KR19980079683A - 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저 - Google Patents

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쓰또무 무나까따
야스마사 가시마
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사와무라 시꼬
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Abstract

웰층과 배리어층을 교번하는 복수의 층을 포함하는 다중 퀀텀 웰 구조를 가지며, 배리어층이 InGaAlAs 로 이루어진 반도체 레이저. 상기 웰층은 InGaAlAs 또는 InGaAlP 일 수도 있다. 이러한 물질들은 퀀텀 웰로부터의 전자 오버-플로우 (over-flow)는 감소시키면서, 상기 레이저의 내부 퀀텀 효율을 증대시킨다.

Description

다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저
본 발명은 일반적으로 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히, 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저에 관한 것이다.
다중 퀀텀 웰 반도체 레이저 및 다중 퀀텀 웰 발광 다이오우드는 반도체 발광소자의 형태로서 공지되어 있다.
도 4는 종래의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저의 밴드 다이어그램을 보여준다.
도 4에서, x 는 다중 퀀텀 웰의 깊이 방향을 나타내고, E 는 에너지 준위을 표시한다. 다중 퀀텀 웰은 교번하는 배리어층 (11) 및 웰층 (13)으로 구성된다. 종래에는, 배리어층 (11)이 InGaAsP 로 형성되고, 웰층 (13)이 InGaAs 로 형성되어 왔다. EC및EV는 배리어층 (11)의 전도대 밴드갭 에너지 준위 및 가전자대 에너지 준위을 각각 나타낸다.
반도체 레이저 발광은 상기 웰층의 전도대의 제 1 퀀텀 준위 (Ele)에서의 전자와 웰층의 가전자대의 제 1 퀀텀 준위 (Elh)의 홀과의 재결합이 원인이된다. 이러한 점에서, δEc는 배리어층의 전도대 에지의 제 1 전자 퀀타이제이션 준위사이의 에너지로 정의된다. 마찬가지로, δEv는 배리어층의 가전자대 에지의 제 1 헤비 홀 퀀타이제이션 준위사이의 에너지로 정의된다.
δEc 및δEv 는 모델 솔리드 이론 (Model Solid Theory: Chris G. Van de Walle, Physical Rewiew B Vol.39,pp.1871(1989))을 사용하여 계산될 수 있다. 상술한 바와 같이, 종래의 구조에서는 InGaAsP 를 배리어층 (11)으로 사용하며, InGaAs 를 웰층 (13)으로 사용한다. 이러한 δEv=132.9(meV), δEc=85.9(meV)인 구조에서, InGaAsP 는 압축변형 0%, 밴드갭 파장 (λ) 1.4㎛, 두께 10 ㎚이며, InGaAs 는 압축변형 0.6%, 밴드갭 파장 (λ) 1.92㎛, 두께 6 ㎚이다.
홀의 질량이 전자의 질량에 비하여 커서 이동하기 어렵고 δEv는 δEc의 131.8(meV)에 비교하여 89.3(meV)이기 때문에, 퀀텀 웰로부터의 전자 오버-플로우의 확률이 증대될 뿐 아니라, 전자 및 홀의 재결합 확률이 줄어들게 된다. 이러한 요인들은 반도체 레이저의 내부 퀀텀 효율 및 고출력에 부정적인 영향을 끼친다.
본 발명의 목적은 높은 파워를 달성할 수 있는 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저를 보여주는 투시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저의 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저의 밴드 다이어그램이다.
도 4는 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 종래의 반도체 레이저의 밴드 다이어그램이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 배리어층 13 : 웰층
Ele : 전도대의 퀀텀 준위 Elh : 가전자대의 퀀텀 준위
21 : InP 기판 23 : 제 1 SCH 층
25 : 다중 퀀텀 웰 구조 27 : 제 2 SCH 층
29 : InP 피막층
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태로서, 다중 퀀텀 웰 구조를 이루는 반도체 레이저로서 배리어층이 InGaAlAs 인 반도체 레이저를 제공하고 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태로서, 반도체 레이저로서 웰층이 InGaAs이고 배리어층이 InGaAlAs 인 반도체 레이저를 제공하고 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태로서, 반도체 레이저로서 웰층이 InGaAsP이고 배리어층이 InGaAlAs 인 반도체 레이저를 제공하고 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태로서, 상기 다중 퀀텀 웰 구조가 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층의 사이에 놓여진, 아래 위로 교번하는 웰층 및 배리어층의 복수의 층과 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층 중의 하나에 형성된 피복층을 포함하는 것으로, 배리어층이 InGaAlAs 인 반도체 레이저를 제공하고 있다.
본 발명의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저의 제 1 실시예는 여기에 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저를 보여주는 투시도이다.
제 1 실시예의 반도체 레이저는 제 1 전도형 InP 기판 (21), 상기 InP 기판상에 형성된 제 1 SCH (Separated Confinement Heterojunction)층 (23), 상기 제 1 SCH 층 (23)상에 형성된 다중 퀀텀 웰 구조 (25), 다중 퀀텀 웰 구조 (25)상에 형성된 제 2 SCH 층 (27), 및 InP 피복층 (29)을 포함한다.
여기서, 제 1 SCH 층(23)은 선호적으로 압축변형 0%, 밴드갭 파장(λ) 1.2㎛, 및 두께 25㎚의 InGaAlAs 층이다.
다중 퀀텀 웰 구조 (25)는 선호적으로 각각이 배리어층(25a)의 사이에 포개진 웰층 (25b)으로 된 5개의 퀀텀 웰을 포함한다. 상기 배리어층 (25a)는 선호적으로 압축변형 0%, 밴드갭 파장(λ) 1.4㎛, 및 두께 10㎚의 InGaAlAs 층이며, 상기 웰층 (25b)은 선호적으로 압축변형 0.6%, 밴드갭 파장(λ) 1.92㎛, 및 두께 6㎚의 InGaAs 층이다.
제 2 SCH 층 (27)의 구조는 상기 제 1 SCH 층 (23)의 구조와 동일하다.
상기 제 1 및 제 2 SCH 층 (23 및 27), 배리어층 (25a), 상기 웰층 (25b), 및 상기 InP 피복층 (29)은 공지되어 있는 MOCVD 또는 MBE 공정 방법을 이용하여 형성된다.
다음으로, 상기 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저의 δEc 및 δEv를 종래의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저와 비교하여 설명해 보겠다. 상술한 바와 같이, δEv는 배리어층의 전도대 에지 (edge)의 제 1 전자 퀀타이제이션 준위사이의 에너지로 정의된다. 마찬가지로, δEc는 배리어층의 가전자대 에지의 제 1 헤비 홀 퀀타이제이션 준위사이의 에너지로 정의된다. δEc 및δEv 는 모델 솔리드 이론을 사용하여 계산될 수 있다.
배리어층을 형성하는데 사용된 물질을 제외하고는, 종래의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저의 구조는 본 발명의 제 1 실시에의 구조와 본질적으로 동일하다.
즉, 본 발명의 배리어층은 압축변형 0%, 밴드갭 파장(λ) 1.4㎛의 InGaAlAs 층이며, 종래의 배리어층은 압축변형 0%, 밴드갭 파장(λ) 1.4㎛의 InGaAsP층이다. 두 경우 모두에서, 웰층으로는 압축변형 0.6%, 밴드갭 파장(λ) 1.92㎛, 및 두께 6㎚의 InGaAs 층이다.
δEc 및 δEv의 계산결과는 다음과 같다.
배리어층으로 사용된 InGaAlAs층: δEv=98.3(meV),δEc=131.8(meV)
배리어층으로 사용된 InGaAsP 층: δEv=132.9(meV),δEc=85.9(meV)
위에서 보듯이, 배리어층으로서 InGaAlAs를 사용함으로써 본 발명의 구조에서 δEv는 감소하고 δEc는 증대된다.
도 2로 돌아가서, 영역 (Ⅰ및 Ⅱ)은 종래의 반도체 레이저의 웰층으로 사용된 InGaAs 및 배리어층으로 사용된 InGaAsP층 각각의 밴드갭 다이어그램을 보여주며, 영역 (Ⅰ및 Ⅲ)은 본 발명의 제 1 실시예의 반도체 레이저의 웰층으로 사용된 InGaAs 및 배리어층으로 사용된 InGaAlAs층 각각의 밴드갭 다이어그램을 보여준다.
반도체 레이저의 방사 (emission)는 웰층의 전도대의 제 1 퀀텀 준위 (Ele)의 전자와 웰층의 가전자대의 제 1 퀀텀 준위(Elh)의 헤비 홀과의 재결합이 원인이 된다. 그러나 홀은 전자의 질량보다 무겁기 때문에 이동이 곤란하다. 제 1 실시예는 δEv를 감소시킨다. 따라서, 전자와 홀과의 재결합 확률이 증대된다. 또한, 제 1 실시예는 δEc을 증대시킨다. 따라서, 제 1 실시예는 고출력 반도체 레이저를 제공할 수 있다.
이제부터 본 발명의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저의 제 2 실시예에 대하여 자세히 설명하겠다.
제 2 실시예의 반도체 레이저의 특징은 웰층으로 InGaAs 대신에 InGaAsP를 사용하고, 배리어층으로서 제 1 실시예에서와 마찬가지로 InGaAlAs를 사용한다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예의 다중 퀀텀 웰 레이저의 δEv 및 δEc을 종래의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저와 비교하여 보겠다. 또한, δEv 및 δEc은 모델 솔리드 이론을 사용하여 계산할 수 있다.
선호적으로, 제 2 실시예의 배리어층은 압축변형 0%, 밴드갭 파장(λ) 1.4㎛의 InGaAlAs 층이며, 웰층은 압축변형 0.9%, 밴드갭 파장(λ) 1.9㎛의 InGaAsP층이다. δEv 및 δEc의 계산 결과는 다음과 같다.
δEv=67.3(meV),δEc=136.2(meV)
위에서 보듯이, 제 2 실시예의 반도체 레이저는 제 1 실시예에서보다 더욱 δEv의 감소 및 δEc의 증대를 가져올 수 있다.
도 3으로 돌아가서, 영역 (Ⅰ및 Ⅱ)은 본 발명의 제 2 실시예의 반도체 레이저의 웰층으로 사용된 InGaAsP 및 배리어층으로 사용된 InGaAlAs층 각각의 밴드갭 다이어그램을 보여준다.
제 2 실시예는 δEv를 감소시킬 수 있기 때문에 전자와 홀의 재결합 확률이 증대되고, 결과적으로 반도체 레이져의 내부 퀀텀 효율이 증대된다. 또한, 제 2 실시예는 δEc을 증대시키므로, 고출력반도체 레이저를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 반도체 레이저의 웰층과 배리어층으로 사용되는 InGaAs층, InGaAsP층,및 InGaAlAs층이, 종래의 압축변형, 밴드갭 파장, 및 두께에 비하여, 레이져 방사의 원인이 되는 전자 홀 재결합을 증대시키는 방향으로 정하여 짐으로써 고출력화를 기대할 수 있다.

Claims (18)

  1. InGaAlAs 로 이루어진 배리어층 및 웰층을 가지는 다중 퀀텀 웰 구조로 이루어진 반도체 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 InGaAlAs 가 0 %의 압축변형와 1.4 ㎛의 밴드갭 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 웰층이 InGaAs을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 InGaAs 가 0.6 %의 압축변형과 1.92 ㎛ 의 밴드갭 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 웰층이 InGaAsP을 구비한는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 InGaAsP 가 0.9 %의 압축변형과 1.90 ㎛의 밴드갭 파장을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 퀀텀 웰 구조는, 분리된 컨파인먼트 (confinement) 헤테로구조층의 사이에 놓여진 교번하는 웰층 및 배리어층의 복수의 층과, 상기 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층 중의 하나에 형성된 피복층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층이 InGaAlAs 층으로 이루어지고 0 %의 압축변형과 1.2 ㎛의 밴드갭 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 다중 퀀텀 웰 구조는, 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층의 사이에 놓여진 교번하는 웰층 및 배리어층의 복수의 층과, 상기 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층 중의 하나에 형성된 피복층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 다중 퀀텀 웰 구조는, 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층의 사이에 놓여진 교번하는 웰층 및 배리어층의 복수의 층과, 상기 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층 중의 하나에 형성된 피복층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  11. 웰층과 배리어층을 교번하는 복수의 층의 다중 퀀텀 웰 구조를 가지는 반도체 레이저에 있어서, 배리어층으로서 InGaAlAs을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 InGaAlAs 층은 0 %의 압축변형과 1.4 ㎛의 밴드갭 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  13. 제 11 항에 있어서, 웰층으로서 InGaAs 층을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 InGaAs 층이 0.6 %의 압축변형과 1.92 ㎛의 밴드갭 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  15. 제 11 항에 있어서, InGaAsP 층인 웰층을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 InGaAsP 층이 0.9 %의 압축변형과 1.90 ㎛의 밴드갭 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 다중 퀀텀 웰 구조는, 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층의 사이에 놓여진 교번하는 웰층 및 배리어층의 복수의 층과, 상기 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층 중의 하나에 형성된 피복층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 분리된 컨파인먼트 헤테로구조층이 InGaAlAs 층으로 이루어지고 0 %의 압축변형과 1.2 ㎛ 의 밴드갭 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
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