KR20100057043A - 광전 소자 - Google Patents

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오스람 옵토 세미컨덕터스 게엠베하
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Abstract

반도체층 시퀀스를 가진 반도체 몸체(2)를 포함하는 광전 소자(1)가 제공된다. 반도체 몸체(2)의 반도체층 시퀀스는 펌프 복사의 생성을 위해 예정된 펌프 영역(3) 및 방출 복사의 생성을 위해 예정된 방출 영역(4)을 포함한다. 방출 영역(4) 및 펌프 영역(3)은 포개어져 배치된다. 펌프 복사는 광전 소자(1)의 동작 시 방출 영역(4)을 광학적으로 펌핑한다. 방출 복사는 광전 소자(1)의 동작 시 반도체층 시퀀스를 가진 반도체 몸체(2)로부터 래터럴 방향으로 출사한다.

Description

광전 소자{OPTOELECTRONIC COMPONENT}
본 출원은 광전 소자에 관한 것이다.
질화물 화합물 반도체계 반도체 레이저 다이오드의 경우, 대부분, 파장이 증가하면 복사 생성의 효율이 감소한다. 따라서, 녹색 스펙트럼 영역에서 복사 생성이 어려워진다. 이제까지 녹색 레이저빔은, 비선형 광학 결정을 이용하여 레이저빔이 적외선 스펙트럼 영역에서 주파수 2배(frequency doubling)됨으로써 생성되는 경우가 많다. 이는 조정 및 실장을 위해 비교적 큰 소모가 든다. 이를테면, 상기 결정에 필요한 비용 및 비교적 낮은 변환 효율이 그러하다.
본 발명의 과제는 종래의 반도체 레이저 다이오드를 이용한 경우 직접적으로 수용할 수 없는 스펙트럼 영역에서 복사를 방출하는 광전 소자를 제공하는 것이다.
상기 과제는 특허 청구 범위 1항의 주제를 통해 해결된다. 유리한 형성예들 및 발전예들은 종속 청구항들의 주제이다.
일 실시예에 따르면, 광전 소자는 반도체층 시퀀스를 가진 반도체 몸체를 포함하고, 상기 반도체층 시퀀스는 펌프 복사의 생성을 위해 예정된 펌프 영역 및 방출 복사의 생성을 위해 예정된 방출 영역을 포함한다. 펌프 영역 및 방출 영역은 포개어져 배치된다. 펌프 복사는 광전 소자의 동작 시 상기 방출 영역을 광학적으로 펌핑한다. 광전 소자의 동작 시, 방출 복사는 래터럴(lateral) 방향으로 상기 반도체 몸체로부터 출사된다. 펌프 복사를 이용하면, 방출 영역에서 복사가 간단히 생성될 수 있으며, 이 때 상기 복사의 피크 파장이 종래의 반도체 레이저 다이오드에서 구현하기 어려웠던 스펙트럼 영역에 위치한다. 방출 영역에서 생성된 복사는 간섭성(coherent)인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 광전 소자의 동작 시, 펌프 영역은 전기적으로 펌핑된다. 전기 출력은 적어도 부분적으로 펌프 복사의 형태인 광학적 출력으로 변환되고, 그 이후 방출 복사로 변환된다.
바람직하게는, 방출 복사 및 펌프 복사는 래터럴 방향으로 전파한다. 펌프 복사는 방출 복사와 마찬가지로 반도체 몸체에서 래터럴 방향으로 진행할 수 있다. 래터럴 방향이란, 반도체층 시퀀스의 반도체층들의 주 연장면에서 진행하는 방향을 의미한다. 또한, 방출 영역 및 펌프 영역은 공통의 도파관(waveguide)에 배치될 수 있다.
바람직한 발전예에서, 방출 영역 및 펌프 영역은 2개의 클래딩층들 사이에 배치된다. 더욱 바람직하게는, 클래딩층들의 각각의 굴절률은, 펌프 영역 및 방출 영역을 향해있는 클래딩층들의 측에 각각 배치된 반도체층들의 굴절률보다 낮다. 클래딩층들에 의해, 펌프 복사 및 방출 복사의 동시적인 횡 도파(transverse wave guiding)가 야기될 수 있다.
바람직한 형성예에서, 광전 소자의 동작 시, 일 전하형의 전하 캐리어들, 즉 전자들이나 정공들은 방출 영역을 통과하여 펌프 영역으로 주입된다. 바람직하게는, 전하 캐리어들의 주입을 위해 제1접촉층 및 제2접촉층이 구비되고, 이 때 방출 영역 및 펌프 영역은 상기 접촉층들 사이에 배치된다. 제1접촉층 및 제2접촉층 사이에 방출 영역이 배치됨으로써, 광전 소자가 매우 콤팩트하게 형성될 수 있다. 또한, 방출 영역과 펌프 복사의 광학적 결합이 간단해진다.
방출 복사의 피크 파장은 펌프 복사의 피크 파장보다 큰 것이 적합하다. 따라서, 방출 영역에서 펌프 복사가 효율적으로 흡수될 수 있다.
일 형성 변형예에서, 방출 복사의 피크 파장 및/또는 펌프 복사의 피크 파장은 자외선 스펙트럼 영역 또는 가시 스펙트럼 영역에 위치한다. 예를 들면, 펌프 복사의 피크 파장은 청색 또는 자외선 스펙트럼 영역에 위치하며, 방출 복사는 녹색 스펙트럼 영역에 위치할 수 있다. 녹색 스펙트럼 영역이란, 특히, 490 nm 이상 570 nm이하의 영역을 의미한다. 자외선 스펙트럼 영역은, 가령, 1 nm 내지 380 nm의 파장 영역을 포함한다.
또한, 방출 복사의 피크 파장은 480 nm이상 600 nm이하일 수 있다.
바람직하게는, 방출 영역 및/또는 펌프 영역은 III-V 반도체 물질을 포함한다. 특히, 방출 영역 및/또는 펌프 영역은 AlxInyGa1 -x- yN을 포함하고, 이 때 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1이다. 상기 반도체 물질은 자외선 및 가시 스펙트럼 영역, 특히 청색 및 녹색 스펙트럼 영역에서 복사를 생성하기에 매우 적합하다.
대안적 형성 변형예에서, 방출 복사의 피크 파장 및/또는 펌프 복사의 피크 파장은 적외선 스펙트럼 영역 또는 적색 스펙트럼 영역에 위치한다. 특히, 적색 및 적외선 스펙트럼 영역에서 복사를 생성하기 위해, 방출 영역 및/또는 펌프 영역은 AlxInyGa1 -x- ySb, AlxInyGa1 -x- yAs 또는 AlxInyGa1 -x- yP를 포함할 수 있고, 이 때 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1이다.
대안적 또는 보완적으로, 방출 영역 및/또는 펌프 영역은 III-V 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들면 최대 5%의 질소 함량을 가진 InGaAsN을 포함할 수 있다. 상기와 같은 반도체 물질은 "희석된 질화물"로도 표현한다.
바람직한 형성예에서, 방출 영역 및/또는 펌프 영역은 양자 구조를 포함한다. 특히, 본 출원의 틀에서, 양자 구조란 명칭은 전하 캐리어들이 속박("confinement")에 의해 에너지 상태의 양자화를 경험할 수 있는 모든 구조를 포함한다. 특히, 양자 구조란 명칭은 양자화의 차원성에 대한 정보를 담고 있지 않다. 상기 명칭은, 특히, 양자 상자, 양자선, 양자점 및 이들 구조들의 각각의 조합을 포함한다.
바람직한 발전예에서, 양자층에 인접한 반도체층의 밴드갭, 가령 2개의 인접한 양자층들 사이에 위치한 장벽층의 밴드갭은 펌프 영역의 양자층에 인접한 반도체층에 상응한다. 방출 영역 및 펌프 영역의 양자층들에는, 특히 물질 조성과 관련하여 각각 동일한 종류로 실시된 반도체 물질이 인접할 수 있다. 따라서, 결정 품질이 높은 방출 영역 및 펌프 영역을 형성하기가 간단해진다.
바람직한 형성예에서, 반도체 몸체에 전하 캐리어 장벽이 형성된다. 바람직하게는, 일 전하형에 대한 전하 캐리어 장벽은 다른 전하형에 대한 경우보다 높은 투과도를 가진다. 전하 캐리어 장벽은 정공 장벽 또는 전자 장벽으로 실시될 수 있다. 펌프 영역의 전기적 펌핑은 개선될 수 있어서, 복사성(radiating) 전자-정공쌍의 재조합이 주로 펌프 영역에서 이루어진다.
바람직하게는, 반도체 몸체의 n형 도핑된 영역에 배치되거나 상기 반도체 몸체의 n형 도핑된 영역에 인접하여 배치된 전하 캐리어 장벽은 정공 장벽으로 실시된다.
그에 상응하여, 반도체 몸체의 p형 도핑된 영역에 배치되거나 상기 반도체 몸체의 p형 도핑된 영역에 인접하여 배치된 전하 캐리어 장벽은 전자 장벽으로 실시되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 정공 장벽은, 가전자대 에지가, 인접한 반도체층들의 가전자대 에지의 하부에 위치하는 반도체층을 이용하여 형성될 수 있다. 그에 상응하여, 전자 장벽은, 전도대 에지가, 인접한 반도체층들의 전도대 에지의 상부에 위치하는 반도체층을 이용하여 형성될 수 있다.
대안적 또는 보완적으로, 전하 캐리어 장벽은 터널 장벽으로 실시될 수 있다. 바람직하게는, 터널 장벽의 밴드갭은 인접한 반도체 물질의 밴드갭보다 크다.
바람직하게는, 터널 장벽의 두께는 최대 10 nm, 더욱 바람직하게는 최대 5 nm, 예를 들면 2 nm이다. 전하 캐리어들은 양자 기전 터널 효과의 결과로 터널 장벽을 극복할 수 있다. 대부분, 도전형이 서로 다른 전하 캐리어들의 경우 터널링 확률이 서로 다르다. 일 전하형에 대한 투과도, 대부분의 경우 전자에 대한 투과도는 다른 전하형에 대한 경우보다 크다.
바람직한 발전예에서, 상기 전하 캐리어 장벽과 반대 방향인 펌프 영역의 측에 다른 전하 캐리어 장벽이 배치된다. 이 때 적합하게는, 전하 캐리어 장벽은 정공 장벽으로, 다른 전하 캐리어 장벽은 전자 장벽으로 실시되거나, 그 반대로 실시된다. 전자-정공쌍의 재조합은 매우 효율적으로 펌프 영역에 한정될 수 있다. 전기적 출력으로부터 펌프 복사로의 변환 효율은 더 향상될 수 있다.
전하 캐리어 장벽은 펌프 영역과 방출 영역 사이에 형성될 수 있다. 주입된 전하 캐리어들의 재조합은 간단히 펌프 영역에 한정될 수 있다. 또는, 전하 캐리어 장벽은 방출 영역과 반대 방향인 펌프 영역의 측에 배치될 수 있다.
바람직한 형성예에서, 반도체층 시퀀스의 반도체층들의 층 두께는, 소정 비율의 펌프 복사가 방출 영역과 광학적으로 결합하도록 실시된다. 특히, 펌프 복사와 방출 영역간의 결합도는, 광전 소자의 동작 시 수직 방향으로 형성되는 펌프 복사의 광학 모드에 대해 상대적으로 방출 영역을 적합하게 배치함으로써 조절될 수 있다.
일 형성 변형예에서, 방출 영역 및 펌프 영역은 수직 방향 즉, 횡 방향에서 동일한 차수(order)의 광학 모드로 동작하도록 각각 예정된다. 특히, 방출 영역 및 펌프 영역은 수직 방향에서 각각 광학적 기본 모드로 동작하도록 예정될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 방출 영역과 펌프 영역 사이의 간격은, 펌프 복사의 소정 비율이 방출 영역과 광학적으로 결합되도록 조절된다. 광학 모드의 펌프 복사 세기 최대값, 특히 광학적 기본 모드의 경우 단일의 펌프 복사 세기 최대값으로부터 방출 영역의 간격이 작을수록, 방출 영역과 펌프 복사 간의 광학적 결합이 더 강해진다.
수직 방항에서, 방출 영역 및 펌프 영역은 서로 다른 차수를 가진 횡적 광학 모드로 동작하도록 예정될 수 있다. 특히, 방출 영역은 기본 모드의 동작을 위해, 펌프 영역은 제1차 모드의 동작을 위해 예정될 수 있다.
제n차 광학 모드는 n개의 노드(node)를 포함하는 정재 복사장(standing radiation field)을 특징으로 한다. 펌프 영역 및/또는 방출 영역의 광학 모드의 노드는 흡수층의 영역에 형성될 수 있다. 그러므로, 상기 흡수층에서 펌프 복사 내지 방출 복사의 예기치 않은 흡수가 일어나는 것이 감소할 수 있다.
바람직하게는, 반도체 몸체는 복사 투과면을 포함한다. 복사 투과면을 통해, 방출 복사, 및 경우에 따라서 펌프 복사가 통과할 수 있으며, 특히 공선으로(collinear) 통과할 수 있다.
바람직한 형성예에서, 복사 투과면에 아웃커플링층이 형성된다. 아웃커플링층은 다층으로 형성될 수 있다. 특히, 아웃커플링층은 브래그 거울(Bragg mirror)로 실시될 수 있다. 브래그 거울을 이용하면, 방출 복사에 대한 반사도 및 펌프 복사에 대한 반사도가 폭 넓은 범위에서 각각 별도로 조절될 수 있다.
바람직하게는, 복사 투과면은 특히 아웃커플링층을 이용하여 형성되되, 상기 복사 투과면이 펌프 복사에 비해 방출 복사에 대한 반사도가 더 낮도록 형성된다. 특히, 복사 투과면은 최대 70%, 바람직하게는 최대 50%의 반사도를 포함하고, 펌프 복사에 대해서는 적어도 70%의 반사도를 포함할 수 있다. 특히, 펌프 복사가 광전 소자로부터의 아웃커플링을 위해 예정되지 않은 경우, 펌프 복사에 대한 반사도는 80%이상, 바람직하게는 90%이상일 수 있다.
바람직한 발전예에서, 복사 투과면에 대향된 반도체 몸체의 면은 예를 들면 반사층을 이용하여 형성되되, 상기 면이 방출 복사 및 펌프 복사에 대해 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 더욱 바람직하게는 적어도 90%의 반사도를 포함하도록 형성된다.
바람직한 발전예에서, 방출 복사 및/또는 펌프 복사를 위한 공진기는 외부 거울을 이용하여 형성된다. 방출 복사는 방출 영역 및 외부 거울 사이에서 자유 빔 영역을 통과한다.
펌프 복사 및 방출 복사는 서로 다른 공진기들에서 전파할 수 있다. 특히, 공진기들은 공진기 유형 및/또는 공진기 길이와 관련하여 서로 다른 종류로 형성될 수 있다. 예를 들면, 펌프 복사는 선형 공진기에서 전파할 수 있는 반면, 방출 복사는 링형 공진기에서 전파할 수 있거나, 그 반대의 경우도 가능하다.
더욱 바람직한 형성예에서, 광전 소자는 비선형 광학 부재를 포함한다. 비선형 광학 부재는 방출 복사의 주파수 혼합, 특히, 가령 주파수 2배와 같은 주파수 체배(frequency multiplication)를 위해 예정될 수 있다. 또한, 비선형 광학 부재는 방출 복사를 위한 외부 공진기내에 배치될 수 있다. 따라서, 방출 영역으로부터 출사된 복사, 예를 들면 녹색 스펙트럼 영역의 복사를 자외선 스펙트럼 영역으로 변환하는 것이 매우 효율적으로 수행될 수 있다.
더욱 바람직한 형성예에서, 광전 소자는 복사 수신기를 포함한다. 바람직하게는, 복사 수신기는 다른 반도체층 시퀀스를 포함한다. 상기 다른 반도체층 시퀀스의 층 구조체는 적어도 부분적으로 상기 반도체층 시퀀스의 층 구조체에 상응할 수 있다. 특히, 방출 영역 및 펌프 영역을 포함한 반도체층 시퀀스, 그리고 상기 복사 수신기의 다른 반도체층 시퀀스는 공통의 증착 단계에서 예를 들면 에피택시얼로 제조될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 공통의 반도체층 시퀀스로부터 생성될 수 있다. 이를 통해 제조가 간단해진다. 또한, 방출 영역 및 펌프 영역을 포함한 반도체층 시퀀스, 그리고 상기 다른 반도체층 시퀀스는 이러한 반도체층 시퀀스들을 위한 공통의 성장 기판상에 배치될 수 있다.
복사 수신기를 이용하면, 예를 들면, 방출 복사 및/또는 펌프 복사의 세기를 감시할 수 있다. 이를 위한 부가적 광전 부품은 생략될 수 있다.
바람직한 형성예에서, 방출 영역 및 펌프 영역을 포함한 반도체 몸체상에 또는 상기 반도체 몸체에 래터럴 구조화가 이루어진다. 상기와 같은 래터럴 구조화를 이용하여, 예를 들면 래터럴로, 즉 길이 방향으로 모노 모드(mono mode)의 동작이 구현될 수 있다. 래터럴 구조는 예를 들면 DFB(distributed feedback) 구조 또는 DBR(distributed Bragg reflector) 구조일 수 있다.
이하, 다른 특성들, 유리한 형성예들 및 적합성들은 도면들과 관련한 기재로부터 도출된다.
도 1은 광전 소자의 제1실시예를 개략적 단면도로 도시한다.
도 2는 광전 소자의 제2실시예의 경우에 반도체 몸체의 일부분에 대한 전도대 에지 및 가전자대 에지의 진행 과정을 도시한다.
도 3A 및 3B는 광전 소자의 제3실시예(도 3A) 및 제4실시예(도 3B)의 경우에 반도체 몸체의 일부분에 대한 전도대 에지 및 가전자대 에지의 진행 과정을 각각 도시한다.
도 4는 광전 소자의 제4실시예의 경우에 반도체 몸체의 일부분에서 복사성 재조합(RS) 비율, 그리고 전도대 에지 및 가전자대 에지의 수직 진행 과정에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 5A 및 5B는 다양한 열 저항을 가진 광전 소자의 실시예들의 경우에 주입 전류(I)의 함수로서 방출된 복사속(P)에 대한 시뮬레이션 결과를 각각 도시한다.
도 6A 내지 6C는 광전 소자의 3개의 실시예들의 경우에 굴절률, 펌프 복사의 광학 모드, 방출 복사의 광학 모드에 대한 질적(qualitative) 수직 진행 과정을 각각 도시한다.
도 7은 광전 소자의 제4실시예의 경우에 수직 방향의 전자 밀도 및 페르미 레벨의 전도대 에지 진행 과정에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 8은 도 7에 토대를 둔 광전 소자의 제4실시예의 경우에 전압(U)의 함수로서 전류 밀도(j)에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 9는 아웃커플링층의 2개의 실시예들의 경우에 파장(λ)의 함수로서 아웃커플링층의 반사도(R)에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 10은 광전 소자의 제5실시예를 개략적 측면도로 도시한다.
도 11은 광전 소자의 제6실시예를 개략적 측면도로 도시한다.
동일하고, 동일한 종류이면서 동일하게 작용하는 부재들은 도면에서 동일한 참조 번호를 가진다.
도면들은 각각 개략적으로 도시된 것으로, 반드시 축척에 맞지는 않다. 오히려, 비교적 작은 부재들 및 특히 층 두께는 명확한 이해를 위해 과장되어 확대 도시되어 있을 수 있다.
광전 소자(1)의 제1실시예는 도 1의 개략적 단면도에 도시되어 있다. 광전 소자(1)는 반도체층 시퀀스를 포함한 반도체 몸체(2)를 포함한다. 반도체층 시퀀스는 반도체 몸체를 형성하고, 바람직하게는, 가령 MOVPE 또는 MBE를 이용하여 에피택시얼 제조된다. 반도체 몸체의 반도체층 시퀀스는 펌프 복사의 생성을 위해 예정된 펌프 영역(3) 및 방출 복사의 생성을 위해 예정된 방출 영역(4)을 포함한다. 펌프 영역 및 방출 영역은 포개어져 배치된다.
광전 소자의 동작 시, 펌프 복사는 방출 영역(4)을 광학적으로 펌핑한다. 이렇게 생성된 방출 복사는 래터럴 방향으로 반도체 몸체로부터 출사된다. 방출 복사 및 펌프 복사는 래터럴 방향으로 전파한다.
반도체층 시퀀스를 포함한 반도체 몸체(2)는 캐리어(29)상에 배치된다. 캐리어는 예를 들면 반도체 몸체(2)의 반도체층 시퀀스를 위한 성장 기판일 수 있다. 또는, 캐리어(29)는 성장 기판과 다를 수 있다. 이 경우, 캐리어는 성장 기판을 위한 까다로운 조건, 특히 결정 순도와 관련한 조건을 충족할 필요가 없고, 오히려 열 전도도, 전기 전도도 및/또는 기계적 안정성과 같은 다른 특성을 고려하여 선택될 수 있다.
광전 소자(1)는 제1접촉층(61) 및 제2접촉층(62)을 더 포함한다. 제1 및 제2접촉층은, 광전 소자의 동작 시 상기 접촉층들에 의해 전하 캐리어들이 서로 다른 측에서 펌프 영역(3)으로 주입될 수 있고, 그 곳에서 전자-정공 쌍의 재조합을 통해 복사를 생성하도록 배치된다. 바람직하게는, 접촉층들은 가령 Au, Ag, Ti, Pt, Al 또는 Ni와 같은 금속 또는 상기 열거한 금속들 중 적어도 하나와의 금속 합금을 각각 함유한다.
펌프 영역(3)은 수직으로 전기적 펌핑되는 반면, 방출 영역(4)을 광학적으로 펌핑하는 펌프 복사는 래터럴 방향으로 전파한다.
펌프 영역(3)은 예를 들면 3개의 양자층들(31)을 포함하고, 상기 양자층들 사이에 각각 장벽층(32)이 배치된다. 3개 이외의 개수의 양자층들, 가령 1개의 양자층, 2개의 양자층들 또는 4개 이상의 양자층들이 펌프 영역에 형성될 수 있다.
또한, 방출 영역(4)은 양자층(41)을 포함한다. 이와 달리, 방출 영역은 2개 이상의 양자층들을 포함할 수 있다. 방출 영역(4)의 양자층 내지 양자층들은, 상기 방출 영역의 양자층에서 전자 정공쌍의 천이 에너지가 펌프 영역(3)의 양자층들(31)에서의 천이 에너지보다 작도록 실시되는 것이 적합하다. 그러므로, 펌프 영역에서 생성된 펌프 복사가 효율적으로 방출 영역에 흡수될 수 있다.
광전 소자의 동작 시, 일 전하형의 전하 캐리어들은 방출 영역(4)을 통과하여 펌프 영역(3)으로 주입된다. 도시된 실시예에서, 방출 영역은 제2접촉층(62)으로부터 펌프 영역(3)으로의 전하 캐리어 주입 경로에 배치된다.
적합하게는, 반도체층들은 펌프 영역의 일 측에서 적어도 부분적으로 n형 도핑되며, 펌프 영역의 다른 측에서 적어도 부분적으로 p형 도핑된다. 그러므로, 펌프 영역의 2개의 서로 다른 측으로부터 상기 펌프 영역으로의 전하 캐리어 주입이 간단해진다.
예를 들면, 펌프 영역(4)과 캐리어(29) 사이에 n형 반도체층(21) 및 n형 클래딩층(20)이 배치될 수 있다. 이에 상응하여, 캐리어와 반대 방향인 펌프 영역(4)의 측에 p형 도핑된 반도체층들(22, 24) 및 p형 클래딩층(23)이 배치될 수 있다. 클래딩층들의 굴절률은 상기 클래딩층들 사이에 배치된 반도체층들의 굴절률보다 작은 것이 적합하다. 방출 영역 및 펌프 영역은 클래딩층들 사이에 배치된다. 그러므로, 클래딩층들 사이에서 펌프 복사 및 방출 복사를 공통으로 횡적 도파하는 것이 간단해진다.
바람직하게는, 방출 영역(4) 및 펌프 영역(3)은 적어도 부분적으로 반도체 몸체에서 동일한 종류로 도핑된 영역에 배치된다. 특히, 방출 영역은 완전히, 그리고 펌프 영역은 완전히 또는 적어도 부분적으로 n형 도핑된 영역에 배치될 수 있다.
방출 영역(4) 및 펌프 영역(3)의 반도체층들은 물질 조성과 관련하여 폭 넓은 범위에서 달라질 수 있다.
바람직하게는, 방출 영역(4) 및/또는 펌프 영역(3)은 III-V 화합물 반도체 물질을 함유한다. 녹색 방출 복사의 생성을 위해, 특히, 질화물계의 화합물 반도체 물질이 적합하며, 바람직하게는, 상기 반도체 물질은 AlxInyGa1 -x- yN이란 물질 조성을 기반으로 하며, 이 때 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1이다. 도 1에 도시된 층 구조체를 위한 예시적 물질 조성은 표 1에 도시되어 있으며, 이 때 방출 영역은 약 532 nm인 녹색 스펙트럼 영역에서 복사를 생성하도록 예정된다.
층 물질 조성 층 두께
제1접촉층(61) Au 1000 nm
반도체층(24) GaN 100 nm
클래딩층(23) Al0 .06Ga0 .94N 600 nm
반도체층(22) GaN 88.58 nm
양자층(31) In0 .051Ga0 .949N 4 nm
장벽층(32) GaN 8 nm
양자층(31) In0 .051Ga0 .949N 4 nm
장벽층(32) GaN 8 nm
양자층(31) In0 .051Ga0 .949N 4 nm
중간층(5) GaN 279.11 nm
방출 영역(4)의 양자층(41) In0 .10Ga0 .90N 2 nm
반도체층(21) GaN 420.83 nm
클래딩층(20) Al0 .06Ga0 .94N 2000 nm
캐리어 GaN 90 ㎛
제2접촉층(62) Au 1000 nm
방출 복사의 피크 파장은 방출 영역(4)의 양자층(41)의 두께 및 In 함량을 적절히 조합하여 조절할 수 있고, 상기 피크 파장은 In 함량의 증가 및/또는 층 두께의 증대에 의해 증가할 수 있다. 약 532 nm 파장을 가진 방출 복사를 생성하기 위해, 예를 들면 10%의 인듐 함량(y) 및 2 nm의 두께를 가진 InGaN 양자층(41)이 적합하다. 상기 양자층(41)에 인접한 반도체층들(21, 5)은 각각 GaN계이며, 양자층(41)의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 포함한다. 방출 영역은 하나 이상의 양자층을 포함할 수 있고, 이 때 상기 양자층들은 동일한 종류로 실시되는 것이 바람직하다.
펌프 영역(3)의 양자층들(31)의 경우, 4 nm의 두께 및 약 5.1%의 인듐 함량(y)을 가진 양자층들이 적합하다. 장벽층들(32)은 GaN계이고, 방출 영역(4)의 양자층(41)에 인접한 반도체층들(21, 5)과 동일한 조성을 포함한다. 펌프 영역은 3개의 양자층들(31)을 포함한다. 그러나, 이와 달리, 1개의 양자층만 또는 2개나 3개 이상의 양자층들을 포함한 양자 구조도 고려될 수 있다.
펌프 영역(3)의 양자층들(31)은 방출 영역(4)의 양자층(41)보다 낮은 인듐 농도를 포함한다. 따라서, 펌프 영역(3)의 양자층들로 전하 캐리어가 주입되는 것은, 특히 방출 영역(4)의 양자층들로 주입되는 것에 비해 간단해진다.
인듐 함량이 증가하면서 양자층들로의 전하 캐리어 주입이 어려워지는 것은 InGaN/GaN 경계면에 형성되는 압전계때문이다. 인듐 함량이 많을 수록, 압전계가 더 강해진다.
전기적으로 펌핑된 펌프 영역(3) 및 상기 펌프 영역에 의해 광학적으로 펌핑된 방출 영역(4)을 이용하면, 예를 들면 녹색 파장 영역과 같은 파장 영역의 복사가 외부 전기 전압의 인가에 의해 간단히 생성될 수 있다. 그러므로, 가령 레이저 복사와 같은 간섭성 복사가 녹색 스펙트럼 영역에서 생성될 수 있고, 이 때, 비선형 광학 결정으로의 변환은 생략될 수 있다. 녹색의 간섭성 복사는 전기적으로 펌핑된 반도체 몸체(2)내에서 생성된다.
펌프 영역(3)과 방출 영역(4) 사이에 중간층(5)이 배치된다. 중간층을 이용하면, 펌프 복사와 방출 영역(4) 간의 광학적 결합이 조절될 수 있다. 바람직하게는, 중간층의 두께는 1 nm이상 2 ㎛이하이며, 더욱 바람직하게는 5 nm이상 1 ㎛이하이다. 이는 도 6A 내지 6C와 관련하여 상세히 실시된다.
층 두께 및/또는 물질 조성을 조절하여 다른 방출 파장이 생성될 수도 있다. 바람직하게는, 방출 복사의 피크 파장은 480 nm이상 600 nm이하이다. 바람직하게는, 펌프 복사의 피크 파장은 청색 스펙트럼 영역 또는 자외선 스펙트럼 영역에 위치한다.
펌프 영역(3) 및 방출 영역(4)은 2개의 클래딩층들(23, 20)사이에 배치되고, 상기 클래딩층들은 각각 Al0 .06Ga0 .94N을 함유하며, 상기 클래딩층들의 굴절률은, 상기 클래딩층들(20, 23) 사이에 배치된 GaN 반도체층들, 가령 펌프 영역(3)의 장벽층들(32) 또는, 각각 상기 방출 영역 및 펌프 영역의 측에서 상기 클래딩층들(20, 23)에 인접한 반도체층들(21, 22)보다 작다.
상기 기재된 층 시퀀스의 물질 조성과 달리, 방출 영역 및/또는 펌프 영역은 다른 반도체 물질, 특히 III-V 반도체 물질을 함유할 수 있다. 예를 들면, 방출 영역 및/또는 펌프 영역은 AlxInyGa1 -x- ySb, AlxInyGa1 -x- yAs 또는 AlxInyGa1 -x- yP를 함유하고, 이 때 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1이다. III-V 반도체 물질, 예를 들면 최대 5%의 질소 함량(z)을 포함한 InyGa1 - yAs1 - zNz도 사용될 수 있다. 반도체 물질 및 반도체층 두께를 적합하게 선택하여, 방출 복사는 자외선 영역으로부터 가시 영역을 거쳐 적외선 영역의 근방까지 또는 중심 적외선 영역까지 이르는 폭 넓은 영역에서 조절될 수 있다. 예를 들면, 중심 적외선에서 복사를 방출하도록 예정된 방출 영역은 적외선 근방에서 방출하는 펌프 영역을 이용하여 광하적으로 펌핑될 수 있다.
반도체층 시퀀스를 포함한 반도체 몸체(2)는 복사 투과면(26)을 포함한다. 복사 투과면은 반도체 몸체(2)의 반도체층 시퀀스의 반도체층들의 주 연장 방향에 대해 경사지거나 수직이며, 상기 반도체 몸체를 래터럴 방향에서 한정한다.
복사 투과면(26)은 예를 들면 쪼갬 또는 파괴를 이용하거나, 가령 습식 화학 식각이나 건식 화학 식각과 같은 식각을 이용하여 제조될 수 있다.
복사 투과면(26)상에 아웃커플링층(7)이 형성되고, 상기 아웃커플링층을 이용하면 방출 복사 및/또는 펌프 복사에 대한 반사도가 소정의 값 또는 소정의 반사도 스펙트럼 진행 과정에 맞춰질 수 있다. 경우에 따라서, 아웃커플링층은 생략될 수 있다. 도시된 실시예와 달리, 아웃커플링층(7)은 접촉층들(61, 62) 및/또는 캐리어(29)를 덮지 않거나, 부분적으로만 덮을 수 있다.
아웃커플링층(7)은 펌프 복사에 비해 방출 복사에 대해 더 낮은 반사도를 가질 수 있다. 아웃커플링층(7)은 예를 들면 방출 복사에 대해 최대 70%, 바람직하게는 최대 50%의 반사도를 가지고, 펌프 복사에 대해 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 80%, 더욱 바람직하게는 적어도 90%의 반사도를 가질 수 있다. 특히, 펌프 복사가 반도체 몸체(2)로부터의 아웃커플링을 위해 예정되지 않고, 방출 영역(4)의 광학적 펌핑을 위해서만 예정된 경우, 상기 아웃커플링층은 펌프 복사에 대해 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 90%, 더욱 바람직하게는 적어도 95%의 반사도를 가질 수 있다.
복사 투과면(26)과 대향된 반도체 몸체(2)의 측에 반사층(28)이 형성된다. 바람직하게는, 반사층은 펌프 복사 및 방출 복사에 대한 반사도가 높다. 상기 반사도는 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 더욱 바람직하게는 적어도 80%, 가장 바람직하게는 적어도 90%일 수 있다.
펌프 복사는 적어도 부분적으로 반도체 몸체(2)로부터의 아웃커플링을 위해 예정될 수 있다. 이러한 경우, 펌프 복사에 대한 아웃커플링층(7)의 반사도는 더 낮은 것이 적합할 수 있다.
광전 소자는 방출 복사 및 펌프 복사를 동시에 제공할 수 있으며, 즉 서로 다른 피크 파장을 가지는 2개의 복사 비율, 예를 들면 청색 및 녹색 스펙트럼 영역의 복사를 제공할 수 있다. 방출 복사 및 펌프 복사는, 특히 공선적으로 복사 투과면을 통과할 수 있다. 서로 다른 피크 파장을 가진 복사 비율들의 소모적 중첩은 생략될 수 있다.
또한, 아웃커플링층(7)은 다층으로 형성될 수 있다. 특히, 복수 개의 층들을 이용하여 브래그 거울이 형성될 수 있다. 바람직하게는, 브래그 거울은 유전체로 형성된 층들을 이용하여 형성된다. 방출 복사 또는 펌프 복사를 위해, 상기 층들은 적어도 부분적으로 광학적 층 두께를 가질 수 있으며, 즉 굴절률과 함께 체배된 층 두께, 가령 방출 복사의 피크 파장 내지 펌프 복사의 피크 파장의 1/4인 층 두께를 가질 수 있다.
유전체층들은 반도체 몸체(2)상에, 바람직하게는 예비 제조된 반도체 몸체(2)상에 증착될 수 있다. 이는 예를 들면 스퍼터링 또는 증발을 이용하여 수행될 수 있다. 아웃커플링층(7)은 예를 들면 산화물, 질화물 또는 질산화물을 함유할 수 있으며, 상기 산화물은 가령 TiO2 또는 SiO2 , 질화물은 가령 Si3N4, 질산화물은 가령 규소 질산화물이 있다. 특히, 아웃커플링층을 위해 SiO2층 및 Si3N4층으로 이루어진 층쌍이 적합하다.
아웃커플링층에 대해 기술된 특징은 반사층(28)에 대해서도 적용될 수 있다.
상기 기술된 수직 구조를 가진 반도체 몸체(2)상에 또는 반도체 몸체에 래터럴 구조화가 수행될 수 있다. 예를 들면, 래터럴 구조화는 DFB 반도체 레이저의 구조화 또는 DBR 반도체 레이저의 구조화에 맞추어 실시될 수 있다.
광전 소자의 제2실시예의 경우, 펌프 영역(3) 및 방출 영역(4)을 포함한 반도체 몸체(2)의 일부 영역에서 전도대 에지(EC) 및 가전자대 에지(EV)의 개략적 진행 과정이 도 2에 도시되어 있다. 제2실시예는 도 1과 관련하여 기술된 제1실시예에 실질적으로 상응한다.
표시된 z-방향은 반도체 몸체(2)의 반도체층 시퀀스의 반도체층들의 주 연장 방향에 대해 수직이다. z-방향은 상기 반도체층들의 증착 방향을 따르는 방향이다.
도 1과 관련하여 기술된 바와 같이, 펌프 영역(3) 및 방출 영역(4)은 각각 양자 구조를 포함하며, 상기 펌프 영역(3)은 예를 들면 3개의 양자층들(31)을, 방출 영역(4)은 1개의 양자층(41)을 포함한다. 전도대 에지 및 가전자대 에지의 에너지차는 펌프 영역(3)의 양자층들(31)에서보다 방출 영역(4)의 양자층(41)에서 더 작다. 펌프 영역(3)의 양자층들(31)에서 전자 정공쌍의 복사성 재조합에 의해 생성되는 복사는 방출 영역(4)에서, 특히 양자층(41)에서 흡수될 수 있다. 방출 영역(4)에서 전자 정공쌍의 재조합에 의해, 펌프 복사의 피크 파장보다 큰 피크 파장을 가진 간섭성 복사가 생성될 수 있다. 도시된 전도대 에지 및 가전자대 에지의 진행 과정은 개별 반도체층들을 위한 전도대 에지 및 가전자대 에지의 정규 진행 과정을 개략적으로만 나타낸 것이다. 경계면 효과에 따른 상기 진행 과정의 변화는 매우 간략화된 상기 도면에서 고려되지 않는다.
도 1과 관련하여 기술된 실시예와 달리, 반도체 몸체(2)에는 전하 캐리어 장벽(50)이 형성된다. 전하 캐리어 장벽은 방출 영역(4)과 펌프 영역(3) 사이에 배치된다.
전하 캐리어 장벽(50)은 중간층(5)에 형성되며, 이 때 상기 전하 캐리어 장벽이 포함하는 반도체 물질은 인접한 반도체 물질보다 큰 밴드갭을 가진다. 예를 들면, GaN 중간층에서 전하 캐리어 장벽은, 알루미늄 함량이 10%이상 30%이하, 바람직하게는 15%이상 25%이하인 AlGaN 전하 캐리어 장벽으로 실시될 수 있다. 전하 캐리어 장벽의 두께는, 예를 들면 10 nm이상 50 nm이하이고, 약 20 nm일 수 있다.
전하 캐리어 장벽(50)은 인접한 반도체 물질의 가전자대 에지보다 에너지적으로 더 깊은 가전자대 에지를 포함한다. 펌프 영역(3)의 일 측으로부터 상기 펌프 영역을 통과하여 방출 영역(4)에 이르기까지 정공들에 의한 전류 흐름은 방지될 수 있다. 이러한 방식으로, 펌프 영역(3)내에서 전하 캐리어들의 복사성 재조합이 촉진된다. 그에 반해, 전도대 에지는 전하 캐리어 장벽(50)의 영역에서 일정한 높이로 진행함으로써, 전자들은 전하 캐리어 장벽을 방해없이 가로질러 펌프 영역으로 갈 수 있다.
도 3A 및 3B는 광전 소자의 제3 내지 제4실시예의 경우에 펌프 영역(3) 및 방출 영역(4)을 포함하는 반도체 몸체(2)의 일부 영역에서 전도대 에지(EC) 및 가전자대 에지(EV)의 개략적 진행 과정을 각각 도시한다. 상기 진행 과정은 도 2의 경우와 같이 개별 반도체층들을 위한 전도대 에지 및 가전자대 에지의 정규 진행 과정을 개략적으로만 나타낸 것으로, 경계면 효과는 고려되지 않았다.
도 3A에 도시된 제3실시예는 도 2와 관련하여 기술된 제2실시예에 실질적으로 상응한다.
방출 영역(4)은 제2실시예와 달리 예시적으로 3개의 양자층들(41)을 포함한다.
또한, 제2실시예와 달리, 펌프 영역(3)과 방출 영역(4) 사이에 전하 캐리어 장벽(50)이 형성되고, 상기 전하 캐리어 장벽은 터널 장벽(51)으로 실시된다.
터널 장벽(51)에서 전도대 에지(EC)는 인접한 반도체 물질에서보다 에너지적으로 더 높다. 그와 동시에, 가전자대 에지(EV)는 인접한 반도체 물질에서보다 에너지적으로 더 깊다. 바람직하게는, 터널 장벽은 최대 10 nm, 더욱 바람직하게는 최대 5 nm, 약 2 nm의 두께를 가진다. 인접한 GaN 반도체 물질의 경우, 예를 들면 알루미늄 함량이 30%이상 70%이하인 AlGaN층이 터널 장벽으로서 적합하다.
상기와 같이 실시된 터널 장벽의 경우, 정공들에 대한 투과 확률은 전자들에 대한 투과 확률보다 낮다. 정공들의 통과는 방해받는 반면, 전자들은 가능한 한 방해 없이 터널 장벽을 통과할 수 있다. 따라서, 터널 장벽(51)은 정공 장벽을 나타낸다.
방출 영역(4)과 반대 방향인 펌프 영역(3)의 측에 다른 전하 캐리어 장벽(55)이 배치되고, 상기 다른 전하 캐리어 장벽은 전자 장벽으로 실시된다. 이 때, 전자 장벽의 전도대 에지는 인접한 반도체층들의 전도대 에지보다 에너지적으로 더 높다. 그에 반해, 가전자대 에지는 가능한 한 인접한 반도체 물질과 같은 에너지 레벨로 진행함으로써, 정공들은 실제로 방해 없이 전자 장벽을 가로질러 펌프 영역(3)으로 갈 수 있다.
예를 들면, GaN 반도체 물질에 인접한 전자 장벽으로서 알루미늄 함량이 10%이상 30%이하, 바람직하게는 15%이상 23%이하인 AlGaN 반도체층이 적합하다. 전자 장벽의 두께는 예를 들면 10 nm이상 50 nm이하, 약 20 nm일 수 있다.
반도체 몸체(2)는 2개의 다른 전하형을 위해 각각 하나의 전하 캐리어 장벽을 포함한다. 이러한 방식으로, 반도체 몸체에 주입된 전하 캐리어들의 복사성 재조합이 매우 효율적으로 펌프 영역에 한정될 수 있다.
도시된 실시예와 달리, 정공 장벽으로 실시된 전하 캐리어 장벽(50)은 생략될 수 있다. 이 경우, 광전 소자는 전자 장벽만 포함한다.
도 3B의 토대가 되는 광전 소자의 제4실시예는 도 3A와 관련하여 기술된 제3실시예에 실질적으로 상응한다. 이와 달리, 정공 장벽으로 역할하는 전하 캐리어 장벽(50)은 터널 장벽으로서 실시되지 않는다. 이 때, 정공 장벽은 도 2와 관련하여 기술된 바와 같이 형성될 수 있다.
도 4는 도 3B와 관련하여 기술된 광전 소자의 제4실시예의 경우에 전도대 에지(401) 및 가전자대 에지(402)의 진행 과정에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다. 또한, 상기 도면은 수직 방향(z)을 따르는 위치 함수로서 복사성 재조합(RS)(403)의 진행 과정을 도시한다.
각각 정공들 내지 전자들에 대한 장벽을 형성하는 전하 캐리어 장벽(50) 및 다른 전하 캐리어 장벽(55)을 이용하면, 반도체 몸체(2)의 전기적 펌핑 시 복사성 재조합(RS)이 매우 효율적으로 펌프 영역에 한정될 수 있다. 이는, 펌프 영역(3)의 양자층들의 영역에서만 0이외의 값을 가지는 복사성 재조합(RS)의 진행 과정(403)을 통해 알 수 있다.
도 2의 도면, 도 3A 및 도 3B의 도면과 달리, 상기 도시된 전도대 에지 및 가전자대 에지의 시뮬레이션 진행 과정은 압전계와 같은 경계면 효과를 고려한다. 이는, 예를 들면 방출 영역(4)의 인듐-함유 양자층들과 그에 인접한 반도체층들 사이의 경계면들에서 전도대 에지의 비약적 증가 및 그 직후에 수반된 감소를 통해 알 수 있다.
도 5A 및 5B는 제공된 열 저항의 경우에 주입 전류(I)에 따른 출력(P)의 시뮬레이션 결과를 각각 도시한다. 이 때, 도 5A에 도시된 곡선의 경우 방출 영역은 20 ㎛의 폭을, 도 5B에 도시된 곡선의 경우 10 ㎛의 폭을 가진다. 상기 폭은 반도체 몸체의 반도체층들의 주 연장면에서 방출 방향에 대해 수직인 방출 영역 범위에 관련한다.
상기 시뮬레이션의 토대가 되는 구조는 도 1과 관련하여 기술된 바와 같이 실시된다. 펌프 복사는 자외선 스펙트럼 영역에 위치하고, 방출 복사는 녹색 스펙트럼 영역에 위치한다. 복사 투과면의 측에서 자외선 스펙트럼 영역에 대한 90%의 반사도 및 녹색 스펙트럼 영역에 대한 10%의 반사도를 토대로 하였다. 아웃커플링면에 대향되며, 마찬가지로 공진기면을 형성하는 반도체 몸체의 면의 반사도는 녹색 및 자외선 스펙트럼 영역에 대해 각각 90%의 반사도를 가진다. 시뮬레이션에 따르면, 방출 복사는 3 K/W의 열 저항에서 0.25 W가 넘는 출력을 가질 수 있다.
도 6A 내지 6C는 수직 방향(z)에서 펌프 복사의 전자기장(603, 613, 623) 및 방출 복사의 전자기장(604, 614, 624)의 시뮬레이션 결과를 각각 도시한다.
장 분포는 각각 정규화되어 도시되어 있다. 또한, 곡선들(601, 611, 621)은 각각 굴절률의 질적 진행 과정을 나타낸다.
도 6A 내지 6C는 각각, 펌프 영역(3)이 제1차 광학 모드로 동작하도록 예정된 경우를 도시한다. 방출 영역(4)은 광학적 기본 모드로 동작하도록 예정된다.
도시된 시뮬레이션 곡선의 토대인 반도체층 시퀀스들은, 방출 영역(4)이 펌프 영역(3)에 대해 갖는 간격이 달라짐으로써 서로 구분된다. 도 6A는 방출 영역(4)이 펌프 복사의 광학 모드의 노드에 근접하여 배치된 경우를 도시한다. 펌프 복사 및 방출 영역간의 광학적 결합은 비교적 낮다. 도 6B 및 6C에 도시된 바와 같이, 펌프 영역과 방출 영역간의 간격이 달라짐으로써, 도시된 경우 상기 간격이 확대됨으로써, 펌프 복사 및 방출 영역간의 광학적 결합이 증대될 수 있다. 반도체층 시퀀스의 반도체층들의 층 두께를 적합하게 선택함으로써, 특히 펌프 영역 및 방출 영역간의 간격에 의해 광학적 결합의 강도가 조절될 수 있다. 광학적 결합이 클 수록, 방출 영역에서 흡수되는 펌프 복사의 비율이 더 많을 수 있다. 이를 통해, 방출 복사의 출력이 향상될 수 있다.
도 7은 수직 방향에서 페르미 레벨(702) 및 전도대 에지(701)의 진행 과정에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다. 또한, 도 7은 전자 밀도 분포(703)를 도시한다. 상기 시뮬레이션은 각각 도 3B와 관련하여 기술된 광전 소자의 제4실시예를 토대로 하며, 상기 광전 소자는 도 4의 토대가 되기도 한다.
전압 강하(U)의 함수로서 그에 속한 전류 밀도(j)는 도 8에 도시되어 있다. 시뮬레이션은 예시적으로 3개의 양자층들을 포함한 방출 영역(4)의 영향을 나타내며, 이 때 양자층들은 각각 10%의 인듐 함량을 포함한다. 인듐-함유 양자층들 및 인접한 GaN층들 사이의 경계면에서 생성되는 피에조 장벽에 따라, 추가적인 전압 강하가 일어나며, 이를 통해 광전 소자의 동작 전압이 증가한다.
도 8이 도시하는 바와 같이, 상기 추가적인 전압 강하는 전류 밀도가 80 kA/㎠일 때 1V일뿐이다. 방출 영역(4)의 양자층들은 인듐 함량이 큼에도 불구하고 동작 전압을 약간만 증가시켜, 광전 소자의 광전 특성이 실질적으로 저하되지 않도록 한다.
도 9는 아웃커플링층의 2개의 서로 다른 실시예들의 경우에 파장(λ)의 함수로서 반사도(R)의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 아웃커플링층들은 각각 다층으로 형성되고, 브래그 거울의 형태로 실시된다. 도시된 곡선들(120, 121)은 각각 405 nm 내지 470 nm의 파장 영역에서 적어도 90%라는 매우 높은 반사도를 가진다. 파장이 520 nm일 때, 곡선(120)의 경우 반사도는 0%에 근접하고, 곡선(121)의 경우 반사도는 약 50%이다. 도시된 시뮬레이션을 통해, 아웃커플링층의 브래그 거울의 층 두께를 변경하여 복사 투과면은, 청색 스펙트럼 영역 또는 자외선 스펙트럼 영역에 위치한 펌프 복사에 대해 매우 높은 반사도를 가지도록 실시될 수 있음을 알 수 있다. 그와 동시에, 방출 복사에 대한 반사도는 광전 소자의 조건에 맞추어 폭 넓은 범위에서 조절될 수 있다.
광전 소자의 제5실시예는 도 10에 개략적으로 도시되어 있다. 반도체층 시퀀스를 포함한 반도체 몸체(2)는, 특히 도 1, 2, 3A 또는 3B와 관련하여 기술된 바와 같이 실시될 수 있다. 도시된 광전 소자(1)는 공진기(85)의 말단 거울로 역할하는 외부 거울(8)을 포함한다. 공진기(85)는 외부 거울로 실시된다.
반도체 몸체(2) 및 외부 거울(8)은 실장 캐리어(95)상에 배치되고, 바람직하게는 상기 실장 캐리어와 기계적으로 안정되게 결합된다.
외부 거울(8)은 반도체 몸체(2)로부터 이격되어 있다. 방출 복사는 반도체 몸체(2)로부터 외부 거울(8)로의 자유 빔 영역을 통과한다. 이러한 자유 빔 영역에서 가령 비선형 광학 결정과 같은 비선형 광학 부재(9)가 배치될 수 있다. 상기 비선형 광학 부재를 이용하면, 방출 복사 및/또는 펌프 복사는 비선형 광학적 주파수 혼합, 특히, 가령 주파수 2배와 같은 주파수 체배에 의해 다른 파장의 복사로 변환될 수 있다. 예를 들면, 532 nm 파장의 녹색 복사는 266 nm 파장의 자외선 복사로 주파수 2배될 수 있다.
도시된 실시예에서, 반도체 몸체의 복사 투과면(26)은 펌프 복사에 대한 반사도가 크고, 방출 복사에 대해 매우 낮은 반사도, 약 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하의 반사도를 가지도록 실시될 수 있다. 이러한 방식으로, 복사 투과면(26)은 펌프 복사를 위해 공진기 말단면을 나타낼 수 있는 반면, 방출 복사를 위해서는 외부 거울(8)이 공진기 말단면을 형성한다. 방출 복사 및 펌프 복사는 서로 다른 길이를 가진 공진기들에서 왕복할 수 있다. 도시된 실시예와 달리, 방출 복사는 가령 링형 공진기와 같은 다른 형태의 공진기에서 왕복할 수 있다. 이러한 경우, 복사 투과면(26)에 대향된 반도체 몸체의 측면은 방출 복사에 대해 비교적 낮은 반사도, 약 20%이하, 바람직하게는 10% 이하의 반사도를 포함할 수 있다.
광전 소자의 제6실시예는 도 11에 개략적 측면도로 도시되어 있다. 방출 영역(4) 및 펌프 영역(3)을 포함한 반도체 몸체(2)에 대해 부가적으로, 상기 광전 소자는 복사 수신기(200)를 포함한다.
복사 수신기(200)는 다른 반도체층 시퀀스(210)를 포함한다. 상기 다른 반도체층 시퀀스의 층 구조체, 특히 상기 반도체층 시퀀스의 복사 감지 영역은 방출 영역(4) 및 펌프 영역(3)을 포함한 반도체층 시퀀스의 층 구조체에 적어도 부분적으로 상응한다. 복사 수신기(200)를 위한 반도체층 시퀀스, 그리고 펌프 영역(3) 및 방출 영역(4)을 포함한 반도체층 시퀀스는 공통의 증착 단계에서 가령 MOCVD 또는 MBE를 이용하여 제조될 수 있다.
복사 수신기(200), 그리고 방출 영역 및 펌프 영역을 포함한 반도체 몸체(2)는 공통의 캐리어(29)상에 배치될 수 있으며, 상기 공통의 캐리어는 반도체층 시퀀스를 위한 성장 기판을 이용하여 형성될 수 있다. 상기와 같은 광전 소자에서, 방출 영역(4), 펌프 영역(3), 및 복사 수신기(200)의 복사 감지 영역은 모놀리식으로 집적될 수 있다.
캐리어(29)와 반대 방향인 측에서 복사 수신기는 접촉층(63)을 포함한다. 복사 수신기의 접촉층은 접촉층(61)과 함께 증착될 수 있다.
광전 소자(1)의 동작 시, 접촉층(63)과 제2접촉층(62) 사이에서 검출 신호가 포착될 수 있다.
복사 수신기(200)를 이용하면, 예를 들면 방출 복사 및/또는 펌프 복사의 세기가 감시될 수 있다. 이를 위한 부가적 광전 부품은 생략될 수 있다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원 10 2007 045 463.7 및 10 2007 058 952.4의 우선권을 주장하며, 이의 개시 내용은 참조로 포함된다.
본 발명은 실시예들에 의거한 기재에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각각의 조합을 포함하며, 이는 특히 특허 청구 범위에서의 특징들의 각 조합을 포함하고, 비록 이러한 특징 또는 이러한 조합이 그 자체로 명백하게 특허 청구 범위 또는 실시예들에 제공되지 않더라도 그러하다.

Claims (15)

  1. 반도체층 시퀀스를 가진 반도체 몸체(2)를 포함하는 광전 소자(1)에 있어서,
    - 상기 반도체 몸체(2)의 반도체층 시퀀스는 펌프 복사의 생성을 위해 예정된 펌프 영역(3) 및 방출 복사의 생성을 위해 예정된 방출 영역(4)을 포함하고;
    - 상기 펌프 영역(3) 및 상기 방출 영역(4)은 포개어져 배치되고;
    - 상기 펌프 복사는 상기 광전 소자(1)의 동작 시 상기 방출 영역(4)을 광학적으로 펌핑하고; 그리고
    - 상기 방출 복사는 상기 광전 소자(1)의 동작 시 래터럴 방향으로 상기 반도체 몸체(2)로부터 출사되는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방출 복사 및 상기 펌프 복사는 래터럴 방향으로 전파하는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 방출 영역(4) 및 상기 펌프 영역(3)은 2개의 클래딩층들(20, 23) 사이에 배치되고, 상기 클래딩층들(20, 23)은 상기 펌프 복사 및 상기 방출 복사의 공통의 횡 도파를 야기하는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 소자의 동작 시 상기 펌프 영역(3)은 전기적으로 펌핑되고, 일 전하형의 전하 캐리어들은 상기 방출 영역(4)을 통과하여 상기 펌프 영역(3)으로 주입되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출 영역(4) 및/또는 상기 펌프 영역(3)은 양자 구조를 포함하고, 상기 방출 영역(4) 및 상기 펌프 영역(3)은 각각 양자층(31, 41)을 포함하며, 상기 방출 영역(4)의 양자층(41)에 인접한 반도체층(5, 21)의 밴드갭은 상기 펌프 영역(3)의 양자층(31)에 인접한 반도체층(32, 22, 5)의 밴드갭에 상응하는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 몸체(2)에 전하 캐리어 장벽(50)이 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전하 캐리어 장벽(50)은 터널 장벽(51)으로서 실시되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 전하 캐리어 장벽(50)은 상기 방출 영역(4) 및 상기 펌프 영역(3) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출 영역(4) 및 상기 펌프 영역(3) 사이의 간격은, 상기 펌프 복사의 소정 비율이 상기 방출 영역(4)과 광학적으로 결합되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출 영역(4) 및 상기 펌프 영역(3)은 수직 방향에서 각각 동일한 차수(order)의 광학 모드로 동작하도록 예정되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  11. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출 영역(4) 및 상기 펌프 영역(3)은 수직 방향에서 서로 다른 차수의 광학 모드로 동작하도록 예정되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출 영역(4) 및/또는 상기 펌프 영역(3)은 III-V 반도체 물질, 특히 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1인 경우의 AlxInyGa1 -x- yN, AlxInyGa1 -x- ySb, AlxInyGa1 -x-yAs 또는 AlxInyGa1 -x- yP를 포함하거나, 최대 5%의 질소 함량을 가진 III-V 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 몸체(2)는 복사 투과면(26)을 포함하고, 상기 복사 투과면은 상기 펌프 복사에 비해 상기 방출 복사에 대해 더 낮은 반사도를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  14. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 몸체(2)는 복사 투과면(26)을 포함하고, 상기 방출 복사(4) 및 펌프 복사(3)는 상기 복사 투과면을 공선으로 통과하는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 소자는 복사 수신기(200)를 포함하고, 상기 복사 수신기(200)는 다른 반도체층 시퀀스(210)을 포함하며, 상기 다른 반도체층 시퀀스의 층 구조체는 상기 펌프 영역(3) 및 상기 방출 영역(4)을 포함한 반도체층 시퀀스의 층 구조체에 적어도 부분적으로 상응하는 것을 특징으로 하는 광전 소자.
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