KR100630120B1

KR100630120B1 - 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원

Info

Publication number: KR100630120B1
Application number: KR1020050008623A
Authority: KR
Inventors: 허두창; 황성택
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-09-27
Also published as: KR20060087792A

Abstract

본 발명에 따른 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원은, 기판과; 상기 기판 위에 적층되며, 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 양자점 층들을 갖는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 적어도, 상기 기판 위에 적층되며, 제1 파장 대역의 광을 생성하도록 제1 물질의 양자점들을 갖는 제1 양자점 층과; 상기 제1 양자점 층 위에 적층되며, 제2 파장 대역의 광을 생성하도록 제2 물질의 양자점들을 갖는 제2 양자점 층을 포함하며, 상기 제1 및 제2 파장 대역들은 서로 상이하며, 상기 제1 및 제2 물질들은 서로 상이하다.

반도체 광원, 양자점, 활성층, 이종

Description

이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원{BROADBAND SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE WITH HETERO-QUANTUM DOT STRUCTURE}

도 1 및 도 2는 광대역 반도체 광원을 얻기 위해 양자 우물 구조를 조절하는 방법들을 설명하기 위한 도면들,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원을 나타내는 도면,

도 4는 상기 활성층의 광출력 특성을 설명하기 위한 도면.

본 발명은 넓은 파장 대역의 광을 생성하는 광대역 반도체 광원에 관한 것으로서, 특히 양자점 구조의 활성층(active layer)을 갖는 광대역 반도체 광원에 관한 것이다.

반도체 광원은 활성층에서 광을 발생시키고, 발생된 광을 도파로층의 일단을 통해 출력한다. 이러한 반도체 광원들로는 발광 다이오드(light emitting diode: LED), 레이저 다이오드(laser diode: LD) 등을 예로 들 수 있다. 넓은 파장 대역의 광을 출력하는 반도체 광원을 얻기 위해, 양자 우물 구조(quantum well structure)의 활성층을 사용하고, 양자 우물 구조를 조절하는 방법들이 개시된 바 있다.

도 1 및 도 2는 광대역 반도체 광원을 얻기 위해 양자 우물 구조를 조절하는 방법들을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참고하면, 활성층은 서로 폭이 다른 동종의 제1 및 제2 양자 우물(110,120)을 적층하여 구성된다. 제1 양자 우물(110)은 제2 양자 우물(120)보다 폭이 작으며, 이로 인해 제1 양자 우물(110)은 제2 양자 우물의 제2 에너지 준위(energy level, E₂)보다 큰 제1 에너지 준위(E₁)를 갖는다. 상기 활성층은 제1 및 제2 에너지 준위들에 의해 정해지는 서로 다른 제1 및 제2 파장 대역들이 중첩된 광대역의 광을 생성한다.

도 2를 참고하면, 활성층은 폭은 동일하지만 서로 다른 물질들로 형성된 이종의 제1 및 제2 양자 우물들(210,220)을 적층하여 구성된다. 제1 양자 우물(210)은 제2 양자 우물(220)보다 깊이가 작으며, 이로 인해 제1 양자 우물(210)은 제2 양자 우물(220)의 제2 에너지 준위(E₂)보다 큰 제1 에너지 준위(E₁)를 갖는다. 상기 활성층은 제1 및 제2 에너지 준위들에 의해 정해지는 서로 다른 제1 및 제2 파장 대역들이 중첩된 광대역의 광을 생성한다.

최근에, 넓은 파장 대역의 광을 출력하는 반도체 광원을 얻기 위해, 양자점 구조(quantum dot structure)의 활성층을 사용하고, 다양한 크기를 갖는 동일 물질 의 양자점들을 형성하는 방법이 개시된 바 있다. 이러한 양자점들의 크기들에 의해 정해지는 다양한 에너지 준위들로 인하여, 상기 활성층은 다양한 에너지 준위들에 정해지는 다양한 파장 대역들이 중첩된 광대역의 광을 생성한다.

그러나, 상술한 바와 같은 광대역 반도체 광원의 구현 방법들은 아래와 같은 문제점들이 있다.

첫 째, 서로 다른 폭들의 양자 우물들을 사용하거나, 서로 다른 물질의 양자 우물들을 사용하는 방법은, 양자 우물이 가질 수 있는 에너지 준위의 범위가 정해져 있으므로, 생성할 수 있는 파장 대역의 한계가 있다는 문제점이 있다.

둘 째, 동일 물질의 양자점들을 사용하는 방법은, 다양한 파장 대역들이 중첩된 광대역의 광을 생성하지만, 물리적으로 그 대역폭의 한계가 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래보다 넓은 파장 대역의 광을 출력할 수 있는 양자점 구조의 광대역 반도체 광원을 제공함에 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원은, 기판과; 상기 기판 위에 적층되며, 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 양자점 층들을 갖는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 적어도, 상기 기판 위에 적층되며, 제1 파장 대역의 광을 생성하도록 제1 물질의 양자점들을 갖 는 제1 양자점 층과; 상기 제1 양자점 층 위에 적층되며, 제2 파장 대역의 광을 생성하도록 제2 물질의 양자점들을 갖는 제2 양자점 층을 포함하며, 상기 제1 및 제2 파장 대역들은 서로 상이하며, 상기 제1 및 제2 물질들은 서로 상이하다.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원을 나타내는 도면이다. 상기 광대역 반도체 광원(300)은 반도체 기판(semiconductor substrate, 310)과, 하부 도파로층(lower waveguide layer, 320)과, 활성층(400)과, 상부 도파로층(upper waveguide layer, 350)과, 클래드층(clad layer, 360)과, 접촉층(contact layer, 370)과, 상부 및 하부 전극들(upper and lower electrodes, 380,390)을 포함한다.

상기 반도체 기판(310)은 n+형 GaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다.

상기 하부 도파로층(320)은 상기 반도체 기판(310) 상에 적층되며, 상기 상부 도파로층(350)과 함께 상기 활성층(400)에서 생성된 광을 가이드(guide)한다. 즉, 상기 활성층(400)에서 생성된 광은 상기 하부 및 상부 도파로층들(320,350) 내로 진행한다. 상기 하부 도파로층(320)은 n형 AlGaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다.

상기 활성층(400)은 상기 하부 도파로층(320) 상에 차례로 적층된 제1 및 제2 양자점 층들(quantum dot layer, 330,340)을 포함한다.

상기 제1 양자점 층(330)은 InGaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어지며 서로 이격되게 배치된 양자점들(335)과, GaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어지며 상기 양자점들(335)을 덮는 매트릭스(matrix, 337)로 구성된다. 상기 양자점들(335)은 ALE(atomic layer epitaxy) 등의 공법에 의해 성장될 수 있으며, 상기 매트릭스(337)는 MBE(molecular beam epitaxy) 등의 공법에 의해 성장될 수 있다. GaAs와 InGaAs는 복수회 교번하여 성장되며, 상호 변형에 따른 자발형성 메커니즘(self assemble mechanism)으로부터 상기 양자점들(335)이 형성된다. 상기 제1 양자점 층(330)은 상기 양자점들(335)의 물질에 의해 정해지는 제1 파장 대역의 광을 출력한다.

상기 제2 양자점 층(340)은 InAs 계열의 화합물 반도체로 이루어지며 서로 이격되게 배치된 양자점들(345)과, GaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어지며 상기 양자점들(345)을 덮는 매트릭스(347)로 구성된다. 상기 양자점들(345)은 ALE 등의 공법에 의해 성장될 수 있으며, 상기 매트릭스(347)는 MBE 등의 공법에 의해 성장될 수 있다. GaAs와 InAs는 복수회 교번하여 성장되며, 상호 변형에 따른 자발형성 메커니즘으로부터 상기 양자점들(345)이 형성된다. 상기 제2 양자점 층(340)은 상기 양자점들(345)의 물질에 의해 정해지는 제2 파장 대역의 광을 출력한다.

즉, 상기 활성층(400)은 크기가 동일하고 물질이 다른 이종 양자점 구조를 가지며, 제1 양자점 층(330)의 제1 파장 대역과 제2 양자점 층(340)의 제2 파장 대 역이 중첩된 광대역의 광을 생성한다.

도 4는 상기 활성층의 광출력 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 상기 제1 양자점 층(330)의 출력 스펙트럼을 나타내고, 도 4의 (b)는 상기 제2 양자점 층(340)의 출력 스펙트럼을 나타내며, 도 4의 (c)는 상기 활성층(400)의 종합적인 출력 스펙트럼을 나타낸다.

상기 상부 도파로층(350)은 상기 제2 양자점 층(340) 상에 적층되며, 상기 하부 도파로층(320)과 함께 상기 활성층(400)에서 생성된 광을 가이드한다. 상기 상부 도파로층(350)은 p형 AlGaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다.

상기 클래드층(360)은 상기 상부 도파로층(350) 상에 적층되며, 상기 반도체 기판(310)과 함께 상기 활성층(400)에서 생성된 광을 상기 하부 및 상부 도파로층(320,350) 내에 가두어두는 기능을 한다. 상기 클래드층(360)은 p형 GaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다.

상기 접촉층(370)은 상기 클래드층(360) 상에 적층되며, 전극과의 저항 접촉(ohmic contact)을 조절하는 기능을 한다. 상기 접촉층(370)은 p+형 InGaAs 계열의 화합물 반도체로 이루어진다.

상기 상부 전극(380)은 상기 접촉층(370) 상에 적층되며, 외부로부터 전류가 인가된다. 상기 상부 전극(380)은 Ti, Pt, Au 등의 금속 물질로 이루어질 수 있다.

상기 하부 전극(390)은 상기 반도체 기판(310)의 밑에 적층되며, 접지와 연결된다. 상기 하부 전극(390)은 Ti, Pt, Au 등의 금속 물질로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서, 기본 구성으로서 상기 활성층(400)이 이종의 두 양자점 층들 (330,340)로 구성되는 것을 예시하였으나, 출력광의 파장 스펙트럼을 넓히기 위해 이종의 양자점 층들을 3 이상 적층할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 반도체 광원은 물질이 다른 이종의 양자점들을 복수 적층한 이종 양자점 구조의 활성층을 가짐으로써, 종래보다 넓은 파장 대역의 광을 출력할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 이종 양자점 구조의 광대역 반도체 광원은 기존의 양자점 구조가 갖는 이점들, 즉 낮은 문턱 전류, 양호한 열적 특성 등을 이점들을 그대로 가지면서, 광대역 광통신 시스템에서 요구되는 L-밴드, C-밴드 및 S-밴드에 걸친 광대역의 광을 출력할 수 있다는 이점이 있다.

Claims

광대역 반도체 광원에 있어서,

기판과;

상기 기판 위에 적층되며, 서로 다른 물질로 이루어진 복수의 양자점 층들을 갖는 활성층과;

상기 활성층 상에 적층되며, 상기 활성층에서 생성된 광이 그 내부로 진행하도록 상기 광을 가이드하는 적어도 하나의 도파로층을 포함하고, 상기 활성층은 적어도,

상기 기판 위에 적층되며, 제1 파장 대역의 광을 생성하도록 제1 물질의 양자점들을 갖는 제1 양자점 층과;

상기 제1 양자점 층 위에 적층되며, 제2 파장 대역의 광을 생성하도록 제2 물질의 양자점들을 갖는 제2 양자점 층을 포함하며,

상기 제1 및 제2 파장 대역들은 서로 상이하며, 상기 제1 및 제2 물질들은 서로 상이함을 특징으로 하는 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원.
제1항에 있어서,

상기 제1 물질은 InGaAs이며, 상기 제2 물질은 InAs임을 특징으로 하는 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원.
제1항에 있어서,

상기 활성층의 밑에 적층되며, 상기 활성층에서 생성된 광을 가이드하는 하부 도파로층과;

상기 활성층의 위에 적층되며, 상기 활성층에서 생성된 광을 가이드하는 상부 도파로층을 포함함을 특징으로 하는 이종 양자점 구조를 갖는 광대역 반도체 광원.