광전자 기술의 급속한 발전과 함께 반도체 레이저는 통신, 의료기기, 레이저 거리 측정, 산업 공정, 가전제품 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 이 기술의 핵심에는 빛을 방출하는 원천일 뿐만 아니라 소자 작동의 기반이 되는 PN 접합이 자리하고 있습니다. 본 논문에서는 반도체 레이저에 사용되는 PN 접합의 구조, 원리 및 주요 기능에 대해 명확하고 간결하게 설명합니다.
1. PN 접합부란 무엇입니까?
PN 접합은 P형 반도체와 N형 반도체 사이에 형성되는 계면입니다.
p형 반도체는 붕소(B)와 같은 억셉터 불순물로 도핑되어 정공이 주요 전하 운반체가 됩니다.
N형 반도체는 인(P)과 같은 도너 불순물로 도핑되어 전자가 주요 전하 운반체가 됩니다.
P형 물질과 N형 물질이 접촉하면 N형 영역의 전자가 P형 영역으로 확산되고, P형 영역의 정공이 N형 영역으로 확산됩니다. 이러한 확산으로 인해 전자와 정공이 재결합하여 공핍 영역이 생성되고, 남은 전하를 띤 이온들이 내부 전기장, 즉 내장 전위 장벽을 형성합니다.
2. 레이저에서 PN 접합의 역할
(1) 담체 주입
레이저가 작동할 때, PN 접합부는 순방향 바이어스됩니다. 즉, P 영역은 양의 전압에, N 영역은 음의 전압에 연결됩니다. 이렇게 하면 내부 전기장이 상쇄되어 전자와 정공이 접합부의 활성 영역으로 주입되어 재결합할 수 있게 됩니다.
(2) 빛 방출: 유도 방출의 기원
활성 영역에서 주입된 전자와 정공이 재결합하여 광자를 방출합니다. 초기에는 이 과정이 자발적 방출이지만, 광자 밀도가 증가함에 따라 광자는 추가적인 전자-정공 재결합을 자극하여 동일한 위상, 방향 및 에너지를 가진 추가 광자를 방출할 수 있습니다. 이를 유도 방출이라고 합니다.
이 과정은 레이저(유도 방출에 의한 광 증폭)의 기본 원리를 형성합니다.
(3) 이득 및 공진 공동이 레이저 출력을 형성합니다.
반도체 레이저는 유도 방출을 증폭하기 위해 PN 접합부 양쪽에 공진 공동을 포함합니다. 예를 들어, 에지 방출 레이저에서는 분산 브래그 반사기(DBR) 또는 거울 코팅을 사용하여 빛을 앞뒤로 반사시킴으로써 이를 구현할 수 있습니다. 이러한 구조를 통해 특정 파장의 빛을 증폭할 수 있으며, 궁극적으로 높은 결맞음성과 방향성을 가진 레이저 출력을 얻을 수 있습니다.
3. PN 접합 구조 및 설계 최적화
반도체 레이저의 종류에 따라 PN 구조는 다를 수 있습니다.
단일 이종접합(SH):
P 영역, N 영역 및 활성 영역은 동일한 재질로 이루어져 있습니다. 재결합 영역은 넓고 효율이 떨어집니다.
이중 이종접합(DH):
밴드갭이 더 좁은 활성층이 P 영역과 N 영역 사이에 끼워져 있습니다.これにより 전하 운반체와 광자가 모두 갇혀 효율이 크게 향상됩니다.
양자 우물 구조:
초박형 활성층을 사용하여 양자 구속 효과를 생성함으로써 문턱 특성과 변조 속도를 향상시킵니다.
이러한 구조들은 모두 PN 접합 영역에서 전하 주입, 재결합 및 발광 효율을 향상시키도록 설계되었습니다.
4. 결론
PN 접합은 반도체 레이저의 진정한 "심장"입니다. 순방향 바이어스 하에서 전하 운반체를 주입하는 능력은 레이저 발생의 근본적인 원동력입니다. 구조 설계 및 재료 선택부터 광자 제어에 이르기까지 전체 레이저 장치의 성능은 PN 접합 최적화에 달려 있습니다.
광전자 기술이 지속적으로 발전함에 따라 PN 접합 물리학에 대한 심층적인 이해는 레이저 성능 향상뿐만 아니라 차세대 고출력, 고속, 저비용 반도체 레이저 개발을 위한 견고한 토대를 마련합니다.
게시 시간: 2025년 5월 28일