KR100884353B1 - 고휘도 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
고휘도 다이오드 및 그 제조 방법을 제공한다. 이 고휘도 다이오드는 서로 다른 광학적 한정인수를 갖는 적어도 두 개의 활성층들을 구비한다.
Description
본 발명은 광전자 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 광출력 및 넓은 파장 대역을 갖는 고휘도 다이오드(Superluminescent diode; SLD) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-004-02, 과제명: 실리콘 기반 초고속 광인터커넥션 IC].
고휘도 다이오드(Superluminescent diode, 이하 "SLD")는 높은 광출력(high optical power), 넓은 광 파장대역폭(wide optical bandwidth) 및 작은 스펙트럼 변화(spectral modulation)의 특성을 제공할 수 있는 광학 소자로서, 광 자이로스코프(optical gyroscope), 파장 다중 시스템(wavelength-division multiplexing)의 테스트, 광 응집 토모그래피(optical coherence tomography ;OCT) 및 광섬유 센서(fiber-optic sensor)의 광원 등으로 사용되고 있다.
상기 SLD는 높은 광출력을 얻기 위해 레이저 다이오드와 유사하게 유도 방 출에 의한 광 증폭 현상을 이용하지만, 넓은 광 파장 대역을 얻기 위해 레이저 다이오드와 달리 광 공진 현상을 줄이도록 구성된다. 이에 따라, 상기 SLD는 발광 다이오드(light emitting diode;LED)에 비해서는 훨씬 큰 (즉, 레이저 다이오드의 광 출력에 가까운) 광 출력을 갖고, 레이저 다이오드에 비해서는 훨씬 넓은 광 파장대역폭을 갖는다.
상기 SLD의 일반적인 구조는 알려진 레이저 다이오드의 그것과 유사하지만, 상술한 것처럼 광 공진 현상을 줄이기 위해, 공진기를 구성하는 반사 표면들은 감소된 반사율을 갖도록 제작된다. 상기 반사율을 감소시키기 위한 방법으로는, 무 반사 코팅(antireflection coating) 기술, 흡수 영역(absorption region)을 제공하는 방법 또는 반사 표면을 경사지게 형성하는 방법이 사용되어 왔다.
한편, 파장 대역 폭을 증가시키기 위한 다른 기술들로는, 미국특허 제6,184,542호(Alphonse, "superluminescent diode and optical amplifier with extended bandwidth")에서 제안된 광도파로(optical waveguide)의 방향을 따라 방출 파장(emitting wavelength)이 다른 활성층들(active layers)을 붙이는 방법 또는 Ong et al.의 논문("High performance quantum well intermixed superluminescent diode", Measurement Science and Technology, vol. 15(2004), pp. 1591-1595)에서 제안된, quantum well intermixing 기술을 이용하는 방법 등이 있다. 하지만, 이러한 방법들은 SLD의 파장대역폭을 증가시키는 데는 유효하지만, 요구된 높은 광 출력을 제공할 수 없는 기술적 한계를 갖는다. 예를 들면, Ong et al.의 논문에 따르면, 그 광 출력은 대략 1.5mW로서 과도하게 낮았다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 광출력이 높을 뿐만 아니라 광 파장대역폭이 넓은 고휘도 다이오드를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 광출력이 높을 뿐만 아니라 광 파장대역폭이 넓은 고휘도 다이오드의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 일 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은 서로 다른 광학적 한정인수를 갖는 적어도 두개의 활성층들을 구비하는 고휘도 다이오드를 제공한다. 구체적으로, 이 고휘도 다이오드는 적어도 하나의 높은 한정인수 영역 및 상기 높은 한정인수 영역보다 낮은 광학적 한정인수를 갖는 적어도 하나의 낮은 한정인수 영역을 구비한다.
이때, 상기 높은 한정인수 영역 및 상기 낮은 한정인수 영역은 복수개의 장벽층들 및 상기 장벽층들 사이에 개재된 적어도 하나의 양자 우물층에 의해 구성되는 양자 우물 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 높은 한정인수 영역에서 방출되는 빛의 파장은 상기 낮은 한정인수 영역에서 방출되는 빛의 파장과 같을 수 있다. 이를 위해, 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역의 상기 양자 우물층 및 상기 장벽층들은 두께 및 조성 중의 적어도 하나에서 같을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정 인수 영역은 각각의 양자 우물 구조를 구성하는 상기 양자 우물층의 수에서 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 높은 한정인수 영역에서 방출되는 빛의 파장은 상기 낮은 한정인수 영역에서 방출되는 빛의 파장과 다를 수 있다. 이를 위해, 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 각각의 양자 우물 구조를 구성하는 상기 양자 우물층 및 상기 장벽층들 중의 적어도 하나의 두께에서 서로 다를 수 있다. 또는, 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 각각의 양자 우물 구조를 구성하는 상기 양자 우물층 및 상기 장벽층들 중의 적어도 하나의 조성에서 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 각각의 양자 우물 구조를 샌드위치(sandwich)시키는 한정막들을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 상기 한정막들의 두께 및 조성 중의 적어도 하나에서 서로 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 높은 한정인수 영역 및 상기 낮은 한정인수 영역은 연속적인 이어지는 도파로를 형성하도록 구성된다. 또한, 상기 고휘도 다이오드로부터 출력되는 빛의 출력 및 파장대역폭은 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역의 길이들에 의해 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역 사이에 배치되어 이들 영역들 사이의 광학적 반사를 줄이는 전이 영역을 더 구비할 수 있다. 상기 전이 영역의 두께는 상기 높은 한정인수 영역으로부터 상 기 낮은 한정인수 영역으로 갈수록 점진적으로 감소할 수 있다. 또는, 상기 전이 영역의 광학적 한정인수는 상기 높은 한정인수 영역으로부터 상기 낮은 한정인수 영역으로 갈수록 점진적으로 감소할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 다른 광학적 한정인수를 갖는 적어도 두 개의 활성층들을 구비하는 고휘도 다이오드의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 기판을 노출시키는 개구부의 폭의 차이에 따른 박막의 증착 두께의 차이를 이용하는 선택적 영역 성장 기술을 통해, 상기 높은 한정인수 영역 및 상기 낮은 한정인수 영역 사이의 광학적 한정 인수의 차이를 구현하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 선택적 영역 성장 기술은 상기 기판 상에 좁은 개구부 및 넓은 개구부를 갖는 마스크 패턴을 형성한 후, 금속유기 화학기상증착 기술을 사용하여 상기 좁은 개구부 및 상기 넓은 개구부 내에 각각 제 1 활성층 및 제 2 활성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제 1 활성층은 상기 선택적 영역 성장 기술에 의해 상기 제 2 활성층보다 높은 광학적 한정인수를 갖도록 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마스크 패턴은, 점진적으로 변하는 폭을 가지고 상기 좁은 개구부 및 상기 넓은 개구부를 연결하는 중간 개구부를 더 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 중간 개구부 내에는, 점진적으로 증가하는 두께를 가지고 상기 제 1 활성층 및 상기 제 2 활성층을 연결하는 중간 활성층이 형성될 수 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
본 발명에 따르면, 높은 광학적 한정인수를 갖는 활성층 및 낮은 광학적 한정인수를 갖는 활성층이 광학적으로 서로 연결된 고휘도 다이오드가 제공된다. 상 기 높은 광학적 한정인수를 갖는 활성층은 높은 출력의 빛을 생성하고, 상기 낮은 광학적 한정인수를 갖는 활성층은 광 이득의 포화를 줄이면서 넓은 파장 대역에서 빛을 증폭시킨다. 이에 따라, 높은 광학적 한정인수를 갖는 활성층에서 생성되는 고출력 광대역의 빛은 낮은 광학적 한정인수를 갖는 활성층에서 포화없이 증폭될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 고휘도 다이오드는 높은 광 출력 및 넓은 파장 대역 폭을 함께 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 방출되는 빛의 출력 및 파장대역폭은 상기 높은 광학적 한정인수를 갖는 활성층 및 상기 낮은 광학적 한정인수를 갖는 활성층의 길이들을 조절함으로써, 변경될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 고휘도 다이오드는 사용자가 요구하는 특성을 용이하게 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양자 우물의 폭은 높은 광학적 한정인수를 갖는 활성층보다 낮은 광학적 한정인수를 갖는 활성층에서 짧을 수 있다. 이 경우, 상술한 광학적 한정인수와 관련하여 요구된 특성뿐만이 아니라, 낮은 광학적 한정인수를 갖는 활성층에서 생성된 빛이 높은 광학적 한정인수를 갖는 활성층을 포화시키는 현상을 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 다이오드는 기판(100) 상에 배치된 클래드층(clad layer) 및 상기 클래드층 내에 삽입된 활성 층(active layer)(120)을 포함한다. 상기 클래드층은 n형 반도체층(110) 및 p형 반도체층(130)을 포함하며, 상기 활성층(120)은 상기 n형 및 p형 반도체층들(110, 130) 사이에 개재된다.
상기 활성층(120)은 하부 한정막(lower confinement layer)(도 7의 122 참조), 상부 한정막(upper confinement layer)(도 7의 126) 및 이들 사이에 개재된 양자 우물 구조체를 포함할 수 있다. 상기 양자 우물 구조체는 복수개의 장벽층들(도 7의 301, 302, 303, 304, 305) 및 상기 장벽층들(301~305) 사이에 개재되는 적어도 하나의 양자 우물 층(quantum well layer)(도 7의 311, 312, 313, 314)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양자 우물 층(311~314)의 수는 1 내지 10일 수 있으며, 그 각각은 0.5% 압축적으로 스트레인드된 4nm InGaAsP(0.5% compressively strained 4nm InGaAsP)(λg=1.7㎛)일 수 있다. 또한, 상기 장벽층들(301~305)은 격자 상수가 매치된 InGaAsP(lattice matched InGaAsP)(λg=1.3㎛)일 수 있다. 하지만, 상기 양자우물층들(311~314) 및 상기 장벽층들(301~305)의 두께 및 조성 등은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 상기 활성층(120)은 후술할 것처럼 서로 다른 광학적 한정인수를 갖는 HOCF 영역 및 LOCF 영역을 구비할 수 있으며, 상기 HOCF 영역 및 LOCF 영역은 상기 양자우물층들(311~314), 상하부 한정막(122,126) 및 상기 장벽층들(301~305)의 두께 및 조성 등에서 차이를 가질 수 있다.
상기 활성층(120)에 전압이 인가되면, 상기 활성층(120)의 전자들은 발광 현상에 참여할 수 있도록 여기된 상태(excited state)를 갖게 된다. 이러한 여기된 전자들은 자발 방출(spontaneous emission)과 유도 방출(stimulated emission)에 의해 낮은 에너지 레벨로 천이(transition)하여 정공들과 재결합(recombination)함으로써 빛을 방출한다. 이러한 과정을 통해 생성되는 빛의 파장은 상기 양자 우물층(311~314)의 두께, 상기 양자 우물층(311~314)의 조성 및 상기 하부 및 상부 한정막들(122, 126)의 조성을 제어함으로써 조절될 수 있다.
상기 하부 및 상부 한정막들(122, 126)은 상기 과정을 통해 생성되는 빛이 상기 기판(100)에 수직인 방향으로 구속되도록 만든다. 이를 위해, 상기 하부 및 상부 한정막들(122, 126)은 상기 양자 우물층(311~314)과 다른 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 활성층(120)으로 전류를 공급하기 위해, 상기 n형 및 p형 반도체층들(110, 130)에는 도전성 물질(예를 들면, 금속막)이 증착될 수 있다.
상기 p형 반도체층(130)은 도파로(waveguide)를 정의하도록 패터닝될 수 있다. 예를 들면, 상기 p형 반도체층(130)을 띠(stripe)-형태로 패터닝할 경우, 상기 도파로는 상기 기판(100)과 수평인 방향으로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 활성층(120)에서 생성되는 빛은 소정의 공간적 분포(spatial distribution)(즉, mode)를 가지고 상기 도파로를 따라 진행하며, 상기 활성층(120)에 인가되는 전류에 의해 증폭된다. 본 발명에 따르면, 광 공진 현상을 줄이기 위해, 상기 p형 반도체층(130)은 도시된 것처럼 상기 기판(100)의 장축에 대해 대략 8도의 각도로 굽어진 부분을 갖도록 형성된다. 이에 더하여, 광 공진 현상을 줄이기 위해, 상기 광도파 로의 끝단면에 무반사 코팅(antireflection coating layer)를 형성하거나, 상기 광도파로의 일 측에 흡수 영역(absorption region)(140)을 제공하는 방법이 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 활성층(120)은 높은 광학적 한정 인수(high optical confinement factor)를 갖는 적어도 하나의 HOCF 영역과 낮은 광학적 한정 인수를 갖는 적어도 하나의 LOCF 영역을 구비할 수 있다. 상기 광학적 한정 인수는 빛의 공간적 분포가 활성층(더 구체적으로는, 양자 우물 구조에서는 상기 양자 우물층(311~314))과 일치하는 정도를 나타내며, 빛의 파장과 마찬가지로 상기 양자 우물층(311~314)의 조성 및 상기 하부 및 상부 한정막들(122, 126)의 조성을 제어함으로써 조절될 수 있다. 상기 광학적 한정 인수와 관련된 보다 상세한 내용은 아래에서 수학식 1을 참조하여 설명될 것이다.
상기 HOCF 영역은 높은 광 출력을 제공할 수 있도록 구성되고, 상기 LOCF 영역은 광 이득의 포화(saturation)를 억제함으로써 넓은 파장 대역폭에서 광 증폭이 일어날 수 있도록 구성된다. 이때, 상기 HOCF 영역 및 상기 LOCF 영역의 도파로들은 연속적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상기 HOCF 영역에서 생성되는 고출력 광대역(broadband)의 빛은, 상기 LOCF 영역에서, 포화없이 넓은 파장 대역폭을 유지하면서 동시에 증폭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 방출되는 빛의 출력 및 파장 대역폭은 상기 HOCF 영역 및 상기 LOCF 영역의 길이들을 조절함으로써 제어될 수 있다. 즉, 상기 HOCF 영역 및 상기 LOCF 영역의 길이들 그리고 이들 사이의 비율은 원하는 출력 및 파장 대역폭을 갖는 빛을 방출하기 위해 필요에 따라 선택적으로 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 LOCF 영역에서 방출되는 빛의 파장이 상기 HOCF 영역에서 방출되는 빛의 파장보다 짧도록, 상기 활성층(120)의 LOCF 영역 및 상기 HOCF 영역은 설계될 수 있다. 이 경우, 상기 LOCF 영역에서 방출되는 빛이 상기 HOCF 영역으로 진행하면서 상기 HOCF 영역을 포화시키는 것을 예방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양자 우물층(311~314)은 상기 HOCF 영역에서보다 상기 LOCF 영역에서 약간 좁도록 설계될 수 있다. 이 경우, 상기 LOCF 영역에서 방출되는 빛의 파장은 상기 HOCF 영역의 그것에 비해 짧아지기 때문에, 상술한 포화의 예방을 위한 기술적 요건을 충족시킬 수 있다. 이에 더하여, 이 경우, 상기 LOCF 영역은 상기 HOCF 영역보다 낮은 광학적 한정 인수를 갖게 되어, 광학적 한정 인수와 관련하여 요구된 기술적 요건을 함께 충족시킬 수 있다.
한편, 상기 LOCF 영역과 상기 HOCF 영역 사이에는, 상기 LOCF 영역으로부터 상기 HOCF 영역으로 갈수록 점진적으로 증가하는 두께를 갖는 전이 영역이 형성될 수도 있다. 상기 전이 영역은 상기 LOCF 영역으로부터 상기 HOCF 영역으로 갈수록 점진적으로 증가하는 광학적 한정인수를 가질 수 있다.
아래에서는, 본 발명의 기술적 사상이 보다 명확히 이해될 수 있도록, 광학적 한정 인수의 차이에 따른 고휘도 다이오드의 동작에 대해 간략히 설명할 것이다.
자발 방출인 경우와 달리, 방출되는 빛의 세기를 증폭시키는데 중요한 역할 을 하는 유도 방출은 전자의 천이를 유도하는 다른 광자를 필요로 한다. 광 이득(optical gain)은 이 과정을 통해 증폭되는 정도를 표현하며, 도 2는 전하의 농도에 따른 광 이득을 계산한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 전하의 농도가 증가할수록, 광 이득의 파장대역 폭이 증가한다. 고휘도 다이오드의 경우, 자발 방출로 발생된 빛이 유도 방출에 의한 광 이득을 통하여 그 세기가 커져 높은 출력을 갖게 되며, 이러한 과정은 아래의 식을 통해 정량적으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
이때, Sλ는 파장 λ인 광의 세기를 나타내고, n은 전하의 농도이고, Pλ는 자발 방출에 의한 크기이고, gλ는 광이득이고, Γ는 상술한 광학적 한정 인수를 나타낸다. 위 수학식 1에 따르면, 전하 농도가 n인 활성층에서 파장 λ인 광의 세기(Sλ)는 자발 방출에 의한 크기(Pλ)과 광 이득(gλ)에 의해 증폭되는 양의 합으로 표현된다. 따라서, 고휘도 다이오드의 출력(power)은 광 이득에 의한 효과를 증대시키는 방법을 통해 증가될 수 있으며, 이러한 광 이득에 의한 효과는 광학적 한정 인수를 증가시키는 방법을 통해 달성될 수 있다. 하지만, 광학적 한정 인수의 증가는, 아래 도 3 및 도 4를 참조하여 설명될 것처럼, 고휘도 다이오드의 출력을 증대시킬 수 있지만, 그 파장 대역폭의 감소를 초래할 수 있다.
도 3은 광학적 한정 인수의 차이에 따른 광출력의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 4는 광학적 한정 인수의 차이에 따른 광 스펙트럼의 변화를 보여주는 그래프이다. 이때, 도 3 및 도 4는 서로 다른 광학적 한정 인수를 갖는 고휘도 다이오드들에 대한 실험 결과이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 광학적 한정 인수가 증가할 경우, 광 출력은 증가하지만 광 스펙트럼에서 파장 대역폭은 감소되었다. 이러한 파장 대역폭의 감소는 광의 세기 증가에 따른 과도한 유도 방출의 결과이다. 즉, 광의 세기가 증가될 경우, 과도한 유도 방출이 발생하여 활성층에서의 전하 농도를 감소시킬 수 있으며, 그 결과로서, 광 이득의 파장 대역 폭은 좁아질 수 있다. 이러한 현상은 광 이득의 포화(saturation)라고 하며, 광학적 한정 인수가 증가할수록 심화된다.
도 5 및 도 6은 이러한 광 이득의 포화를 설명하기 위한 도면들이다. 구체적으로, 도 5는 고휘도 다이오드에서 발견되는, 광의 진행 경로에 따른 광 출력의 불균일함을 보여주는 그래프이고, 도 6은 광의 진행 경로에 따른 전하 농도 분포를 보여주는 그래프이다. 레이저 다이오드의 경우와 달리, 고휘도 다이오드는, 상술한 것처럼 넓은 파장 대역 폭을 구현하기 위해, 도파로의 끝단(facet)에서의 반사를 줄이도록 구성된다. 이에 따라, 도 5에 도시된 것처럼, 고휘도 다이오드의 광 세기의 분포는 도파로(즉, 광의 진행 경로) 상에서의 위치에 따라 불균일하다. 그 결과, 전하 농도의 분포 역시 도파로 상에서의 위치에 따라 불균일하다.
구체적으로, 도 6에 도시된 것처럼, 전하 농도는 도파로의 중앙부에 비해 그 양단에서 낮아지며, 도파로 양단에서의 이러한 전하 농도의 감소는 방출되는 광 의 파장 대역폭 감소를 초래한다. 즉, 도 6을 참조하면, 도파로의 양단에서의 전하 농도는 광학적 한정 인수가 큰 경우에 대략 2 x1018 cm-3인데 비해, 광학적 한정 인수가 작은 경우 대략 2.5 x1018 cm- 3였다. 전하의 농도에 따른 광 이득을 보여주는 상술한 도 2를 참조하면, 도파로 양단에서의 이러한 전하 농도의 감소는 좁은 파장 대역의 빛들 만을 증폭시킨다. 따라서, 높은 광학적 한정 인수를 갖는 경우, 방출되는 빛의 파장대역폭은 감소된다.
고휘도 다이오드의 출력 및 파장대역폭 특성들에 대한 상술한 광학적 한정 인수의 효과 때문에, 종래의 고휘도 다이오드는 높은 출력 및 넓은 파장 대역폭 특성을 동시에 구현하기 어려웠다. 하지만, 상기 HOCF 영역 및 상기 LOCF 영역을 함께 갖는 본 발명의 고휘도 다이오드는 이러한 기술적 어려움을 극복할 수 있다. 아래에서는, 본 발명에 따른 고휘도 다이오드의 HOCF 영역 및 LOCF 영역이 보다 구체적으로 설명될 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 HOCF 영역 및 LOCF 영역을 구비하는 고휘도 다이오드를 도시하는 단면도이다. 본원의 기술적 사상을 효과적으로 설명하기 위해, 도 7에는, 하나의 HOCF 영역 및 하나의 LOCF 영역을 구비하는 고휘도 다이오드가 개략적으로 도시되었다. 하지만, HOCF 및 LOCF 영역들의 수 및 위치 및 치수 등과 같은 기하학적 특징들 등은 다양하게 변형될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 활성층(120)은 HOCF 영역 및 LOCF 영역을 구비한다. 상기 HOCF 영역은 고출력의 빛을 생성할 수 있도록 구성되고, 상기 LOCF 영역은 증가된 포화 출력을 가질 수 있도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 HOCF 영역은 고출력의 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 또는 그것으로부터 변형된 구조일 수 있고, 상기 LOCF 영역은 고출력의 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier; SOA) 또는 그것으로부터 변형된 구조일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 고휘도 다이오드는 고출력 LED 및 고출력 광대역 SOA가 함께 집적된 소자일 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 상기 HOCF 영역에서 생성되는 고출력 광대역의 빛은 상기 LOCF 영역으로 진행하면서 증폭된다. 이때, 상기 LOCF 영역은 포화 출력이 높고 증폭 대역폭이 넓기 때문에, 이러한 증폭의 과정 동안, 상기 HOCF 영역으로부터 유입되는 빛은 포화(saturation)없이 넓은 파장대역폭을 유지하면서 증폭될 수 있다.
이에 따른 본 발명의 효과는 도 3 및 도 4에 도시된 그래프들로부터 확인할 수 있다. 이때, 도 3, 도 4 및 도 6에서, '본 발명'으로 표시된 곡선들은 상기 HOCF 영역 및 상기 LOCF 영역이 서로 다른 광학적 한정 인수를 갖도록 설계된 고휘도 다이오드로부터 얻어진 결과들이다. 출력 및 파장대역폭과 관련한 다양한 기술적 요구들은 상기 HOCF 영역 및 상기 LOCF 영역의 길이들을 변화시키는 방법을 통해 충족될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, HOCF 영역 및 LOCF 영역을 구비하는 본 발명에 따른 고휘도 다이오드의 광 출력(optical power)은 높은 광학적 한정 인수를 갖는 경우의 그것에 비해 비슷하였다. 또한, 다시 도 4를 참조하면, HOCF 영역 및 LOCF 영역을 구비하는 본 발명에 따른 고휘도 다이오드의 파장 대역폭은 높은 광학적 한정 인수를 갖는 경우의 그것에 비해 크게 증가되었다. 이런 점에서, 본 발명에 따른 고휘도 다이오드는, 높은 광학적 한정 인수를 갖는 고휘도 다이오드에 비해, 과도한 출력의 저하없이 파장 대역폭을 증가시킬수 있음을 알 수 있다.
이에 더하여, 다시 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 고휘도 다이오드의 전하 농도 분포는 높은 광학적 한정 인수를 갖는 경우의 그것에 비해, 도파로의 양단에서 더 높은 전하 농도를 가졌다. 이때, 낮은 전하 농도를 갖는 영역에서 증폭되는 파장 대역 폭이 좁아진다는 점에서, 포화 현상이 일어나는 영역의 파장 대역 폭은 높은 광학적 한정 인수를 갖는 경우에 비해 HOCF 영역 및 LOCF 영역을 함께 구비하는 본 발명의 고휘도 다이오드의 경우에 더 좁다는 것을 알 수 있다.
도 8은 상기 활성층 각 부분들의 굴절율 프로파일(refractive index profile)(Pn)와 빛의 공간적 분포 (즉, 모드) 프로파일(PI) 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 이때, 상기 굴절율 프로파일(Pn)은 상기 기판(100)에 수직한 방향에 따른 활성층 각 부분들의 굴절율이다.
도 8을 참조하면, 상기 HOCF 영역에서의 상기 양자 우물층(311~314)의 두께는 상기 LOCF 영역에서의 그것보다 더 두껍게 형성되었다. 이 경우, 양자 우물에서의 모드 세기(mode intensity)는 LOCF 영역보다 HOCF 영역에서 더 높았다. 이런 점에서, 의도된 것처럼, HOCF 영역이 LOCF 영역보다 더 큰 광학적 한정인수를 갖는다는 것을 알 수 있다.
하지만, 상기 HOCF 영역 및 상기 LOCF 영역 사이의 광학적 한정 인수의 이러한 차이는 다양한 방법들을 통해 구현될 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 실시예에 따르면, 양자 우물 구조에서, 양자 우물층(311~314)의 두께를 변화시키는 방법을 통해 요구된 광학적 한정 인수의 차이를 구현하였지만, 상기 양자 우물층(311~314)의 두께를 고정시키면서 상기 하부 및 상부 한정막들(122, 126)의 두께를 변화시키는 방법 역시 가능하다. 이에 더하여, 상기 양자 우물층(311~314), 상기 양자 우물층(311~314)을 샌드위치시키는 장벽층(301~305), 및 상기 하부 및 상부 한정막들(122, 126)의 조성을 바꾸는 방법을 통해서도, 요구된 광학적 한정 인수의 차이를 구현할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 요구된 광학적 한정 인수의 차이는 상기 HOCF 영역 및 상기 LOCF 영역이 서로 다른 수의 양자 우물층들을 갖도록 상기 활성층(120)을 형성하는 방법을 통해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 LOCF 영역은 상기 HOCF 영역에서 방출되는 빛의 파장보다 짧은 파장의 빛을 방출할 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 상술한 것처럼, 상기 LOCF 영역에서 우물의 폭이 상기 HOCF 영역의 그것보다 짧게 형성할 경우, 이러한 방출 파장과 관련된 기술적 요건뿐만이 아니라 광학적 한정 인수와 관련된 기술적 요건은 동시에 충족될 수 있다.
한편, 상기 LOCF 영역에서 방출되는 빛의 파장이 상기 HOCF 영역으로부터 방출되는 빛의 파장보다 짧을 경우, 상기 HOCF 영역에서의 의도되지 않은 유도 방출에 의한 출력 감소 및 파장대역폭의 감소를 예방할 수 있다. 구체적으로, 이러한 요건이 충족되지 않을 경우, 상기 LOCF 영역에서 생성된 빛은 (의도되지 않은 방향인) 상기 HOCF 영역을 향해 진행하면서, 상기 HOCF 영역에서 유도 방출을 유발할 수 있다. 이 경우, 상기 HOCF 영역에서의 전하 농도가 감소함으로써, 상기 HOCF 영역에서 방출되는 빛의 출력 및 파장대역폭이 감소할 수 있다. 하지만, 상술한 것처럼, 방출되는 빛의 파장이 상기 HOCF 영역에서보다 상기 LOCF 영역에서 짧을 경우, 상기 LOCF 영역에서 생성된 빛은 유도 방출에 참여하지 않고 상기 HOCF 영역에서 흡수됨으로써, 상기 HOCF 영역에서의 의도되지 않은 유도 방출 및 이에 따른 문제는 예방될 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 9를 참조하면, 기판(100) 상에 상기 기판(100)의 상부면을 노출시키는 개구부를 갖는 마스크 패턴(200)을 형성한다. 상기 개구부는 상기 활성층(120)의 모양을 정의한다. 예를 들면, 상기 개구부는 상기 LOCF 영역, 상기 전이 영역 및 상기 HOCF 영역의 모양들을 한정하는 제 1 개구부(201), 제 2 개구부(202) 및 제 3 개구부(203)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 제 1 개구부(201)는 상기 제 3 개구부(203)보다 넓은 폭을 갖도록 형성되고(W1>W3), 상기 제 2 개구부(202)는 상기 제 1 개구부(201)로부터 상기 제 3 개구부(203)로 갈수록 점진적으로 좁아지도록 형성된다(W1=W2=W3).
상기 마스크 패턴(200)은, 금속유기 화학기상증착(Metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD) 공정 동안, 그 상부에 박막이 성장되지 않는 물질들 중의 하나로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 마스크 패턴(200)은 실리콘 산화막으로 형성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 10을 참조하면, 금속유기 화학기상증착 기술을 사용하여, 상기 활성층(120)을 구성하는 박막들을 형성한다. 상기 박막들은 III-V족 화합물들 중의 한가지일 수 있다. 상기 마스크 패턴(200)이 사용될 경우, 박막을 구성하는 원자 또는 분자들은 상기 마스크 패턴(200) 상에 형성되지 않고, 상기 개구부를 통해 노출되는 상기 기판(100) 상으로 이동하여 성장에 참여한다. 이때, 상기 박막의 두께 및 조성은 상기 개구부의 폭에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 개구부의 폭이 좁아질수록, 상기 마스크 패턴(200)으로부터 상기 기판(100)의 상부면을 향해 이동하는 원자 또는 분자의 수가 증가하기 때문에, 박막의 성장 두께는 증가한다.
따라서, 상술한 것처럼, 상기 마스크 패턴(200)이 서로 다른 폭을 갖는 개구부들(201~203)을 구비할 경우, 하나의 기판(100) 상에 서로 다른 물리적 구조(즉, 두께)를 갖는 활성층을 형성하는 것이 가능하다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 상기 활성층(120)의 두께는 상기 제 1 개구부(201) 내에서보다 상기 제 3 개구부(203) 내에서 더 두꺼워지고, 상기 제 2 개구부(202) 내에서는 상기 제 1 개구부(201)로부터 상기 제 3 개구부(203)로 갈수록 증가한다. 즉, 이 방법에 따르면, 별도의 공정 단계를 추가하지 않더라도, 상기 LOCF 영역, 상기 전이 영역 및 상기 HOCF 영역의 활성층들이 서로 다른 두께를 갖도록 만들 수 있다.
상술한 방법은 선택적 영역 성장(selective area growth) 기술이라고 한다. 상기 선택적 영역 성장에 의해, 상기 양자 우물층들(311~314), 장벽층들(301~305) 및 상기 한정막들(122, 126)의 두께는 상기 LOCF 영역에 비해 상기 HOCF 영역에서 증가된다. 이에 따라, 상기 HOCF 영역은 상기 LOCF 영역에 비해 증가된 광학적 한 정 인수를 가질 수 있다. 이에 더하여, 상기 양자 우물의 폭 역시 상기 LOCF 영역에 비해 상기 HOCF 영역에서 증가하기 때문에, 방출되는 빛의 파장은 상기 LOCF 영역에 비해 상기 HOCF 영역에서 길어진다. 그 결과, 상기 LOCF 영역으로부터 상기 HOCF 영역으로 진행하는 빛은 상기 HOCF 영역에서 흡수되어, 상기 HOCF 영역에서의 의도되지 않은 유도 방출은 예방될 수 있다.
또한, 상술한 선택적 영역 성장은 상기 전이 영역이 상기 LOCF 영역으로부터 상기 HOCF 영역으로 갈수록 점진적으로 두꺼워지도록 만들기 때문에, 상기 전이 영역의 광학적 한정인수는 상기 LOCF 영역으로부터 상기 HOCF 영역으로 갈수록 점진적으로 증가된다. 두께 및 광학적 한정인수과 관련된 상기 전이 영역의 이러한 점진적 변화들은 상기 LOCF 영역과 상기 HOCF 영역 사이에서의 광학적 반사를 감소시킴으로써, 본 발명에 따른 고휘도 다이오드가 감소된 스펙트럴 모듈레이션(spectral modulation) 특성을 갖도록 만든다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 하나의 기판(100) 상에 서로 다른 구조의 활성층들을 형성하기 위해, 상기 기판(100) 전면에 제 1 활성층을 성장시키고, 상기 제 1 활성층의 일부를 식각하여 제거한 후, 제거된 영역에 제 2 활성층을 선택적으로 성장시키는 butt-joint 방법을 사용할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 다이오드를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 전하의 농도에 따른 광 이득을 계산한 그래프이다.
도 3은 광학적 한정 인수의 차이에 따른 광출력의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 광학적 한정 인수의 차이에 따른 광 스펙트럼의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 광의 진행 경로에 따른 광 출력의 불균일함을 보여주는 그래프이다.
도 6은 광의 진행 경로에 따른 전하 농도 분포를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 고휘도 다이오드를 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 고휘도 다이오드의 굴절율 프로파일 및 빛의 공간적 분포 프로파일 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘도 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
Claims (16)
- 적어도 하나의 높은 한정인수 영역 및 상기 높은 한정인수 영역보다 낮은 광학적 한정인수를 갖는 적어도 하나의 낮은 한정인수 영역을 구비하되,상기 높은 한정인수 영역 및 상기 낮은 한정인수 영역은 연속적인 이어지는 도파로 상에 각각 형성되는 발광 다이오드 및 반도체 광증폭기를 구성하되, 상기 반도체 광증폭기는 광 공진 현상이 억제되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,상기 고휘도 다이오드로부터 출력되는 빛의 출력 및 파장대역폭은 상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역의 길이들에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역 사이에 배치되어 이들 영역들 사이의 광학적 반사를 줄이는 전이 영역을 더 구비하되,상기 전이 영역의 두께는 상기 높은 한정인수 영역으로부터 상기 낮은 한정인수 영역으로 갈수록 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 3 항에 있어서,상기 전이 영역의 광학적 한정인수는 상기 높은 한정인수 영역으로부터 상기 낮은 한정인수 영역으로 갈수록 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 1 항 내지 제 3 항들 중의 어느 한 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역 및 상기 낮은 한정인수 영역은 복수개의 장벽층들 및 상기 장벽층들 사이에 개재된 적어도 하나의 양자 우물층에 의해 구성되는 양자 우물 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 5 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역에서 방출되는 빛의 파장은 상기 낮은 한정인수 영역에서 방출되는 빛의 파장과 같은 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 6 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역의 상기 양자 우물층 및 상기 장벽층들은 두께 및 조성 중의 적어도 하나에서 같은 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 6 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 각각의 양자 우물 구조를 구성하는 상기 양자 우물층의 수에서 서로 다른 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 5 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역에서 방출되는 빛의 파장은 상기 낮은 한정인수 영역에서 방출되는 빛의 파장과 다른 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 9 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 각각의 양자 우물 구조를 구성하는 상기 양자 우물층 및 상기 장벽층들 중의 적어도 하나의 두께에서 서로 다른 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 9 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 각각의 양자 우물 구조를 구성하는 상기 양자 우물층 및 상기 장벽층들 중의 적어도 하나의 조성에서 서로 다른 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 5 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 각각의 양자 우물 구조를 샌드위치(sandwich)시키는 한정막들을 더 포함하되,상기 높은 한정인수 영역과 상기 낮은 한정인수 영역은 상기 한정막들의 두께 및 조성 중의 적어도 하나에서 서로 다른 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 1 항 내지 제 3 항들 중의 어느 한 항에 있어서,상기 높은 한정인수 영역 및 상기 낮은 한정인수 영역은 연속적인 이어지는 도파로를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드.
- 제 1 항에서의 고휘도 다이오드의 제조 방법에 있어서,상기 높은 한정인수 영역 및 상기 낮은 한정인수 영역의 광학적 한정 인수의 차이는 기판을 노출시키는 개구부의 폭의 차이에 따른 박막의 증착 두께의 차이를 이용하는 선택적 영역 성장 기술을 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 제 1 항에서의 고휘도 다이오드의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 선택적 영역 성장 기술은상기 기판 상에, 좁은 개구부 및 넓은 개구부를 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및금속유기 화학기상증착 기술을 사용하여 상기 좁은 개구부 및 상기 넓은 개구부 내에 각각 제 1 활성층 및 제 2 활성층을 형성하는 단계를 포함하되,상기 제 1 활성층은 상기 제 2 활성층보다 높은 광학적 한정인수를 갖는 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드의 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,상기 마스크 패턴은, 점진적으로 변하는 폭을 가지고 상기 좁은 개구부 및 상기 넓은 개구부를 연결하는 중간 개구부를 더 구비하되,상기 중간 개구부 내에는, 점진적으로 증가하는 두께를 가지고 상기 제 1 활성층 및 상기 제 2 활성층을 연결하는 중간 활성층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고휘도 다이오드의 제조 방법.
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