KR20000026688A - 부저항 다이오드를 이용한 광전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부저항다이오드를 이용한 광전소자에 관한 것으로서, 소자를 구성하는 각 다이오드(110, 120)에 부저항 특성을 유발하는 강한 레이저광의 조사시 넓은 구간의 "N"모양 부저항 특성을 갖는 소자의 전류-전압 특성을 얻으며, 또한 이 부저항 영역에 정전압을 인가할 경우 전기적 진동과 함께 두 다이오드(110, 120)로 입사된 광으로부터 세기진동 위상이 역전된 두 광출력을 얻으며, 이러한 역극성의 두 광다이오드에 의한 "N"모양의 전류전압 특성은 부하저항에 대하여 다이오드 입력광의 조합에 대하여 논리적인 -1, 0, 1의 3 레벨을 결정하는 논리 스위치 기능을 가지며, 전기적 진동 신호 뿐만 아니라 광학적 진동신호를 얻을 수 있는 전기-광학 진동기로 응용될 수 있고, 입력광 조합에 의한 3 레벨 바이너리의 논리 스위치로 응용될 수 있으며, 외부 전원없이 광학적진동 출력을 얻는 완전 광진동기 특성을 갖음으로써, 전기-광 오실레이터로 광유기 부저항 특성으로부터 전기회로적 자체 진동신호 뿐만 아니라 유발되는 일정한 세기의 광입력을 변조할 수 있으며, 이를 응용한 이진 광신호를 이중-이진 신호로의 논리 전환 스위치의 기능이 가능해져서 전기-광학적 신호의 교환 및 광 교환, 유-무선 신호처리 등의 응용 가능성을 가질 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 부저항다이오드를 이용한 광전소자에 관한 것으로서, 마이크로웨이브(microwave) 진동기(oscillator)와 광 변조기(optical modulator)는 정보통신 및 광 정보처리 등에 있어서 전기적 및 광학적 신호생성기(signal generator) 역할로서 매우 중요한 기본 소자이다.
기존의 전기적 마이크로웨이브 진동소자로는 터널 다이오드(tunnel diode), 역방향 다이오드(backward diode) 등과 같이 전류-전압곡선에서 부저항특성을 이용하고 있으며, 3-단말(terminal) 소자로 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, 이하 FET라 칭함), 고전자 이동도 트랜지스터(high electron mobility transistor, 이하 HEMT라 칭함) 등의 소자가 많이 이용되며, 최근에는 장벽(barrier)구조를 통한 터널링(tunneling)현상을 이용한 공진 터널링 다이오드(resonant tunneling diode) 등이 활발히 연구되고 있다.
전류-전압 특성에서 부저항은 또한 광변조기로서는 일반적으로 PIN(positive intrinsic negative transistor) 다이오드 구조에서 외부의 전기적 신호에 의해 중간층(intrinsic layer)의 전기-광흡수(electro-absorption) 효과나 전기-굴절율 (electro-refraction) 효과를 유발하여 광신호를 변조시키는 광변조기 등이 이용되어 오고 있으며, 부저항 특성의 다이오드 회로에서 광궤환효과를 이용한 논리소자가 연구되고 있으며, 최근에는 폴리머(polymer)나 유기물(organic)을 이용한 광변조기들도 활발히 연구되고 있다.
상기 종래의 두소자의 기술은 독립적인 형태의 광 및 전기 신호 생성 및 제어 기술에 국한된 단점이 있다.
상기 단점을 해결하기 위해 본 발명은 단일-다이오드의 전류-전압에서 인위적인 혼합(artficial)구조, 즉, 두개의 부저항 특성을 갖는 광다이오드를 역극성 병렬 연결함으로써, 대칭 특성의 두 다이오드간의 순방향과 역방향 광전류들의 상호 상쇄결과 0 V부근을 가로 지르며 전류-전압 곡선이 "N"모양으로 넓은 전압구간에서 부저항특성을 갖는 새로운 전기광학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다음과 같다.
본 발명의 부저항다이오드를 이용한 광전소자는 반 절연성(semi-insulating) 화합물 반도체 기판(substrate)상에 역극성(anti polarity) 병렬(parallel)로 연결된 두개의 PIN 다이오드(diode)로 구성되며, 상기 화합물 반도체 기판위에 형성된 PIN 다이오드는 전기-광흡수(electro-absortion) 변화를 갖는 광학적 활성층을 중간층(intrinsic)으로 하며, 상기 PIN 다이오드는 레이저광 조사에 부저항(negative differential resistance) 광전류-전압 특성을 가지며, 상기 화합물 반도체 기판위에 형성된 두 부저항 광전류-전압 특성 다이오드는 외부전원(external electrical source)에 대해 역극성(anti-polarity)에서 전기적 병렬의 금속배선(metal interconnection)을 가지며, 상기 두 PIN 다이오드의 역극성 전기적 병렬배선으로 구성된 전기광학 진동기는 각 구성 다이오드에 강한 입력광에 대하여 0 V의 전압을 포함한 "N" 모양의 부저항 광전류-전압 특성을 그 특징으로 하며, 상기 전기-광학 진동기의 "N" 모양 부저항의 기울기(gradient)는 조사 래이저광의 세기(intensity)에 대해 소자의 전기적 진동(electrical oscillation)이 유발되는 것을 그 특징으로 하며, 상기 전기적 진동에 의해 상기 전기광학 소자를 구성하는 역극성 병렬 연결된 각 다이오드를 통과한 두 레이저광에 대해 광학적 세기 진동을 유발하며, 상기 각 구성 PIN 다이오드로부터 두 광학적진동의 주파수는 일치하며, 진동세기의 주기는 서로 역전(invert)된 것을 특징으로 한다.
상기 광소자는 입력광에 의한 역극성 "N" 다이오드 특징과 외부전압 없이 이와 직렬로 연결되어 광학적인 이진 입력조합에 대하여 예를들면, "0", "1"의 상태, 전기적으로 이중-이진(duo-binary)의 논리적 스위치를 갖는 예를 들면 "-1", "0", "1"의 상태 회로 및 소자구를 갖으며, 논리스위치의 특성을 향상하기 위하여 역극성 다이오드의 광다이오드를 부저항 특성을 갖지않는 다이오드를 이용한 것을 특징으로 한다.
또한 전기광학 진동기를 구성하는 각 PIN 다이오드는 조사된 레이저 파장에서 큰 부저항(negative resistance) 광전류-전압 특성과, 상기 전기광학 진동기 구성을 위하여 PIN 다이오드는 부저항 광전류-전압 특성에서 광전류 피크의 전압은 순방향전압(forward bias voltage)지역에 있으며, 역방향으로 전압증가에 대한 전류감소가 큰 것을 특징으로 하며, 상기 각 구성 PIN 다이오드구조는 큰 광전류와 큰 광전압-전류변화를 얻기 위해 입력광 방향으로 전기적으로 병렬인 적층 PIN 다이오드 구조를 가질 수 있으며, 상기 큰 광전류 특성를 얻기 위해 PIN 다이오드 상부 및 하부에 광학적 거울층(optixcal mirror)을 가지며, 조사 레이저 광에 대하여 광학적 공명(optical resonant)구조를 가질 수 있는 것을 그 특징으로 한다.
그리고 상기 전기광학 진동기를 구성하는 PIN 다이오드의 광학적 활성 중간층은 큰 전기광흡수변화를 갖으며, 큰 전기광흡수효과를 갖는 중간층으로는 우물(well) 역할을 하는 GaAs층과 장벽(barrier)층 역할을 하는 AlGaAs층의 반복층인 다중양자우물(multiple quantum well) 구조로 구성될 수 있으며, 상기 다중양자우물구조는 전압인가를 위한 AlGaAs 반도체 전극층내의 도우핑(doping) 불순물(dopant)의 유입을 막기 위한 비도우핑 AlGaAs 완충층(buffer layer)을 가지며, 상기 다중양자우물의 반복층 및 완충층 등의 두께 및 반도체 조성은 조사 레이저광의 파장 및 다이오드의 전기적 진동조건에 의존하는 것을 특징으로 한다.
상기 전기광학 진동기는 그 구성 PIN 다이오드의 전기적 연결에 있어서 외부의 전원과 전기적 연결없이 칩상에서 금속선 만으로 두 다이오드를 역극성 병렬로 연결하며, 상기에 따른 전기적 연결로 외부전원없이 완전히 광 입력만으로 전기 광학진동 소자의 전기적 진동등 유발하며 광 신호진동을 일으키는 완전광 진동기(all-optical oscillator)의 특징을 갖는다.
또한 상기 전기광학 진동기의 그 구성 PIN 다이오드는 단일 입사광에 대해 동작하기 위하여 기판의 수직방향에서 성장 제작되며, 전기적으로 역극성 병렬 연결을 가질 수 있으며, 상기 수직방향의 역극성 병렬 연결된 두 다이오드는 단일 광신호만으로 전기적 진동신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 전기광학 진동기는 전기광학진동기에 조사하는 레이저 광원을 동일한 칩상에서 얻기 위해 다이오드가 칩상에서 집적화될 수 있으며, 상기 전기광학진동소자는 집적화된 측면 발진 레이저 광원 소자에 대해 도파형 PIN 다이오드 구조를 가질 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 광유기 부저항 다이오드의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 전기-광흡수 다중양자우물 구조를 중간층으로 갖는 두 개의 PIN 다이오드를 역 극성에서 독립적으로 측정된 A, B의 광전류-전압 특성도 및 암전류-전압특성도(D),
도 3은 본 발명에 따른 역극성 다이오드 A와 B의 부하저항을 직렬 연결한 후 A, B 다이오드에 대한 광입력이 조합을 가질 경우의 부하 특성도,
도 4는 본 발명에 따른 역극성 다이오드에 대한 부하저항의 등가회로도 및 A, B 다이오드 광 입력의 전기적 3 레벨 출력 파형도,
도 5는 본 발명에 따른 역극성 병렬 연결된 두 광 PIN 다이오드와 광 회로부의 간단한 등가 회로 구조도,
도 6은 본 발명에 따른 외부에서 전원의 공급없이 부전압 상태에서 광학적 진동을 얻는 완전 광 진동기 구조도,
도 7은 본 발명에 따른 레이저 광 입사에 대해 부저항 전류-전압 특성을 갖는 두 다이오드 A, B가 역극성 병렬 연결된 후 암 상태에서 전류-전압곡선과 광 조사 상태에서 부저항 특성을 갖는 "N"형 전류-전압 파형도,
도 8은 본 발명에 따른 도 2를 이용하여 도 3에서 얻어진 특성곡선에서 부저항 특성 구간에 정전압을 인가하여 얻어지는 전기적 진동신호와, 각 A, B 다이오드에 입사광의 광학적 진동의 출력광 A, B로 부터의 전기진동신호와 같은 광학적 진동 주파수와 진동위상에서 180도 차이를 갖는 A, B로부터의 광출력 파형도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 반도체 기판 20 : 반도체 거울층
30 : n형 전극부
n형 도우핑 반도체 전극층(31) 및 n형 오믹 금속층(32)
40 : 비도우핑(undoped) 광학적 활성층간층
41,44 : 활성층 보호를위한 삽입 보호(buffer layer)층
42,43 : 이종의 반도체층 반복 주기에의한 전기광흡수효과를 갖는 광학적 활성층.
50 : p형 도우핑된 반도체 전극층 및 p형 오믹 금속층
60 : 전원
70 : 다이오드의 전기적 진동신호 추출 및 회로 안정을 위한 보조 소자 회로
80 : 전기적 진동 신호 90 : 부하저항
110,120 : 광전류
본 발명은 갈륨비소 (GaAs) 등의 화합물 반도체 물질이 갖고 있는 전기광흡수(electroabsorption) 효과를 갖는 반도체 다중양자우물(multiple quantum well) 구조를 중간층으로 이용한 PIN 다이오드를 구성한다.
상기 PIN 다이오드의 중간층으로 이용되는 반도체 GaAs/AlGaAs 다중양자우물구조는 매우 우수한 전기-광 흡수효과를 가지며, 광 흡수(optical absorption)량이 PIN 다이오드의 광전류(photocurrent)량을 결정한다.
이때, 최대흡수를 갖는 여기(exciton) 파장의 레이저 광을 조사하면 다이오드의 광전류-전압에서 PIN 다이오드의 광 전류는 부저항(negative resistance)특성을 보인다.
이 광조사에 의한 부저항특성을 갖는 반도체 다이오드에 대하여 부저항 전압지역에 정전압(d.c.-voltage)을 인가하면 PIN 다이오드회로는 터널 다이오드(tunnel diode), 에사키 다이오드(esaki diode,) 공진 터널링 다이오드(resonant tunneling diode, 이하 RTD라 칭함) 등과 유사한 다이오드의 전기적 진동(electrical oscillation)을 일으킨다.
이때, 진동하는 다이오드의 교류전압특성은 PIN 다이오드내의 중간층을 진동시켜, 일정한 세기로 입사하던 레이저광에 대해 전기적 진동주기로 흡수 변화를 주어 출력되는 광신호는 전기적 진동 주파수(oscillation frequency)와 동일한 주파수를 가지며 광세기변조(optical amplitude- modulation) 된다.
본 발명에서 이러한 광조사에 의한 부저항 특성을 갖는 두개의 반도체 PIN 다이오드를 역극성 병렬 연결 구성하여 "N" 모양 부저항 I-V특성을 갖는 전기-광학 소자를 구현한다.
이 소자의 전기적 특성은 소자의 인가되는 전압에 대해 각 구성 다이오드의 순방향과 역방향 광전류 사이의 교차에 의한 상호상쇄로 소자의 광전류-전압 특성이 결정되는데, 암(dark)상태에서 소자의 전류-전압특성은 각 구성 다이오드의 순방향 전류가 절대적으로 암전류(dark current) 보다 우세하여 각 구성다이오드의 순방향 전류에 의해 양 다이오드의 암전류 교차 부분구간이 결정된 대칭적인 다이오드 특성을 갖는다.
광조사의 경우에 각 다이오드에서 역방향 광전류(reverse photocurrent)가 흐르면, 양 다이오드간의 전압에 따른 역방향 광전류의 상대량에 의해 암전류 구간에서는 각 다이오드의 광전류차로 부터 0 V 부근을 통과하는 강한 부저항 특성으로 대칭적인 "N"모양의 광전류-전압 특성을 나타낸다.
이때, 본 발명의 소자를 구성하는 각 다이오드에 입사하는 광세기가 증가하면 비례적인 광전류 증가로 인하여 부저항 특성구간의 기울기는 급격하게 증가한다. 이 소자의 전기적 진동은 이 "N" 모양 부저항 전압 구간에 정전압을 인가하게 되면, 기존의 전기적 진동기(electrical oscillator)의 진동과 유사하게 소자의 전기적 진동이 유발된다.
전기적 진동(electrical oscillation)조건 및 광변조(optical modulation)의 조건은 구성 각 PIN 다이오드의 부저항 특성 및 입사 광 전류에 의한 다이오드구조의 진동기구(oscillation mechanism)의 조건에 따라 크기가 변한다.
따라서 부저항 특성을 향상하기 위해서는 작은 전압 변화에 대하여 큰 광흡수차를 가져야 하며, 이로부터 전압에 따른 광전류차를 크게 하며, 이때 상응하게 입력광의 흡수차가 커져서 출력 변조광신호의 세기변조에서 명암비(on/off extinction ratio) 및 신호차(on/off signal difference) 특성이 향상된다.
본 발명의 일 실시예로는 아래와 같다.
PIN 다이오드에서 중간층은 20주기의 50-nm AlxGa1-xAs/100-nm 갈륨비소(GaAs)의 다중양자우물을 사용하였으며, 낮은 전압변화에서 큰 광흡수 변화를 유기하기 위해 알루미늄(Al) 몰분율(mole fraction) x값을 0.05 이하로 하였으며, 낮은 전압변화로 큰 전계를 유기하고자 중간층의 두께를 0.35mm로 하였으며, 전체 다이오드의 광흡수를 향상하고자 PIN 다이오드를 광입사 방향에서 전기적으로 병렬로 연결된 적층구조를 본 발명소자 구성을 위한 다이오드로 이용하였다.
실시 예에서는 또한 바닥에 반도체 거울층을 적층하여 광 흡수를 높였다.
중간층의 다중양자우물구조에 의해 형성되는 광학적 흡수피크, 즉, 엑시톤 흡수파장(exciton absorption wavelength)에서 전압에 따른 광흡수 변화가 최대이므로 조사(illumination) 레이저광의 파장(wavelength)은 이 엑시톤 파장 부근으로 사용하였다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명이 적용되는 "N"-모양 전류-전압특성 다이오드 소자의 실시 일례의 단면도이다.
상기 광유기 부저항 다이오드 소자는, GaAs 반도체 기판(10) 위에 광 PIN 다이오드의 광흡수 효율을 높이기 위해 이종 반도체층(21, 22)의 반복 적층으로 구성된 반도체 거울층(20)과, 반도체 거울층(20) 위에 PIN 다이오드 형성을 위한 n형 AlGaAs 반도체 전극층(31) 및 n형 오믹 금속층(32)으로 구성된 n형 전극부(30)와, p형 AlGaAs 반도체 전극층(51) 및 p형 오믹 금속층(52)으로 구성된 p형 전극부(50)와, 전기-광흡수 효과를 갖는 반도체 양자우물구조를 중간층으로 하는 전극층의 불순물 유입으로부터 광흡수층을 보호하기 위해 비도우핑 AlGaAs 완충층(41, 44)과 전기광흡수 효과를 위한 GaAs/AlGaAs 다중양자우물구조의 우물층(43), 장벽층(42)이 순차적으로 적층된 비도우핑 광학적 활성층간층(40)으로 각각 구성되어 기판의 수직방향에서 성장 제작되어 부하저항(90)을 구비한 정전압원에 대해 서로 반대 극성으로 병렬로 연결되어 외부로부터 일정세기의 조사빔(LA1, LB1)이 인가되면 상기 정전압원에 의해 유발된 전기적신호에 의해 역전(invert)된 변조광(LA2, LB2)을 출력시키는 광전류(110, 120)로 구성되어 있다.
상기 구조는 전기진동신호 뿐만 아니라 상호 역전(invert)된 동일주파수의 두개의 변조광 신호를 얻을 수 있다.
또한 이러한 역극성 다이오드에 부하저항(90)을 인가한 후 상기 조사빔(LA1, LB1)의 입력광의 조합은 역극성 다이오드에 걸리는 전압출력을 기존의 "0", "1"이 이진(binary) 동작에서 "-1", "0", "1"의 이중-이진(duo-binary)의 동작의 광논리 스위치의 기능을 갖게 된다.
한편, 광세기에 대한 다이오드의 광흡수를 높일 수 있도록 상기 PIN 다이오드의 전류(I)의 중간층에 다중양자 우물수를 높이는 PIN 다이오드의 구조조절 및 외부의 레이저 광원의 세기를 높여 입사광을 높이면 외부전원(60)없이 금속배선을 직접연결하여 광신호 진동이 가능한 완전광 진동기(all-optical oscillator)도 가능하다.
도 2는 본 발명의 소자가 새로운 "N"모양 부저항 특성을 보이는 방법을 예시하였다.
소자를 구성하는 두개의 각 광전류(110, 120)는 입사광에 대하여 부저항 특성을 보이며, 서로 병렬연결 없이 역극성에서의 전류-전압특성은 각 광전류(110, 120)에 대해 도 2와 같이 얻어진다.
이때 D는 암상태에서의 반도체 광전류(110, 120)의 전류-전압 특성을 나타내며, 서로 병렬로 연결될 경우 "N" 모양 전류-전압 특성을 얻기 위해 각 다이오드는 순방향 전압에서 광전류 피크를 가져야 하며, 역방향으로 전압이 증가할 때 광전류의 양은 감소되어야 한다.
도 3은 본 발명에서 구현하고자 하는 이중-이진(duo-binary) 광동작의 특성을 전류-전압곡선에서 나타내었다.
다이오드의 턴온(turn-on) 전압을 대략 1V로 가정할때, 상기 도면에서 LA1, LB1의 조합이 (0,0), (1,1)일 경우, 외부의 전압이 0 V일 경우, 안정된 접점은 0V로 암전류 상태가 된다.
그러나 한쪽의 광 세기가 크고 한쪽이 0인경우 (1,0), (0,1)인 경우 교점의 출력은 "-1", "1"로 두개의 논리적 온(on) 상태를 나타낸다.
도 4는 상기 도 3의 내용을 등가회로도를 통하여 설명하고 있다.
광학적인 "0", "1"의 입력조합은 전기적인 "-1", "0", "1"의 3단계의 이중-이진 로직 레벨(duo-binary logic level)을 만들어 냄을 보여준다.
다음 표 1은 광학적 이진(binary) 전기적 이중-이진 로직(duo-binary logic)의 논리표를 나타낸다.
표 1
| A B | Results |
| 0 0 | 0 |
| 1 1 | 0 |
| 1 0 | -1 |
| 0 1 | +1 |
상기 표 1은 광학적으로 동일한 입력(0, 0), (1, 1)에대하여 전기적 출력은 "0"를 보이며, 다른 광입력(1, 0), (0, 1)의 입력은 두 개의 다른 "-1", "1"의 출력을 나타내고 있다.
도 5는 본 발명이 제시하는 새로운 "N" 모양 부저항 특성소자 및 구성 등가 회로도를 나타낸다.
소자를 구성하는 각 다이오드(110, 120)는 정전압 외부전원(60)에 대해서 역극성 및 전기적으로 병렬로 연결되어 있다.
따라서 각 PIN 다이오드(110, 120)는 외부 전원의 정전압에 대하여 동일한 세기의 반대극성의 전압을 받게 되어 있다.
(80)은 소자에 대하여 병렬로 구성되는 보조 회로로서 전기적 진동신호 추출(extraction) 및 전체 회로안정을 위한 소자로 구성되어 있다.
그리고 (90)은 광논리기능을 위한 부하 저항을 나타낸다.
도 6은 상기 도 3에서 보여준 외부전원(60)을 제거하고 직접 전기적연결을 통해 완전 광 진동기(all-optical oscillator)를 나타내는 등가회로도로 본 발명 구현의 일례를 나타낸다.
소자의 제작에서 외부로의 전기적 연결없이 칩(chip)상에서 직접 역극성 병렬관계의 두 다이오드를 금속 연결하므로써, 각 다이오드는 입사하는 광세기와 상대 다이오드의 광상태에 무관하게 동일한 0 V의 전압을 받는다.
비록, 대칭적으로 구성된 두 다이오드(110, 120)가 이상적으로 동일하지 않더라도 0 V의 정전압이 각 다이오드의 부저항지역에 인가되므로써 각 다이오드(110, 1 20)는 전기적 진동을 일으키며, 두 다이오드의 진동은 조화주파수(harmonic frequency)를 찾아 진동하며, 결국 소자는 이 주파수로 진동한다.
이 경우, 소자의 진동을 위해서 외부의 정전압은 불필요하며, 이로인해 본 발명의 실시예에서 소자는 전기적으로 간단하며 안정되어 있다.
따라서 본 발명의 이 실시예는 외부전원없이 단지 입력광에 의해서 스스로 진동하는 완전 광 진동기를 가능하게하는 실시 일례이다.
도 7은 상기 도 2에서 보여준 특성을 갖는 두 개의 광 PIN 다이오드(110, 120)가 상기 도 3에서 보여준 것과 같은 역극성 병렬로 연결된 후 광조사시 "N"모양 광전류-전압 특성의 일례를 보여준다. 여기서, 'C'는 역방향 극성으로 연결된 두 다이오드에 부저항 특성을 위한 광조사 시 I-V(전류-전압) 특성 곡선이고, 'D'는 역방향 극성으로 연결된 두 다이오드의 암(dark) 상태에서 I-V(전류-전압) 특성 곡선을 나타낸다.
상기 도 2에서 설명하였듯이 각 다이오드(110, 120)의 광전류는 순방향에서 최대점을 가지며, 역방향으로 증가할수록 감소하므로써, 역방향(-)의 외부전원에 대하여 제 1 PIN 다이오드(110)는 순방향, 제 2 PIN 다이오드(120)는 역방향 상태에 놓이므로 전체 전류는 상호 전류차에 의해 순방향 광전류 우세를(C1) 보이며, 순방향(+)의 외부 전원에 대해서는 같은 방법으로 역방향 광전류 우세를(C3) 나타내며, 두 다이오드(110, 120)의 대칭성으로 0 V부근에서는 거의 양다이오드 전류가 거의 상쇄되어 0 V 부근의 0 A의 전류(C2)를 나타낸다.
따라서 외부전원의 역방향으로부터 순방향으로의 전압 변화에 대하여 소자는 순방향우세 전류(C1)로부터, 0 A 전류(C2), 역방향 우세 전류(C3) 까지 강한 부저항의 "N" 모양 전류-전압특성을 나타낸다.
이 구간 밖의 지역은 각 다이오드의 순방향 전류가 우세 정상적인 다이오드 특성을 보인다.
D는 동일한 소자구성에 대하여 레이저 조사가 없을 때, 본 발명 소자의 전류-전압 특성을 보인다.
얻어진 "N"형 특성곡선(C)의 부저항 구간에서 정전압의 인가는 전체 소자에 대하여 특정주파수의 전기적 진동을 유발하지만, 각 다이오드는 역극성으로 병렬로 전기적으로 연결되어 있기 때문에 두개의 다이오드의 조화 전기적 진동(harmonic electrical oscillation)에 대해 두 다이오드(110, 120)는 주파수는 동일하지만 광 세기 진동은 상호 역전된 두 개의 변조광신호가 각 다이오드(110, 120)로부터 얻어진다.
도 8은 본 발명의 소자로부터 얻어진 상기 도 4의 "N"형 특성곡선에서 부저항 전압구간에 일정한 정전압을 인가하였을 때, 얻어진 전기적진동 신호(80)와 각 다이오드(110, 120)로부터 출력된 광학적 진동신호로, 두 신호 LA2와 LB2는 주파수는 일정하지만 광세기의 위상이 역전된 상태로 출력된다.
본 발명에서 전기광학 진동기는 생성된 전기적 신호와 광변조 신호의 주파수가 일치하는 것을 특징으로 하며, 광변조 특성은 전기적 변조진폭(modulation amplitude)의 절대값이 클수록 향상된다.
광변조 주파수는 전기적 진동주파수와 동일하므로 소자자체의 전기적 파라메터 값 및 구성회로 파라메터값의 최적화를 통하여 전기적 진동수를 조절하므로써 향상된다.
또한 본 발명에서 소자의 "N"모양 부저항의 전압 구간(C1-C3)은 소자의 전기적진동의 전압진폭(voltage amplitude)과 일치하여 광변조의 특성을 향상하기 위해서는 부저항 전압구간 크기에의해 큰 전기광흡수효과를 얻기위한 적정 중간층두께의 다이오드설계를 요구한다.
본 발명의 실시의 일례로서 5pF 다이오드 커패시터의 PIN 다이오드 소자로부터 중간층의 다중양자우물의 흡수피크에 해당하는 레이져 파장 및 각 다이오드에 약 5mW 광조사에 의해 도 6에서 예시한 것과 같은 특징의 약 ∼120MHz의 주파수의 전기적 교류신호와 광변조신호를 생성하였으며, 이 교류에의해 절대 변조광신호차 약 20% 및 약 2.4:1의 광신호 명암비를 얻었다.
상기 도 3에서 다이오드 캐퍼시턴스 및 회로의 저항, 캐퍼시턴스, 인덕턴스 및 보조 회로소자(80)를 조절함으로써 전기적교류 주파수를 크게 향상할 수 있으며, PIN 다이오드의 광흡수변화를 최대로하여 흡수층을 조절함으로써 전기적으로 얻어지는 신호로 광변조 신호 특성 또한 크게 향상할 수 있다.
본 발명의 소자의 "N"형 전류-전압특성 및 광변조특성과 광논리스위치 특성을 매우 효과적으로 달성하기위한 요구조건을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 전기광학 진동기를 구성하는 각 광 PIN다이오드(110, 120)의 광전류-전압 특성에서 광전류 최대점은 순방향 전압지역에 존재하며, 전압 변화에 따라 중간층의 광흡수 변화가 커서 역방향으로 전압이 증가할 때 광전류가 가능한 크게 감소하여야 0V 전압을 포함하면서 넓은 "N"형 부저항 전압구간을 얻을 수 있다.
둘째, 상기에서 요구조건을 만족할수록 정전압 인가에 의한 전기적 진동의 전압 진폭이 커져 다이오드중간층에 큰 전압변화를 유발하여 광신호 변조능력이 향상된다.
이를 위해 각 광 PIN다이오드(110, 120)의 중간층두께는 최대의 전기광흡수 효과를 갖는 두께로 최적화되며, 중간층의 다중양자우물구조도 작은 전압변화로 큰 전기광흡수 효과를 가져야 한다.
셋째, 상기 광신호 변조 특성을 위해서 상기에서처럼 중간층 두께가 최적화되어야 하며, 또한 부저항 특성 즉, 기울기를 향상하기 위해서는 전기광학 진동기를 구성하는 각 PIN다이오드(110, 120)구조에서 광흡수를 향상할 수 있도록 적층 다이오드구조, 광학적 공명구조등을 이용 할수록 효율적이며, 또한 입력광의 세기가 클수록 부저항의 기울기를 크게하며, 이때, 레이져 광세기가 증가해도 광흡수 특성이 선형적으로 유지되는 다중양자우물구조가 효과적이다.
넷째, 다이오드의 부저항 지역에서 정전압에서 다이오드 자체진동을 효과적으로 이루기위해 입력광에의한 광전류와 다이오드의 구조에서 물리적 진동현상을 효율적 제어를위한 구조로 최적화 할수록 효율적이다.
다섯째, 논리적 동작을 위하여 부하저항의 저항값은 역극성 다이오드의 양단 광입력시 부저항의 절대 값보다 작고, 한쪽입력시 역극성 다이오드의 부저항의 절대값보다 큰 저항값을 갖는 것을 요구한다.
따라서, 전계-유도(electric field-induced)에 의해 광흡수 변화를 갖는 다중양자우물구조 PIN다이오드에 강한 레이져광을 조사하여 다이오드의 부저항 특성을 갖는 두 광 PIN다이오드(110, 120)를 전기적으로 역극성 병렬연결하여 새로운 "N"형 부저항 특성을 갖는 전기광학 진동소자를 고안하며, 이 소자의 부저항 전압구간에 정 전압을 인가하여 전기적 자체 다이오드 진동을 유발하며, 이 전기적 진동에의해 유도된 PIN다이오드 구조에서 광흡수 변화 를 이용하여 구성 각 다이오드(110, 120)에 입사한 레이저광을 광세기에서 위상 역전상태의 두 변조광을 생성시킨다.
특히, 이 "N"형 부저항 특성 소자에 대해 외부전원 없이 직접 금속선으로 구성 두 다이오드를 묶어 완전 광 진동기(all-optical oscillator)의 기능을 구현할 수 있다.
이상과 같이 'N'형 부저항을 갖는 본 발명의 광전자 소자는, 전기-광 오실레이터로서 광유기 부저항 특성으로부터 전기회로적 자체 진동신호 뿐만 아니라, 유발되는 일정한 세기의 광입력을 변조할 수 있으며, 이를 응용한 이진(binary) 광신호를 이중-이진(duo-binary)신호로의 논리 전환스위치의 기능이 가능해져서 전기-광학적 신호의 교환 및 광 교환, 유-무선 신호처리 등의 응용 가능성의 효과를 갖는다.
Claims (9)
- 반절연성 화합물 반도체 기판과;상기 기판상에 광 PIN 다이오드의 광흡수를 높이기 위해 이종 반도체 층이 반복 적층된 반도체 거울층과;상기 반도체 거울층의 동일 면상에 외부전원에 대해 반대 극성끼리 서로 병렬로 연결되어 형성되고, 외부로부터의 두 조사빔에 의해 N 모양의 부저항 특성이 유발되며, 그 부저항 특성이 유발될 때 상기 외부전원이 인가되어 유발되는 전기진동신호에 의해서 상기 조사빔을 역전시킨 변조광으로 출력시키는 두개의 PIN 다이오드로 구성된 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 거울층은갈륨비소-알루미늄비소(GaAs-AlAs)의 이종 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 PIN 다이오드는,상기 반도체 거울층 상면에 형성되는 n형 AlGaAs 반도체 전극 및 그 위에 n형 오믹 금속층과;상기 n형 AlGaAs 반도체 전극 위에 형성되어 전체 다이오드의 광흡수를 향상시키도록 한 비도우핑 광학적 활성중간층과; 및광학적 활성증간층 위의 p형 도우핑된 반도체 전극층 및 p형 오믹 금속층이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
- 제 3 항에 있어서, 상기 광학적 활성중간층은전극층의 불순물 유입으로부터 광흡수층을 보호하기 위한 도우핑 AlGaAs 삽입 완충층과;전기광흡수효과를 위한 GaAs/AlGaAs 다중양자우물구조의 우물층 및 장벽층으로 구성된 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 서로 반대로 연결된 PIN 다이오드에 부하저항을 직렬로 연결하여 3 단계의 논리적 레벨로 스위칭하는 광논리 스위치로 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
- 반절연성 화합물 반도체 기판과;상기 기판상에 광 PIN 다이오드의 광흡수를 높이기 위해 이종 반도체 층이 반복 적층된 반도체 거울층; 및상기 반도체 거울층의 동일 면상에 외부전원에 대해 반대 극성끼리 금속선만으로 서로 병렬로 연결되어 형성되고, 외부로부터의 두 조사빔만으로 전기적 진동을 유발하여 광신호 진동을 일으키는 두개의 PIN 다이오드로 구성되어, 외부 전원없이 완전 광 진동기로 사용되는 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
- 제 6 항에 있어서, 상기 반도체 거울층은갈륨비소-알루미늄비소(GaAs-AlAs)의 이종 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
- 제 6 항에 있어서, 상기 PIN 다이오드는,n형 AlGaAs 반도체 전극 및 그 위에 n형 오믹 금속층과;상기 n형 AlGaAs 반도체 전극 위에 형성되어 전체 다이오드의 광흡수를 향상시키도록 한 비도우핑 광학적 활성중간층과; 및광학적 활성증간층 위의 p형 도우핑된 반도체 전극층 및 p형 오믹 금속층이 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
- 제 8 항에 있어서, 상기 광학적 활성중간층은전극층의 불순물 유입으로부터 광흡수층을 보호하기 위한 도우핑 AlGaAs 삽입 완충층과;전기광흡수효과를 위한 GaAs/AlGaAs 다중양자우물구조의 우물층 및 장벽층으로 구성된 것을 특징으로 하는 부저항 다이오드를 이용한 광전소자.
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|---|---|---|---|---|
| KR20020028565A (ko) * | 2000-10-10 | 2002-04-17 | 이용일 | 광 변조기 및 그 제조방법 |
| KR100695306B1 (ko) * | 2001-06-21 | 2007-03-14 | 삼성전자주식회사 | 피아이엔 다이오드의 제조 방법 |
-
1998
- 1998-10-22 KR KR1019980044345A patent/KR20000026688A/ko not_active Application Discontinuation
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