7.1. LD의구조 7.2. LD 물질 7.3. LD 동작 7.4. LD의기본적인특성
Laser Diode(LD) : - 반도체내에서전자의광학천이에의한광자의유도방출을이용한광파의발진기및증폭기를총칭 - 순방향바이어스하에서사용되는전형적인 pn 접합소자 - 유도방출과정에서생성되는코히런트 (coherent) 빛을방출하는소자 - 발진 (lasing) 파장 : 활성층의물질에따라가시광선에서적외선까지 - 소형이며 ( 길이가 0.1mm 정도 ), 고주파에서바이어스전류를조절하여 쉽게변조 - 응용분야 : 광통신, 계측, 정보관계등이분야에폭넓게응용 - 전류에의해 10GHz 이상의고속으로직접변조가가능 - 발진효율 : 수 ~ 수십 % - 수명이길고신뢰성우수, 대량생산이가능하여가격이저렴.
기체 / 고체레이저 vs. 반도체레이저 장점기체 / 고체레이저 다양한종류와응용분야 - UV 레이저 ( 리소그라피 ) - 고출력 (CO 2 레이저 ) - Ultra short pulse 단점 고가격 넓은설치장소요구 저효율 : 큰전력소모, 대형냉각장치요구 반도체레이저 소형 대량생산에의한저가격 고효율, 저소비전력 긴수명 장시간에걸친소재개발및대규모시설투자요구 - 반도체결정성장기술 - 반도체공정
반도체레이저다이오드원리 : pn 다이오드에전류를흘리면전자와전공이활성층에모이면서전하밀도반전이일어나는데, 이때양쪽에반사경을만들어주면공진기가형성되어레이저발진이일어남. 전류주입 - - - - - - 전도대 + + + + + + 가전자대 반사경 n 형광출력. 반도체레이저의동작원리 I 형 활성영역 p 형
7.1. LD 의구조 : pn 접합레이저 (a) 동종접합 - 양쪽반도체가같은재료 - Fabry-Perot 캐비티 (cavity) - 캐비티길이 L : ~ 300µm 정도 - LD에서광범위하게사용 그림 7.1 Fabry-Perot 캐비티 LD 구조
(b) 이중이종 (DH) LD - 얇은반도체양쪽에다른반도체가접합된 2중헤테로구조레이저 - 에피택셜결정성장기법 - 매우작은전류로동작
(a) DH LD - 접합면을따르는전체면적에서복사가방출되기때문에광면적레이저 (b) 스트라이프 DH LD - 산화층은스트라이프금속접촉을제외한모든영역을고립시켜서레이저방출영역을접촉부위아래의좁은영역으로제한 - 스트라이프폭 S : 5~30 µm - 동작전류를감소 - 접합면을따르는다중방출면적제거, 신뢰도향상 그림 7.2 Fabry-Perot 캐비티 LD 구조 :(a) DH LD, (b) 스트라이프 DH LD
7.2. LD 물질 레이저의방출파장은 0.3~30µm 범위 레이저복사를방출했던최초의재료 : 갈륨비소 (GaAs) III-V족화합물합금 : Al x Ga 1-x As y Sb 1-y 와 Ga x In 1-x As y P 1-y 계면트랩을무시할수있는헤테로접합구조를얻기위하여는두반도체간의격자가밀접하게정합되어야만함.
그림 7.3 Al x Ga 1-x As 의조성에따른 (a) 밴드갭변화와 (b) 굴절율변화
7.3. LD 동작 7.3.1 반전분포 LD 에서반전분포를얻기위하여접합양쪽의도핑레벨을매우높게하여 p 형에서는페르미준위가가전자대아래에, n 형에서는전도대위에있도록만들어준축퇴반도체사이에형성된 pn 접합을고려. 반전분포조건 : (E FC -E FV ) > Eg (a) 열평형상태의도우핑이많이된 pn 접합 (b) 순방향바이어스가인가된도우핑이많이된 pn 접합 그림 7.4 축퇴 pn 접합
7.3.2 캐리어와광의제한 그림 7.5 (a) 동종접합 LD 와 (b) 이중이종 (DH) LD
그림 7.6 (a) 캐비티형태와 (b) 캐비티내이동궤적
7.3.3 임계전류밀도 레이저작용이일어나는데필요한최소전류밀도 : 임계전류밀도 Jth - 온도가증가할때 Jth(DH 레이저 ) 는 Jth( 동종접합레이저 ) 보다매우 느리게증가 - 300K 에서 DH 레이저의 Jth 가낮기 때문에 DH 레이저는실온에서 연속동작이가능. - 이특성은 LD 의사용을촉진, 특히광섬유통신에서사용이증가. 그림 7.7 동종접합과 DH 접합 LD 에대한온도대임계전류밀도
7.3.4 LD 의발진 반도체레이저발진 : 전도대와가전자대사이에서전자의분포가반전 열평형인고순도의반도체 : 전도대에있는전자수 가전자대에있는전자수. LD의여기방법 ( 반전분포방법 ) : 가전자대의전자를전도대로전이 - 전류여기 : 반도체의 pn접합부에직접전류를흘려전자와정공을주입 - 광여기 : 반도체의 Eg보다큰에너지를갖는광자의조사 - 전자빔여기 : pn접합을만들수없는반도체의경우에이용. 20 100keV 정도로가속시킨전자빔을냉각된반도체의가전자대전자에충돌시켜전도대로올라가게함.
LD 의원리 그림 7.9 LD 의에너지밴드 pn접합다이오드에순방향바이어스를인가 운반자주입 공간전하영역 ( 활성영역 ) 에서재결합. Eg에상당하는광자, 레이저광을방출. 방사되는레이저광의강도 : 전자의재결합의크기에따라커지며, 주입되는전자와정공이더욱많아져반전분포가커지면활성층내부에서는점점유도방출이일어나광이증폭됨. pn접합활성층의양단면 : 완전히평행으로거울의역할을하기때문에광공진기가구성되어레이저의발진
7.3.5 발진파장특성 LD 의발진파장 λ : 반도체발광재료의 Eg 에의해결정 c hc 파장 λ = = = ν E g ( E ; 광자의에너지, 1.24 ( µ m) E g c ; 빛의속도, 예 ) GaAs 의경우실온에서 Eg=1.4eV 이므로 λ=0.8856µm h ; 플랑크상수, ν ; 주파수)) - 보통전류를늘여발진출력을증가시키면발진파장은변함. - 이는전류를증가시키면레이저활성층의온도가상승하고띠간격 Eg 가커져발진파장이짧은쪽으로이동하기때문
현재실용화되어있는반도체재료계 (III-V 족반도체 )
광학적공진상자 ( 간섭성방출출력 ) - 두개의평행한거울로구성된공진상자 : 패브리-페롯 (FP) 공진기 - 페브리-페롯형 LD의공진기단면은결정의절개면을이용 - z-방향으로진행하고양단의거울사이에서반사되어왕복 - 거울은일부를반사, 일부를투과 절개된 (110) 면으로 Fabry-Parot 공진상자를이루는 pn 접합다이오드
위상조건 레이저로동작하기위해서는이득조건외에위상조건도만족해야함 광자는파동의성질도있으므로, 레이저로동작하기위해서는한번왕복후의 위상변화 φ 가 2π 의정수배가되어야함. 즉다음과같은특정한파장만이 광공진기외부로출력. (m 은정수 ) 활성영역의굴절률 레이저의종모드 (longitudinal mode) 참고 ) 주파수로는 이므로
(a) 길이가 L 인공진상자의공진모드 (b) 자연방출특성곡선 (c) 레이저다이오드의실제방출모드
레이저공진기공진기는이증폭기를입력과출력을서로연결하여계속위상과파장이같은빛을생성할수있게해줌. 단순히반사경두개를서로마주보게만들면빛이계속반사하며무한루프 (loop) 를돌게됨. L I = I exp( αx ) α : 흡수계수 0 I = I exp( gx ) g : 이득계수 0 I 0 (α i, g) 1-R 1 1-R 2 R 1 R 2
레이저발진조건 L = m λ/2 I 0 (α i, g) 1-R 1 1-R 2 R 1 R 2
제 7 장 Laser Diodes + = 2 1 1 ln 2 1 1 R R L J th α β : 공기굴절률 ) : 반도체굴절률, ( 1 2 2 1 2 1 2 2 1 n n n n n n R R + = = 문턱전류
7.4 LD 의기본적인특성 전류에대한광출력특성 - 문턱전류 (Ith) : 꺽이는점에서의전류 - 낮은전류에서는출력스펙트럼이넓으며자연방출의결과 - 문턱전류를넘어서면여러개의공진주파수가관찰 - 다이오드전류가커지면작은대역폭을가진단일모드가지배적인출력이발생
온도에따른광출력대다이오드전류특성곡선