실온에서 AIGaN/GaN DH의 광학이득

Optical Gain of AIGaN/GaN DH at Room-Temperature

Wide gap 반도체 중 하나인 GaN 에너지갭이 실온에서 3.4eV 이고 직접천이형 에너지대 구조를 가지므로 청색 및 자외영역의 파장을 발광하는 발광다이오드와 바도체 레이저 다이오드의 제작에유용한 재료이다. GaN계 III족 질화물반도체가 다파장용 광원으로서 유망함을 보인 것은 1970년대 초방의기초적 연구이다. 이로부터 약 25년이 경고한 현재 청색발광다이오드가 실용화당계에 이르게 되었지만 아직까지 전류주입에 의한 레이저발진은 보고되고있지 않다. 이 논문에서는 ALGaN/GaN이중이종접합(DH) 구조의 광여기에 의한 유도방출과 광학적 이득을 측정하므로서 전류주입에의한 레이저발진의 가능성을 조사하였다. 유기금속기상에피텍셜(MOVPE)법으로 성장한 ALGaN/GaN DH구조의 표면에 수직으로 펄스발진 질소레이저(파장:337.1nm, 주기:10Hz, 폭: 8nsec) 빔의 공출력밀도를 변화시키어 조사하고 시료의단면 혹은 표면으로부터 방출되는 광 스펙트럼을 측정하였다. 입상광밀도가 증가함에 따라 자연방출에 의한 발광피크보다 낮은 에너지에서 발광강도가 큰 유도방출에 의한 피크가 370nm의 파장에서 현저하게 나타났으며 실온에서 유동방출에 필요한 입사공밀도의 임계치는 약 89㎾/$\textrm{cm}^2$이었다. 이는 GaN 단독층에 대한 유동방출의 임계치 700㎾/$\textrm{cm}^2$ 에 비하여 약 1/8정도 낮은 것이며, 이를 전류밀도로 환산하면 약 27㎄/$\textrm{cm}^2$ 정도로서 전류주입에 의하여서도 레이저발진을 실현할 수 있는 현실적인 값이다. 한편 광여기 방법으로 측정한 광학적 이득은 입사광의 밀도가 각각 100㎾/$\textrm{cm}^2$과 200㎾/$\textrm{cm}^2$일 때 34$cm^{-1}$ / 과 160 $cm^{-1}$ / 이었다. 이와 같은 결과는 GaN의밴드단 부근의 파장영역에서 AIGaN 흔정의 굴절율이 GaN의 굴절율보다 작으므로 DH구조의 채택의 의한 광의 몰입이 가능하여 임계치가 저하된 것으로 여겨진다. 또한 광학적 이득의 존재는 이 구조에 의한 극단파장 반도체 레이저다이오드의 실현 가능성을 나타내는 것이다.