KR20050073740A - 이중 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체를 포함하는반도체 소자 및 이를 채용한 반도체 레이저 및 그 제조 방법 - Google Patents

이중 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체를 포함하는반도체 소자 및 이를 채용한 반도체 레이저 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 장벽층(multi-barriers)을 갖고 각 층의 두께 및 조성을 조절하여 발진 파장을 제어할 수 있는 GaInNAs 양자우물(quantumn well) 구조를 포함하는 반도체 소자와 이를 채용한 반도체 레이저 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 반도체 레이저는 GaAs-계열(based)의 기판과, GaAs-계열의 기판 상에 형성된 활성영역, 활성영역에 인접하여 형성된 제 1 장벽층 및 제 1 장벽층에 인접하게 형성된 제 2 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체와, 양자우물 구조체를 둘러싸는 클래딩 층 및 활성 영역을 여기(excite)시키기 위한 한 쌍의 전극을 포함한다. 따라서, 종래의 GaInNAs 양자우물 구조체에서 발생되는 장파장 실현에 따른 광품질 저하를 근본적으로 해결할 수 있는 효과가 있다. 또한, GaInNAs 양자우물 구조체를 열처리할 경우에 발생되는 양자우물 중심 파장의 단파장화를 획기적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

이중 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체를 포함하는 반도체 소자 및 이를 채용한 반도체 레이저 및 그 제조 방법{Semiconductor device including quantum well structure provided with dual barrier layers, semiconductor laser employing for the same and method for manufacturing the same}
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 장벽층을 형성하고 각 층의 두께 및 조성을 조절하여 발진 파장을 제어할 수 있는 양자우물 구조를 포함하는 반도체 소자와 이를 채용한 반도체 레이저 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근에, 광학은 레이저 프린터, 광학 이미지 저장, 지하 광케이블 시스템 및 광통신을 포함한 광범위한 기술 영역에서 고속 데이터 통신을 개발하기 위하여 활발하게 연구되어 왔다. 예를 들면, 광통신과 관련하여 이러한 개발은 지상의 무선 전파의 송신을 수행하기 위한 커다란 안테나를 광신호의 형태로 많은 정보량을 전달하는 통신 중계선으로서 지하 광케이블로 대체하게 되었다.
보다 빠르게 동작하면서도 가격이 저렴한 통신 시스템에 대한 요구가 증가함에 따라, 광파이버는 보다 긴 파장에서 광전송 대역을 갖기 위하여 개발되고 있으며, 현재 1.3 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 이상의 범위를 갖는 파장 대역에서 사용되도록 개발되고 있다. 이러한 광파이버를 이용하여 고속 데이터 정보의 전송을 위한 광신호로의 적절한 변환을 수행하기 위하여 광파이버의 광전송 대역과 부합되는 파장을 갖는 레이저 발진 신호를 확보하여야 한다. 따라서, 상응하는 파장 대역에서 이러한 변환을 수행하기 위한 레이저 신호를 발진할 수 있도록 레이저 다이오드를 개선하기 위한 노력이 진행되어지고 있다.
이러한 노력들은 낮은 가격, 최적의 소자 성능을 향상시키며 크기의 축소, 열의 발생 및 전력 소모를 축소시키면서 제조할 수 있도록 소자들을 변조하기위해 각층의 내부 조성 및 다양한 계면들을 변경하는 것을 포함한다. 이러한 노력의 일환으로 낮은 가격과 광파이버 결합의 용이성에 기인하여 높은 데이터 링크를 수행하기 위한 트랜스미터(transmitter)에서 매우 중요한 역할을 하게된 GaAs-계열의 수직공진기 표면발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser) 다이오드의 개발을 이루었다.
또한, 이러한 GaAs-계열의 VCSEL에 질소를 첨가함으로써 장파장의 레이저 발진을 구현할 수 있다는 연구의 결과가 Jpn. J. Appl. Phys., vol. 35(1996),pp. 1273-1275, Part 1, No. 2B에 "GaInNAs: A Novel Material for Long-Wavelength-Range Laser Diodes with Excellent High-Temperature Performance"라는 명칭으로 1996년 2월 M. Kondow 등에 의하여 발표되었다.
InGaAs 물질에 소량의 질소를 첨가함으로써 장파장을 실현한 Kondow의 연구 논문의 발표 후, MAN(metro area network)에서 사용될 광통신 부품의 필요성으로 GaInNAs를 이용한 1.3 ㎛ 파장대의 반도체 레이저 개발이 활발해 졌다. 그러나, GaAs를 장벽(barrier)으로 사용하고 GaInNAs를 우물(well)로 사용하는 경우의 가장 일반적인 문제점은 양자 우물 구조내에서의 질소 농도의 증가에 의하여 발진하는 중심 파장이 장파장 대역으로 이동하지만 이에 따라 광특성이 급격히 저하된다는 것이다. 따라서, 이러한 GaAs/GaInNAs 양자 우물 구조를 가지고는 사실상 1.25 ㎛ 파장 영역에서 조차도 발광효율이 우수한 양자 우물을 얻을 수가 없게 된다.
전술한 문제를 해결하기 위한 방안의 하나로서 종래의 GaAs로 이루어진 양자우물 장벽을 GaNAs로 사용하는 GaNAs/GaInNAs 양자 우물 구조의 반도체 레이저가 IEEE, LEOS2001 Annual meeting[proceeding vol. pp. 12-13]에서 "Long wavelength GaInNaAs ridge waveguide lasers with GaNAs barriers"라는 명칭으로 2001년 J. Harris 등에 의하여 발표되었다. Harris에 의하여 발표된 반도체 레이저는 GaNAs를 장벽으로 사용함으로써 양자 우물과의 에너지 단차를 줄여, 양자 우물에서 발생되는 중심 파장을 보다 장파장으로 옮겨 갈 수 있었다. 이러한 구조에서는 GaNAs의 두께가 증가할수록 GaInNAs로 이루어진 양자 우물에서 발진하는 중심 파장이 장파장 대역으로 이동된다.
그러나, 양자 우물 장벽을 GaNAs로 구성하는 것도 역시 GaNAs/GaInNAs 양자 우물 구조에서와 마찬가지로 질소 농도가 높아지거나 두꺼워질수록 결정 품질이 급속히 저하되는 문제점을 나타낸다.
최근, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 인장응력을 가지는 GaP를 장벽으로 도입한 1.3 ㎛ 파장 대역의 레이저를 발진시킬 수 있는 반도체 레이저가 APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 83, No. 1에 "High-performance and high-temperature continuous-wave-operation 1300 nm InGaAsN quantum well lasers by organometallic vapor phase epitaxy"라는 명칭으로 N. Tansu 등에 의하여 발표되었다.
Ⅲ-족 반도체 재료를 GaAs 반도체 기판 위에 성장시킬 때, As/P에 따라 밴드갭을 조절할 뿐만 아니라 응력을 용이하게 조절할 수 있다. 그러나, 금속유기화학증착법(MOCVD; metal-organic chemical vapor deposition)에서 동일한 반응조를 이용하여 As 소오스(source)와 P 소오스를 함께 사용함으로써, 반응조 내부가 쉽게 오염이 되며, 재현성을 확보하는 것이 문제가 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 1.3 ㎛ 이상의 장파장을 중심 파장으로 발진시킬 수 있는 양자 우물 구조체를 갖는 반도체 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적인 과제는 1.3 ㎛ 이상의 장파장을 중심 파장으로 발진시킬 수 있는 수직 공진기형 표면 발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser) 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 기술적인 과제는 1.3 ㎛ 이상의 장파장을 중심 파장으로 발진시킬 수 있는 측면 발광 반도체 레이저(edge-emitting semiconductor laser) 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 유형에 따르면, GaAs-계열의 기판 및 GaAs-계열(based)의 기판상에 형성되며, 활성구조, 활성구조에 인접한 제 1 장벽층 및 상기 제 1 장벽층에 인접한 제 2 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체를 포함하는 반도체 소자가 제공된다.
본 발명의 다른 유형에 따르면, 측면발광 반도체 레이저에 있어서, GaAs-계열의 기판과, GaAs-계열의 기판 상에 형성된 활성구조, 활성구조에 인접하여 형성된 제 1 장벽층 및 제 1 장벽층에 인접하게 형성된 제 2 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체와, 양자우물 구조체를 둘러싸는 클래딩 층 및 클래딩 층에 전기적으로 연결된 한쌍의 전극을 포함하는 반도체 레이저가 제공된다.
본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 수직 공진기형 표면발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser)에 있어서, GaAs-계열의 기판과, GaAs-계열의 기판 상에 형성된 제 1 분산 브래그 반사(DBR; distributed Brag reflection) 영역과, 제 1 DBR 상에 형성된 활성구조, 활성구조에 인접하여 형성된 제 1 장벽층 및 제 1 장벽층에 인접하게 형성된 제 2 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체와, 양자우물 구조체 상에 형성된 제 2 DBR 영역 및 제 1 및 상기 제 2 DBR에 전기적으로 연결된 한쌍의 전극을 포함하는 반도체 레이저가 제공된다.
본 발명의 또 다른 유형에 따르면, GaAs-계열의 기판을 제공하는 단계와, GaAs-계열의 기판 상에 제 2 하부 장벽층을 형성하는 단계와, 제 2 하부 장벽층 상에 제 1 하부 장벽층을 형성하는 단계와, 제 1 하부 장벽층 상에 양자우물 구조체를 형성하는 단계와, 양자우물 구조체 상에 제 1 상부 장벽층을 형성하는 단계 및 제 1 상부 장벽층 상에 제 2 상부 장벽층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 유형에 따르면, GaAs-계열의 기판과, 상기 GaAs-계열의 기판 상에 형성된 하부 클래딩 영역 및 상기 GaAs-계열의 기판에 결합된 n-형 전극을 구비하는 측면발광 반도체 레이저를 제조하는 방법에 있어서, 하부 클래딩 영역 상에 제 2 하부 장벽층을 형성하는 단계와, 제 2 하부 장벽층 상에 제 1 하부 장벽층을 형성하는 단계와, 제 1 하부 장벽층 상에 양자우물 구조체를 형성하는 단계와, 양자우물 구조체 상에 제 1 상부 장벽층을 형성하는 단계와, 제 1 상부 장벽층 상에 제 2 상부 장벽층을 형성하는 단계 및 제 2 상부 장벽층 상에 상부 클래딩, 컨택층 및 p-형 전극을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 반도체 레이저를 형성하는 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 유형에 따르면, GaAs-계열의 기판과, GaAs-계열의 기판 상에 형성된 하부 DBR 영역 및 GaAs-계열의 기판에 결합된 n-형 전극을 구비하는 수직 공진기형 표면발광 반도체 레이저를 제조하는 방법에 있어서, 하부 DBR 영역 상에 제 2 하부 장벽층을 형성하는 단계와, 제 2 하부 장벽층 상에 제 1 하부 장벽층을 형성하는 단계와, 제 1 하부 장벽층 상에 양자우물 구조체를 형성하는 단계와, 양자우물 구조체 상에 제 1 상부 장벽층을 형성하는 단계와, 제 1 상부 장벽층 상에 제 2 상부 장벽층을 형성하는 단계 및 제 2 상부 장벽층 상에 상부 DBR 영역 및 p-형 전극을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 반도체 레이저를 형성하는 방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서 이중 장벽층을 구비하는 양자우물 구조를 포함하는 반도체 소자 및 이를 채용한 반도체 레이저 및 그 제조 방법을 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저(100)는 반도체 기판(104), 반도체 기판(104)의 일면에 형성된 n-형 전극(102), 반도체 기판(104)의 다른 면에 형성된 하부 클래딩층(106A), 하부 클래딩층(106A) 상에 형성된 활성영역(110), 활성영역(110) 상에 형성된 상부 클래딩층(106B), 상부 클래딩층(106B) 상에 형성된 컨택층(120) 및 컨택층(120) 상에 형성된 p-형 전극(126)을 포함한다.
또한, 활성영역(110)은 중앙에 GaAs로 이루어진 중심 장벽층(112), 중심 장벽층(112)과 하부 클래딩층(106A) 사이에 순차적으로 형성되는 제 2 하부 장벽층(118A), 제 1 하부 장벽층(116A) 및 하부 우물층(114A)과, 중심 장벽층(112)과 상부 클래딩층(106B) 사이에 순차적으로 형성되는 상부 우물층(114B), 제 1 상부 장벽층(116A) 및 제 2 상부 장벽층(118B)을 포함한다.
반도체 기판(104)은 n-형의 GaAs-계열의 반도체 물질로 이루어지며, 다양한 층을 성장시켜 GaAs-계열의 양자우물을 용이하게 형성하도록 제작되는 것이 바람직하다. 하부 클래딩층(106A)은 n-형으로서, 예를 들어 AlGaAs를 이용하여 18,000 Å의 두께로 형성하였으며, 상부 클래딩층(106B)은 p-형으로서, 예를 들어 AlGaAs를 이용하여 18,000 Å의 두께로 형성하였다.
또한, 컨택층(120)은 p-형으로서, 예를 들어 GaAs를 이용하여 800 Å의 두께로 형성하였다. 활성영역(110)을 여기시키기 위하여 한쌍의 n-형 전극(102) 및 p-형 전극(126)을 구비하며, n-형 전극(102)은 AuGe로 형성하였으며, p-형 전극(126)은 Ti로 형성하였다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저(100)는 스프라이프(stripe) 형으로서 p-형 전극(126)이 활성영역(110)에 전류를 스트라이프 형태로 주입시키기 위하여 컨택층(120) 상에 SiO2로 이루어진 절연층(124)을 형성한 후, 절연층(124)을 스트라이프 형상으로 패터닝을 하였다.
비록 도면에 도시하지는 않았지만, p-형 전극(126)과 p-형 컨택층(120) 사이에 오믹 컨택을 향상시키기 위하여 Ti 또는 Pt로 이루어지거나 이들의 적층으로 이루어진 메탈 컨택층을 더 형성할 수 있으며, n-형 전극(102)과 반도체 기판(104) 사이에 역시 오믹 컨택을 향상시키기 위하여 Ni 또는 Au로 이루어지거나 이들의 적층으로 이루어진 메탈 컨택층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서는 측면발광 반도체 레이저를 구성하기 위하여 p-형 전극(126)이 스트라이프 형태로 전류를 주입하도록 설계되었지만, p-형 전극(126)은 활성영역(110)의 전체에 전류를 주입하도록 설계되어도 무방하며, 또한, 비록 도면에서 활성영역(110)이 스트라이프 형태로 이루어지지 않았지만, 절연막(124)의 개방된 부분에 형성된 p-형 전극(126)의 형태와 일치하도록 형성된 활성영역(110)을 구비하는 측면발광 반도체 레이저를 구성하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 양자우물 구조를 적용할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저(100)에 사용된 활성영역(110)에 사용된 하부 및 상부 양자 우물층(114A, 114B)은 GaxIn1-xNyAs1-y로 2 nm 내지 10 nm의 범위의 두께로 형성하였으며, x와 y는 0보다 크고 1보다 작은 수인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서, x는 0.65이고 y는 0.01로 구성하였다.
한편, 제 1 하부 및 제 1 상부 장벽층(116A, 116B)은 InxGa1-xAs로 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였으며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서는 x를 0.35로 하였다.
또한, 제 2 하부 및 제 2 상부 장벽층(118A, 118B)은 GaNxAs1-x로 0.1 nm 내지 20 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였으며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서는 x를 0.02로 하였다.
또한, 중심 장벽층(112)은 GaAs로 0 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따르면, 제 1 장벽층과 제 2 장벽층의 조성 및 두께를 조합하여 변경함으로써 활성영역(110) 내의 하부 및 상부 우물층(114A, 114B)에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 1.2 ㎛ 이상으로 제어하였다. 또한, 제 1 하부 및 상부 장벽층(116A, 116B)의 조성중 In의 조성비를 조절하여 하부 및 상부 양자 우물층(114A, 114B)에 인가되는 압축응력(compressive strain)의 양과 종류를 조절하였다.
또한, 제 2 하부 및 상부 장벽층(118A, 118B)의 조성중 N의 조성비를 조절하여 상부 및 하부 양자 우물층(114A, 114B)에 인가되는 인장응력(tensile strain)의 양과 종류를 조절하였다.
또한, 제 1 장벽층 또는 제 2 장벽층이 형성된 두께를 변경하여 하부 및 상부 양자 우물층(114A, 114B)에 인가되는 압축응력 또는 인장응력의 양과 종류를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따르면, 제 1 장벽층 및 제 2 장벽층의 조성비 또는 두께를 조합적으로 변경하여 양자 우물층에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 제어할 수 있으며, 비록 제 1 장벽층에 의하여 양자 우물층의 결정 상태가 저하된다 하여도 제 2 장벽층에 변형을 가함으로써 저하된 양자 우물층이 크게 개선될 수 있다는 점을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따르면, 동일한 구조의 양자 우물층에 대하여 제 1 및 제 2 장벽층의 조성 및 두께를 변경하여 양자 우물층에서 발진되는 레이저 빔의 파장을 광학적 특성을 저하시키지 않고도 100 nm 이상으로 제어할 수 있다.
본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서는 양자우물을 2중으로 형성하였지만, 하부 클래딩층(106A)과 상부 클래딩층(106B) 사이에 2이상의 복수의 양자우물을 형성하여 측면발광 반도체 레이저를 구성할 수도 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 양자우물 구조를 설명하기 위한 단면도 및 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명의 바람직한 제 2 실시예는 활성 영역을 제외한 나머지 구성들의 구조 및 기능은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예와 동일하다.
본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 사용된 활성영역(160)은 다중 양자우물의 구조가 아닌 단일 양자 우물의 구조로서 중심에 형성된 양자 우물층(162)은 GaxIn1-xNyAs1-y로 2 nm 내지 10 nm의 범위의 두께로 형성하였으며, x와 y는 0보다 크고 1보다 작은 수인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에서, x는 0.65이고 y는 0.01로 구성하였다.
한편, 제 1 하부 및 제 1 상부 장벽층(164A, 164B)은 InxGa1-xAs로 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였으며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에서는 x를 0.35로 하였다.
또한, 제 2 하부 및 제 2 상부 장벽층(168A, 168B)은 GaNxAs1-x로 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였으며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에서는 x를 0.02로 하였다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 양자우물 구조를 설명하기 위한 단면도 및 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 사용된 활성영역(170)은 제 1 및 제 2 장벽층을 양자 우물층(174)에 대하여 대칭으로 형성하지 아니한 구조로서 양자 우물층(174)은 GaxIn1-xNyAs1-y로 2 nm 내지 10 nm의 범위의 두께로 형성하였으며, x와 y는 0보다 크고 1보다 작은 수인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에서, x는 0.65이고 y는 0.01로 구성하였다.
본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따르면, 하부 클래딩층 상에 GaAs를 보조 장벽층(172)으로 0 nm 내지 500 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였다.
한편, 제 1 장벽층(176)은 InxGa1-xAs로 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였으며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에서는 x를 0.35로 하였다.
또한, 제 2 장벽층(178)은 제 1 상부 장벽층(176) 상에만 형성하였으며, GaNxAs1-x로 0.1 nm 내지 20 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였으며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에서는 x를 0.02로 하였다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 양자우물 구조를 설명하기 위한 단면도 및 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저에 사용된 활성영역(180)에 사용된 양자 우물층(184)은 GaxIn1-xNyAs1-y 로 2 nm 내지 10 nm의 범위의 두께로 형성하였으며, x와 y는 0보다 크고 1보다 작은 수인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에서, x는 0.65이고 y는 0.01로 구성하였다.
한편, 제 1 하부 및 제 1 상부 장벽층(186A, 186B)은 InxGa1-xAs로 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였으며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에서는 x를 0.35로 하였다.
또한, 제 2 하부 장벽층(182)은 GaAs로 0 nm 내지 500 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였다.
또한, 제 2 상부 장벽층(188)은 GaNxAs1-x로 0.1 nm 내지 20 nm 범위의 두께를 갖도록 형성하였으며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에서는 x를 0.02로 하였다.
본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따르면, 양자 우물층(184)에 압축응력을 인가하기 위하여 제 1 하부 및 제 1 상부 장벽층(186A, 186B)의 조성 및 두께를 조절하였지만, 인장응력을 인가하기 위해서는 제 2 상부 장벽층(188)만을 이용하였다는 점에서 본 발명의 바람직한 제 1 실시예와 상이하다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 따른 수직 공진기형 표면발광 반도체 레이저를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면발광 반도체 레이저(200)는 반도체 기판(204), 반도체 기판(204)의 일면에 형성된 n-형 전극(202), 반도체 기판(204)의 다른 면에 형성된 n-형 DBR(distributed Bragg reflector) 층(240), n-형 DBR 층(240) 상에 형성된 활성영역(210), 활성영역(110) 상에 형성된 p-형 DBR 층(230), p-형 DBR 층(230) 상에 형성된 컨택층(220) 및 컨택층(220) 상에 형성된 p-형 전극(226)을 포함한다.
또한, 활성영역(210)은 중앙에 GaAs로 이루어진 중심 장벽층(212), 중심 장벽층(212)과 n-형 DBR 층(240) 사이에 순차적으로 형성되는 제 2 하부 장벽층(218A), 제 1 하부 장벽층(216A) 및 하부 우물층(214A)과, 중심 장벽층(212)과 p-형 DBR 층(230) 사이에 순차적으로 형성되는 상부 우물층(214B), 제 1 상부 장벽층(216A) 및 제 2 상부 장벽층(218B)을 포함한다.
본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 따르면, 반도체 기판(204)은 n-형의 GaAs-계열의 반도체 물질로 이루어지며, 다양한 층을 성장시켜 GaAs-계열의 양자우물을 용이하게 형성하도록 제작되는 것이 바람직하다. n-형 DBR 층(240)은 복수의 GaAs 층(242) 및 복수의 AlGaAs 층(244)를 교대로 적층하여 형성하였다. p-형 DBR 층(230)은 복수의 GaAs 층(232) 및 복수의 AlGaAs 층(234)를 교대로 적층하여 형성하였다.
또한, 컨택층(220)은 p-형으로서, 예를 들어 GaAs를 이용하여 800 Å의 두께로 형성하였다. 활성영역(210)을 여기시키기 위하여 n-형 전극(202)은 AuGe로 형성하였으며, p-형 전극(226)은 Ti로 형성하였다.
본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저(100)는 스프라이프(stripe) 형으로서 p-형 전극(226)이 활성영역(210)에 전류를 스트라이프 형태로 주입시키기 위하여 컨택층(220) 상에 SiO2로 이루어진 절연층(224)을 형성한 후, 절연층(224)을 스트라이프 형상으로 패터닝을 하였다.
비록 도면에 도시하지는 않았지만, p-형 전극(226)과 p-형 컨택층(220) 사이에 오믹 컨택을 향상시키기 위하여 Ti 또는 Pt로 이루어지거나 이들의 적층으로 이루어진 메탈 컨택층을 더 형성할 수 있으며, n-형 전극(202)과 반도체 기판(204) 사이에 역시 오믹 컨택을 향상시키기 위하여 Ni 또는 Au로 이루어지거나 이들의 적층으로 이루어진 메탈 컨택층을 더 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 수직 공진기형 표면발광 반도체 레이저를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 10에 도시한 활성영역(210)은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서 채용한 활성영역과 그 구조 및 기능이 동일함으로써, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
비록, 본 발명의 바람직한 제 5 실시예인 표면발광 반도체 레이저를 설명하기 위하여 활성영역(210)을 예를 들어 설명하였지만, 본 발명의 바람직한 제 2 내지 4 실시예에 따른 활성영역을 이용하여 표면발광 반도체 레이저를 구현할 수 있음은 물론 그 밖의 다른 유형의 광전(electro-optic) 반도체 소자에 적용할 수 있음은 물론이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 InGaAs 층의 두께는 고정하고, GaNAs의 두께를 변화시키면서 반도체 레이저에서 발진되는 중심 파장을 측정한 실험 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서 제 1 장벽층으로 사용된 InGaAs 층의 두께는 고정하고, 제 2 장벽층으로 사용된 GaNAs 층의 두께를 변화시키면서 GaInNAs로 이루어진 양자 우물층에서 발진되는 레이저 빔의 중심파장의 변화를 관찰하였다.
도 11에 도시한 그래프에 따르면, GaNAs 층의 두께를 감소시킬수록 양자 우물층에서 발진되는 레이저 빔의 중심파장이 장파장으로 천이(shift)하는 것을 알 수 있으며, 종래의 GaInNAs 양자 우물층에 GaAs 장벽층을 사용한 반도체 레이저에 비하여 최대 25 nm 정도 적색-천이(red-shift)가 이루어졌음을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 GaNAs 층을 고정시키고 InGaAs 층의 두께를 변화시키면서 반도체 레이저에서 발진되는 중심 파장을 측정한 실험 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 12의 그래프를 참조하면, GaNAs의 두께를 감소시킬수록 양자 우물층 발진되는 레이저 빔의 중심파장이 장파장으로 천이(shift)하는 것을 알 수 있으며, 최대 60 nm 까지 중심파장을 천이시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 InGaAs 층의 In 조성 변화에 따른 GaInAs의 발광(PL; photoluminescence)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 13에 도시된 결과는 Ga0.015Ax0.985를 사용하였으며, GaNAs와 InGaAs의 두께는 고정한 후 실험을 하여 얻은 것이다.
도 14는 GaNAs 층의 N 조성 변화에 따른 GaInAs의 발광의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 14에 도시한 결과는 In0.35Ga0.65As를 사용하였으며, GaNAs와 InGaAs의 두께는 고정한 후 실제로 DMHY 유속(flow rate)을 변화시키면서 실험을 하여 얻은 것이다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 양자우물 구조에서 발진되는 레이저 빔의 중심 파장을 양자 우물에 복수의 장벽층을 형성하고 각 층의 두께 및 조성을 조절함으로써, 종래의 GaInNAs 양자우물 구조에서 발생되는 장파장 실현에 따른 광품질 저하를 근본적으로 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, GaInNAs 양자우물 구조를 열처리할 경우에 발생되는 양자우물 중심 파장의 단파장화를 획기적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, GaAs-계열의 양자우물 구조를 이용하여 1.3 ㎛ 이상의 중심파장을 용이하게 발진시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제 1 장벽층으로 사용되는 InGaAs 층이 양자우물 구조에 주로 압축응력을 인가하기 때문에 광학 이득 측면에서 유리하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적은 질소 MO 소스로 장파장을 구현할 수 있으므로 경제적인 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불구하며, 당해 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위로 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 측면발광 반도체 레이저를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 양자우물 구조를 설명하기 위한 단면도 및 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 양자우물 구조를 설명하기 위한 단면도 및 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 양자우물 구조를 설명하기 위한 단면도 및 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 수직 공진기형 표면발광 반도체 레이저를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 수직 공진기형 표면발광 반도체 레이저를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 InGaAs 층의 두께는 고정하고, GaNAs의 두께를 변화시키면서 반도체 레이저에서 발진되는 중심 파장을 측정한 실험 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 GaNAs 층을 고정시키고 InGaAs 층의 두께를 변화시키면서 반도체 레이저에서 발진되는 중심 파장을 측정한 실험 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 13은 InGaAs 층의 In 조성 변화에 따른 GaInAs의 발광(PL; photoluminescence)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 GaNAs 층의 N 조성 변화에 따른 GaInAs의 발광의 변화를 나타내는 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100: 측면발광 반도체 레이저 102, 202: n-형 전극
104, 204: 반도체 기판 106A, 106B: 하부 및 상부 클래딩층
110, 210: 활성영역 112, 212: 중심 장벽층
114A, 114B: 하부 및 상부 양자 우물층
116A, 116B: 제 1 하부 및 제 1 상부 장벽층
118A, 118B: 제 2 하부 및 제 2 상부 장벽층
120, 220: 컨택층 124, 224: 절연층
126, 226: p-형 전극
200: 수직 공진기형 표면발광 레이저
214A, 214B: 하부 및 상부 우물층
216A, 216B: 제 1 하부 및 제 1 상부 장벽층
218A, 218B: 제 2 하부 및 제 2 상부 장벽층
240, 230: 하부 및 상부 DBR

Claims (48)

  1. GaAs-계열의 기판; 및
    상기 GaAs-계열의 기판상에 형성되며, 활성구조, 상기 활성구조에 인접한 제 1 장벽층 및 상기 제 1 장벽층에 인접한 제 2 장벽층을 구비하는 양자우물 구조층:을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성구조를 중심으로 상기 제 1 장벽층이 서로 마주하도록 한쌍으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 활성구조를 중심으로 상기 각각의 제 1 장벽층에 인접하도록 한쌍의 제 2 장벽층이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층과 상기 제 2 장벽층의 두께를 조절하여 상기 양자우물 구조체가 발생하는 빛의 파장을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층과 상기 제 2 장벽층의 조성을 조절하여 상기 양자우물 구조체가 발생하는 빛의 파장을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느한 항에 있어서,
    상기 빛의 파장이 1.2 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성구조가 GaxIn1-xNyAs1-y를 포함하며, 상기 x와 y는 0보다 크고 1보다 작은 수인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 x는 0.65이고 y는 0.01인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층은 InxGa1-xAs를 포함하며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 x는 0.35인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 장벽층이 GaNxAs1-x를 포함하며 x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 x가 0.02인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성구조가 다중 양자 우물층으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물층이 다수의 GaInNAs로 이루어진 우물층과 상기 다수의 GaInNAs로 이루어진 우물층 사이에 교대로 형성되는 다수의 장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 다수의 장벽층은 GaAs를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 다수의 장벽층은 GaNAs를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층은 상기 활성구조에 압축응력(compressive strain)을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 장벽층은 상기 활성구조에 인장응력(tensile strain)을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성구조가 GaxIn1-xNyAs1-y를 포함하며, 상기 x와 y는 0보다 크고 1보다 작은 수이고, 상기 제 1 장벽층은 In의 조성을 조절하여 압축응력이 조절되고, 상기 제 2 장벽층은 N의 조성을 조절하여 인장응력이 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  20. 제 1 내지 5항 및 제 7 내지 19항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성구조의 양자 우물은 2 nm 내지 10 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  21. 제 1 내지 5항 및 제 7 내지 19항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층은 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  22. 제 1 내지 5항 및 제 7 내지 19항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 장벽층는 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
  23. 측면발광 반도체 레이저에 있어서,
    GaAs-계열의 기판;
    상기 GaAs-계열의 기판 상에 형성된 활성구조, 상기 활성구조에 인접하여 형성된 제 1 장벽층 및 상기 제 1 장벽층에 인접하게 형성된 제 2 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체;
    상기 양자우물 구조체를 둘러싸는 클래딩 층; 및
    상기 클래딩 층에 전기적으로 연결된 한쌍의 전극:을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  24. 수직 공진기형 표면발광 레이저(VCSEL; vertical cavity surface emitting laser)에 있어서,
    GaAs-계열의 기판;
    상기 GaAs-계열의 기판 상에 형성된 제 1 분산 브래그 반사(DBR; distributed Brag reflection) 영역;
    상기 제 1 DBR 상에 형성된 활성구조, 상기 활성구조에 인접하여 형성된 제 1 장벽층 및 상기 제 1 장벽층에 인접하게 형성된 제 2 장벽층을 구비하는 양자우물 구조체;
    상기 양자우물 구조체 상에 형성된 제 2 DBR 영역; 및
    상기 제 1 및 상기 제 2 DBR에 전기적으로 연결된 한쌍의 전극:을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 활성영역은 GaxIn1-xNyAs1-y를 포함하며, 상기 x와 y는 0보다 크고 1보다 작은 수인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  26. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 x가 0.65이고 y는 0.01인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  27. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층은 InxGa1-xAs를 포함하며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  28. 제 23 항 또는 제 24항에 있어서,
    상기 제 2 장벽층이 GaNxAs1-x를 포함하며 x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  29. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 활성구조가 다중 양자 우물층으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  30. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 활성구조는 다수의 GaInNAs로 이루어진 우물층과 상기 다수의 GaInNAs로 이루어진 상기 우물층 사이에 교대로 형성되는 다수의 장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  31. 제 23 항 또는 제 24항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층은 상기 활성구조에 압축응력을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  32. 제 23 항 또는 제 24항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층은 InGaAs를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  33. 제 23 항 또는 제 24항에 있어서,
    상기 제 2 장벽층은 상기 활성구조에 인장응력을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  34. 제 23 또는 제 24항에 있어서,
    상기 활성구조의 양자우물은 2 nm 내지 10 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  35. 제 23 항 또는 제 24항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층은 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  36. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 제 2 장벽층는 5 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저.
  37. GaAs-계열의 기판을 제공하는 단계;
    상기 GaAs-계열의 기판 상에 제 2 하부 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 하부 장벽층 상에 제 1 하부 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 하부 장벽층 상에 양자우물 구조체를 형성하는 단계;
    상기 양자우물 구조체 상에 제 1 상부 장벽층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 상부 장벽층 상에 제 2 상부 장벽층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 양자 우물 구조체가 GaxIn1-xNyAs1-y를 포함하며, 상기 x와 y는 0보다 크고 1보다 작은 수인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  39. 제 37 항에 있어서,
    상기 제 1 하부 및 상기 제 1 상부 장벽층은 InxGa1-xAs를 포함하며, x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  40. 제 37 항에 있어서,
    상기 제 2 하부 및 상기 제 2 상부 장벽층이 GaNxAs1-x를 포함하며 x가 0보다 크고 1보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  41. 제 37 항에 있어서,
    상기 양자우물 구조체가 다중 양자 우물층으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  42. 제 41항에 있어서,
    상기 다중 양자 우물층은 2 nm 내지 10 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  43. 제 37 항에 있어서,
    상기 제 1 장벽층은 상기 양자 우물 구조체에 압축응력(compressive force)을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  44. 제 37 항에 있어서,
    상기 제 2 하부 및 상기 제 2 상부 장벽층은 상기 양자 우물 구조체에 인장응력(tensile strain)을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  45. 제 37 내지 44항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각각의 제 1 하부 및 제 1 상부 장벽층은 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  46. 제 38 내지 45항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 하부 및 제 2 상부 장벽층는 0.1 nm 내지 50 nm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  47. GaAs-계열의 기판과, 상기 GaAs-계열의 기판 상에 형성된 하부 클래딩 영역 및 상기 GaAs-계열의 기판에 결합된 n-형 전극을 구비하는 측면발광 반도체 레이저를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 하부 클래딩 영역 상에 제 2 하부 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 하부 장벽층 상에 제 1 하부 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 하부 장벽층 상에 양자우물 구조를 형성하는 단계;
    상기 양자우물 구조체 상에 제 1 상부 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 상부 장벽층 상에 제 2 상부 장벽층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 상부 장벽층 상에 상부 클래딩, 컨택층 및 p-형 전극을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 형성하는 방법.
  48. GaAs-계열의 기판과, 상기 GaAs-계열의 기판 상에 형성된 하부 DBR 영역 및 상기 GaAs-계열의 기판에 결합된 n-형 전극을 구비하는 수직 공진기형 표면발광 반도체 레이저를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 하부 DBR 영역 상에 제 2 하부 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 하부 장벽층 상에 제 1 하부 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 하부 장벽층 상에 양자우물 구조체를 형성하는 단계;
    상기 양자우물 구조체 상에 제 1 상부 장벽층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 상부 장벽층 상에 제 2 상부 장벽층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 상부 장벽층 상에 상부 DBR 영역 및 p-형 전극을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 형성하는 방법.
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