KR100463972B1 - 광 반도체 디바이스 - Google Patents

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KR100463972B1
KR100463972B1 KR10-2001-7007509A KR20017007509A KR100463972B1 KR 100463972 B1 KR100463972 B1 KR 100463972B1 KR 20017007509 A KR20017007509 A KR 20017007509A KR 100463972 B1 KR100463972 B1 KR 100463972B1
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Abstract

본 발명의 광 반도체 디바이스는 활성 영역, 및 상기 활성 영역의 한 측면 상에 배치된 p-도핑된 클래딩 영역을 포함하며, Γ-전자 및 Χ-전자 모두를 반사시키는 전자-반사 배리어가 상기 활성 영역의 p-측 상에 제공되고, 상기 전자-반사 배리어는 Γ-전자에 대하여 상기 p-도핑된 클래딩 영역보다 더 큰 포텐셜 배리어를 제공한다.

Description

광 반도체 디바이스{AN OPTICAL SEMICONDUCTOR DEVICE}
630 내지 680nm의 파장 범위에서 가시광을 방출하는 (Al,Ga,In)P 재료계로 제조되는 레이저 디바이스 또는 레이저 다이오드(LDs)는 점점 더 전문가 및 소비자 제품의 중요 부품이 되고 있다. 예컨데, 디지털 비디오 디스크(DVD) 시스템은 최대 60℃ 온도에서 최대 30mW 출력 전력을 전달할 수 있는 635-650nm의 파장 LD를 사용하는 것이 예상된다. 다음 세대의 반도체 레이저는 보다 높은 동작 온도(예컨데, 70℃)까지 훨씬 더 큰 최대 전력 출력을 필요로 할 것이다.
(Al,Ga,In)P계는 일반식 (AlxGa1-x)1-yInyP를 갖는 화합물의 족을 의미하며, 여기서 x 및 y는 0과 1사이에 있게 된다. 이런 반도체계의 하나의 특유의 이점은 인듐 몰분율 y가 0.48일 때 GaAs 기판에 격자 정합되는데 있다.
현재의 (Al,Ga,In)P 레이저 다이오드의 주요 제약은 이들이 가장 높은 특정 동작 온도에서 장기간 동안(또는 충분히 낮은 임계 전류로) 동작할 수 없다는데 있다. 이는 디바이스의 활성 영역으로부터 주변 광도파 영역 및 이어서 p형 클래딩 영역으로의 전자 누설에 의해 야기되는 것으로 일반적으로 여겨진다.
레이저 디바이스의 하나의 타입은 분리 가둠형 헤테로구조(separate confinement heterostructure) 레이저이다. 630-680nm에서 광을 생성하고자 하는 분리 가둠형 레이저 구조의 일반적인 구조는 도 1 및 2를 참고로 하여 이하 설명된다.
도 1의 곡선 (a)는 4원(quaternary) 합금에서의 알루미늄 몰분율의 함수로서, (AlxGa1-x)0.52In0.48P와 Ga0.52In0.48P의 Γ전도대 에너지 사이의 차이를 나타낸다. 도 1의 곡선 (b) 및 (c)는 X 전도대 에너지와 Γ가전자대 에너지 사이의 차이를 각각 나타낸다. 도 1은 (Al,Ga)InP와 GaInP 사이의 밴드갭 차이가 전도대 오프셋과 가전자대 오프셋 사이에서 70:30의 비로 분할된다고 가정한 것이다.
(Al,Ga,In)P의 전도대에서의 최소 에너지가 알루미늄 함유율의 함수임을 알 수 있다. 약 0.55의 알루미늄 농도에서 Γ밴드 최소로부터 X 밴드 최소까지 크로스오버(crossover)가 존재한다.
이하 사용되는 Γ밴드 및 X 밴드라는 용어는 브릴루앙 영역(Brillouin zone)에서의 대칭점을 나타내는 것으로, 고체 물리학(예컨데, R.A. Smith "Semiconductors", Cambridge University Press, 1978 참조)의 표준 용어이다. Γ최소 및 X 최소라는 용어는 Γ밴드 및 X 밴드의 최소 에너지 레벨을 각각 나타내는 것이다.
도 2는 (Al,Ga,In)P계로 제조되는 분리 가둠형 레이저 구조의 개략적인 밴드 구조를 도시한다. 이는 n 도핑된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역(1), (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 광도파 영역(2,4), (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 광도파 영역 내에 배치되는 GaInP 양자 우물(well) 활성 영역(3), 및 p 도핑된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역으로 이루어진다. 레이저 다이오드의 양자 우물 활성 영역(3) 내에서 레이저 동작을 일으키는 광학 천이는 GaInP 양자 우물 활성 영역에서의 Γ전자로부터 기원한다.
전자 누설 전류는 도 2의 우측의 포텐셜 배리어를 넘어 p도핑된 클래딩 영역(5)으로 들어오는데 충분한 열 에너지를 갖는 일부의 전자들로 이루어진다. Γ전자가 p도핑된 클래딩 영역과의 계면에서 단지 약 90meV의 포텐셜 배리어에 의해 광도파 영역(도파로 영역) 내에 감금되는 것을 알 수 있다. 이런 비교적 작은 배리어 높이에 의해 상당한 부분의 전자가 누설된다. 더욱이, 가전자대 내에서의 홀은 약 50meV의 포텐셜 배리어에 의해 감금되며, 이런 낮은 배리어 높이도 또한 상당한 캐리어 누설을 허용한다. 더욱이, p 클래딩 영역(5) 내에서의 X 전도대는 도파로 영역(2,4)에서의 Γ전도대 보다도 약 50meV 낮으며, 이는 전자가 도파로 영역(2,4)으로부터 p 도핑된 클래딩 영역 내의 x 상태를 통해 누설될 수 있게 한다. 따라서, 도 2에 도시된 레이저는 높은 누설 전류를 가지며, 이에 따라 높은 온도에서 낮은 성능을 가진다.
P.M. Smowton 등의 "Applied Physics Letters" Vol.67, pp.1265-1267(1995)에서는, 전자의 중요한 누설 기구가, 배리어에 의해 분리되거나 또는 (AlyGa1-y)0.51In0.49P(여기서 y는 다양하게 0.3, 0.4 및 0.5임)의 광도파 영역에 설치되고, p측에 Zn을 도핑하고 n측에 Si를 도핑한 (Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P 클래딩 영역으로 클래딩된 2개의 Ga0.41In0.59P 양자 우물을 갖는 분리 감금형 헤테로구조 레이저의 p측 도파로 영역 및 클래딩 영역 내의 전도대들의 간접 X-밸리를 경유하여 존재할 수 있다는 것을 보여준다. 그러나, 이런 메카니즘을 통한 전자의 손실에 의해 야기되는 문제를 극복하기 위한 제안은 없었다.
(Al,Ga,In)P계에서 제조되는 레이저 디바이스의 온도 성능을 개선하기 위한 많은 제안들이 있다.
T.Takagi 등의 "IEEE Journal of Quantum Electronics" Vol. 27, No.6 1511(1991)은 클래딩 영역 내에 다중 양자 우물 배리어를 도입하는 것을 제안하고 있다.
영국 특허출원 제9526631.8호는 SCH 레이저 다이오드의 p도핑된 클래딩 영역 내의 δ도핑된 p형 층의 삽입이 헤테로 접합의 p측의 밴드 휨(band-bending)을 증가시키는 효과를 가지며, 이에 따라 전자의 열 누설에 대해 제공되는 포텐셜 배리어를 증가시키는 것을 제안한다.
G.Hatakoshi 등의 "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol.27, p1476(1991)은 도파로 영역과 p 도핑된 클래딩 영역 사이의 포텐셜 배리어를 증가시키기 위하여 p도핑된 클래딩 영역의 도핑 레벨을 증가시키는 것이 제안되고 있다. 영국 특허출원 제9626644.0호는 X 전자가 p도핑된 클래딩 영역으로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 전자 반사층을 포함하는 반도체 레이저를 개시하고 있다. 영국 특허출원 제9626657.2호는 X 전자를 포획하고 이들을 활성 영역 내의 Γ가둠 에너지 레벨로 이동시키기 위한 전자 포획층의 사용을 개시하고 있다. 그러나, (Al,Ga,In)P 레이저 디바이스의 온도 특성을 개선하기 위한 이들 구조의 효율성은 현재로서는 불명확하다.
다중 양자 우물 배리어(multiple quantum well barrier; MQB)의 동작 원리는, SCH 레이저 디바이스의 p-형 클래딩 영역에 MQB를 포함시키는 것이다. MQB는 예를 들면, ((Al, Ga, In)P 레이저용) (In, Ga)P와, (Al, Ga, In)P가 번갈아 있는 매우 얇은 층으로 구성된다. SCH 구조로부터 벗어나기에 충분한 열 에너지를 갖는 전자는, MQB의 계면 각각에서 양자역학적으로 반사될 것이다. 층 두께가 λ/4(λ는 전자 파장)의 두께로 되도록 선택될 경우, 에너지 밴드는, 전자가 반사될 확률이 1인 에너지 밴드로 설계될 수 있다. 거의 1의 전자 반사율이 설계될 수 있어서 고전역학적인 배리어 높이보다 우물이 높게 존재하게 된다. 이론적으로는, MQB는 고전역학적인 배리어 높이에 비해 최대 2배까지 실효 배리어 높이를 증가시킬 수 있다.
K. Kishino 등의 "Applied Physics Letters"(Vol. 58, pp.1822-1824)(1991)과, H.Hamada 등의 "Electronics Letters"(Vol. 28, pp.1834-1836)(1992)에서는 단파장 레이저의 임계 전류의 온도 의존성이 이러한 반사체(reflector)의 사용에 의해 개선됨을 보여주는 증거를 제시하고 있다. 그러나, 반사체의 유효성은 통상 배리어 높이의 향상에 대한 직접적인 측정이 아니라 LD 동작 특성으로부터 추정된다. 따라서, 단순히 더 나은 프로세스 또는 더 나은 재료 품질로 인해 발생할 수도 있는 임의의 이점에 비해 MQB의 사용에 의해 어떤 이점이 발생하는 지에 대한 정량화는 어렵다. 또한, MQB의 효과는, 전자의 코히어런스 길이(coherence length)가 길 경우에만 구현됨에 유의한다. 예를 들어 계면 산란과 같은 이러한 코히어런스를 파괴하는 것은 어떤 것이든지 현저하게 반사율 특성을 감소시킬 것이다.
p-도핑된 클래딩 층의 도핑 레벨을 증가시키면, 도파로 영역(4)과 p-도핑된 클래딩 영역(5) 사이의 포텐셜 배리어가 증가하게 될 것이다. 그러나, (Al, Ga, In)P 또는 (Al, In)P 클래딩 영역에 제공될 수 있는 P-도핑의 양에 대한 실질적인 제한이 존재한다. 이는 MOCVD 성장된 재료에서 특히 적용되며, 여기서 Zn 또는 Mg를 사용하여 약 2×1018cm-3의 최대 불순물 농도를 획득할 수 있다. 이에 대한 예는 D. P. Bour 등의 "IEEE Journal of Quantum Electronics" (Vol. 30, PP. 593-606(1994))에 나타나 있다. 그러나, 이 기술을 사용하여 도펀트 농도를 더 증가시키게 되면, 도펀트가 디바이스의 활성 영역으로 확산되어서 성능을 저하시키게 된다.
도파로 영역(4)과 p-도핑된 클래딩 영역(5) 사이의 포텐셜 배리어를 증가시키기 위해 클래딩층(5)의 알루미늄 함량을 증가시키는 것이 가능하며, 이에 의해 Γ-전자 및 가전자대 홀의 가둠을 증가시키게 된다. 이 방안에 대해서는 도 3에 예시되어 있다. 이는, 도 2에 도시된 것과 유사한 SCH 레이저 구조를 예시하지만, 클래딩 영역(1, 5)은 AlInP로 형성된다. 광도파 영역(4)과 p-도핑된 클래딩 영역(5) 사이의 포텐셜 배리어는 이제 250mV이며, 가전자대 홀을 가두는 포텐셜 배리어는 이제 100mV이다. 따라서, 도 3에 도시된 레이저 구조는 도 2에 도시된 구조에 비해 향상된 캐리어의 가둠 능력을 가지게 될 것이다.
그러나, 클래딩층(1, 5)의 알루미늄 함량을 증가시키게 되면, p-도핑된 클래딩 영역(5) 내의 Χ 밴드 상태를 통한 캐리어 누설을 방지하지 못할 것이다.
본 발명은 광 반도체 디바이스에 관한 것으로, 특히 630 내지 680nm의 파장 범위에서 가시광을 방출하는 반도체 레이저 디바이스에 관한 것이나 이에 한정되지 않는다. 레이저 디바이스는 단면 발광형(edge-emitting) 또는 표면 발광형일 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예는 첨부된 도면과 관련해서 예시적인 실시예를 통해 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 4원 합금의 알루미늄 몰분율의 함수로서 (Ga,In)P/(Al,Ga,In)P 헤테로 배리어의 변화를 도시한 도면.
도 2는 (Al,Ga,In)P계로 제조된 분리 가둠형 헤테로 구조 반도체 레이저의 개략 밴드 구조도.
도 3은 도 2에 도시된 것과 유사하나, 클래딩층들이 (Al,In)P로 형성된 SCH 레이저의 개략 밴드 구조도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따르는 SCH 레이저의 부분 개략 밴드도.
도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따르는 전자 반사 배리어층을 포함하는 SCH 레이저 디바이스의 광도파 영역 및 p형 클래딩 영역의 밴드 구조의 개략도.
도 6은 도 5의 실시예의 변형의 밴드 구조를 도시한 도면.
도 7은 도 5의 다른 변형의 개략 밴드 구조도.
도 8은 도 6의 변형의 개략 밴드 구조를 도시한 도면.
도 9는 도 5의 전도대의 부분 도면.
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 부분적인 개략 밴드도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예의 부분적인 개략 밴드도.
본 발명의 제1 측면은 활성 영역, 및 활성 영역의 일측에 배치된 p-도핑된 클래딩 영역을 포함하며, Γ-전자 및 Χ-전자를 모두 반사시키는 전자-반사 배리어가 활성 영역의 p-측에 제공되고, 전자-반사 배리어는 Γ-전자에 대하여 p-도핑된 클래딩 영역보다 큰 포텐셜 배리어를 제공하는 광 반도체 디바이스를 제공한다.
S. J. Chang 등의 "IEEE Photonics Technology Letters"(Vol. 10, No. 5, p651)(1998)에서는 642nm의 발광 파장을 갖는 (Al, Ga, In)P 레이저 다이오드를 개시하고 있다. 이 레이저 다이오드는 Γ-전자에 대한 배리어를 도입하기 위해 3배 인장 변형 배리어 클래딩 층을 구비하고 있다. 개선된 온도 의존성이 관찰된다. 그러나, 인장 반사층은 Χ전자에는 어떤 배리어도 제공하지 않는다. 반면에, 이들은 Χ전자를 트랩핑(trapping)하기 위한 양자 우물을 도입한다. 따라서, p-도핑된 클래핑 영역 내의 Χ밴드 상태를 통한 현저한 캐리어 손실이 여전히 이 구조에서도 발생된다.
미국 특허 제5,509,024호에서는 터널 배리어층을 갖는 레이저 다이오드를 개시하고 있다. AlAs 배리어층이 광도파 영역과 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 도입되어 Γ-전자에 대한 배리어로서 작용한다.
미국 특허 제5,509,024호에서는 p-도핑된 클래딩 영역 내의 Χ상태를 통한 캐리어 손실 문제에는 대처하지 않는다. 상기 특허에서는, (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 광도파 영역과 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역 사이에 AlAs 배리어층을 위치시키는 것에 대해 제안한다. 이 특허가 등록될 당시에는, (Al, Ga, In)P계 내의 밴드 오프셋 또는 Γ-X 직접-간접 밴드갭 전환(changeover) 어느 것도 잘 확립되지 않았었다. Γ-X 직접-간접 밴드갭 전환에 관한 최근의 실험에 의한 증명에 의하면, 미국 특허 제5,509,024호에서 제안된 구조는 Χ전자에 대한 0.32eV의 트랩핑 양자 우물을 도입할 것이다. 이에 따라, 이 특허에서 제안된 구조는 Γ-전자에 대해 약 0.58eV의 포텐셜 배리어를 도입하면서, p-도핑된 클래핑 영역 내의 Χ상태를 통한 캐리어 손실의 문제에는 대처하지 않는다. 실제로, Χ전자에 대한 0.32eV 양자 우물의 도입은 이 문제를 악화시킬 것이다.
그러나, 전술한 종래 기술과는 달리, 본 발명은 Γ-전자 및 Χ전자 모두의 누설을 방지하는 배리어를 제공한다. p-도핑된 클래딩 영역 내의 Χ상태를 통한 캐리어 손실의 문제가 방지되거나, 혹은 적어도 현저하게 감소되는데, 이는 전자-반사 배리어가 Γ-전자 뿐만 아니라 Χ전자도 반사하기 때문이다.
이 전자-반사 배리어는, Γ-전자를 반사하기 위한 제1 전자-반사층과, Χ전자를 반사하기 위한 제2 전자-반사층을 포함할 수도 있다. 이는 Γ-전자 및 Χ전자 모두에 대한 배리어를 제공하는 편리한 방법이다.
적어도 하나의 전자-반사층은 변형층일 수도 있다. 몇몇 경우에서, 변형된 반도체층이, 벌크 반도체 재료의 금지 밴드갭보다 큰 금지 밴드갭을 가지며, 이러한 변형층을 전자-반사층으로서 사용하는 것은, 전자 및 홀 누설에 대한 포텐셜 배리어를 증가시킬 것이다.
전자 반사층들 중의 하나는 압축 변형의 상태에 있고 다른 전자 반사층들은 인장 변형의 상태에 있을 수 있다. 따라서, 2개의 반사층들이 변형-보상된 배리어를 형성하게 될 것이다. 변형-보상된 배리어는 층 내에 결함을 발생시키지 않고도 개개의 층의 임계 두께의 합보다도 두껍게 형성될 수 있는 것으로 보고되고 있다. 이는 변형-보상된 전자 반사 배리어가 결함 발생없이 두껍게 만들어질 수 있고, 이 두꺼운 배리어가 활성 영역으로 보다 많은 전자들을 반사시킬 수 있어, 전자의 가둠(confinement of the electrons)을 개선할 수 있다는 것을 의미한다.
디바이스는 발광 다이오드일 수 있고, 또는 레이저 디바이스일 수 있다. 레이저 디바이스는, 광도파 영역 및 광도파 영역 내에 배치된 활성 영역을 포함하는 분리 가둠형 헤테로구조 레이저 디바이스일 수 있다. 광도파 영역과 Χ전자들을 반사시키는 층 사이에 Γ-전자들을 반사시키는 층이 배치될 수 있다. 광도파 영역의 Γ-전도대는 Γ-전자들을 반사시키기 위한 층의 Χ밴드와 실질적으로 축퇴(degenerate)될 수 있다. 이에 의해, Γ-전자들을 반사시키는 층이 Χ전자들에 대한 양자 우물을 발생하지 않는다는 것이 확실해진다.
선택적으로, Γ-전자들을 반사시키는 층은 Χ전자들을 반사시키는 층과 p 도핑된 클래딩 영역 사이에 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, Γ-전자들을 반사시키는 층 내에 Χ전자들에 대한 양자 우물의 형성은, 적은 수의 Χ전자들이 Γ-전자들을 반사시키는 층에 도달하므로 심각한 문제를 야기하지는 않는다. 따라서, 이러한 구성은 광도파 영역에 대해 보다 폭 넓은 재료 선택을 가능하게 한다.
전자-반사 배리어는 Γ-전자들을 반사시키는 다수의 제1 전자 반사층 및 Χ전자들을 반사시키는 다수의 제2 전자 반사층을 포함할 수 있다. 전자-반사 배리어는 초격자 구조일 수 있다. 이는 전자 배리어가 변형 보상되었기 때문에 가능하다.
디바이스는 (Al, Ga, In)P계로 제조될 수 있으며, 상기 또는 각 Γ-전자 반사층은 AlP 또는 GaP일 수 있으며, 상기 또는 각 Χ-전자 반사층은 InP일 수 있다. 이는 (Al, Ga, In)P 레이저에서의 누설 전류를 감소하는 간편한 방법을 제공한다.
Γ-전자 반사층은 AlP일 수 있으며, 광도파 영역은 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P일 수 있다. Γ-전자들을 반사시키는 층이 광도파 영역과 Χ전자들을 반사시키는 층 사이에 배치되는 경우가 바람직하기 때문에, 이에 의해, 광도파 영역의 Γ- 전도대는 Γ-전자들을 반사시키는 층의 Χ전도대와 실질적으로 축퇴된다.
전자 반사층 각각의 두께는 16Å 이하일 수 있다. 이 두께는 변형된 층 내에 적절히 않은 부정합 전위(misfit dislocation)의 형성이 에너지적으로 유리하게 되는 임계 두께보다 얇다.
전자 반사층 중 적어도 하나는 p-도핑된 것일 수 있다. 전자 반사층이 많은 양으로 p도핑되면, 밴드 휨이 발생하게 될 것이고 이는 p-클래딩 영역으로의 전자 이동에 대한 포텐셜 배리어의 높이를 증가시킬 것이다. p-도핑은 또한 광도파 영역으로의 홀 이동에 대한 배리어 높이를 감소시킬 것이다.
제1 전자 반사층, 또는 (하나 이상인 경우) 적어도 하나의 제1 전자 반사층은 인듐을 포함할 수 있다. AlP 또는 GaP 변형된 층에 인듐을 도입하여 층 내의 변형을 줄이고, 이에 따라 층의 임계 두께를 증가시킬 것이다. 그러므로, Γ전자를 반사하기 위한 층(들)은 더 두꺼워질 수 있을 것이고, 이것은 전자가 층을 통해서 터널링될 수 있는 가능성을 감소시킬 것이다.
전자 반사 배리어는 광도파 영역과 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 제2 형태는 광도파 영역; 적어도 하나의 에너지 우물을 구비한 활성 영역 - 상기 활성 영역은 상기 광도파 영역 내에 배치됨 -; 및 상기 광도파 영역의 양측들에 배치된 n-도핑된 클래딩 영역 및 p-도핑된 클래딩 영역을 포함하고, Γ-전자를 반사하는 전자-반사층이 활성 영역의 p-측에 배치되고, 광도파 영역의 Γ-전도대는 전자-반사층의 Χ-전도대와 실질적으로 축퇴되는 광 반도체 디바이스를 제공한다.
본 발명의 이러한 형태는 S.J. Chang 등의 미국 특허 제5,509,024호에 기술된 레이저를 참조하여 상술한 문제를 대처한다. 이러한 측면에서, 전자 반사층의 Χ전도대는 광도파 영역의 Γ전도대와 실질적으로 축퇴되도록 선택된다. 이것은 Γ전자를 반사하기 위한 층 내의 X 전자에 대한 양자 우물의 형성을 막는다. 이것은 예를 들어, 광도파 영역의 조성을 적절하게 선택함으로써 이루어질 수 있다.
WO 97/40560에는 (Al, Ga, In)P 발광 다이오드가 개시되어 있다. AlP 배리어 층은 LED의 활성 영역과 P-형 클래딩 영역 사이에 배치된다. 그러나, 이러한 배리어 층이 Γ전자의 가둠을 증가시키는 반면에, 양자 우물은 Χ전도대 내에 생성될 것이다. 이 양자 우물의 깊이는 약 0.4eV일 것이고, 상술된 바와 같이, 양자 우물의 도입은 LED의 p-도핑된 클래딩 영역 내의 Χ상태를 통한 전자 손실의 문제를 악화시킬 것이다.
광도파 영역은 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P로 형성되며, 전자 반사층은 AlP로 형성될 수 있다. 이것은 (Al, Ga, In)P 계에서 본 발명의 제2 형태를 실행하도록 하는 편리한 방법이다.
전자 반사층은 p-도핑된 것일 수 있다.
전자 반사층은 광도파 영역과 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치될 수 있다.
디바이스는 분리 가둠형 헤테로구조 레이저 디바이스일 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 밴드 구조의 부분적인 개략도이다. 이것은 SCH 레이저 디바이스의 광도파 영역(10)(또는 도파로 영역) 및 p 도핑된 클래딩 영역(11)의 밴드 구조를 도시한다. 광도파 영역(10)은 p형 클래딩 영역(11)과 n형 클래딩 영역(도 4에 도시 안됨) 사이에 배치된다. 레이저 발진을 제공하는 적어도 하나의 에너지 우물을 갖는 활성 영역(도시하지 않음)은 광도파 영역(10) 내부에 배치된다.
도 4의 실시예는 (Al,Ga,In)P계로 제조된다. 광도파 영역(10)은 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P로 형성된다. 클래딩 영역은 (AlxGa1-x)0.52In0.48P(0.5<x≤1.0)로 형성된다. 도 4의 실시예에서, x가 1이 되도록 선택되어 클래딩 층(11)은 Al0.52In0.48P로 형성되고, 도 4에 도시된 밴드 에너지는 Al0.52In0.48P p-형 클래딩 영역에 대한 것이다. AlP로 형성된 전자-반사 층(12)은 광도파 영역(10)과 p-도핑된 클래딩 영역(11) 사이에 배치된다.
AlP의 격자 상수는 5.467Å이고, 광도파 영역(10)의 격자 상수는 5.653Å일 것이다. (위에서 언급한 바와 같이, 0.48의 인듐 몰분율을 갖는 (Al,Ga,In)P는 GaAs와 격자 정합되어, 광도파 영역의 격자 상수가 GaAs의 격자 상수와 같아질 것이다.) 클래딩 영역(11)의 격자 상수 또한, 그 클래딩 영역이 0.48의 인듐 몰분율을 갖기 때문에, 5.653Å이 될 것이다. 따라서, 전자-반사 층(12)와 광도파 영역(10) 사이의 격자 부정합은 거의 3.4%이다.
일반적으로, 3.4%의 격자 부정합이 있는 두개의 반도체 재료 사이의 계면에서는 전위(dislocation)가 발생할 수 있다. 이것은 지금의 경우에서는 바람직하지 않다. 왜냐하면, 이 전위와 결함이 레이저 디바이스의 성능을 악화시킬 수 있기 때문이다.
만약 하부 층과 성장 에피층(epilayer) 사이의 격자 부정합이 충분히 작으면, 퇴적된 제1 원자층은 변형되어 하부 층의 격자 상수에 정합됨으로써 코히어런트 계면이 형성되는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 성장 에피층의 두께가 증가함에 따라, 균일한(homogeneous) 변형 에너지는, 부정합 전위(misfit dislocation)가 도입되는데 에너지적으로 유리한 임계 두께에 다다를때 까지, 증가한다. 이러한 임계 두께의 존재는 J.H. Van Der Merwe의 "Journal of Applied Physics" 제34권, 123쪽(1962년)에 처음으로 개시되었다. 전자 반사 층(12)의 두께는 전위의 발생을 방지하기 위해, 임계 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 이 경우에, 전자-반사층은 변형된 상태일 것이다. 상기 실시예에서, AlP는 도파로 영역(10)보다 낮은 격자 상수를 가지기 때문에, 인장 변형의 상태일 것이다.
3.4%의 격자 부정합에 대하여, R. People 등의 "Applied Physics Letters" vol. 47, No.3, pp.322-324(1985)를 참조하면, 부정합 전위가 발생하는 임계 두께는 16Å으로 예측된다. 따라서, 도 4의 실시예에서, 전자 반사층(12)의 두께는 바람직하게는 16Å 이하이다.
벌크 AlP에 있어, Γ- Γ 밴드갭은 3.6eV이고, Γ- X 밴드갭은 2.5eV이다. 그러나, 도 4의 실시예에서, AlP층(12)은 인장 변형 상태이고, 이것은 3.6eV의 벌크 값으로부터 밴드갭을 낮춘다. 가벼운 홀(light hole) 가전자대에 대해서는 밴드갭이 3.295eV로 낮아지고, 무거운 홀(heavy hole) 가전자대에 대해서는 3.5eV로 낮아진다. 변형된 층의 밴드갭의 감소는 예를 들면, Chin-Yu Yeu 등의 "Physical Review B" Vol.50, No.4, pp.2715-2718(1994)에 설명되어 있다. 70:30의 밴드 오프셋을 가정하면, AlP 전자 반사층은 p-도핑된 클래딩 영역(11)으로의 Γ-전자 이동에 대해 0.801eV 배리어를 도입한다(이러한 계산은 가벼운 홀 밴드갭을 사용한다). 광도파 영역(10)내의 Χ밴드는 Γ-밴드보다 0.15eV 위이다. 따라서, 광도파 영역 내의 대부분의 전자들은 Γ-밴드 내에 있을 것이다. 이러한 Γ-전자들은 전자 반사층(12)에 의해 활성 영역으로 다시 반사될 것이다. 사각 배리어를 통한 전자 이동의 간단한 계산은 Γ- 전자들의 약 6%만이 16Å의 두께를 갖는 0.801eV 포텐셜 배리어의 하부를 통해 이동되는 것으로 나타낸다(이러한 계산은 Γ- 전자의 유효 질량(m0) = 0.15인 것을 가정한다). 실제로, 도 4의 전자 반사층을 통한 전자 이동은 전자 반사층의 주위에 있는 두꺼운 p-도핑된 클래딩 영역(11)의 존재로 인해 약 6% 보다 작다. p-도핑된 클래딩 영역(11)은 (AlxGa1-x)0.52In0.48P로 이루어지고 - 여기서, 0.5 < x ≤1.0임 -, 최대 2.7eV까지의 Γ- Γ밴드갭을 가질 것이다. AlP층을 통한 이동은 클래딩 영역의 Γ- 밴드와 축퇴하는 에너지에서 약 13%로 증가된다.
가벼운(lihgt) 홀은 층이 인장 변형인 상태이기 때문에 AlP 층(12) 내의 무거운(heavy) 홀 가전자대와 비교하면 에너지가 감소된다. 전도대-가벼운 홀 밴드갭은 3.294eV이고, 이것은 가벼운 홀에 대해 0.178eV의 포텐셜 배리어를 제공할 것이다. 홀들이 이 배리어를 통해 광도파 영역(10)으로 터널링할 확률은 대략 26% 이다.
AlP층(12) 내의 전도대-무거운 홀 밴드 갭은 3.497eV이고, 무거운 홀들에 대해 0.239eV의 배리어를 형성한다(무거운 홀 배리어는 도 4에 도시되지 않음).
(AlP내의 Γ- Γ밴드갭의 값은 Chin-Yu Yeu 등에 의해 제시된 대로 상기 주어진 값보다 더 클 수 있고(4.4eV), M. D. Dawson 등이 "Applied Physics Letters", 권 64(7), 페이지 892(1994)에서 제시한 대로 압축 변형된 층들에 대한 밴드 오프셋은 70:30이 아니라 85:15가 될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 이런 효과는 모두 도 4에 설정된 포텐셜 배리어를 증가시키는 경향이 있다.)
도 4에 도시된 실시예에서, 광도파 영역의 알루미늄 농도는 광도파 영역(10)의 Γ밴드가 AlP층(12)의 X 밴드와 축퇴(degenerate)되도록 선택된다. 이는 X 전자에 대한 양자 우물이 AlP 층에 형성되는 것을 방지하고, 따라서 Chang 등에 의해 제안되고 미국 특허 번호 제5,509,024호에 제안된 디바이스에서 제기되는 문제들을 극복하게 해준다.
더 나아가, AlInP 클래딩 영역에 대해 도 4의 p 도핑된 클래딩 영역(11)의 X 밴드가 AlP층(12)의 X 밴드보다 0.06 eV 높다(클래딩 영역이 더 낮은 알루미늄 몰분율를 가진다면, X 밴드 포텐셜이 더 낮아질 것이다). 따라서, p 도핑된 클래딩 영역으로 이동하기 위해서는 광도파 영역(10)의 소수의 X 전자들이 0.06eV의 포텐셜 배리어를 만나게 되고, 이는 전자들을 도파로 영역 내에 가두는 경향이 있다. 따라서, 도 4에 예시된 구조가 Γ전자와 X 전자 모두에 대한 배리어를 제공한다는 것을 알 수 있다. AlP 층(12)은 p-형 클래딩 층(11)이 제공하는 것보다 더 큰 포텐셜 배리어를 Γ전자에 대해 제공한다.
대조적으로, 도 3에 예시된 종래의 구조에서, p 도핑된 클래딩 영역의 X 전도대는 광도파 영역의 X 밴드보다 낮다. 따라서, 종래의 구조에서 X 전자들이 광도파 영역으로부터 클래딩 영역으로 통과하는 것을 방지해 주는 포텐셜 배리어는 없다.
본 발명의 다른 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 GaAs에 격자 정합된 (Al, Ga, In)P계 제조된 SCH 레이저 디바이스의 밴드갭의 구조를 도시한다. p-형 클래딩 영역(11)은 (AlxGa1-x)0.52In0.48P로 형성되고, 여기서 x는 0.5 < x ≤ 1.0.이고, 바람직하게는 0.7 < x ≤ 1.0.이다. 도 5에 도시된 실시예에서는, x를 1.0으로 선택하였고, 도 5 및 도 9에 도시된 밴드 에너지는 Al0.52In0.48P 클래딩층에 관련된 것이다. 도 5에는 레이저 디바이스의 활성 영역(16) 및 n-형 클래딩 영역(17)을 개략적으로 도시하고 있다. 활성 영역(16) 및 n-형 클래딩 영역(17)의 정확한 특성과 조성은 본 발명에 관한 사항이 아니므로, 더 이상의 설명은 하지 않기로 한다.
이 실시예에서는, 도파로 영역과 p-도핑된 클래딩 영역 간의 계면에 변형 보상형 배리어층을 설치하고 있다. 변형 보상형 배리어층은 AlP층(12)과 InP층(13)으로 이루어진다. 배리어층(14)은 Γ-전자와 X -전자 모두에 대해 포텐셜 배리어를 제공한다.
AlP층(12)과 InP층(13) 모두는 부정합 전위가 발생하는 것을 방지하기 위해 임계 두께보다 적은 두께를 갖도록 선택된다. 따라서, AlP층(12)과 InP층(13) 모두는 변형 상태 하에 있게 된다. 도 4에 관련하여 상술한 바와 같이, AlP층(12)은 격자 상수가 광도파 영역(10)의 격자 상수 (GaAs에 격자 정합되고 5.653Å의 격자 상수를 가짐)보다 약 3.4% 낮기 때문에, 인장 변형 상태에 있게 된다. 그러나, InP층(13)은 격자 상수가 광도파 영역(10)의 격자 상수보다 약 3.8% 크기 때문에 압축 변형 상태에 있다.
압축 변형 상태의 층의 경우, Γ-밴드갭은 증가하는 반면, Χ밴드갭은 감소한다. 가전자대 축퇴는 분할되어, 무거운 홀 밴드가 가벼운 홀 밴드보다 낮은 에너지를 갖는다.
도 4에 관련하여 상술된 바와 같이, AlP층(12)은 광도파 영역(10)의 Γ-전자에 대해 0.801eV의 포텐셜 배리어를 제공한다.
InP층의 두께는, InP층의 제1 가둠 상태(confined state)가 p-도핑된 클래딩 영역(11)의 Χ밴드보다 위에 위치되고 AlP층(12)의 Χ밴드보다 위에 위치되도록 선택된다. 따라서, InP층은 AlP층을 통과하는 전자에 대해 부가적인 전자 반사층으로서 기능한다. 이것은 광도파 영역(10)의 Χ전자에 대해 0.275eV 포텐셜 배리어를 제공한다. 따라서, InP층(13)은 클래딩 영역(11)의 Χ상태를 통한 광도파 영역(10)으로부터의 전자의 손실을 방지한다.
Χ전자에 대한 양자 우물이 AlP층(12)에 설정되는 것을 방지하기 위해 광도파 영역(10)의 알루미늄 함량은 광도파 영역(10) 내의 Γ-밴드가 AlP층(12)의 Χ밴드와 축퇴되도록 선택된다. 이것을 달성하기 위해, 광도파 영역은 바람직하게는 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.45P로 형성된다.
도 9는 도 5의 구조의 광도파 영역 및 p-형 클래딩 영역의 전도대를 도시한다.
에너지 E0, 즉 광도파 영역(10)의 전도대 에너지를 갖는 Γ-전자는 16Å의 두께를 갖는 0.801eV 포텐셜 배리어에 직면한다. 도 4를 참조하여 상술된 바와 같이, Γ-전자중 6% 정도만이 그러한 배리어의 하부를 통해 이동된다(유효 질량 m0=0.15라 가정). (사실상, 두꺼운 p-도핑된 클래딩 영역(11)이 존재하므로, 광도파 영역의 전도대 에너지에서의 Γ-전자의 손실은 거의 없다)
에너지 Eo을 갖는 Χ전자는 InP 층(14)에 의해 제공된 0.275eV 포텐셜 배리어에 직면한다. 유효 질량 mo=0.45임을 가정한다면, 에너지 Eo을 갖는 Χ전자의 대략 6%가 이 배리어를 통과할 것이다.
도 9에 도시된 에너지 E1은 p-형 클래딩 영역(11)의 Γ-밴드와 동일하다. 예를 들어 도 2에 도시된 것과 같은 종래의 SCH 레이저 구조에서, 에너지 E1을 갖는 광도파 영역 내의 전자들은 가두어지지 않는다. 이 전자들이 광도파 영역(10)으로부터 p-형 클래딩 층(11)으로 이동될 가능성은 1이고, 이 전자들은 손실될 것이다. 그러나, 본 발명에서는, 에너지 E1을 갖는 Γ-전자들은 AlP층(12)의 결과로 0.526eV의 포텐셜 배리어에 직면한다. 에너지 E1에서의 Γ-전자들의 대략 87%가 AlP 층(12)에 의해 광도파 영역으로 다시 반사되어, 오직 전자들의 13%만이 광도파 영역(10)으로부터 p-형 클래딩 영역(11)으로 누설될 것이다. 이러한 개선된 가둠은 레이저 다이오드의 효율성 및 고온 동작을 개선시킬 것이다.
본 발명의 다른 이점은 배리어층(14)이 인장 변형 하의 층과 압축 변형 하의 층으로 구성되기 때문에, 배리어층이 변형 보상되는 것이다. 배리어층(14)이 변형 보상되기 때문에, 광도파 영역(10)에서의 전자의 가둠을 더욱 개선시키기 위하여 둘 이상의 배리어층을 제공하는 것이 가능하다. 또한, AlP/InP 초격자 배리어층을 제공하는 것도 가능하다. 도 10은 도 5의 실시예의 변형예를 도시하며 여기서 배리어층(14)이 2개의 AlP 층(12)과 2개의 InP 층(13)으로 형성되고, 도 11은 도 5의 다른 변형예를 도시하며, 여기서, 배리어층(14)은 4개의 AlP 층(12)과 4개의 InP 층(13)의 초격자이다.
변형 보상 배리어층(14)을 사용하여 생기는 또 다른 이점이 있다. 상술한 바와 같이, 변형 층은 초과될 경우 부정합 전위(misfit dislocation)가 발생하게 될 임계 두께를 갖는다. 그러나, 보고된 바와 같이, 변형 보상 배리어층은 결함을 층들로 도입하지 않으면서 각각의 개별적인 층의 임계 두께의 합보다 더 두껍게 만들어질 수 있다. 즉, 전위가 형성되지 않도록 하면서, AlP의 임계 두께와 InP의 임계 두께의 결합보다 두꺼운 변형 보상된 AlP/InP 배리어층을 성장시키는 것이 가능할 수 있다. 보다 두꺼운 전자-반사 배리어가 결함을 도입하지 않고 성장될 수 있다면, 광도파 영역으로 더 많은 전자를 되돌려 반사할 것이므로, 전자의 가둠을 개선한다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 이 실시예는, InP층(14)이 광도파 영역(10)과 AlP층(12) 사이에 위치한다는 점을 제외하고는, 대체로 도 5의 실시예와 유사하다. 도 4 및 도 5의 실시예에서와 같이, 원칙적으로 p-형 클래딩층이 (AlxGa1-x)0.52In0.48P (0.5 < x ≤1.0)이더라도, 도 6에 도시된 밴드 에너지는 Al0.52In0.48P p-형 클래딩층에 대한 것이다. 활성 영역과 n-형 클래딩 영역은 도 6에 도시되지 않는다.
본 실시예에서, InP층(13)은, 제1 가둠 상태가 Γ- 밴드 내에 형성된 포텐셜 배리어의 상단에 위치할 수 있도록 충분히 얇게 형성된다.
본 실시예에서, 광도파 영역(10) 내의 Χ전자는 InP층에 의해 제공되는 0.275eV의 포텐셜 배리어에 직면한다. 도 9와 관련하여 상술한 바와 같이, Χ전자 중의 약 6%만이 그 배리어를 통과할 것이다. 그 결과, AlP층(12)의 X 전자에 대한 양자 우물의 가능한 형성은 덜 중요하다. 따라서, Γ밴드가 AlP층(12)의 X 밴드와 축퇴되도록 광도파 영역(10)의 성분을 선택할 필요가 없다. 이로 인해, LD의 구조 설계는 한층 더 자유로워진다. 특히, 광도파 영역(10)의 알루미늄 조성이 약 x=0.5까지 증가될 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에서, 광도파 영역(10)은 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P로 이루어질 수 있다. 따라서, Γ전자에 대한 포텐셜 배리어는 0.75eV이다.
도 6에 도시된 실시예의 다른 이점은, 홀을 트랩핑할 수 있는 배리어층(14)의 p 도핑 클래딩 영역측에 양자 우물을 형성하지 않는다는 것이다. AlP층(12)에 의해 나타나는 포텐셜 배리어로 주입되는 홀은, InP층(13)에 의해 형성되는 양자 우물을 "오버슈트(overshoot)"하고 광도파 영역(10)으로 진입하는 가능성이 있다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 이 실시예는, 도 5의 AlP층(12)이 GaP층(15)에 의해 대체된다는 점을 제외하고는, 대체로 도 5의 실시예와 유사하다. 본 실시예의 배리어층(14)은 GaP층(15)과 InP층(13)에 의해 형성된다. 도 7에 나타난 밴드 에너지는 Al0.52In0.48P p-형 클래딩 영역(11)에 대한 것이다. 그러나, 원칙적으로 p-형 클래딩 영역은 (AlxGa1-x)0.52In0.48P층 (0.5 < x ≤1.0)으로 형성될 수 있다. 활성 영역과 n형 클래딩 영역은 도 7에 도시되지 않는다.
벌크 GaP는 2.9eV의 Γ- Γ밴드갭과 2.3eV의 Γ- X 밴드갭을 갖는다. GaP는 5.451eV의 격자 상수를 가지며, GaAs에 비해 약 3.7%의 격자 부정합을 나타낸다. 따라서, 도 8의 GaP층(15)은 인장 변형 상태로 될 것이다. 이러한 인장 변형은 GaP층(15)의 Γ- Γ밴드갭을 벌크 GaP에 대한 값 미만으로 저하시키지만, Γ- X 밴드갭은 증가시킬 것이다.
이전 실시예들과 마찬가지로, GaP층(15)의 두께는 부정합 전위(misfit dislocation)가 발생하는 임계 두께 미만으로 감소되어야만 한다. 이러한 임계 두께는 약 16Å가 될 것이다.
AlP 대신에 GaP를 이용하면, 가전자대 내의 홀이 보다 낮은 포텐셜 배리어를 만나게 된다는 이점을 얻을 수 있다. 도 7은 홀에 대한 포텐셜 배리어가, 도 5 및 도 6에서의 0.178eV에 비해 낮은 0.124eV임이 나타나 있다. 16Å 두께의 0.124eV 배리어에 대한 홀 이동 확률은 약 33%이다.
도 7의 구조에 대해 가능한 한 가지 단점은 광도파 영역(10)의 Γ전자에 대한 포텐셜 배리어가 도 5에서보다 낮다는 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, GaP층이 이용되는 경우, Γ전자에 대한 포텐셜 배리어는 AlP층인 경우에서의 0.801eV와 비교할 경우, 0.465eV이다. 유효 질량이 m0= 0.15라고 가정할 때, 16Å 두께의 0.465eV 포텐셜 배리어는 약 11%의 이동 확률을 제공한다. 그러나, 상술한 바와 같이, 배리어층(14)에 인접하는 2.7eV까지의 Γ- Γ 밴드갭을 갖는 두꺼운 (AlGa)InP층이 존재하기 때문에, Γ전자가 p 도핑된 클래딩 영역을 이동할 확률은 계산된 값보다 훨씬 낮아질 것이다.
그 에너지가 클래딩 영역(11)의 Γ밴드와 축퇴하는 광도파 영역(10) 내의 전자가 배리어층(14)을 통과하여 클래딩 영역(11)으로 진입할 확률은 약 18%이다.
본 실시예에서는, Γ밴드가 GaP층 내의 X 밴드와 축퇴하도록 광도파 영역(10)의 알루미늄 조성을 선택하여, X 전자를 트랩핑하는 양자 우물의 형성을 방지하는 것이 바람직하다. 도 7의 실시예에서, 이것은 광도파 영역(10)의 알루미늄 몰분율 x를 0.4로 선택함으로써 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예가 도 8에 도시되어 있다. 이는 InP층(13)이 GaP층(15)과 광도파 영역(10) 사이에 배치되는 점을 제외하면 도 7과 유사하다. 그러므로, 이 실시예는 도 6의 AlP층(12)이 GaP층(15)으로 대체되어진 도 6의 실시예에 해당한다. 도 7에 도시된 밴드 에너지는 Al0.52In0.48P p-형 클래딩 영역(11)에 대한 것이다. 그러나, 원리상 p형 클래딩 영역은 (AlxGa1-x)0.52In0.48P층(0.5 < x ≤ 1.0)으로 형성될 수 있다. 활성 영역 및 n형 클래딩 영역은 도 8에 도시되지 있지 않다.
도 6을 참조하여 전술된 이유로 광도파 영역(10)의 Γ밴드가 GaP층(15)의 X 밴드와 축퇴될 필요가 없다. 이는 광도파 영역의 알루미늄 농도가 도 7의 실시예의 광도파 영역(10)의 알루미늄 농도보다 더 자유롭게 선택될 수 있음을 의미한다. 도 8의 실시예에서, 광도파 영역은 (Al0.4Ga0.6)0.52In0.48P로 형성된다. 이러한 조성을 갖는 광도파 영역(10)에 대해, 대부분의 전자는 Γ밴드에 위치할 것이고, p 도핑된 클래딩 영역(11)으로 이동하는데 0.465eV 포텐셜 배리어를 만날 것이다. 광도파 영역(10)의 X 전자는 InP층의 존재로 인해 0.29eV 포텐셜 배리어를 만날 것이다. 홀 주입에 대한 가전자대의 포텐셜 배리어는 0.124eV이다. 도 6의 실시예에서와 같이, GaP층(15)에 의해 형성된 포텐셜 배리어를 넘은 홀은 광도파 영역(10)으로유입될 가능성이 있고 그 결과 InP층(13)에 의해 형성된 가전자대 내의 양자 우물을 "오버슈트(overshoot)"할 것이다.
전술된 실시예에서, 전자 반사층(12, 13, 15)은 도핑되지 않는다. 그러나, 이 층들이 많은 양으로 p 도핑될 가능성이 있다. 전자 반사층 도핑은 밴드 휨을 유발시키고 이 밴드 휨은 광도파 영역(10)으로부터 p-형 클래딩 영역(11)으로의 전자 이동에 대한 포텐셜 배리어의 높이를 증가시킬 것이다. 배리어층을 p-형 도핑하는 것은 광도파 영역으로의 홀 이동에 대한 배리어 높이를 감소시킬 것이다.
본 발명은 (Al, Ga, In)P 합금계를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 합금계에 한하지는 않는다. 반도체 물리학 및 전자 재료 분야의 통상의 지식을 가진 자는 그 조성이 도 1에 도시된 바와 유사한 전도대 의존성을 갖는 임의의 헤테로 레이저 디바이스에 본 발명이 적용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
상술된 실시예에서, 전자-반사층(12, 13, 15)은 광도파 영역(10)과 p-도핑된 클래딩 영역(11) 간의 계면에 위치되었다. 그러나, 반드시 전자-반사층이 광도파 영역과 p-도핑된 클래딩 영역(11) 간의 계면에 정확히 위치될 필요는 없다. 원칙적으로, 전자-반사층(들)은 광도파 영역의 p-측 내의, 광도파 영역(10) 내에 배치될 수 있다. 또한, 전자-반사 배리어층(들)은 원칙적으로, 광도파 영역과의 계면 근처의 p-도핑된 클래딩 영역 내에 위치될 수 있다. 그러나, 클래딩 영역 내에 Γ-밴드의 포텐셜 배리어가 있더라도, 일단 전자가 p-도핑 클래딩 영역으로 진입하면, 클래딩 영역에서의 Χ상태를 통해 전자 손실이 발생할 수 있기 때문에, 상기와 같은 것은 바람직하지 않다.
본 발명이 SCH 레이저 디바이스를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 SCH 레이저 디바이스에 한하지 않으며, 다른 광 반도체 디바이스에 적용될 수 있다. 예를 들어, 수직 공동(cavity) 레이저 디바이스와 같은 다른 레이저 디바이스나, 공진 공동 LED와 같은 발광 다이오드에 적용될 수 있다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 Γ-전자 및 Χ전자 양쪽 다의 누설을 방지할 배리어를 제공한다. 전자-반사 배리어는 Γ-전자 뿐만 아니라, Χ전자도 반사하기 때문에, p-도핑된 클래딩 영역 내의 Χ상태를 통한 캐리어 손실의 문제가 방지되거나 또는 적어도 상당히 감소된다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 전자 반사층의 Χ전도대는 광도파 영역의 Γ-전도대와 실질적으로 축퇴되도록 선택된다. 이것은 Γ-전자를 반사하기 위한 층 내의 Χ전자에 대한 양자 우물(quantum well)의 형성을 방지한다. 이것은 예를 들어, 광도파 영역의 조성물을 적절히 선택함으로써 행해질 수 있다.

Claims (28)

  1. 광 반도체 디바이스에 있어서,
    활성 영역과,
    상기 활성 영역의 일측에 배치된 p-도핑된 클래딩 영역
    을 포함하고,
    Γ-전자 및 Χ-전자 모두를 반사하는 전자-반사 배리어(electron-reflecting barrier)가 상기 활성 영역과 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 설치되고, 상기 전자-반사 배리어가 상기 p-도핑된 클래딩 영역보다 큰 포텐셜 배리어(potential barrier)를 Γ-전자에 대하여 제공하고,
    상기 전자-반사 배리어는 Γ-전자를 반사하는 제1 전자 반사층 및 Χ-전자를 반사하는 제2 전자 반사층을 포함하는
    광 반도체 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자-반사층들중 적어도 하나는 변형층(strained layer)인 광 반도체 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자-반사층들중 하나는 압축 변형(compressive strain)의 상태에 있으며, 상기 전자-반사층들중 다른 층은 인장 변형(tensile strain)의 상태에 있는 광 반도체 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스는 발광 다이오드인 광 반도체 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스는 레이저 디바이스인 광 반도체 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 디바이스는 광도파 영역을 포함하는 분리 가둠형 헤테로구조 레이저 디바이스(separate confinement heterostructure laser device)이며, 상기 활성 영역이 상기 광도파 영역 내에 배치되는 광 반도체 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 Γ-전자 반사층은 상기 광도파 영역과 상기 Χ-전자 반사층 사이에 배치되는 광 반도체 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광도파 영역의 Γ-전도대(conduction band)는 상기 Γ-전자 반사층의 Χ-전도대와 실질적으로 축퇴(degenerate)하는 광 반도체 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 Γ-전자 반사층은 상기 Χ-전자 반사층과 상기 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치되는 광 반도체 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전자-반사 배리어는 Γ-전자를 반사하는 복수의 제1 전자 반사층 및 Χ-전자를 반사하는 복수의 제2 전자 반사층을 포함하는 광 반도체 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전자-반사 배리어는 초격자(superlattice) 구조인 광 반도체 디바이스.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스는 (Al, Ga, In)P계로 제조되며, 상기 Γ-전자 반사층은 AlP 및 GaP를 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어지며, 상기 Χ-전자 반사층은 InP로 이루어지는 광 반도체 디바이스.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 디바이스는 (Al, Ga, In)P계로 제조되며, 상기 Γ-전자 반사층 각각은 AlP 및 GaP를 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어지며, 상기 Χ-전자 반사층 각각은 InP로 이루어지는 광 반도체 디바이스.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 Γ-전자 반사층은 AlP이며, 상기 광도파 영역은 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P인 광 반도체 디바이스.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 전자 반사층 각각의 두께는 16Å 이하인 광 반도체 디바이스.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 전자 반사층들중 적어도 하나는 p-도핑된 광 반도체 디바이스.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전자 반사층은 인듐을 포함하는 광 반도체 디바이스.
  19. 제7항에 있어서,
    상기 전자 반사 배리어는 상기 광도파 영역과 상기 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치되는 광 반도체 디바이스.
  20. 광 반도체 디바이스에 있어서,
    광도파 영역과,
    적어도 하나의 포텐셜 우물(potential well)을 갖는 활성 영역으로서 상기 광도파 영역 내에 배치되는 활성 영역과,
    상기 광도파 영역의 양측에 배치된 n-도핑된 클래딩 영역 및 상기 p-도핑된 클래딩 영역
    을 포함하고,
    Γ-전자를 반사하는 전자 반사층이 상기 활성 영역과 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 설치되고,
    상기 전자 반사층이 상기 광도파 영역과 접촉하여 상기 광도파 영역의 Γ-전도대가 상기 전자 반사층의 Χ-전도대와 실질적으로 축퇴하며,
    상기 전자 반사층은 AlP로 형성되는
    광 반도체 디바이스
  21. 제20항에 있어서,
    상기 광도파 영역은 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P로 형성되는 광 반도체 디바이스.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 전자 반사층은 p-도핑된 광 반도체 디바이스.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 전자 반사층은 상기 광도파 영역과 상기 p-도핑된 클래딩 영역 사이에 배치되는 광 반도체 디바이스.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 디바이스는 분리 가둠형 헤테로구조 레이저 디바이스인 광 반도체 디바이스.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
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