선 감지 소자
암전류 감소
양자구조 적외선 감지 소자
낙타등 구조
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