KR100258201B1 - 레이져 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐리어 누설을 방지하는 레이져 다이오드에 관한 것이다.
본 발명은, 제 1 도전형의 클래드층과, 활성층 및 제 2 도전형의 클래드층을 포함하는 레이져 다이오드로서, 상기 활성층은, 클래드층보다 에너지 밴드갭이 낮은 제 1 제한층, 상기 제 1 제한층 상부에 형성되고, 상기 제 1 제한층보다 더 높은 에너지 밴드갭을 갖는 캐리어 장벽층, 상기 캐리어 장벽층 상에 형성되고, 상기 제 1 제한층과 동일한 에너지 밴드갭을 갖는 제 2 제한층, 상기 제 2 제한층상에 형성되고, 적어도 하나 이상의 우물과 베리어를 갖는 양자 우물층, 및 상기 양자 우물층 상에 형성되고, 상기 제 2 제한층과 동일한 에너지 밴드갭을 갖는 제 3 제한층을 포함한다.
Description
본 발명은 레이져 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 다중 양자 우물 구조를 갖는 레이져 다이오드에 관한 것이다.
다층 화합물 반도체 구조는 인접층이 다른 에너지 갭을 갖는 연속적인 단결정체로 성장될 수 있다. 예컨대, 매우 좁은 GaAs층이 그 보다 넓은 에너지 갭을 갖는 두 층의 AlGaAs로 둘러싸인 다층구조에서, GaAs층의 전도대역(conduction band) 및 가전자대역(valence band)의 공간적 변화가 야기된다. 즉, GaAs층의 전도대역에서 전자들은 정상적인 전도대역 준위에 있지 않고, 전위우물에서의 양자준위에 존재하게 된다. 이러한 양자우물을 레이저 다이오드에 적용하면, 전자와 홀의 재결합 밀도가 증가되어, 레이져 효율이 증대되고, 레이저 다이오드의 문턱전류가 낮아지는 효과가 있다.
종래의 1.3㎛ 파장의 레이져 다이오드는 활성층의 에너지 밴드에서 다중 양자 우물 구조를 지닌다. 즉, 양측에 대칭적으로 같은 밴드갭을 갖는 물질을 제한층으로 하고, 그 제한층 사이에 상대적으로 밴드갭(bandgap)이 작은 물질을 개재하여 양자 우물을 형성한다.
도 1a는 종래의 레이져 다이오드의 단면으로서, 도면에서와 같이 화합물 기판(1) 상에 n형의 InP 클레드층(1)과 활성층(6) 및 p형의 InP 클레드층(5)이 순차적으로 적층되어 있다. 이 활성층(6)은 예를들어, 밴드갭이 1.1㎛(≒1.13ev,E=1240/λ)인 InGaAsP으로 된 제 1 및 제 2 제한층(2,4) 사이에, 양자 우물층(3)이 개재된다. 이 우물층은 1.37㎛(0.9eV)의 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된층과 1.1㎛(1.13eV) 밴드갭을 갖는 InGaAsP이 적어도 한번 이상, 예를들어, 5번 교대로 반복배열된다.
이러한 구성을 갖는 레이져 다이오드는 도 1b에 도시된 바와 같이, 활성층(6)내에 InGaAsP층(3)의 에너지 밴드갭의 차이에 의하여, 5개의 양자 우물(3a)과 4개의 베리어(3b)가 형성된다. 이에 따라, 전자들은 양자 우물(3a)을 통과하지 못하고 양자 우물(3a)내에 구속된다.
그러나, 상기한 레이져 다이오드는, 클레드층으로 이용되는 InP층과 활성층으로 이용되는 InGaAsP층 사이에 밴드갭 차이가 작다. 이로 인하여, 광 구속(optical confinement) 능력이 저하된다.
또한, 다중 양자 우물의 깊이가 약 0.37㎛ 정도이므로, 캐리어(전자 및 정공)의 누설이 심하게 발생된다.
이와같이, 캐리어의 누설 및 광 구속 능력의 저하로 인하여 내부 양자 손실과 임계 전류가 높아지게 되어, 고온의 동작 특성이 저하된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 클레드층과 활성층 사이에 누설되는 캐리어를 구속하여, 캐리어 누설에 따르는 문제점을 방지할 수 있는 레이져 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1a는 종래의 레이져 다이오드의 단면도.
도 1b는 종래의 레이져 다이오드의 가전자 대역도.
도 2a는 본 발명에 따른 레이져 다이오드의 단면도.
도 2b는 본 발명에 따른 레이져 다이오드의 가전자 대역도
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
20 : 화합물 반도체 기판 21 : 제 1 클래드층
22 : 제 1 제한층 23 : 장벽층
24 : 제 2 제한층 25 : 우물층
25a : 양자 우물 25b : 베리어
26 : 제 3 제한층 27 : 제 2 클래드층
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 도전형의 클래드층과, 활성층 및 제 2 도전형의 클래드층을 포함하는 레이져 다이오드로서, 상기 활성층은, 클래드층보다 에너지 밴드갭이 낮은 제 1 제한층, 상기 제 1 제한층 상부에 형성되고, 상기 제 1 제한층보다 더 높은 에너지 밴드갭을 갖는 캐리어 장벽층, 상기 캐리어 장벽층 상에 형성되고, 상기 제 1 제한층과 동일한 에너지 밴드갭을 갖는 제 2 제한층, 상기 제 2 제한층상에 형성되고, 적어도 하나 이상의 우물과 베리어를 갖는 양자 우물층, 및 상기 양자 우물층 상에 형성되고, 상기 제 2 제한층과 동일한 에너지 밴드갭을 갖는 제 3 제한층을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 견지에 따르면, 제 1 도전형의 InP층과, 활성층 및 제 2 도전형의 InP층을 포함하는 레이져 다이오드로서, 상기 활성층은, 제 1 도전형의 InGaAsP로 된 제 1 제한층, 제 1 제한층 상부에 형성되고, 제 1 도전형의 InP로된 캐리어 장벽층, 캐리어 장벽층 상에 형성되고, 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP으로 된 제 2 제한층,상기 제 2 제한층상에 형성되고, 불순물이 도핑되지 않으며, 에너지 밴드갭이 상이한 InGaAsP층을 교대 번갈아 적층되어, 적어도 하나 이상의 우물과 베리어를 갖는 양자 우물층, 및 상기 양자 우물층 상에 형성되고, 상기 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP로 되며, 제 2 제한층과 동일한 에너지 밴드갭을 갖는 제 3 제한층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 활성층의 제한층 사이에 누설되는 캐리어를 재차 구속시키는 캐리어 장벽층을 형성한다. 이에따라, 캐리어의 누설이 방지되어, 내부 양자 손실 및 임계 전류를 효과적으로 낮출수 있다. 따라서, 고온 동작 특성을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
첨부한 도면 도 2a는 본 발명에 따른 레이져 다이오드의 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 레이져 다이오드의 가전자 대역도이다.
본 실시예에서는, 활성층과 n형 클레드층 사이에 고농도로 도핑된 n형 InP층을 형성하여, 캐리어, 특히 정공 장벽층을 형성한다.
즉, 이를 보다 자세히 설명하면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 화합물 반도체 기판(20) 상에 n형의 InP로 된 제 1 클래드층(21), 활성층(28), p형의 InP로 된 제 2 클래드층(27)이 적층되어 있다. 제 1 클래드층(21) 및 제 2 클래드층(27)의 불순물 농도는 1×1018/㎤ 정도이다.
이때, 본 실시예에 따른 활성층(28)은, 1.1㎛의 밴드갭을 갖는 n형의 InGaAsP으로 된 제 1 제한층(22)과, 0.98㎛의 밴드갭을 갖고 n형의 불순물이 고농도로 도핑된 InP로 된 캐리어 장벽층(23)과, 1.1㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 2 제한층(24)과, 우물층(25) 및 1.1㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 3 제한층(26)의 적층막으로 이루어진다.
이때, 제 1 제한층(22)은 레이져빔의 출사시 수직 방향의 필드 각도가 40도 이하기 되고, 최적화된 광 제한이 이루어지도록, 약 900 내지 1100Å의 두께로 형성되고, 고농도 예를들어, 약 1017㎝-3의 농도로 n형의 불순물이 도핑되어 있다.
캐리어 장벽층(23)은 약 200 내지 600Å의 두께로 형성되고, 가전자 대역에서 가장 높은 장벽을 형성하여 캐리어 특히, 정공이 용이하게 구속하기 위하여, 약 1018㎝-3의 농도를 갖도록 n형의 불순물이 도핑되어 있다.
제 2 제한층(24)은 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP층으로 약 300 내지 500Å의 두께로 형성된다.
우물층(25)은 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP층으로, 화합물간의 조성비를 달리하여, 상술한 바와 같이 각기 다른 밴드갭을 갖는 InGaAsP층을 교대로 반복 적층한다. 즉, 본 실시예에서는 1.37㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 1 우물층(도시되지 않음), 1.0㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 1 베리어층(도시되지 않음), 1.37㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 2 우물층(도시되지 않음), 1.0㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 2 베리어층(도시되지 않음), 1.37㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 3 우물층(도시되지 않음), 1.0㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 3 베리어층, 1.37㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 4 우물층(도시되지 않음), 1.0㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 4 베리어층(도시되지 않음), 1.4㎛ 밴드갭을 갖는 InGaAsP으로 된 제 5 우물층(도시되지 않음)이 순차적으로 적층 성장되어 있다. 이때, 각각의 양자 우물층은 약 50 내지 70Å 정도로 형성되고, 각각의 베리어층은 양자 우물층간의 결합이 방지되도록 약 100 내지 120Å 정도로 형성됨이 바람직하다.
그리고, 제 3 제한층(26)은 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP층으로, 제 2 제한층(24)과 대칭을 이루도록 약 300 내지 500Å의 두께로 형성됨이 바람직하다.
이러한 구성을 갖는 레이져 다이오드는 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 2 제한층(24)과 제 3 제한층(26) 사이에 5개의 양자 우물(25a)과 4개의 베리어(25b)가 형성된다. 이는 상술한 바와 같이 InGaAsP층의 에너지 밴드갭차에 의하여 형성된다.
이때, 종래의 활성층과 클래드층간의 작은 에너지 밴드갭로 인한 캐리어 누설 및 낮은 양자 우물 깊이로 인한 캐리어 누설을 방지하기 위하여, 본 실시예에서 제 1 및 제 2 제한층(22,24) 사이에 재차 캐리어 특히, 정공을 구속하는 캐리어 장벽층(23)을 형성한다. 이때, 캐리어 장벽층(23)과 제 1 및 제 2 제한층(22,24)과의 에너지 밴드갭차는, 캐리어 장벽층(23)이 고농도로 도핑되어 있어, 종래의 활성층과 제한층사이의 밴드갭 차이보다 크다. 이에따라, 누설되는 캐리어를 구속시킨다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것만은 아니다.
예를들어, 본 실시예에서는 1.3㎛ 레이져 다이오드의 경우를 설명하였지만, 본 발명은 제한층과 활성층 사이에 캐리어를 구속시키는 캐리어 장벽층을 형성하는 기술이면 모두 본 발명에 포함된다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 활성층의 제한층 사이에 누설되는 캐리어를 재차 구속시키는 캐리어 장벽층을 형성한다. 이에따라, 캐리어의 누설이 방지되어, 내부 양자 손실 및 임계 전류를 효과적으로 낮출수 있다. 따라서, 고온 동작 특성을 향상시킬 수 있다.
기타, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
Claims (11)
- 제 1 도전형의 클래드층과, 활성층 및 제 2 도전형의 클래드층을 포함하는 레이져 다이오드로서,상기 활성층은, 클래드층보다 에너지 밴드갭이 낮은 제 1 제한층;상기 제 1 제한층 상부에 형성되고, 상기 제 1 제한층보다 더 높은 에너지 밴드갭을 갖는 캐리어 장벽층;상기 캐리어 장벽층 상에 형성되고, 상기 제 1 제한층과 동일한 에너지 밴드갭을 갖는 제 2 제한층;상기 제 2 제한층상에 형성되고, 적어도 하나 이상의 우물과 베리어를 갖는 양자 우물층; 및상기 양자 우물층 상에 형성되고, 상기 제 2 제한층과 동일한 에너지 밴드갭을 갖는 제 3 제한층을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 클래드층은 InP층인 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 캐리어 장벽층은 제 1 도전형의 불순물이 도핑된 InP층인 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 3 항에 있어서, 상기 캐리어 장벽층은 약 200 내지 600Å 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 제한층은 InGaAsP층인 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 제한층은 제 1 도전형의 불순물이 약 수×1017㎝-3정도로 도핑된 층인 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 제한층은 약 900 내지 1100Å 두께인 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 제한층은 불순물이 도핑되지 않은 층인 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 제한층은 300 내지 500Å 두께인 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 우물층은 불순물이 도핑되지 않으며, 에너지 밴드갭이 상이한 InGaAsP층을 교대 번갈아 적층한 구조인 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
- 제 1 도전형의 InP층과, 활성층 및 제 2 도전형의 InP층을 포함하는 레이져 다이오드로서,상기 활성층은, 제 1 도전형의 InGaAsP로 된 제 1 제한층;상기 제 1 제한층 상부에 형성되고, 제 1 도전형의 InP로된 캐리어 장벽층;상기 캐리어 장벽층 상에 형성되고, 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP으로 된 제 2 제한층;상기 제 2 제한층상에 형성되고, 불순물이 도핑되지 않으며, 에너지 밴드갭이 상이한 InGaAsP층을 교대 번갈아 적층되어, 적어도 하나 이상의 우물과 베리어를 갖는 양자 우물층; 및상기 양자 우물층 상에 형성되고, 상기 불순물이 도핑되지 않은 InGaAsP로 되며, 제 2 제한층과 동일한 에너지 밴드갭을 갖는 제 3 제한층을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져 다이오드.
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| KR20030058419A (ko) * | 2001-12-31 | 2003-07-07 | 한국과학기술연구원 | ＩｎＰ 기반 레이저 다이오드 기술에서 고농도 도핑된ｐ-ＩｎＰ 삽입층을 이용한 레이저 다이오드의 광출력증가 방법 |
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1997
- 1997-12-29 KR KR1019970076724A patent/KR100258201B1/ko not_active IP Right Cessation
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