KR19980053152A - 반도체 레이저 - Google Patents

Abstract

온도 특성을 향상시킨 저전력 소모형 반도체 레이저에 관한 것으로, n형 클래드층, p형 클래드층, 캡층, 전극을 갖는 반도체 레이저에서, n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 형성되고 단일 양자 우물 구조를 갖는 활성층과, 활성층을 사이에 두고 활성층 양측에 형성되는 트랩층을 구성함으로써, 양호한 온도 특성을 갖는 저전력 소모형 반도체 레이저를 제작할 수 있다.

Description

반도체 레이저

본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 온도 특성을 향상시킨 저전력 소모형 반도체 레이저에 관한 것이다.

요즈음 반도체 레이저를 제작하는데 있어서, 양자 우물(Quantum Well) 구조를 사용하는 것은 일반화되어 있다.

반도체 레이저의 활성층에 양자 우물 구조를 사용하면 벌크(bulk) 구조를 활성층으로 사용하는 경우에 비해서 저전력으로 소자를 구동시킬 수가 있고 온도 특성이 좋아진다.(주위의 온도 변화에 영향을 적게 받는다.)

따라서, 신뢰성이 좋아지는 등의 장점들이 있다.

도 1은 일반적인 반도체 레이저를 보여주는 구조단면도이고, 도 2는 도 1의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면이다.

일반적인 반도체 레이저의 구조를 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(1)과, 기판상에 차례로 형성되는 n형 클래드층(2), 활성층(3), p형 클래드층(4), 캡층(5), p형 전극(6)과, 기판(1) 하측에 형성되는 n형 전극(7)으로 이루어진다.

이때, 활성층은 양자 우물 구조로 이루어져 있는데, 양자 우물 구조라 함은 전자와 정공이 연속적인 에너지 값을 갖지 못하고 불연속적인 에너지 준위를 갖도록 아주 얇은 층(수십 Å~500Å 이하)을 활성층으로 사용하는 것을 말한다.

양자 우물의 두께는 사용하는 물질과 원하는 빛의 파장에 따라 정할 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 반도체 레이저의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 반도체 레이저의 p형 전극(6)과 n형 전극(7)을 통해 전류를 인가하면 도 2에 도시된 바와 같이, 활성층(3)의 양자 우물(A 영역) 부분에 전자와 정공들이 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)에 각각 모이게 된다.

그리고, 계속적인 전류 주입에 의한 전하 밀도 반전 상태가 만들어진 상황에서 전자, 정공의 결합에 의한 빛이 발생하고 소자 양단에 있는 반사면에 의한 증폭 작용이 발생하여 전자와 정공의 에너지 준위차에 해당하는 파장을 갖는 레이저 빛을 얻게 된다.

한편, 활성층(3)의 베리어(barrier)(B영역) 부분은 일단 주입된 캐리어(carrier)들이 전기장에 의해서 쉽게 어느 한쪽으로 휩쓸려 가지 안고 양자 우물(A영역) 부분에 어느 정도 가두어서 빛이 발생하는 것을 돕도록 하는 역할을 한다.

이같은 반도체 레이저의 온도 특성을 좋게 하기 위해서는 일반적인 경우에 양자 우물층의 수를 5 내지 7층 정도까지 두어서 소자의 고온 동작시 빛을 발생시켜야 할 캐리어들이 빛의 발생과 관련없이 p형 클래드층(4)이나 n형 클래드층(2)으로 넘어가는 효과를 줄이고 있다.

종래 기술에 따른 반도체 레이저에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

소자의 온도 특성을 좋게 하기 위해 양자 우물층의 수를 늘리고 그에 따른 베리어층의 수도 늘렸는데, 이렇게 하면 양자 우물의 수가 하나인 경우(또는 두 개 내지 세 개)에 비해서 온도 특성은 좋아지지만 그 만큼 레이저 발진에 필요한 캐리어의 수가 많아지므로 양자 우물층의 수가 적은 경우에 비해서 발진 개시 전류가 커진다.

따라서, 소자의 동작에 필요한 구동전류가 높아져 전력 소모가 많다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 전력 소모를 증가시키지 않고 온도 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 반도체 레이저를 보여주는 구조단면도

도 2는 도 1의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면

도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : 활성층12 : 트랩층

본 발명에 따른 반도체 레이저는 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 형성되고 단일 양자 우물 구조를 갖는 활성층과, 활성층을 사이에 두고 활성층 양측에 형성되는 트랩층으로 이루어짐에 그 특징이 있다.

본 발명의 다른 특징은 트랩층을 활성층보다 에너지 밴드 갭이 작은 물질로 하고, 활성층의 두께보다 얇게 형성하는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 반도체 레이저를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

반도체 레이저의 전체적인 구조는 종래와 동일하므로 전체 구조에 대한 설명은 생략하기로 하고 구조상에서 종래와 차이가 나는 양자 우물 구조에 대해 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저의 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면으로써, 본 발명에 의한 새로운 양자 우물 구조를 살펴보면 도 3에 도시된 바와 같이, n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 빛의 발생 부분이 되는 활성층(11)이 있고, 활성층(11)의 양측에 활성층(11)보다 에너지 밴드 갭(energy band gap)이 작은 물질로 이루어진 트랩(trap) 층(12)이 형성된 구조로 이루어져 있다.

이때, 활성층(11)은 단일 양자 우물 구조를 가지며, 트랩층(12)의 두께는 활성층(11) 보다 얇게 형성된다.

이 트랩층(12)들의 두께는 단일 양자 우물 구조를 갖는 활성층(11)의 에너지 준위차, 즉, C와 D의 차이와 똑같이 되도록 정할 수 있는데, 트랩층(12)들이 활성층(11) 보다 에너지 밴드 갭이 작으므로 활성층(11)의 C와 D의 차이 만큼 똑같이 되기 위해서는 트랩층(12)들의 두께는 활성층(11) 보다 얇게 형성되어야 한다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

반도체 레이저의 전극을 통하여 주입된 전하(전자, 정공)들이 활성층(11)인 양자 우물층에 제한(confine)되어, 전자, 정공의 결합에 의한 빛이 발생하고, 소자 양단에 있는 반사면에 의한 증폭작용이 발생하여, 전자와 정공의 에너지 준위차에 해당하는 파장을 갖는 레이저 빛을 얻게 된다.

이때, 활성층(11) 양측에 형성된 트랩층(12)들이 활성층(11)에 비해 두께가 얇기 때문에 활성층(11)이 제한할 수 있는 캐리어(carrier)의 수에 비해 트랩층(12)이 제한할 수 있는 캐리어의 수는 극히 한정된다.

그러나, 트랩층(12)의 두께는 매우 얇지만 에너지 밴드 갭이 작은 물질이므로 전자 또는 정공들이 쉽게 건너가지 못하고 일종의 트랩(trap)으로 작용하게 된다.

또한, 이 트랩층(12)에서 전자와 정공의 재결합에 의한 빛의 발생이 있기도 하는데, 이는 에너지 준위차를 활성층의 에너지 준위차와 똑같이 만들었으므로 소자의 파장에는 아무런 영향을 주지 않는다.

그리고, 소자를 고온에서 동작시킬 때, 캐리어들이 빛의 발생에 기여하지 못하고 활성층(11)에서 n형 클래드층이나 p형 클래드층으로 넘어가 버리는 확률을 트랩층(12)에 의해서 제한할 수 있으므로 소자의 주위 온도 상승에 따른 동작 특성 악화를 크게 완화시킬 수 있다.

또한, 단일 구조인 활성층(11)만을 사용하므로 발진에 필요한 캐리어의 수를 줄일 수 있어서 저전력으로도 소자의 구동이 가능하다.

이와 같은 본 발명에 따른 반도체 레이저는 여러 가지 구조를 갖는 반도체 레이저의 모든 제작에 응용이 가능하며, 특히 저전력 구동이 필요하고 온도 특성이 좋지 않은 통신용 반도체 레이저 제작에 용이하다.

또한, 원하는 목적에 따라서 활성층의 수와 트랩층의 수 및 위치를 조절하여 여러 구조를 갖는 반도체 레이저 제작에 적합하다.

본 발명에 따른 반도체 레이저에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

단일 양자 우물 구조를 갖는 활성층을 형성하여 다중 양자 우물 구조의 단점인 높은 전력 소모를 개선하고, 트랩층을 형성하여 단일 양자 우물 구조의 단점인 온도 특성 저하를 방지함으로써, 양호한 온도 특성을 갖는 저전력 소모형 반도체 레이저를 제작할 수 있다.

Claims (3)

1. 제 1 클래드층과 제 2 클래드층을 갖는 반도체 레이저에서,

   상기 제 1 클래드층과 제 2 클래드층 사이에 형성되고 단일 양자 우물 구조를 갖는 활성층;

   상기 활성층을 사이에 두고 활성층 양측에 형성되는 트랩층을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 레이저.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 트랩층은 상기 활성층보다 에너지 밴드 갭이 작은 물질로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 트랩층의 두께는 상기 활성층보다 얇게 형성됨을 특징으로 하는 반도체 레이저.