KR20010044594A - Rare earth ion-doped semiconductor devices for optical communication - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A rare-earth semiconductor device for optical communications is provided to enable a thin light emitting diode, enable a laser diode not affected much by changing temperature and current, and enable a slim semiconductor optical amplifier having a long period of excited state. CONSTITUTION: In an energy flow of between a quantum well(2) and a rare-earth ion(RE3+)(3), in step one, electrons exist in the quantum well mini-band of a conduction band(9) and holes exist in the quantum well mini-band of a valence band(10). In step two, energy is delivered to rare-earth ions in the quantum well structure(7) through hot electron process and ground-state electrons of the rare-earth ions are excited into an absorption band(8). In step three, electrons absorbed in rare-earth ions are transitioned into low excited state. In step four, the transitioned electrons discharges photons(6) and become lower excited state. In step five, as for Nd3+, the stated changes from low excited state into ground state.

Description

광통신용 희토류 반도체 소자{Rare earth ion-doped semiconductor devices for optical communication }Rare earth ion-doped semiconductor devices for optical communication

본 발명은 광통신용 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 희토류 이온이 첨가된 질화물 반도체나 산화물 반도체로 제조된 새로운 형태의 광통신용 반도체 소자(발광 다이오드, 레이저 다이오드,광증폭기)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device for optical communication, and more particularly, to a new type of optical communication semiconductor device (light emitting diode, laser diode, optical amplifier) made of a nitride semiconductor or an oxide semiconductor to which rare earth ions are added.

종래의 광통신시스템에서 광원으로 InGaAsP/InP를 이용한 발광다이오드 (light emitting diode) 와 레이저다이오드(laser diode)를 사용하고 있다. 이러한 발광다이오드와 레이저다이오드는 InGaAsP의 에너지 갭(energy gap)을 조절하여 광통신에서 가장 많이 쓰이는 1.31μm 및 1.55μm 파장의 광선을 방출한다. 하지만, InGaAsP/InP 발광다이오드와 레이저다이오드 및 종래의 광증폭기는 이상적인 초고속 광통신 소자로 사용되기에는 아래와 같은 근본적으로 극복하기 어려운 단점들을 가지고 있다.In a conventional optical communication system, a light emitting diode and a laser diode using InGaAsP / InP are used as a light source. Such light emitting diodes and laser diodes control the energy gap of InGaAsP to emit light of 1.31 μm and 1.55 μm wavelengths, which are most used in optical communication. However, InGaAsP / InP light emitting diodes and laser diodes and conventional optical amplifiers have disadvantages that are fundamentally difficult to overcome, such as to be used as ideal high speed optical communication devices.

* InGaAsP/InP 발광다이오드의 근본적인 단점:* Fundamental disadvantages of InGaAsP / InP light emitting diodes:

광선의 선폭(△λ=50∼150 nm))이 크다. 넓은 선폭은 InGaAsP가 4원계 혼성 반도체이어서 일어나는 근본적인 현상이다. 따라서, 선폭을 20∼30 nm이하로 줄이기가 원리적으로 어렵다. 이런 이유 때문에 InGaAsP/InP 발광다이오드는 단거리용 광통신 광원으로만 사용된다.The line width of the light beam (Δλ = 50 to 150 nm) is large. The wide line width is a fundamental phenomenon that occurs because InGaAsP is a quaternary hybrid semiconductor. Therefore, it is difficult in principle to reduce the line width to 20 to 30 nm or less. For this reason, InGaAsP / InP light emitting diodes are used only as short-range optical communication light sources.

* InGaAsP/InP 레이저다이오드의 근본적인 단점:* Fundamental disadvantages of InGaAsP / InP laser diodes:

(a) 온도에 따른 광선 파장의 변화가 있다.(a) There is a change in light wavelength with temperature.

InGaAsP/InP의 발광은 에너지 갭(energy gap)에서 전자와 정공이 재결합해서 발생하므로, 광선 파장의 에너지는 에너지 갭에 해당한다. 에너지 갭은 온도에 의존하기 때문에, 광선의 파장도 온도에 의존할 수밖에 없다. 따라서, 온도 변화에 무관하게 일정한 파장을 내는 InGaAsP/InP 레이저다이오드 개발은 사실상 불가능하다. 레이저다이오드의 온도를 일정하게 하기 위해 냉각장치를 부착하나, 여전히 온도 변화에 의한 파장의 변화를 감수해야 한다.The emission of InGaAsP / InP is caused by the recombination of electrons and holes in the energy gap, so the energy of the light wavelength corresponds to the energy gap. Since the energy gap depends on the temperature, the wavelength of the light ray also depends on the temperature. Therefore, it is virtually impossible to develop InGaAsP / InP laser diodes that produce a constant wavelength regardless of temperature change. A cooling device is attached to keep the temperature of the laser diode constant, but still suffers from wavelength variations caused by temperature changes.

(b) 주입전류의 변화에 따른 광선 파장의 변화가 있다.(b) There is a change in light wavelength due to a change in injection current.

높은 주입전류는 재결합되는 전자의 수보다 훨씬 많은 전자를 전도띠(conduction band)로 펌핑(pumping)시켜, 결국 높은 에너지 준위의 전자와 정공이 재결합하도록 한다. 따라서, 주입전류의 증가는 광선파장을 짧은 파장 쪽으로 이동시킨다. 주입전류 크기에 무관한 파장의 광선을 내는 InGaAsP/InP 레이저다이오드 개발은 원리적으로 어렵다.The high injection current pumps much more electrons into the conduction band than the number of electrons that recombine, resulting in high energy level electrons and holes recombination. Thus, an increase in injection current shifts the wavelength of light toward shorter wavelengths. InGaAsP / InP laser diodes that emit light with a wavelength independent of the magnitude of the injection current are difficult in principle.

(c) 광선의 선폭(△λ=0.1 nm)이 비교적 크다.(c) The line width (Δλ = 0.1 nm) of the light beam is relatively large.

InGaAsP/InP 레이저다이오드의 광선폭은 HeNe 레이저와 같은 가스레이저의 광선폭(△λ=0.001 nm)보다 수십배 크다. InGaAsP/InP 레이저다이오드는 띠전이(band-band transition)에 의해서 발광되어서 원자 준위간 전이에 의해 발광되는 가스레이저의 광선폭에 근접하는 선폭을 갖기가 어렵다. InGaAsP/InP 레이저 다이오드은 비교적 큰 광선폭을 가지기 때문에 이상적인 초고속 원거리 광통신 광원으로서 역할을 하기가 어렵다.The light width of the InGaAsP / InP laser diode is several orders of magnitude larger than the light width of a gas laser such as HeNe laser (Δλ = 0.001 nm). InGaAsP / InP laser diodes are difficult to have a line width close to the light beam width of the gas laser emitted by the band-band transition and emitted by the inter-atomic transition. Because InGaAsP / InP laser diodes have a relatively large light width, it is difficult to serve as an ideal ultrafast long distance optical communication light source.

(d) 레이저 빔 퍼짐각도(26°)가 비교적 크다.(d) The laser beam spread angle (26 °) is relatively large.

InGaAsP/InP 레이저다이오드의 빔 각도는 가스레이저의 경우보다 수십배 크다.The beam angle of InGaAsP / InP laser diodes is several times larger than that of gas lasers.

* 종래 광증폭기의 근본적인 단점:* Fundamental disadvantage of conventional optical amplifiers:

종래의 광섬유 증폭기(EDFA)는 핵심부품 980 nm의 출력파장을 가진 펌프 레이저 모듈(pump laser Module)을 필요로 하는 불편함이 있고, 종래의 반도체 광증폭기는 여기시간 (1 nsec)이 짧아 크로스 톡(cross talk) 현상 때문에 실용화에 어려움이 있다.The conventional optical fiber amplifier (EDFA) has the inconvenience of requiring a pump laser module having an output wavelength of 980 nm as a core component, and the conventional semiconductor optical amplifier has a short excitation time (1 nsec), so that the crosstalk Due to the cross talk phenomenon, there is a difficulty in practical use.

본 발명은 위와 같은 종래 광통신 소자의 근본적인 문제점을 근원적으로 해결하기 위한 것으로, 원거리 광원으로 활용할 수 있는 좁은 선폭의 발광 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 온도변화와 전류변화에 영향을 받지 않는 레이저 다이오드를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 펌핑 레이저가 불필요하고 긴 여기시간을 갖는 초소형 반도체 광증폭기를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the fundamental problems of the conventional optical communication device as described above, and an object of the present invention is to provide a light emitting diode having a narrow line width that can be utilized as a remote light source. Another object of the present invention is to provide a laser diode which is not affected by temperature change and current change. It is still another object of the present invention to provide an ultra-compact semiconductor optical amplifier that does not require a pumping laser and has a long excitation time.

도1은 본 발명에서 양자우물과 희토류 이온사이의 에너지 전달을 나타낸 흐름도이고,1 is a flow chart showing the energy transfer between the quantum well and rare earth ions in the present invention,

도2는 본 발명에서 희토류 이온이 첨가된 p-n접합 양자우물구조를 나타낸 모식도이고,2 is a schematic diagram showing a p-n conjugated quantum well structure to which rare earth ions are added in the present invention.

도3은 본 발명의 광원의 개략도이고,3 is a schematic diagram of a light source of the present invention;

도4는 본 발명의 광증폭기 개략도이다.4 is a schematic diagram of an optical amplifier of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1: 양자장벽 2: 양자우물1: quantum barrier 2: quantum well

3: 희토류 이온 4: n형 반도체3: rare earth ion 4: n-type semiconductor

5: p형 반도체 6: 광자5: p-type semiconductor 6: photon

7: 희토류 이온이 첨가된 양자우물구조7: Quantum well structure with rare earth ions added

8: 흡수대 9: 전도띠 10: 가전자띠8: Absorption Band 9: Evangelism Band 10: Gadget Band

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여 연구한 결과, 활성영역(active layer)이 와이드 갭(wide gap)을 갖는 질화물 반도체 또는 산화물 반도체에 희토류 이온을 첨가(doping)하게 되면 종래기술들이 가진 근원적인 문제점을 해결할 수 있음을 밝혀 내게 되었다.The present inventors have studied to achieve the above object. As a result, when the active layer is doped with a nitride semiconductor or an oxide semiconductor having a wide gap, it is a fundamental problem of the prior arts. It turns out that I can solve.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 희토류 반도체 소자는 와이드 갭 반도체에 담겨있는 희토류 이온[에르븀(Er)이나 네오디뮴(Nd)]이 전기적으로 펌핑(pumping)되어 광통신용 광선(1.3μm 및 1.54μm 파장의 광선)을 발광하고 또한 광증폭한다. 희토류 반도체 소자의 와이드 갭 반도체는 전기 에너지를 받는 창구 역할을 하고, 광선은 희토류 이온에서 나온다. 이런 이유로, 희토류 반도체 소자의 광선은 원자 광선 성질을 갖는다. 따라서, 본 발광다이오드의 광선은 원리적으로 선폭이 거의 없고, 본 레이저다이오드의 광선 성질은 가스레이저의 경우와 동일하다.In the rare earth semiconductor device of the present invention, rare earth ions (erbium (Er) or neodymium (Nd)) contained in a wide gap semiconductor are electrically pumped to emit light for optical communication rays (1.3 μm and 1.54 μm light rays). It also optically amplifies. Wide-gap semiconductors of rare earth semiconductor devices serve as windows for receiving electrical energy, and light rays are emitted from rare earth ions. For this reason, the light rays of the rare earth semiconductor element have atomic light ray properties. Therefore, the light ray of the present light emitting diode has almost no line width, and the light ray property of the present laser diode is the same as that of the gas laser.

본 발명의 희토류 반도체 소자로 제작된 발광다이오드와 레이저다이오드의 광선 성질은,The light ray characteristics of the light emitting diode and the laser diode manufactured from the rare earth semiconductor device of the present invention are

- 광선의 파장이 온도변화에 대해 일정하다.The wavelength of the light beam is constant with temperature changes.

- 광선의 파장이 주입전류변화에 대해 일정하다.The wavelength of the light beam is constant against the injection current change.

- 가스레이저 선폭과 같은 정도의 선폭을 갖는다.-It has the same line width as the gas laser line width.

[희토류 발광 다이오드 (△λ=0.1 nm), 희토류 레이저 다이오드 (△λ=0.002 nm)][Rare Earth Light Emitting Diode (Δλ = 0.1 nm), Rare Earth Laser Diode (Δλ = 0.002 nm)]

- 작은 선폭을 갖는 40개이상의 다른 파장을 갖는 광선이 1.54μm 및 1.3μm 파장 영역에 존재한다.Light rays with more than 40 different wavelengths with small line widths exist in the 1.54 μm and 1.3 μm wavelength ranges.

- 가스레이저 선폭과 같은 정도의 레이저 빔 각도를 갖는다.The laser beam angle is about the same as the gas laser line width.

희토류 반도체 소자로 얻어지는 발광다이오드의 광선은 작은 선폭을 가져 기존의 단거리 광원 발광 다이오드의 단점을 극복할 수 있어서, 본 발광 다이오드를 원거리 광원으로 활용할 수 있다. 또한, 희토류 반도체 소자로 얻어지는 레이저 다이오드의 광선은 온도 변화와 전류변화에 무관하며, 극도로 좁은 선폭은 코히어런트 시스템의 실현과 광솔리톤을 통한 수백 km 전송을 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 상기 레이저 다이오드 광선은 1.54μm 파장 영역과 1.3μm파장 영역에서 각각 30여개 이상의 작은 선폭의 광들이 나와 다중파장의 광통신이 가능하다.The light ray of the light emitting diode obtained by the rare earth semiconductor device has a small line width, thereby overcoming the shortcomings of the existing short-range light source light emitting diode, and thus, the light emitting diode may be used as a long distance light source. In addition, the light rays of the laser diode obtained from the rare earth semiconductor device are independent of temperature change and current change, and the extremely narrow line width can enable the implementation of the coherent system and the transmission of hundreds of km through the optical soliton. In addition, the laser diode light has a light wavelength of more than 30 small lines in the 1.54μm wavelength region and 1.3μm wavelength region, respectively, to enable multi-wavelength optical communication.

또한, 희토류 반도체 소자로 얻어지는 광증폭기는 종래의 광섬유 레이저에 비해 초소형이며, 종래의 반도체 광증폭기에 비해서 효율이 높다. 종래의 광섬유 증폭기(EDFA)는 핵심부품 980 nm의 출력파장을 가진 펌프 레이저 모듈(pump laser module)이 필요하나, 본 발명의 희토류 반도체 광증폭기는 펌핑 레이저가 필요없다. 그리고, 종래의 반도체 광증폭기는 여기시간 (1 nsec)이 짧아 거의 상용화를 되지 않고 있으나, 본 발명의 반도체 광증폭기는 긴 여기시간(1 msec)을 가져서 상용화가 가능하다.Moreover, the optical amplifier obtained by the rare earth semiconductor element is smaller than the conventional optical fiber laser, and its efficiency is high compared with the conventional semiconductor optical amplifier. The conventional optical fiber amplifier (EDFA) requires a pump laser module having an output wavelength of 980 nm, but the rare earth semiconductor optical amplifier of the present invention does not require a pumping laser. The conventional semiconductor optical amplifier has almost no commercialization due to the short excitation time (1 nsec), but the semiconductor optical amplifier of the present invention has a long excitation time (1 msec) and can be commercialized.

본 발명인 희토류 반도체 소자의 이론적 원리는 다음과 같다.The theoretical principle of the rare earth semiconductor device of the present invention is as follows.

* 활성부분(active layer)의 양자우물구조* The quantum well structure of the active layer

본 발명의 소자의 활성부분(active layer)은 와이드 갭을 갖는 질화물 반도체(GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN)나 산화물 반도체(ZnO, MgO, ZnMgO)로 만든 양자우물구조(quantum well structure)이다. 희토류 이온[에르븀(Er)이나 네오디뮴(Nd)]을 호스트 물질(host material)인 와이드 갭 반도체에 첨가(doping)한다. 활성부분을 와이드 갭 반도체를 쓰면 희토류 이온광선이 열급냉현상이 일어나지않는다. 내로우-갭(narrow-gap) 반도체(예를들어,Si이나 GaAs등)을 호스트 물질로 하면, 열급냉현상 때문에 상온에서 희토류 이온 광선의 발광이 안된다. 그리고 질화물 반도체와 산화물 반도체가 이상적인 호스트 물질인 또 다른이유는 이들 반도체를 구성하는 질소원자(N)와 산화원자(O)가 희토류이온의 발광을 강하게하는 데 결정적인 역할을 하기 때문이다.The active layer of the device of the present invention is a quantum well structure made of nitride semiconductors (GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN) or oxide semiconductors (ZnO, MgO, ZnMgO) having a wide gap. . Rare earth ions (erbium (Er) or neodymium (Nd)) are added to a wide gap semiconductor that is a host material. If a wide gap semiconductor is used as the active portion, rare earth ion beams do not cause thermal quenching. If a narrow-gap semiconductor (eg, Si or GaAs, etc.) is used as the host material, the rare earth ion beam cannot be emitted at room temperature due to the thermo-cooling phenomenon. Another reason that nitride semiconductors and oxide semiconductors are ideal host materials is because nitrogen atoms (N) and oxide atoms (O) constituting these semiconductors play a decisive role in enhancing the emission of rare earth ions.

희토류 반도체 소자의 양자우물구조는 양자우물의 전도띠(conduction band) 미니밴드(miniband)와 가전자띠(valence band) 미니밴드의 에너지 차이가 희토류 이온(Er과 Nd)의 흡수띠나 트랩센터의 흡수띠에 일치하도록 하는 구조이다. 이 양자우물구조의 우물(quantum well)과 장벽(quantum barrier)의 폭(width)과 높이(height)는 미니밴드사이의 에너지가 두 종류의 흡수띠에 일치하도록 정해진다. 이 양자우물구조는 호스트 물질이 p-n 접합을 통해 얻은 전기적인 에너지를 희토류 이온에 전달하는 이상적인 구조이다.In the quantum well structure of a rare earth semiconductor device, the energy difference between the conduction band miniband and the valence band miniband of the quantum well is due to the absorption band of the rare earth ions (Er and Nd) or the absorption band of the trap center. The structure to match. The width and height of the quantum well structure and the quantum barrier are determined so that the energy between the minibands corresponds to two types of absorption bands. This quantum well structure is an ideal structure in which the host material transfers the electrical energy obtained through the p-n junction to rare earth ions.

도1은 본 발명에서의 양자우물과 희토류 이온(RE3+)사이의 에너지 전달 흐름을 보여주고 있다. 에르븀(Er3+)과 네오디뮴(Nd3+)의 두 경우를 보여주고 있다. 양자우물의 전도띠 미니밴드와 가전자띠 미니밴드의 에너지 차이가 희토류 이온(Er과 Nd)의 흡수띠와 일치하도록 하면, 핫 전자(hot electron) 과정을 통해서 호스트 물질 양자 우물의 에너지가 희토류 이온에 전달한다.Figure 1 shows the energy transfer flow between quantum wells and rare earth ions (RE 3+ ) in the present invention. Two cases of erbium (Er 3+ ) and neodymium (Nd 3+ ) are shown. If the energy difference between the conduction band miniband and the valence band miniband of the quantum wells coincides with the absorption bands of the rare earth ions (Er and Nd), the energy of the host material quantum well is transferred to the rare earth ions through the hot electron process. do.

도1의 에너지전달 과정을 자세히 서술하면, ① p-n 접합을 통해 전도띠의 양자우물 미니밴드에 전자가 존재하고 가전자띠 양자우물 미니밴드에 정공이 존재한다. ② 핫 전자 과정을 통해 양자우물구조에서 희토류 이온으로 에너지 전달되어, 희토류이온의 바닥상태(ground state) 전자가 흡수띠로 여기(excited)된다. ③ 희토류이온에서 흡수대 있는 전자가 낮은 들뜬 상태(excited state)로 전이한다. ④ 광자를 방출하고 더 낮은 에너지 상태로 간다. 에르븀(Er3+)의 경우, 바닥상태로 간다. ⑤ 네오디뮴(Nd3+)의 경우, 낮은 에너지 들뜬 상태에서 바닥상태로 간다.Referring to the energy transfer process of FIG. 1 in detail, ① electrons are present in the quantum well miniband of the conduction band and holes are present in the valence band quantum well miniband through pn junction. ② Energy is transferred from the quantum well structure to the rare earth ions through the hot electron process, and the ground state electrons of the rare earth ions are excited by the absorption band. (3) In rare earth ions, the electrons in the absorption band transition to a low excited state. ④ emit photons and go to a lower energy state. In the case of erbium (Er 3+ ), it goes to the ground state. ⑤ In case of neodymium (Nd 3+ ), go to the ground state in low energy excited state.

또한, 양자우물의 전도띠(conduction band) 미니밴드(miniband)와 가전자띠 (valence band) 미니밴드의 에너지 차이가 트랩센터(trap center)의 흡수띠와 일치하도록 하면, 핫 전자(hot electron) 과정이나 다른 과정을 통해서 호스트 물질 양자 우물의 에너지가 트랩센터(trap center)의 흡수띠에 전달된다. 트랩센터(trap center)는 희토류 발광 (1.54μm 및 1.3μm 파장 광선)이 효율적으로 발광하도록 희토류 이온의 적절한 들뜬 상태에 에너지를 전달한다. 트랩센터는 이온 주입(ion implantation)의 손상(damage)에 의해서 형성될 수 있고 다른 희토류이온이나 비철금속이온 등을 이용해서 만들 수 있다.In addition, if the energy difference between the conduction band miniband and the valence band miniband of the quantum well coincides with the absorption band of the trap center, a hot electron process or In another process, the energy of the host material quantum wells is transferred to the absorption band at the trap center. The trap center transfers energy to the appropriate excited state of the rare earth ions so that rare earth luminescence (1.54 μm and 1.3 μm wavelength light) emits efficiently. The trap center can be formed by damaging ion implantation and can be made using other rare earth ions or non-ferrous metal ions.

* 희토류이온 첨가* Rare earth ion

양자우물구조에 희토류 이온(Er이나 Nd)을 인시츄(in-situ) 방법이나 이온 주입(ion implantation) 방법으로 첨가할 수 있다. 희토류 이온을 인시츄(in-situ) 방법으로 첨가할 경우, 우물영역(well region)의 가운데 부분만 희토류 이온을 첨가한다 (도2 참조). 양자우물구조 전영역에 희토류 이온이 첨가되어 있어도, 우물영역에 있는 희토류 이온만 발광에 참여하고 장벽영역에 있는 희토류 이온는 발광에 참여하지 않는다. 또한, 우물영역 안에서도 발광의 대부분이 우물영역 가운데 부분에서 일어난다. 따라서, 양질의 장벽영역물질과 우물영역물질 상태를 유지하도록 희토류 이온을 우물영역(well region)의 가운데 첨가한다. 희토류 광선의 파장을 다르게 하고 세기를 증가시키기 위해서 희토류 이온이 첨가된 영역에 산소나 다른 불순물을 코도핑(codoping)한다.Rare earth ions (Er or Nd) may be added to the quantum well structure by an in-situ method or an ion implantation method. When rare earth ions are added in-situ, only rare earth ions are added to the center of the well region (see FIG. 2). Even if rare earth ions are added to the entire quantum well structure, only rare earth ions in the well region participate in luminescence and rare earth ions in the barrier region do not participate in luminescence. Also, even in the well region, most of the light emission occurs in the center portion of the well region. Therefore, rare earth ions are added in the middle of the well region so as to maintain a high quality barrier region material and well region material state. In order to change the wavelength of the rare earth light and increase the intensity, oxygen or other impurities are coped with the rare earth ions.

희토류 이온을 이온 주입(ion implantation) 방법으로 첨가할 경우, 이온 주입의 특성상 선택적으로 우물영역(well region)의 가운데 부분만 희토류 이온을 첨가할 수 없지만, 양자우물구조(quantum well structure)의 중심에 희토류 이온(Er과 Nd)의 피이크 농도(peak concontration) 부분이 있게 이온 주입해서 발광의 효율을 높이고 발광 균질성(emission homogeneity)을 유지한다.When rare earth ions are added by ion implantation, rare earth ions cannot be selectively added only in the middle of the well region due to the nature of ion implantation, but the center of the quantum well structure Ion implantation with peak concontration portions of rare earth ions (Er and Nd) enhances the efficiency of luminescence and maintains emission homogeneity.

이온 주입으로 희토류 이온을 첨가한 양자우물구조(quantum well structure)는 희토류 이온을 활성화시키기 위해 어닐링(annealing)한다. 희토류 광선의 파장과 세기는 이온도즈(ion dose)와 어닐링에 따라 다르다. 따라서, 이온도즈와 어닐링 조건 조절에 의해서 희토류 광선의 파장 조절이 가능하다. 희토류 광선의 파장을 다르게 하고 세기를 증가시키기 위해서 산소나 다른 불순물을 codoping한다. 이온도즈와 어닐링에서 기본적으로 필요한 조건은 1) 이온도즈는 1013이온/cm2이상이어야 된다는 조건과 2) N2나 NH3분위기를 갖추고 900℃이상에서 30분이상 어닐링해야 한다는 점이다.The quantum well structure in which rare earth ions are added by ion implantation is annealed to activate rare earth ions. The wavelength and intensity of the rare earth light beam depend on the ion dose and annealing. Therefore, the wavelength of the rare earth ray can be adjusted by adjusting the ion dose and annealing conditions. Codoping oxygen or other impurities to vary the wavelength of the rare earth light and increase its intensity. Basic requirements for ion dosing and annealing are 1) conditions for the ion dosing to be 10 13 ions / cm 2 or more, and 2) annealing for more than 30 minutes at 900 ° C or more with an N 2 or NH 3 atmosphere.

* 양자우물 p-n 접합 구조* Quantum well p-n junction structure

도2는 희토류 이온이 첨가된 p-n접합 양자우물구조이다. 양자우물구조된 활성영역(active layer) 양편에 양자장벽 보다 더 큰 에너지 갭을 갖는 와이드 갭 반도체로 p-n 접합 구조를 만든다. 도2는 양자우물에 첨가된 희토류 이온이 도1에서 설명한 에너지 전달을 통해서 낮은 에너지의 들뜸 상태로 가는 상태를 보여준다.2 is a p-n conjugated quantum well structure to which rare earth ions are added. The p-n junction structure is made of a wide gap semiconductor having an energy gap larger than the quantum barrier on both sides of the quantum well-structured active layer. FIG. 2 shows a state in which rare earth ions added to the quantum well go to a low energy floating state through the energy transfer described in FIG. 1.

도2에서 활성 영역의 양자우물구조는 단독 양자 우물(single quantum well), 다중 양자 우물(multiquantum well), 초격자우물(superlattice)의 구조로 한다. 도2에서 p-n 접합 양자우물의 기본구조는 (n-형 반도체)/(QB/QW 양자우물구조)/(p-형 반도체)이다. 여기서 QB는 양자장벽을 말하고, QW는 양자우물을 지칭한다. p-n 접합 양자우물는 실제로,In FIG. 2, the quantum well structure of the active region is composed of a single quantum well, a multiquantum well, and a superlattice. In Fig. 2, the basic structure of the p-n junction quantum well is (n-type semiconductor) / (QB / QW quantum well structure) / (p-type semiconductor). Where QB refers to quantum barrier and QW refers to quantum well. p-n junction quantum wells actually

1) (n-형 AlyGa1-yN)/(AlxGa1-xN/GaN 양자우물구조)/(p-형 AlyGa1-yN),1) (n-type Al y Ga 1-y N) / (Al x Ga 1-x N / GaN quantum well structure) / (p-type Al y Ga 1-y N),

2)(n-형 AlyGa1-yN)/(GaN/InxGa1-xN 양자우물구조)/(p-형 AlyGa1-yN),2) (n-type Al y Ga 1-y N) / (GaN / In x Ga 1-x N quantum well structure) / (p-type Al y Ga 1-y N),

3)(n-형 GaN층)/(InyGa1-yN/InxGa1-xN 양자우물구조)/(p-형 GaN),3) (n-type GaN layer) / (In y Ga 1-y N / In x Ga 1-x N quantum well structure) / (p-type GaN),

4) (n-형 AlyGa1-yN층)/(Mg1-xZnxO/ZnO 양자우물구조)/(p-형 AlyGa1-yN),4) (n-type Al y Ga 1-y N layer) / (Mg 1-x Zn x O / ZnO quantum well structure) / (p-type Al y Ga 1-y N),

5) (n-형 Mg1-yZnyO층)/(Mg1-xZnxO/ZnO 양자우물구조)/(p-형 Mg1-yZnyO)으로 제작한다. 도2는 구조1의 경우만을 보여준다. 5개 구조중에서, 구조1, 구조4, 구조5는 다른 구조에 비해서 우수하다. 그 이유는 양자우물의 반도체 물질(GaN이나 ZnO)이 더 높은 에너지 갭을 가져 열급냉현상이 적고 구성원자수가 하나 더 적어 광선폭이 더 좁다. 이들 중 구조4가 실현가능한 가장 이상적인 구조이다. 이상적인 이유는 구조4가 양자우물의 호스트 반도체 물질에 산소가 있다는 점이다. ZnO와 MgZnO는 p-형으로 만들기가 어려워 p-n 구조가 가능하지 않기 때문에, 현실적으로 GaN나 AlGaN로 p-n접합을 만들어 ZnO에 첨가된 희토류 이온을 전기적으로 펌핑할 수 있다.5) (n-type Mg 1-y Zn y O layer) / (Mg 1-x Zn x O / ZnO quantum well structure) / (p-type Mg 1-y Zn y O). 2 shows only the case of Structure 1. Of the five structures, structures 1, 4 and 5 are superior to other structures. The reason is that semiconductor materials (GaN or ZnO) in quantum wells have higher energy gaps, resulting in less quenching and one less member, resulting in a narrower beam width. Of these, structure 4 is the most ideal structure that can be realized. The ideal reason is that structure 4 has oxygen in the host semiconductor material of the quantum well. Since ZnO and MgZnO are difficult to make into p-types, and thus, pn structures are not possible, realistically, pn junctions can be made of GaN or AlGaN to electrically pump rare earth ions added to ZnO.

이들 p-n 접합 구조에 오믹 전극 (ohmic contact)을 만든다.Ohmic contacts are made on these p-n junction structures.

도3은 본 발명의 광원의 개략도이다. 발광다이오드는 양자우물구조에 첨가된 희토류 이온이 낮은 여기상태에서 더 낮은 상태로 전이하면서 발광을 하는 광소자이고, 레이저다이오드는 양자우물구조에 첨가된 희토류 이온이 유도발광을 할 수 있는 레이저 구조를 갖는 광소자이다.3 is a schematic view of a light source of the present invention. The light emitting diode is an optical device that emits light while the rare earth ions added to the quantum well structure transition from a low excited state to a lower state, and the laser diode is a laser structure in which the rare earth ions added to the quantum well structure can induce light emission. It is an optical element having.

도4는 본 발명의 광증폭기의 개략도이다. 광증폭기는 입사된 광자가 여기된 희토류 이온을 유도 방출하게 한다. 광증폭기는 레이저다이오드와 구조가 같으나 양끝 거울구조가 없다.4 is a schematic diagram of an optical amplifier of the present invention. The optical amplifier causes the incident photons to inductively emit excited rare earth ions. The optical amplifier has the same structure as the laser diode but has no mirror structure at both ends.

본 발명의 기본원리는 모든 희토류 이온에 적용된다. 따라서, Nd과 Er 이외에 Ce, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Tm, Yb 등의 희토류 이온이 첨가된 양자우물 p-n 접합 구조로 된 발광다이오드, 레이저다이오드 및 반도체 광증폭기의 제작도 가능하다.The basic principle of the present invention applies to all rare earth ions. Therefore, a light emitting diode, a laser diode, and a semiconductor optical amplifier having a quantum well pn junction structure in which rare earth ions such as Ce, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Tm, and Yb are added in addition to Nd and Er It is also possible to make.

본 발명인 희토류 반도체 소자는 p-n 접합을 통해서 희토류 이온으로부터 광통신용 광선(1.3㎛ 및 1.54㎛ 파장의 광선)을 효율적으로 얻고 또한 광증폭할 수 있는 효과가 있다. 본 희토류 반도체 소자로 제작된 발광다이오드는 좁은 선폭을 가져서 원거리 광원으로 활용할 수 있다는 장점을 갖는다. 본 희토류 반도체 소자로 제작된 레이저다이오드는 온도 변화와 전류변화에 무관한 광선을 발광하는 장점이 있다. 본 레이저다이오드는 1.3㎛ 파장 영역과 1.54㎛ 파장 영역에서 각각 30여개 이상의 작은 선폭의 광선을 내서, 파장다중광통신에 사용될 수 있다는 효과가 있다. 본 희토류 반도체 소자로 제작된 반도체 광증폭기는 펌핑 레이저가 불필요하여 종래의 광섬유 레이저에 비해 초소형이라는 장점이 있다. 또한, 본 반도체 광증폭기는 종래의 반도체 광증폭기 보다 긴 여기시간(1 msec)을 갖는다는 효과가 있다.The rare earth semiconductor device of the present invention has an effect of efficiently obtaining and amplifying optical communication light beams (light rays having a wavelength of 1.3 µm and 1.54 µm) from rare earth ions through a p-n junction. The light emitting diode made of the rare earth semiconductor device has a narrow line width and has the advantage of being used as a remote light source. The laser diode fabricated with the rare earth semiconductor device has an advantage of emitting light regardless of temperature change and current change. The laser diode emits 30 or more small line widths in the 1.3 탆 wavelength region and the 1.54 탆 wavelength region, so that the laser diode can be used for wavelength multiple optical communication. The semiconductor optical amplifier made of the rare earth semiconductor device has the advantage of being very small compared to the conventional optical fiber laser because no pumping laser is required. In addition, the semiconductor optical amplifier has an effect that it has a longer excitation time (1 msec) than the conventional semiconductor optical amplifier.

Claims (8)

활성영역(active layer)이 와이드 갭을 갖는 질화물 반도체(GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN) 또는 산화물 반도체(ZnO, MgO, ZnMgO)에 희토류 이온(rare-earth ions)을 첨가한 것을 특징으로 하는 광통신용 반도체 소자.Rare-earth ions are added to nitride semiconductors (GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN) or oxide semiconductors (ZnO, MgO, ZnMgO) having an active layer in a wide gap. Semiconductor device for optical communication. 제1항에 있어서, 희토류 이온은 에르븀(Er) 또는 네오디뮴(Nd) 중 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 광통신용 반도체 소자.The semiconductor device for optical communication according to claim 1, wherein the rare earth ion is one selected from erbium (Er) and neodymium (Nd). 제1항 또는 제2항에 있어서, 활성영역(active layer)을 희토류 이온이 첨가된 양자우물구조(quantum well structure)로 만들고, 이들 희토류 이온을 p-n 접합을 통해서 전기적으로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 광통신용 반도체 소자.The optical communication according to claim 1 or 2, wherein the active layer is made of a quantum well structure to which rare earth ions are added, and the rare earth ions are electrically pumped through a pn junction. Semiconductor device. 제3항에 있어서, 양자우물구조는 단독 양자 우물(single quantum well), 다중 양자 우물(multiquantum well), 초격자우물(superlattice)의 구조이고, 양자우물 p-n 접합 구조는,The quantum well structure of claim 3, wherein the quantum well structure is a structure of a single quantum well, a multiquantum well, a superlattice, and the quantum well p-n junction structure is: 1) (n-형 AlyGa1-yN)/(AlxGa1-xN/GaN 양자우물구조)/(p-형 AlyGa1-yN),1) (n-type Al y Ga 1-y N) / (Al x Ga 1-x N / GaN quantum well structure) / (p-type Al y Ga 1-y N), 2) (n-형 AlyGa1-yN)/(GaN/InxGa1-xN 양자우물구조)/(p-형 AlyGa1-yN),2) (n-type Al y Ga 1-y N) / (GaN / In x Ga 1-x N quantum well structure) / (p-type Al y Ga 1-y N), 3) (n-형 GaN층)/(InyGa1-yN/InxGa1-xN 양자우물구조)/(p-형 GaN),3) (n-type GaN layer) / (In y Ga 1-y N / In x Ga 1-x N quantum well structure) / (p-type GaN), 4) (n-형 AlyGa1-yN층)/(Mg1-xZnxO/ZnO 양자우물구조)/(p-형 AlyGa1-yN),4) (n-type Al y Ga 1-y N layer) / (Mg 1-x Zn x O / ZnO quantum well structure) / (p-type Al y Ga 1-y N), 5) (n-형 Mg1-yZnyO층)/(Mg1-xZnxO/ZnO 양자우물구조)/(p-형 Mg1-yZnyO) 중 선택된 1종으로 만들어진 것을 특징으로 하는 광통신용 반도체 소자.5) One of (n-type Mg 1-y Zn y O layer) / (Mg 1-x Zn x O / ZnO quantum well structure) / (p-type Mg 1-y Zn y O) An optical communication semiconductor device characterized by the above-mentioned. 제3항에 있어서, 양자우물(quantum well)의 전도띠(conduction band) 미니밴드(miniband)와 가전자띠(valence band) 미니밴드의 에너지 차이가 희토류 이온의 흡수띠 및 트랩센터의 흡수띠와 일치하도록 정해진 양자우물과 양자장벽(quantum barrier)의 폭(width)과 높이(height)를 갖는 것을 특징으로 하는 광통신용 반도체 소자.The energy difference between the conduction band miniband and the valence band miniband of the quantum well is determined so as to match the absorption band of the rare earth ions and the absorption band of the trap center. An optical communication semiconductor device having a width and a height of a quantum well and a quantum barrier. 제3항에 있어서, 희토류 이온을 양자우물의 가운데 부분만 인시츄(in-situ)로 첨가한 양자우물구조로 만든 것을 특징으로 하는 광통신용 반도체 소자.The semiconductor device for optical communication according to claim 3, wherein the rare earth ions are made of a quantum well structure in which only a center portion of the quantum wells is added in-situ. 제3항에 있어서, 이온 주입(ion implantation)한 희토류 이온의 피이크 농도(peak concontration)에 활성영역(active layer)이 있는 양자우물구조로 만든 것을 특징으로 하는 광통신용 반도체 소자.The semiconductor device for optical communication according to claim 3, wherein the semiconductor device is made of a quantum well structure having an active layer at a peak concontration of rare earth ions implanted by ion implantation. 제3항에 있어서, 희토류 광선의 파장과 세기를 변화시키기 위해서 산소 또는 다른 불순물을 코도핑(codoping)한 것을 특징으로 하는 광통신용 반도체 소자.4. The semiconductor device for optical communication according to claim 3, wherein oxygen or other impurities are co-doped to change the wavelength and intensity of the rare earth ray.
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