KR101921262B1 - 반도체 레이저 발광소자 - Google Patents
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Abstract
개시되는 반도체 레이저 발광소자는, n측 반도체층; 상기 n측 반도체층 위에 적층되는 활성층; 상기 활성층 위에 적층되는 p측 반도체층; 상기 p측 반도체층의 상면으로부터 상기 활성층과 설정된 제1 간격을 가지도록 식각되어 형성된 메사영역; 상기 p측 반도체층에서 상기 메사영역을 제외한 영역으로 정의되는 릿지영역; 상기 메사영역에 구비되며, 상기 활성층에서 방출된 광과 그 표면에서 플라즈몬 공명을 일으키는 플라즈몬 발생층; 상기 메사영역의 상면을 커버하도록 구비되는 전류 차단층; 상기 릿지영역의 상면에 전기적으로 접속되는 p측 전극; 및 상기 n측 반도체층에 전기적으로 접속되는 n측 전극;을 포함한다.
Description
본 발명(Disclosure)은, 반도체 레이저 발광소자에 관한 것으로서, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 내부양자효율을 향상시킨 반도체 레이저 발광소자에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
사파이어 기판 또는 GaN 기판상에 GaN계 화합물 반도체층의 적층 구조를 구비한 GaN계 반도체 레이저 소자가 자외선 영역으로부터 녹색에 도달하는 단파장 영역의 광을 발광하는 발광 소자로서 주목되고 있다.
도 1은 일본국 특개2000-196201호 공보에 개시된 GaN계 반도체 레이저 소자(10)를 보인 것으로서, 도 1을 참조하면, GaN계 반도체 레이저 소자(10)는 예를 들면 c면을 주면(主面)으로서 갖는 사파이어 기판으로 이루어지는 기판(12) 상에, n형 GaN으로 이루어지는 제1 콘택트층(14), n형 AlGaN으로 이루어지는 제1 클래드층(cladding;16), n형 InGaN으로 이루어지는 제1 광 가이드층(18), GaN/InGaN의 다중 양자 우물 구조를 갖는 활성층(20), 활성층(20)의 열화를 방지하는 AlGaN으로 이루어지는 열화 방지층(21), p형 InGaN으로 이루어지는 제2 광 가이드층(22), p형 AlGaN으로 이루어지는 제2 클래드층(24), 및 p형 GaN으로 이루어지는 제2 콘택트층(26)이 차례로 적층된 적층 구조를 갖는다.
또한, 기판(12) 상에 저온 성장시킨 GaN으로 이루어지는 버퍼층(도시하지 않음)을 개재하여, 버퍼층 상에서 횡방향 성장에 의해 GaN으로 이루어지는 하지층(도시하지 않음)을 형성한 후, 제1 콘택트층(14)을 성장시키는 경우도 많다.
또한, 제1 광 가이드층(18) 및 제2 광 가이드층(22) 및 열화방지층(21)을 형성하지 않는 경우도 있다.
제2 클래드층(24)의 상층(24B) 및 제2 콘택트층(26)은 예를 들면 스트라이프형으로 일방향으로 연장되는 릿지(ridge) 구조를 갖는다.
또한, 제1 콘택트층(14)의 일부분, 제1 클래드층(16), 제1 광 가이드층(18), 활성층(20), 열화 방지층(21), 제2 광 가이드층(22) 및 제2 클래드층(24)의 하층(24A)은 예를 들면 스트라이프형으로 릿지 구조와 같은 방향으로 연장되는 메사(mesa) 구조를 갖는다. 즉, 이러한 구조를 갖는 GaN계 반도체 레이저 소자(100)에 있어서는 메사 구조의 폭을 W'1, 릿지 구조의 폭을 W'2 로 하였을 때, W'1> W'2 의 관계에 있다.
릿지 구조, 메사 구조 및 메사 구조의 양측에 위치하는 제1 콘택트층(14)의 부분은 릿지 구조에 있어서의 최정상면(즉, 제2 콘택트층(26)의 정상면) 및 제1 콘택트층(14)의 일부분에 각각 형성된 제2 개구부(28A) 및 제1 개구부(28B)를 제외하고, SiO2 로 이루어지는 보호막(28)으로 피복되어 있다. 또한, 제2 개구부(28A)의 바닥부에 위치하는 제2 콘택트층(26) 상에는 Ti/Au(Ti가 하층, Au가 상층)와 같은 다층 구성을 갖는 제2 전극(30)이 오믹(ohmic) 접합 전극으로서 설치되어 있다.
덧붙여, 제2 전극(30) 및 제1 전극(32) 상에는 인출용의 전극으로서, 각각, 제2 전극(30) 및 제1 전극(32)과 전기적으로 접속된 제2 패드 전극(34) 및 제1 패드 전극(36)이 형성되어 있다. 제2 패드 전극(34)은 제2 전극(30)으로부터 보호막(28)의 정상면까지 연장되어 있다.
그러나 상기와 같은 반도체 레이저 발광소자는 릿지를 통한 전류 주입으로 인해 활성층에서 광 발생 영역이 제한되므로, 내부양자효율을 향상시키는데 한계가 있다.
본 발명(Disclosure)은, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 내부양자효율을 향상시킨 반도체 레이저 발광소자의 제공을 일 목적으로 한다.
본 발명(Disclosure)은, 발진 주파수 대역폭을 확장함으로써, 일반 레이저에서 나타나는 눈이 부시고 어른거리는 `스페클(speckle) 현상'을 완화할 수 있는 반도체 레이저 발광소자의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 반도체 레이저 발광소자는, n측 반도체층; 상기 n측 반도체층 위에 적층되는 활성층; 상기 활성층 위에 적층되는 p측 반도체층; 상기 p측 반도체층의 상면으로부터 상기 활성층과 설정된 제1 간격을 가지도록 식각되어 형성된 메사영역; 상기 p측 반도체층에서 상기 메사영역을 제외한 영역으로 정의되는 릿지영역; 상기 메사영역에 구비되며, 상기 활성층에서 방출된 광과 그 표면에서 플라즈몬 공명을 일으키는 플라즈몬 발생층; 상기 메사영역의 상면을 커버하도록 구비되는 전류 차단층; 상기 릿지영역의 상면에 전기적으로 접속되는 p측 전극; 및 상기 n측 반도체층에 전기적으로 접속되는 n측 전극;을 포함한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 반도체 레이저 발광소자에서, 상기 제1 간격은, 상기 활성층으로부터의 이격 거리가 1nm~100nm로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 반도체 레이저 발광소자에서, 상기 플라즈몬 발생층은, Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ni 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 반도체 레이저 발광소자에서, 상기 플라즈몬 발생층은, 금속 나노 입자 또는 금속 나노 패턴의 형태로 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 반도체 레이저 발광소자에서, 상기 금속 나노 입자의 입경 및 상기 금속 나노 패턴의 폭은, 10nm~150nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 반도체 레이저 발광소자에서, 상기 플라즈몬 발생층은, FRET(Fluorenscence Resonance Energy Transfer; 형광 공명 에너지 전이) 입자로 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 반도체 레이저 발광소자에서, 상기 릿지영역은, 상기 활성층의 일단에서 타단까지 횡단하는 기둥 형상으로 구비되되, 상기 활성층의 중앙부에 위치되며, 상기 플라즈몬 발생층은, 상기 릿지영역을 중심으로 대칭이 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 릿지영역의 주변인 메사영역에 플라즈몬 발생층을 둠으로써, 표면 플라즈몬 공명 현상에 의한 내부양자효율의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 플라즈몬 공명 효과에 의해 증폭된 빛으로 인해, 일반 레이저에서 나타나는 눈이 부시고 어른거리는 `스페클(speckle) 현상'을 완화할 수 있다.
도 1은, 일본국 특개2000-196201호 공보에 개시된 GaN계 반도체 레이저 소자(10)를 보인 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저 발광소자의 일 실시형태를 보인 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저 발광소자의 일 실시형태를 보인 도면.
이하, 본 발명에 따른 반도체 레이저 발광소자를 구현한 실시형태를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 본 개시와 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 실시 형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 기술적 내용을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저 발광소자의 일 실시형태를 보인 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 레이저 발광소자(100)는, n측 반도체층(110), 활성층(120), p측 반도체층(130), 메사영역(A), 릿지영역(B), 플라즈몬 발생층(140), 전류 차단층(150), n측 전극(160), p측 전극(170)을 포함한다.
본 실시형태에서 n측 반도체층(110), 활성층(120) 및 p측 반도체층(130)은 질화물계 반도체로 구비되는 것을 일 예로 들 수 있다.
잘화물계 반도체는, 가장 일반적으로는, AlxByGa1-x-y-zInzAsuN1-u-vPv(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤x+y+z <1, 0≤u+v <1)로 구성된다.
보다 구체적으로, 질화물계 III-V족 화합물 반도체는, AlxByGa1-x-y-zInzN(단, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤x+y+z<1)로 구성되고, 전형적으로는, AlxGa1-x-zInzN(단, 0≤x≤1, 0≤z≤1)로 구성된다.
질화물계 반도체의 예들은, GaN, InN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
질화물계 반도체는, 예를 들어, 유기 금속 화학 기상 성막(MOCVD), 또는 하이드라이드 기상 에피택시(epitaxy) 또는 할라이드 기상 에피택시(HVPE), 분자선 에피택시(MBE) 등에 의해 성장된다.
기판으로서, 도전성 반도체 기판, 바람직하게는, 질화물계 III-V족 화합물 반도체 기판(가장 전형적으로는, GaN 기판)이 사용될 수 있다.
기판은 사파이어 기판과 같은 절연성 기판일 수 있고, 기판 상에 성장된 적어도 하나의 질화물계 III-V족 화합물 반도체층을 더 포함할 수 있다
본 실시형태에서, n측 반도체층(110)은, n형 GaN 도광층, n형 AlGaN 클래드층으로 구성될 수 있다. 도 2에서 n측 반도체층(110)은 n형 클래드층(111) 및 n형 GaN층(112)로 구성된다.
활성층(120)은, 비도핑 Ga1-xInxN(양자 우물층)/Ga1-yInyN(장벽층, x>y) 다중 양자 우물 구조로 구성될 수 있다.
p측 반도체층(130)은, p형 AlGaN 전자 장벽층, p형 GaN/비도핑 AlGaN 초격자 클래드층 및 p형 GaN 콘택트층을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2에서, p측 반도체층(130)은, p형 GaN층(131) 및 p형 클래드층(132)로 구성된다.
한편, 본 실시형태에서, 메사영역(A)은, p측 반도체층(130)의 상면으로부터 활성층(120)과 설정된 간격을 가지도록 식각되어 형성된 영역으로 정의된다.
여기서, 설정된 간격은, 활성층으로부터의 이격 거리가 1nm~100nm로 형성되는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 10nm 내외이다.
한편, 메사영역(A)의 상부에는 전류 차단층(150)이 형성된다.
이에 의해, 전류 주입이 릿지영역(B)으로 한정된다.
릿지영역(B)은, p측 반도체층(130)에서 메사영역(A)을 제외한 영역으로 정의되는 영역으로, p측 반도체층(130)이 그대로 유지되는 영역이다.
플라즈몬 발생층(140)은, 메사영역(A)에 구비되며, 표면에서 플라즈몬 공명 효과에 의해 활성층(120)에서 생성된 광을 증폭하는 기능을 한다.
플라즈몬 발생층(140)은, Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ni 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금, 혼합물로 이루어진다.
여기서, 플라즈몬 발생층(140)은, 메사영역(A)에 금속 나노 입자를 균일하게 분산하여 형성하거나, 금속층을 형성한 후 식각공정을 이용하여 이를 패터닝한 금속 나노 패턴으로 형성될 수 있다.
이때, 플라즈몬 공명 효과를 위해, 금속 나노 입자의 입경 및 금속 나노 패턴의 폭은, 10nm~150nm인 것이 바람직하다.
한편, 본 실시형태에서, 플라즈몬 발생층(140)은, FRET(Fluorenscence Resonance Energy Transfer; 형광 공명 에너지 전이) 입자로 구비될 수 있다.
또한, 본 실시형태에서, 플라즈몬 발생층(140)은, 릿지영역(B)을 중심으로 대칭이 되도록 형성되며, 릿지영역(B)은, 활성층(120)의 일단에서 타단까지 횡단하는 기둥 형상으로 구비되되 활성층(120)의 중앙부에 위치되는 것이 바람직하다.
다음으로, 전류 차단층(150)은, 메사영역(A)의 상면을 커버하도록 구비된다.
여기서, 메사영역(A)은 플라즈몬 발생층(140)이 형성된 것을 의미한다.
n측 전극(160) 및 p측 전극(170)은, n측 반도체층(110)과 p측 반도체층(130)으로 전류를 공급을 위한 것으로서, p측 전극(170)은, 릿지영역(B)의 상면에 전기적으로 접속되도록 구비된다.
n측 전극(160)은, n측 반도체층(110)에 전기적으로 접속되도록 구비된다.
이에 의하면, 활성층(120)에서 발생된 광이 플라즈몬 발생층(140)에 의한 플라즈몬 공명 효과에 의해 증폭되므로, 내부양자효율을 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 플라즈몬 공명 효과에 의해 릿지영역(B) 주변에서도 광 추출이 이루어지므로, 일반 레이저에서 나타나는 눈이 부시고 어른거리는 `스페클(speckle) 현상'을 완화할 수 있다.
Claims (7)
- n측 반도체층;
상기 n측 반도체층 위에 적층되는 활성층;
상기 활성층 위에 적층되는 p측 반도체층;
상기 p측 반도체층의 상면으로부터 상기 활성층과 설정된 제1 간격(상기 활성층의 상면으로부터 상기 p측 반도체층의 적층방향으로의 두께)을 가지도록 식각되어 형성된 메사영역;
상기 p측 반도체층에서 상기 메사영역을 제외한 영역으로 정의되는 릿지영역;
상기 메사영역 위에 적층되어 구비되며, 상기 활성층에서 방출된 광과 그 표면에서 플라즈몬 공명을 일으키는 플라즈몬 발생층;
상기 메사영역의 상면 및 상기 플라즈몬 발생층을 커버하도록 구비되는 전류 차단층;
상기 릿지영역의 상면에 전기적으로 접속되는 p측 전극; 및
상기 n측 반도체층에 전기적으로 접속되는 n측 전극;을 포함하는 반도체 레이저 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 간격은, 상기 활성층으로부터의 이격 거리가 1nm~100nm로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈몬 발생층은, Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ni 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 발광소자. - 청구항 3에 있어서,
상기 플라즈몬 발생층은, 금속 나노 입자 또는 금속 나노 패턴의 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 발광소자. - 청구항 4에 있어서,
상기 금속 나노 입자의 입경 및 상기 금속 나노 패턴의 폭은, 10nm~150nm인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈몬 발생층은, FRET(Fluorenscence Resonance Energy Transfer; 형광 공명 에너지 전이) 입자로 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 발광소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 릿지영역은, 상기 활성층의 일단에서 타단까지 횡단하는 기둥 형상으로 구비되되, 상기 활성층의 중앙부에 위치되며,
상기 플라즈몬 발생층은, 상기 릿지영역을 중심으로 대칭이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 발광소자.
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| T. Asano et al., IEEE J. of Quantum Electronics, Vol. 39, No. 1, January 2003, pages 135-140 |
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