KR100554409B1 - 산화아연（ＺｎＯ）헤테로구조 서브밴드 사이의광학천이를 이용한 광반도체소자 - Google Patents

산화아연（ＺｎＯ）헤테로구조 서브밴드 사이의광학천이를 이용한 광반도체소자 Download PDF

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Abstract

기판으로서 투명기판, 가소성 기판을 사용할 수 있는 고효율, 광대역 발광소자 또는 수광소자 및 초고속으로 광변조 또는 광스위치를 행할 수 있고, 테라비트/초(terabit/sec) 이상의 광통신시스템에 대응할 수 있는 양자(量子) 웰(well)의 서브밴드 사이의 광학천이(光學遷移)를 이용한 광반도체소자를 제공한다. 광반도체소자에 있어서, 아연산화물 또는 아연산화물 혼정박막(混晶薄膜)을 양자웰로 하는 구조를 가지며, 양자웰 구조 내에 존재하는 서브밴드 사이의 광학천이를 이용한 광반도체소자. 이 소자는 투명기판 또는 가소성 기판 위에 온도 200℃ 이하에서 막을 형성함으로써 제작할 수 있다. 장벽층은 ZnMgO나 일반식 RMO3(AO)m (R=Sc 또는 In; M= In, Fe, Cr, Ga, 또는 Al; A = Zn, Mg, Cu, Mn, Fe, Co, Ni 또는 Cd; m = 자연수)로 표현되는 호모로가스 화합물(homologous compound) 또는 (Li, Na) (Ga, Al) 로 이루어지는 절연체 등을 사용한다.

Description

산화아연（ＺｎＯ）헤테로구조 서브밴드 사이의 광학천이를 이용한 광반도체소자{Optical semiconductor element utilizing optical transition between ZnO heterostructure sub-bands}
본 발명은 고효율, 광대역(廣帶域) 발광소자 또는 수광소자 및 초고속 광제어 광스위치 또는 광변조기(光變調器)를 실현하기 위한 서브밴드(subband) 사이의 광학천이(光學遷移)를 이용한 광반도체소자에 관한 것이다.
양자(量子) 웰(well)구조 서브밴드 사이의 광반도체소자는 서브밴드 사이의 광학천이에 있어서의 천이확률이 크다는 것, 구조에 따라 천이파장을 광범위로 제어 가능하다는 것 때문에 근적외(近赤外)에서 테라헤르츠대까지 동작 가능한 소자로서 주목되고 있다.
예를 들면, 일본국 특개평8(1996)-179387호 공보에는 단결정(화합물 반도체 또는 사파이어) 기판 상에 형성한 GaN 웰층과 AlN 장벽층으로 이루어지는 양자웰구조를 가진 광스위치로서, GaN 웰층의 밴드단(端) 에너지EEDGE 가 GaN 웰층의 서브밴드 간격에 상당하는 동작파장의 에너지EOP 의 2배보다도 큰 것이 개시되어 있다.
또, 특허 2991707호 공보에는 폭이 같은 2개의 제1의 양자웰층 사이에 이 웰 층과는 폭이 다른 제2의 양자웰층을 배치하고, 또한 제1 및 제2의 양자웰층 사이에 이들 웰층보다 폭이 좁은 양자장벽층을 배치하여 이루어지는 결합양자웰 구조를 인듐 ·인(InP) 등의 단결정 기판 상에 형성한 것이며, 제1 및 제2의 양자웰층은 InGaAs 로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 AlAs, AlGaAs, AlAsSb 또는 AlGaAsSb 로 이루어지며, 결합양자웰 구조의 전도대(傳導帶)에 있어서의 모든 서브밴드 사이의 에너지차가 36 meV 이상인 것이 개시되어 있다.
또한, 「전자정보통신학회 논문집」〔淺野 卓(아사노 다까시), 野田 進(노다 스스무)「서브밴드 사이의 천이를 이용한 초고속 광제어변조」'99/6, Vol. J82-C-1, No. 6, pp291∼300〕에는 GaAs 기판에 형성한 GaAs/AlGaAs 양자웰에 있어서의 중적외(中赤外) 서브밴드 사이의 천이를 이용한 디바이스이고, 1펄스 당 1pJ 정도의 저에너지로 반치폭(半値幅) 1ps 정도의 초고속 광제어 광변조를 실현할 수 있는 가능성이 개시되어 있다.
또한, 이 논문에는 GaAs 기판 상의 GaAs/AlGaAs 양자웰의 웰층에 In 을 첨가하여 금제대폭(禁制帶幅)을 작게 하고, 장벽층의 Al 조성을 증가시켜 금제대폭을 크게 한 InGaAs/AlAs 양자구조에서의 웰의 깊이는 1.1eV 이상으로, 종래의 GaAs/Al0.3 Ga0.7As 양자웰에 있어서의 약 0.3 eV에 비해 상당히 크고, 파장이 1.9㎛ 라는 근적외역(近赤外域)까지의 단파장화를 달성하였다고도 보고되어 있다.
종래의 서브밴드 사이의 광반도체소자는 주로 GaAs, InP 과 같은 불투명 기 판 상에 제작되어 있었기 때문에, 디바이스 플레이 등의 디바이스응용에 관하여 제한이 있었다. 또, 서브밴드 사이의 천이의 단파장화에는 웰층의 폭을 수 원자층 정도로 좁게 하고, 또한 에너지적으로 깊은 양자웰이 필요해진다. 특히 광통신의 파장대인 1.55㎛ 이하의 파장으로 서브밴드 사이의 천이를 실현하기 위해서는 매우 깊은 양자웰(1.5 eV)이 요구된다.
본 발명은 기판으로서 투명기판을 사용할 수 있는 고효율, 광대역 발광소자 또는 수광소자 및 초고속으로 광변조 또는 광스위치를 행할 수 있고, 테라비트(terabit)/초 이상의 광통신 시스템에 대응할 수 있는 양자웰 구조의 서브밴드 사이의 광학천이를 이용한 광반도체소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명은 투명기판 상에 작성한 ZnO 헤테로구조를 사용하여, (a) ZnO 헤테로구조 서브밴드 사이의 광학천이를 이용한 고효율, 광대역 발광소자 또는 수광소자, (b) ZnO 헤테로구조 서브밴드 사이의 광학천이를 이용한 초고속 광제어 광스위치 또는 광변조기를 실현하는 것이다.
즉, 본 발명은 소자를 투명기판상에 제작하였고, 소자와 기판 전체가 가시광 영역에서 투명한 광반도체소자이고, 아연산화물 또는 아연산화물 혼정박막(混晶薄膜)을 양자웰층으로 하고, SiOx, SiNx, ZnMgO, 일반식 RMO3(AO)m(R = Sc, Fe 또는 In; M = In, Fe, Cr, Ga 또는 Al; A = Zn, Mg, Cu, Mn, Fe, Co, Ni 또는 Cd; m = 자연수)로 표현되는 호모로가스 화합물(homologous compound), 또는 (Li, Na) (Ga, Al)O2 로 이루어지는 절연체를 장벽층으로 하고, 양자웰 구조와 ZnO 초격자구조가 1층 또는 복수층 적층한 구조로 이루어지고, 양자웰 구조내의 동일 밴드에 속하는 서브밴드 사이의 광학천이를 이용해서, ZnO 초격자 구조에 의한 발광 및 수광, 서브밴드 사이의 광흡수에 의한 수광, 또는 서브밴드 사이의 흡수의 흡수포화를 이용한 광제어 광스위치를 가능하게 하고, 근적외로부터 테라헤르츠 영역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 반도체소자이다.
또, 본 발명은 소자를 소자를 가소성 기판 상에 제작한 광반도체소자이다.
또, 본 발명은 소자를 ITO 투명유리 기판 상에 퇴적하여 막을 형성함으로써 제작한 광반도체소자이다.
또, 본 발명은 상기 광반도체소자에 있어서, 양자웰 구조와 ZnO 초격자 구조가 한 층 또는 복수층 퇴적한 헤테로 구조를 갖고, 양자웰 구조내에 존재하고, 동일 밴드에 속하는 서브밴드의 인접한 ZnO 초격자 구조의 미니밴드로 부터 아연산화물 또는 아연산화물 혼정 양자웰 구조 내의 서브밴드에 주입된 캐리어에 의한 서브밴드 사이의 광학천이를 이용한 반도체 발광소자 또는 수광소자이다.
또, 본 발명은 상기 광반도체소자의 양자웰 구조의 전도대의 하나의 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 제어광으로 하고, 같은 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광 또는 양자웰 구조의 전도대의 다른 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 신호로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광스위치 또는 광변조기이다.
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또, 본 발명은 상기 광반도체소자의 양자웰 구조의 가전자대(價電子帶)의 하나의 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 제어광으로 하고, 같은 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광 또는 양자웰 구조의 가전자대의 다른 서브밴 드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 신호광으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광스위치 또는 광변조기이다.
또, 본 발명은 상기 광반도체소자의 양자웰 구조의 전도대의 하나의 서브밴드사이의 천이에너지에 상당하는 광을 제어광으로 하고, 그 전도대의 서브밴드와 가전자대의 서브밴드에 공명하는 밴드광을 신호광으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광스위치 또는 광변조기이다.
또, 본 발명은 상기 광반도체소자의 양자웰 구조의 가전자대의 하나의 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 제어광으로 하고, 그 가전자대의 서브밴드와 전도대의 서브밴드에 공명하는 밴드광을 신호광으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광스위치 또는 광변조기이다.
종래, 청색 ·자외영역의 발광소자로서 Ⅲ족 - 질화물, Ⅱ족 - 셀렌화물, Ⅱ족 - 산화물의 화합물 반도체가 알려져 있다. Ⅱ족 - 산화물로서의 ZnO 는 투명도전성 물질이고, 실온에서의 밴드 갭이 3.37 eV의 Ⅱ족 - Ⅵ족 반도체이며, 같은 우르츠광에 속하는 GaN 과 밴드 갭이나 격자상수 등의 점에서 유사하지만, 여기자(勵起子)의 결합에너지(EB ex)가 60 meV로 매우 크다. 본 발명의 ZnO 헤테로구조 서브밴드간 광반도체소자는 양자웰 구조의 웰폭을 수(數) 원자층 정도로 좁게 할 수 있다.
장벽층은 ZnO 와 격자 정합하여 또한 매우 밴드오프셋이 큰 물질인 SiOX, SiNX, 호모로가스 화합물(homologous compound), (Si, Na) (Ga, Al)O2 등의 절연체를 사용한다. 도 1은 ZnO 와 호모로가스 화합물(homologous compound)의 격자상수의 관계를 나타내고 있다. 횡축은 산화물 중의 CN : 6에 있어서의 A 사이트의 이온반경이며, 종축은 세퍼레이터(nm)이다. 제2도는 ZnO 양자웰의 웰폭과 서브밴드 사이의 천이에너지의 관계(계산결과)를 나타내고 있다. 횡축은 ZnO 양자웰의 웰폭(nm)이다. 종축은 서브밴드 사이의 천이에너지(eV)이다. 웰폭이 2.5㎚ 이하에서 서브밴드 사이의 천이에너지가 0.5eV 이상으로 된다.
ZnO 는 도 1에 나타낸 바와 같이 호모로가스 화합물(homologous compound)로 대표되는 바와같은 절연체 RMO3(AO)m(R = Sc, Fe 또는 In; M = In, Fe, Cr, Ga, 또는 Al; A = Zn, Mg, Cu, Mn, Fe, Co, Ni 또는 Cd; m = 자연수) 또는 (Li, Na) (Ga, Al)O2 와의 격자정합성이 양호하고, 이들을 장벽층에 갖는 헤테로구조는 매우 큰 밴드불연속량을 가지고 있으므로, 근적외에서 테라헤르츠대까지의 넓은 파장범위로 동작 가능하다.
또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 양자웰층인 ZnO 와 장벽층인 호모로가스 화합물(homologous compound)로 대표되는 절연체 RMO3(AO)m(R = Sc, Fe 또는 In; M = In, Fe, Cr, Ga 또는 Al; A = Zn, Mg, Cu, Mn, Fe, Co, Ni 또는 Cd; m = 자연수 또는 (Li, Na) (Ga, Al)O2) 의 사이에는 수 eV 정도의 큰 밴드 불연속량이 존재하므로 파장 가변성이 매우 크다.
또한, ZnO 는 ITO 등의 비내열성의 투명유리기판 위나 플라스틱 필름과 같은 가소성 기판 위에 200℃ 이하의 저온에서 막을 퇴적 가능하며, 본 발명의 ZnO 헤테로구조 서브밴드 사이의 광반도체소자는 최근 보고되어 있는 ZnO 를 베이스로 한 트랜지스터나 레이저 등과 집적이 가능하다. 기판으로서는 종래와 같이 화합물 반도체기판, 사파이어기판도 사용할 수 있지만, ITO 등 투명유리기판을 사용함으로써 디스플레이 등의 디바이스응용이 가능해진다.
도 3은 서브밴드 사이의 에너지와 서브밴드 사이의 완화시간의 관계(계산결과)를 나타낸다. 횡축은 천이에너지이고, 종축은 서브밴드 완화시간(pico/sec)이다. 광제어 광스위치에 있어서, 초고속으로 신호광의 스위칭을 행하기 위해서는 여기(勵起)된 캐리어가 초고속의 완화시간을 갖는 것이 필요한데, Zn O는 GaN 에 비하여 2배 정도의 빠른 완화시간을 가지고 있어 반복 테라비트의 동작이 가능하다. 또 광변조기에 있어서, 변조주파수는 서브밴드 사이의 완화시간으로 결정되지만, 본 발명의 ZnO 헤테로구조 서브밴드 사이의 광반도체소자는 테라헤르츠대∼근적외의 광을 사용하여 자외선(청색, 자색)영역의 광을 고속으로 변조할 수 있다.
도 1은 ZnO 와 호모로가스 화합물(homologous compound)의 격자상수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 무한장벽 포텐셜(potential)을 가정한 경우의 ZnO 양자웰 구조의 웰폭과 서브밴드 사이의 천이에너지의 관계(계산결과)를 나타낸 그래프이다.
도 3은 서브밴드 사이의 에너지와 서브밴드 사이의 완화시간의 관계(계산결과)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 발광소자를 보여주는 개략도로서, 이 발광소자는 단층 또는 다층구조의 ZnO 양자웰 구조와 각각 그 양측에 배치된 ZnO 초격자구조를 갖는다.
도 5는 본 발명의 수광소자를 보여주는 개략도로서, 이 수광소자는 단층 또는 다층구조의 ZnO 양자웰 구조와 각각 그 양측에 배치된 ZnO 초격자구조를 갖는다.
도 6은 본 발명의 양자웰층 또는 장벽층에 도핑된 ZnO 양자웰 구조의 단층 및 다층구조를 가진 수광소자를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 발광소자 또는 수광소자로 이루어지는 광반도체소자구조의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 ZnO 양자웰 구조의 단층 및 다층구조로 이루어지는 광스위치의 동작원리를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 ZnO 양자웰 구조의 단층 및 다층구조로 이루어지는 광변조기의 동작원리를 모식적으로 나타낸 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
(a) ZnO 헤테로구조를 이용한 서브밴드 사이의 발광·수광소자의 구조
도 4는 본 발명의 발광소자를 보여주는 개략도로서, 이 발광소자는 단층 또는 다층구조의 ZnO 양자웰 구조와 각각 그 양측에 배치된 ZnO 초격자구조를 갖는다. 도 5는 본 발명의 수광소자를 보여주는 개략도로서, 이 수광소자는 단층 또는 다층구조의 ZnO 양자웰 구조와 각각 그 양측에 배치된 ZnO 초격자구조를 갖는다.
발광·수광소자는 도 4 및 도 5에 나타낸바와 같이, 기판 상에 ZnO 양자웰 구조(1)과 ZnO 초격자구조(2),(3)가 1층 또는 복수층 적층한 구조로 이루어진다. ZnO 양자웰 구조 및 초격자구조는 ZnO 와 ZnO 혼정(混晶)(예를 들면 Mg 등을 고용(固溶)한 고용체), 호모로가스 화합물(homologous compound) 또는 (Li, Na) (Ga, Al)O2 를 교대로 1층 또는 복수층 적층시킨 구조로 이루어진다. 수광소자는 도 6에 나타낸바와 같이, 웰층 또는 장벽층에 도핑된 ZnO 양자웰 구조(4)의 단층 및 다층구조라도 된다.
도 7은 본 발명의 광반도체소자구조의 일 예를 나타내는 단면도이다. 기판(11) 위에 ZnO 혼정 또는 호모로가스 화합물(homologous compound)의 클래드(clad)층(12)을 통해 ZnO 와 ZnO 혼정, 호모로가스 화합물(homologous compound) 또는 (Li, Na) (Ga, Al)O2(13)를 교대로 한 층 또는 복수층 적층시킨 양자웰 구조가 형성되어 있다. 이 양자웰 구조 위에는 ZnO 혼정 또는 호모로가스 화합물(homologous compound)의 클래드층(14)이 형성되어 있다.
양자웰층 및 장벽층은 각각 수 nm 에서 수십 nm 정도의 두께로 한다. 이들 각 층은 유기금속 기상성장(MOCVD)법이나 레이저분자선 에피택시(MBE)법에 의해 형성할 수 있다. 여기서 초격자 및 양자웰 구조에 있어서의 장벽층은 ZnMgO 나 호모로가스 화합물(homologous compound)로 대표되는 절연체 RMO3(AO)m(R = Sc, Fe 또는 IN; M = In, Fe, Cr, Ga 또는Al; A = Zn, Mg, Cu, Mn, Fe, Co, Ni 또는 Cd; m = 자연수) 또는 (Li, Na) (Ga, Al)O2 가 바람직하다.
(Li, Na) (Ga, Al)O2, 예를 들면 LiGaO2 는 우르츠광 형의 결정구조를 가지며, ZnO 에 대한 격자 미스매치(miss match)가 3%이고, PLD법에 의해 LiGaO2 단결정을 타깃으로서 사용하여, 성장온도 450∼750℃, 산소분압 1×10-4 Torr정도에서 ZnO 위에 박막을 작성할 수 있다.
ZnO 헤테로구조 서브밴드 사이의 발광은 인접한 ZnO 초격자구조의 미니밴드로부터 ZnO 양자웰 구조 내의 제2 서브밴드에 주입된 캐리어가 ZnO 양자웰 구조 내의 동일한 밴드에 속하는 서브밴드에서 완화할 때에 일어난다. ZnO 헤테로구조 서브밴드 사이의 수광은 인접한 ZnO 초격자구조의 미니밴드로부터 ZnO 양자웰 구조의 제1 서브밴드에 주입된 캐리어가 수광을 흡수하여 ZnO 양자웰 구조 내의 동일한 밴드에 속하는 서브밴드에 여기(勵起)될 때에 일어난다.
또, ZnO 헤테로구조 서브밴드 사이의 수광에 관해서는 양자웰층 또는 장벽층에 도프된 ZnO 양자웰 구조의 서브밴드 사이의 광흡수를 이용할 수도 있다. 수광의 경우, 어느 것이건 서브밴드 사이의 광흡수전류에 의해 검출한다. 도 1에 도시한 바와 같이, ZnO 와 호모로가스 화합물(homologous compound) 또는 (Li, Na)(Ga, Al)O2는 격자 정합성이 양호하며, 도 2에 도시한 바와 같이, 적외(赤外)로부터 테라헤르츠대라는 광대역에서 발광 및 수광이 가능해진다.
발광 및 수광하기 위해서는 특정의 서브밴드에 캐리어를 주입하거나, 또 서브밴드에서 캐리어를 제거하지 않으면 안 된다. 이 초격자구조는 결국 특정의 서브밴드 캐리어를 넣거나, 빼내거나 하기 위한 브리지 역할을 한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 초격자구조 중에 형성되는 미니밴드라고 불리는 같은 정도의 에너지를 가진 서브밴드가 복수 모인 밴드를 이용하면, 주입 및 빼내기를 용이하게 할 수 있다. 전극층에서 캐리어를 직접 주입하려고 하면 매우 큰 전계(電界)가 구조에 걸리게 되어 소자는 브레이크다운(breakdown)되어 버린다.
(b) ZnO 헤테로구조를 사용한 서브밴드 사이의 광제어 광스위치·변조기의 구조
도 8은 본 발명의 서브밴드 사이의 광제어 광스위치의 동작원리를 모식적으로 나타낸다. 동일한 밴드에 속하는 서브밴드의 서브밴드 사이의 에너지에 공명한 광(제어광 C라 함)이 입사하면 서브밴드 사이의 광흡수에 의해 캐리어가 기저준위(E1)에서 여기준위(E2)로 모두 천이하고, 서브밴드 사이의 흡수가 없어진다. 그때, 같은 또는 별도의 서브밴드 사이의 에너지에 공명한 광(신호광 S라 함)은 제어광 C에 의해 기저준위(E1)에 캐리어가 존재하지 않게 됨으로써 모두 투과한다.
또, 도 9는 서브밴드 사이의 광제어 광변조기의 동작원리를 모식적으로 나타낸다. 동일한 밴드에 속하는 서브밴드의 서브밴드 사이의 에너지에 공명한 광(제어광 C라 함)이 입사하면, 서브밴드 사이의 광흡수에 의해 캐리어가 모두 기저준위(E1)에서 여기준위(E2)로 천이한다. 제어광 C이 입사함으로써, 기저준위(E1)의 서브밴드에 캐리어가 존재하지 않게 되므로, 밴드 사이의 에너지에 공명한 광(신호광 S라 함)이 입사하면, 밴드 사이의 흡수가 일어나 신호광 S의 투과율이 제로로 된다.
ZnO 헤테로구조를 사용한 서브밴드 사이의 광제어 광스위치는 서브밴드 사이의 흡수의 흡수포화를 이용한다. 그러나 종래의 GaAs와 같은 재료에서는 서브밴드사이의 완화시간이 더디고 고속동작이 곤란하다. ZnO는 크나큰 Frohlic 상호작용으로 인해, 도 3에 나타낸바와 같이 GaAs, GaN 과 비교하여 서브밴드 사이의 완화시간이 매우 빠르고 또 호모로가스 화합물(homologous compound)로 대표되는 절연체 RMO3 (AO)m (R = Sc, Fe 또는 In; M = In, Fe, Cr, Ga 또는 Al; A = Zn, Mg, Cu, Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cd; m = 자연수) 또는 (Li, Na) (Ga,Al)O2 와의 사이의 밴드 불연속량이 매우 크므로, 광통신에 중요한 1.3㎛ 및 1.55㎛ 대에서 초고속동작이 가능해진다.
ZnO 헤테로구조에서는 서브밴드 사이의 완화시간이 초고속임에 더하여 서브밴드 사이의 광을 게이트광으로 이용하여 자외영역(紫外領域)에 있는 밴드 사이의 광을 초고속으로 변조하는 것이 가능하다.
본 발명에 의하면, 폭 넓은 디바이스 응용이 가능한 투명기판, 가소성 기판 상에 제작할 수 있는 ZnO 헤테로구조 서브밴드 사이의 광대역 ·초고속 광반도체소자를 제공할 수 있다. 본 발명의 광반도체소자는 근적외로부터 테라헤르츠영역에서 동작하는 발광다이오드, 레이저 다이오드, 포토디텍터, 광스위치, 광변조기 등의 제품에 적용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 소자를 투명기판상에 제작한 가시광역에서, 소자와 기판가 투명한 광반도체소자이고 아연산화물 또는 아연산화물 혼정박막(混晶薄膜)을 양자웰층으로 하고, SiOx, SiNx, ZnMgO, 일반식 RMO3(AO)m(R = Sc, Fe 또는 In; M = In, Fe, Cr, Ga 또는 Al; A = Zn, Mg, Cu, Mn, Fe, Co, Ni 또는 Cd; m = 자연수)로 표현되는 호모로가스 화합물(homologous compound), 또는 (Li, Na) (Ga, Al)O2 로 이루어지는 절연체를 장벽층으로 하고, 양자웰 구조(1)와 ZnO 초격자구조(2),(3)가 1층 또는 복수층 적층한 구조로 이루어지고, 양자웰 구조(1)내의 동일 밴드에 속하는 서브밴드 사이의 광학천이를 이용해서, ZnO 초격자 구조(2),(3)에 의한 발광 및 수광, 서브밴드 사이의 광흡수에 의한 수광, 또는 서브밴드 사이의 흡수의 흡수포화를 이용한 광제어 광스위치를 가능하게 하고, 근적외로부터 테라헤르츠영역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 반도체소자이다.
  2. (삭제)
  3. 제1항에 있어서, 소자를 가소성 기판 상에 제작한 광반도체소자.
  4. 제1항에 있어서, 소자를 ITO 투명유리 기판 상에 퇴적하여 막을 형성함으로써 제작한 광반도체소자.
  5. (삭제)
  6. (삭제)
  7. 제1항에 있어서, 양자웰 구조(1)와 ZnO 초격자 구조(2),(3)가 한 층 또는 복수층 퇴적한 헤테로 구조를 갖고, 양자웰 구조(1)내에 존재하고, 동일 밴드에 속하는 서브밴드의 인접한 ZnO 초격자 구조(2),(3)의 미니밴드로부터 아연산화물 또는 아연산화물 혼정 양자웰층 내의 서브밴드에 주입된 캐리어에 의한 서브밴드 사이의 광학천이를 이용한 반도체 발광소자 또는 수광소자.
  8. 제1항 기재의 광반도체소자의 양자웰 구조(1)의 전도대(傳導帶)의 하나의 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 제어광으로 하고, 같은 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광 또는 양자웰 구조(1)의 전도대의 다른 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 신호광으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광스위치 또는 광변조기.
  9. 제1항 기재의 광반도체소자의 양자웰 구조(1)의 가전자대(價電子帶)의 하나의 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 제어광으로 하고, 같은 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광 또는 양자웰 구조(1)의 가전자대의 다른 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 신호광으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광스위치 또는 광변조기.
  10. 제1항 기재의 광반도체소자의 양자웰 구조(1)의 전도대의 하나의 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 제어광으로 하고, 그 전도대의 서브밴드와 가전자대(價電子帶)의 서브밴드에 공명하는 밴드광을 신호광으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광스위치 또는 광변조기.
  11. 제1항 기재의 광반도체소자의 양자웰 구조(1)의 가전자대의 하나의 서브밴드 사이의 천이에너지에 상당하는 광을 제어광으로 하고, 그 가전자대의 서브밴드와 전도대의 서브밴드에 공명하는 밴드광을 신호광으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 광스위치 또는 광변조기.
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