KR20000070600A - 반도체 레이저 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자기 방사선을 발생시키기 위해 적합한, SCH-구성을 갖는 반도체 바디를 포함하는 반도체 레이저 소자에 관한 것으로, 상기 소자에서 제 1도전 타입의 제 1외부 커버링층과 제 1도전 타입의 제 2외부 커버링층 사이에 배치된 활성 연속층에는 양자 웰 구조물이 제공된다. 상기 활성 연속층과 제 2외부 커버링층 사이에는 제 2도전 타입의 변성된 제 1전이층 및 제 1도전 타입의 변성된 제 2전이층이 배치된다.
Description
H. 힐머, A. 그라이너, F. 슈타인하겐, H. 부르크하르트, R. 뢰쉬, W. 슐라프, T. 쿠운의 간행물, 물리학 및 광전자 장치의 시뮬레이션 IV, SPIE 2693권 (1996) Pages 352-368에는, 반절연성 또는 n-도전성 InP로 이루어진 반도체 기판상에 InP로 이루어진 n-도전성 커버링층이 제공되고, 상기 커버링층상에 InGaAs/AlInGaAs로 이루어진 활성 연속층 및 p-도전성 InAlAs로 이루어진 추가의 커버링층이 제공된 레이저 다이오드가 기술되어 있다. 상기 활성 구역은, AlInGaAs-배리어 및 AlInGaAs-도파관층내에 매립된 InGaAs-다중 양자 웰(MQW)로 이루어진다. 2개의 AlInGaAs-도파관층은 p-도전성이지만, InP(n=2*1018cm-3) 또는 InAlAs(p=2*1018cm-3)보다 더 적게 p=5*1017cm-3으로 도핑된다. 힐머 등에 인용된 구성에서는 전자 및 홀이 pn-전이부를 통과해 활성 구역내로 주입되는 소위 Separate-Confinement-Heterostruktur(SCH)가 다루어지며, 상기 pn-전이부는 실제로 커버링층, 기술된 경우에는 n-InP 및 p-InAlAs로 형성된다. 발생된 광파는 전하 캐리어 흡수와 무관하게 도파관을 통해 가이드되며, 이 도파관은 비교적 낮은 굴절율을 갖는 커버링층에 의해 감싸져 있다. 특별한 경우에는 활성 MQW-구역이 비대칭적으로, 즉 중앙에서 도파관 내부로 제공된다. p-도전성 커버링층을 향한 측면상에 있는 도파관은, 기본적으로 전자보다 가동성이 훨씬 더 작은 홀이 양자 웰 내부로 이송되는 것을 가속시키기 위해서 단축되어 있다. 그럼으로써, 실제로 가동성이 작은 홀을 적절하게 도핑된 도파관 내부에서 이송함으로써 그리고 MQW-구조물내에서 전자를 둘러쌈으로써 결정되는 변조 능력이 개선된다.
양자 웰-반도체 레이저 및 MQW-반도체 레이저 그리고 SCH-구성의 기본적인 구조물은 예를 들어 W. 불다우, 반도체-광전자학, 한저 출판사, 뮌헨, 비인, 1995, Pages 182-187에 기술되어 있기 때문에 본 명세서에서는 자세하게 설명하지 않겠다.
지금까지 조사된, InGaAsP 및 AlInGaAs 재료를 기재로 하는 레이저에서는 도파관층내에서의 홀의 가동성이 전자의 가동성보다 훨씬 더 작다.
파장이 1.3 ㎛ 내지 1.55 ㎛인 경우에 종래의 유리 섬유 광학 윈도우내에서 데이터 전송율을 높이기 위해서는, 가동성이 작은 홀을 양자 웰 내부로 유동 이송함으로써 및 MQW-구조물내에서 전자를 감쌈으로써 고주파-변조 능력이 제한된다.
p-측의 도파관층이 전술한 바와 같이 단축됨으로써 도파관내에서의 홀의 이송 길이가 단축될 수 있다. 그러나 유동 속도는 인가된 전계 및 악화된 가동성에 의해서 결정된다.
본 발명은 전자기 방사선을 발생시키기 위해 적합한, 헤테로 구조물 구성, 특히 SCH(Separate Confinement Heterostructure)-구성을 갖는 반도체 바디를 포함하는 반도체 레이저 소자에 관한 것으로, 상기 소자에서 반도체 기판 위에는 제 1도전 타입의 제 1외부 커버링층 및 제 1도전 타입의 제 2외부 커버링층 사이에 배치된, 양자 웰 구조물(= 활성 구역)을 갖는 활성 연속층이 제공되며, 전류가 상기 반도체 바디를 통해 흐를 때 연속층 내부에서 전자기 방사선이 발생된다. 상기 커버링층이 활성 연속층보다 더 낮은 굴절율을 가짐으로써, 동작시에 상기 커버링층 사이에서 형성된 광파가 흡수되게 된다.
도 1은 제 1실시예의 층구조물의 개략도이고,
도 2는 제 2실시예의 층구조물의 개략도이며,
도 3은 제 3실시예의 층구조물의 개략도이다.
본 발명의 목적은, 전술한 공지된 반도체 레이저-소자에 비해 개선된 능력을 갖는, 서문에 언급한 방식의 반도체 레이저-소자를 개발하는 것이다. 특히, 1.3 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 영역의 파장에서 개선된 고주파 변조 가능성을 갖는 반도체 레이저가 제공되어야 한다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 반도체 레이저-소자에 의해 달성된다. 바람직한 추가 실시예는 관련 종속항에서 기술된다.
본 발명에 따라, 변성된 제 2고도핑 전이층이 변성된 제 1고도핑 전이층과 제 2외부 커버링층 사이에 배치되는 방식으로, 활성 연속층과 제 2외부 커버링층 사이에 제 1도전 타입과 반대인 제 2도전 타입의 변성된 제 1고도핑 전이층(예컨대 n+또는 p+) 및 제 1도전 타입의 변성된 제 2고도핑 전이층(p+또는 n+)이 제공된다.
고 n-도핑 (또는 n+-도핑) 및 고 p-도핑 (또는 p+-도핑), 즉 변성 도핑은 각각 바람직하게 도펀트 농도가 ≥ 10 cm-3이라는 것을 의미한다.
n+p+-연속층은, 전자를 활성 구역 근처에서 홀 내부로 변환시키고 전계내에서 가속시키는 "홀 인젝터"로서 작용한다. 따라서, 소자와 관련하여 역극성을 갖는 n+p+-연속층에 의해 전하 캐리어가 n+p+-연속층내에 있는 내부 전계내에서 가속되어 더 신속하게 활성 구역내로 주입된다. n+p+-연속층은 커버링층내에 있는 전하 캐리어용 소스로서 기능한다.
전하 캐리어 인젝터내에서는 데바이(Debye)-길이의 간격으로 전이부 둘레에서 도전 타입이 실제로 반전된다. 즉, 페르미(fermi)-레벨이 다이오드의 한 측면상에서는 n-도핑에 의해 전도계(conduction band)내로 보내지고, 마주 놓인 측면상에서는 홀이 p-도핑에 의해 페르미-레벨을 가전자계(valence band)내로 끌어 당긴다 ("변성"). 전하 캐리어 인젝터의 상기 변성된 도핑 영역 사이의 공간 전하 구역이 소수 옹스트롬으로 매우 좁음으로써, 역극성인 경우에는 p-도핑 반도체의 가전자계로부터 n-도핑 반도체의 전도계 상태로의 전자의 밴드간 터널링이 형성되며, 그에 따라 p-도핑 영역내에 홀이 형성된다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 바람직한 실시예에서 변성된 제 1고도핑 전이층과 변성된 제 2고도핑 전이층 사이에는 상기 전이층에 비해 더 적게 도핑된 임의의 전하 타입의 배리어층이 배치될 수 있다. 이 배리어층은 활성 구역을 넘어서 진행하는 전자를 위해 장벽을 형성한다.
바람직한 추가 실시예에서는 변성된 제 1고도핑 전이층과 양자 웰 구조물 사이에 상기 전이층에 비해 더 낮게 도핑된, 전자를 위한 얇은 배리어층이 배치되며, 이 배리어층은 활성 구역을 넘어서 진행하는 전자가 변성된 고도핑 전이층 (p+n+-구조물)내로 이동되는 것을 방지해야 한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자, 특히 마지막으로 언급된 2가지 실시예에서는, 레이저 다이오드가 투과 극성인 경우에 차단 방향으로 극성을 갖는 변성된 고도핑 전이층(= p+(n)n+-다이오드)의 공핍(depletion) 구역에서 형성되는 전계내에서 전하 캐리어가 가속된다. 그럼으로써, 서문에 언급된 방식의 공지된 반도체 레이저 소자에서의 유동 속도보다 훨씬 더 빠른 유동 속도에 도달된다. 그밖에, 전자가 활성 구역의 영역으로부터 빼내져서 전하 반복이 야기되는 것이 방지된다.
배리어층은 바람직하게 스페이서층의 재료보다 더 높은 밴드 갭을 갖는 재료로 이루어진다. 배리어층은 특히, 활성 구역 및 스페이서층을 넘어서 진행하는 전자를 위해 장벽을 형성한다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 바람직한 실시예는, 활성 구역, 도파관층 및 커버링층 그리고 전이층이 III족-V족-반도체 재료 그룹의 반도체 재료를 함유하는 SCH-양자 웰-레이저 또는 MQW-레이저이다.
커버링층 및 도파관층을 위해 특히 바람직한 재료는 InxGa1-xAsyP1-y(0≤x≤1, 0≤y≤1) 또는 AlxGayIn1-x-yAs (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)이고, 활성 구역을 위해 바람직한 재료는 InxGa1-xAsyP1-y(0≤x≤1, 0≤y≤1) 또는 AlxGayIn1-x-yAs (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)이다. 특히 InP-기판상에서 또는 다른 층상에서 변형 성장되는 재료가 제공된다. 고도핑 전이층도 마찬가지로 InxGa1-xAsyP1-y(0≤x≤1, 0≤y≤1) 또는 AlxGayIn1-x-yAs (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)로 이루어질 수 있다. 상기 전이층의 굴절율이 도파관의 기능에 매칭되는 경우, 특히 상기 굴절율이 외부 커버링층에서의 굴절율보다 더 크고 양자 웰-구조물 영역에서의 굴절율보다 더 작은 경우에는, n+p+-다이오드의 "인젝터 구성"이 도파관내에 통합될 수 있다.
변성된 제 1고도핑 전이층과 양자 웰 구조물 사이에 있는 스페이서층은 두께가 바람직하게 150 nm 내지 10 nm이고, 비도핑 반도체 재료 또는 약하게 도핑된 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 변성된 고도핑 전이층의 두께는 50 nm 내지 5 nm이고, 더 낮게 도핑된 배리어층의 두께는 200 nm까지 이를 수 있다.
반도체 레이저 소자의 본 발명에 따른 구성에서는 홀이 2차 전계내에서 가속됨으로써 도파관내의 짧은 구간이 더 신속하게 양자 웰-구조물까지 후퇴된다. 그밖에, 전자가 활성 구역의 영역을 넘어 지나치게 멀리 진행하는 것도 방지된다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 소자는 도 1 내지 도 3과 관련된 3가지 실시예를 참조하여 하기에서 자세히 설명된다.
도 1의 반도체 바디(13)로서는, 예를 들어 도전 도핑된 또는 반절연성 InP로 이루어진 반도체 기판(8)상에 제 1도전 타입의 제 1외부 커버링층(7)이 제공된 SCH-양자 웰-반도체 레이저의 반도체 바디가 다루어진다. 상기 제 1외부 커버링층(7)은 예를 들어 변성된 고도핑 InP(n+또는 p+)로 이루어진다. 반도체 기판은 경우에 따라 제 1외부 커버링층(7)과 동일한 도전 타입을 갖는다.
제 1외부 커버링층(7)에는 제 1도파관층(6)이 후속되는데, 이 도체층은 비도핑되며 제 1도전 타입 또는 상기 도전 타입과 반대의 제 2도전 타입일 수 있다. 제 1도파관층은 예를 들어 p-InGaAlAs로 이루어진다.
제 1도파관층(6)상에는 예를 들어 비도핑된 InGaAs로 이루어진 양자 웰 구조물(5)이 제공되며, 이 구조물상에는 제 2도전 타입이거나 또는 비도핑된, 그리고 예를 들어 p-InGaAlAs로 이루어진 얇은 스페이서층이 있다.
스페이서층(4)에는 제 2도전 타입의 변성된 제 1고도핑 전이층(3)이 연속되며, 이 전이층상에는 재차 제 1도전 타입의 변성된 제 2고도핑 전이층(2)이 있다. 변성된 제 1고도핑 전이층은 예를 들어 p+-InGaAlAs-층이고, 변성된 제 2고도핑 전이층은 예를 들어 n+-InGaAlAs-층이다. 마지막으로, 변성된 제 2고도핑 전이층(2)상에는 예를 들어 n-InGaAlAs로 이루어진 제 1도전 타입의 제 2외부 커버링층(1)이 배치된다.
변성된 제 1고도핑 전이층(3) 및 변성된 제 2고도핑 전이층(2)으로 이루어진 연속층(p+n+-다이오드)은 인젝터로서 이용된다; 스페이서층(4), 변성된 제 1고도핑 전이층(3) 및 변성된 제 2고도핑 전이층(2)으로 이루어진 연속층은 제 2도파관층(14)으로서 작용한다.
반도체 바디(13)를 전기적으로 콘택팅하기 위해서, 제 1외부 커버링층(7)에 마주 놓인 반도체 기판(8)의 주표면상에는 제 1금속화 콘택(11)(오옴식 후면 콘택)이 제공되고, 변성된 제 2고도핑 전이층(2)에 마주 놓인 제 2외부 커버링층(1)의 주표면상에는 제 2금속화 콘택(12)(오옴식 전면 콘택, 예컨대 Ti/Pt/Au의 순서)이 제공된다. 상기 금속화 콘택(11, 12)은 반도체 기술에서 통상적으로 개별적으로 사용된 반도체 재료용으로 이용되는 재료로 이루어진다. 제 1금속화 콘택(11)은 반절연성 반도체 기판(8)을 사용하는 경우에 직접 제 1외부 커버링층(7)에 연속될 수 있다.
도 2에 도시된 SCH-양자 웰-반도체 레이저의 반도체 바디(13)에서 반도체 기판(8)(예를 들어 반절연성 InP)상에는 도 1에 따른 실시예에서와 유사하게 제 1외부 커버링층(7)(예컨대 n+-InP), 제 1도파관층(6)(예컨대 p-InGaAlAs), 양자 웰 구조물(5)(예컨대 InGaAs), 스페이서층(4)(예컨대 p-InGaAlAs) 및 변성된 제 1고도핑 전이층(3)(예컨대 p+-InGaAlAs)이 배치된다. 도 1의 실시예와 달리 도 2에서는 변성된 제 1고도핑 전이층(3)상에 먼저 전이층(3)에 비해 낮게 도핑된, 제 1도전 타입 또는 제 2도전 타입의 얇은 배리어층(10)이 제공된다. 상기 배리어층은 예를 들어 n-InGaAlAs로 이루어진다. 그 다음에 낮게 도핑된 상기 배리어층(10)상에 (예를 들어 n+-InGaAlAs로 이루어진) 변성된 제 2고도핑 전이층(2)이 제공되고, 이 전이층상에 (예를 들어 n+-InGaAlAs로 이루어진) 제 2외부 커버링층(1)이 제공된다. 배리어층(10)의 재료는 바람직하게 스페이서층(4)의 재료보다 더 큰 밴드 갭을 갖는다. 특히 배리어층(10)은 활성 구역 및 스페이서층(4)을 넘어서 진행하는 전자를 위해 장벽을 형성한다. 도 2에 따른 실시예에서 제 2도파관층(14)으로서는, 스페이서층(4), 변성된 제 1고도핑 전이층(3), 배리어층(10) 및 변성된 제 2고도핑 전이층(2)으로 이루어진 연속층이 작용한다.
도 1의 실시예에 따른 반도체 바디(13)에서와 같이 도 2의 실시예에서도 제 1금속화 콘택(11)을 갖는 반도체 기판(8) 및 제 2금속화 콘택(12)을 갖는 제 2외부 커버링층(1)이 제공된다.
도 3의 실시예는, 스페이서층(4)상에 제 2도전 타입의 추가 배리어층(10)(예컨대 p-InGaAlAs)이 제공되고, 상기 배리어층에 변성된 제 1고도핑 전이층(3), 변성된 제 2고도핑 전이층(2) 및 제 2외부 커버링층(1)이 연속된다는 점에서 도 1의 실시예와 상이하다. 배리어층(10)은 바람직하게 스페이서층(4)의 재료보더 더 큰 밴드 갭을 갖는 재료로 이루어진다. 특히 배리어층(10)은 활성 구역 및 스페이서층(4)을 넘어서 진행하는 전자를 위해 장벽을 형성한다. 도 3에 따른 실시예에서도 스페이서층(4), 배리어층(10), 변성된 제 1고도핑 전이층(3) 및 제 2고도핑 전이층(2)으로 이루어진 연속층이 제 2도파관층(14)으로서 작용한다.
상기 실시예를 참조하는 본 발명에 따른 반도체 레이저 소자의 설명이 물론 본 발명을 상기 실시예에만 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. 본 발명에 따른 반도체 레이저는 예를 들어 2성분 반도체의 혼합물(GaSb, InSb, InAs, GaAs, AlAs, InP, GaP)로 이루어진 반도체 결정과 마찬가지로 다른 혼성 결정계를 기재로 형성될 수도 있다.
예로 든 p-도핑 외부 커버링층(7, 1) 대신 n-도핑 외부 커버링층(7, 1)도 또한 제공될 수 있다. (도핑된 경우) 스페이서층(4)의 전이층(3, 2)의 도전 타입 및 도 3에 따른 실시예에서 배리어층(10)의 도전 타입은 전술한 층재료에 대한 명백한 예와 반대이다.
기판으로서는 InP 외에 Si, GaAs, GaSb 또는 다른 III족-V족-반도체도 또한 사용될 수 있다.
Claims (11)
- 전자기 방사선을 발생시키기 위해 적합한, 헤테로-구조물 구성을 갖는 반도체 바디(13)를 포함하는 반도체 레이저 소자로서,반도체 기판(8) 위에 제 1도전 타입의 제 1외부 커버링층(7)과 제 1도전 타입의 제 2외부 커버링층(1) 사이에 배치된, 양자 웰 구조물(5)을 갖는 활성 연속층이 제공되며, 전류가 반도체 바디(13)를 통해 흐를 때 상기 연속층 내부에서 전자기 방사선이 발생되도록 구성된 반도체 레이저 소자에 있어서,내부 전계내에서 전하 캐리어를 가속시켜 신속하게 활성 구역내로 주입시키는 전하 캐리어 인젝터로서 작용하며,변성된 제 2고도핑 전이층(2)이 변성된 제 1고도핑 전이층(3)과 제 2외부 커버링층(1) 사이에 배치되는 방식으로, 활성 연속층과 제 2외부 커버링층(1) 사이에 제 1도전 타입과 반대인 제 2도전 타입의 변성된 제 1고도핑 전이층(3) 및 제 1도전 타입의 변성된 제 2고도핑 전이층(2)이 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 1항에 있어서,변성된 전이층(2, 3)의 두께는 각각 ≥ 5nm 내지 ≤ 50 nm인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,변성된 제 1고도핑 전이층(2)과 변성된 제 2고도핑 전이층(3) 사이에 상기 변성된 고도핑 전이층(2, 3)에 비해 더 적게 도핑된, 임의의 도전 타입의 배리어층(10)이 배치되며, 상기 배리어층이 전자를 위해 장벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,활성 연속층의 변성된 제 1고도핑 전이층(3)과 양자 웰 구조물(5) 사이에 비도핑 스페이서층(4) 또는 전이층(2, 3)에 비해 적게 도핑된 제 2도전 타입의 스페이서층(4)이 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 4항에 있어서,상기 스페이서층(4)과 변성된 제 1고도핑 전이층(3) 사이에 제 2도전 타입의 추가 배리어층(10)이 배치되며, 상기 배리어층이 전자를 위해 장벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 3항 또는 제 5항에 있어서,상기 배리어층(10)의 두께는 200 nm보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 4항 또는 제 5항에 있어서,상기 스페이서층(4)의 두께는 ≥ 10nm 내지 ≤ 150 nm인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,양자 웰 구조물(5)과 제 1외부 커버링층(7) 사이에는 제 1도파관층(6)이 배치되고, 양자 웰 구조물(5)과 제 2외부 커버링층(1) 사이에는 제 2도파관층(14)이 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 8항에 있어서,상기 제 2도파관층(14)은 양자 웰 구조물(5)과 제 2외부 커버링층(1) 사이에 배치된 층(2, 3, 4; 또는 2, 3, 4, 10)에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 9항에 있어서,양자 웰 구조물(5), 도파관층(6, 14) 및 커버링층(1, 7)이 III족-V족-반도체 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
- 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,변성된 전이층(2, 3)의 도펀트 농도는 ≥ 1017cm-3인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 소자.
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