KR100244524B1 - 광제어공명투과다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 광전 소자에 관한 것으로, 이중장벽 구조를 갖는 공명투과 다이오드의 양자 상태간의 에너지 차이를 최대로 하기 위하여 에미터쪽의 간격층에 인듐비소를 단원자층의 두께로 형성함으로써 약한 세기의 빛에서도 삼각 우물의 두 양자 상태에 의한 공명투과 전류가 분리되어 나타나므로 빛으로 삼각 우물의 여기 상태에 의한 공명투과를 제어하여 광원으로 전기적 신호를 제어하는 스위칭 소자의 제작이 가능할 수 있는 광 제어 공명투과 다이오드가 제시된다.

Description

광 제어 공명투과 다이오드{Optical-controlled resonant-tunneling diode}
본 발명은 반도체 광전 소자에 관한 것으로, 특히 이중장벽 구조(double barrier structure)를 갖는 공명투과 다이오드(resonant tunneling diode)의 표면에 빛을 조사하여 축적층(accumulation layer)에 유도되는 삼각형 양자 우물(triangular quantum well)의 양자 상태(quantized state)를 통한 공명 투과 특성을 제어하는 광 제어 공명투과 다이오드(optical controlled resonant tunneling diode)에 관한 것이다.
공명 투과의 초고속 전기적 특성에 이중 장벽과 같은 간단한 구조의 광학적 특성을 접목시킨 이중 장벽 공명투과 광전 소자에 대한 연구는 다각적으로 이루어져 왔다. 그 일례로 미국 특허 USP 5,446,293호(도 2에서 구체적으로 나타냄)에 의하면 공명투과 다이오드에 빛에 의해 생성된 전자 및 정공의 축적으로 이중장벽 구조에 유도되는 전압강하(voltage drop)를 증가시켜 빛 조사 이전에 비하여 낮은 인가 전압에서 공명 투과의 조건을 만족시켰다. 이는 양자 우물내의 기저 상태와 접촉층의 페르미 레벨이 일치하는 공명투과 조건이 빛의 조사에 의해 조절된다.
이러한 기술(미국 특허 USP 5,446,293호)은 소자의 공명투과 조건을 빛의 조사로 제어함으로써, 초고속의 광전 특성을 도출하게 된다.
상기 기술(미국 특허 USP 5,446,293호)에서는 빛의 흡수에 의하여 축적된 전하들에 의하여 공명투과의 조건이 변화하며 공명투과 피크의 위치가 저전압으로 이동하여 초고속의 전기적 및 진동 특성이 변조되는 원리로 동작된다.(도 2 참조) 즉 단일우물구조에서 단일 공명투과 특성이 변조되는 특성을 이용하는 광전소자이다.
반면에, 본 발명은 상기 기술과는 다르게 단일 공명 투과특성을 갖는 소자에 빛 조사를 통하여 광여기된 수송자의 축적에 의한 양자우물을 유도하여 이중 공명투과 특성의 도출이 가능하도록 하며, 또한 초고속의 광전 특성과 더불어 초고속의 다중 논리 특성의 도출이 가능하도록 한 광 제어 공명투과 다이오드를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반절연성 기판 상부에 형성된 완충층과, 상기 완충층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 간격층 및 제 2 간격층과, 상기 제 2 간격층 상부에 형성된 비대칭 이중 장벽층과, 상기 비대칭 이중 장벽층 상부에 순차적으로 형성된 제 3 간격층, 우물층 및 제 4 간격층과, 상기 제 4 간격층 상부에 순차적으로 형성된 제 5 간격층 및 접촉층과, 상기 접촉층 상부의 선택된 영역에 형성된 에미터와, 상기 완충층 상부의 선택된 영역에 형성된 콜렉터로 이루어지되 상기 제 3 간격층, 단원자 우물층 및 제 4 간격층에 형성된 삼각 우물의 여기 상태를 통한 공명투과의 전기적 특성을 광원으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 도우핑되지 않은 간격층을 갖는 공명투과 다이오드의 에너지 밴드도.
도 1d는 종래의 도우핑되지 않은 간격층을 갖는 공명투과 다이오드의 전류-전압 특성을 도시한 그래프.
도 2a 내지 도 2e는 종래의 도우핑되지 않은 간격층을 갖는 공명투과 다이오드에 빛을 조사했을 경우의 에너지 밴드도.
도 2f는 종래의 도우핑되지 않은 간격층을 갖는 공명투과 다이오드에 빛을 조사하기 이전과 빛을 조사한 이후의 전류-전압 특성을 비교하기 위해 도시한 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 광 제어 공명투과 다이오드의 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 인듐비소(InAs) 우물층을 간격층에 형성한 광 제어 공명투과 다이오드의 에너지 밴드도.
도 4c는 본 발명에 따른 광 제어 공명투과 다이오드와 종래의 광 제어 공명투과 다이오드의 전류-전압 특성을 비교하기 위한 그래프.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉
1: 반절연 갈륨비소 기판 2: 갈륨비소 완충층
3: 제 1 갈륨비소 간격층 4: 제 2 갈륨비소 간격층
5: 제 1 알루미늄비소 장벽층 6: 갈륨비소 우물층
7: 제 2 알루미늄비소 장벽층 8: 제 3 갈륨비소 간격층
9: 인듐비소 우물층 10: 제 4 갈륨비소 간격층
11: 제 5 갈륨비소 간격층 12: 알루미늄갈륨비소 접촉층
13: 에미터 14: 콜렉터
본 발명에서는 에미터쪽 간격층의 중간에 인듐비소(InAs)를 단원자층의 두께로 성장한다. 인듐비소 우물층은 삼각형 우물내 여기 상태의 위치는 변화시키지 않고 기저 상태만 우물의 바닥쪽으로 이동시켜 두 상태간의 에너지 차이를 최대가 되도록 한다. 이러한 구조를 이용하여 소자를 제작할 경우 약한 세기의 빛에서도 두 양자 상태에 의한 공명투과 전류가 분리되어 나타날 수 있게 된다. 또한 빛의 주사 이전에 삼각형 우물의 여기 상태에 전자 밀도가 기저 상태에 비하여 상대적으로 매우 적으므로 이를 통한 공명투과 전류를 최소화할 수 있다. 즉, 기저 상태를 통한 공명투과 피크가 좁은 전압 구간에서 이루어지게 되므로 비공명 투과 전류를 줄일 수 있어 저잡음의 소자 제작을 가능하게 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
먼저 종래의 기술에 의한 공명투과소자의 동작원리는 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1c는 일반적인 종래의 도우핑되지 않은 간격층을 갖는 공명투과 다이오드의 에너지 밴드도이고, 도 1d는 이때의 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다. 공명투과 다이오드의 양단에 전압을 인가하여 페르미 준위(EF)가 양자 우물의 양자 상태 준위(EQW)와 정렬되면 공명투과 전류가 흐르게 된다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이 도우핑되지 않은 간격층을 갖는 공명투과 다이오드에 전압을 인가함으로써 축적층에 삼각형의 양자 우물이 형성되지만 우물의 깊이가 얕기 때문에 도 1d에 도시된 그래프와 같이 전류-전압 특성에 거의 영향을 미치지 못함을 알 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 종래의 도우핑되지 않은 간격층을 갖는 공명투과 다이오드에 빛을 조사했을 때 공명투과의 동작 원리를 설명하기 위해 도시한 에너지 밴드도이고, 도 2f는 이때의 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다. 즉, 앞에서 설명한 미국 특허 USP 5,446,293호에 대한 구체적인 실시 예 이다.
도 2a에 도시된 바와 같이 공명투과 다이오드의 표면에 빛을 조사하게 되면 광 여기된(photo- excited) 전자(electron) 및 정공(hole)이 각각 축적층(accumulation layer)과 공핍층(depletion layer)에 축적되어 구조에 전압 강하를 증가시키게 된다. 따라서 삼각형 우물이 충분히 깊게 형성되어 도시된 바와 같은 삼각형 우물에 불연속적인 양자 상태(discrete quantized-state; E0, E1, )들이 형성된다.
도 2b는 도우핑된 간격층을 갖는 공명투과 다이오드에 전압이 인가되어 양자 우물의 기저 상태(ground state; EQW)와 삼각형 우물의 여기 상태(excited state; E1)가 정렬(align)되었을 때의 에너지 밴드도로서, 이들 상태를 통한 공명투과는 도 2f의 전류-전압 특성 곡선의 b점에 해당하는 피크(peak) 특성이 나타난다.
도 2c는 양자 우물의 기저 상태(EQW)보다 높은 삼각형 우물의 여기 상태(E1)와 낮은 기저 상태(E0)를 도시한 에너지 밴드도로서, 이때의 공명투과는 도 2f의 전류-전압 특성의 c점에 해당된다.
도 2d는 인가 전압을 더욱 증가시켜 양자 우물의 기저 상태(EQW)와 삼각형 우물의 기저 상태(E1)를 정렬시켰을 때의 에너지 밴드도로서, 이때의 공명투과는 도 2f에 도시된 바와 같이 d점에서 일어나게 된다. 이와같은 구조에서는 삼각 우물내의 기저 상태(E0)와 여기 상태(E1)가 서로 근접하게 위치하므로 빛의 세기가 약할 때는 각각의 상태에 의한 공명투과 전류가 서로 겹쳐 나타나며, 빛의 세기가 증가해도 도 2f에 도시된 전류-전압 특성과 같이 서로 분리는 되지만 매우 근접하게 나타난다.
도 2e는 에너지를 더욱 증가시켜 양자 우물의 에너지 상태(EQW)보다 높은 삼각형 우물의 기저 상태(E0) 및 여기 상태(E1)의 에너지 밴드도로서, 이때의 공명투과 특성은 도 2f의 e점에 해당된다.
도 3은 본 발명에 따른 광 제어 공명투과 다이오드를 설명하기 위해 도시한 소자의 단면도로서, 도우핑되지 않은 간격층에 단원자의 인듐비소(InAs) 우물층을 삽입한 것이다. 반절연성 갈륨비소 기판(semi-insulating GaAs substrate)(1) 상부에 1018cm-3이상의 농도로 도우핑된 n형 갈륨비소 완충층(GaAs buffer)(2)을 1㎛의 두께로 성장한다. 갈륨비소 완충층(2) 상부에 두단계의 축적층을 성장한다. 이는 불순물(impurity)의 확산을 방지하고 공핍층(depletion layer)을 길게 하며 축적층에 삼각형의 우물이 형성되어 광여기된(photo-excited) 수송자(carrier)의 축적에 의한 전압강하 효과를 크게 하기 위한 것이다. 두단계의 간격층(two-step spacer layer)은 100nm 두께와 1017cm-3의 농도로 도우핑되어 형성된 n형 제 1 갈륨비소 간격층(GaAs spacer)(3)과 20nm 두께로 형성된 도우핑되지 않은 제 2 갈륨비소 간격층(GaAs spacer)(4)으로 구성된다. 이어서 5 nm 두께의 도우핑되지 않은 제 1 알루미늄비소 장벽층(AlAs barrier)(5)과 4.5nm 두께의 도우핑되지 않은 갈륨비소 우물층(GaAs well layer)(6), 그리고 4nm 두께의 도우핑되지 않은 제 2 알루미늄비소 장벽층(AlAs barrier)(7)로 구성된 비대칭 이중장벽 구조(asymmetric double barrier structure)를 성장한다. 그 위에 7∼8nm 두께의 도우핑되지 않은 제 3 갈륨비소 간격층(GaAs spacer)(8)과 단원자층의 도우핑되지 않은 인듐비소 우물층(InAs well layer)(9) 및 2nm 두께의 도우핑되지 않은 제 4 갈륨비소 간격층(GaAs spacer)(10)을 성장한다. 이때 인듐비소 우물층(9)은 축적층의 삼각 우물에 형성되는 양자 상태중 여기 상태(E1)에는 거의 영향을 미치지 않고 기저 상태(E0)만 전도대 쪽으로 이동시켜 두 양자 상태의 에너지 차이를 크게 하는 역할을 한다. 그 위에 100nm 두께의 1017cm-3의 농도로 도우핑된 n형 제 5 갈륨비소 간격층(GaAs spacer)(11)을 성장한다. 또한 입사하는 빛이 접촉층(contact layer)에서 흡수되는 것을 막기 위하여 500nm 두께와 1018cm-3이상의 농도로 도우핑된 n형의 알루미늄0.1갈륨0.9비소 접촉층(Al0.1Ga0.9As contact layer)(12)을 성장한다. 그리고 알루미늄0.1갈륨0.9비소 접촉층(Al0.1Ga0.9As contact layer)(12)의 선택된 영역에 에미터(13)을 형성하고, 갈륨비소 완충층(2) 상부의 선택된 영역에 콜렉터(14)를 형성한다.
도 4a는 본 발명에 따른 인듐비소(InAs) 우물층을 간격층에 추가한 광 제어 공명투과 다이오드의 에너지 밴드도이고, 도 4b는 도 4a의 A 부분을 확대하여 도 2b와 비교 도시한 에너지 밴드도이다. 에미터(emitter)쪽 간격층의 중간에 인듐비소(InAs)를 단원자층(monoatomic layer)의 두께로 성장하였을 때 삼각형 우물내의 여기 상태(E1)는 변화시키지 않고 기저 상태(E0)만 우물층의 전도대(conduction band; EC) 바닥쪽으로 이동시켜 두 상태간의 에너지 차이를 최대가 되도록 한다.
도 4c는 이때의 전류-전압 특성을 종래의 광 제어 공명투과 다이오드와 비교하기 위해 도시한 그래프이다.
본 발명에서 제안한 구조를 이용하여 소자를 제작할 경우 빛 조사 이전에 삼각형 우물의 여기 상태에 전자 밀도가 기저 상태에 비하여 상대적으로 적으므로 이를 통한 공명투과 전류를 최소화할 수 있다. 따라서, 기저 상태를 통한 공명투과 피크가 좁은 전압 구간에서 이루어지게 된다. 즉, 비공명투과(non-resonant tunneling) 전류가 매우 낮은 특성을 갖는다. 이러한 특성을 갖는 공명투과 소자의 표면에 빛이 조사되면 약한 세기의 빛에서도 두 양자 상태에 의한 공명투과 전류가 분리되어 나타날 수 있게 된다. 즉, 공명투과 다이오드의 양단에 Va의 전압을 인가하여 Idark만큼의 저전류가 흐를 때 빛이 조사되면 Iphoto의 전류가 흐르게 되므로 공명투과의 초고속 전기적 신호를 광원으로 제어할 수 있는 저잡음의 스위칭 소자의 제작이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 약한 세기의 빛에서도 삼각 우물의 두 양자 상태에 의한 공명투과 전류가 분리되어 나타날 수 있게 함으로써 빛으로 삼각 우물의 여기 상태에 의한 공명투과를 제어하여 광원으로 전기적 신호를 제어하는 스위칭 소자의 제작이 가능한 훌륭한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 반절연성 기판 상부에 형성된 완충층과,
    상기 완충층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 간격층 및 제 2 간격층과,
    상기 제 2 간격층 상부에 형성된 비대칭 이중 장벽층과,
    상기 비대칭 이중 장벽층 상부에 순차적으로 형성된 제 3 간격층, 우물층 및 제 4 간격층과,
    상기 제 4 간격층 상부에 순차적으로 형성된 제 5 간격층 및 접촉층과,
    상기 접촉층 상부의 선택된 영역에 형성된 에미터와,
    상기 완충층 상부의 선택된 영역에 형성된 콜렉터를 포함하여 이루어지되,
    상기 제 3 간격층, 단원자 우물층 및 제 4 간격층에 형성되는 삼각 우물의 여기 상태를 통한 공명투과의 전기적 특성을 광원으로 제어하는 것을 특징으로 하는 광 제어 공명투과 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 간격층은 7 내지 8 nm의 두께로 형성되어 삼각 우물내의 기저 상태 에너지를 최소화하는 것을 특징으로 하는 광 제어 공명투과 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단원자 우물층은 도우핑되지 않은 인듐비소로 이루어져 삼각 우물내의 기저 상태 에너지를 최소화하는 것을 특징으로 하는 광 제어 공명투과 다이오드.
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