KR20070029223A - 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자에 관한 것으로, 특히, 발광 활성층인 다중양자우물구조에 접하는 상부 및 하부층에 광결정층을 도입하여 전자-정공쌍의 재결합으로 인한 발생된 광자를 광결정층으로 샌드위치된 활성층에 국소적으로 구속시킴으로써 공동구(cavity)를 형성하여 활성층내에 구속된 전자와 정공의 자발적 광자발생 및 유도 방출을 증대시키는 것을 특징으로 하며, 발광파장이 적외선에서 자외선까지 가능한 화합물반도체 재료를 이용한 발광다이오드 및 표면발광레이저 다이오드의 광소자를 포함한다. 이상에서와 같이 본 발명은, 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자는 효과적으로 광자를 광결정층으로 구속함으로써 고휘도의 자발 발광 및 유도방출 효과를 제공한다.

광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자{The compound semiconductor optoelectronic devices of cavity-resonant quantum structures with photonic crystal reflectors}

Description

광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자{The compound semiconductor optoelectronic devices of cavity-resonant quantum structures with photonic crystal reflectors}

도 1은 종래의 광결정의 격자구조를 갖는 청색 LED

도 2는 종래의 Mesa 구조의 photonic ring 에서 발광특성

도 3은 종래의 결함모드를 갖는 광결정 waveguide ring 구조에서 발광 특성

도 4는 종래의 반도체 초격자 DBR층을 갖는 표면발광 레이저 다이오드 소자

도 5는 본 발명의 광결정 반사층을 갖는 절연체 기판의 다중양자우물 광소자

도 6은 본 발명의 광결정 반사층을 갖는 n형 반도체 기판의 다중양자우물 광소자

도 7은 본 발명의 일반적인 청색광소자 구조와 유기금속기상증착의 성장변수

도 8은 본 발명의 전자선 나노리소그래피 공정을 통해 제작한 광결정 구조

도 9은 본 발명의 전자선 리소그래피공정으로 제작한 광결정의 발광 스펙트럼

도 10는 본 발명의 다공성 알루미나 마스크로 제작한 광결정의 SEM 이미지

도 11은 본 발명의 다공성 알루미나 마스크로 제작한 광결정의 발광스펙트럼

도 12는 본 발명의 P형 상부 광결정 반사층의 결정결함 구조 및 나노조작 모형

도 13은 본 발명의 광결정 반사층구조의 cavity 공진형 광소자

도 14는 본 발명의 광결정 반사층구조의 cavity 공진형 광소자의 전기발광 특성

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

1. 사파이어기판 2. 도핑하지 않은 GaN층

3. n형 GaN층 4. InGaN/GaN 다중양자우물층

5. p형 GaN층 6. 광결정 구멍

7. n형 전극 8. p형 전극

9. n-DBR구조 10. p형 AlGaN층

11. Ni/Au 투명전극 12. n형 초격자반사층

13. p형 초격자반사층 14. n형 기판층

15. n형 광결정 반사층 16. p형 광결정 반사층

17. GaN 완충층 18. AAO층

19. Al 층 20. 점결함 광결정

21. 회전결함 광결정 22. 도파로 광결정

본 발명은 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자에 관한 것으로, 특히, 발광 활성층인 다중양자우물구조에 접하는 상부 및 하부층에 광결정층을 도입하여 전자-정공쌍의 재결합으로 인한 발생된 광자를 광결정층으로 샌드위치된 활성층에 국소적으로 구속시킴으로써 공동구(cavity)를 형성하여 활성층내에 구속된 전자와 정공의 자발적 광자발광 및 유도 방출을 증대시키는 것을 특징으로 하며, 발광파장이 적외선에서 자외선까지 가능한 화합물반도체 물질인 InP, GaAs, GaP, GaN의 물질을 포함할 뿐 만 아니라 이들의 합금인 InGaAs, AlGaAs, GaAsP, InGaP, AlInGaP, InGaN, AlGaN 층을 포함하고 광결정 반사층구조로 광자를 구속함으로써 고휘도의 자발발광 및 유도방출 특성을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자에 관한 것이다.

질화갈륨계 화합물 반도체를 이용한 청색, 녹색 광소자의 개발에서는 InGaN/GaN 초격자 구조를 갖는 다중양자우물구조로부터 고 휘도의 광소자를 구현하고 있다. 특히, 청색 발광소자에 있어서 다중 양자우물형태의 발광 활성층 내의 전자가 양자상태로 구속될 수 있는 조건을 갖춘 구조를 설계함으로써, 고 휘도 발광소자를 실현하고 있다. 하지만 이러한 내부양자효율은 무궁무진한 조명산업의 고휘도용 소자로는 한계가 있으며, 이에 따른 외부양자효율의 증대가 시급한 실정이다(IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, 8권 p.189 (2002년)). 이러한 문제점을 해결하려는 여러 종류의 종래의 실시 예가 있다.

도 1의 종래의 실시 예에서는 광결정의 격자구조를 갖는 청색 발광다이오드(LED)로서, 사파이어기판(1) 위에 도핑하지 않은 GaN층(2)과 n형 GaN층(3)을 성장하고 이어서 발광활성층인 InGaN/GaN 다중양자우물(multiple quantum wells:MQW)층(4)이나 양자선(quantum wires) 또는 양자점(quantum dots)과 p형 GaN층(5)을 성장한 후 외부 양자효율을 증대시키기 위해서 주기적인 공기구멍을 패턴화한 광결정 층(6)을 제작하고 n형 전극(7)과 p형 전극(8)를 형성함으로써 발광 휘도가 상승하였다. 또한 발광소자 표면에 3차원 광결정을 적층한 보고가 있으며(한국특허공개 10-2005-0021843), 이는 광결정을 투과되는 빛을 편광시키는 용도로 액정 디스프레이소자 백라이트 광원에 응용되었다.

도 2는 종래의 Mesa 구조에 대한 실시예로서 에피박막층을 미크론 크기의 원형으로 공동구(cavity)를 식각하여 광자고리(photonic ring) 에서 향상된 발광특성을 나타낸다. 특히 질화물계 청색 LED 구조를 성장하여 p형 GaN층(5) 밑에 p형 AlGaN층(10)을 삽입하여 광자의 방출의 창문(window)을 제공하고, 또한 사파이어 기판(1)위에 n형 AlGaN/GaN 초격자(superlattice) DBR구조(9)를 20주기로 성장한 다음 청색 LED구조를 성장하고, p형 전극 금속(8)을 증착하였다. 직경 20 μm의 원형 디스크모양의 mesa 구조로 n형 GaN 오믹 접촉층(3)까지 식각하고, 이곳에 폴리이미드로 충진하고, 기판 이면을 폴리싱하여 폴리이미드와 은(Ag)을 증착하였다. 식각된 테두리부위의 발광이 선명하다(Applied Physics Letters, 88권 p.191111 (2006년)).

도 3은 종래의 결함모드를 갖는 광결정 도파로 고리(waveguide ring) 구조에서 발광 특성에 관한 실시예로 p형 GaN층(5) 표면에 광결정층(6)의 구멍으로 둘러쌓인 이차원 광결정 도파로 고리, 즉 구멍이 없는 p형 GaN층(5)이 형성되어 광자를 구속상태로 공진시킴으로써, 발진(lasing)특성을 보인다. 도파로 주위에서 광결정 고리의 ring cavity 구조를 형성하고, 전압을 인가함에 따라 링 주위에서 광의 공진특성을 일으키게 된다(Applied Physics Letters, 89권 p.101102 (2006년)). 이러 한 광결정성을 이용하는 기술을 나노포토닉스(nano-photonics)라 하며, 광결정을 설계할 때에 발광 파장 및 반도체 물질의 유전율 등을 고려한 광결정 구조설계를 하게 된다.

도 4는 종래의 반도체 이종접합(heterojunction) 초격자(supelattice) 구조의 브래그 반사층(distributed Bragg reflector: DBR)을 갖는 표면발광 레이저 다이오드 광소자의 실시 예로 하부 n형 DBR층(12)와 상부 p형 DBR층(13)으로 사용되는 수십 층에 달하는 이종의 화합물 반도체층을 나노두께로 교번하여 적층하여 굴절율 변화시켜 소자 내부에서 광자가 반사되도록 하였다(한국특허등록 10-0475858-0000). 화합물반도체 재료 활성층으로는 InP/GaAs, InGaAs/GaAs, AlGaAs/GaAs, InGaP/GaP, InGaN/GaN등이 적용된다. 이때에 초격자 층을 수십 층 쌓아올려야만 DBR 특성을 얻을 수 있다.

그러나, 이러한 단순히 소자 표면에 광결정을 도입하거나, 광자 고리의 공진이나, 다층 초격자 DBR을 도입하는 공진 방식으로는 외부양자효율을 증대시켜 무궁무진한 조명산업의 고휘도 전등을 대체하기에는 한계가 있으며, 특히 발광다이오드는 내부에서 배회하는 광자가 열로 소진되어 휘도가 낮아지며, 표면발광레이저의 경우는 초격자구조는 외부양자효율을 증대시키는데 있어 광자를 효율적으로 구속시키지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 감안된 것으로서 본 발명의 목적은 광반사층으로 광결정층을 활용하기 위해서 광방출 금지대역 (photonic band gap)내의 광결정의 격자상수를 고려하고, 또한 전자를 구속시켜서 전자-정공쌍의 재결합이 가능하게 하는 다중양자우물구조의 발광 활성층에 인접하는 광결정층을 형성하는 것이다. 발광 활성층의 하부 및 상부 층에 광결정 층을 샌드위치 형태로 형성하여 발생된 광자를 광결정층으로 하여금 활성층내에 국소적으로 구속시키려고 한다. 이러한 광결정층은 전자의 전도는 가능하고, 광자는 구속되어 공진 나노 공동구(resonant nano-cavity)를 형성함으로써, 활성층 내에 구속된 광자가 유도방출되어 발진(lasing)이 가능한 새로운 저차원 양자구조의 동작 특성을 갖는 광소자를 확보하는데 있다.

상기와 같은 목적으로 달성하기 위하여 본 발명은 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실시 예를 통하여 구체적으로 설명하였다. 도 5는 본 발명의 광결정구조의 반사층을 갖는 절연체 기판의 다중양자우물 광소자의 실시 예이며, 도 6은 본 발명의 광결정구조의 반사층을 갖는 n형 반도체 기판(14)의 다중양자우물 광소자의 또 다른 실시 예를 나타낸다. 도 5와 같이 사파이어 절연체 기판(1)을 사용한 다중양자우물구조 광소자에서 종래의 반도체 초격자층(12,13)을 광결정층으로 대체하여 하부(15) 및 상부 반사층(16)을 갖거나, 또한 도 6에서와 같이 n형 반도체로 된 전도성 기판(14)을 사용한 다중양자우물 광소자에서 반도체 초격자층(12,13)을 광결정층을 하부(15) 및 상부 반사층(16)으로 적용하여 고휘도 발광다이오드(LED)를 제작하거나 유도방출이 가능한 표면발광 레이저(VCSEL) 다이오드를 설계 제작한다.

일반적으로 파동의 운동상태를 기술하는 양자역학에서 전자나 광 같은 파동은 공간적인 대칭성-불연속 병진 대칭, 불연속 회전 대칭성을 갖는 주기적인 격자의 결정상태에서 전파되는데 이를 블로흐 파동(Bloch wave)이라 하며 이런 파동의 중첩상태로부터 그 결정이 갖는 어떤 대칭 방향으로도 연속적인 에너지상태를 가질 수 없는 금지영역이 존재한다. 이러한 금지영역을 전자의 결정내의 에너지 밴드갭(energy band gap)이나 광자의 광결정(photonic crystal)의 광 밴드갭(photonic band gap)이라 한다. 다중양자우물구조는 에너지 밴드갭이 서로 다른 반도체 재료를 주기적으로 이종접합(heterojunction) 시킴으로써 전자가 평면상에서만 자유도를 갖는 즉 평면에 수직한 방향으로는 이동이 어려운 구속상태를 형성하여 외부전압을 인가하여 전자와 정공이 양자우물내에서 쉽게 재결합하게 함으로써 내부양자효율을 증대시킬 수 있다. 광결정구조는 입사된 일정 파장의 광이 주기적으로 배열된 구멍의 간격에 따라 광이 투과하거나 반사되어 이러한 광결정의 격자상수에 영향을 받게 되며, 발광활성층에서 발생된 광이 하부 및 상부 광결정쌍을 통하여 투과가 잘 되거나 전반사되어 갇히도록 구속할 수 있게 되어 외부양자효율을 증대시킬 수 있다.

도 5의 실시 예에 속하는 광소자에는 질화물 반도체(III-Nitride semiconductors)가 있으며, 발광활성층의 다중양자우물층(4)은 AlGaN/GaN(자색), InGaN/GaN(청색, 녹색), InGaN/InGaN(등색, 적색)등이 가능하다. 도 6의 실시 예에 속하는 광소자의 기판(14)에는 GaN 기판, GaAs 기판, GaP 기판, InP 기판등이 가능하다. 활성층으로는 AlGaN/GaN (자색), InGaN/GaN(자색, 청색, 녹색), AlGaAs/GaAs(적색),InGaAs/GaAs(적외선), InGaP/GaP(적색), AlInGaP/InGaP(황색), InP/GaAs(적외선)등이 가능하다. 이러한 광소자를 성장할 수 있는 방법으로는 유기금속화합물기상증착(MOCVD)과 분자선 증착(MBE) 및 원자층 증착(ALD) 방법이 있다.

도 7은 본 발명의 일반적인 청색광소자 구조와 유기금속기상증착의 성장변수의 실시 예를 나타낸다. LED의 구조는 사파이어 기판(1)위에 MOCVD를 이용하여 520℃에서 30 nm의 완충층(17)이 성장되었고, 1130℃로 성장 온도를 높여서 도핑하지 않은 GaN층(u-GaN)(2)을 형성하다가 Si 도핑을 첨가하여 n형 GaN층(3)을 3 μm의 두께로 증착하였다. n형 GaN층(3) 위에 하부 광결정층(15)을 형성한 다음 다시 MOCVD공정으로 u-GaN층(2)을 전하 분산층으로 형성한 다음 5주기의 InGaN/GaN MQW 활성층(4)인 청색 양자우물구조를 2 nm 높이의 well과 8 nm 높이의 barrier가 반복적으로 790℃에서 성장되어 450 nm의 청색 파장이 방출된다. 다시 그 위에 Mg이 도핑된 p형 GaN층(5)을 100 nm의 두께로 1130℃에서 성장한 다음 상부 광결정층(16)을 형성한다. 다시 MOCVD 공정을 이용하여 Mg이 도핑된 p형 GaN층(5)을 200 nm의 두께로 1130℃에서 성장한 다음, 700℃에서 15분간 후속 열처리를 하였다. 이러한 일반적인 LED 칩의 제조 전공정을 수행 한 다음 후공정으로 GaN 건식식각 공정, 투명 전극형성 공정, n-metal 형성 공정, p-metal 형성 공정 그리고 절연막 형성 공정에 의해 이루어진다. 실시 예로서, 일반적인 청색 LED 칩을 기준으로 하였다. 전체적인 광소자 구조는 광결정층을 에피박막층 내에 삽입하기 위해서 MOCVD 증착공정을 3단계로 나누어 n-GaN층(3) 성장, MQW 발광층(4) 성장, 그리고 p-GaN층(5)을 성장하여 광소자를 완성한다.

도 8은 본 발명의 전자선(E-beam) 나노리소그래피(E-beam nano-lithography)공정을 통해 제작한 광결정 구조의 전자현미경(SEM)과 원자간력(AFM) 이미지에 대한 실시 예이다. 청색 LED 광소자의 하부 광결정층(15) 특성을 파악하기 위해 구멍의 직경은 150 nm로 일정하게 하고 구멍과 구멍 사이의 격자상수를 230, 460, 690, 920, 1380 nm로 변화시키면서 2차원의 광결정을 형성하였다. 광결정의 형성은 반도체 위에 polymethylethacrylate(PMMA)를 도포하여 여기에 전자선을 이용한 리소그래피 패턴기술로 상기와 같은 격자상수의 광결정 패턴을 형성시킨 후, 유도결합형 플라즈마(ICP) 건식 식각장치를 이용하여 5초 동안 식각공정을 수행하였다. 최종적으로 PMMA를 제거하여 광결정 패턴을 제작하였다. SEM과 AFM의 이미지로부터 격자상수가 230(그림 a)과 460 nm(그림 b)인 광결정이 형성되었음을 확인하였다.

도 9은 발명의 전자선 리소그래피공정으로 제작한 광결정의 격자상수에 따른 발광 스펙트럼의 실시 예이다. 청색 발광다이오드의 발광파장은 450 nm이며, 격자상수가 230 nm인 광결정은 발광세기가 매우 약하여 기준시료보다도 작다. 이는 광밴드갭영역에 속하여 광자가 광결정을 통과하지 못하고 반사됨을 의미하며, 격자상수가 460 nm인 시료의 경우 발광세기가 기준시료보다 2배로 증가되었다. 격자상수가 690, 920,1380 nm로 커짐에 따라 발광세기가 기준시료로 수렴됨을 확인하였다.

도 10은 본 발명의 다공성 알루미나 마스크로 제작한 광결정의 SEM 이미지의 실시 예이다. 알루미늄 박판(foil)을 양극에 연결하고 황산(H₂SO₄)이나 옥살 산(H₂C₂O₄) 전해용액에서 음극을 백금선에 연결하여 전압을 인가하면 알루미늄이 양극 산화되어 다공성 알루미나(AAO)층(18)으로 화학변화가 일어난다. 0.3 몰의 옥살산용액에서 전압을 30 V정도 인가하면 격자상수가 84 nm 정도이고, 50 V를 인가하면 145 nm로 커진다. 양극 산화는 2 단계로 수행하며, 1단계에서 생성된 AAO층(18)을 인산으로 제거하고 다시 2차 양극산화를 수행하면 격자의 주기성을 보인다. 구멍의 크기는 인산용액에 담그는 화학처리 시간에 비례한다. 잔류 알루미늄층(19)은 과포화 염화수은(HgCl₂) 용액으로 제거하면 다공성 나노구멍이 주기적으로 뚫린 나노마스크(18)를 제작하게 된다.

에피박막층(3)위에 AAO 마스크(18)를 부착한 다음, 플라즈마 식각공정을 통하여 AAO 마스크로 나노구멍을 반도체 표면에 형성하게 된다. 이때 전기적인 표면흡착 특성으로 인해 반도체 표면에 잘 부착된다. 또한 AAO 마스크(18)를 에피 표면(3)에 부착하고 증착용 마스크로도 활용할 수 있다. 전자빔 증착공정으로 금속실리사이드(metalsilicide)층 또는 절연박막(SiO₂ 또는 SiN_x) 층을 증착하여 나노점의 격자배열을 형성할 수 있다.

도 11은 본 발명의 다공성 알루미나 마스크로 제작한 광결정의 발광스펙트럼의 실시 예이다. AAO층을 전사하여 제작됨 광결정은 구멍 직경이 70 nm 정도이고 격자상수는 대략 130 nm이다. 청색 발광다이오드 구조의 발광파장이 450 nm에서 발광세기가 2.25배로 커짐을 알 수 있다. 이러한 표면에서의 광결정 특성을 광소자 내부에 활용하여 광자의 열로의 소멸을 방지할 수 있다.

도 12은 본 발명의 p형 상부 광결정 반사층의 결정결함 구조 및 나노조작 모형이다. 다층 양자우물구조의 LED 표면층에 광결정구조를 도입하여 발광효율을 증대시킬 수도 있지만, 또한 광결정의 결함구조를 이용하여 광양자 고리형 레이저(photonic quantum ring laser)의 발진 특성을 갖게 할 수 있다. 레이저 공진기의 cavity 크기는 단위 굴절율 n당 발광파장 λ의 반파장의 세제곱에 해당하는 유효체적 V를 갖도록 설계한다.

GaN 굴절율 2.5에 대해 청색 파장 460 nm의 경우 cavity는 한 변의 길이가 약 93 nm인 공동구 이다. 또한 공진기에서의 광학적인 손실이 작도록 파장 λ의 반폭치 Δλ에 대한 큰 Q factor를 주어 공진기 내부의 광자밀도를 높여서 강한 유도방출을 가능하게 한다.

완전한 광결정 격자구조가 광 밴드갭의 영역내에 속할 경우 광결정은 광을 구속시킬 수 있기에 하부 반사용 광결정층으로 활용하고, 상부 반사용은 결정 결함을 주어 광의 유도방출을 증대시킨다. 광결정에 점 결함(20)을 주면 단일세포의 나노레이저는 회랑모드(whispering gallery mode)에서 동작한다. 이 레이저의 경우 중앙에 위치한 미세 공진기를 돌아가며 전자기파가 존재하는 특이한 모드이다. 육방형의 광결정세포의 결함형태(21,22)는 모두 6극모드(hexapole mode)로 회랑모드와 동일한 특성을 보인다. 완전한 광결정 구조내의 광결정 세포수를 달리하는 복합 광결정구조에서는 광밴드 선단모드 (band edge mode)가 가능하다. 이러한 광결정층은 전자의 경우 전도가 가능한 층이며, 광학적으로는 광을 반사시키는 특성을 파악하여 광소자 제작 전체공정에 적용하게 된다.

점결함 상태로 나노조작된 삼각형 격자 절연박막(SiO₂ 또는 SiN_x) 광결정 구조는 MQW 발광 활성층 성장 후에 광결정층을 형성하게 된다. 특히 광결정 구멍을 나노조작(nanomanipulation)을 통하여 점결함 형태와 waveguide 형태로 제작하게 된다. 먼저 AAO nanopore template를 부착하여 nanopore를 nanomanipulator 장비로 제거시키고 절연막을 증착한다. 다시 AAO nanopore template를 습식식각으로 제거하면 점 결함이나 광도파로 형태의 광결정을 형성할 수 있다. 또 다른 p형 상부 반사용 광결정 제작은 먼저 폴리이미드 포토레지스트를 이용하여 나노리소그래피(nano-lithography) 공정을 수행하여 패턴을 형성한 다음, 유도결합형 플라즈마(ICP)로 나노구멍을 식각하거나 절연박막의 광결정을 전자빔증착공정으로 증착하여 형성할 수 있있다. 나노리소그래피 공정을 수행할 때에 점 결함형태의 광결정 결함조작이 가능하다.

도 13는 본 발명의 광결정 반사층구조의 cavity 공진형 광소자의 실시 예를 나타낸다. 질화물반도체 청색 광소자에서 광결정성 반사층을 갖는 구조로서 LED 칩 으로 n형 GaN층(3)을 성장한 후 하부 반사층의 광결정(15)을 제작하고 다시 InGaN/GaN 양자우물층(4)을 유기금속 화학기상 증착공정으로 결정성장한 다음, 다시 상부 반사층의 광결정(16)을 나노 패턴화시킨다. 이어서 p형 GaN층(5)을 성장시켜 형성한 LED 칩 구조이다. InGaN/GaN MQW 발광활성층의 양단에 광결정을 삽입함으로써 공진 체적을 최소화하여 광자구속을 증대시켜 유도방출 효과를 증대시킨다.

이러한 소자구조는 다양하게 변형되어 질 수 있다. 사파이어기판(1)이나 반도체 기판(14)을 사용하는 경우, 모두 기판 표면에 먼저 하부 반사층 광결정(15)을 제작하여 n형 GaN층(3), 양자우물층(4) 및 p형 GaN층(5)을 성장한 다음 상부 반사층 광결정(16)을 p형 GaN층(5) 표면에 제작하는 표면 공진형도 가능하며, 또한 하부(15) 및 상부 반사층(16)을 2쌍의 광결정층으로 내부 및 표면공진이 동시에 가능한 구조 또는 반도체 초격자층(12,13)과 광결정층(15,16)을 병행하는 표면발광레이저 다이오드 설계도 가능하여 모든 광소자에 적용을 확대할 수 있다.

도 14는 본 발명의 광결정 반사층구조의 cavity 공진형 광소자의 전기발광 특성의 실시 예이다. 인가전압 3.2 V에서 발광세기는 광결정층이 반사층으로 삽입되어진 광결정 LED 시료(PC DBR LED)가 광결정층이 삽입되지 않은 표준 LED 시료(Bare LED)보다 3배 이상 휘도가 증가 됨을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 실시 예에서는 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자가 효과적으로 휘도가 높은 발광다이오드나 상부 하부 광결정쌍에 의해 형성된 나노크기의 cavity에서 광의 공진이 가능하여 유도 방출되는 표면발광레이저 다이오드 제작이 가능함을 확인하였다.

또한, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 질화물계 반도체 광소자뿐만 아니라, 정보통신용 광소자인 InP 표면발광레이저 다이오드나 적외선 및 적색용 광소자인 GaAs 반도체계의 표면발광레이저 다이오드의 구현에서도 광결정 쌍을 활용하여 고휘도 발광다이오드나 표면발광레이저 다이오드의 구현이 가능하다.

이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

상술한 설명으로부터, 본 발명에 따른 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자는 양자우물의 전자의 구속상태에서 전자-정공 재결합에 으해 만들어진 광자를 나부에서 소멸되어지지 않도록 광결정 반사층구조를 발광활성층 양단에 삽입함으로써 생성된 광자를 구속할 수 있어 종래의 에피 표면층에만 광결정층을 제작하는 발광다이오드 광소자나 반도체 초격자 DBR 구조의 표면발광레이저 다이오드 광소자보다 외부양자효율을 증대시켜 발광다이오드 및 표면발광레이저 다이오드의 내부 공진에 의한 유도방출이 가능하여 고휘도 조명용 광원을 제공하는 효과를 제공한다.

Claims (3)

1. 양자우물구조를 갖는 발광활성층을 포함하는 발광다이오드나 표면발광레이저 다이오드 광소자에 있어서, 활성층의 상부 및 하부에 광결정 반사층의 쌍이 한 개 이상 구비되어 발광활성층에서 발생된 광자를 광소자 내부의 일정공간에 구속시키는 것을 특징으로 하는 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자
2. 제1항에서 광결정 반사층의 쌍을 구비하는데 있어 상부 반사층은 광소자 에피 표면층에서 양자우물 발광활성층 상단사이에 형성하고, 하부 반사층은 기판의 이면에서 양자우물 발광활성층 사이에 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자.
3. 제1항의 광결정 반사층을 포함하는 광소자에서 양자구조의 발광활성층 하부 및 상부에 반도체 초격자구조와 소자의 바닥면과 상부표면에 금속층을 증착하여 반사효율 및 발광효율을 증대시키는 것을 특징으로 하는 광결정 반사층을 갖는 공진형 양자구조의 화합물 반도체 광소자.

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