KR970011140B1 - 공명 투과광전 소자의 구조 - Google Patents

공명 투과광전 소자의 구조 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

공명 투과광전 소자의 구조
제1도는 공명 투과다이오드의 일반적인 전류-전압특성을 나타낸다.
제2도는 PIN 다이오드의 동작원리 및 특성을 나타낸다.
제3도는 본 발명에 따른 동작원리 및 특성을 나타낸다.
제4도는 본 발명에 따른 수직구조를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 완충층 2, 3, 6 : 간격층
4 : 양자장벽 5 : 양자우물
7, 8, 9 : 창층
본 발명은 공명 투과다이오드의 피크(peak)가 빛에 의하여 수평이동하는 특성을 이용하는 공명 투과광 전소자(Resonant Tunneling Opto-Electronic Device)의 동작원리 및 수직구조에 관한 것이다.
종래의 반도체 산업은 리소그라피(lithography) 기술의 발달로 소자의 크기를 줄여 고집적화를 이루어왔다.
그러나, 선폭이 전자의 평균 자유 행정(mean free path, 충돌사이의 평균거리) 이하로 줄어들 경우에는 종래의 소자나 회로이론으로는 설명할 수 없는 양자현상들이 나타나게 된다.
따라서, 고속화, 고집적화를 이루기 위해서는 종래의 반도체 기술의 장애요인이 되는 양자현상을 능동적으로 이용하는 새로운 소자와 회로의 개발이 요구된다.
상기 양자현상중의 하나인 공명 투과현상은 10-12초 이하의 초고속의 전자수송 현상으로 인하여 고속소자로의 응용 가능성에 대하여 많은 연구가 이루어져 왔다.
특히, 공명 투과현상을 이용한 다이오드와 트랜지스터는 제1도에서 나타낸 공명 투과다이오드의 일반적인 전류-전압특성과 같이 인가하는 전압이 증가하여도 소자에 흐르는 전류가 감소하는 부저항(negative differential resistance) 특성이 있어 임의의 부하선에 대하여 두 개의 안정된 성질을 갖는 쌍안정 특성이 있다.
상기 쌍안정 특성은 메모리 소자나 논리회로 고주파 진동소자로 응용되어지며, 이러한 연구는 이미 세계적으로 많이 수행되어 왔다.
통상적으로, 현재 가장 많이 사용되는 광검출기(photodetector)나 광전도체(photoconductor)는 PIN 다이오드나 pn집합 다이오드로서, 제2도의 PIN 다이오드 동작원리와 같이 역방향 바이어스(reverse bias)하에서 반도체에 흡수된 빛이 생성시킨 전자-정공쌍(electron-holepairs)이 인가한 전압에 의하여 분리되어 흐름으로써 주변회로에 전류를 흐르게 하여 동작되어진다.
상기 광검출기나 광전도체의 특성을 결정짓는 요소는 양자효율(quantum efficiency) 혹은 이득(gain), 반응시간(response time), 민감성(sensitivity) 혹은 검출도(detectivity)이다.
상기 세 요소는 빛이 흡수되었을 때 생성되는 수송자(carrier)의 생성비(generation rate : G), 즉 전자-정공쌍의 생성비(G)에 의하여 결정된다.
그리고, PIN 다이오드는 역방향 바이어스하에서 동작하므로 암전류(dark current)는 약 수 pA∼nA이고, 광전류(photocurrent)는 수십 ㎂ 이내이므로 주변회로를 구동하기 위해서는 증폭기를 통하여 증폭된 신호에 의하여 가능하게 된다.
따라서, 본 발명은 종래의 공명 투과다이오드의 전기적 특성만을 이용하는 것과는 상이하게 빛에 의하여 공명 투과의 초고속전자 수송현상이 제어되는 특성을 이용한 공명 투과광전 소자의 구조를 제공하는데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 첨부된 도면에 의거하여 그 상세한 설명을 한다.
본 발명의 특징은 빛이 없을때도 상기 제1도에서 보여주는 바와 같이 일반적인 공명 투과다이오드의 특성으로 동작하는 것이 특징이다.
또한 공명 투과다이오드의 공핍충(depletion region)에 밴드갭(band gap)보다 큰 빛을 조사하면 전자-정공쌍이 생성되는데 이때, 생성된 전자는 인가한 전압에 의하여 정공과 분리되어 콜렉터로 빠져나가고 정공은 공핍층의 장벽앞에 축적되기 때문에 이중장벽 양자우물구조(double barrier quantum well structure)에서 더 많은 전압강하가 유도된다. 이에 따라 전위분포(potential distribution)가 제3도와 같이 변화하게 된다.
따라서, 공명 투과다이오드의 부저항 특성, 즉 피크(peak)전류와 밸리(valley, 곡점)전류, 피크 대 밸리전류의 비, 피크전압과 밸리전압의 차 등은 거의 변화하지 않고, 피크전압이 빛의 조사 이전보다 낮은 전압으로 이동한다.
이상과 같은 공명 투과광전 소자와 PIN 다이오드 동작원리를 비교해보면 크게 두가지의 차이점이 있다.
첫째, PIN 다이오드는 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍이 인가한 전압에 의해 분리되어 흐름으로써 전류량이 변화되는데 반하여 공명 투과광전 소자는 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍이 인가한 전압으로 분리되어 전자는 흘러나가고 정공은 장벽앞에 축적됨으로써 이중장벽 양자우물구조의 전압강하를 유도하여 전위분포의 변화에 의한 특성의 변화이다.
둘째, 제3도(c)의 특성에서의 같이 a점에서 빛 조사이전에는 비공명 투과전류가 흐르지만 빛이 조사되면 공명 투과에 의해 전류량이 약 10배 이상 증가하게 된다.
이는 PIN 다이오드에 비하여 공명 투과전류가 빛에 의해 제어되는 특성을 이용하므로 이중장벽 양자우물구조에 따라 피크전류가 수 ㎃∼수백 ㎃의 고전류가 흐르므로 고전류의 신호를 약한 빛에 의하여 변조시킬 수 있다.
또한, 출력신호를 증폭시키지 않아도 주변회로가 구동되므로 주변회로를 단순화시킬 수 있다. 또한, 상기에서 언급한 바와 같이 공명 투과다이오드에는 쌍안정(bistablity) 특성이 있으므로, 종래의 광 쌍안정성(optical bistablity)를 이용하는 다중양자우물구조(multiquantum well structure)의 소자에 비하여 간단한 구조와 제작공정으로 광 쌍안정성의 특성을 얻을 수 있다.
다음에, 제4도는 상기 설명한 특성을 갖는 공명 투광광전 소자의 수직구조의 일례를 나타낸 것으로, 그 구조는 다음과 같다.
먼저, n+형 GaAs(갈률비소)기판 위에 완충층(1)으로 2×1018㎝-3도우핑된 n+형 GaAs를 10,000Å 성장시키고, 간격층(2, 3)으로 4×1017㎝-3도우핑된 n형 GaAs를 500Å, 도우핑 안된 GaAs를 100Å 성장시킨다.
상기 간격층(3)위에 이중장벽양자우물구조는 비공명 투과전류를 줄이기 위하여 장벽의 높이가 높은 AlAs(알루미늄 비소)를 양자장벽(4)으로 하여 대칭적으로 28Å의 두께로 성장시키고, 장벽사이에 양자우물(5)은 전류량을 증가시키기 위하여 In(비율 0.2)Ga(비율 0.8)As을 45Å의 두께로 성장시킨다.
상기 상부의 양자장벽(4) 상면에 성장되는 간격층(6)은 전압을 인가했을 때 공핍층의 길이를 길게하여 빛 조사에 의한 이중장벽 양자우물구조에서의 전압강하 효과를 더욱 크게 하기 위하여 도우핑 안된 GaAs를 500Å의 두께로 성장시킨다.
그리고, 조사된 빛이 표면에서 흡수되지 않고 입사한 빛이 대부분 공핍층에서 흡수될 수 있도록 밴드갭이 큰 물질을 이용하여 창(window) 층(7, 8, 9)을 성장시킨다.
이 창층(7, 8, 9)은 상기 간격층(6)으로부터 1×1016㎝-3에서 2×1018㎝-3으로 점진적으로 도우핑된 n형 GaAs를 500Å의 두께로 성장시키고(7), 2×1018㎝-3도우핑된 GaAs에 Al의 함량을 40%까지 점진적으로 증가시켜 500Å을 성장시킨 다음(8), 2×1018㎝-3도우핑된 Al(비율 0.4)Ga(비율 0.6)As를 5000Å의 두께로 성장시킨다(9).
이상과 같은 구조로 된 본 발명의 공명 투과광전 소자는 종래의 PIN 다이오드와 전혀 다른 원리로 동작되며, 공명 투과전류가 빛에 의해 제어되므로, PIN 다이오드에 비하여 고전류가 출력된다. 따라서, 출력신호를 증폭하지 않아도 주변회로를 구동할 수 있으므로, 회로를 단순화시킬 수 있다.

Claims (1)

  1. n형 GaAs 기판 위에 n형 2×1018㎝-3GaAs의 완충층(1)을 10,000Å 성장시키고, 이 위에 4×1017㎝-3도우핑된 n형 GaAs의 간격층(2), 도우핑 안된 100Å 두께의 GaAs의 간격층(3)을 형성하고, 이 위에 비공명 투과전류를 줄이기 위하여 도우핑 안된 28Å 두께의 AlAs를 양자장벽(4)으로 하여 대칭적으로 성장시키고, 전류량을 증가시키기 위하여 45Å 두께의 도우핑 안된 In(비율 0.2)Ga(비율 0.8)As를 양자우물(5)로 하여 상기 양자장벽(4)의 사이에 성장시키며, 이 위에 전압을 인가할때에 공핍층의 길이를 길게하여 빛 조사에 의한 이중장벽 양자우물구조에서의 전압강하를 크게 하기 위하여 도우핑 안된 GaAs를 500Å의 두께로 하여 간격층(6)을 형성하고, 입사한 빛이 공핍층에서 흡수되도록 하기 위해서 1×1016㎝-3에서 2×1018㎝-3으로 점진적으로 도우핑된 n형 GaAs를 500Å의 두께로 창층(7)을 형성하고, 이 위에 2×1018㎝-3도우핑된 GaAs에 Al의 함량을 40%까지 점진적으로 증가시켜 500Å 두께로 창층(8)을 형성한 다음, 2×1018㎝-3도우핑된 Al(비율 0.4)Ga(비율 0.6)As를 5000Å의 두께로 창층(9)을 형성하는 것을 특징으로 하는 공명 투과정전 소자의 구조.
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