KR100371511B1 - 스핀편광 주입 캐리어의 재결합 또는 소멸에 따른 편광광방출기술 - Google Patents

스핀편광 주입 캐리어의 재결합 또는 소멸에 따른 편광광방출기술 Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 도핑된 반도체층을 포함하는 반도체 헤테로구조; 상기 반도체 헤테로구조 영역과 전기적으로 접촉하고 순수자기모멘트를 갖는 점접; 및 상기 반도체 헤테로구조의 상이한 영역에 전기적으로 접속된 접점을 포함하는 편광 광방출을 생성하는 장치이다. 이러한 광방출 반도체 헤테로구조는 발광다이오드(LED) 또는 임의의 다른 구조일 수 있다. 강자성 접점은 스핀 편광 캐리어(전자 또는 정공)를 반도체 장치로 주입하고, 이러한 캐리어는 대향하는 캐리어와 재결합하여 원편광(circularly polarized light)을 생성한다. 원편광 방출을 생성하는 방법은 순수자기모멘트로 접촉하는 발광 반도체 헤테로구조 양단에 바이어스를 인가하고, 스핀 편광캐리어를 발광반도체 헤테로구조 내부로 주입하는 단계를 포함한다.

Description

스핀편광 주입캐리어의 재결합 또는 소멸에 따른 편광 광방출 기술
발명의 배경
발명의 분야
본 발명은 발광 반도체장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 스핀-편광 캐리어를 사용하여 원편광(circulary polarized light)을 생산하는 발광 반도체장치 및 방법에 관한 것이다.
관련 기술의 설명
원편광-특히 변조된(즉, 펄스화된) 원편광-은 광 스위칭 및 광학 계산 응용에 유용하다.
발광 다이오드(LED)는 비편광(unpolarized light)을 발광시키고파장판(quarter wave plate)은 비편광을 필터하여 원편광을 생산하는데 사용될 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, LED에 추가 요소를 인접시키거나 이러한 추가요소를 부착시키는 것은 추가 제조공정을 필요로 하며 부품의 크기를 증가시킨다.
당업자는 비편광을 생성시키는 전형적인 LED 구조를 보인 제 1도를 이해할 수 있을 것이다. 이러한 LED 구조(10)는 적어도 하나의 p형 도핑된 반도체 층(13)에 인접하는 적어도 하나의 n형 도핑된 반도체층(12)을 갖고 p-n 접합부를 이룬다. 이러한 p-n 접합부는 반도체 기판(14) 위에 주로 배치된다. 이러한 구조는 한 쌍의 전기적 접점(11)을 통하여 전압원(16)에 연결된다. 이러한 구조로부터 방사되는 광의 경로에는파장판(15)이 위치된다.
동작시, 전압이 접점(11)을 통하여 LED구조(10)에 인가되면, 전자는 하나의 방향으로부터 p-n 접합부로 주입되고, 정공은 반대 방향으로 p-n 접합부로 주입될 것이다. 이러한 전자와 정공은 감쇠하거나 재결합하여 비편광 광자(unpolarized photons)를 생성한다. 이러한 비편광 광이파장판(15)을 지나면, 원편광(circularly polarized light)으로 나타난다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 목적은 발광 반도체장치로부터 발광되는 광을 편광 시키기 위한편광판 또는 다른 구조체를 필요로 하지 않고 LED 또는 다른 반도체 헤테로구조(semiconducting heterostructure) 등의 발광 반도체장치에서 직접 원편광을 방출토록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명 구조로부터 변조된 원편광을 방출토록 하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적은 후술하는 구조 및 방법에 의하여 실현된다.
원편광 방출 장치는 적어도 하나의 반도체층을 포함하는 발광 반도체 헤테로구조(emitting semiconductor heterostructure)와, 상기 반도체 헤테로구조의 층과 전기적으로 접속하는, 순수 자기 모멘트(net magnetic moment)를 갖는 접점; 및 상기 반도체 헤테로구조의 상이한 영역에 전기적으로 접속되는 접점(contact)을 포함한다.
원편광 방출 생성 방법은 순수 자기 모멘트를 사용한 접점을 갖는 발광 반도체 헤테로구조 양단에 바이어스를 인가하고, 스핀 편광 캐리어를 발광 반도체 헤테로구조 내로 주입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 보다 완전한 이해는 첨부 도면 및 후술하는 바람직한 실시예의 설명에 의하여 쉽게 얻어질 것이며, 도면에서 상이한 도면에 있는 같은 참조 부호는 같은 구조체나 부품을 나타낸다.
제 1도는 원편광을 생성시키는 공지의 구조를 도시한 도면이다.
제 2도는 원평광을 생성시키는 신규한 구조를 도시한 도면이다.
제 3A도 및 3B도는 각각 자기 접점(magnetic contact)에 대한 이상적인 및 일반적인 전자 스핀 서브밴드(electron spin subband)를 도시한 도면이다.
제 4도는 스핀 편광 캐리어를 반도체 장치 내로 이송시키는 자기 접점 (magnetic contact)을 도시한 도면이다.
제 5A, 5B 및 5C도는 원편광을 생성시키는 몇몇 바람직한 신규한 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 구성의 설명
제 2도에 도시한 바와 같이, 본 발명은 발광 반도체장치(20) 상의 전기 접점(11) 중 하나를 순수 자기 모멘트(net magnetic moment)를 갖는 접점(22)으로 대체시킨다. 작동중, 전압이 발광 반도체 장치(20)에 인가되면, 스핀 편광 캐리어(전자 또는 정공)가 전류로서 반도체 구조 내로 이송된다. 스핀 편광 캐리어(전자또는 정공)는 그의 반대 캐리어(정공 또는 전자)와 재결합하여, 이러한 재결합 프로세스, 및 상태의 정공 밀도(hole density)의 상대적인 크기(가벼운 정공 mjih=±, 무거운 정공 mjih=±)를 기재한 선택 규칙(selection rules)의 결과로서, 순수 원 편광(net circular polarization)을 생성한다. 대상으로 하는 허용되는 방사 재결합 공정(allowed radiative recombination process)은 △mj=mje-mjh=±1인 것과 같이 전자(mje=±)와 정공(mje=±, ±)의 중간 것이다. 다른 천이 요소(transitions)들은 원편광 방출을 결과시키지 않으나, △mj=C는 직선 편광(linearly polarized light)의 방출을 결과시킨다.
자기 접점(magnetic contact)(22)은 반도체 표면(24)에 대하여 임의의 각도로 배향되는 자기 모멘트를 가질 수 있다. 바람직하게, 자기 접점(22)의 자기모멘트는 제 2도에 도시한 바와 같이 발광 반도체 표면(24)에 대략적으로 수직으로 배향된다. 이러한 배향은 발광 반도체 장치로 주입되는 스핀 편광 캐리어의 재결합으로부터 발생하는 광의 순수원편광(net circular polarization)을 최적화할 것이다. 이상적으로, 제 3A도에 도시한 바와 같이, 자기 접점내의 페르미 준위는 단지 하나의 스핀 서브밴드하고만 교차한다. 일반적으로, 이것은 대부분의 자기 재료의 경우 달성될 수 없기 때문에, 실제 페르미 준위는 양측 스핀밴드를 교차하지만, 제 3B도에 도시한 바와 같이 충만 스핀업 전자 상태(filled spin-up electron state)와 스핀다운(spin-down) 전자 상태 사이의 실질적 불균형을 초래하는 방식으로 교차한다.
적절한 바이어스 하에서 스핀 편광 캐리어(전자 또는 정공)원을 제공할 수 있는 어떠한 재료라도 자기 접점(22)으로 기능할 것이다. 바람직하게, 자기 접점은 MnGa, EuO, MnAl, CoPt 또는 hcpCo(헥사고날 크로스 팩트 코발트(hexagonal close packed cobalt))이다. 자기 접점(22)은 순수 자기모멘트를 이루기 충분한 두께, 예컨대, 10Å과 1㎛ 사이의 두께이어야만 한다. 자기 접점은 표준 기술에 의해 용착될 수 있다.
바람직하게는, 자기 접점(22)은 발광 반도체 헤테로구조의 표면(24)과 옴접촉(ohmic contact)을 형성한다. 대안으로 자기 접점(22)은 반도체 표면(24)과 쇼트키 장벽 접촉(Schottky barrier contact)을 형성할 수 있기 때문에, 고전압을 인가하여 스핀 편광 캐리어를 발광 반도체 장치 내로 이송할 필요가 있고, 바람직하게는 애벌랜취 공정(avalanche process)나 터널링 공정(tunnelling process)도 이용할 수 있다.
제 4도는 전형적인 자기 접점(22)을 도시한다. 이 접점은, 자기 재료(31)의 성장을 안정화하고, 화학적 확산 장벽(chemical diffusion barrier)으로 작용하는, 자기 재료(magnetic material)(31)와 상단 반도체 표면(24) 사이에 개재하는 얇은 "시드" 층(seed layer)(28)을 갖는다. 시드 재료의 선택은 당업자가 아는 바와 같이, 자기 재료(31)와 상단 반도체 표면(24)의 선택에 좌우된다.
본 발명의 자기 접점의 다른 특징은, 산화(작동 환경에서)를 지연시키거나 와이어 본딩 접촉을 용이하게 하는, 자기 재료(31) 위의 캐핑층(cappinglayer)(32)이다. 바람직한 캐핑층(32) 재료는 금(gold)이다.
접점(22)에서의 자기층(31)은 강자성체(잔류자화)내에서와 같이 인가된 자장없이 자기모멘트를 가질 수 있거나, 인가된 자장 내에서만 순수 자기모멘트를 가질 수 있다. 자기층(magnetic layer)(31)내에 순수 자기모멘트가 있느냐 없느냐는 거기에 인가된 자장이 있느냐에 좌우되며, 원편광 방출은 자장을 접점(22)에 인가하는 수단(34)에 의해 변조될 수 있다.
자화 수단(magnetizing means)(34)은 정전 자장(static magnetic field) 또는 변조된 자장(modulated magnetic field)의 외부 소스, 예컨대, 전자석 또는 자기기록매체 위에 기록된 비트도 될 수 있다. 이러한 외부 자장의 방향은 표면(24)에 대하여 수직이거나 평행일 수 있다. 만일 표면에 대하여 수직이라면, 인가된 자장의 방향을 역으로 하여, 모멘트 M의 방향을 역으로 하면(표면을 향하거나 표면에서 멀어지도록) 원편광의 방향이 역전될 것이다. 인가된 자장이 표면에 대하여 평행이고 수직 모멘트 M이 표면에 대하여 평행하게 되도록 할만큼 충분히 강하다면, 방출되는 원편광은 억제될 것이다.
발광 반도체 장치(20)는 스핀 편광 캐리어의 주입에 의해 원편광을 방출하는 어떤 반도체 장치도 될 수 있다. 이러한 구조는 몇 개의 도핑된 또는 도핑되지 않은 반도체층(여기서 도핑된 층은 캐리어 농도가 ≥1015/cc인 층으로 정의되고; 도핑되지 않은 층은 캐리어 농도가 ≥1015/cc인 층으로 정의된다)을 가질 수 있다. 구조 20은, 제 2도에 도시한 바와 같이, 단일의 p-n 접합부를 갖는 표준의 LED 형태를취할 수 있다. 대안으로, 이러한 장치는 고체 반도체 레이져나 2차원 전자 가스 장치와 같은 보다 복잡한 구조의 형태를 취할 수 있다. 이러한 구조는 또한 적절히 도핑된 반도체층, 즉 그 구조 상의 자기 접점(22)과 같은 훨씬 간단한 형태를 취할 수 있고, 즉, p-n 접합부를 포함하지 않을 수 있다. 제 5A도 내지 5C도는 본 발명의 여러 가지 바람직한 구현예를 도시한다.
제 5A도는 p-n 접합부를 포함하지 않는, 바람직한 발광 반도체 장치(20)를 도시한다. 이 장치(20)는 p형 도핑된 기판(26) 위에 p형 도핑된 층(13)을 갖는다. 자기 접점(22)은 p형 도핑된 층(13)에 부착되고, 옴 접점(11)은 기판(26)에 부착된다. p형 도핑된 중층(overlayer)(13)과 도핑된 기판(26)은 동일하거나 상이한 재료로 구성될 수 있다.
제 5B도는 다른 바람직한 발광 반도체 장치를 도시한다. 이 장치는 p형 도핑된 기판(26) 위에 p형 도핑된 층(13)을 갖는다. p형 도핑된 층 상에는 n형 도핑되거나 도핑되지 않은 다른 반도체층(12a)이 있다. 자기 접점(22)은 n형 도핑되거나 도핑되지 않은 층(12a)에 취부되고, 옴 접점(11)은 기판(26)에 부착된다. 본 발명의 이러한 바람직한 구성에는 여러 가지 변형이 있다. 하나의 바람직한 구현예에서, 모든 3개의 반도체층 12a, 13, 26은 동일한 반도체 재료로 구성된다. 다른 바람직한 구현예에서, 모든 3개의 반도체층 12a, 13, 26은 상이한 반도체 재료로 구성된다. 다른 바람직한 구현예에서, 기판층(26), p형 도핑된 층(13) 또는 자기 접점(22)과 접하는 층(12a)은 하나의 반도체 재료로 구성되고, 다른 층들은 제 2의 반도체 재료로 구성될 수 있다.
제 5C도는 다른 바람직한 발광 반도체 장치를 도시한다. 이 장치는 p형 도핑된 기판(26) 위에 p형 도핑된 층(13)을 갖는다. 이러한 p형 도핑된 층(13)위에는 반도체 양자 우물 층(semiconducting quantum well)(27)이 있으며, 이러한 반도체 양자 우물 층(27)은 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있으며, p형 도핑된 층(13)과 상이한 반도체 재료로 구성될 수 있다. 이러한 양자 우물 층은 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 이러한 양자 우물 층(26a) 위에는 n형 도핑되거나 도핑되지 않은 다른 반도체층(12a)이 있다. 자기 접점(22)은 n형 도핑되거나 도핑되지 않은 층(12a)에 부착되고, 옴 접점(11)은 기판(26)에 부착된다.
바람직하게, 발광 반도체 장치 구조(20)는 p형 도핑된 층(13) 및 n형 도핑되거나 도핑되지 않은 층(12a)을 갖는 원형 LED이다. 더욱 바람직하게, 제5C도에 예시된 바와 같이, LED(20)는 p형 도핑된 층(13)과 n형 도핑되거나 도핑되지 않은 층(12a) 사이의 스트레인 양자 우물 층(strained quantum well layer)(27)을 가질 수 있다. 이러한 양자 우물 층(27)은 반도체 군중의 임의의 것, 예를 들어, III-V 반도체, IV-VI 반도체, 및 II-VI 반도체로부터 선택될 수 있다. 이러한 스트레인 층(strained layer)의 하나의 바람직한 화학식은 GaxInl-xAs으로, 여기서 x는 약 0.03과 1.0 사이이고, 장벽층(12, 13)은 GaAa이다. 당업자는 스트레인 양자우물층(27)이 전자와 정공을 찾을 가능성이 높은 영역을 제공하여 전자와 정공의 재결합도를 증가시킨다는 것을 이해할 것이다. 이러한 스트레인 층(27)은 가전자대 또는 정공 대역(mj=±3/2, ±)을 가벼운 정공 및 무거운 정공 준위로 분할하는바, 즉 가전자대가 퇴행되지 않게 한다. 이러한 분할에 의해 구조로부터 방출되는 광의 순수 원 편광이 향상된다. 남은 전기 접점(11)은 자성일 필요는 없다. 그러나, 기판(14, 26)에 좋은 옴 접촉을 제공하여야 한다.
제 2 도 및 5A도에 도시한 구조는 스핀편광 주입된 전자가 자기 접점(22)으로부터 주입될 수 있도록 구성된다. 이러한 접점(22)으로부터 스핀 편광 정공주입(spin polarized electron injection)하기 위하여는, n-도핑된 층 및 p형 도핑된 층을 바람직하게 반전시킨다.
본 발명을 이미 설명하였으나, 아래의 실시예는 본 발명을 수행하는데 알려진 최선의 실시양태를 포함하는 본 발명의 구체적인 적용을 설명하는 것이다. 이러한 구체적인 실시예는 본원에 기술된 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되는 것은 아니다.
실시예 1
분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy) 또는 CVD(기상 성장) 공정에 의해 0.5mm 두께의 p+-도핑된 GaAa 기판 위에 1㎛층의 p+-도핑된 GaAa를 성장시킨다. 이러한 p+-도핑된 GaAa 층위에 100Å 스트레인 층을 Ga0.9In0.1As를 성장시킨다. MnGa이나 MnAl의 500Å 두께의 강자성 접점을 이러한 n-도핑되거나 도핑되지 않은 GaAs 층에 이러한 층에 대해 직각의 접점의 자기모멘트로서 취부된다. 옴 접점(즉, 인듐)을 GaAs 기판에 접착시킨다. 두 개의 접점에 리드를 접착시키고 이들 접점에 약 1V의 바이어스를 인가한다. 구조체로부터 광을 인터셉트하여 원편광을 식별하는 분석기를 위치 결정한다.
명백히, 본 발명의 다양한 변경 및 변형은 본원의 교시의 범위내에서 가능하다. 그러므로 첨부한 청구범위의 범위 내에서 본 발명은 구체적으로 설명하지 않은 다른 것도 실시 가능하다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 도핑된 반도체층을 포함하는 반도체 헤테로구조;
    상기 반도체 헤테로구조 영역과 전기적으로 접촉하고 순수자기모멘트(netmagnetic moment)를 갖는 접점;
    상기 반도체 헤테로구조의 상이한 영역에 전기적으로 접속된 접점을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 도핑된 층은 스트레인 층(strained layer)인 편광 광방출(polarized optical emission)을 생성하는 장치.
  2. 적어도 하나의 도핑된 반도체층을 포함하는 반도체 헤테로구조;
    상기 반도체 헤테로구조 영역과 전기적으로 접촉하고 순수자기모멘트(netmagnetic moment)를 갖는 접점;
    상기 반도체 헤테로구조의 상이한 영역에 전기적으로 접속된 접점을 포함하고,
    상기 장치는 적어도 2개의 반도체층을 포함하고, 상기 적어도 2개의 반도체층의 제 1층은 p형 도핑된 층이고 상기 적어도 2개의 반도체층의 제 2층은 n형 도핑되기나 도핑되지 않은 층인 편광 광방출을 생성하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 접점은 적어도 하나의 자기 재료층을 포함하고 상기 자기 재료 층 위에 적어도 하나의 캐핑 재료층을 포함하는 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 접점의 자기 모멘트는 상기 반도체층에 수직인 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 접점은 적어도 하나의 자기 재료층과 상기 자기재료층 위에 있는 적어도 하나의 캐핑 재료층을 포함하는 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 접점은 상기 반도체 헤테로구조와 옴 접촉하는 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 접점은 상기 반도체 헤테로구조와 쇼트키 장벽 접촉을 형성하는 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도핑된 층은 대응하는 가전자대 에너지 준위(valence band energy level)를 분할하기에 충분한 결정 격자 왜곡(crystalline latticedistortion)을 갖는 스트레인 층(strained layer)인 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 반도체층의 제 1층과 적어도 2개의 반도체층의 제 2 층사이에 양자우물층(quantum well layer)을 포함하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자기 접점의 자기 모멘트는 상기 반도체층과 수직인 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 자기 접점이 적어도 하나의 자기재료층과, 상기 자기재료층 위의 적어도 하나의 캐핑 재료층을 포함하는 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 자기 접점이 적어도 하나의 자기재료층과 상기 자기재료층 위의 적어도 하나의 캐핑 재료층을 포함하는 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 자기 접점은 상기 반도체 헤테로구조와 옴 접촉하는 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 자기 접점은 상기 반도체 헤테로구조와 쇼트키 장벽 접촉을 형성하는 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도핑된 층이 가전자대 에너지 준위(valence band energy level)를 분할하기에 충분한 결정 격자 왜곡(crystalline lattice distortion)을 갖는 스트레인 층(strained layer)인 장치.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 장치가
    옴 접촉층;
    상기 옴 접촉층 위에 있고 그것과 전기적으로 접촉하는 p형 도핑된 GaAs 기판층;
    상기 p형 도핑된 GaAs 기판층 위의 p형 도핑된 GaAs층;
    반도체 스트레인 양자우물층:
    상기 양자우물층 위에 있는 n형 도핑되거나 되지 않은 GaAs층; 및
    상기 n형 도핑된 GaAs층에 대해 수직인 자기모멘트를 갖는 상기 n형 도핑되거나 도핑되지 않은 GaAs층 위에 있는 자기 접촉층(magnetic contact layer)으로서, MnGa 및 CoPt로 이루어지는 군에서 선택되는 자기재료를 포함하는 자기 접촉층을 포함하는 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 반도체 주입 양자우물층은 다음 식을 갖는 장치.
    GaxInl-xAs
    (여기서 X는 0.03과 1.0 사이이다.)
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 접촉층을 바이어스시키는 수단을 추가로 포함하는 장치.
  19. 순수자기모멘트를 갖는 자기 접점을 통하여 반도체 헤테로구조 양단에 바이어스를 인가함으로써 스핀 편광 캐리어를 상기 반도체 헤테로구조 중에 주입하여 재결합시켜 원편광을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 반도체 헤테로구조가 스트레인 층을 구비하는 원편광 광방출을 생성하는 방법.
  20. 순수자기모멘트를 갖는 자기 접점을 통하여 반도체 헤테로구조 양단에 바이어스를 인가함으로써 스핀 편광 캐리어를 상기 반도체 헤테로구조 중에 주입하여 재결합시켜 원편광을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 반도체 헤테로구조는 적어도 2개의 반도체층을 구비하고, 상기 적어도 2개의 반도체층의 제 1층은 p형 도핑된 층이고 상기 적어도 2개의 반도체층의 제 2층은 n형 도핑되거나 도핑되지 않은 층인 원편광 광방출을 생성하는 방법.
KR1019950705972A 1993-06-29 1994-06-21 스핀편광 주입 캐리어의 재결합 또는 소멸에 따른 편광광방출기술 KR100371511B1 (ko)

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