Ge/GaAs 헤테로 구조 기반 장파장 LED 연구
- 주제(키워드) Ge/GaAs 헤테로 구조 , 양자 구속 효과 , 박막형 LED , 장파장 광원 , 이소부틸저메인
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이재진
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 지능형반도체공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034999
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구는 Ge/GaAs 헤테로 구조 기반의 장파장 발광 다이오드(LED)를 개발하고, 구조 설계 및 공정 기술, 그리고 광학적 특성 평가를 통해 Ge 기반 광원의 성능 향상을 모색하였다. 기존의 Ge 는 간접 밴드갭 특성으로 인해 발광 효율이 낮아 LED 응용에 제약이 있었다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 활용한 Ge 양자 우물 구조를 도입하였으며, GaAs 기판과의 이종접합(heterojunction)을 통해 장파장 광원으로서의 가능성을 검증하고자 하였다. Ge LED 는 MOCVD 공정을 통해 성장되었으며, 전구체로는 우수한 유량 제어 특성을 가진 이소부틸저메인(IBGe)을 채택하여 기존의 Germane(GeH4) 대비 공정 안정성을 확보하였다. 제작된 Ge LED 는 벌크형과 박막형 두 구조로 구분된다. 광출력-전류-전압(Light-Current-Voltage, LIV) 측정 및 광발광 (Photoluminescence, PL) 분석을 중심으로 수행되었다. LIV 측정 결과, 박막형 Ge LED 는 490 mA 인가 시 약 96.94 μW 의 최대 광출력을 기록하며, 벌크형 (61.48 μW) 대비 약 57.7% 향상된 성능을 보였다. 또한 전압 특성에서도 박막형 구조가 더 낮은 작동 전압(1.74 V)으로 구동되어 기판 제거에 따른 직렬 저항 감소 효과가 입증되었다. 패턴별 전극 설계 역시 광출력에 유의미한 영향을 미치는 요소로 확인되었으며, 그리드 수가 많은 패턴 4 에서 가장 높은 광출력을 나타냈다. 광발광 분석에서는 p-GaAs 오믹층 제거 후 약 1720 nm 파장에서 뚜렷한 발광 피크가 관측되었다. 이는 일반적인 Ge 의 간접 밴드갭에 해당하는 파장(약 1850 nm)보다 짧은 파장으로, 양자 구속 효과에 의해 밴드갭이 확장되었음으로 해석된다. 계산된 밴드갭 에너지는 약 0.721 eV 로, 이는 Ge 양자 우물 내 전하 운반자의 에너지 준위가 양자화되었음을 의미한다. 본 연구는 Ge 기반 LED 의 효율적 구조 설계와 공정 최적화를 통해 장파장 영역에서의 발광 성능을 개선할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 향후 전계발광(Electroluminescence) 측정, 파장 선택적 광학 캐비티 도입, 외부 양자 효율(EQE) 향상을 위한 공진 구조 설계 등이 병행된다면, Ge/GaAs 기반 광원은 CMOS 호환성 및 저비용 공정 기반의 적외선 센서, 통신용 광원 등에 적용 가능한 실용적 플랫폼으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
more초록/요약
This study aims to develop a long-wavelength light-emitting diode(LED) based on a Ge/GaAs heterostructure and to analyze its structural and optical performance through experimental validation. As germanium(Ge) inherently exhibits an indirect bandgap nature, it has limited applicability in optoelectronic devices due to its low radiative efficiency. To address this, quantum confinement effects were employed by constructing Ge quantum well structures, and epitaxial growth was performed on GaAs substrates using isobutylgermane(IBGe) as a safer and more controllable precursor compared to conventional germane (GeH4). Both bulk-type and thin-film Ge LEDs were fabricated and characterized. The thin-film devices were realized through doubletransfer processing and selective wet etching using an n-InGaP etch stop layer, which enabled the complete removal of the GaAs substrate and improved light extraction efficiency. Light-current-voltage (LIV) characteristics revealed that the thin-film LED achieved a maximum optical output of 96.94 μW at 490 mA, significantly higher than the 61.48 μW of the bulk-type device. Photoluminescence(PL) measurements confirmed a strong emission peak at 1720 nm after the removal of the p-GaAs ohmic layer. The measured emission wavelength corresponds to an increased bandgap of 0.721 eV, indicating that quantum confinement effectively altered the band structure and enhanced direct radiative recombination in the Ge layer. These results demonstrate the feasibility of integrating quantum-engineered Ge structures into CMOS-compatible long- wavelength optoelectronic platforms. The study provides essential experimental evidence that Ge/GaAs heterostructure LEDs, especially those employing quantum-confined Ge layers and IBGe-based epitaxy, offer promising potential for lowcost, long-wavelength infrared light sources. Future efforts including electroluminescence (EL) characterization and the integration of wavelength-selective optical cavities are expected to further improve the external quantum efficiency and pave the way for their application in infrared sensors and optical communication systems.
more목차
제 1 장. 서 론 1
제 2 장. Ge LED 제작 4
2.1. 헤테로 구조 기반 LED 4
2.2. Ge 물질 특성 6
2.3. 벌크형, 박막형 Ge LED 제작 12
제 3 장. Ge LED 측정 및 결과 21
3.1. LIV 측정 및 결과 21
3.2. 광발광 측정 및 결과 27
제 4 장. 결 론 33
참 고 문 헌 35
Abstract 40
