KR100818632B1 - 부밴드 천이 반도체 레이저 - Google Patents

부밴드 천이 반도체 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부밴드 천이 반도체 레이저(intersubband transition semiconductor laser)에 관한 것으로, 부밴드 간의 방사천이(radiative transition)가 일어나는 활성영역층들 사이의 에너지 완화 영역에 캐리어(carrier) 증배가 일어나는 PIN 형의 증배층(miltiplication layer)을 포함하는 아발란치 이득구조층과 증배된 캐리어들을 인접한 활성영역층의 천이 레벨로 주입시키는 캐리어 가이드층(carrier guide layer)이 포함된다. 캐리어 증배 구조를 포함시켜 레이저 발진-준위로 주입되는 캐리어 수를 높여 단순 구조에서 고출력을 가능케 하는 구조로, 레이저 발진-준위로의 캐리어 주입 효율을 높여 활성영역층의 레이저 천이 준위들 간의 고밀도 반전이 이루어지도록 함으로써 기존의 양자 캐스케이드 레이저에서와 같이 고출력을 얻기 위해 많은 적층(stacking)이 필요하지 않으며, 단순한 컴팩트(compact) 구조로 고출력을 얻을 수 있다.
반도체 레이저, 부밴드 천이, 캐리어 증배, 캐리어 가이드, 활성영역

Description

부밴드 천이 반도체 레이저 {Intersubband transition semiconductor laser}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부밴드 천이 반도체 레이저를 설명하기 위한 단면도.
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 부밴드 천이 반도체 레이저의 전도대 에너지 다이어그램.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 반도체 기판 20, 60: 클래딩층
30, 50: 웨이브 가이드층 41: 활성영역층
41a, 42a: 양자우물층 41b, 42b: 양자 장벽층
42: 캐리어 가이드층 43: 이득구조층
43a: n+ 버퍼층 43b: 증배층
43c: p 전하층 44 에너지 이완층
70: 콘택층 81, 82: 전극
Es1 초격자 구조의 부밴드 Es2 초격자 구조의 부밴드
Eq1 3개 양자우물구조에서의 양자속박 부밴드
Eq2 3개 양자우물구조에서의 양자속박 부밴드
Eq2 3개 양자우물구조에서의 양자속박 부밴드
본 발명은 부밴드 천이 반도체 레이저(intersubband transition semiconductor laser)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컴팩트(compact)한 구조로 고출력의 중/원적외선 레이저를 얻을 수 있는 부밴드 천이 반도체 레이저에 관한 것이다.
R.F. Kazarinov 등의 논문(Sov. Phys. Semiconductors, 5(4), pp. 707-709 (1971))에는 반도체 초격자 구조에서 전자파 증폭의 가능성이 예언되어 있고, S. J. Borenstein 등의 논문(Appl. Phys. Lett. 55(7), pp. 654-656 (1989)), Q. Hu 등의 논문(Appl. Phys. Lett. 59(23), pp. 2923-2925 (1991)), A. Katalsky 등의 논문(Appl. Phys. Lett. 59(21), pp. 2636-2638 (1991)), W. M. Yee 등의 논문(Appl. Phys. Lett. 63(8), pp. 1089-1091 (1993))에는 단일극성(unipolar) 양자우물 반도체 레이저의 가능성이 예언되어 있다.
이와 같이 이 분야의 전문가들은 몇 가지 형식의 단일극성 반도체 레이저에서 얻어지는 이점에 주의를 기울여왔다. 예를 들어, 에너지 밴드갭의 전자/정공 재결합에 의해 제한되지 않는 주파수 특성, 선폭 증가 인자가 이론적으로 존재하지 않는 데 기인하는 좁은 선폭, 종래 바이폴라 반도체 레이저에 비해 발진문턱의 온 도 의존성이 낮은 점 등이 이에 속한다.
단일극성 반도체 레이저를 적절하게 설계하면 중적외선에서부터 서브 밀리미터의 스펙트럼 영역의 파장의 빛을 방출할 수 있다. 예를 들면, 양자구속(quantum confinement) 준위(level 또는 state) 간의 캐리어의 천이(transition)에 의해, 약 3 내지 100 미크론 범위의 파장의 빛을 방출할 수 있다. 방출되는 빛의 파장은 넓은 스펙트럼 영역에 걸쳐 동일 헤테로 구조를 기반으로 설계될 수 있다. 이러한 파장대역은 일반적인 반도체 레이저 다이오드를 통해 얻을 수 없는 것이다.
또한, 이러한 단일극성 반도체 레이저는 비교적 큰 에너지 밴드갭을 가졌으며, 기술적으로 충분히 성숙된 III-V 화합물 반도체 물질계(예를 들어, GaAs, InP 등을 기본으로 하는 헤테로 구조)를 기반으로 하여 제작할 수 있기 때문에 PbSnTe 과 같은 온도에 민감하고 공정이 까다로운 작은 에너지 밴드갭 물질을 사용하지 않아도 된다.
이러한 단일극성 반도체 레이저를 구현하기 위한 종래의 기술들 중에는 전형적인 다중양자 우물구조에 기반한 공진터널(resonant tunneling) 구조가 포함된다. 예를 들면, W. M. Yee 등은 논문("Carrier transport and intersubband population inversion in couple quantum well", Appl. Phys. Lett. 63(8), pp. 1089-1091 (1993))을 통해 두 종류의 결합형 양자우물 구조를 해석하였다. 상기 결합형 양자우물 구조들은 각각 에너지 필터 우물 사이에 끼워진 방출용 양자우물을 포함한다. n형으로 도핑된 주입/컬렉터 영역 사이에 끼워진 양자우물 구조와 결합하고 있다.
1994년 Faist, Capasso 등은 단일극성 반도체 레이저를 양자 캐스케이드 레 이저(Quantum Cascade laser)로 명명하고, GaInAs/AlInAs 물질계 시스템을 기반으로 약 4.2 미크론 파장의 빛을 최초로 방출하였다. 다른 물질계로도 구현할 수 있는 이 레이저는 넓은 스펙트럼 영역에서 미리 결정되는 파장에 있어서 발진되도록 용이하게 설계될 수 있다.
양자 캐스케이드 레이저는 활성영역으로 도핑되지 않은 다층의 반도체 양자 우물구조를 포함하며, 이러한 활성영역은 에너지 이완(relaxation) 영역에 의해 인접한 활성영역으로부터 분리된다. 일 예로 활성영역에서의 속박된 에너지 상태 간의 발광성 천이는 같은 양자우물 내에서 일어나는 수직천이나, 인접한 양자우물의 속박 에너지 간의 대각천이가 선택되도록 설계될 수 있다.
이와 같은 파장 대역의 단일극성 레이저 다이오드는 오염 감시, 공정 제어, 자동차용 등 광범위한 분야에 이용될 수 있다. 그러므로 특히, 중적외선을 방출할 수 있는 양자 캐스케이드 반도체 레이저는 상업적, 학문적 견지에서 매우 큰 관심의 대상이 되어왔다.
그러나 종래의 양자 캐스케이드 레이저에서는 한 개의 전자가 N 개의 활성영역과 에너지 이완 영역으로 구성되는 기본 유니트(unit) 구조의 적층(stacking) 구조를 통과하면서 N 개의 광자(photon)를 방출하도록 구성되어 있다. 즉, 충분한 광 출력을 얻기 위해서는 25 내지 70 개 이상의 기본 유니트 구조의 적층 구조를 형성해야 한다. 따라서 구조가 복잡하고, 분자선 애피택시(MBE) 등의 장비를 이용하여 다층 구조를 에피 성장시켜야 하기 때문에 제조 시 극도의 어려움이 있어, 현재까지는 최첨단 기술(state of art)로 극히 제한적으로 연구 및 개발되고 있는 실정이 다.
본 발명의 목적은 적은 수의 적층 구조로 이루어지는 단순한 컴팩트 구조로 인해 제조가 용이한 부밴드 천이 반도체 레이저를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이득구조층을 통과하면서 증배된 다수의 캐리어들을 활성영역의 레이저 천이 레벨로 주입시켜 활성영역의 레이저 천이준위 간의 고밀도 반전이 이루어지도록 함으로써 고출력을 얻을 수 있는 부밴드 천이 반도체 레이저를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부밴드 천이 반도체 레이저는 반도체 기판 상에 형성된 제 1 클래딩층, 활성층 및 제 2 클래딩층을 포함하며, 상기 활성층이 캐리어를 증배시키는 이득구조층 및 상기 캐리어가 주입되어 레이저 천이가 일어나는 활성영역층의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 부밴드 천이 반도체 레이저는 반도체 기판 상에 형성된 제 1 클래딩층, 활성층 및 제 2 클래딩층을 포함하며, 상기 활성층이 캐리어를 증배시키는 이득구조층, 상기 캐리어의 에너지를 이완시키고 활성영역층으로 캐리어를 주입시키는 역할을 하는 캐리어 가이드층 및 상기 캐리어가 주입되어 레이저 천이가 일어나는 활성영역층의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 부밴드 천이 반도체 레이저는 반도체 기판 상에 형성된 제 1 클래딩층, 활성층 및 제 2 클래딩층을 포 함하며, 상기 활성층이 캐리어를 증배시키는 이득구조층, 상기 캐리어의 에너지를 이완시키고 활성영역층으로 캐리어를 주입시키는 역할을 하는 캐리어 가이드층, 상기 캐리어가 주입되어 레이저 천이가 일어나는 활성영역층 및 캐리어의 에너지 이완층의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 기판의 하부에 형성된 제 1 전극, 상기 반도체 기판 및 상기 활성층 사이에 형성된 제 1 웨이브 가이드층, 상기 활성층 및 상기 제 2 클래딩층 사이에 형성된 제 2 웨이브 가이드층, 상기 제 2 클래딩층 상에 형성된 제 2 전극, 상기 제 2 클래딩층과 상기 제 2 전극 사이에 오믹 콘택을 향상시키기 위해 형성된 콘택층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이득구조층 및 활성영역층의 조합이 반복 적층되거나, 상기 이득구조층, 캐리어 가이드층 및 활성영역층의 조합이 반복 적층되거나, 상기 이득구조층, 캐리어 가이드층, 활성영역층 및 에너지 이완층의 조합이 반복 적층된 것을 특징으로 한다.
상기 캐리어 가이드층, 활성영역층 및 에너지 이완층은 다중 양자우물 또는 초격자 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
종래의 중/원적외선용 양자 캐스케이드 레이저는 한 개의 전자가 N 개의 적층 구조를 통과하면서 N 개의 광자를 방출하는 구조를 가지기 때문에 충분한 광 출력을 얻기 위해서는 25 내지 70 개 이상의 적층 구조를 필요로 한다. 따라서 구조가 복잡하고, 다층 구조를 성장시키는 데 어려움이 있었다.
본 발명은 부밴드 간의 방사천이가 일어나는 활성영역층들 사이에 캐리어 증배가 일어나는 PIN 형의 증배층을 포함하는 이득구조층과 증배된 캐리어들의 에너지를 이완시키고 인접한 활성영역의 천이 레벨로 주입시키는 여할을 하는 캐리어 가이드층을 형성한다. 활성영역층의 레이저 발진-준위로의 캐리어 주입 효율을 높여 활성영역층의 레이저 천이 양자우물에서 고밀도 반전이 이루어지도록 함으로써 단순한 컴팩트 적층 구조로도 고출력을 얻을 수 있으며 제조가 용이하다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시 예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부밴드 천이 반도체 레이저를 설명하기 위한 단면도이다.
InP 등으로 이루어진 반도체 기판(10) 상에 1 micon 이하의 InGaAs로 이루어진 하부 클래딩층(20) 및 웨이브 가이드층(30)이 형성되고, 상기 웨이브 가이드층(30) 상에 도핑되지 않은 InGaAs/InAlAs로 이루어진 활성영역층(41), InAlAs/InAlGaAs로 이루어진 캐리어 가이드층(42) 및 이득구조층(43)이 형성된다. 이 때 상기 활성영역층(41), 캐리어 가이드층(42) 및 이득구조층(43)의 조합적용은 2회 이상, 바람직하게는 2 내지 8회 정도 이내로 반복 적층될 수 있다.
상기 활성영역층(41)은 선택 파장의 설계에 의한 도핑되지 않은 다중 양자우물(multiple quantum well) 구조 또는 초격자(superlattice) 구조로 형성될 수 있 다. 다중 양자우물 구조로 형성되며, 도 1과 같이 양자우물층(41a)과 양자장벽층(41b)이 적층된 구조로 형성할 수 있다. 즉, 수직천이 양자우물(QW) 구조나, 대각천이 양자우물(QW) 구조가 적용될 수 있으며, 1, 2, 3 양자우물 구조, 4 양자우물 구조, 또는 다중 양자우물 구조가 적용될 수 있다.
상기 캐리어 가이드층(42)은 다중 양자우물 구조 또는 초격자 구조로 형성될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 양자우물층(42a)과 양자장벽층(42b)이 적층된 구조로 형성할 수 있다.
상기 이득구조층(43)은 n+ 버퍼층(43a), 증배층(multiplication layer)(43b) 및 p 전하층(charge layer)(43c)으로 형성된다. 상기 n+ 버퍼층(43a)은 500Å 이하의 얇은 두께를 갖는 n+ InGaAs로 형성한다. 상기 증배층(43b)은 동작시 ~수 105 V/㎝ 정도 세기의 전장이 인가되도록 하며, 약 1500Å 이하의 두께로 형성하고, 언도프(undoped)된 InAlAs로 형성한다. 상기 p 전하층(43c)은 500Å 이하의 얇은 두께를 갖는 p-InAlAs로 형성한다.
상기 구조 상부에는 웨이브 가이드층(50) 및 1 마이크론 이하의 InAlAs로 이루어진 클래딩층(60)이 형성되고, 상기 기판(10)의 하부 및 상기 클래딩층(60) 상부에는 전극(81 및 82)이 각각 형성된다. 이 때 상기 전극(81)과 상기 기판(10) 간의 접착 및 오믹 콘택 특성을 향상시키기 위해 상기 기판(10)의 하부에 n형의 이온을 도핑하여 콜렉트 콘택층(도시안됨)을 형성하고, 상기 전극(82)과 상기 클래딩층(60) 간의 접착 및 오믹 콘택 특성을 향상시키기 위해 상기 전극(82)과 상기 클래 딩층(60) 간에 전도성의 물질, 예를 들어, n+ InGaAs로 수천 Å 정도 두께의 에미터 콘택층(70)을 형성할 수 있다.
즉, 상기 반도체 기판(10) 상에 클래딩층(20) 및 웨이브 가이드층(30)이 형성되고, 상기 웨이브 가이드층(30) 상에 활성영역층(41) 및 이득구조층(43)이 형성된다. 이 때 상기 활성영역층(41) 및 이득구조층(43)의 조합은 2 회 이상, 바람직하게는 2 내지 8 회 이내로 반복 적층될 수 있다.
그러면 상기와 같이 이루어지는 본 발명의 부밴드 천이 반도체 레이저의 동작을 도 2 , 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 부밴드 천이 반도체 레이저는 레이저 천이가 일어나는 활성영역층(41)들 사이에 캐리어 증배층(43b)을 포함하는 이득구조층(43)과 증배된 캐리어들을 유도하여 인접한 활성영역층(41)의 천이 레벨로 주입시키는 캐리어 가이드층(42)이 형성된다. 따라서 레이저 발진-준위로 주입되는 캐리어의 수가 증가되어 결과적으로 주입 효율이 증대되어 활성영역층(41)의 레이저 천이 양자속박 준위에서 고밀도의 반전의 효과가 성취되어 고출력의 부밴드 천이 레이저가 가능하다.
상기 전극(81 및 82)을 통해 전압을 인가하면 투입된 캐리어들이 상기 이득구조층(43)을 통과하면서 비교적 얇은 두께(＜~1500Å)를 가지는 상기 증배층(43b)에서 충돌 이온화 현상(impact ionization)에 의한 캐리어 증배(multiplication) 현상(아발란치(avalanche) 증배라고도 함)에 의해 수가 증가하게 된다. 즉, 한 개의 캐리어에 의해 다수의 캐리어가 얻어진다.
상기 증배층(43b)에서 증배된 캐리어들은 상기 캐리어 가이드층(42)에 의해 가이드되어 인접한 상기 활성영역층(41)의 천이 레벨로 주입되어 순차적으로 다수의 광자(photon)를 발생시킨다. 즉, 상기 캐리어 가이드층(42)은 증배되어 넓게 에너지 분포된 캐리어들을 좁은 에너지 분포도를 가지도록 유도하며 에너지를 이완시켜 상기 활성영역층(41)으로 주입시키는 역할을 한다. 상기 활성영역층(41)에서 부밴드 천이를 겪은 캐리어들은 다시 순차적으로 다음의 이웃하는 이득구조층(43)을 통과하면서 다시 증배되는데, 이와 같은 캐리어들의 계속적인 증배에 의해 매우 높은 광출력 이득을 얻게 된다.
예를 들어, 상기 활성영역층(41), 캐리어 가이드층(42) 및 이득구조층(43)의 조합이 N 회 반복 적층되고, 캐리어가 한 개의 증배층에서 m 배 증배된다고 가정하면, 결과적으로 주입된 1 개의 캐리어가 mN 개로 증배되며, 아울러 mN 개의 광자를 생성할 수 있게 된다.
따라서 한 개의 전자가 N 개의 캐스케이드 적층 구조를 통과하면서 N 개의 광자를 생성하는 종래의 양자 캐스케이드 레이저(QCL)에 비하여 본 발명의 부밴드 천이 반도체 레이저는 단순한 컴팩트 구조로 고출력을 얻을 수 있는 장점을 가진다. 특히, 얇은 두께의 증배층 구조를 적용함으로써 이득, 속도 및 안정성을 높일 수 있다.
상기와 같이 구성된 부밴드 천이 반도체 레이저의 출력 파장은 상기 활성영역층(41)의 레이저 천이 레벨에 해당되는 양자우물의 속박 에너지 준위들에 의해 결정된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부밴드 천이 반도체 레이저의 전도대 에너지 다이어그램이다.
활성영역층(41), 캐리어 가이드층(42) 및 이득구조층(43)으로 이루어지며, 초격자 구조로 이루어진 활성영역층(41)과 다중 양자우물 또는 초격자 구조로 이루어진 캐리어 가이드층(42)이 적용된 경우이다.
도 2를 참조하면, 전압 인가시 투입된 전자들이 캐리어 가이드층(42)에 의해 가이드되어 인접한 상기 초격자 구조로 이루어진 활성영역층(41)에 형성된 Es2 부밴드(subband)로 주입되고, 여기서 Es2 부밴드와 Es1 부밴드 간의 밀도반전(population inversion)에 의해 레이저 천이가 일어나 다수의 광자(photon)들이 방출되고, 낮은 에너지를 갖는 Es1 부밴드로 천이된 전자들은 다시 순차적으로 다음의 이웃한 이득구조층(43)을 통과하면서 증배된다. 즉, 캐리어 가이드층(42)은 증배되어 넓게 에너지 분포된 전자들을 좁은 에너지 분포도를 가지도록 유도하며 에너지를 이완시켜 다음에 이웃한 활성영역층(41)의 Es2 부밴드로 전자들을 주입시키는 역할을 한다. 활성영역층(41)에서 다시 부밴드 천이를 겪은 캐리어들은 다시 순차적으로 다음의 이웃한 이득구조층(43)을 통과하면서 다시 증배되고 , 캐리어 가이드층(42) 및 활성영역층(41)을 통과하면서 이와 같은 캐리어들의 계속적인 증배 효과에 의해 매우 높은 광출력 이득을 얻게 된다. 즉, 상기 활성영역층(41), 캐리어 가이드층(42) 및 이득구조층(43)의 조합이 N 회 반복 적층되고, 캐리어가 한 개의 증배층에서 m 배 증배된다고 가정하면, 결과적으로 주입된 1 개의 캐리어가 mN 개로 증배되며, 아울러 mN 개의 광자를 생성할 수 있는 효과를 얻게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부밴드 천이 반도체 레이저의 전도대 에너지 다이어그램이다.
활성영역층(41), 캐리어 가이드층(42) 및 이득구조층(43)으로 이루어지며, 활성영역층(41)으로 3개의 양자우물 구조가 적용된 경우이다.
도 3을 참조하면, 전압 인가시 투입된 전자들이 캐리어 가이드층(42)에 의해 가이드되어 인접한 3개의 양자우물 구조로 이루어진 상기 활성영역층(41)에 형성된 Eq3 부밴드로 주입되고, 여기서 Eq3 부밴드와 Eq2 부밴드 간의 밀도반전(population inversion)에 의해 레이저 천이가 일어나 다수의 광자(photon)들이 방출되고, 낮은 에너지를 갖는 Eq2 부밴드로 천이된 전자들은 더 낮은 에너지를 갖는 Eq1 부밴드로 빨리 이완(relax)되어, Eq3 부밴드와 Eq2 부밴드 간의 밀도반전 효과를 높여준다. Eq1 부밴드로 이완된 전자들은 다시 순차적으로 다음의 이웃한 이득구조층(43)을 통과하면서 증배된다. 즉, 캐리어 가이드층(42)은 증배되어 넓게 에너지 분포된 전자들을 좁은 에너지 분포도를 가지도록 유도하며 에너지를 이완시켜 다음에 이웃한 활성영역층(41)의 Eq3 부밴드로 전자들을 주입시키는 역할을 한다. 활성영역층(41)에서 다시 부밴드 천이를 겪은 캐리어들은 다시 순차적으로 다음의 이웃한 이득구조층(43)을 통과하면서 다시 증배되고 , 캐리어 가이드층(42) 및 활성영역층(41)을 통과하면서 이와 같은 캐리어들의 계속적인 증배 효과에 의해 매우 높은 광출력 이득을 얻게 된다. 즉, 상기 활성영역층(41), 캐리어 가이드층(42) 및 이득구조층(43)의 조합이 N 회 반복 적층되고, 캐리어가 한 개의 증배층에서 m 배 증배된다고 가정하면, 주입된 1 개의 캐리어가 mN 개로 증배되며, 아울러 mN 개의 광자를 생성할 수 있는 효과를 얻게 된다.
도 4를 참조하면, 활성영역층(41)과 이득 구조층(43) 사이에 캐리어의 이완영역으로 에너지 이완층(44)을 삽입한 구조이다. 전압 인가시 투입된 전자들이 캐리어 가이드층(42)에 의해 가이드되어 인접한 3개의 양자우물 구조로 이루어진 활성영역층(41)에 형성된 Eq3 부밴드로 주입되고, 여기서 Eq3 부밴드와 Eq2 부밴드 간의 밀도반전(population inversion)에 의해 레이저 천이가 일어나 다수의 광자(photon)들이 방출되고, 낮은 에너지를 갖는 Eq2 부밴드로 천이된 전자들은 더 낮은 에너지를 갖는 Eq1 부밴드로 이완(relax)되고 Eq1 부밴드로 천이된 전자들이 순차적으로 쉽게 에너지 이완층(44)으로 빨리 이완되게 하여, 결과적으로 Eq3 부밴드와 Eq2 부밴드 간의 밀도반전 효과를 높여주고, 이득구조층(43)의 도펀트(dopant)들이 인접한 활성영역층(41)으로 확산(diffuse)하는 것을 막아 주는 역할도 할 수 있다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시 예를 개시하였다. 그러나 고출력을 얻기 위한 본 발명의 원리 및 구조는 상기한 실시 예 뿐만 아니라 다른 레이저 구조에도 적용될 수 있다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하 기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 캐리어의 증배에 의해 즉, 이득구조층을 통과하면서 증배된 다수의 캐리어들을 활성영역의 레이저 천이 레벨로 주입시켜 고밀도 반전을 이루어짐으로써 고출력을 얻을 수 있다. 또한, 종래의 양자 캐스케이드 레이저는 충분한 광 출력을 얻기 위해 다층 구조로 형성되어야 하기 때문에 제조가 어려웠으나, 본 발명의 반도체 레이저는 단순한 컴팩트 구조 즉, 적은 수의 적층을 가진 구조로 이루어지기 때문에 제조가 용이하다. 따라서 낮은 비용으로 고출력을 갖는 중/원적외선 대역의 부밴드 천이 반도체 레이저를 구현할 수 있다.

Claims (12)

  1. 반도체 기판(10) 상에 형성된 제 1 클래딩층(20), 활성층 및 제 2 클래딩층(60)을 포함하며,
    상기 활성층은, 캐리어를 증배시키는 증배층(43b)을 포함하는 이득구조층(43) 및 상기 캐리어가 주입되어 레이저 천이가 일어나는 활성영역층(41)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이득구조층(43) 및 상기 활성영역층(41)의 조합이 반복 적층된 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
  3. 반도체 기판(10) 상에 형성된 제 1 클래딩층(20), 활성층 및 제 2 클래딩층(60)을 포함하며,
    상기 활성층은, 캐리어를 증배시키는 증배층(43b)을 포함하는 이득구조층(43), 상기 캐리어의 에너지를 이완시키고 활성영역층(41)으로 캐리어를 주입시키는 역할을 하는 캐리어 가이드층(42) 및 상기 캐리어가 주입되어 레이저 천이가 일어나는 활성영역층(41)의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 이득구조층(43), 캐리어 가이드층(42) 및 활성영역층(41)의 조합이 반복 적층된 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
  5. 반도체 기판(10) 상에 형성된 제 1 클래딩층(20), 활성층 및 제 2 클래딩층(60)을 포함하며,
    상기 활성층은, 캐리어를 증배시키는 증배층(43b)을 포함하는 이득구조층(43), 상기 캐리어의 에너지를 이완시키고 활성영역층(41)으로 캐리어를 주입시키는 역할을 하는 캐리어 가이드층(42), 상기 캐리어가 주입되어 레이저 천이가 일어나는 활성영역층(41) 및 상기 천이된 캐리어의 에너지를 이완시키는 역할을 하는 에너지 이완층(44)의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 이득구조층(43), 캐리어 가이드층(42), 활성영역층(41) 및 캐리어의 에너지 이완층(44)의 조합이 반복 적층된 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 에너지 이완층(44)은 다중 양자우물 또는 초격자 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 레이저 반도체.
  8. 제 3 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 캐리어 가이드층(42)은 다중 양자우물 또는 초격자 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 레이저 반도체.
  9. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성영역층(41)은 다중 양자우물 또는 초격자 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 레이저 반도체.
  10. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득구조층(43)은 p-전하층(43c), 상기 캐리어를 증배시키는 증배층(43b) 및 n+ 버퍼층(43a)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
  11. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 기판(10)의 하부에 형성된 제 1 전극(81),
    상기 반도체 기판(10) 및 상기 활성층 사이에 형성된 제 1 웨이브 가이드층(30),
    상기 활성층 및 상기 제 2 클래딩층(60) 사이에 형성된 제 2 웨이브 가이드층(50),
    상기 제 2 클래딩층(60) 상에 형성된 제 2 전극(82)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
  12. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 클래딩층(60)과 상기 제 2 전극(82) 사이에 오믹 콘택을 향상시키기 위해 형성된 콘택층(70)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부밴드 천이 반도체 레이저.
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