KR20060087792A - Broadband semiconductor light source with hetero-quantum dot structure - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원은, 기판과; 상기 기판 위에 적층되며, 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 양자점 층들을 갖는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 적어도, 상기 기판 위에 적층되며, 제1 파장 대역의 광을 생성하도록 제1 물질의 양자점들을 갖는 제1 양자점 층과; 상기 제1 양자점 층 위에 적층되며, 제2 파장 대역의 광을 생성하도록 제2 물질의 양자점들을 갖는 제2 양자점 층을 포함하며, 상기 제1 및 제2 파장 대역들은 서로 상이하며, 상기 제1 및 제2 물질들은 서로 상이하다.A broadband semiconductor light source having a heterogeneous quantum dot structure according to the present invention includes a substrate; An active layer stacked on the substrate, the active layer having a plurality of quantum dot layers made of different materials, the active layer being stacked on at least the substrate and having quantum dots of a first material to produce light in a first wavelength band; 1 quantum dot layer; A second quantum dot layer stacked over the first quantum dot layer, the second quantum dot layer having quantum dots of a second material to produce light of a second wavelength band, wherein the first and second wavelength bands are different from each other; The second materials are different from each other.

반도체 광원, 양자점, 활성층, 이종Semiconductor light source, quantum dot, active layer, heterogeneous

Description

이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원{BROADBAND SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE WITH HETERO-QUANTUM DOT STRUCTURE} BROADBAND SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE WITH HETERO-QUANTUM DOT STRUCTURE}             

도 1 및 도 2는 광대역 반도체 광원을 얻기 위해 양자 우물 구조를 조절하는 방법들을 설명하기 위한 도면들,1 and 2 are diagrams for explaining methods of adjusting a quantum well structure to obtain a broadband semiconductor light source,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원을 나타내는 도면,3 is a view showing a broadband semiconductor light source having a heterogeneous quantum dot structure according to a preferred embodiment of the present invention;

도 4는 상기 활성층의 광출력 특성을 설명하기 위한 도면.4 is a view for explaining the light output characteristics of the active layer.

본 발명은 넓은 파장 대역의 광을 생성하는 광대역 반도체 광원에 관한 것으로서, 특히 양자점 구조의 활성층(active layer)을 갖는 광대역 반도체 광원에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a broadband semiconductor light source for generating light in a wide wavelength band, and more particularly to a broadband semiconductor light source having an active layer of a quantum dot structure.

반도체 광원은 활성층에서 광을 발생시키고, 발생된 광을 도파로층의 일단을 통해 출력한다. 이러한 반도체 광원들로는 발광 다이오드(light emitting diode: LED), 레이저 다이오드(laser diode: LD) 등을 예로 들 수 있다. 넓은 파장 대역의 광을 출력하는 반도체 광원을 얻기 위해, 양자 우물 구조(quantum well structure)의 활성층을 사용하고, 양자 우물 구조를 조절하는 방법들이 개시된 바 있다. The semiconductor light source generates light in the active layer and outputs the generated light through one end of the waveguide layer. Examples of such semiconductor light sources include a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), and the like. In order to obtain a semiconductor light source that outputs light of a wide wavelength band, methods of using an active layer of a quantum well structure and adjusting the quantum well structure have been disclosed.

도 1 및 도 2는 광대역 반도체 광원을 얻기 위해 양자 우물 구조를 조절하는 방법들을 설명하기 위한 도면이다. 1 and 2 are diagrams for explaining methods of adjusting a quantum well structure to obtain a broadband semiconductor light source.

도 1을 참고하면, 활성층은 서로 폭이 다른 동종의 제1 및 제2 양자 우물(110,120)을 적층하여 구성된다. 제1 양자 우물(110)은 제2 양자 우물(120)보다 폭이 작으며, 이로 인해 제1 양자 우물(110)은 제2 양자 우물의 제2 에너지 준위(energy level, E2)보다 큰 제1 에너지 준위(E1)를 갖는다. 상기 활성층은 제1 및 제2 에너지 준위들에 의해 정해지는 서로 다른 제1 및 제2 파장 대역들이 중첩된 광대역의 광을 생성한다. Referring to FIG. 1, the active layer is formed by stacking the same type of first and second quantum wells 110 and 120 having different widths. The first quantum well 110 is smaller in width than the second quantum well 120, so that the first quantum well 110 is larger than the second energy level (E 2 ) of the second quantum well. It has one energy level (E 1 ). The active layer generates broadband light with different first and second wavelength bands defined by the first and second energy levels.

도 2를 참고하면, 활성층은 폭은 동일하지만 서로 다른 물질들로 형성된 이종의 제1 및 제2 양자 우물들(210,220)을 적층하여 구성된다. 제1 양자 우물(210)은 제2 양자 우물(220)보다 깊이가 작으며, 이로 인해 제1 양자 우물(210)은 제2 양자 우물(220)의 제2 에너지 준위(E2)보다 큰 제1 에너지 준위(E1)를 갖는다. 상기 활성층은 제1 및 제2 에너지 준위들에 의해 정해지는 서로 다른 제1 및 제2 파장 대역들이 중첩된 광대역의 광을 생성한다. Referring to FIG. 2, the active layer is formed by stacking heterogeneous first and second quantum wells 210 and 220 having the same width but different materials. The first quantum well 210 has a depth smaller than that of the second quantum well 220, so that the first quantum well 210 is larger than the second energy level E 2 of the second quantum well 220. It has one energy level (E 1 ). The active layer generates broadband light with different first and second wavelength bands defined by the first and second energy levels.

최근에, 넓은 파장 대역의 광을 출력하는 반도체 광원을 얻기 위해, 양자점 구조(quantum dot structure)의 활성층을 사용하고, 다양한 크기를 갖는 동일 물질 의 양자점들을 형성하는 방법이 개시된 바 있다. 이러한 양자점들의 크기들에 의해 정해지는 다양한 에너지 준위들로 인하여, 상기 활성층은 다양한 에너지 준위들에 정해지는 다양한 파장 대역들이 중첩된 광대역의 광을 생성한다. Recently, a method of forming quantum dots of the same material having various sizes by using an active layer of a quantum dot structure and obtaining a semiconductor light source that outputs light of a wide wavelength band has been disclosed. Due to the various energy levels determined by the sizes of these quantum dots, the active layer generates broadband light with various wavelength bands defined at various energy levels.

그러나, 상술한 바와 같은 광대역 반도체 광원의 구현 방법들은 아래와 같은 문제점들이 있다. However, implementation methods of the broadband semiconductor light source as described above have the following problems.

첫 째, 서로 다른 폭들의 양자 우물들을 사용하거나, 서로 다른 물질의 양자 우물들을 사용하는 방법은, 양자 우물이 가질 수 있는 에너지 준위의 범위가 정해져 있으므로, 생성할 수 있는 파장 대역의 한계가 있다는 문제점이 있다. First, the method of using quantum wells of different widths or quantum wells of different materials has a limitation in the wavelength band that can be generated since the range of energy levels that quantum wells can have is defined. There is this.

둘 째, 동일 물질의 양자점들을 사용하는 방법은, 다양한 파장 대역들이 중첩된 광대역의 광을 생성하지만, 물리적으로 그 대역폭의 한계가 있다는 문제점이 있다. Secondly, the method of using quantum dots of the same material generates a wide band of light in which various wavelength bands overlap, but there is a problem in that the bandwidth is physically limited.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래보다 넓은 파장 대역의 광을 출력할 수 있는 양자점 구조의 광대역 반도체 광원을 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a broadband semiconductor light source having a quantum dot structure capable of outputting light of a wider wavelength band than in the prior art.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원은, 기판과; 상기 기판 위에 적층되며, 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 양자점 층들을 갖는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 적어도, 상기 기판 위에 적층되며, 제1 파장 대역의 광을 생성하도록 제1 물질의 양자점들을 갖 는 제1 양자점 층과; 상기 제1 양자점 층 위에 적층되며, 제2 파장 대역의 광을 생성하도록 제2 물질의 양자점들을 갖는 제2 양자점 층을 포함하며, 상기 제1 및 제2 파장 대역들은 서로 상이하며, 상기 제1 및 제2 물질들은 서로 상이하다.
In order to solve the above problems, a broadband semiconductor light source having a heterogeneous quantum dot structure according to the present invention, the substrate; An active layer stacked on the substrate, the active layer having a plurality of quantum dot layers of different materials, the active layer being stacked on at least the substrate and having quantum dots of a first material to produce light in a first wavelength band. A first quantum dot layer; A second quantum dot layer stacked over the first quantum dot layer, the second quantum dot layer having quantum dots of a second material to produce light of a second wavelength band, wherein the first and second wavelength bands are different from each other; The second materials are different from each other.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the subject matter of the present invention.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원을 나타내는 도면이다. 상기 광대역 반도체 광원(300)은 반도체 기판(semiconductor substrate, 310)과, 하부 도파로층(lower waveguide layer, 320)과, 활성층(400)과, 상부 도파로층(upper waveguide layer, 350)과, 클래드층(clad layer, 360)과, 접촉층(contact layer, 370)과, 상부 및 하부 전극들(upper and lower electrodes, 380,390)을 포함한다. 3 illustrates a broadband semiconductor light source having a heterogeneous quantum dot structure according to a preferred embodiment of the present invention. The broadband semiconductor light source 300 includes a semiconductor substrate 310, a lower waveguide layer 320, an active layer 400, an upper waveguide layer 350, and a clad layer. (clad layer 360), contact layer (370), and upper and lower electrodes (380,390).

상기 반도체 기판(310)은 n+형 GaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다.The semiconductor substrate 310 is made of an n + type GaAs-based compound semiconductor.

상기 하부 도파로층(320)은 상기 반도체 기판(310) 상에 적층되며, 상기 상부 도파로층(350)과 함께 상기 활성층(400)에서 생성된 광을 가이드(guide)한다. 즉, 상기 활성층(400)에서 생성된 광은 상기 하부 및 상부 도파로층들(320,350) 내로 진행한다. 상기 하부 도파로층(320)은 n형 AlGaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다. The lower waveguide layer 320 is stacked on the semiconductor substrate 310, and guides light generated in the active layer 400 together with the upper waveguide layer 350. That is, the light generated in the active layer 400 travels into the lower and upper waveguide layers 320 and 350. The lower waveguide layer 320 is made of an n-type AlGaAs-based compound semiconductor.

상기 활성층(400)은 상기 하부 도파로층(320) 상에 차례로 적층된 제1 및 제2 양자점 층들(quantum dot layer, 330,340)을 포함한다. The active layer 400 includes first and second quantum dot layers 330 and 340 sequentially stacked on the lower waveguide layer 320.

상기 제1 양자점 층(330)은 InGaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어지며 서로 이격되게 배치된 양자점들(335)과, GaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어지며 상기 양자점들(335)을 덮는 매트릭스(matrix, 337)로 구성된다. 상기 양자점들(335)은 ALE(atomic layer epitaxy) 등의 공법에 의해 성장될 수 있으며, 상기 매트릭스(337)는 MBE(molecular beam epitaxy) 등의 공법에 의해 성장될 수 있다. GaAs와 InGaAs는 복수회 교번하여 성장되며, 상호 변형에 따른 자발형성 메커니즘(self assemble mechanism)으로부터 상기 양자점들(335)이 형성된다. 상기 제1 양자점 층(330)은 상기 양자점들(335)의 물질에 의해 정해지는 제1 파장 대역의 광을 출력한다. The first quantum dot layer 330 is formed of an InGaAs-based compound semiconductor and is spaced apart from each other, and is formed of a GaAs-based compound semiconductor and covers the quantum dots 335. It is composed of The quantum dots 335 may be grown by a method such as atomic layer epitaxy (ALE), and the matrix 337 may be grown by a method such as molecular beam epitaxy (MBE). GaAs and InGaAs are alternately grown a plurality of times, and the quantum dots 335 are formed from a self assemble mechanism due to mutual deformation. The first quantum dot layer 330 outputs light of a first wavelength band defined by the material of the quantum dots 335.

상기 제2 양자점 층(340)은 InAs 계열의 화합물 반도체로 이루어지며 서로 이격되게 배치된 양자점들(345)과, GaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어지며 상기 양자점들(345)을 덮는 매트릭스(347)로 구성된다. 상기 양자점들(345)은 ALE 등의 공법에 의해 성장될 수 있으며, 상기 매트릭스(347)는 MBE 등의 공법에 의해 성장될 수 있다. GaAs와 InAs는 복수회 교번하여 성장되며, 상호 변형에 따른 자발형성 메커니즘으로부터 상기 양자점들(345)이 형성된다. 상기 제2 양자점 층(340)은 상기 양자점들(345)의 물질에 의해 정해지는 제2 파장 대역의 광을 출력한다. The second quantum dot layer 340 is formed of an InAs-based compound semiconductor and is spaced apart from each other, and a matrix 347 is formed of a GaAs-based compound semiconductor and covers the quantum dots 345. It is composed. The quantum dots 345 may be grown by a method such as ALE, and the matrix 347 may be grown by a method such as MBE. GaAs and InAs are alternately grown a plurality of times, and the quantum dots 345 are formed from a spontaneous mechanism due to mutual deformation. The second quantum dot layer 340 outputs light of a second wavelength band defined by the material of the quantum dots 345.

즉, 상기 활성층(400)은 크기가 동일하고 물질이 다른 이종 양자점 구조를 가지며, 제1 양자점 층(330)의 제1 파장 대역과 제2 양자점 층(340)의 제2 파장 대 역이 중첩된 광대역의 광을 생성한다. That is, the active layer 400 has a heterogeneous quantum dot structure having the same size and different materials, and the first wavelength band of the first quantum dot layer 330 and the second wavelength band of the second quantum dot layer 340 overlap each other. Generates broadband light.

도 4는 상기 활성층의 광출력 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 상기 제1 양자점 층(330)의 출력 스펙트럼을 나타내고, 도 4의 (b)는 상기 제2 양자점 층(340)의 출력 스펙트럼을 나타내며, 도 4의 (c)는 상기 활성층(400)의 종합적인 출력 스펙트럼을 나타낸다. 4 is a view for explaining the light output characteristics of the active layer. 4A illustrates an output spectrum of the first quantum dot layer 330, FIG. 4B illustrates an output spectrum of the second quantum dot layer 340, and FIG. 4C illustrates the output spectrum of the second quantum dot layer 340. The overall output spectrum of the active layer 400 is shown.

상기 상부 도파로층(350)은 상기 제2 양자점 층(340) 상에 적층되며, 상기 하부 도파로층(320)과 함께 상기 활성층(400)에서 생성된 광을 가이드한다. 상기 상부 도파로층(350)은 p형 AlGaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다. The upper waveguide layer 350 is stacked on the second quantum dot layer 340 and guides the light generated in the active layer 400 together with the lower waveguide layer 320. The upper waveguide layer 350 is made of a p-type AlGaAs-based compound semiconductor.

상기 클래드층(360)은 상기 상부 도파로층(350) 상에 적층되며, 상기 반도체 기판(310)과 함께 상기 활성층(400)에서 생성된 광을 상기 하부 및 상부 도파로층(320,350) 내에 가두어두는 기능을 한다. 상기 클래드층(360)은 p형 GaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다.The cladding layer 360 is stacked on the upper waveguide layer 350 and confines light generated in the active layer 400 together with the semiconductor substrate 310 in the lower and upper waveguide layers 320 and 350. Do it. The cladding layer 360 is made of a p-type GaAs-based compound semiconductor.

상기 접촉층(370)은 상기 클래드층(360) 상에 적층되며, 전극과의 저항 접촉(ohmic contact)을 조절하는 기능을 한다. 상기 접촉층(370)은 p+형 InGaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다.The contact layer 370 is stacked on the cladding layer 360 and functions to control ohmic contact with the electrode. The contact layer 370 is made of a p + type InGaAs-based compound semiconductor.

상기 상부 전극(380)은 상기 접촉층(370) 상에 적층되며, 외부로부터 전류가 인가된다. 상기 상부 전극(380)은 Ti, Pt, Au 등의 금속 물질로 이루어질 수 있다. The upper electrode 380 is stacked on the contact layer 370, and a current is applied from the outside. The upper electrode 380 may be made of a metal material such as Ti, Pt, Au, or the like.

상기 하부 전극(390)은 상기 반도체 기판(310)의 밑에 적층되며, 접지와 연결된다. 상기 하부 전극(390)은 Ti, Pt, Au 등의 금속 물질로 이루어질 수 있다. The lower electrode 390 is stacked under the semiconductor substrate 310 and is connected to ground. The lower electrode 390 may be made of a metal material such as Ti, Pt, Au, or the like.

본 실시예에서, 기본 구성으로서 상기 활성층(400)이 이종의 두 양자점 층들 (330,340)로 구성되는 것을 예시하였으나, 출력광의 파장 스펙트럼을 넓히기 위해 이종의 양자점 층들을 3 이상 적층할 수 있다. In the present exemplary embodiment, the active layer 400 is composed of two heterogeneous quantum dot layers 330 and 340 as a basic configuration, but three or more heterogeneous quantum dot layers may be stacked to widen the wavelength spectrum of the output light.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 반도체 광원은 물질이 다른 이종의 양자점들을 복수 적층한 이종 양자점 구조의 활성층을 가짐으로써, 종래보다 넓은 파장 대역의 광을 출력할 수 있다는 이점이 있다. As described above, the broadband semiconductor light source according to the present invention has an advantage that a material having a wider wavelength band than conventional ones can be output by having an active layer of a heterogeneous quantum dot structure in which a plurality of heterogeneous quantum dots are stacked.

또한, 본 발명에 따른 이종 양자점 구조의 광대역 반도체 광원은 기존의 양자점 구조가 갖는 이점들, 즉 낮은 문턱 전류, 양호한 열적 특성 등을 이점들을 그대로 가지면서, 광대역 광통신 시스템에서 요구되는 L-밴드, C-밴드 및 S-밴드에 걸친 광대역의 광을 출력할 수 있다는 이점이 있다. In addition, the wideband semiconductor light source of the heterogeneous quantum dot structure according to the present invention has the advantages of the conventional quantum dot structure, that is, low threshold current, good thermal characteristics, and the like, while the L-band, C required in the broadband optical communication system. There is an advantage in that it is possible to output broadband light over the band and the S-band.

Claims (3)

광대역 반도체 광원에 있어서,In a broadband semiconductor light source, 기판과;A substrate; 상기 기판 위에 적층되며, 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 양자점 층들을 갖는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 적어도,An active layer stacked on the substrate, the active layer having a plurality of quantum dot layers made of different materials, wherein the active layer is at least, 상기 기판 위에 적층되며, 제1 파장 대역의 광을 생성하도록 제1 물질의 양자점들을 갖는 제1 양자점 층과;A first quantum dot layer stacked on the substrate, the first quantum dot layer having quantum dots of a first material to produce light in a first wavelength band; 상기 제1 양자점 층 위에 적층되며, 제2 파장 대역의 광을 생성하도록 제2 물질의 양자점들을 갖는 제2 양자점 층을 포함하며,A second quantum dot layer stacked over the first quantum dot layer, the second quantum dot layer having quantum dots of a second material to produce light of a second wavelength band, 상기 제1 및 제2 파장 대역들은 서로 상이하며, 상기 제1 및 제2 물질들은 서로 상이함을 특징으로 하는 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원.And the first and second wavelength bands are different from each other, and the first and second materials are different from each other. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 물질은 InGaAs이며, 상기 제2 물질은 InAs임을 특징으로 하는 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원.The first material is InGaAs, The second material is InAs Broadband semiconductor light source having a heterogeneous quantum dot structure, characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 활성층의 밑에 적층되며, 상기 활성층에서 생성된 광을 가이드하는 하부 도파로층과;A lower waveguide layer laminated under the active layer and guiding light generated by the active layer; 상기 활성층의 위에 적층되며, 상기 활성층에서 생성된 광을 가이드하는 상부 도파로층을 더 포함함을 특징으로 하는 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원.And a top waveguide layer stacked on the active layer and guiding light generated by the active layer.
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