KR101902928B1 - 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자 - Google Patents
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Abstract
구동 전압의 저감과 높은 광흡수 강도를 동시에 달성할 수 있는 3중 연결 양자우물 구조를 갖는 광학 소자가 개시된다. 개시된 광학 소자는, 통상적인 장벽층에 비해 에너지 준위가 낮은 2개의 연결 장벽층을 통해 서로 연결된 3개의 비대칭적인 양자우물을 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 포함할 수 있다. 이러한 3중 연결 양자우물 구조에서는 광학 소자에 전압이 인가되면, 2개의 연결 장벽층의 에너지 조절 기능을 통해 정공의 파동함수와 전자의 파동함수의 상당 부분이 중앙에 있는 양자우물 내에 중첩하여 분포하게 된다. 따라서, 양자우물층의 두께 증가로 광학 소자의 구동 전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 정공의 파동함수와 전자의 파동함수 사이의 중첩을 충분한 정도로 유지할 수 있어서 흡수 강도의 향상이 가능하다.
Description
개시된 실시예들은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동 전압의 저감과 높은 광흡수 강도를 동시에 달성할 수 있는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 관한 것이다.
3D 카메라는 일반적인 영상의 촬영 기능 이외에 피사체 표면 상의 다수의 점들로부터 3D 카메라까지의 거리를 측정하는 기능을 포함한다. 현재 피사체와 3D 카메라 사이의 거리를 측정하기 위한 다양한 알고리즘들이 제안되고 있는데, 통상적으로 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 주로 사용된다. TOF 방식은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 조명광이 수광부에서 수광되기까지 비행시간을 측정하는 방법이다. 조명광의 비행시간은 주로 조명광의 위상지연을 측정하여 얻을 수 있는데, 정확한 위상지연의 측정을 위해 고속 광변조기가 사용된다.
거리 정밀도가 높은 3D 영상을 얻기 위해서는 우수한 전기-광학적 응답 특성을 갖는 광변조기를 사용하는데, 최근에는 GaAs 기반의 반도체 광변조기가 주로 사용되고 있다. GaAs 기반의 반도체 광변조기는 P-전극과 N-전극 사이에 다중양자우물(multiple quantum well; MQW) 구조를 배치한 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다. 이러한 구조에서, PN 양단에 역방향 바이어스 전압을 인가하면 다중양자우물 구조가 특정 파장 영역에서 엑시톤(exciton)을 형성하면서 빛을 흡수하게 된다. 다중양자우물 구조의 흡수 스펙트럼은 역바이어스 전압이 증가할수록 장파장 쪽으로 이동하는 특성이 있으며, 따라서 역바이어스 전압의 변화에 따라 특정 파장에서의 흡수도가 변화할 수 있다.
이러한 원리에 따라 광변조기에 인가되는 역바이어스 전압의 조절을 통해 특정 파장을 갖는 입사광의 세기를 변조하는 것이 가능하다. 흡수 스펙트럼이 장파장 쪽으로 이동하는 정도는 천이 에너지(transition energy)로 나타낼 수 있으며, 일반적으로 천이 에너지는 하나의 양자우물층의 두께의 4제곱에 비례하고 인가 전압의 제곱에 비례한다. 따라서, 하나의 양자우물층의 두께가 두꺼울수록 그리고 인가 전압이 높을수록 흡수 스펙트럼은 장파장 쪽으로 더 크게 이동할 수 있다. 천이 에너지가 크면 광변조기에 전압 인가시와 전압 비인가시의 흡수도 차이가 크기 때문에 높은 명암비를 얻을 수 있다.
한편, GaAs 기반의 반도체 광변조기는 온도에 따라 전기-광학적 특성이 변화할 수 있기 때문에, 광변조기의 구동 전압을 낮춤으로써 발열을 최소화하는 것이 유리하다. 상술한 바와 같이, 천이 에너지가 양자우물층의 두께의 4제곱에 비례하고 인가 전압의 제곱에 비례하기 때문에, 구동 전압을 낮추기 위해서는 양자우물층의 두께를 증가시킬 수 있다. 그런데, 양자우물층의 두께가 증가하면 다중양자우물 구조의 흡수 강도가 저하될 수 있다. 일반적으로, 흡수 강도는 양자우물층의 두께에 반비례하고, 양자우물층 내에서 정공의 파동함수(wave function)와 전자의 파동함수가 중첩한 정도의 제곱에 비례한다. 양자우물층의 두께가 증가하면, 정공의 파동함수와 전자의 파동함수 사이의 중첩 정도가 작아져서 전자-정공 쌍에 의한 엑시톤 발생이 줄어들어 흡수 강도가 낮아진다. 따라서, 구동 전압을 낮추기 위하여 양자우물층의 두께를 증가시키면 흡수 강도가 낮아져서 광변조기의 성능이 저하될 수 있다.
즉, 저전압 구동을 위한 천이 에너지 조건과 높은 흡수 강도를 유지하기 위한 조건 사이에는 서로 트레이드-오프(trade-off) 관계가 있다. 이러한 이유로 두 상반된 조건을 고려한 최적화를 통해 광변조기의 구동 전압과 양자우물층의 두께가 결정되는데, 광변조기에 요구되는 성능이 높아질수록 구동 전압이 증가하게 된다.
구동 전압의 저감과 높은 광흡수 강도를 동시에 달성할 수 있는 광학 소자를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 광학 소자는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 활성층을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고, 상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 상기 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하는 3중 연결 양자우물이고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
여기서, 제 2 양자우물층의 두께는 제 1 양자우물층의 두께보다 크며, 제 1 양자우물층의 두께는 제 3 양자우물층의 두께보다 클 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 전자와 정공이 터널링 가능한 두께로 구성될 수 있다.
예를 들어, 850nm의 사용 파장 대역에서, 상기 양자우물층은 GaAs를 포함하고, 상기 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs (여기서, 0<y<1)을 포함하며, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0< y<x<=1)를 포함할 수 있다.
또한, 1550nm의 사용 파장 대역에서, 상기 양자우물층으로서 InxGa1-xAs, In1-x-yGaxAlyAs, 및 In1-xGaxAszP1-z 중에 적어도 하나를 포함하고, 상기 연결 장벽층과 외부 장벽층은 In1-x-yGaxAlyAs 및 In1-xGaxAszP1-z (여기서, 0< x, y, z <1) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광학 소자는 상기 활성층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 n-컨택층과 p-컨택층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광학 소자는 상기 활성층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 하부 반사층과 상부 반사층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광학 소자는 반사형 광변조기이며, 상기 하부 반사층의 반사도가 상기 상부 반사층의 반사도보다 높을 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 광학 소자는 투과형 광변조기이며, 상기 하부 반사층의 반사도와 상기 상부 반사층의 반사도가 동일할 수 있다.
상기 광학 소자는 상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층 중에서 적어도 하나의 반사층 내에 배치되는 적어도 하나의 마이크로 캐비티층을 더 포함하며, 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 활성층과 상기 적어도 하나의 마이크로 캐비티층은 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층은 광학적 두께가 각각 λ/4이고 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층된 DBR 층일 수 있다.
상기 마이크로 캐비티층은 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층 중에서 어느 하나와 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 활성층은 상기 하부 반사층 상에 배치된 제 1 활성층, 및 상기 제 1 활성층 위에 배치된 제 2 활성층을 포함하며, 상기 제 1 활성층은 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 3중 연결 양자우물을 포함하고, 상기 제 2 활성층은 순차적으로 적층된 제 4 양자우물층, 제 3 연결 장벽층, 제 5 양자우물층, 제 4 연결 장벽층 및 제 6 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 3중 연결 양자우물을 포함하며, 상기 제 1 활성층의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 5 양자우물층의 두께와 상이할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께보다 크며 상기 제 1 양자우물층의 두께는 상기 제 3 양자우물층의 두께보다 크고, 상기 제 5 양자우물층의 두께는 상기 제 4 양자우물층의 두께보다 크며 상기 제 4 양자우물층의 두께는 상기 제 6 양자우물층의 두께보다 클 수 있다.
또한, 상기 제 1 활성층의 제 1 양자우물층 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 4 양자우물층 및 제 6 양자우물층의 두께와 각각 동일할 수 있다.
또한, 상기 활성층은, 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 제 1 활성층; 및 2개의 외부 장벽층 사이에 개재된 단일한 제 4 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 단일 양자우물 구조를 포함하는 제 2 활성층;을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 광학 소자는, 하부 반사층; 상기 하부 반사층 위에 배치된 제 1 활성층; 상기 제 1 활성층 위에 배치된 중간 반사층; 상기 중간 반사층 위에 배치된 제 2 활성층; 및 상기 제 2 활성층 위에 배치된 상부 반사층;을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 활성층 중에서 적어도 하나는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 연결 양자우물 구조를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하며, 상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 활성층의 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하고, 상기 제 2 활성층의 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 4 양자우물층, 제 3 연결 장벽층, 제 5 양자우물층, 제 4 연결 장벽층 및 제 6 양자우물층을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 내지 제 4 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 활성층의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 5 양자우물층의 두께와 상이할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 활성층의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 5 양자우물층의 두께와 동일할 수 있다.
상기 제 1 활성층의 제 1 양자우물층 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 4 양자우물층 및 제 6 양자우물층의 두께와 각각 동일할 수 있다.
또한, 상기 제 1 활성층은, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 단일한 양자우물층;을 구비하는 단일 양자우물 구조를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 활성층은, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 단일한 양자우물층;을 구비하는 단일 양자우물 구조를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하부 반사층과 상부 반사층은 제 1 전기적 타입으로 도핑되어 있고, 상기 중간 반사층은 제 1 전기적 타입과 전기적으로 상반되는 제 2 전기적 타입으로 도핑될 수 있다.
개시된 실시예에 따른 광학 소자는, 통상적인 장벽층에 비해 에너지 준위가 낮은 2개의 연결 장벽층(coupling barrier)을 통해 서로 연결된 3개의 비대칭적인 양자우물을 갖는 3중 연결 양자우물 구조를 갖는다. 이러한 3중 연결 양자우물 구조에서는 광학 소자에 전압이 인가되면, 2개의 연결 장벽층에 의해 정공의 파동함수와 전자의 파동함수의 상당 부분이 중앙에 있는 양자우물 내에 중첩하여 분포하게 된다. 따라서, 양자우물층의 두께가 증가하더라도 정공의 파동함수와 전자의 파동함수 사이의 중첩을 충분한 정도로 유지할 수 있어서 흡수 강도가 향상될 수 있다. 또한, 3중 연결된 3개의 양자우물은 기존의 다중양자우물 구조에서 하나의 양자우물층에 유사하게 해당할 수 있는데, 3중 연결 양자우물의 두께를 증가시켜 광학 소자의 구동 전압을 낮출 수 있다. 따라서, 개시된 광학 소자는 구동 전압의 저감과 높은 광흡수 강도를 동시에 달성할 수 있다. 개시된 광학 소자는 광변조기뿐만 아니라, 다양한 PIN 다이오드 구조의 반도체 소자에 적용이 가능하다. 예를 들어, 광필터, 포토다이오드, 태양전지, 발광 소자, 광통신 시스템, 광 연결(optical interconnection), 광연산기 등에 개시된 광학 소자의 원리가 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 보인다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압이 인가되지 않았을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 보인다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압의 인가되었을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 보인다.
도 4a 내지 도 4c는 활성층에 역바이어스 전압 비인가시와 전압 인가시에 정공의 파동함수와 전자의 파동함수의 중첩 정도를 각각 예시적으로 보인다.
도 5는 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 보인다.
도 6은 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 광흡수 특성을 다른 양자우물 구조들과 비교하여 예시적으로 보인다.
도 7은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자의 구체적인 구현예를 보인다.
도 8은 도 7에 도시된 광학 소자의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 보인다.
도 9는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 반사형 광변조기의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 10은 도 9에 도시된 반사형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 11은 도 10에 도시된 반사형 광변조기의 반사도 특성을 개략적으로 보인다.
도 12는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 13은 도 12에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 14는 도 13에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 15는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 16은 도 15에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 17은 도 16에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 18은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 또 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 19는 도 18에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 20은 도 19에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압이 인가되지 않았을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 보인다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압의 인가되었을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 보인다.
도 4a 내지 도 4c는 활성층에 역바이어스 전압 비인가시와 전압 인가시에 정공의 파동함수와 전자의 파동함수의 중첩 정도를 각각 예시적으로 보인다.
도 5는 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 보인다.
도 6은 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 광흡수 특성을 다른 양자우물 구조들과 비교하여 예시적으로 보인다.
도 7은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자의 구체적인 구현예를 보인다.
도 8은 도 7에 도시된 광학 소자의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 보인다.
도 9는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 반사형 광변조기의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 10은 도 9에 도시된 반사형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 11은 도 10에 도시된 반사형 광변조기의 반사도 특성을 개략적으로 보인다.
도 12는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 13은 도 12에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 14는 도 13에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 15는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 16은 도 15에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 17은 도 16에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
도 18은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기의 또 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다.
도 19는 도 18에 도시된 투과형 광변조기의 구체적인 구현예를 보인다.
도 20은 도 19에 도시된 투과형 광변조기의 투과도 특성을 개략적으로 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
먼저, 도 1은 일 실시예에 따른 3중 연결 양자우물(three coupled quantum well) 구조를 포함하는 활성층의 에너지 밴드 다이어그램을 개략적으로 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 활성층은 2개의 외부 장벽층(outer barrier) 및 상기 2개의 외부 장벽층 사이에 끼워진 3중 연결 양자우물(ACQW)을 포함할 수 있다. 도 1에는 편의상 단지 2개의 외부 장벽층과 하나의 3중 연결 양자우물만이 도시되어 있지만, 더욱 많은 수의 외부 장벽층과 3중 연결 양자우물이 교대로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 활성층은 적어도 2개의 외부 장벽층과 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 하나씩 끼워진 적어도 하나의 3중 연결 양자우물을 포함할 수 있다.
각각의 3중 연결 양자우물은 차례로 배열된 제 1 양자우물층(QW1), 제 1 연결 장벽층(coupling barrier)(CB1), 제 2 양자우물층(QW2), 제 2 연결 장벽층(CB2) 및 제 3 양자우물층(QW3)을 포함할 수 있다. 상기 3중 연결 양자우물 구조에서, 3개의 양자우물층은 2개의 연결 장벽층에 의해 서로 연결될 수 있다. 따라서, 전체적인 활성층의 구조에서 이러한 3중 연결 양자우물은 하나의 양자우물과 유사한 역할을 할 수 있다.
3개의 양자우물층을 연결하기 위하여 2개의 연결 장벽층은, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 장벽층보다 낮은 에너지 준위를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1의 에너지 밴드 다이어그램의 위쪽에 표시된 전도대(conduction band)에서, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)의 포텐셜 에너지는 바닥 준위(ground level)(즉, 1차 전자의 에너지 준위의 바닥)보다는 높고, 외부 장벽층의 에너지 준위보다는 낮을 수 있다. 또한, 도 1의 에너지 밴드 다이어그램의 아래쪽에 표시된 가전자대(valance band)에서, 제 1 및 제 2 연결 장벽층(CB1, CB2)의 포텐셜 에너지는 1차 무거운 정공(heavy hole)의 에너지 준위의 바닥보다는 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다는 낮을 수 있다.
이와 같은 조건을 만족하는 양자우물층(QW1, QW2, QW2), 연결 장벽층(CB1, CB2) 및 외부 장벽층의 물질 구성은 사용하고자 하는 광파장 대역에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예컨대, 850nm의 적외선 영역에서는 양자우물층(QW1, QW2, QW2)으로서 GaAs, 연결 장벽층(CB1, CB2)으로서 AlyGa1-yAs (0<y<1), 외부 장벽층으로서 AlxGa1-xAs (0< y<x<=1)를 각각 사용할 수 있다. 또한, 1550nm의 중적외선 영역에서는, 양자우물(QW1, QW2, QW2)으로서 InxGa1-xAs, In1-x-yGaxAlyAs, In1-xGaxAszP1-z, 그리고 연결 장벽층(CB1, CB2)과 외부 장벽층으로서 In1-x-yGaxAlyAs, In1-xGaxAszP1-z (여기서, 0< x, y, z <1) 등을 다양하게 조합하여 사용할 수 있다. 연결 장벽층(CB1, CB2)과 외부 장벽층의 에너지 준위는 재료의 조성비에 따라 적절하게 조절이 가능하다.
이러한 방식으로 양자우물층(QW1, QW2, QW2)들이 연결 장벽층(CB1, CB2)에 의해 서로 연결되어 있기 때문에, 전자와 정공의 파동함수(wave function)가 연결 장벽층(CB1, CB2)을 넘어 양자우물층(QW1, QW2, QW2)들에 걸쳐 분포할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압이 인가되지 않았을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 나타내고 있다. 도 2a를 참조하면, 1차 전자의 파동함수(e1)는 제 2 양자우물층(QW2) 내에 주로 분포하고 있으며, 2차 전자의 파동함수(e2)는 제 1 양자우물층(QW1) 내에 주로 분포하고 있다. 또한, 도 2b를 참조하면, 1차 무거운 정공의 파동함수(hh1)와 1차 가벼운 정공의 파동함수(lh1)는 제 2 양자우물층(QW2) 내에 주로 분포하고 있으며, 2차 무거운 정공의 파동함수(hh2)는 제 1 양자우물층(QW1) 내에 주로 분포하고 있다.
한편, 활성층에 역바이어스 전압이 인가되면, 1차 전자의 파동함수는 제 1 양자우물층(QW1)의 방향으로 이동하고 1차 및 2차 무거운 정공의 파동함수는 제 3 양자우물층(QW3)의 방향으로 이동하게 된다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 활성층에 역바이어스 전압의 인가되었을 때 전자와 정공의 파동함수를 각각 예시적으로 나타내고 있다. 도 3a를 참조하면, 1차 전자의 파동함수(e1)는 제 1 연결 장벽층(CB1)에 의해 안장 형태로 변형되어, 파동함수의 선단(head) 부분이 제 1 양자우물층(QW1)으로 이동하고 나머지 부분이 제 2 양자우물층(QW2)에 잔류하게 된다. 또한, 도 3b를 참조하면, 1차 및 2차 무거운 정공의 파동함수(hh1, hh2)도 제 2 연결 장벽층(CB2)에 의해 역시 안장 형태로 변형되어, 파동함수의 선단 부분이 제 3 양자우물층(QW3)으로 이동하고 나머지 부분이 제 2 양자우물층(QW2)에 잔류하게 된다.
일반적으로, 정공의 파동함수와 전자의 파동함수가 중첩되는 정도가 크면 전자와 정공의 쌍인 엑시톤의 발생이 증가하면서 광학 소자의 광흡수 강도가 높아진다. 본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 활성층을 포함하는 광학 소자의 광흡수 강도를 향상시키기 위하여, 정공의 파동함수와 전자의 파동함수가 중첩되는 부분이 증가하도록 제 2 양자우물층(QW2)의 두께를 가장 두껍게 형성할 수 있다. 제 2 양자우물층(QW2)의 두께를 가장 두껍게 형성함으로써, 제 2 양자우물층(QW2)에 잔류하는 전자의 파동함수 부분과 정공의 파동함수 부분을 증가시켜, 결과적으로 정공의 파동함수와 전자의 파동함수 사이의 중첩을 증가시킬 수 있다.
또한, 정공의 이동도(mobility)는 전자의 이동도보다 작기 때문에, 정공의 파동함수는 전자의 파동함수보다 좁은 폭에 걸쳐 분포할 수 있다. 따라서, 활성층에 전압 인가시에 정공의 파동함수의 대부분이 제 3 양자우물층(QW3)으로 이동하는 것을 억제하기 위하여, 제 3 양자우물층(QW3)의 두께는 제 2 양자우물층(QW2)의 두께보다 작을 수 있다. 즉, 제 2 양자우물층(QW2)의 두께가 가장 두껍고, 제 3 양자우물층(QW3)의 두께가 가장 얇을 수 있다. 이러한 점에서, 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물은 비대칭적인 구조이다. 예를 들어, 도 1에 도시된 구조에서, 제 1 양자우물층(QW1)의 두께(d1)는 약 3nm 정도, 제 2 양자우물층(QW2)의 두께(d2)는 약 6.6nm 정도, 제 3 양자우물층(QW3)의 두께(d5)는 약 2nm 정도일 수 있다. 그리고, 연결 장벽층(CB1, CB2)은 전자와 정공이 터널링 가능할 정도의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 연결 장벽층(CB1, CB2)의 두께(d2, d4)는 약 1~1.5nm 정도일 수 있다. 여기서, 2개의 연결 장벽층(CB1, CB2)의 두께가 서로 같을 필요는 없다.
도 4a 내지 도 4c는 활성층에 전압 비인가시와 전압 인가시에 정공의 파동함수와 전자의 파동함수의 중첩 정도를 각각 예시적으로 나타내고 있다. 도 4a를 참조하면, 활성층에 역바이어스 전압이 인가되지 않으면, 1차 전자의 파동함수와 1차 무거운 정공의 파동함수의 대부분이 제 2 양자우물층(QW2) 내에서 서로 중첩되어 분포되어 있다. 그리고, 도 4b를 참조하면, 활성층에 역바이어스 전압이 인가되면, 1차 전자의 파동함수의 선단 부분이 제 1 양자우물층(QW1)으로 이동하고, 1차 무거운 정공의 파동함수의 선단 부분은 제 3 양자우물층(QW3)으로 이동한다. 그런 후, 제 2 양자우물층(QW2)에 남아 있는 1차 전자의 파동함수의 나머지 부분과 1차 무거운 정공의 파동함수의 나머지 부분이 서로 중첩될 수 있다. 도 4a와 도 4b에는 1차 전자와 1차 무거운 정공에 대해서만 도시되었지만, 1차 전자와 2차 전자는 1차 무거운 정공, 1차 가벼운 정공, 및 2차 무거운 정공들과 다양한 조합으로 중첩될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 3개의 양자우물을 연결시킴으로써 전체적으로 양자우물의 두께를 증가시켜 광학 소자의 구동 전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 3개의 양자우물을 비대칭적으로 배치함으로써 정공의 파동함수와 전자의 파동함수의 중첩 정도도 향상시킬 수 있다. 따라서, 광학 소자의 구동 전압을 낮추는 동시에 흡수 강도를 증가시키는 것이 가능하다.
도 4c는 단순한 단일 양자우물 구조와 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조를 비교하기 위하여 전자와 정공의 파동함수의 중첩을 예시적으로 도시하고 있다. 비교되는 단일 양자우물 구조는 장벽층/양자우물층/장벽층의 구조를 가지며, 장벽층으로서 Al0.3Ga0.7As를 사용하고 양자우물층으로서 GaAs(두께 8nm)를 사용하였다. 또한, 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조는 외부 장벽층/제 1 양자우물층/제 1 연결 장벽층/제 2 양자우물층/제 2 연결 장벽층/외부 장벽층의 구조를 가지며, 외부 장벽층으로서 Al0.3Ga0.7As를 사용하고, 양자우물층으로서 GaAs를 사용하며, 연결 장벽층으로서 Al0.2Ga0.8As를 사용하였다. 여기서, 제 1 내지 제 3 양자우물층의 두께는 각각 3nm, 6.6nm, 2nm이고, 연결 장벽층의 두께는 1nm이다. 그리고, 단일 양자우물 구조와 3중 연결 양자우물 구조가 동일한 캐비티 두께를 갖도록 다중양자우물을 구성하였다. 도 4c를 참조하면, 단일 양자우물 구조에서 약 8.1V/um의 전기장 세기에서 달성되는 파동함수의 중첩이 3중 연결 양자우물 구조에서는 단지 4.4V/um의 전기장 세기에서 달성되었다. 따라서, 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조를 이용하면 광학 소자의 구동 전압이 낮아짐을 알 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 흡수 스펙트럼을 예시적으로 나타내는 것으로, 0V/um, 2.0V/um, 4.4V/um의 외부 인가 전계에 대한 흡수 스펙트럼을 나타내고 있다. 도 5를 참조하면, 외부 인가 전계가 0V/um일 경우, 약 838nm의 파장에서 가장 큰 피크가 발생한다. 가장 큰 피크는 1차 전자와 1차 무거운 정공의 엑시톤 쌍에 의한 것이며, 두 번째 피크는 1차 전자와 1차 가벼운 정공의 엑시톤 쌍 및 1차 전자와 2차 무거운 정공의 엑시톤 쌍에 의한 것이다. 외부 인가 전계가 증가하면 슈타르크 효과(Stark effect)에 따라 흡수 스펙트럼은 장파장 쪽으로 이동하게 된다. 이와 동시에, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 서로 반대 방향으로 이동하여 중첩이 줄어들게 되면서 흡수 강도가 감소한다. 외부 인가 전계가 4.4V/um이면, 흡수 스펙트럼은 약 850nm의 파장에서 가장 큰 피크를 가지며, 외부 인가 전계가 0V/um인 경우에 비해 피크의 크기가 작아진다. 그러나, 도 4c에서 알 수 있는 바와 같이, 도 5에 도시된 피크는 단순한 단일 양자우물 구조로는 8.1V/um에서 달성될 수 있는 것이다.
한편, 3중 연결 양자우물 구조에서 양자우물층의 두께를 증가시키면, 천이 에너지가 증가하고 바닥 준위가 내려가서 흡수 스펙트럼은 장파장 쪽으로 더 이동할 수 있다. 그리고, 연결 장벽층의 포텐셜 에너지를 높이면, 양자우물층들 사이의 연결 효과가 작아지고 바닥 준위가 올라가서 흡수 스펙트럼은 단파장 쪽으로 이동할 수 있다.
또한, 도 6은 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 활성층에서의 광흡수 특성을 다른 양자우물 구조들과 비교하여 예시적으로 보이는 것으로, 850nm 파장에서 흡수 계수의 최대값과 최소값의 차이를 나타내는 그래프이다. 도 6에서 SQW는 정방형의 단일 양자우물 구조를 나타내고, SCQW는 2개의 양자우물을 대칭적으로 연결한 구조를 나타내고, 2ACQW는 2개의 양자우물을 비대칭적으로 연결한 구조를 나타내며, 3ACQW는 본 실시예에 따라 3개의 양자우물을 비대칭적으로 연결한 구조를 나타낸다. 도 6을 참조하면, SQW는 8.1V/um에서 흡수 스펙트럼의 피크가 850nm에 도달하였으며, 2ACQW는 6.0V/um에서, SCQW와 3ACQW는 4.4V/um에서 흡수 스펙트럼의 피크가 850nm에 도달하였다. 따라서, SCQW와 3ACQW가 가장 낮은 구동 전압을 갖는다. 또한, 무전압시에 850nm에서의 흡수 계수와 흡수 스펙트럼의 피크가 850nm에 도달하는 전압에서의 흡수 계수 사이의 차이를 비교하면, 도 6에 도시된 바와 같이, SCQW < SQW < 2ACQW < 3ACQW으로, 3ACOW가 가장 큰 흡수 계수 차이를 갖는다는 것을 알 수 있다. SCQW는 구동 전압은 낮지만 흡수 계수 차이가 가장 작다.
도 7은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자의 구체적인 구현예를 예시적으로 도시하고 있다. 도 7을 참조하면, 먼저 GaAs 기판 위에 n-컨택층으로서 n-InGaP를 100nm의 두께로 형성하고, n-컨택층 위에는 외부 장벽층의 역할을 하는 Al0.31Ga0.69As 클래딩층을 50nm의 두께로 형성하였다. 그리고, 클래딩층 위에는 제 1 양자우물층(GaAs, 3nm)/제 1 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 2 양자우물층(GaAs, 6.6nm)/제 2 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 3 양자우물층(GaAs, 2nm)을 포함하는 3중 연결 양자우물을 16쌍 적층하였으며, 각각의 3중 연결 양자우물 사이에는 4nm 두께의 Al0.31Ga0.69As를 외부 장벽층으로서 삽입하였다. 16번째 3중 연결 양자우물 위에는 다시 외부 장벽층의 역할을 하는 Al0.31Ga0.69As 클래딩층을 50nm의 두께로 형성하고, 그 위에 p-컨택층으로서 p-GaAs를 10nm 두께로 형성하였다. 클래딩층은 외부 장벽층의 역할을 하는 동시에, 컨택층의 도판트가 양자우물로 확산되는 것을 막는 확산 방지층의 역할도 수행하도록 비교적 두껍게 형성될 수 있다. 상기 층들은 MBE(Molecular Beam Epitaxy)나 MOCVD(Metal Organic Cchemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 증착될 수 있다. 또한, 투과형 광변조기의 제조를 위해 빛이 투과할 수 있도록 GaAs 기판을 습식 식각으로 부분적으로 제거할 수 있다. 이 경우, 상기 n-InGaP 층은 식각 정지층(etch stop layer)으로서 작용할 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 광학 소자의 흡수 계수 스펙트럼을 개략적으로 나타내고 있다. 도 8을 참조하면, 전압을 인가하지 않은 상태에서 e1-hh1의 엑시톤 피크는 838nm에 위치하나 4.4V/um의 전계를 인가하면 850nm에 도달하게 된다. 앞서 확인한 바와 같이, 동일한 캐비티 두께를 갖는 단일 양자우물에서는 838nm에 위치한 e1-hh1의 엑시톤 피크를 850nm로 이동하는 데는 8.1V/um의 전압이 필요하다. 따라서 3중 연결양자우물을 포함하는 광학 소자는 단일 양자우물 구조에 비해 유사한 광흡수도를 유지하면서 구동 전압은 약 45.7% 감소가 가능하다.
따라서, 본 실시예에 따른 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자는 다른 양자우물 구조들을 포함하는 광학 소자에 비해서 낮은 구동 전압과 향상된 광흡수 특성을 동시에 달성할 수 있다. 이러한 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자는 광변조기뿐만 아니라, 특정 파장 대역의 광을 흡수하기 위한 다양한 PIN 다이오드 구조의 반도체 소자에 적용이 가능하다. 예를 들어, 광필터, 포토다이오드, 태양전지, 발광 소자, 광통신 시스템, 광 연결(optical interconnection), 광연산기 등에 상술한 원리가 적용될 수 있다.
이하, 상술한 3중 연결 양자우물 구조를 적용한 다양한 구조의 광변조기에 대해 보다 자세하게 설명한다.
먼저, 도 9는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 반사형 광변조기(100)의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 보인다. 도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 반사형 광변조기(100)는 기판(110), 기판(110) 위에 배치된 제 1 컨택층(111), 제 1 컨택층(111) 위에 배치된 하부 반사층(120), 하부 반사층(120) 위에 배치된 활성층(130), 활성층(130) 위에 배치된 상부 반사층(140), 및 상부 반사층(140) 위에 배치된 제 2 컨택층(141)을 포함할 수 있다. 상부 반사층(140)과 하부 반사층(120)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제 1 컨택층(111)과 하부 반사층(120)은 n형으로 도핑될 수 있으며, 상부 반사층(140)과 제 2 컨택층(141)은 p형으로 도핑될 수 있다. 활성층(130)은 도핑되지 않는다. 이러한 점에서, 도 9에 도시된 반사형 광변조기(100)는 P-I-N 다이오드 구조를 갖는다.
반사형 광변조기(100)는 입사광을 반사하면서 전기적 신호에 따라 입사광의 일부를 흡수하여 반사광의 세기를 변조하는 역할을 한다. 입사광을 반사하기 위하여 하부 반사층(120)은 90% 이상(예를 들어, 약 98%)의 반사도를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 상부 반사층(140)은 약 30~50%의 반사도를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 하부 및 상부 반사층(120, 140)은, 예를 들어, 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률층과 굴절률이 상대적으로 높은 고굴절률층을 반복적으로 교호하여 적층한 DBR(distributed Bragg reflector)일 수 있다. 이러한 구조에서, 굴절률이 다른 두 층(즉, 고굴절률층과 저굴절률층) 사이의 계면에서 반사가 일어나는데, 반사되는 모든 광들의 위상차를 동일하게 함으로써 높은 반사율을 얻을 수 있다. 또한, 고굴절률층과 저굴절률층의 쌍들의 적층 개수에 따라 반사율을 원하는대로 조절하는 것이 가능하다. 이를 위하여, 하부 및 상부 반사층(120, 140) 내의 각각의 고굴절률층과 저굴절률층의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 층 재료의 굴절률을 곱한 값)를 각각 대략 λ/4(λ는 반사형 광변조기(100)의 공진 파장)의 홀수 배로 형성할 수 있다.
활성층(130)은 광의 흡수가 일어나는 층으로서, 상술한 3중 연결 양자우물 구조와 외부 장벽층들이 반복적으로 적층된 다중양자우물층 구조를 가질 수 있다. 활성층(130)은 또한 패브리-페로(Fabry-Perot) 공진을 위한 메인 캐비티의 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 활성층(130)은 광학적 두께가 대략적으로 λ/2의 정수 배와 같도록 형성될 수 있다.
도 10은 도 9에 도시된 반사형 광변조기(100)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 10을 참조하면, GaAs 기판(110)위에 500nm 두께의 제 1 컨택층(111)이 형성되어 있다. 제 1 컨택층(111)은 n-GaAs로 이루어질 수 있다. 하부 반사층(120)은 고굴절률층으로서 62.3nm 두께의 n-Al0.31Ga0.69As와 저굴절률층으로서 68.8nm 두께의 n-Al0.88Ga0.12As를 포함하며, 고굴절률층과 저굴절률층의 쌍이 25.5회 적층된 구조를 갖는다. 하부 반사층(120)은 전류 통로의 역할을 하기 위하여, 실리콘(silicon)을 도펀트로 사용하여 약 3.18×1018/cm3의 농도로 도핑될 수 있다.
활성층(130)은, 하부 반사층(120) 상에 형성되며 외부 장벽층의 역할을 하는 11.2nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 클래딩층, 제 1 양자우물층(GaAs, 3nm)/제 1 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 2 양자우물층(GaAs, 6.6nm)/제 2 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 3 양자우물층(GaAs, 2nm)을 포함하는 26쌍의 3중 연결 양자우물, 각각의 3중 연결 양자우물 사이에 개재된 4nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 외부 장벽층, 및 26번째 3중 연결 양자우물 위에 형성된 11.2nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 클래딩층을 포함할 수 있다. 여기서, 활성층(130)의 광학적 두께는 2λ로 설정되었다.
또한, 클래딩층 상의 상부 반사층(140)은 고굴절률층으로서 62.3nm 두께의 p-Al0.31Ga0.69As와 저굴절률층으로서 68.8nm 두께의 p-Al0.88Ga0.12As를 포함한다. 반사도가 낮은 상부 반사층(140)은 단지 2쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 가질 수 있다. 상부 반사층(140)은 전류 통로의 역할을 하기 위하여, 베릴륨(beryllium)을 도펀트로 사용하여 약 4.6×1018/cm3 내지 6.5×1018/cm3의 농도로 도핑될 수 있다. 상부 반사층(140) 위에는 10-nm 두께의 p-GaAs가 제 2 컨택층(141)으로서 형성될 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 반사형 광변조기(100)의 반사도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 11에서, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 반사도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 쇄선으로 표시된 그래프는 약 -2.09V의 전압이 인가되었을 때의 반사도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때와 전압이 인가되었을 때의 반사도 차를 나타내며 우측의 세로축을 참조한다. 도 11을 참조하면, 약 -2.09V의 비교적 낮은 전압에서 850nm의 파장에 대해 최대 흡수가 일어나며, 850nm 대역에서 최소 반사도와 최대 반사도 사이의 반사도 차는 약 65% 정도이다.
도 12는 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(200)의 일 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 투과형 광변조기(200)는 하부 반사층(220), 하부 반사층(220) 위에 배치된 활성층(230), 활성층(230) 위에 배치된 상부 반사층(240), 하부 반사층(220)의 하부 표면에 부분적으로 배치된 제 1 컨택층(201), 및 상부 반사층(240)의 상부 표면에 부분적으로 배치된 제 2 컨택층(241)을 포함할 수 있다. 제 1 컨택층(201)과 제 2 컨택층(241)은 빛이 통과할 수 있도록 하부 반사층(220)과 상부 반사층(240)의 가장자리를 따라 링 형태로 형성될 수 있다. 도 12에는 기판이 도시되어 있지 않지만, 기판 위에 투과형 광변조기(200)를 형성한 후에 기판을 제거할 수 있다. 또한, 빛이 투과할 수 있도록 기판의 중앙부만을 부분적으로 제거할 수도 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상부 반사층(240)과 하부 반사층(220)은 반사층의 역할과 전기적 통로의 역할을 동시에 수행하도록 도핑될 수 있다.
투과형 광변조기(200)는 입사광을 투과시키면서 전기적 신호에 따라 입사광의 일부를 흡수하여 투사광의 세기를 변조하는 역할을 한다. 하부 반사층(220)과 상부 반사층(240)은 입사광의 일부를 투과시키며, 또한 메인 캐비티인 활성층(230)에서 공진이 일어날 수 있도록 빛을 반사하는 역할을 한다. 투과형 광변조기(200)의 경우, 하부 반사층(220)과 상부 반사층(240)의 반사도가 대략 50% 정도로 서로 같을 수 있다.
도 13은 도 12에 도시된 투과형 광변조기(200)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 13을 참조하면, 투과형 광변조기(200)는 기판(210) 위에 AlAs로 이루어진 식각 정지층(211)을 형성하고, 그 위에 n-GaAs로 이루어진 제 1 컨택층(201)을 형성하였다. AlAs 대신에 InGaP를 식각 정지층(211)으로서 사용할 수도 있다. 제 1 컨택층(201) 위에는 6쌍의 고굴절률층(n-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(n-Al0.88Ga0.12As)을 포함하는 하부 반사층(220)이 배치된다. 맨 아래에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 도시되지는 않았지만, 기판(210)의 중앙 영역은 투과형 광변조기(200)의 형성 후에 제거될 수 있다.
하부 반사층(220) 위에 배치된 활성층(230)은 하부 및 상부 클래딩층 사이에 총 40쌍의 3중 연결 양자우물을 포함한다. 각각의 3중 연결 양자우물은 제 1 양자우물층(GaAs, 3nm)/제 1 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 2 양자우물층(GaAs, 6.6nm)/제 2 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 3 양자우물층(GaAs, 2nm)을 포함할 수 있으며, 3중 연결 양자우물 사이마다 4nm 두께의 Al0.31Ga0.69As 외부 장벽층이 개재될 수 있다. 여기서, 활성층(230)의 광학적 두께는 3λ로 설정되었다.
상부 반사층(240)은 활성층(230)을 중심으로 하부 반사층(220)과 대칭적으로 배치된다. 예를 들어, 상부 반사층(240)은 하부 반사층(220)과 마찬가지로 6쌍의 고굴절률층(n-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(n-Al0.88Ga0.12As)을 포함한다. 또한, 맨 위에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 상부 반사층(240) 위에는 p-GaAs로 이루어진 제 2 컨택층(241)이 배치될 수 있다.
도 14는 도 13에 도시된 투과형 광변조기(200)의 투과도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 14의 그래프에서, '①'로 표시된 2개의 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, '②'로 표시된 2개의 그래프는 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내며 좌측의 세로축을 참조하고, '③'으로 표시된 2개의 그래프는 '①'로 표시된 그래프와 '②'로 표시된 그래프 사이의 투과도 차를 나타내며 우측의 세로축을 참조한다. 또한, 도 14의 그래프에서 실선으로 표시한 3개의 그래프는 도 13에 도시된 투과형 광변조기(200)의 투과도 특성을 나타내며, 점선으로 표시한 그래프는 단순한 단일 양자우물 구조를 갖는 비교예의 투과도 특성을 나타낸다. 비교예의 전체적인 구조는 투과형 광변조기(200)의 구조와 대체로 동일하며, 단지 총 59개의 단일 양자우물이 활성층 내에 배치되어 있다는 점에서 다르다. 비교예의 활성층의 광학적 두께도 역시 3λ이다. 도 14의 그래프를 참조하면, 도 13에 도시된 투과형 광변조기(200)와 비교예의 투과도 특성이 거의 동일하지만, 비교예는 -5.78V의 구동 전압으로 얻을 수 있는 성능을 도 13에 도시된 투과형 광변조기(200)는 단지 -3.14V의 구동 전압으로 얻을 수 있다.
한편, 일반적인 광변조기는 제조상의 공정변수 및 온도 변화에 따라서 중심 흡수 파장이 변화하는 특성을 갖는다. 이러한 변화에도 변조 특성을 일정하게 유지하기 위해서는 넓은 파장 대역에 걸쳐 균일하게 변조하는 것이 유리하다. 즉, 광변조기가 넓은 대역폭을 갖는 것이 유리하다.
도 15는 광대역폭을 갖도록 설계된, 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(300)의 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 15를 참조하면, 상기 투과형 광변조기(300)는 하부 반사층(320), 하부 반사층(320) 위에 배치된 활성층(330), 활성층(330) 위에 배치된 상부 반사층(340), 하부 반사층(320) 내에 배치된 제 1 마이크로 캐비티층(325), 및 상부 반사층(340) 내에 배치된 제 2 마이크로 캐비티층(345)을 포함할 수 있다. 여기서, 활성층(300)은 패브리-페로 공진을 위한 메인 캐비티이며, 제 1 및 제 2 마이크로 캐비티층(325, 345)은 패브리-페로 공진을 위한 부가적인 캐비티의 역할을 한다. 이를 위해, 마이크로 캐비티층(325, 345)의 광학적 두께는 λ/2의 정수 배와 같도록 형성될 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티층(325, 345)은 하부 및 상부 반사층의 고굴절률층 재료나 저굴절률층 재료로 이루어질 수 있다. 하부 반사층(320)과 상부 반사층(340)에 마이크로 캐비티층(325, 345)가 각각 배치될 수도 있지만, 어느 하나의 마이크로 캐비티층(325, 345)은 생략될 수도 있다.
또한, 도 15에는 명시적으로 도시되지 않았지만, 대역폭의 증가를 위해 활성층(330) 내의 대응하는 양자우물층들의 두께를 서로 다르게 형성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 정공과 전자의 파동함수들의 중첩이 발생하는 제 2 양자우물층의 두께를 변화시켜, 두께가 서로 다른 2종류 이상의 제 2 양자우물층들을 형성할 수 있다. 이러한 마이크로 캐비티층(325, 345)의 추가와 양자우물층의 두께 변형을 통해 흡수 모드가 증가하면서 투과형 광변조기(300)의 광 흡수 대역폭이 향상될 수 있다.
도 16은 도 15에 도시된 투과형 광변조기(300)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 16을 참조하면, 하부 반사층(320)은 n-GaAs 컨택층 위에 형성된 총 Y쌍의 고굴절률층(n-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(n-Al0.88Ga0.12As)을 포함한다. 도 16의 예에서, 하부 반사층(320)에는 마이크로 캐비티층이 형성되어 있지 않다. 반면, 상부 반사층(340)에는 하나의 마이크로 캐비티층(345)이 형성되어 있다. 마이크로 캐비티층(345)에 의해 상부 반사층(340)은 제 1 상부 반사층(341)과 제 2 상부 반사층(344)으로 분리될 수 있다. 마이크로 캐비티층(345)의 아래에 배치된 제 1 상부 반사층(341)은 총 X쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 포함할 수 있으며, 마이크로 캐비티층(345)의 위에 배치된 제 2 상부 반사층(344)은 총 Y 쌍의 고굴절률층과 저굴절률층을 포함할 수 있다. 여기서, X와 Y는 임의의 자연수로서, 하부 및 상부 반사층(320, 340)의 원하는 반사도 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 도 16의 예에서 마이크로 캐비티층(345)은 고굴절률층의 재료로 이루어져 있으며, λ/2의 광학적 두께를 갖는다.
또한, 마이크로 캐비티층(345)과 제 1 상부 반사층(341) 사이에는 위상 매칭층(342)이 더 개재될 수 있다. 위상 매칭층(342)은 마이크로 캐비티층(345)을 포함하는 상부 반사층(340)의 전체 구성에서 고굴절률층과 저굴절률층이 반복될 수 있도록 삽입된다. 예를 들어, 마이크로 캐비티층(345)이 고굴절률층의 재료로 이루어지면 위상 매칭층(342)은 저굴절률층의 재료로 이루어질 수 있으며, 마이크로 캐비티층(345)이 저굴절률층의 재료로 이루어지는 경우에는 위상 매칭층(342)이 고굴절률층의 재료로 이루어질 수 있다.
도 16의 예에서, 활성층(330)은 하부 및 상부 클래딩층(331, 334) 사이에 2종류의 3중 연결 양자우물 구조(332, 333)를 포함한다. 예를 들어, 하부의 3중 연결 양자우물 구조(332)는 제 1 양자우물층/제 1 연결 장벽층/제 2 양자우물층/제 2 연결 장벽층/제 3 양자우물층을 갖는 총 46쌍의 3중 연결 양자우물을 포함할 수 있으며, 각각의 3중 연결 양자우물 사이마다 외부 장벽층이 개재될 수 있다. 하부의 3중 연결 양자우물 구조(332)에서 제 2 양자우물층의 두께는 6.6nm이다. 또한, 상부의 3중 연결 양자우물 구조(333)는 제 1 양자우물층/제 1 연결 장벽층/제 2 양자우물층/제 2 연결 장벽층/제 3 양자우물층을 갖는 총 50쌍의 3중 연결 양자우물을 포함할 수 있으며, 각각의 3중 연결 양자우물 사이마다 외부 장벽층이 개재될 수 있다. 상부의 3중 연결 양자우물 구조(333)에서 제 2 양자우물층의 두께는 6.0nm이다. 하부의 3중 연결 양자우물 구조(332)와 상부의 3중 연결 양자우물 구조(333)에서 제 2 양자우물층의 두께를 다르게 하면, 활성층(330)에서 2개의 흡수 모드가 형성되어 광흡수 대역폭을 향상시킬 수 있다. 여기서, 활성층(230)의 전체적인 광학적 두께는 7λ로 설정되었다.
도 17은 도 16에 도시된 투과형 광변조기(300)의 투과도 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 17의 그래프에서, 가는 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되지 않았을 때의 투과도를 나타내고, 굵은 실선으로 표시된 그래프는 전압이 인가되었을 때의 투과도를 나타내며, 쇄선으로 표시된 그래프는 가는 실선으로 표시된 그래프와 굵은 실선으로 표시된 그래프 사이의 투과도 차를 나타낸다. 도 17의 그래프에서 도시된 바와 같이, -7.99V의 구동 전압에서 850nm의 파장에 대해 약 50.9%의 투과도 차를 얻을 수 있으며, 투과도 차가 25% 이상인 대역폭은 약 8.5nm라는 것을 알 수 있다.
도 16의 예에서는 상부 반사층(340)에 1개의 마이크로 캐비티(345)가 배치되고, 활성층(330)에는 2종류의 3중 연결 양자우물 구조(332, 333)가 배치되었다. 그러나 대역폭의 향상을 위해 하부 반사층(320)과 상부 반사층(340)에 1개 이상의 마이크로 캐비티를 추가할 수도 있다. 또한, 활성층(330)은 1종류의 3중 연결 양자우물 구조와 1종류의 단일 양자우물 구조의 조합을 포함할 수도 있다. 한편, 도 16에 도시된 마이크로 캐비티(345)와 활성층(330)의 구조는 도 9에 도시된 반사형 광변조기(100)에도 적용될 수 있다.
도 18은 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 투과형 광변조기(400)의 또 다른 실시예에 따른 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 18을 참조하면, 일 실시예에 따른 투과형 광변조기(400)는 하부 반사층(410), 하부 반사층(410) 위에 배치된 제 1 활성층(420), 제 1 활성층(420) 위에 배치된 중간 반사층(430), 중간 반사층(430) 위에 배치된 제 2 활성층(440), 및 제 2 활성층(440) 위에 배치된 상부 반사층(450)을 포함할 수 있다. 여기서, 하부 반사층(410)과 상부 반사층(450)은 서로 같은 전기적 타입으로 도핑될 수 있으며, 중간 반사층(430)은 하부 및 상부 반사층(410, 450)과 반대되는 전기적 타입으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 및 상부 반사층(410, 450)은 n-형으로 도핑되고, 중간 반사층(430)은 p-형으로 도핑될 수 있다. 그 대신에, 하부 및 상부 반사층(410, 450)이 p-형으로 도핑되고, 중간 반사층(430)이 n-형으로 도핑될 수도 있다. 따라서, 도 18에 도시된 투과형 광변조기(400)는 N-I-P-I-N 또는 P-I-N-I-P 구조를 가질 수 있다.
이러한 점에서, 상기 투과형 광변조기(400)는 두 개의 다이오드가 전기적으로 병렬로 연결되도록 적층되어 있는 적층식 다이오드 구조를 갖는다고 볼 수 있다. 일반적으로 광변조기의 구동 전압은 활성층의 전체 두께(또는, 활성층 내의 양자우물층의 총 개수)에 비례하는데, 본 실시예에 따른 투과형 광변조기(400)는 두 개의 활성층(420, 440)이 전기적으로 병렬로 연결된 관계에 있기 때문에, 두 활성층(420, 440)의 두께를 합한 두께를 갖는 하나의 활성층을 갖는 광변조기에 비해, 구동 전압이 대략적으로 절반 정도 감소할 수 있다. 따라서, 소비전력을 추가적으로 저감할 수 있어서 발열에 의한 투과형 광변조기(400)의 성능 저하를 최소화할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 제 1 활성층(420)의 양자우물 구조와 제 2 활성층(440)의 양자우물 구조를 서로 다르게 형성함으로써 투과형 광변조기(400)의 대역폭을 향상시킬 수 있다. 즉, 제 1 활성층(420)의 공진 파장과 제 2 활성층(440)의 공진 파장이 서로 다른 다중 공진 모드를 통해 흡수 모드가 증가하면서 투과형 광변조기(400)의 광흡수 대역폭이 향상될 수 있다. 또한, 제 1 활성층(420)이 2종류의 이상의 서로 다른 양자우물 구조를 포함하고 제 2 활성층(440)도 2종류 이상의 서로 다른 양자우물 구조를 포함할 수도 있다.
도 19는 도 18에 도시된 투과형 광변조기(400)의 구체적인 구현예를 도시하고 있다. 도 19를 참조하면, n-GaAs로 이루어진 n-컨택층(401) 위에 하부 반사층(410)이 형성된다. 하부 반사층(410)은 총 Y쌍의 고굴절률층(n-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(n-Al0.88Ga0.12As)을 포함할 수 있다. 하부 반사층(410)의 맨 아래에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
하부 반사층(410) 위에는 제 1 활성층(420)이 형성되어 있다. 도 19의 예에서, 제 1 활성층(420)은 서로 다른 2종류의 양자우물 구조(422, 423)를 포함한다. 예를 들어, 하부 클래딩층(421) 위에는 총 25쌍의 3중 연결 양자우물을 포함하는 3중 연결 양자우물 구조(422)가 배치되어 있으며, 3중 연결 양자우물 구조(422) 위에는 총 24쌍의 단일 양자우물층을 포함하는 단일 양자우물 구조(423)가 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 3중 연결 양자우물 구조(422)의 각각의 3중 연결 양자우물은 제 1 양자우물층(GaAs, 3nm)/제 1 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 2 양자우물층(GaAs, 5.8nm)/제 2 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 3 양자우물층(GaAs, 2nm)을 포함할 수 있다. 그리고 각각의 3중 연결 양자우물 사이마다 4nm 두께의 외부 장벽층이 개재될 수 있다. 반면, 단일 양자우물 구조(423)는 단일한 양자우물층(GaAs, 8nm)과 외부 장벽층(Al0.31Ga0.69As, 4nm)이 서로 24회 교호하여 적층된 구조를 갖는다. 단일 양자우물 구조(423) 위에는 상부 클래딩층(424)이 배치된다. 이러한 제 1 활성층(420)이 광학적 두께는 3λ이다.
제 1 활성층(420) 위에는 중간 반사층(430)이 형성되어 있다. 상기 중간 반사층(430)은 총 X쌍의 고굴절률층(p-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(p-Al0.88Ga0.12As)을 포함하며, 중간 반사층(430)와 제 1 활성층(420) 사이에는 저굴절률층 재료로 이루어진 위상 매칭층이 개재될 수 있다. 또한, 중간 반사층(430)의 내부에는 p-GaAs로 이루어진 p-컨택층이 개재될 수 있다.
도 19의 예에서, 제 2 활성층(440)은 제 1 활성층(420)과 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 하부 클래딩층(441) 위에 총 25쌍의 3중 연결 양자우물을 포함하는 3중 연결 양자우물 구조(442)가 배치되어 있으며, 상기 3중 연결 양자우물 구조(442) 위에는 총 24쌍의 단일 양자우물층을 포함하는 단일 양자우물 구조(443)가 배치될 수 있다. 3중 연결 양자우물 구조(442)의 각각의 3중 연결 양자우물은 제 1 양자우물층(GaAs, 3nm)/제 1 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 2 양자우물층(GaAs, 5.8nm)/제 2 연결 장벽층(Al0.2Ga0.8As, 1nm)/제 3 양자우물층(GaAs, 2nm)을 포함할 수 있다. 각각의 3중 연결 양자우물 사이마다 4nm 두께의 외부 장벽층이 개재될 수 있다. 단일 양자우물 구조(443)는 단일한 양자우물층(GaAs, 8nm)과 장벽층(Al0.31Ga0.69As, 4nm)이 서로 24회 교호하여 적층된 구조를 갖는다. 단일 양자우물 구조(443) 위에는 상부 클래딩층(444)이 배치된다. 이러한 제 2 활성층(440)이 광학적 두께는 3λ이다.
마지막으로, 제 2 활성층(440) 위에는 총 Y쌍의 고굴절률층(n-Al0.31Ga0.69As)과 저굴절률층(n-Al0.88Ga0.12As)을 포함하는 상부 반사층(450)이 형성된다. 상부 반사층(450) 위에는 n-GaAs로 이루어진 n-컨택층(451)이 배치될 수 있다. 상부 반사층(450)의 맨 위에 배치된 고굴절률층은 위상 매칭을 위해 다른 고굴절률층의 두께보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
도 20은 도 19에 도시된 투과형 광변조기(400)의 투과도 특성을 개략적으로 나타내는 것으로, 본 실시예에 따른 투과형 광변조기(400)의 투과도 특성과 단순한 단일 양자우물 구조를 갖는 비교예의 투과도 특성을 비교하여 보이고 있다. 비교예의 전체적인 구조는 투과형 광변조기(400)의 구조와 대체로 동일하며, 2개의 활성층이 모두 단일 양자우물 구조만을 갖는다는 점에서 다르다. 비교예의 2개의 활성층의 광학적 두께도 역시 3λ이다. 도 20의 그래프를 참조하면, 도 19에 도시된 투과형 광변조기(400)와 비교예의 투과도 특성이 거의 동일하지만, 비교예는 -6.93V의 구동 전압으로 얻을 수 있는 성능을 도 19에 도시된 투과형 광변조기(400)는 단지 -4.64V의 구동 전압으로 얻을 수 있다.
도 19의 예에서 투과형 광변조기(400)는 중간 반사층(430)을 중심으로 완전히 대칭형이다. 그러나, 투과형 광변조기(400)를 비대칭형으로 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제 1 활성층(420)은 단일 양자우물 구조만을 포함하고 제 2 활성층(440)은 3중 연결 양자우물 구조만을 포함하거나, 제 1 활성층(420)은 3중 연결 양자우물 구조만을 포함하고 제 2 활성층(440)은 단일 양자우물 구조만을 포함하도록 투과형 광변조기(400)를 구성할 수도 있다. 또한, 제 1 활성층(420)의 개개의 양자우물층들의 두께와 제 2 활성층(440)의 대응하는 양자우물층들의 두께가 서로 같거나 다르도록 다양한 조합으로 투과형 광변조기(400)를 구성할 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 광학 소자에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 200, 300, 400.....광변조기
110, 210.....기판
111, 141, 211, 241, 401, 451.....컨택층
120, 220, 320, 410.....하부 반사층
130, 230, 330, 420, 440.....활성층
140, 240, 340, 450.....상부 반사층
325, 345.....마이크로 캐비티
430.....중간 반사층
110, 210.....기판
111, 141, 211, 241, 401, 451.....컨택층
120, 220, 320, 410.....하부 반사층
130, 230, 330, 420, 440.....활성층
140, 240, 340, 450.....상부 반사층
325, 345.....마이크로 캐비티
430.....중간 반사층
Claims (30)
- 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 활성층을 포함하며,
각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하고,
상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮으며,
상기 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하는 3중 연결 양자우물이고,
상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께보다 크며, 상기 제 1 양자우물층의 두께는 상기 제 3 양자우물층의 두께보다 큰 광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자. - 삭제
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 전자와 정공이 터널링 가능한 두께로 구성되어 있는 광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
850nm의 사용 파장 대역에서,
상기 제 1 내지 제 3 양자우물층은 GaAs를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층은 AlyGa1-yAs (여기서, 0<y<1)을 포함하며, 상기 외부 장벽층은 AlxGa1-xAs (여기서, 0< y<x<=1)를 포함하는 광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
1550nm의 사용 파장 대역에서,
상기 제 1 내지 제 3 양자우물층으로서 InxGa1-xAs, In1-x-yGaxAlyAs, 및 In1-xGaxAszP1-z 중에 적어도 하나를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 연결 장벽층과 외부 장벽층은 In1-x-yGaxAlyAs 및 In1-xGaxAszP1-z (여기서, 0< x, y, z <1) 중에서 적어도 하나를 포함하는 광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 n-컨택층과 p-컨택층을 더 포함하는 광학 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성층의 하부 표면과 상부 표면에 각각 배치된 하부 반사층과 상부 반사층을 더 포함하는 광학 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 광학 소자는 반사형 광변조기이며, 상기 하부 반사층의 반사도가 상기 상부 반사층의 반사도보다 높은 광학 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 광학 소자는 투과형 광변조기이며, 상기 하부 반사층의 반사도와 상기 상부 반사층의 반사도가 동일한 광학 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층 중에서 적어도 하나의 반사층 내에 배치되는 적어도 하나의 마이크로 캐비티층을 더 포함하며, 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 활성층과 상기 적어도 하나의 마이크로 캐비티층은 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 갖는 광학 소자. - 제 11 항에 있어서,
상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층은 광학적 두께가 각각 λ/4이고 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층된 DBR 층인 광학 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 마이크로 캐비티층은 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층 중에서 어느 하나와 동일한 재료로 이루어지는 광학 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 활성층은 상기 하부 반사층 상에 배치된 제 1 활성층, 및 상기 제 1 활성층 위에 배치된 제 2 활성층을 포함하며,
상기 제 1 활성층은 순차적으로 적층된 상기 제 1 양자우물층, 상기 제 1 연결 장벽층, 상기 제 2 양자우물층, 상기 제 2 연결 장벽층 및 상기 제 3 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 3중 연결 양자우물을 포함하고,
상기 제 2 활성층은 순차적으로 적층된 제 4 양자우물층, 제 3 연결 장벽층, 제 5 양자우물층, 제 4 연결 장벽층 및 제 6 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 3중 연결 양자우물을 포함하며,
상기 제 1 활성층의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 5 양자우물층의 두께와 상이한 광학 소자. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께보다 크며 상기 제 1 양자우물층의 두께는 상기 제 3 양자우물층의 두께보다 크고, 상기 제 5 양자우물층의 두께는 상기 제 4 양자우물층의 두께보다 크며 상기 제 4 양자우물층의 두께는 상기 제 6 양자우물층의 두께보다 큰 광학 소자. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 활성층의 제 1 양자우물층 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 4 양자우물층 및 제 6 양자우물층의 두께와 각각 동일한 광학 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 활성층은:
순차적으로 적층된 상기 제 1 양자우물층, 상기 제 1 연결 장벽층, 상기 제 2 양자우물층, 상기 제 2 연결 장벽층 및 상기 제 3 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 3중 연결 양자우물 구조를 포함하는 제 1 활성층; 및
2개의 외부 장벽층 사이에 개재된 단일한 제 4 양자우물층을 구비하는 적어도 하나의 단일 양자우물 구조를 포함하는 제 2 활성층;을 포함하는 광학 소자. - 하부 반사층;
상기 하부 반사층 위에 배치된 제 1 활성층;
상기 제 1 활성층 위에 배치된 중간 반사층;
상기 중간 반사층 위에 배치된 제 2 활성층; 및
상기 제 2 활성층 위에 배치된 상부 반사층;을 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 활성층 중에서 적어도 하나는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 연결 양자우물 구조를 포함하고,
각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하며,
상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮으며,
상기 제 1 활성층의 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 1 양자우물층, 제 1 연결 장벽층, 제 2 양자우물층, 제 2 연결 장벽층 및 제 3 양자우물층을 포함하고,
상기 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 1 양자우물층의 두께보다 크며 상기 제 1 양자우물층의 두께는 상기 제 3 양자우물층의 두께보다 큰 광학 소자. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 2 활성층의 각각의 연결 양자우물은 순차적으로 적층된 제 4 양자우물층, 제 3 연결 장벽층, 제 5 양자우물층, 제 4 연결 장벽층 및 제 6 양자우물층을 포함하는 광학 소자. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 5 양자우물층의 두께는 상기 제 4 양자우물층의 두께보다 크며 상기 제 4 양자우물층의 두께는 상기 제 6 양자우물층의 두께보다 큰 광학 소자. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 4 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮은 광학 소자. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 활성층의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 5 양자우물층의 두께와 상이한 광학 소자. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 활성층의 제 2 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 5 양자우물층의 두께와 동일한 광학 소자. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 활성층의 제 1 양자우물층 및 제 3 양자우물층의 두께는 상기 제 2 활성층의 제 4 양자우물층 및 제 6 양자우물층의 두께와 각각 동일한 광학 소자. - 삭제
- 제 18 항에 있어서,
상기 제 2 활성층은, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 단일한 양자우물층;을 구비하는 단일 양자우물 구조를 더 포함하는 광학 소자. - 하부 반사층;
상기 하부 반사층 위에 배치된 제 1 활성층;
상기 제 1 활성층 위에 배치된 중간 반사층;
상기 중간 반사층 위에 배치된 제 2 활성층; 및
상기 제 2 활성층 위에 배치된 상부 반사층;을 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 활성층 중에서 적어도 하나는, 적어도 2개의 외부 장벽층; 및 상기 적어도 2개의 외부 장벽층 사이에 각각 끼워진 적어도 하나의 연결 양자우물;을 구비하는 연결 양자우물 구조를 포함하고,
각각의 연결 양자우물은 적어도 3개의 양자우물층 및 상기 적어도 3개의 양자우물층 사이에 개재된 적어도 2개의 연결 장벽층을 포함하며,
상기 적어도 2개의 연결 장벽층의 포텐셜 에너지는 바닥 준위보다 높고 외부 장벽층의 에너지 준위보다 낮으며,
상기 하부 반사층과 상부 반사층은 제 1 전기적 타입으로 도핑되어 있고, 상기 중간 반사층은 제 1 전기적 타입과 전기적으로 상반되는 제 2 전기적 타입으로 도핑되어 있는 광학 소자. - 제 18 항에 있어서,
상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층 중에서 적어도 하나의 반사층 내에 배치되는 적어도 하나의 마이크로 캐비티층을 더 포함하며, 상기 광학 소자의 공진 파장을 λ라 할 때, 상기 활성층과 상기 적어도 하나의 마이크로 캐비티층은 λ/2의 정수배의 광학적 두께를 갖는 광학 소자. - 제 28 항에 있어서,
상기 하부 반사층과 상기 상부 반사층은 광학적 두께가 각각 λ/4이고 굴절률이 서로 다른 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층이 반복적으로 교호하여 적층된 DBR 층인 광학 소자. - 제 28 항에 있어서,
상기 마이크로 캐비티층은 제 1 굴절률층과 제 2 굴절률층 중에서 어느 하나와 동일한 재료로 이루어지는 광학 소자.
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