KR20080042853A - 반도체 구조체 및 광 생성 방법 - Google Patents

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Abstract

광원은 규소와 플루오르화칼슘(CaF2)의 화합물에 기반한다. 규소와 플루오르화칼슘은 순수할 필요는 없지만, 도핑되거나 합금되어 전기적 및/또는 물리적 속성을 제어할 수 있다. 바람직하게는, 광원은 예컨대, 다층 구조로 배치된 규소와 플루오르화칼슘의 삽입 부분을 이용하고, 전도 밴드 내의 서브밴드간 전이를 이용해서 작용하여, 가까운 적외선 스펙트럼 범위 내에서 발광하게 된다. 광원은 양자 캐스케이스 레이저, 고리 형태의 공진기 레이저, 도파관 광증폭기를 형성하도록 구성될 수 있다.

Description

반도체 구조체 및 광 생성 방법{SEMICONDUCTOR LIGHT SOURCE}
본 발명은 반도체 광원에 관한 것으로, 구체적으로 반도체 레이저에 관한 것이다.
통상적인 반도체 광원 및 반도체 레이저는 비소 갈륨(GaAS)과 같은 직접 밴드갭 화합물 반도체를 이용한다. 전형적으로, 이들은 밴드간 전자 전이의 원리에 따라 작용하는데, 반도체 물질 내의 여기된 전자가 전도 밴드 에지에서 원자가 밴드 에지로 전이되는 경우에 광이 방출된다.
이와 달리, 규소(Si)와 같은 간접 밴드갭 반도체는 전자가 전도 밴드 에지에서 원자가 밴드 에지로 전이하도록 하기 위해 방출되거나 흡수되는 포논(phonon)을 요구한다. 이러한 요구로 인해 동일한 환경 하에서 포논이 요구되지 않는 경우보다 이러한 전이의 가능성이 작아진다. 이에 따라, 발광의 가능성도 작으므로, 규소는 가장 광범위하게 사용된 반도체임에도 불구하고 반도체 광원의 제조에 적합한 물질로서 간주되지 않는다.
다른 유형의 반도체 광원, 반도체 양자(quantum) 캐스케이드 레이저는 전도 밴드 또는 원자가 밴드에서 고 레벨 에너지 밴드, 즉, 고 에너지 서브밴드로 여기된 전자가 저 레벨 에너지 밴드, 즉, 저 에너지 서브밴드로 하강하는 밴드내 전이를 이용하는데, 이는 서브밴드간 전이로도 알려져 있다. 양자 캐스케이드 레이저는 통상적으로 GaInAs/AlInAs와 같은 혼합물 반도체에 기반한다. GaInAs/AlInAs 양자 캐스케이드 레이저는 전형적으로 예컨대, 4 ㎛ 내지 13 ㎛인 중간 적외선(IR) 스펙트럼 범위에서 광을 산출한다.
규소와 게르마늄의 화합물을 사용하는 양자 캐스케이드 레이저도 연구해 왔다. 불행히도, Si/Ge에 기반한 레이저를 획득하는 데 상당한 어려움이 있다. 이는 a) Si와 Ge 사이에서 예컨대, 4 %의 큰 격자 부정합, b) 다른 복잡성 때문에 전도 밴드를 사용하는 것보다 덜 바람직한 원자가 밴드를 사용해야 한다는 사실 및 c) Si와 Ge로 이루어진 전도 밴드와 원자가 밴드 사이의 작은 밴드 오프셋 때문이다. 몇몇 전계 발광(electroluminescence)이 관찰되어 왔지만, Si 및 Ge를 사용하여 레이저 방출(lasing)이 달성되었다고 생각되지 않는다. 또한, Si 및 Ge를 사용하여 레이저 방출이 달성되었다고 하더라도 동작 파장이 18 ㎛보다 클 것이라 예상되며, 이는 현재의 원격통신 애플리케이션에 유용할 수 없을 것이다.
규소 기반 기판 상에 구성될 수 있는 반도체 광원을 개발하는 데 있어서 문제점은 본 발명의 원리에 따라 규소 및 플루오르화칼슘(CaF2)의 화합물에 기반하는 광원에 의해 해결된다. 규소와 플루오르화칼슘은 순수할 필요는 없지만, 도핑되거나 합금되어 전기적 및/또는 물리적 속성을 제어할 수 있다.
바람직하게는, 광원은 예컨대, 다층 구조로 배치된 규소와 플루오르화칼슘의 삽입 부분을 이용하고, 전도 밴드 내의 서브밴드간 전이를 이용하여 작용한다. 보다 구체적으로, CaF2보다 밴드갭이 작은 Si는 양자 웰을 제공하는 한편, Si보다 밴드갭이 큰 CaF2는 장벽을 제공한다. 유리하게는, 이러한 광원은 예컨대, 0.55 % 정도로 작은 낮은 격자 부정합 및 예컨대, 대략 2.2 eV의 큰 전도 밴드 오프셋을 갖는다. Si 및 CaF2 광원은 튜닝되어 예컨대, 1 ㎛ 내지 4 ㎛의 가까운 적외선 스펙트럼 범위 내, 보다 구체적으로, 1.3 ㎛ 또는 1.5 ㎛에서 발광할 수 있되, 이들 각각은 현대의 원격통신 애플리케이션에 적합하다. 보다 유리하게는, 주로 규소에 기반한 광원은 GaAs에 기반한 광원보다 제조비가 저가이며, 규소 기술에 기반하는 종래의 전자 공학과 이러한 광원을 통합하기가 쉽다.
예컨대, Si 및 CAF2와 게르마늄 및 플루오르화카드뮴(CdF2)과 같은 다른 물질과의 도핑 및/또는 합금과 같은 화합은 광원의 속성의 다른 커스텀화의 가능성을 제공한다. 예컨대, 완전한 격자 정합은 규소와 소량의 Ge를 합금함으로써 달성될 수 있다. CaF2를 플루오르화카드뮴(CdF2)과 합금하고 갈륨(Ga)과 같은 3가 금속 이온으로 도핑함으로써, 결과적인 화합물은 도전성이될 수 있다.
광원은 양자 캐스케이드 레이저, 고리 형태의 공진기 레이저, 도파관 광증폭기를 형성하도록 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 규소(Si)와 플루오르화칼슘(CaF2)의 화합물에 기반하여 구성된 예시적인 반도체 광원을 도시한다.
도 2는 전압이 인가되지 않는 경우에 도 1에 도시된 예시적인 반도체 광원의 전도 밴드도의 기본적인 부분을 개략적으로 도시한다.
도 3은 전위차가 인가되는 경우에 도 1에 도시된 예시적인 반도체 광원의 전도 밴드도의 확장된 부분을 개략적으로 도시한다.
도 4는 양자 웰 폭(Å)과 전자 볼트(eV)로 나타낸 대응하는 서브밴드 에너지 사이의 일반적인 관계의 근사치를 개략적으로 도시한다.
도 5는 다양한 레이저 구성에서 사용하기에 적합한 다른 예시적인 반도체 광원의 활성 영역을 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 예시적인 광원 활성 영역을 통해 전압이 인가되는 경우에 이러한 광원 활성 영역의 전도 밴드도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 에너지 완화 영역 및 주입 영역으로서 기능하는 데 이용되는 "규칙 격자(superlattice)" 영역을 도시한다.
도 8은 도 7의 예시적인 규칙 격자를 통해 전압이 인가되지 않는 경우에 이러한 규칙 격자의 전도 밴드도를 개략적으로 도시한다.
도 9는 도 7의 예시적인 규칙 격자를 통해 전압이 인가되는 경우에 이러한 규칙격자의 전도 밴드도를 개략적으로 도시한다.
도 10은 도 5의 활성 영역을 형성하는 층과 도 7의 규칙 격자를 형성하는 층의 다수의 반복을 이용하는 예시적인 양자 캐스케이드 레이저의 단면 구조의 일부를 도시한다.
도 11은 도 10에 도시된 예시적인 양자 캐스케이드 레이저의 3 차원도의 일부를 도시한다.
이하는 단지 본 발명의 원리를 설명할 뿐이다. 따라서 당업자가 본 명세서에 명백하게 설명 또는 도시되지는 않았지만 본 발명의 원리를 구현하며 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 장치를 고안할 수 있을 것임을 알 것이다. 또한, 모든 실시예 및 본 명세서에 언급된 잠정적인 용어는 대체로 독자가 본 발명의 원리 및 기술을 진행시키도록 발명자(들)에 의해 구성된 개념을 이해하는 것을 돕기 위해 교육용으로만 표현되며, 구체적으로 언급된 이러한 예 및 조건에 대한 제한 없이 구성된다. 또한, 본 명세서에서 본 발명의 특정 예뿐만 아니라 본 발명의 원리, 측면 및 실시예를 언급하는 모든 설명은 본 발명의 구조적 및 기능적 균등물 양자 모두를 포함한다. 또한, 이러한 균등물은 현재 알려져 있는 균등물뿐만 아니라 앞으로 개발될 균등물, 즉, 구조와 상관없이 동일한 기능을 수행하도록 개발된 임의의 요소도 포함한다.
본 발명의 특허청구범위에서 특정 기능을 수행하는 수단으로 표현된 임의의 요소는 그 기능을 수행하는 어떠한 방법도 포함한다. 이는 예컨대, a) 기능을 수행하는 전기적 또는 기계적 요소의 조합, b) 소프트웨어를 실행하여 기능을 수행하는 적절한 회로와 결합된 펌웨어, 마이크로코드 등을 포함하는 임의의 형태의 소프트웨어뿐만 아니라, 만일 존재한다면, 소프트웨어 제어 회로에 결합된 기계적 요소를 포함한다. 이러한 특허청구범위에 의해 규정된 본 발명은 언급된 다양한 수단에 의해 제공된 기능이 특허청구범위가 청구하는 방식으로 조합되고 모인다는 사실에 존재한다. 따라서, 출원인은 이들 기능을 제공할 수 있는 임의의 수단을 본 명세서에 도시된 수단과 균등한 것으로 간주한다.
소프트웨어로 구현되는 소프트웨어 모듈 또는 간단히 모듈은 본 명세서에서 공정 단계의 성능을 나타내는 흐름도 요소 또는 다른 요소 및/또는 본문 기술의 임의의 조합으로 나타낼 수 있다. 이러한 모듈은 명백히 또는 암시적으로 도시된 하드웨어에 의해 실행될 수 있다.
본 명세서에 명백히 특정되지 않는 한, 도면은 실제 크기대로 도시되지 않는다.
또한, 본 명세서에 명백히 특정되지 않는 한, 본 명세서에 도시 및/또는 설명된 임의의 렌즈는 실제로 특정한 렌즈 특성을 가진 광학 시스템이다. 이러한 광학 시스템은 단일 렌즈 요소에 의해 구현될 수 있지만, 반드시 이것으로 제한되는 것은 아니다. 이와 유사하게, 거울이 도시 및/또는 설명되는 경우에, 실제로 도시 및/또는 설명되는 것은 이러한 거울의 특정 특성을 가진 광학 시스템이며, 이는 단 일 거울 요소에 의해 구현될 수 있지만 반드시 단일 거울 요소로 한정되는 것은 아니다. 이는 종래 기술에 잘 알려져 있는 바와 같이, 다양한 광학 시스템이 예컨대, 왜곡이 적은 뛰어난 방식으로 단일 렌즈 요소 또는 거울의 동일한 기능을 제공할 수 있기 때문이다. 또한, 종래 기술에 잘 알려져 있는 바와 같이, 만곡 거울의 기능은 렌즈 및 거울의 조합을 통해 구현될 수 있으며, 반대의 경우도 또한 같다. 또한, 예컨대, 촬상 시스템, 회절, 코팅 요소 및 프리즘과 같이 특정 기능을 수행하는 임의의 광학 소자 장치는 동일한 특정 기능을 수행하는 다른 광학 소자 장치로 대체될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 명백히 특정되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 전체 실시예의 특정 기능을 제공할 수 있는 모든 광학 요소 또는 시스템은 본 개시의 목적을 위해 서로 균등하다.
설명에 있어서, 도면에서 동일하게 번호가 매겨진 소자는 동일한 소자를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라, 규소 기반 기판에 구성된 예시적인 반도체 광원(100)을 도시한다. 보다 구체적으로, 광원(100)은 규소(Si)와 플루오르화칼슘(CaF2)의 화합물에 기반한다. 규소 및 플루오르화칼슘은 도핑 또는 합금되어 그들의 전기적 및/또는 물리적 특성을 제어할 수 있다.
반도체 광원(100)은 기본 발광 소자로서 동작한다. 이론적 레벨에서, 반도체 광원(100)은 단일 양자 웰 구조체이며, 구체적으로는, CaF2 장벽을 가진 단일 규소 양자 웰이다. 보다 구체적으로, Si가 CaF2보다 작은 밴드갭을 가지므로, Si보다 큰 밴드갭을 가진 CaF2는 장벽을 제공하지만, Si는 양자 웰을 제공한다. 양자 웰 구조체의 일 측면 상의 전극은 장벽을 통해 터널링하는 전자를 제공하고, 양자 웰 구조체의 다른 측면 상의 전극에 의해 획득될 수 있다. 바람직하게는, 반도체 광원(100)은 전도 밴드 내의 서브밴드간 전이를 사용하여 동작한다. 유리하게, 이러한 광원은 예컨대, 0.55 % 정도로 작은 낮은 격자 부정합 및 예컨대, 대략 2.2 eV의 큰 전도 밴드 오프셋을 갖는다.
물리적으로, 광원(100)은 a) 규소(Si) 기판(101), b) 이산화규소(SiO2)(102) c) 규소 층(103), d) 도전성 Si(n+ Si) 층(105), e) CaF2 층(107), f) Si 층(109), g) CaF2 층(111), h) 도전성 CaF2 층(113), i) 금속층(115, 117) 및 j) 도전체(125,127)를 포함한다.
기판(101)은 상업적으로 이용가능한 통상적인 규소 웨이퍼일 수 있다. 이산화규소 층(102)은 일반적으로 매립형 산화물(BOX) 층으로 지칭되는 종래의 SiO2 층이다. SiO2 층(102)은 Si보다 굴절률이 낮다. 따라서, 이 층은 굴절률이 높은 영역에서 이상에 생성된 광을 그 영역의 누설로부터 제한하는 기능을 한다. 바꾸어 말하면, SiO2 층(102)은 기판(101)으로의 누설로부터 생성된 광을 보존하는 광학 절연을 제공한다. Si 층(103)은 광원(100)의 활성층을 구성하는 다른 단결정 층을 성장시키기에 적합한 베이스를 제공하는 Si의 단결정 층이다. Si 기판(101), 이산 화규소 층(102) 및 Si 층(103)으로 제조된 웨이퍼는 상업적으로 이용가능하고 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼로 알려져 있다.
도전성 규소층(105)은 n형으로 도핑되어, 적절히 도전성이고 양자 웰 구조체의 전극들 중 하나로서 효율적으로 기능할 수 있다. 바꾸어 말하면, 도전성 규소층(105)은 평판 전극(a plate electrode)으로서 작용하도록 배치된다. 당업자는 도전성 규소층(105)을 쉽게 적절히 도핑하여, 바람직한 도전율 레벨을 획득할 수 있다. 전형적으로, 규소층(105)이 더욱 도전성일수록 더 많은 광이 생설될 것이다. 도전성 규소층(105)은 금속 전극층(117)에 전기적으로 접속되고 차례로 도전체(127)에 결합되어, 전기가 도전체(127) 및 전극층(117)을 통해 규소층(105)에 전도된다.
CaF2 층(107)은 도핑될 필요가 없는 예컨대, 5 Å 내지 50 Å의 얇은 CaF2 층이다. Si 층(109)은 도핑될 필요가 없는 예컨대, 5 Å 내지 100 Å의 얇은 Si 층이다. CaF2 층(111)은 도핑될 필요가 없는 예컨대, 전형적으로 5 Å 내지 50 Å의 얇은 CaF2 층이다.
도전성 CaF2 층(113)은 적어도 하나의 다른 물질과 화합된 CaF2 층이다. 전형적으로, 도전성 CaF2 층(113)은 CaF2 층(107,111)보다 두껍다. 도전성 CaF2 층(113)은 적어도 하나의 다른 물질과 화합, 예컨대, 도핑 또는 합금되어, 결과적인 화합물은 효과적으로 도전성, 예컨대, n형 도전성이 된다. n형 도전율을 획득 하는 한 방법은 층(113)의 CaF2와 CdF2를 합금한 후 그 완전한 합금에 예컨대, 갈륨(Ga)과 같은 3가 금속 이온(a trivalent metal ion)을 도핑하는 것이다. 합금에 의해, 단지 도펀트이도록 고려되는 것보다 CdF2의 농도가 크다는 점에 유의한다. 예컨대, CaF2와 CdF2의 합금은 CaF2 내 1 %의 CdF2로 구성될 수 있는 한편, 도전성 Si 층(105)의 도핑은 규소에 농도가 0.005 %인 안티몬을 사용하여 수행된다.
도전성 CaF2 층(113)은 도전성 규소층(105)과 유사한 전극으로서 작용한다. 도전성 CaF2 층(113)은 금속 전극 층(115)에 전기적으로 접속되고 차례로 도전체(125)에 결합되어, 전기가 도전체(125) 및 전극층(115)을 통해 도전성 CaF2 층(113)에 이르게 된다.
도 1의 예시적인 반도체 광원(100)과 같은 Si 및 CaF2 광원은 튜닝되어 예컨대, 1 ㎛ 내지 4 ㎛의 가까운 적외선 스펙트럼 범위 내, 보다 구체적으로, 1.3 ㎛ 또는 1.5 ㎛에서 발광할 수 있되, 이들 각각은 현대의 원격통신 애플리케이션에 적합하다. 보다 유리하게는, 주로 규소에 기반한 광원은 다른 반도체 화합물에 기반한 광원보다 제조비가 저가이다. 또한 규소 기술에 기반하는 종래의 전자 공학 및 포토닉스와 규소 기반 광원을 통합하기도 쉽다.
n형 Si 및 CaF2가 도시되었지만, 당업자는 p형 Si 및 CaF2를 유사하게 이용하는 것이 가능할 수 있음을 알 것이다.
도 2는 도전체(125)와 도전체(127) 사이에 전압이 인가되지 않는 경우에 예 시적인 반도체 광원(100)(도 1)과 같은 예시적인 반도체 광원의 전도 밴드도의 기본적인 부분을 개략적으로 도시한다. 영역(209)(도 2)은 CaF2 영역(207,211)으로 구성된 Si 양자 웰을 도시한다. 영역(209)은 Si 층(109)(도 1)에 대응하고, CaF2 영역(207,211)(도 2)이 각각 CaF2 층(107,111)(도 1)에 대응함에 유의한다. 영역(207,209,211)을 규정하는 선분(247,249,251)은 영역에 관련된 층의 물질에 대한 전도 밴드의 하부를 나타낸다는 것임에도 유의한다. 영역(207) 또는 영역(211) 내의 전도 밴드의 하부와 양자 웰의 높이에 대응하는 영역(209) 내의 전도 밴드의 하부 간의 전위차인 전도 밴드 오프셋은 대략 2.2 eV이다.
에너지 E1과 E2를 가진 에너지 밴드(221,223)가 도 2에 도시되어 있되, E1은 E2보다 크다. 전자가 영역(209) 내에 존재하는 동안, 이들 전자는 에너지 밴드(221,223) 중 하나에만 존재할 수 있다. E2와 E1 간의 에너지 차는 이용되는 특정 물질 및 그들 각각의 층의 두께에 좌우된다. 바람직하게 E2와 E1 간의 에너지 차는 0.8 eV 정도일 수 있으며, 이는 1.5 ㎛ 정도인 광 파장에 대응한다. 이와 달리, E2와 E1 간의 에너지 차는 0.95 eV 정도일 수 있으며, 이는 1.3 ㎛ 정도인 광 파장에 대응한다.
Si 및 CaF2과 게르마늄 및 플루오르화카드뮴(CdF2)과 같은 다른 물질의 화합, 예컨대, 도핑 및/또는 합금은 본 발명의 원리에 따라 구성된 반도체 광원의 특성의 다른 커스텀화의 가능성을 제공한다. 예컨대, 예시적인 반도체 광원(100)(도 1)에서, 규소층(109)의 규소에 적은 양의 Ge를 합금함으로써 완전한 격자 정합이 달성될 수 있다. CaF2 층(107 또는 111) 중 하나 또는 양자 모두의 CaF2에 플루오르화카드뮴(CdF2)을 합금함으로써, 결과적인 화합물은 도전성이될 수 있다. 이러한 물질의 첨가는 첨가가 이루어지는 물질의 밴드갭을 변화시키고, 밴드 정렬도 변화시킨다. 이에 따라, 이러한 물질이 예시적인 광 구조체(100)를 형성하기 위한 화합에 사용되고 있는 경우에, 첨가되는 물질이 없는 경우와 비교하여 결과적인 서브밴드들 간의 갭은 변한다. 따라서, 서브밴드의 갭을 제어할 수 있으므로, 산출되는 광 파장도 제어할 수 있다. 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 이러한 실시예에 대한 실제 전도 밴드도는 도 2의 전도 밴드도와 유사할 것이지만, 반드시 이와 정확하게 동일한 것은 아니다.
도 2와 유사하게, 도 3은 예시적인 반도체 광원(100)(도 1)과 같이 본 발명의 원리에 따라 구성된 예시적인 반도체 광원의 전도 밴드도의 확장된 부분을 개략적으로 도시한다. 그러나, 도 2와 달리, 도 3에서 전도 밴드도는 전형적인 동작 조건 하에 존재함에 따라, 도전체(125)와 도전체(127) 간의 전위차가 존재하는 경우에 대한 것이다. 영역(309)(도 3)은 CaF2 영역(307,311)으로 형성되는 Si 양자 웰을 도시한다. 영역(309)은 Si 층(109)(도 1)에 대응하며, CaF2 영역(307,311)(도 3)은 각각 CaF2 층(107,111)(도 1)에 대응함에 유의한다. 대응하는 영역(209)의 하부(249)(도 2)에 비해, 영역(309)(도 3)의 하부(349)(도 3)가 기울어짐에 유의한다. 이는 전압의 인가 때문이다. 이와 유사하게, 각각 전도 밴드의 하부에 대응 하는 영역(307,311)의 상부 세그먼트(347,351)는 각각의 대응하는 세그먼트(247,251)(도 2)에 비해 기울어진다. 그러나, 영역(307) 내의 전도 밴드의 하부 또는 영역(311) 내의 전도 밴드의 하부와 이에 가장 가깝게 인접하는 영역(309) 내의 전도 밴드의 하부 간의 전위차인 전도 밴드 오프셋은 도 2에 도시된 바와 같이 전압이 인가되지 않는 경우와 동일하므로, 여전히 약 2.2 eV이다.
에너지 E1과 E2를 가진 에너지 밴드(321,323)도 도 3에 도시되어 있되, E2는 E1보다 크다. 영역(309) 내에 전자가 존재하는 동안, 그 전자는 에너지 밴드(321,323) 중 하나에만 존재할 수 있다. E2와 E1 간의 에너지 차는 이용되는 특정 물질 및 각 층의 두께에 좌우된다. 바람직하게 E2와 E1 간의 에너지 차는 0.8 eV 정도일 수 있으며, 이는 1.5 ㎛ 정도인 광 파장에 대응한다. 이와 달리, E2와 E1 간의 에너지 차는 0.95 eV 정도일 수 있으며, 이는 1.3 ㎛ 정도인 광 파장에 대응한다.
예컨대, 도 4는 양자 웰 폭(Å)과 전자 볼트(eV)로 나타낸 대응하는 서브밴드 에너지 사이의 일반적인 관계의 근사치를 도시하는 그래프를 도시한다. 양자 웰 폭은 규소층(109)의 두께에 대응한다. 양자 웰 내에 적어도 2 개의 서브밴드를 가지며 이들 2 개의 서브밴드 간의 에너지는 바람직한 광파장에 대응하는 것이 바람직함에 유의한다. 예컨대, 대략 0.8 eV만큼 이격된 2 개의 서브밴드에 있어서, 결과적인 광은 대략 1.5 ㎛일 것이고, 대략 0.95 eV만큼 이격된 2 개의 서브밴드에 있어서, 결과적인 광은 대략 1.3 ㎛일 것이다. 이상에 설명한 바와 같이, 기저 층 물질에 첨가되는 물질은 서브밴드들 간의 갭을 변경하는 데 이용되어 산출된 광 파 장도 변경할 수 있다. 당업자는 적합한 폭 및 첨가 물질을 용이하게 선택하여 바람직한 광 파장을 생성할 수 있을 것이다.
도 3으로 되돌아가서, 각각 금속층(115)과 도전성 규소층(105)의 전도 밴드(도 1)에 대응하는 도전 영역(315,305)은 전자로 충진됨을 알아야 한다. 또한, 영역(313)의 전도 밴드의 하부도 전자로 충진됨을 알아야 한다. 도전 영역(315)으로부터 공급된 전자는 도전성 CaF2 층(113)(도 1)에 대응하는 도전성 CaF2 영역(313)을 통과함을 알아야 한다. 이어서 이들 전자는 CaF2 영역(307)을 통해 기계적으로 터널링하여 영역(309)에 대응하는 양자 웰 내의 에너지 레벨(323)에 도달한다. 전자가 에너지 레벨(323)에서 에너지 레벨(321)로 자연적으로 전이하는 경우에, 양자 전이(325)로 개략적으로 나타낸 바와 같이 광자를 방출한다. 이어서 감소한 에너지 전자는 CaF2 영역(311)을 통해 터널링하여 도전성 규소 영역(305)에 도달한다. 이로부터 전자는 구조체에서 나갈 수 있다.
도 5는 다른 예시적인 반도체 광원의 활성 영역(500)을 도시한다. 활성 영역(500)은 다양한 레이저 구성에서 사용하기에 적합하다. 활성 영역(500)은 CaF2 영역(507,511,541,561)뿐만 아니라 Si 층(509,539,561)도 포함한다. 층들의 상대적인 두께는 실제 크기가 아니라 교육용으로 나타내는 것임을 알아야 한다. 이상에 설명한 바와 같이, Si 및 CaF2 층에 있어서 각 층의 기저 물질은 결과적인 밴드갭을 제어하도록 다른 물질과 화합될 수 있음을 알아야 한다. 또한 임의의 도핑 또는 합금 층 내의 임의의 도펀트 또는 합금 물질 각각의 농도가 다른 층 내의 도펀트 또는 합금 물질의 농도와 무관할 수 있음을 알아야 한다.
도 6은 예시적인 반도체 광원 활성 영역(500)(도 5)을 통해 전압이 인가되는 경우에 이러한 반도체 광원 활성 영역의 전도 밴드도를 개략적으로 도시한다. 도 6의 전도 밴드도 상에 겹쳐진 것은 전자가 양자 웰 내의 임의의 이용가능한 서브밴드에서 발견되는 확률 밀도이다. 이러한 확률 밀도는 에너지 상태와 관련된 파동 함수의 계수 제곱으로 계산된다.
보다 구체적으로, 영역(609)은 CaF2 영역들(607,611) 간의 Si 양자 웰을 도시하는데, 이들 각각은 장벽으로 작용한다. 양자 웰은 CaF2 층들(507,511) 사이에 배치되는 Si 층(509)(도 5)으로 형성되는데, 각각 영역(609)(도 6)은 Si 층(509)(도 5)에 대응하고, 영역(607,611)(도 6)은 CaF2 층(507,511)(도 5)에 대응한다. 이와 유사하게, 영역(639)(도 6)은 장벽으로서 작용하는 CaF2 영역으로 형성된 Si 양자 웰을 도시한다. 영역(639)은 Si 층(539)(도 5)에 대응하는 한편, CaF2 영역(611,641)(도 6)은 각각 CaF2 영역(511,541)(도 5)에 대응함을 알아야 한다. 마찬가지로, 영역(659)(도 6)은 장벽으로서 작용하는 층(557,561)(도 5)에 대응하는 CaF2 층(647,661)(도 6)과 함께 Si 층(559)(도 5)으로 형성된 Si 양자 웰을 도시한다. 도핑이 존재하지 않으면, CaF2 영역들(607,611,641,661)(도 6) 중 하나의 전도 밴드의 하부와 인접하는 Si 영역(609,639 또는 659) 중 하나의 전도 밴드의 하 부 간의 전위차인 전도 밴드 오프셋은 동일하다.
다층 구조 및 예시적인 반도체 광원 활성 영역(500)(도 5)의 층들의 폭 때문에, 이와 같이 형성된 양자 웰(609,639,659)(도 6)은 양자 웰 시스템을 형성하도록 상호작용한다. 양자 웰 시스템에서, 에너지 E1, E2 및 E3을 가진 에너지 밴드(619,621,623)가 존재하는데, E3은 E2보다 크고 E2는 E1보다 크다. 예시적인 반도체 광원 활성 영역(500)(도 5) 내에 존재하는 전자는 에너지 밴드(621,623,619)(도 6) 중 하나에서만 존재할 수 있다. 이들 레벨 중 각각은 양자 웰 중 하나에만 존재하는 것으로 도시되었지만, 전자가 에너지 레벨에서 발견될 확률 밀도로 나타낸 바와 같이, 상이한 양자 웰에 존재할 확률이 있다. 그럼에도 불구하고, 명료성을 위해, 각 에너지 레벨은 전자가 그 양자 웰 내의 그 에너지 레벨에서 발견될 최대 확률을 가지는 각각의 양자 웰 내에 도시된다.
에너지 레벨들 간의 에너지 차는 이용된 특정 물질 및 이용된 물질의 층들의 두께에 좌우된다. 바람직하게, E2와 E1 간의 에너지 차는 0.8 eV 정도이며, 이는 1.5 ㎛ 정도인 광 파장에 대응한다. 이와 달리, E2와 E1 간의 에너지 차는 0.95 eV 정도이며, 이는 1.3 ㎛ 정도인 광 파장에 대응한다. 또한, 바람직하게는, E2와 E3 간의 에너지 차는 포논의 에너지 정도이다.
주요 작용은 전자가 CaF2 영역(607)을 통해 터널링하여 양자 웰(609) 내의 에너지 레벨 E1에 도달하는 것이다. 광자는 전자가 에너지 레벨 E2로 하강하면서 CaF2 영역(611)을 통해 양자 웰(639)로 터널링함에 따라 방출된다. 이어서, 포논은 전자가 양자 웰(659) 내의 에너지 레벨 E3로 하강하면서 CaF2 영역(641)을 통해 터널링함에 따라 방출된다. 이러한 포논의 방출 및 E2에서 E3으로의 하강은 통상적으로 완화로 지칭된다. 이어서 전자는 CaF2 영역(661)을 통해 터널링함으로써 활성 영역(500)에서 나간다.
도 7은 에너지 완화 영역 및 주입 영역으로서 기능하는 데 이용되는 소위 "규칙 격자(superlattice)"를 도시한다. 기능적으로, 규칙 격자 영역(700)은 전자를 하나의 활성 영역에서 다른 활성 영역으로 효율적으로 전이한다. 보다 구체적으로, 규칙 격자 영역(700)은, 규칙 격자 영역(700) 양단의 바이어스와 규칙 격자 영역(700)이 연결하는 2 개의 활성 영역에 있어서, 2 개의 활성 영역 중 전위 레벨이 높은 활성 영역의 최저 에너지 레벨, 예컨대, 완화 에너지 레벨이 규칙 격자 영역(700)에 의해 결합된 2 개의 활성 영역 중 전위 레벨이 낮은 최고 에너지 레벨과 일치하도록 길이가 충분할 필요가 있다.
규칙 격자 영역(700)은 다른 Si 층, 예컨대, Si 층(709,713,717,721,725,729,731) 및 다른 CaF2 층, 예컨대,CaF2 층(707,711,715,719,723,727,731,735)으로 이루어져 있다. 전형적으로, 규칙 격자 영역(700)의 Si 층은 저농도로 도핑되어 도전율을 향상시키고 규칙 격자 영역(700)을 통한 전자 전이를 촉진한다. 규칙 격자 영역(700)의 CaF2 층은 도핑될 수 있다. 전형적으로 Si 층의 폭은 변하지만 CaF2 층의 폭은 불변일 수 있다. 이용된 다수의 층 및, 존재한다면, 각각의 층마다 요청된 도핑은 규칙 격자의 결과적인 에너지 레벨이 전위 전압이 a) 소위 "미니(mini)" 밴드를 형성하고, b) 인가된 전위차가 규칙 격자 영역(700)으로부터 전자에 공급되는 활성 영역의 최고 에너지 밴드를 규칙 격자 영역(700)이 전자를 수용하고 있는 완화 에너지 레벨과 동일한 에너지 레벨로 시프트할 수 있도록 충분한 공간 분리를 제공하도록 인가되는 경우에 오버랩할 필요가 있다. 따라서, 다수의 및 이들 층 폭의 관점에서 특정 설계는 바람직한 특정 동작 전위 차 및 동작하는 경우 활성 영역의 에너지 레벨에 좌우되며, 전형적인 동작 조건 하에서 미니 밴드가 형성되어야 한다. 당업자는 다양한 애플리케이션에 대한 규칙 격자 영역을 쉽게 설계할 수 있을 것이다.
도 8은 예시적인 규칙 격자(700)(도 7)를 통해 전압이 인가되지 않는 경우에 이러한 규칙 격자의 전도 밴드도를 개략적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 규칙 격자 영역(700)(도 7)의 CaF2 층에 대응하는 규칙 격자 영역(700)(도 7)의 2 개의 CaF2 장벽들(807,811,815,819,823,827,831,835)(도 8) 사이에 삽입된 규칙 격자 영역(700)(도 7)의 Si 층으로 형성된 각 양자 웰(809,813,817,821,825,829,833)(도 8)은 에너지 상태(861,863,865,867,869,871,873) 중 선호하는 각각의 에너지 상태를 갖는다.
도 9는 예시적인 규칙 격자(700)(도 7)를 통해 전압이 인가되는 경우, 예컨대, 전형적인 동작 조건 하에서 이러한 규칙 격자의 전도 밴드도를 개략적으로 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전자가 쉽게 통과할 수 있는 미니 밴드(999)가 형성된다. 또한, 각각의 연속 층에 대한 전도 밴드의 하부는 도 8에서와 같이 전위차가 인가되지 않는 경우에 그 값으로부터 시프트한다.
도 10은 활성 영역(500)(도 5)을 형성하는 층과 규칙 격자(700)(도 7)를 형성하는 층의 다수의 반복을 이용하는 예시적인 양자 캐스케이드 레이저(1000)의 단면 구조의 일부를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 10에 규칙 격자 영역(1031-1, 1031-2), 총괄하여 규칙 격자 영역(1031) 및 활성 영역(1035-1, 1035-2), 총괄하여 활성 영역(1035)이 도시되어 있다. 규칙 격자 영역(1031)은 활성 영역(1035)에 형성된 다양자 웰에 전자를 공급하는 주입 영역으로서 작용한다. 활성 영역(1035)은 광을 방출하도록 작용한다. 다른 활성 영역 및 이용되는 규칙 격자 영역의 개수는 구현자의 재량에 달려있다. 또한, 애플리케이션에 따라, 규칙 격자 영역(1031-1)은 이용될 필요가 없다. 전자가 전극(1017)에서 활성 영역(1035-1)으로 전달되기에 충분한 경로를 제공한다.
바람직하게는, 기판(1001)에 대향하는 예시적인 양자 캐스케이드 레이저(1000)의 다른 활성 영역 및 규칙 격자 영역의 종단에서, 규칙 격자 영역(1035)이 합금된다. CaF2/CdF2 규칙 격자 영역(1035)은 규칙 격자 영역(700)(도 7)의 구조와 유사하지만 규소층은 CdF2로 대체되는 구조를 갖는다. CaF2/CdF2 규칙 격자 영역(1035)(도 10)의 다양한 층들의 두께는 규칙 격자 영역(700)(도 7)에 관하여 이상에 설명된 바와 같이, 동작 전압이 인가되는 경우 미니 밴드를 형성하는 데 필요한 에너지 레벨에 의해 결정된다. CaF2/CdF2 규칙 격자 영역(1035)(도 10)은 도 전체로서 제공되지만, 인접하는 활성 영역들(1035) 중 하나로 나타낸 유효 굴절률보다 낮은 유효 굴절률에 의해 양자 캐스케이드 레이저(1000) 내의 광을 제한한다. 이러한 제한은 이상에 설명된 SiO2 층(102)에 의해 형성된 기능과 동일한 기능이다.
예시적인 양자 캐스케이드 레이저(1000)도 a) 규소(Si) 기판(101), b) 이산화규소층 SiO2(102), c) Si 층(103), d) 도전성 Si(n+ Si) 층(105), e) 금속층(115,117) 및 j) 도전체(125,127)를 포함한다.
분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy)는 다양한 Si와 CaF2 및 CdF2 층을 증착하는 데 이용될 수 있다. 규소를 증착하기 위해, e-빔 소스, 예컨대, 전자 빔 증발기가 Si 원자의 소스로서 이용될 수 있다. CaF2, CdF2 및 도펀트에 있어서, 열 증발기, 예컨대, 방출 셀이 분자의 소스로서 이용될 수 있다.
도 11은 예시적인 양자 캐스케이드 레이저(1000)의 3 차원도의 일부를 도시한다. 금속층(115,117) 및 도전체(125,127)와 표면(1055,1071)도 도시되어 있다. 표면(1055)은 부분적으로 반사하여 표면 사이에 레이저 방출이 발생하는 광학 공동을 형성한다. 표면(1055)은 분열시키거나 반사성 물질로 코팅하거나 이들 양자의 조합에 의해 반사할 수 있다. 각 표면(1055)은 표면(1055) 중 다른 하나와 상관없는 방식으로 및 어느 정도 반사할 수 있다. 표면(1071)은 규소(Si) 기판(101), 이산화규소(SiO2), Si 층(103) 및 도전성 Si(n+ Si) 층과 같은 예시적인 양자 캐스케이드 레이저(1000)의 기저층이다. 레이저 광(1075)은 표면(1055) 중 하나로부터 방출되는 것으로 도시된다.
당업자는 본 발명의 원리에 따라 구현된 반도체 광원이 단순히 일직선일 필요는 없으며 예컨대, 고리형태의 공진기 레이저 또는 도파관 광증폭기를 형성하도록 다양한 형태로 형성될 수 있음을 쉽게 알 것이다.

Claims (23)

  1. 광원으로서 작용하는 규소(Si) 및 플루오르화칼슘(CaF2)을 포함하는
    반도체 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 구조체는 적어도 2 개의 전극을 더 포함하는
    반도체 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 규소와 상기 플루오르화칼슘 중 적어도 하나는 도핑되는
    반도체 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 규소의 적어도 일부는 도펀트로 도핑되어 n형 규소가 되는
    반도체 구조체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 플루오르화칼슘은 도펀트로 도핑되어 n형 플루오르화칼슘이 되는
    반도체 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플루오르화칼슘은 플루오르화카드뮴과 합금되는
    반도체 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 구조체는 일직선이 아닌 형태를 가지도록 배치되는
    반도체 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 구조체는 전기적으로 펌핑되도록(pumped) 구성되는
    반도체 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 구조체는 서브밴드간 전이(intersubband transitions)를 이용하여 동작하는
    반도체 구조체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 서브밴드간 전이는 전도 밴드(conduction band)에서 발생하는
    반도체 구조체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 규소(Si)는 두께의 범위가 5 Å 내지 100 Å인 적어도 하나의 층으로 형성되는
    반도체 구조체.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 플루오르화칼슘(CaF2)은 두께의 범위가 5 Å 내지 50 Å인 적어도 하나의 층으로 형성되는
    반도체 구조체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    플루오르화카드뮴과 합금되지 않는 적어도 하나의 CaF2 층을 더 포함하되, 플루오르화칼슘(CaF2)과 플루오르화카드뮴의 합금 층은 플루오르화카드뮴과 합금되지 않는 상기 CaF2 층보다 쉽게 도핑되어 도전성이 되는
    반도체 구조체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 규소는 게르마늄과 합금되는
    반도체 구조체.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 규소와 게르마늄의 합금은 상기 CaF2와 거의 완벽한 격자 정합을 획득하는
    반도체 구조체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 구조체 중 적어도 하나의 표면은 상기 광을 적어도 일부분 반사하는
    반도체 구조체.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 규소 및 상기 플루오르화칼슘은 교번 층들로서 배치되는
    반도체 구조체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 규소 및 상기 플루오르화칼슘으로 이루어진 상기 교번 층들은 적어도 하나의 활성 영역을 형성하는
    반도체 구조체.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 규소 및 상기 플루오르화칼슘으로 이루어진 상기 교번 층들은 적어도 하나의 규칙 격자(superlattice) 영역을 형성하는
    반도체 구조체.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 규소 및 상기 플루오르화칼슘으로 이루어진 상기 교번 층들이 형성되는 베이스를 더 포함하는
    반도체 구조체.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 베이스는 규소 기판, 상기 규소 기판 상의 이산화규소층, 상기 이산화규소층 상의 규소층, 상기 규소층 상에서 도전성이 되도록 도핑된 규소층을 더 포함하는
    반도체 구조체.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 도전성 규소층의 적어도 일부분 상의 금속층을 더 포함하는
    반도체 구조체.
  23. 광을 생성하는 방법에 있어서,
    실질적으로 규소를 포함하는 층이 양자 웰(quantum well)을 형성하고 주로 플루오르화칼슘을 포함하는 층이 장벽을 제공하는 상기 양자 웰 및 장벽을 갖는 양자 웰 구조체 내로 하나 이상의 전자를 주입하는 단계를 포함하는
    광 생성 방법.
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