KR100240641B1 - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 편광 및 이득 특성을 갖는 레이저를 발진하기 위하여 2중축(biaxial)상에서 압축 변형(compressively strained)된 초박막(ultrathin)의 (In,Ga)As 중앙층(center layer)을 갖는 GaAs 양자 우물 활성 층으로 구성되는 GaAs/(Al,Ga)As 레이저 구조에 관한 것이다. 단일 또는 복수의 GaAs 양자 우물 활성층(active layer)은 상위 및 하위의 (Al,Ga)As 버퍼층(buffer layer) 사이에 놓이며, 각각의 GaAs 양자 우물 중앙에 위치하는 (In,Ga)As 중앙층은 GaAs 층과의 격자 부정합(lattice mismatch)으로 인하여 압축 변형되게 한다. 본 발명이 제시하는 압축 변형된 (In,Ga)As 중앙층을 갖는 GaAs 우물 구조내에 속박된 경양공과 중양공의 기저 부띠 에너지의 차이는 단일 양자 우물 구조의 그것보다 매우 크므로, 이 활성층 구조를 갖는 레이저는 높은 이득 특성을 갖는 횡전기파(TE) 모드로 발진된다. 본 발명이 제시하는 압축 변형된 중앙벽층을 이용하는 방법은 GaAs/(Al,Ga)As 레이저 뿐만 아니라, InGaAs/InGaAsP/InP 등 다른 레이저에도 적용할 수 있다.The present invention provides a GaAs quantum well having a (In, Ga) As center layer of ultrathin film compressively strained biaxially to oscillate a laser having high polarization and gain characteristics. A GaAs / (Al, Ga) As laser structure composed of an active layer. A single or multiple GaAs quantum well active layer is placed between the upper and lower (Al, Ga) As buffer layers, and is located in the center of each GaAs quantum well (In, Ga) As center layer. Causes compressive deformation due to lattice mismatch with the GaAs layer. Since the difference between the base butt energy of the hard and hollow holes confined in the GaAs well structure with the compression-modified (In, Ga) As center layer presented by the present invention is much larger than that of the single quantum well structure, this active layer structure The laser having oscillates in a transverse electromagnetic wave (TE) mode with high gain characteristics. The method using the compressive strained center wall layer of the present invention can be applied not only to GaAs / (Al, Ga) As lasers, but also to other lasers such as InGaAs / InGaAsP / InP.
Description
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 압축 변형된 초박막의 (In, Ga)As 중앙층을 갖는 GaAs/(Al,Ga)As 양자 우물 반도체 레이저에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
근래 분자선 에피텍시 등의 기술 발전에 힘입어 양질의 GaAs/(Al,Ga)As 양자 우물 구조들이 생장될 수 있으며, 이 반도체 구조는 800 nm 파장 근방의 레이저 개발에 많이 이용되어 오고 있다. 반도체 양자 우물 레이저는 덩어리 물질의 활성층으로 구성된 레이저에 비해 전하들을 준 2차원 우물 포텐샬 벽층 내에 속박하여 전자와 양공(hole) 간의 광 천이의 떨개 세기를 높일 뿐만 아니라, 속박 효과에 의해 전자 및 양공의 부띠 에너지를 양자화하여 양자 상태의 상태 밀도 함수를 변화시켜 레이저의 이득 특성을 향상시킨다. GaAs/(Al,Ga)As 양자우물 레이저에 관하여 현재 까지 알려진 방법은 한 개 또는 복수의 GaAs 양자우물을 레이저의 활성층으로 구성한 것들이다. GaAs/(Al,Ga)As의 원자가 띠(valence band) 양자우물에는 중양공(heavy-hole)과 경양공(light-hole)의 부띠들이 속박되는 데, [001] 축상으로 생장된 GaAs 양자우물 축상의 중양공의 유효질량이 경양공의 그것보다 무겁기 때문에 본 물질로 구성된 양자 우물상의 중양공의 기저부띠 에너지는 경양공의 그것보다 전도대 쪽에 가까운 쪽에 놓이게 된다. 그 결과 전도띠와 원자가 전이띠 간의 광천이는 주로 전도띠의 전자와 원자가 띠의 중양공 간에 이루어지며, 이 천이에 기초하는 레이저 발진은 주로 횡전기파(TE) 모드 특성을 갖는다.Recently, thanks to technological developments such as molecular beam epitaxy, high-quality GaAs / (Al, Ga) As quantum well structures can be grown, and this semiconductor structure has been widely used for laser development near 800 nm wavelength. Semiconductor quantum well lasers are more constrained in the two-dimensional well potential wall layer that gives charges than lasers consisting of an active layer of agglomerate material, thereby increasing the intensity of the light transition between electrons and holes, as well as By quantizing the boutique energy, the state density function of the quantum state is changed to improve the gain characteristics of the laser. Currently known methods for GaAs / (Al, Ga) As quantum well lasers are those in which one or more GaAs quantum wells are composed of the active layer of the laser. The valence band quantum wells of GaAs / (Al, Ga) As are bound with bouts of heavy-holes and light-holes, and are grown on the [001] axis. Since the effective mass of the axial hollow hole is heavier than that of the hard hole, the baseband energy of the hollow hole in the quantum well made of this material is closer to the conduction band than that of the hard hole. As a result, the light transition between the conduction band and the valence transition band mainly occurs between the electrons of the conduction band and the mesopores of the valence band, and the laser oscillation based on the transition mainly has a transverse electric wave (TE) mode characteristic.
상술한 종래의 반도체 레이저는 이득 특성 면에서 덩어리 물질의 이득 층을 갖는 레이저에 비해 매우 향상된 것이지만, 온도가 상승할 때, 전하들의 에너지 분포 함수가 높은 에너지 쪽으로 이동함에 따라 전도띠 기저 부띠와 경양공 기저 부띠 간의 자동 방출(spontanuous emission) 또는 전도대의 기저 부띠 위의 차상위 부띠 와 중양공 기저 부띠의 차상위 부띠 간의 자동 방출등의 효과 때문에 이득 특성이 나빠질 수 있다. 이러한 문제는 파동 함수 공학(wavefunction engineering)을 이용하여 중양공과 경양공의 기저 부띠 에너지 차이를 극대화하여 경양공에 의한 효과를 극소화 함으로써 해결될 수 있다.The above-described conventional semiconductor laser is a significant improvement over the laser having a gain layer of agglomerate in terms of gain characteristics, but as the temperature distribution rises, the energy distribution function of the charges moves toward higher energy, so that the conduction band base band and the hard hole The gain characteristics can be deteriorated due to effects such as spontanuous emission between the base butts or between the second and second bouts of the mesoporous basal butt. This problem can be solved by maximizing the difference between the basal energy of the heavy and light balls using wavefunction engineering to minimize the effects of the light balls.
따라서, 본 발명은 GaAs/(Al,Ga)As 양자우물 레이저를 제작함에 있어 높은 횡전기파(TE) 편광 및 이득 특성을 갖는 활성층 구조를 제안 함으로써, 광학, 광통신 및 광전산 분야에 활용할 수 있는 반도체 레이저를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention proposes an active layer structure having high transverse electromagnetic wave (TE) polarization and gain characteristics in the fabrication of GaAs / (Al, Ga) As quantum well lasers, thereby making it possible to utilize semiconductors in optical, optical communication, and photovoltaic fields. The purpose is to provide a laser.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 레이저는 제공된 GaAs 기판과, 상기 기판 상부에 형성된 p+ 도우핑 GaAs 층과, 상기 GaAs 층 상부에 위치한 AlyGa1-yAs 제 1 버퍼층과, 상기 제 1 버퍼층 상부에 형성된 레이저 발진을 위한 활성층과, 상기 활성층 상부에 형성된 AlyGa1-yAs 제 2 버퍼층과, 상기 제 2 버퍼층 상부에 형성된 n+ 도우핑 GaAs 층으로 이루지는 것을 특징으로 하며, 활성층은 5 내지 20 nm 의 두께를 갖는 GaAs 층과 그 중앙에 0.2 내지 2 nm 두께의 InxGa1-xAs (x<1) 초박막층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.A semiconductor laser according to the present invention for achieving the above object is provided with a GaAs substrate, a p + dope GaAs layer formed on the substrate, the Al y Ga 1-y As first buffer layer located on the GaAs layer, An active layer for laser oscillation formed on the first buffer layer, an Al y Ga 1-y As second buffer layer formed on the active layer, and an n + doped GaAs layer formed on the second buffer layer. The active layer is characterized by consisting of a GaAs layer having a thickness of 5 to 20 nm and an In x Ga 1-x As (x <1) ultra-thin layer having a thickness of 0.2 to 2 nm in the center thereof.
또한, 본 발명에 따른 반도체 레이저는 AlzGa1-zAs (z<y) 분리되는 다수의 GaAs 양자 우물로 구성되는 활성층을 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다. 단, 각 GaAs 층은 그 중앙에 0.2 내지 2 nm 두께의 InxGa1-xAs (x<1) 초박막층을 갖는 것을 특징으로 한다.In addition, the semiconductor laser according to the present invention is characterized in that it is possible to form an active layer composed of a plurality of GaAs quantum wells separated by Al z Ga 1-z As (z <y). However, each GaAs layer is characterized by having a 0.2 x 2 nm thick In x Ga 1-x As (x <1) ultrathin layer at the center thereof.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 GaAs/(Al,Ga)As 레이저의 활성층 구조도.1 is an active layer structure diagram of a GaAs / (Al, Ga) As laser according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 GaAs/(Al,Ga)As 레이저의 활성층 구조도.2 is an active layer structure diagram of a GaAs / (Al, Ga) As laser according to a second embodiment of the present invention.
도 3은 GaAs/(Al,Ga)As 단일 양자 우물의 에너지 띠 구조도.3 is an energy band structure diagram of a GaAs / (Al, Ga) As single quantum well.
도 4는 본 발명에 따른 (In,Ga)As 중앙층을 갖는 GaAs/(Al,Ga)As 양자 우물의 에너지 띠 구조도.4 is an energy band structure diagram of a GaAs / (Al, Ga) As quantum well having a (In, Ga) As center layer according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Explanation of symbols on the main parts of the drawing>
1, 21 : 기판 2, 22 : 제 1 버퍼층1, 21:
3, 23 : p+ 도우핑층 4, 24 : 양자우물층 및 제 1 양자우물층3, 23: p + doping layer 4, 24: quantum well layer and the first quantum well layer
5, 25 : 초박막층 및 제 1 초박막층 6, 26 : 제 2 버퍼층5, 25: ultra thin layer and first ultra
7, 27 : n+ 도우핑층 28 : 벽층7, 27: n + doping layer 28: wall layer
34 : 제 2 양자우물층 35 : 제 2 초박막층34: second quantum well layer 35: second ultra thin layer
A : 활성층 B : 제 1 활성층 C : 제 2 활성층A: active layer B: first active layer C: second active layer
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 레이저의 구조도이다. 도시된 바와 같이 GaAs 기판(1) 상부에 p+ 도우핑 GaAs 층(2)이 형성되고, 그 상부에 AlyGa1-yAs (y<1) 제 1 버퍼층(3)이 형성된다. 제 1 버퍼층(3) 상부에는 레이저 발진을 위한 활성층(A)이 형성된다.1 is a structural diagram of a laser according to a first embodiment of the present invention. As shown, a p +
상기 활성층(A)은 5 내지 20 nm 의 두께를 갖는 GaAs 양자 우물층(4)과 그 중앙에 0.2 내지 2 nm 두께의 InxGa1-xAs (x<1) 초박막층(5)이 형성 된다. 활성층(A)의 상부에는 상기 제 1 버퍼층(3)과 같은 조성을 갖는 AlyGa1-yAs 으로 이루어진 제 2 버퍼층(6)이 형성된다. 제 2 버퍼층(6) 상부에는 n+ GaAs 층(7)이 형성된다.The active layer A is formed of a GaAs quantum well layer 4 having a thickness of 5 to 20 nm and an In x Ga 1-x As (x <1) ultra-thin layer 5 having a thickness of 0.2 to 2 nm at the center thereof. do. A
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 레이저 구조도이다. 도시된 바와 같이 GaAs 기판(21) 상부에 p+ 도우핑 GaAs 층(22)이 형성되고, 그 상부에 AlyGa1-yAs 제 1 버퍼층(23)이 형성된다. 제 1 버퍼층(23) 상부에는 레이저 발진을 위한 제 1 활성층(B)이 형성 된다. 상기 제 1 활성층(B)은 5 내지 20 nm 두께를 갖는 GaAs 양자 우물층(24)과 그 중앙에 0.2 내지 2 nm 두께의 InxGa1-xAs (x<1) 초박막층(25)으로 이루어진다. 제 1 활성층(B)의 상부에는 제 2 활성층(C)과 분리하기 위한 AlzGa1-zAs (z<y) 으로 이루어진 벽층(28)이 형성된다. 벽층(28) 상부에는 제 1 활성층(B)과 동일한 구조를 갖는 제 2 활성층(C)이 형성 된다. 제 2 활성층은 5 내지 20 nm 두께를 갖는 GaAs 양자 우물층(34)과 그 중앙에 0.2 내지 2 nm 두께의 InxGa1-xAs (x<1) 초박막층(35)이 형성 된다. 제 2 활성층(C) 상부에는 제 1 버퍼층(23)과 같은 조성을 갖는 AlyGa1-yAs 제 2 버퍼층(26)이 형성된다. 제 2 버퍼층(26) 상부에는 n+ GaAs 층(27)이 형성 된다.2 is a schematic diagram of a laser according to a second embodiment of the present invention. As shown, a p +
도 2는 제 1 활성층(B) 및 제 2 활성층(C)를 갖는 레이저 구조에 국한 하였지만 본 발명은 2개 이상의 복수의 활성층으로 구성되는 것도 포함 한다.Although FIG. 2 is limited to a laser structure having a first active layer (B) and a second active layer (C), the present invention also includes two or more active layers.
도 3은 일반적으로 GaAs/(Al,Ga)As 단일 양자우물의 에너지 띠 구조도이다. 이는 초박막의 (In,Ga)As 중앙층이 없는 GaAs/(Al,Ga)As 양자 우물의 경우를 고려한 것이다. 도시된 바와 같이 중양공과 경양공은 그들 간의 유효 질량의 차이 때문에 양자 우물에 속박된 기저 상태의 에너지가 각각 다르다. 즉, 양자 우물 생장축 상에서 중양공의 유효 질량이 경양공 보다 무겁기 때문에 기저 상태의 부띠 에너지는 경양공의 그것보다 전도띠에 가까운 쪽에 놓인다. 이 경우 레이저 발진의 주 요인은 전자와 중양공 부띠 간의 유도 방출(stimulate emission)이므로, 횡전기파(TE) 모드 특성을 갖는다. 그러나, 그 에너지 차이는 상온에 해당하는 약 25 meV의 볼츠만(Boltzman) 에너지에 비해 그다지 크지 못하므로, 상온에서 레이저 발진 때에 경양공 기저 부띠에 의한 자동 방출 때문에 이득 특성이 감소하게 된다.3 is an energy band structure diagram of a GaAs / (Al, Ga) As single quantum well in general. This takes into account the case of GaAs / (Al, Ga) As quantum wells without an ultrathin (In, Ga) As center layer. As shown, the mesopores and the meridian balls differ in the ground state energy bound to the quantum wells because of the difference in their effective mass. In other words, because the effective mass of the mesopores on the quantum well growth axis is heavier than the yangyanggong, the ground state boutique energy is closer to the conduction band than that of the yangyanggong. In this case, the main factor of the laser oscillation is the stimulate emission between the electron and the hollow hole bouncy, and thus has the characteristic of transverse electric wave (TE) mode. However, since the energy difference is not so large compared to the Boltzman energy of about 25 meV corresponding to room temperature, the gain characteristic is reduced due to the automatic emission by the yangtung hole base booty when laser oscillation at room temperature.
상기한 단점을 해소하기 위하여, 도 4에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 구조의 에너지 띠 구조를 제시한다. 도시된 바와 같이 (In,Ga)As 초박막층이 중앙에 추가된 GaAs/(Al,Ga)As 양자우물의 경우, 압축 변형(compressively strained)된 (In,Ga)As 층의 경양공의 띠 끝머리는 변형되지 않은 GaAs의 띠 끝머리와 비교할 때 전도띠로 부터 멀어지는 쪽에 놓이며, 중양공은 경양공과 반대의 경향을 보여 전도 띠와 가까운 족에 놓인다. 압축 변형된 (In,Ga)As 중앙층을 갖는 GaAs/(Al,Ga)As 양자우물에서는 (In,Ga)As 중앙층의 중양공 띠 끝머리 포텐샬은 우물 포텐샬로 작용을 하지만 경양공의 그것은 벽층 포텐샬로 작용하게 되어 중양공 기저 부띠는 전도대 쪽으로 가까워지는 반면 경양공의 기저 부띠 에너지는 반대 경향을 보이게되어, 결과적으로 경양공과 중양공 기저 부띠 에너지 차이는 (In,Ga)As 중앙층의 영향으로 매우 증가한다. 한편, 중양공의 기저 부띠 파동 함수는 GaAs 우물층 중앙에 대하여 대칭이지만 중양공의 차상위 부띠 파동 함수는 역대칭(antisymmetric)이므로 압축 변형된 (In,Ga)As 중앙층의 우물 포텐샬의 영향에 의한 중양공의 기저 부띠와 차상위 부띠 에너지 변화의 차이도 매우 증가하게 된다.In order to solve the above disadvantages, the energy band structure of the laser structure according to the present invention as shown in FIG. 4 is presented. As shown, in the case of GaAs / (Al, Ga) As quantum wells with the (In, Ga) As ultra-thin layer added at the center, the band edge of the hard hole of the (In, Ga) As layer that is compressively strained Is on the side away from the conduction band, compared to the edge of the unmodified GaAs band, and the mesopores tend to be opposite to the conduction band, and are placed close to the conduction band. In GaAs / (Al, Ga) As quantum wells with a compressively strained (In, Ga) As center layer, the mesopore edge potential potential of the (In, Ga) As center layer acts as a well potential but that of the hard hole As the potential acts as a potential, the mesoporous basal buttress closes to the conduction band, while the mesoporous basal buttress energy tends to be reversed. Very increased. On the other hand, the basal bouncy wave function of the mesopore is symmetrical with respect to the center of the GaAs well layer, but the next higher bouncy wave function of the mesohole is antisymmetric, so The difference between the basal and second-order energy changes in the mid-hole is also greatly increased.
따라서, 도 1 및 도 2에 도시된 구조와 도 4의 에너지 띠 구조를 이용하는 GaAs/(Al,Ga)As 레이저는 상온에서 이득률이 향상된 횡전기파(TE) 모드 발진을 하게 된다.Therefore, the GaAs / (Al, Ga) As laser using the structure shown in FIGS. 1 and 2 and the energy band structure of FIG. 4 will have the TE-mode oscillation with improved gain at room temperature.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 초박막의 (In,Ga)As 중앙층을 갖는 GaAs 양자 우물 및 이들의 복수로 이루어 지는 활성층을 갖는 반도체 레이저는 상온에서 향상된 이득률을 얻게 됨으로써, 광학, 광통신, 광전산 및 관련 분야의 핵심 부품으로 이용될 수 있는 탁월한 효과가 있다.As described above, a GaAs quantum well having an ultra-thin (In, Ga) As center layer according to the present invention and a semiconductor laser having an active layer composed of a plurality thereof obtain an improved gain at room temperature, thereby providing optical, optical communication, and optical It is an excellent effect that can be used as a key component in computer and related fields.
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KR101916587B1 (en) * | 2017-05-12 | 2018-11-08 | 광전자 주식회사 | Infrared light emitting diode with compensation layer and manufacturing mehtod thereof |
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JPH0856045A (en) * | 1994-08-11 | 1996-02-27 | Hitachi Ltd | Semiconductor laser device |
JPH08186286A (en) * | 1994-12-27 | 1996-07-16 | Victor Co Of Japan Ltd | Semiconductor light-emitting element |
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1997
- 1997-02-10 KR KR1019970003864A patent/KR100240641B1/en not_active IP Right Cessation
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