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KR950000119B1 - 반도체 레이저의 구조 - Google Patents

반도체 레이저의 구조 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

반도체 레이저의 구조
제 1 도 (a)는 종래 반도체 레이저의 사시도, (b)는 종래 반도체 레이저의 부분단면도 및 에너지 밴드 변화도.
제 2 도 (a)는 본 발명의 반도체 레이저 사시도, (b)는 본 발명의 반도체 레이저 활성층의 알루미늄 성분분포도, (c)는 본 발명의 반도체 레이저 에너지 밴드 변화도.
제 3 도는 본 발명의 계단형 양자우물 반도체 레이저의 에너지 밴드 변화도
제 4 도는 본 발명의 양자역학적 광학이득 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : n형 GaAs기판 11, 13 : 클래드층
12, 20 : 활성층 14 : p형 캡층
21 : AlyGa1-yAs 22 : AlZGa1-ZAs
23 : GaAs 24 : 광학이득 증가분
본 발명은 비대칭형 양자우물을 갖는 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 일반적인 대칭형 양자우물 활성층에 비대칭형 양자우물 구조를 도입함으로써 전류대 광변환의 광학이득을 약 50%까지 개선하여 반도체 레이저의 저 전류동작 및 이로 인한 신뢰도를 향상시킨 것이다.
제 1 도는 일반적인 반도체 레이저의 이중 이종접합(DH : Double Heterostructure) 구조에서 활성층의 두께(W1)를 약 250Å이하로 함으로써 광학적 이득특성, 열적특성을 개선시킨 구조를 갖는 종래 반도체 레이저의 도면으로서, 제 1 도의 (a)에 도시한 바와 같이 n형 GaAs기판(10) 위에 1.0μm두께의 n형 클래드층(AlxGa1-xAs)(11)과 얇은 두께(250Å 이하)의 도핑되지 않은 활성층(AlyGa1-yAs)과 1.0μm두께의 p형 클래드층(AlxGa1-xAs) (13), 그리고 p형 캡층(GaAs)(14)을 차례로 형성하여 구성된다. 상기와 같이 구성된 종래의 대칭형 반도체 레이저는 활성층(12)이 약 1000Å이던 일반적인 이중 이종접합구조보다 약 2-3배의 정류광학 이득특성, 온도특성의 개선등으로 많은 소자가 개발되어 있는 상황이다. 제 1 도의 (b)는 종래 반도체 레이저의 부분단면도와 에너지 밴드 변화로써, 도시한 바와 같이 도핑되지 않은 활성층(AlyGa1-yAs)(12)을 250Å이하의 두께로 형성함에 있어 그 물질구성, 특히 알루미늄 성분이 전체적으로 AlyGa1-yAs에 의해 균일하게 이루어지므로 활성층(12)의 중심에 대해 에너지 밴드가 대칭형이 된다. n형 클래드층(AlxGa1-xAs)(11)과 p형 클래드층(AlxGa1-xAs)(13)사이에 도핑되지 않은 활성층(AlyGa1-yAs)(12)이 형성된 종래의 반도체 레이저는 물질구성이 일반적으로 다음의 식에 의해 이루어진다.
즉 x= y+0.3에 의해 이루어지며 n형 및 p형 클래드층(AlxGa1-xAs) (11)(13)은 물질구성이 같고 알루미늄(Al)성분이 많기 때문에 에너지 밴드에서 클래드층(AlxGa1-xAs)(11)(13)의 전도대(Ec)와 가전자대(Ev)간의 밴드 갭(Ex)은 크고 알루미늄 성분이 적은 활성층의 밴드 갭(Ey)은 좁아지게 되며, 그 결과 대칭형 양자우물 구조를 갖게 된다. 그리고 보통 양자우물 구조의 반도체 레이저에 있어서 60Å-150Å정도의 두께의 활성층(12)의 밴드 갭(Ey)과 클래드층(11)(13)의 밴드 갭(Ex)은 약 0.2-0.3eV정도가 대부분이다.
상기와 같이 구성된 종래의 대칭형 양자우물 반도체 레이저는 p형 전극(A) 및 n형 전극(A')에 각각(+)와 (-)의 전압을 인가하여 전류를 주입하면 외부에서 주입된 전자와 정공이 양자우물속에 존재 가능한 상태인 S1, S'1(B-B')속에 각각 제한적으로 효율성있게 존재하게 되고 이런 한정된 상태에서 전자와 정공이 결합하면 광을 방출하기 시작하여 레이저로 동작하게 된다.
한편 일반적으로 양자우물 구조를 갖는 반도체 레이저의 장점은 양자우물속에 존재할 수 있는 전자와 정공의 상태(B-B')가 제한적으로 효율성있게 존재할 수 있도록 하여 전자-정공의 결합효율을 증가시킴으로써 전류광학 이득특성을 개선하는 것이다.
그러나 상기한 대칭형 양자우물 구조의 종래 반도체 레이저는 그 구조가 갖는 본연의 대칭성 때문에 양자 역학적 선택 조건이 엄격하게 적용되어서 광학적 이득에 기여하는 천이가 전자와 정공의 특정한 상태간에만 가능하다. 이러한 양자역학적 선택 조건의 엄격한 적용이 종래 양자우물 반도체 레이저의 광학적 이득의 상한을 결정하기 때문에, 즉 광학적 이득이 낮기 때문에 저전류동작, 온도특성, 그리고 이로 인한 신뢰도가 저하되는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 광학적 이득특성을 증가시키도록 모든 상태간의 천이를 가능하게 하여 동작전류, 안정된 온도특성, 그리고 이에 따른 신뢰도를 개선하는 비대칭형 양자우물 구조를 갖는 반도체 레이저를 제공하는 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 도핑되지 않은 활성층에 알루미늄 성분을 경사지게 변화를 줌으로써 광학적 이득이 양자우물에서 약 50%이상 개선되는 본 발명을 첨부된 도면에 의해 보다 상세히 설명한다.
제 2 도는 본 발명의 반도체 레이저 사시도(a)와 에너지 밴드 변화도(b) 그리고 활성층내의 알루미늄 성분 분포도(c)로서, 도시한 바와 같이 n형 GaAs기판(10)위에 n형 클래드층(AlxGa1-xAs)(11)과 도핑되지 않은 활성층(20)과 p형 클래드층(AlxGa1-xAs)(13)과 p형 GaAs캡층(14)을 차례로 형성시켜서 구성되는데, 특히 도핑되지 않은 활성층(20)은 알루미늄의 성분분포를 서서히 변화시켜 활성층(20)의 중심을 기준으로 삼을 때 양자우물이 비대칭형으로 구성된다.
도시한 제 2 도의 (b)에서 활성층(20)은 활성층내의 알루미늄 성분을 y에서 z까지 화살표 방향으로 서서히 변화를 주어 두께(W2)를 약 80Å∼100Å정도로 형성함으로써 구성된다. 이렇게 함으로써 비대칭형 양자우물 구조의 반도체 레이저가 되는데 알루미늄 성분은 다음의 식에 의해 분포된다. 즉 z=y+0.2에 의해 반도체 레이저를 구성하며, 활성층(20)의 한쪽면을 AlyGa1-yAs(21)으로 시작하여 다른 한쪽은 AlZGa1-ZAs(22)이 되도록 알루미늄 성분을 서서히 변화시킴으로써 양자우물이 경사형이 되어 활성층(20)의 중심에 대해 비대칭이 된다. 이것을 경사형 양자우물(graded quantum well)이라 할 수 있다.
제 2 도의 (c)는 비대칭형 양자우물 구조의 에너지 밴드 변화도로써, 도시한 바와같이 활성층(20)의 중심에 대해 비대칭으로 구성되어 있다. 여기서 밴드 갭(Ey)은 활성층의 알루미늄 성분이 가장 적어서 제일 좁고, 밴드 갭(Ez)은 활성층에서 알루미늄 성분이 가장 많아 밴드 갭(Ey)보다는 크고, 밴드 갭(Ex)은 더욱 크며 클래드층(AlxGa1-xAs)(11)(13)에서의 에너지 밴드 간의 차이를 나타낸다. 한편 물질구성에 있어서는 다음과 같은 값에 의해 조절된다. 즉 y=0(0∼0.1), z=0.2(0.1∼0.3), x=0.6(0.3∼0.6)에 의해 물질이 구성되어 경사형 비대칭 양자우물 구조를 갖는 반도체 레이저가 형성된다.
상기와 같이 구성된 반도체 레이저의 비대칭 활성층(20)에서는 더이상 양자역학적 선택조건이 전자와 정공의 광학적 천이에 제한을 받지 않게 되는데, 이는 양자우물의 성장방향에 대한 좌우대칭의 훼손에서 비롯되며 대칭성이 깨진 상황에서는 모든 상태간의 천이가 가능하다는 양자역학의 대원리에 의한 것이다. 광학적 이득이란 근사적으로 천이가능한 상태간의 쌍극자 매트릭스(dipole matrix)의 제곱의 합이기 때문에 모든 가능한 천이에 대해 합산을 한 경우가 제한을 받는 대칭형 양자우물 구조에 비해 광학적 이득이 커지는 것은 당연한 것이다.
제 3 도는 본 발명에 따른 일실시예인 계단형 비대칭 양자우물 반도체 레이저의 에너지 밴드 변화도로서, 도시한 바와 같이 활성층(20)의 물질구성을 중심에 대해 서로 다르게 함으로써 양자우물구조가 비대칭되어 광학적이득을 증가시킬 수 있다. 다시말해 반도체 레이저에서 두 클래드층(AlxGa1-xAs) (11)(13)사이에 활성층(20)을 형성할 때 활성층(20)의 내부에 중심을 기준으로 한쪽에는 GaAs(23)로 다른 한쪽에는 AlyGa1-yAs(21)로 하여 양쪽의 알루미늄 성분을 다르게 하면 양자우물의 구조가 계단형이 되고 중심에 대해 비대칭이 된다. 그리고 그 계단구조에 맞게 전위를 인가하면 비대칭의 양자우물구조에 기인하여 모든 상태간의 천이가 가능해지므로 광학적 이득특성이 종래의 대칭형 반도체 레이저보다 더 좋아지게 된다.
제 4 도는 본 발명의 비대칭형 양자우물구조를 갖는 반도체 레이저의 광학이득을 계산한 그래프로서, 도시한 바와 같이 200Å두께의 양자우물에서 y=0, z=0.2, 경사전위 F = 100kV/cm인 비대칭 양자우물 반도체 레이저의 광학적 이득의 최대치가 대칭형 양자우물구조의 경우(F=0)보다 50%이상 증가(24)되었음을 나타낸다.
상기한 본 발명의 비대칭 양자우물을 갖는 반도체 레이저는 양자우물 내부에서 전자와 정공의 분포함수를 한 곳에 집중시킬 수 있으므로 전자-정공의 결합효율을 증가시킬 수 있으며, 비대칭 양자우물구조에 의해 모든 상태간의 천이를 가능하게 함으로써 광학적 이득을 증가시켜 종래보다 약 50%이상 개선할 수 있기 때문에 저전류동작, 안정된 온도특성, 그리고 이에 따라 신뢰도를 개선하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 기판위에 제 1 클래드층, 성분을 변화시키므로써 경사를 주어 중심을 기준으로 밴드 갭이 비대칭형을 이루는 양자우물 활성층, 제 2 클래드층, 캡층이 차례로 구성되고 상기 기판하부와 캡상부에 각각 전극을 구성한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양자우물 활성층의 밴드 갭이 계단형의 비대칭구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저의 구조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 양자우물 활성층은 AlyGa1-yAs(y=0∼0.1)에서 AlZGa1-ZAs(z=0.1∼0.3)으로 그 성분이 변화되는 것을 특징으로 하는 반도체레이저의 구조.
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