KR100603057B1 - 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 및레이저 광의 발생방법 - Google Patents

자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 및레이저 광의 발생방법 Download PDF

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Abstract

종래의 원편광 반도체 레이저는 원편광도가 충분하지 않았다．본 발명은 반도체에 천이금속 원자를 도프하고, 또한 이들에 억셉터나 도우너를 도프하는 것에 의하여 만들어 낸 p형 및 n형 하프메탈 자성반도체 또는 이러한 자성반도체에 게이트를 붙여 전계효과에 의하여 강자성 상태를 조정ㆍ제어하여 만들어 낸 p형 및 n형 하프메탈 자성반도체를 이용하여 전류주입에 의해 완전하게 원편광 한 레이저(laser)광을 발생할 수 있는 원편광 스핀 반도체 레이저이다.
자성반도체, 반도체 레이저, 원편광, 스핀, 하프메탈

Description

자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 및 레이저 광의 발생방법 {Cicular polarization spin semiconductor laser using magnetic semiconductor and laser beam generating method}
본 발명은 자성반도체를 이용한 원편광(circularly polarized light) 스핀 반도체 레이저와 그 레이저에 의한 레이저(laser) 광의 발생방법에 관한 것이다.
반도체 레이저는 컴팩트하고，게다가，고 집적 반도체 디바이스와의 정합성도 좋고, 최근에는 와이드 밴드 갭 반도체를 이용한 고출력이 가능해지고，발진파장도 자외광 영역까지를 실현하고 있다.
자성반도체 레이저는 꽤 이전부터 알려져 있고(예를 들면, 특허문헌 1), 특정한 편광방향을 갖는 원편광 반도체 레이저도 알려져 있다.
예를 들면,「활성 영역을 갖는 pn 접합 또는 pin 접합구조의 반도체 소자의 상부 또는 하부 또는 그 양쪽에 자성체 전극을 설치하고，그 자성체 전극에 의하여 활성영역에 스핀 편극한 전자 또는 정공을 주입하도록 한 광 반도체 소자」가 알려져 있다(특허문헌 2).
마찬가지로,「헤테로 접합을 형성한 반도체층에 자성체층을 통하여 스핀 편극 전자를 주입해서 스핀 편극 캐리어를 재결합시켜 원편광을 발진하는 광 반도체 장치」가 알려져 있다(특허문헌 3)．이 장치는 외부 자장에 의한 자성체의 자화 반전에 의하여 원편광을 변조하는 것이다．
또한, p형 콘택트 층 및 n형 콘택트 층의 적어도 한쪽의 콘택트 층에 접합하는 강자성층을 형성하는 것에 의하여 캐리어의 반전 분포 상태가 생기기 쉽게 한 광 반도체 장치가 알려져 있다(특허문헌 4).
또한，종래의 면 발광 레이저에 파장(波長)판을 이용하여 우회전(σ＋) 및 좌회전의 원편광 상태로 조정한 여기광을 조사해서 원편광 레이저 발진시키는 스핀 제어 반도체 레이저가 알려져 있다(비특허문헌 1).
특허문헌 1 미국특허 제 398614호 명세서ㆍ도면(특공소 52-36832호 공보)
특허문헌 2 특개평 6-26072호(특허 제 2708085호)공보
특허문헌 3 미국특허 제 5874749호 명세서ㆍ도면(특표평 9-501266호 공보)
특허문헌 4 특개평 10-321964호 공보
비특허문헌 1 H.Ando et.al.Appl.Phys.Lett.73(1998)566
발명의 개시
원편광 스핀 반도체 레이저의 산업응용으로서, 생산기술에의 응용, 정보통신 기술, 스펙트로스코피(Spectroscopy)，나노테크놀로지，양자조작 등 여러방면으로 산업응용이 기대되고 있음에도 불구하고，종래, 전류주입에 의한 원편광의 강력한 레이저(laser)광을 얻을 수 없었다. 이 이유는 100% 스핀분극한 p형이나 n형 반도체를 제작할 수 없었기 때문이다．
원편광의 스핀 반도체 레이저를 개발하기 위해서는, 반도체의 전도대를 s전자밴드, 가전자대를 p전자밴드로 했을 때, 주입된 전자와 홀의 스핀이 반(反) 평행(Nonpararrel)인 레이저 구조를 제작하는 것이 필요해진다.
이와 같은 구조를 제작할 수 있다면, 쌍극자 천이기구에 의한 선택칙(選擇則, selection rule)으로부터 발광하는 빛은 완전한 원편광이 가능해진다．
본 발명은 이와 같은 선택칙을 충족시키는 p형 및 n형 하프메탈(halfmetal) 강자성 반도체를 형성하고, 이것에 의해 활성층으로 되는 다중 양자우물을 끼워넣어서 상기의 문제를 해결하여 원편광의 스핀 반도체 레이저를 개발하는 것을 목적으로 한다．
원편광 스핀 반도체 레이저를 개발하기 위해서는, n형 자성 반도체로부터 주입되는 전자와 p형 자성 반도체로부터 주입되는 홀의 스핀이 반(反) 평행인 pn접합에 의한 레이저 구조를 제작하여 쌍극자 천이에 의한 선택칙으로부터, 발광하는 레이저(laser)광을 완전한 원편광으로 할 필요가 있다.
본 발명자는 p형 하프메탈(자기 모멘트 방향이 일방향) 강자성 반도체 및 n형 하프메탈 강자성 반도체에 활성층으로 되는 다중 양자우물을 끼워넣어 전류주입하는 것에 의하여 그 p형 및 n형 강자성 반도체를 100% 상방향 스핀, 100% 하방향 스핀으로 하면, 전류주입에 의해 100% 원편광의 스핀 반도체 레이저를 실현할 수 있고, 상기 과제를 해결할 수 있다는 것을 발견하였다.
원편광 스핀 반도체 레이저의 발광 파장은, 강자성 반도체의 혼정화에 의한 밴드 갭의 크기，활성층의 초격자 주기와 폭, 외부 자장의 강도 등을 조정하는 것에 의하여 자유롭게 제어할 수 있다.
즉, 본 발명은 산화 아연(ZnO), Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 모체로 하여 천이금속 원자를 포함한 자성 반도체로 되는 p형의 하프메탈 강자성 반도체와 n형의 하프메탈 강자성 반도체에 의해 활성층으로 이루어진 다중 양자우물을 양면에서 끼워넣어 전류주입에 의하여 스핀 분극한 홀과 전자를 그 활성층에 도입하고，원편광 한 레이저(laser)광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자성 반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저이다．
또한, 본 발명은 p형 하프메탈 강자성 반도체의 상부에 소스 영역과 드레인 영역을 설치하고, 양 영역 사이의 반도체의 상부에 게이트 절연체를 설치하고, 게이트 절연체에 접해서 그 상부에 게이트를 설치하며, n형 하프메탈 강자성 반도체의 하부에 소스 영역과 드레인 영역을 설치하고, 양 영역 사이의 반도체의 하부에 게이트 절연체를 설치하고, 게이트 절연체에 접해서 그 하부에 게이트를 설치한 것을 특징으로 하는 원편광 스핀 반도체 레이저이다.
또한, 본 발명은 p형의 하프메탈 강자성 반도체와 n형의 하프메탈 강자성 반도체의 각각에 전극을 설치한 것을 특징으로 하는 상기의 원편광 스핀 반도체 레이저이다．
또한, 본 발명은 상기의 원편광 스핀 반도체 레이저를 이용하여 부(-) 또는 정(+)의 전압을 인가하는 것에 의해 만들어 낸 p형 및 n형 하프메탈 강자성 반도체로부터 주입한 순방향으로 스핀 분극한 홀과 역방향으로 스핀 분극한 전자를 활성층에서 재결합시키는 것에 의하여 원편광 한 레이저(laser)광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 레이저(laser)광의 발생방법이다．
또한, 본 발명은 인가 전압을 바꾸는 것에 의해 p형 하프메탈 강자성 반도체 및 n형 하프메탈 강자성 반도체의 스핀 분극도를 제어하고，이것에 의해 원편광 레 이저 발광의 출력과 편광도를 제어하는 것을 특징으로 하는 상기의 레이저(laser)광의 발생방법이다．
또한, 본 발명은 p형의 하프메탈 강자성 반도체와 n형의 하프메탈 강자성 반도체의 각각에 설치한 소스와 드레인사이에 흐르는 스핀 분극한 홀이나 전자의 크기를 바꾸는 것에 의하여 원편광 레이저 발광의 출력을 조정ㆍ제어하는 것을 특징으로 하는 상기의 레이저(laser)광의 발생 방법이다.
또한, 본 발명은 외부 자장을 인가하는 것에 의해 발광 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 상기의 레이저(laser)광의 발생 방법이다．
또한, 본 발명은 인가전압을 제어하는 것에 의해 발광 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 상기의 레이저(laser)광의 발생 방법이다．
또한, 본 발명은 활성층의 부근에 있어서, p형 및 n형 영역에서의 스핀ㆍ클래드 층의 배리어 높이(barrier 高)를 합금화하는 것에 의해 형성한 초격자 구조를 이용하여 조정하는 것에 의해 발광파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법이다.
또한, 본 발명은 활성층에 있어서, 다중 양자우물의 우물폭과 게이트 전압을 조정하는 것에 의하여 전자 스핀의 ｇ값을 바꾸고，외부 자장의 강도를 가변으로 하는 것에 의하여 원편광 스핀 반도체 레이저로부터의 발광파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 상기의 레이저(laser)광의 발생방법이다．
또한, 본 발명은 p형의 하프메탈 강자성 반도체와 n형의 하프메탈 강자성 반도체의 각각에 소스, 드레인 및 게이트 절연체층을 거쳐서 게이트를 설치한 상기의 원편광 스핀 반도체 레이저를 이용하여 소스로부터 드레인을 향하여 스핀 주입하는 전자 또는 홀의 스핀방향을 맞추기 위해서 소스는 박막의 하프메탈 강자성 반도체를 반(反)강자성 다층막으로 적층하는 것에 의해 자구(magnetic domain) 방향을 핀(pin) 고정하는 것을 특징으로 하는 레이저(laser) 광의 발생방법이다.
또한, 본 발명은 p형의 하프메탈 강자성 반도체와 n형의 하프메탈 강자성 반도체의 각각에 소스，드레인 및 게이트 절연체층을 거쳐서 게이트를 설치한 상기의 원편광 스핀 반도체 레이저를 이용하여 소스로부터 드레인을 향하여 스핀 주입하는 전자 또는 홀의 스핀방향을 맞추기 위해 소스를 하프메탈 강자성 반도체로 제작하고, 자구 방향을 제어하기 위해 강자성 영구자석에 의하여 자구 방향을 핀 고정하는 것을 특징으로 하는 레이저(laser)광의 발생방법이다．
본 발명의 원편광 스핀 반도체 레이저는 생산기술，정보통신 기술，스펙트로스코피(Spectroscopy)，나노테크놀로지，양자조작 등 여러방면의 산업응용이 가능해진다．구체적인 것으로는 다음의 것을 예시할 수 있다．
(1) 화학 반응에 있어서 이성(異性)체의 식별과 생산기술에의 응용．
원편광 레이저(laser)광을 이용하여 D형，L형의 이성체의 식별과 이것을 이용해서 특정한 이성체만을 제조하기 위한 반응을 제어하는 생산기술로서 응용할 수 있다．
(2) 원편광 선택성을 이용한 반도체 초미세 가공에의 응용．
반도체의 초미세 가공에 있어서，자외광 원편광 레이저를 이용하여 선택적인 이성체 반응과 조합시키는 것에 의하여 조사시간과 공간분해에 의한 반응제어법을 이용해서 나노 스케일 사이즈의 가공에 이용한다．
(3) 편광 선택성을 이용한 주사 분광 기술에의 응용．
원편광 선택성과 레이저의 직선성ㆍ조작성을 이용 표면의 원편광 선택성에 의한 구조나 촉매등의 화학반응을 주사분광과 시간분해에 의하여，동적변화와 구조를 직접 관찰하기 위한 분광기술에의 산업응용의 길이 열린다.
(4) 원편광 선택성을 이용한 이성체 검출의료．
원편광 선택성과 레이저의 직진성을 이용하여 백내장의 초기단계에서의 미세한 이성체 영역을 검출하기 위한 의료검사 응용이 가능해진다.
또한，원편광에 의한 반응 선택성을 이용하여 특정한 이성체만을 반응ㆍ분해하는 것에 의해 백내장，녹내장등의 이성체화에 기원을 갖는 병의 치료 및 초기단계의 예방처치에 응용할 수 있다．
(5) 원편광에 의한 변조를 이용한 대용량 고도 통신기술.
원편광에 의한 우회전ㆍ좌회전의 변조를 이용한 대용량 고도 정보통신 기술에의 응용이 가능해진다．
(6) 나노테크놀로지에 있어서 원편광 전자 여기를 이용한 원자ㆍ분자 조작 기술.
반도체 표면이나 산화물 표면에 있어서, 표면원자나 흡착원자의 원편광 선택성을 이용해서 선택적으로 레이저에 의하여 전자를 여기하여，원자이동을 야기하는 것에 의해 나노테크놀로지를 위한 초미세 가공 제조기술로서 이용할 수 있다．
또한，디바이스 응용을 위해서,
(7) 초 고집적 나노구조 자기 메모리의 진단과 분광.
원편광 선택성과 레이저의 직선성을 이용하여，초 미세한 자구 구조나 초 고밀도 자기 메모리, 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)등의 자구 구조를 직접 관찰하기 위한 분광기술에의 산업응용의 길이 열린다.
(8) 원편광을 이용한 양자 도트등의 초 구조에 있어서 양자상태 조작에 의한 양자 컴퓨터에의 응용．
전자가 갖고 있는 전하와는 다른 또 하나의 자유도인 스핀을 이용한 양자 계산에 응용한다．스핀은 양자 역학적으로는 상방향과 하방향의 ２개의 상태밖에 취 할 수 없으므로 정보를 운반하고 있다. 이들을 제어하기 위해, 양자 도트를 나열해서 이들에 포함된 개별적인 스핀 방향을 제어하기 위해 원편광 선택성을 갖는 ＣＷ(Continuous Wave) 레이저를 이용한다.
(9) 양자통신에의 응용．
원편광 레이저의 원편광성을 이용하여 2종의 파동을 중합시키어 양자얽힘(Quantum Entanglement) 상태를 실현해서 도청등에서 상호작용을 양자적으로 관측할 수 있고, 안전한 양자 통신에 응용한다.
(작용)
전도대가 s전자로 되고, 또한 가전자대가 p전자로 되는 반도체에 있어서, 주입되는 전자와 홀의 스핀이 반(反)평행이라면 쌍극자 천이기구에 의한 선택칙으로부터 완전한 원편광의 발광을 얻을 수 있다.
ZnO, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체중에 천이금속 원자의 농도를 제어해서 도프(dope)한 자성반도체를 베이스로 하여 이들에 억셉터 혹은 도우너를 도핑(doping)하는 것에 의하여 만들어 낸 p형 및 n형 하프메탈 강자성 반도체 또는 전계효과 트랜지스터에 있어서 게이트 전압의 크기와 부호를 바꾸는 것에 의하여, 전계효과를 이용하여 제작한 p형 및 n형 하프메탈 강자성 반도체를 이용해서 전류주입에 의하여 한쪽의 스핀 방향으로만 분극한 스핀 코히어런트(Coherent)한 홀의 흐름과 홀과는 반대의 스핀방향으로 분극한 스핀 코히어런트한 전자의 흐름을 각각 p형 및 n형 자성 반도체중에서 만들어 내어, 서로 반대 스핀을 갖는 전도대로 들어간 전자와 가전자대로 들어간 홀을 밴드 갭의 크기를 조정할 수 있는 다중 양자우물로 되는 활성층을 통해 고효율로 결합시키는 것에 의해 선택칙으로부터 100% 원편광 한 연속발진(CW) 레이저 광을 발생시킬 수 있다．
도 1에 나타내는 에너지 다이어그램을 이용해서 설명하면, 도 1의 CBM(Conduction Band Minimum : 전도대의 바닥)과 VBM(Valence Band Maximum : 가전자대의 톱(top))으로 나타나는 발광의 활성층으로서의 다중 양자우물과 p형 및 n형 영역에 배치하는 클래드 층은 상기 p형 및 n형의 100% 스핀 분극한 자성 반도체에 끼워져 있다. 발광효율을 올리기 위해서 클래드 층과 다중 양자 우물에 의하여 발광시킨다.
p형 및 n형 자성 반도체로부터 화살표로 나타내도록 주입된 역방향 스핀을 갖는 홀 h와 전자 e를 활성층에서 스핀방향을 서로 역방향으로 유지한 채 고효율로 결합시켜 완전하게 원편광 한 레이저(laser)광 hv를 발생할 수 있다.
전자와 홀의 결합을 실제 공간에서 조금 높게, 또한 ZnO나 GaN 등의 여기자(Exciton) 속박에너지(각각, 60meV와 24meV)와 합해서 고효율의 발광을 행할 수 있다．
도 1은 본 발명의 원편광 스핀 반도체 레이저에 있어서의 활성층의 에너지 다이어그램이다.
도 2는 실시예 1의 전장효과 게이트에 의한 가전자 제어형의 원편광 스핀 반도체 레이저의 구조를 나타내는 모식도(模式圖,typical figures)이다.
도 3은 실시예 1의 원편광 스핀 반도체 레이저의 발진 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 1의 원편광 스핀 반도체 레이저의 전류ㆍ출력 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 2의 전류주입형 원편광 스핀 반도체 레이저의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 6은 실시예 2의 원편광 스핀 반도체 레이저의 전압ㆍ전류 특성 및 원편광 출력ㆍ전류 특성을 나타내는 그래프이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명의 원편광 스핀 반도체 레이저는, 제 1의 형태로는 전계효과 트랜지스터에 있어서 게이트 전압의 크기와 부호를 바꾸는 것에 의해 전계효과를 이용하여 제작한 p형 하프메탈 강자성 반도체 및 n형 하프메탈 강자성 반도체를 이용한 다.
또한, 제 2의 형태로는 ZnO, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체중에 천이금속 원자의 농도를 제어하여 도프한 자성반도체를 베이스로 해서 이들에 억셉터 혹은 도우너를 도핑하는 것에 의해 만들어 낸 p형 하프메탈 강자성 반도체 및 n형 하프메탈 강자성 반도체를 이용한다.
천이금속 원자를 포함한 자성 반도체의 모체의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로서는, GaN, GaAs, GaP, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb 등을 들 수 있다.
또한, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로서는, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe 등을 들 수 있다.
산화 아연 ZnO를 를 모체로 한 p형 자성 반도체로서 ZnO:Mn, ZnO:V, ZnO:Cr 또는 스핀 글라스 상태의 ZnO:Mn(1-x)Fe(x), ZnO:Cr(1-x)Mn(x) 또한, n형 자성 반도체로서, ZnO:Fe, ZnO:Co, ZnO:Ni 또는 스핀 글라스 상태의 ZnO:Mn, ZnO:Fe(1-x)Mn(x)등을 이용할 수 있다.
Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 모체로 하는 p형 자성 반도체로서 GaN, GaAs, GaP, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb 등에 V, Cr, Mn, Mn(1-x)Fe(x) 또한, n형 자성 반도체로서 Fe, Co, Ni 및 그 합금등을 도프한 것을 이용할 수 있다.
Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 베이스로 하는 p형 자성 반도체로서, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe 등에 V, Cr, Mn, 또한, n형 자성 반도체 로서 Mn, Fe, Co, Ni 및 그 합금등을 도프한 것을 이용할 수 있다.
발광의 활성층으로서 다중 양자우물과 p형 및 n형 영역에 배치하는 클래드층을 상기 p형 및 n형의 자성반도체에 끼워넣는다.
각각의 자성 반도체층에 Al2O3나 ZnO로 된 절연체막을 통해 게이트를 설치하거나 직접 전극을 설치해서 전류를 주입한다．이것에 의해 p형 및 n형 자성반도체로부터 주입된 역방향 스핀을 갖는 홀과 전자를 활성층에서 스핀방향을 서로 역방향으로 유지한 채 고효율로 결합시켜 완전하게 원편광 한 레이저 광을 발생할 수 있다. 인가전압의 변화와 자성반도체의 양단에 배치한 도메인 방향을 맞춘 하프메탈 강자성 반도체로 이루어져 주입되는 스핀의 스핀상태와 스핀방향을 제어한다.
완전하게 역방향으로 스핀 분극한 홀과 전자를 결합시켜 벽개(Cleaving) 한 캐비티(Cavity)를 이용하는 것에 의하여 완전하게 원편광 한 연속발진(CW) 레이저 발광을 얻을 수 있다.
p형 하프메탈 강자성 반도체 및 n형 하프메탈 강자성 반도체를 만들어 내기 위해, ZnO, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 모체로 해서 저온 MBE(Molecular Beam Epitaxy)나 MOCVD등의 저온에서의 비평형 결정 제작장치와 원자레벨에서의 미세 가공기술을 결합하여 천이금속 원자, 억셉터 원자，도우너 원자 및 밴드 갭의 크기를 조정하기 때문에 비자성(非磁性) 원자에 대하여 농도와 치환위치에 올바르게 치환하도록 결정학적 위치를 제어하면서 비평형 상태를 이용해서 고농도, 예를 들면 10~40% 정도로 도프하여 혼정화에 의하여 이것을 제작한다．농도와 원자종(atomic species)에 의하여 밴드 갭의 크기나 물성을 조정할 수 있다．
자성 반도체에 억셉터 혹은 도우너를 도프하는 것에 의하여 원편향 레이저 발광의 출력과 동시에 편광도를 예를 들면，50~100%의 범위에서 제어ㆍ조정할 수 있다．
자성 반도체에 함유시키는 천이금속 원자(이하:ＴＭ)와 다른 비자성 원자를 혼정화 하는 것에 의하여，원편광 스핀 반도체 레이저로부터의 발광파장을 제어할 수 있다.
예를 들면, In(x)Ga(y)Al(z)N:TM(1-x-y-z), Zn(x)Mg(y)O:TM(1-x-y), Zn(x)Be(y)O:TM(1-x-y)과 같이 천이금속 농도와 혼정화 한 비자성 원자의 농도로 발광 파장을 제어한다．
외부자장을 인가하는 것에 의하여，원편광 스핀 반도체 레이저로부터의 발광 파장을 제어할 수 있다．또한, 활성층에 있어서 다중 양자우물의 우물폭과 게이트 전압을 조정하는 것에 의하여 전자스핀의 g값을 바꾸고，외부자장의 강도를 가변으로 하는 것에 의하여 원편광 스핀 반도체 레이저로부터의 발광파장을 제어할 수 있다．
활성층의 다중 양자우물은 다중으로 하는 편이 발광효율이 오르지만 너무 많으면 제조가 복잡화하기 때문에 바람직하게는 1겹에서 5겹까지의 다중화와 양자우물폭을 최적화하는 것에 의하여 발광효율의 고효율화를 도모한다.
원편광 스핀 반도체 레이저의 활성층 부근에 있어서, p형 및 n형 영역에서의 스핀ㆍ클래드층의 배리어 높이(barrier 高)를, 합금화(혼정화)하는 것에 의해 형성한 초격자 구조를 이용하여 조정하는 것에 의해 원편광 스핀 반도체 레이저로부터의 발광파장을 제어할 수 있다.
각각의 층에 게이트 절연체막을 통해 게이트를 설치하고, 게이트 전압을 바꾸어 전계효과에 의한 자성상태를 제어하는 경우, 게이트 전압의 크기와 부호를 제어하는 것에 의하여 자성 반도체의 스핀 제어를 행하고, 만들어 낸 p형 및 n형 하프메탈 강자성 반도체로부터 주입한 순방향으로 스핀 분극한 홀과 역방향으로 스핀 분극한 전자를 양자 우물과 클래드 층으로 되는 다중 양자우물으로 이루어진 활성층에 있어서, 고효율로 재결합시킨다．
게이트 전압을 바꾸는 것에 의하여 p형 및 n형 하프메탈 강자성 반도체의 스핀 분극도를 제어하고，이것에 의해 원편광 레이저 발광의 출력과 동시에 편광도를 예를 들면，50~100%의 범위로 제어할 수 있다．
또한, 게이트 전압을 바꾼다면 캐리어 수와 밴드 갭의 크기가 변화하고，원편광 스핀 반도체 레이저로부터의 발광 파장이 변화한다．
게이트 전압을 바꾸는 것에 의하여 소스와 드레인 사이에 흐르는 스핀분극한 홀이나 전자의 크기를 바꾸는 것에 의하여 원편광 레이저 발광의 출력을 조정ㆍ제어할 수 있다.
소스로부터 드레인을 향하여 스핀주입하는 전자나 홀의 스핀 방향을 맞추기 위해 반(反) 강자성 다층막상에 강자성층을 쌓는다면 스핀의 방향이 핀(pin) 고정된다.
소스로부터 드레인을 향하여 스핀 주입하는 전자나 홀의 스핀 방향을 맞추기 위해 소스를 하프메탈 강자성 반도체로 제작하고，자구방향을 제어하기 위해 강자성 영구자석에 의하여 자구방향을 핀 고정할 수 있다．
(실시예)
실시예 1
도 2는 원편광 스핀 반도체 레이저를 게이트 바이어스를 이용한 전계효과에 의해 전류 주입형으로 한 실시예의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2에 나타낸 것처럼, 자성 반도체로 이루어진 p형 하프메탈 강자성 반도체(1)의 상부에 소스 영역(3), 드레인 영역(4)을 설치하고，양 영역 사이의 반도체 상부에 게이트 절연체(5)를 설치하고，그 상부에 게이트 절연체(5)에 접해서 게이트(6)를 설치하였다. 이것에 의해 게이트 전압에 의하여 홀을 도프하고，강자성 하프메탈 상태를 이용하여 스핀 도메인 방향을 자장 혹은 반(反)강자성 초격자 박막에 핀 고정한 소스로부터 일방향으로 전부 스핀을 맞춘 홀을 주입하는 층(p형 DMS)을 구성하였다.
한편, 자성 반도체로 된 n형 하프메탈 강자성 반도체(2) 하부에 소스 영역(7), 드레인 영역(8)을 설치하고, 양 영역 사이의 반도체 하부에 게이트 절연체(9)를 설치하고, 게이트 절연체(9)에 접해서 그 하부에 게이트(10)를 설치하였다. 이것에 의해, 게이트 전압에 의하여 전자를 도프하고, 강자성 하프메탈 상태를 이용하여 스핀 도메인 방향을 자장 또는 반(反)강자성 초격자 박막에 핀 고정한 소스로부터 일방향으로 전부 스핀을 맞춘 전자를 주입하는 층(n형 DMS)을 구성하였다. 게이트 절연체(5,9)와 p형 자성 반도체(1) 및 n형 자성 반도체(2)와의 결함이 없는 계면을 제작하였다．이러한 p형 강자성 반도체 및 n형 강자성 반도체의 사이에 밴드 갭의 크기가 작은 양자우물과 클래드 층으로 된 활성층의 다중 양자우물(11)을 배치하였다．
MBE법에 의하여, GaN에 750℃로 Cr을 도프하여 n형 강자성 하프메탈과 GaN에 780℃로 Mn을 도프하여 p형 강자성 하프메탈을 형성하였다. 이들에 Al2O3로 된 게이트 절연체층을 끼워넣고, Pt로 된 게이트(Vg)를 설치하였다. 또한, GaN:Cr와 GaN:Mn의 사이에는 활성층으로서 In 또는 Al을 5~20% 도프한 InGaN과 AlGaN으로 된 5겹의 다중 양자우물을 형성하였다. p형 클래드 층은 GaN과 Al0.25Ga0.75N으로 된 다중 양자우물, 또한 n형 클래드 층은 GaN과 Al0.2Ga0.8N으로 된 다중 양자우물로 하였다．
이 원편광 스핀 반도체 레이저에 의하여 레이저 발진을 행하면, 원편광 한 연속발진 레이저광(12)이 발생하고, 도 3에 나타낸 것처럼 발진 스펙트럼과 도 4에 나타낸 것처럼 전류ㆍ출력 특성이 생기고，완전한 원편광이 관측되었다.
실시예 2
도 5는 원편광 스핀 반도체 레이저를 전류주입형으로 한 실시예의 구조를 나타내는 모식도이다. 도 5에 나타낸 것처럼, p형 자성반도체(1) 및 n형 자성반도체(2)를 이용하여 활성층의 다중 양자우물(11)을 끼워넣어 발광효율을 올리기 위해 p형 클래드층(13) 및 n형 클래드층(14)에 다중 양자우물(11)을 끼워넣은 적층구조로 하여, 이것을 기판(15)위에 버퍼층(16)을 통해 설치하였다. 또한，p형 자성반도체(1)에 전극(17)을, n형 자성반도체(2)에 전극(18)을 설치하였다．
Al2O3 기판의 위에 400℃로 Si 도프의 n형 GaN으로 된 저온 성장 버퍼층을 MBE법에 의하여 성장하고, 그 위에 790℃로 GaN을 성장시키면서 Cr를 도프하여 n형 강자성 하프메탈을 형성하였다. 그 위에 n형 클래드층(GaN과 Al0.2Ga0.8의 다중 양자우물)을 성장시켜, 그 위에 In 또는 Al을 5~20% 혼정시킨 InGaN과 AlGaN으로 된 다중(5겹) 양자우물 활성층을 형성하고, 또한，그 위에 p형 클래드층을 작성하였다. 이것의 위에 750℃로 Mn을 도프한 p형 강자성 하프메탈 GaN:Mn을 형성하고, Pt전극을 붙였다.
이 원편광 스핀 반도체 레이저에 전류주입하는 것에 의하여 레이저 발진을 행하였다. 전류와 출력 및 전압과 전류의 의존성은 도 ６에 나타낸 바와 같은 관계에 있고, 거의 완전한 원편광이 관측되었다．
종래의 원편광 반도체 레이저는 원편광의 광여기(光勵起,photoexcitation)에 의하여, 전자를 여기하여 스핀 편극시켜 이것에 의해 레이저 발광시키지만 광여기때문에 스핀궤도 상호작용에 의한 스핀 편극도가 작고, 따라서 원편광도도 작았다.또한, 원편광의 빛에 의하여 여기하기 때문에 큰 장치로 되어 디바이스에 넣기 위한 소형화가 어려웠다. 본 발명에 의하면, 편광도를 제어할 수 있음과 동시에 100% 원편광 레이저를 얻을 수 있고, 장치를 소형화할 수 있어 여러가지의 디바이스 제작이 용이해진다．

Claims (12)

  1. 산화 아연(ZnO), Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 모체로 하여 천이금속 원자를 포함한 자성 반도체로 되는 p형의 하프메탈 강자성 반도체와 n형의 하프메탈 강자성 반도체에 의해 활성층으로 이루어진 다중 양자우물을 양면에서 끼워넣어 전류 주입에 의하여 스핀 분극한 홀과 전자를 그 활성층에 도입하고，원편광 한 레이저광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서, p형 하프메탈 강자성 반도체의 상부에 소스 영역과 드레인 영역을 설치하고, 양 영역 사이의 반도체 상부에 게이트 절연체를 설치하고, 게이트 절연체에 접해서 그 상부에 게이트를 설치하며,
    n형 하프메탈 강자성 반도체의 하부에 소스 영역과 드레인 영역을 설치하고, 양 영역 사이의 반도체 하부에 게이트 절연체를 설치하고, 게이트 절연체에 접해서 그 하부에 게이트를 설치한 것을 특징으로 하는 원편광 스핀 반도체 레이저.
  3. 청구항 1에 있어서, 억셉터 혹은 도우너를 도핑한 p형의 하프메탈 강자성 반도체와 n형의 하프 메탈 강자성 반도체의 각각에 전극을 설치한 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저.
  4. 청구항 1 내지 3의 어느 한 항에 기재된 원편광 스핀 반도체 레이저를 이용하여 부(-) 또는 정(+)의 전압을 인가하는 것에 의해 만들어 낸 p형 및 n형 하프메 탈 강자성 반도체로부터 주입한 순방향으로 스핀 분극한 홀과 역방향으로 스핀 분극한 전자를 활성층에서 재결합시키는 것에 의하여 원편광 한 레이저 광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 인가 전압을 바꾸는 것에 의해 p형 하프메탈 강자성 반도체 및 n형 하프메탈 강자성 반도체의 스핀 분극도를 제어하고，이것에 의해 원편광 레이저 발광의 출력과 편광도를 제어하는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
  6. 청구항 4에 있어서, p형의 하프메탈 강자성 반도체와 n형의 하프메탈 강자성 반도체의 각각에 설치한 소스와 드레인사이에 흐르는 스핀 분극한 홀이나 전자의 크기를 바꾸는 것에 의하여 원편광 레이저 발광의 출력을 조정ㆍ제어하는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 외부 자장을 인가하는 것에 의해 발광파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
  8. 청구항 4에 있어서, 인가전압을 제어하는 것에 의해 발광파장을 제어하는 것 을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
  9. 청구항 4에 있어서, 활성층의 부근에 있어서, p형 및 n형 영역에서의 스핀ㆍ클래드 층의 배리어 높이(barrier 高)를 합금화하는 것에 의해 형성한 초격자 구조를 이용하여 조정하는 것에 의해 발광파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
  10. 청구항 4에 있어서, 활성층에 있어서, 다중 양자우물의 우물폭과 게이트 전압을 조정하는 것에 의하여 전자 스핀의 ｇ값을 바꾸고，외부 자장의 강도를 가변으로 하는 것에 의하여 원편광 스핀 반도체 레이저로부터의 발광파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
  11. 청구항 2에 기재된 원편광 스핀 반도체 레이저를 이용하여, 소스로부터 드레인을 향하여 스핀 주입하는 전자 또는 홀의 스핀방향을 맞추기 위해서 소스는 박막의 하프메탈 강자성 반도체를 반 강자성 다층막으로 적층하는 것에 의해 자구 방향을 핀 고정하는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
  12. 청구항 2에 기재된 원편광 스핀 반도체를 이용하여 소스로부터 드레인을 향 하여 스핀 주입하는 전자 또는 홀의 스핀방향을 맞추기 위해 소스를 하프메탈 강자성 반도체로 제작하고, 자구 방향을 제어하기 위해 강자성 영구자석에 의하여 자구 방향을 핀 고정하는 것을 특징으로 하는 자성반도체를 이용한 원편광 스핀 반도체 레이저 광의 발생방법.
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