초저전력 기판 방출 DFB 양자 캐스케이드 레이저: 25°C에서 0.43 W 임계값

요약

본 연구에서 초저전력 소모 기판 방출 분산 피드백(DFB) 양자 캐스케이드 레이저(QCL) 개발. 공동 길이를 0.5 mm로 단축하고 양쪽 면에 고반사율(HR) 코팅 증착해 연속파(CW) 임계 전력 소모를 25°C에서 0.43 W로 감소. 동일 조건 QCL 중 기록된 최저 임계 전력 소모로 알려짐. 매립 2차 격자 사용으로 단일 모드 방출 달성. CW 모드에서 15-105°C 넓은 온도 범위 모드홉 프리 방출 관찰. 발산 각도 능선 폭 방향 22.5°, 공동 길이 방향 1.94°. 25°C CW 동작 최대 광출력 2.4 mW로 분광학 응용 충분.

배경

최근 양자 캐스케이드 레이저(QCL) 급속 발전으로 중적외선 영역 가장 유망 광원[1,2,3]. 높은 출력, 단일 모드 동작, 소형 크기로 DFB QCL이 미량 가스 센싱, 자유 공간 통신, 물질 분석 등 널리 사용[4,5,6]. 그러나 QCL 남은 단점은 높은 전기 전력 소모로 휴대용 고집적 시스템 적용 제한. 전력 소모 감소 위해 가장 직접적 방법은 소자 기하학 크기 감소: 공동 단축, 능선 폭 좁힘. 고반사율(HR) 코팅도 거울 손실 감소에 매우 효과적. 짧은 공동과 HR 코팅[7] 또는 부분 고반사율(PHR) 코팅[8]으로 FP QCL 임계 전력 소모 감소 연구들에서 A.C. Richard 등 22°C 1.2 W, Y. Bai 등 25°C 0.83 W 시연. 이 방법들 DFB 소자에도 적용 가능. 2014 Ryan M. Briggs 등 4.8 µm 방출 단일 모드 DFB QCL CW 임계 전력 소모 0.76 W, 20°C 최대 광출력 ~17 mW 보고[9]. 2015 A. Bismuto 등 4.5 µm 방출 단일 모드 DFB QCL CW 임계 소모 전력 20°C 0.5 W 시연[10]. 최대 광출력 ~150 mW이나 주입 전기 전력 6 W 초과. 도핑 최적화, 저주기 활성 구조 등 다른 방법도 조사[7,11]. 에지 방출 QCL서 HR 코팅 통상 후면 증착, 전면 비코팅 또는 PHR 코팅으로 거울 손실 감소하면서 전면 방출 광출력 유지. 대신 양면 HR 코팅으로 기판 방출하면 빛이 기판서 방출돼 거울 손실 추가 감소. 게다가 기판 방출 QCL서 향상된 원거리장 분포 기대[12,13]. 최근 연구[14]서 양면 HR 코팅 기판 방출 DFB QCL로 20°C 1.27 W 저임계 전력 소모 달성. Ref[14] 활성 영역 40 초격자 주기, 임계 전압 ~13 V. 활성 영역 주기 수 감소로 더 낮은 임계 전압, 따라서 낮은 임계 전력 소모 기대. 1 mm 공동 길이도 매립 2차 격자 적절 설계로 추가 단축 가능해 임계 전력 소모 감소.

본 연구서 초저전력 소모 기판 방출 DFB QCL 개발. CW 모드 임계 전력 소모 15°C 0.4 W, 25°C 0.43 W로 공동 길이 0.5 mm 단축과 양면 HR 코팅 증착으로 달성. CW 모드 최대 광출력 25°C 2.4 mW로 분광학 응용 충분. 매립 2차 DFB 격자 사용 단일 모드 방출 달성. 발산 각도 능선 폭 방향 22.5°, 공동 길이 방향 1.94° FWHM. 공동 길이 방향 이중 로브 원거리장 분포는 반대칭 모드 선호 지시. 이 소자들 15-105°C 넓은 온도 범위 CW 모드 모드홉 없이 동작, 고집적 휴대용 응용 매우 적합.

실험 방법

소자 활성 영역 ~4.6 µm 방출 변형 보상 2-포논 공명 설계 기반. 웨이퍼 n-도핑(Si, 2×10¹⁷ cm⁻³) InP 기판서 고체 소스 분자선 에피택시(MBE) 성장. In₀.₆₇Ga₀.₃₃As/In₀.₃₆Al₀.₆₄As 양자 우물과 장벽 30단계 활성 코어 포함, Ref[15] 유사. 전체 층 시퀀스: 1.2-µm 두께 하부 클래딩층(Si, 2.2×10¹⁶ cm⁻³), 0.3-µm n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As층(Si, 4×10¹⁶ cm⁻³), 30 활성/주입기 단계, 0.3-µm n-In₀.₅₃Ga₀.₄₇As층(Si, 4×10¹⁶ cm⁻³), 상부 웨이브가이드 클래딩층. 매립 격자 위해 상부 웨이브가이드 클래딩층 제거해 상부 InGaAs층 노출. 주기 Λ=1.42 µm(듀티 사이클 σ=0.45, 깊이 d=130 nm) 2차 격자 홀로그래픽 리소그래피 기술과 습식 화학 에칭으로 0.3-µm 상부 InGaAs층 정의. 그림 1a 매립 2차 격자 SEM 이미지. 이후 3-µm 저도핑 InP층(Si, 2.2×10¹⁶ cm⁻³), 0.15 µm 점진적 도핑 InP층(Si, 1×10¹⁷-3×10¹⁷ cm⁻³), 0.4-µm 고도핑 InP 클래딩층(Si, 5×10¹⁸ cm⁻³) 순차 상부 클래딩으로 금속유기 기상 에피택시(MOVPE) 달성.

a 매립 격자 SEM 이미지, b COMSOL 시뮬레이션 매립 2차 격자 결합 계수와 결합 강도

재성장 구현 후 웨이퍼 평균 코어 폭 7 µm 이중 채널 웨이브가이드 구조로 에칭. 450-nm 두께 SiO₂ PECVD 증착 절연. 능선 SiO₂층 2-µm 폭 전자 주입 창 패터닝, Ti/Au층 전기 접점 제공. 더 나은 방열 위해 추가 4-µm 두께 Au층 전기 도금. 실제 클리빙 전 유한 요소법 소프트웨어(COMSOL) 매립 2차 격자 설계 대량 시뮬레이션, Ref[16] 유사. 150 µm 박막 후 웨이브가이드 0.5-와 1-mm 길이 소자로 클리빙, 듀티 사이클 0.35-0.45서 결합 강도 0.54-1.77, 1.08-3.55 대응. 양면 HR 코팅 e-빔 증착. HR 코팅 Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃(200/10/100/120). 소자들 인듐 솔더로 구리 히트싱크 에피층 다운 마운트, 와이어 본딩 외부 접점 패드 연결.

소자 테스트 서미스터로 히트싱크 온도 조절/모니터링 열전 냉각기(TEC) 스테이지 수행. QCL 출력 전력 교정 열전파일 검출기(코히어런트, EMP1000)로 소자 앞 금속 튜브 레이저 방출 수집 측정. 소자 0.01° 분해능 스텝모터 제어 회전 스테이지 올려 원거리장 분포 테스트, 실온 HgCdTe 검출기(비고, PVMI-10.6) 30 cm 거리 소자 앞 배치 복사 검출. 스펙트럼 측정 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광계(써모 피셔 사이언티픽, 니콜렛 8700) 0.25 cm⁻¹ 분해능 신속 스캔 모드 수행.

결과 및 논의

COMSOL 시뮬레이션 결과 그림 1b. 계산에 따르면 듀티 사이클 0.35-0.45, 에칭 깊이 180 nm 매립 격자 결합 계수 |κ|=35.5-10.75 cm⁻¹ 획득. 결합 강도 g=|κ|L, L은 QCL 공동 길이. 효율적 표면 방출 위해 결합 강도 1-2 항상 필요. 1, 0.5 mm 공동 길이 소자 시뮬레이션 결합 강도 듀티 사이클 0.35-0.45서 3.55-1.07, 1.78-0.54 범위. 따라서 짧은 공동 길이 소자 매립 격자 설계 필수적.

특히 전기적 특성 관심. 다양한 공동 길이 소자 광-전류-전압(L-I-V) 곡선 그림 2. 레이저 CW 모드 동작, 히트싱크 온도 온도 컨트롤러(토르랩스, ITC-QCL-4000) 조절. 그림 2a 1 mm 공동 소자 25°C 65 mA 임계 전류, 임계 전류 밀도 0.54 kA/cm², 전력 소모 0.67 W. 최대 광출력 8.6 mW 주입 전기 전력 1.66 W, 슬로프 효율 0.11 W/A. 65°C 고온서도 최대 광출력 5 mW 이상. 0.5 mm 공동 소자 임계 전류와 전력 소모 15°C 39 mA, 0.4 W로 감소(그림 2b). 임계 전류 밀도 0.65 kA/cm². 주입 전기 전력 0.74 W서 최대 광출력 2.8 mW 유도. 25°C서 임계 전류 약간 증가 41 mA, 전력 소모 0.43 W. 동일 온도 QCL 중 최저 임계 전력 소모로 알려짐. 이 소자 최대 광출력 2.4 mW 전력 소모 0.76 W, 고집적 센서 응용 충분. 35°C서 최대 광출력 ~1.9 mW. 105°C까지 CW 모드 동작 가능하나 출력 작아 정확 검출 어려움. Ref[9,10,11] 대비 우리 설계 최대 광출력 주목할만하지 않음, 에피택시 웨이퍼 품질 고유 한계인 낮은 벽면 효율 때문. 게다가 0.5 mm 공동 소자 최대 벽면 효율 실온 0.32%, 1 mm 공동 소자 0.5% 미만.

1 mm(a) 및 0.5 mm(b) 소자 L-I-V 특성

레이저 스펙트럼 특성 그림 3. 1, 0.5 mm 소자 모두 15-105°C 넓은 온도 범위 CW 모드 모드홉 없이 동작. 모든 저전력 소모 QCL 중 최고 동작 온도. 높은 동작 온도 주로 양면 HR 코팅 거울 손실 감소 덕분. 온도 이동 계수 각각 -0.21 cm⁻¹/K, -0.19 cm⁻¹/K. 동일 온도 범위 두 소자 스펙트럼 영역 작은 차이, 격자 리소그래피와 에칭 공정 불균일성 기인 가능. 소자 측면 모드 억제 비율(SMSR) ~25 dB. 우수한 선형 튜닝 능력, 단일 모드, 고온 동작으로 미량 가스 센싱 등 실용 응용 매우 유용.

a 0.5 및 b 1 mm 공동 길이 소자 레이징 스펙트럼

0.5 mm 소자 원거리장 분포 그림 4. 능선 폭 방향 단일 로브 패턴, 발산 각도 22.5° FWHM(그림 4a). 그림 4b 공동 길이 방향 원거리장 패턴. 반대칭 모드 선호, 수작업 클리빙 불균일성과 잔류 면 반사 기인[16]. 분산 브래그 반사기(DBR) 격자 DFB 격자 영역 양쪽에 사용해 비제어 클리브 면 반사 제거로 대칭 모드 획득 가능[17].

0.5-mm 공동 길이 소자 원거리장 분포. a, b 능선 폭 방향, 공동 길이 방향 각각

결론

공동 길이 0.5 mm 단축과 양면 HR 코팅 증착으로 CW 모드 25°C 동작 초저 임계 전력 소모 0.43 W 기판 방출 DFB QCL 개발. 최대 광출력 2.4 mW, 대응 전력 소모 0.76 W. 매립 2차 DFB 격자 정의로 15-105°C 넓은 온도 모드홉 없는 단일 모드 방출 획득. 발산 각도 능선 폭 방향 22.5°, 공동 길이 방향 1.94°. 소자 저소모 특성 배터리 구동 휴대용 시스템 유망 광원 가능.

약어

CW:

연속파

DFB:

분산 피드백

FP:

파브리-페로

FTIR:

푸리에 변환 적외선

FWHM:

반값 전폭

HR:

고반사율

MBE:

분자선 에피택시

MOVPE:

금속유기 기상 에피택시

PECVD:

플라즈마 강화 화학 기상 증착

PHR:

부분 고반사율

QCL:

양자 캐스케이드 레이저

SEM:

주사 전자 현미경

SMSR:

측면 모드 억제 비율

TEC:

열전 냉각기