이중 모드 InAs/GaAs 양자점 DFB 레이저: 광대역 조절 가능 CW 테라헤르츠 응용

요약

본 논문에서는 변조 p-도핑 다중 InAs/GaAs 양자점(QD) 구조 기반의 측면 결합 분산 피드백(LC-DFB) 레이저를 제작했습니다. 이 소자는 연속파(CW) 동작 하에서 47 dB 이상의 높은 측면 모드 억제비(SMSR)와 0.092 nm/K의 높은 열적 안정성(dλ/dT)을 보입니다. 이는 변조 p-도핑과 급속 열 어닐링(RTA) 공정으로 준비된 높은 물질 이득, 얕은 식각 그레이팅과 레이저 리지 근접 배치로 크게 감소된 파도관 손실에 기인합니다. 이 우수한 DFB 레이저 성능을 바탕으로 레이저 리지 양쪽에 다른 주기의 그레이팅 구조를 정밀하게 정의하거나 레이저 공동 길이를 줄여 광대역 조절 가능 이중 파장 레이징 동작을 달성했습니다. 두 레이징 모드 간 파장 간격은 0.5~73.4 nm 범위에서 유연하게 조절 가능하며, 이는 0.10~14 THz의 주파수 차이에 해당합니다. 이는 단일 소자로 달성된 가장 넓은 조절 범위로, CW 테라헤르츠파 생성의 새로운 기회를 제공합니다.

배경

분산 피드백(DFB) 레이저는 좁은 방출 스펙트럼과 안정된 방출 파장으로 장거리 광섬유 통신과 테라헤르츠(THz) 복사 분야에서 기술적으로 중요합니다[1-3]. 지난 10년간 고성능 DFB 레이저 개발을 위한 많은 노력이 있었으며, 양자점(QD) 기반 DFB 레이저는 상용 양자우물 기반 소자에 비해 낮은 임계 전류, 높은 양자 효율, 광대역 파장 조절 범위, 고온 안정성 등 유리한 성능을 보입니다[4-6]. 양자점 레이저 구조에서 변조 p-도핑은 바닥 상태(GS) 이득을 크게 향상시켜 온도 안정성[7]과 고속 변조 특성[8]을 개선하는 효과적 방법으로 입증되었습니다. 또한 급속 열 어닐링(RTA)은 에피택시 성장 중 생성되는 점 결함과 전위를 감소시켜 QD 어셈블리의 물질 품질과 광학적 특성을 최적화하는 또 다른 효율적 방법입니다[9].

기존 DFB 레이저 제작은 일반적으로 두 단계의 고품질 에피택시 성장을 필요로 합니다[9]. Stubenrauch 등은 1.3-µm QD DFB 레이저를 보고했으나, 브래그 그레이팅 구조 제작과 하부 클래딩층 및 활성 영역 에피택시 후 금속유기 화학기상증착(MOCVD) 재성장 단계가 필요해 복잡하고 불확실한 요소가 많았습니다[1]. 재성장 공정을 피하기 위해 Goshima 등은 리지 도파관에 수직으로 깊게 식각한 그레이팅을 이용한 QD 기반 측면 결합 DFB(LC-DFB) 레이저 구조를 제안했으나, 깊은 식각 공정의 큰 파도관 손실로 인해 낮은 슬로프 효율(0.03 W/A 미만)과 작은 SMSR(20 dB)을 보였습니다[10]. 파도관 손실은 주로 깊은 식각 공정에서 기인하며, 건식 또는 습식 식각에서 높은 종횡비(보통 20:1) 요구로 고품질 균일 그레이팅 구조 실현이 어렵습니다[11]. 따라서 초고성능 DFB 레이저를 실현하려면 최적화된 QD 활성 영역과 개선된 소자 도파관 구조를 결합하는 방법이 필요합니다.

테라헤르츠(THz) 주파수 복사 소스는 의료, 농업, 환경, 보안 응용으로 큰 주목을 받으며[12,13], 콤팩트한 크기와 저비용으로 주파수 조절 가능 연속파(CW) 동작이 특히 요구됩니다. 최근 다양한 반도체 이중 모드 레이저가 THz 포토믹싱용 광 비트 소스 개발을 위해 연구되었습니다[14,15]. 외부 공동 레이저를 이용한 광대역 주파수 조절이 입증되었으나, 기계적 이동 부품이 파장 조절에 불편하고 불안정합니다. 약간 다른 주파수의 두 독립적인 DFB 레이저 빔을 이용한 CW THz 신호 생성도 가능합니다[3,16-18]. 이 기술은 DFB 레이저 다이오드의 매우 좁은 방출 스펙트럼과 안정된 파장 덕분에 THz 복사 생성에 탁월한 선택입니다[3,16-18]. 이러한 보고된 THz 포토믹싱 구성과는 달리, 단일 DFB 레이저 공동에서 두 조절 가능 레이저 라인의 동시 방출은 콤팩트함, 고온 안정성, 높은 분광 품질로 매우 매력적입니다[3,19].

본 연구에서는 분자 빔 에피택시(MBE)로 다중 InAs/GaAs QD 레이저 구조를 성장시키고, QD 활성 영역에 p-타입 변조 도핑을 적용했습니다. 에피택시 성장 후 QD 시료를 후성장 어닐링 공정으로 처리했습니다. 오버그로스 단계 회피와 그레이팅 식각 종횡비 감소를 위해 얕은 식각 그레이팅으로 LC-DFB 레이저를 제작했습니다. p-도핑 QD 기반 얕은 식각 LC-DFB 레이저는 0.2 W/A의 높은 차동 효율, 47 dB의 큰 SMSR, 0.092 nm/K의 높은 열적 안정성 dλ/dT를 보입니다. 또한 LC-DFB 레이저에서 리지 양쪽에 서로 다른 주기의 두 세트 그레이팅을 제작해 이중 모드 레이징을 성공적으로 달성했으며, 레이징 파장은 그레이팅 주기 미세 조절로 간단히 조작 가능하여 두 레이징 모드 간 주파수 차이를 0.10~14 THz의 넓은 범위로 조절할 수 있습니다. 본 연구는 QD 기반 LC-DFB 레이저가 장거리 광섬유 통신과 CW THz 복사 소스로서 유망함을 입증합니다.

실험 방법

재료 제조 및 특성 분석

InAs/GaAs QD 레이저 구조는 MBE 시스템으로 Si-도핑 GaAs (100) 기판 상에 성장시켰습니다. 레이저 구조의 활성 영역은 33 nm 두께 GaAs 장벽으로 분리된 8중 QD 층 적층입니다. 각 QD 층은 6-nm 두께 InGaAs 변형 완화층으로 덮인 2.7 ML InAs로 구성됩니다. 전체 활성 영역은 하부 ~2800 nm n-Al₀.₃Ga₀.₇As와 상부 ~1800 nm p-Al₀.₃Ga₀.₇As 클래딩층으로 샌드위치되어 있습니다. InAs 증착은 510°C 성장 온도와 0.01 ML/s 성장 속도로 수행했습니다. 변조 p-도핑(Be)은 각 QD 층 10 nm 아래 GaAs 스페이서 층 내 6-nm 층에 수행했으며, 도핑 농도는 양자점당 25개 수용체로 제어했습니다. InGa/GaAs QD 층의 단면 투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 그림 1a에 나와 있습니다. InAs/GaAs QD 밀도는 원자 힘 현미경 측정으로 4×10¹⁰ cm⁻²로 결정되었습니다. RTA 처리는 N₂ 분위기에서 700°C, 45초간 수행했으며, QD 시료는 어닐링 중 GaAs 근접 캡으로 보호되었습니다.

InAs/GaAs QD LC-DFB 레이저 구조의 개요도 및 형태. a 개요도. 삽입: QD 활성층 구조 단면 TEM 이미지. b 1차 그레이팅을 가진 LC-DFB 레이저 구조 평면 SEM 이미지. 삽입: 그레이팅과 리지 도파관 접합부 확대 SEM 이미지

LC-DFB 설계, 제작 및 특성 분석

설계된 LC-DFB 레이저 구조 개요도는 그림 1a에 나와 있습니다. 이 설계는 단일 라운드 에피택시 성장만으로 LC-DFB 레이저 제작을 가능하게 하고 광학 그레이팅 식각의 종횡비를 감소시킵니다. 좁은 리지 도파관과 측면 결합 그레이팅 구조 형성은 기존 리소그래피 공정[1,9,10]과 달리 두 단계 공정으로 나뉩니다. 측면 결합 그레이팅 형성에는 얕은 식각이 필요해 기존 깊은 식각 접근법이 요구하는 건식 식각의 높은 종횡비를 크게 줄입니다. 또한 그레이팅을 반도체 내 수백 나노미터만 식각함으로써 1차 그레이팅 같은 매우 작은 피처 크기의 그레이팅 구조를 쉽게 실현할 수 있어 THz 응용을 위한 독창적 소자 구조 개발의 새로운 기회를 제공합니다.

LC-DFB 결합 원리에 따르면 그레이팅과 리지의 근접도는 레이저 성능에 큰 영향을 미치는 핵심 요소입니다[20]. 제작 공정에서 리지 도파관을 먼저 정의한 후 전자빔 리소그래피(EBL)용 시료는 도파관과 높이 차이가 나며, 포토레지스트가 EBL 중 측벽에 쌓여 그레이팅을 리지 인접부에 형성하기 어렵게 만듭니다. 균일하지 않은 포토레지스트 코팅 문제를 해결하고 EBL로 패턴화된 고품질 그레이팅을 형성하기 위해 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 레지스트 두께를 75 nm로 얇게 최적화하여 그레이팅 품질이 평형점에 도달하도록 했습니다. LC-DFB 레이저는 다음 절차로 제작되었습니다. 첫째, 75-nm SiO₂ 층을 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)으로 에피택시 구조 위에 증착해 그레이팅 얕은 식각용 식각 보호층으로 사용했습니다. 리지 도파관 구조를 광학 리소그래피로 패터닝하고 Cl₂와 BCl₃ 기체 혼합물로 유도 결합 플라즈마(ICP) 식각해 약 1.75 µm 깊이로 식각했습니다. 도파관 구조 정의 후 상부 p-사이드 AlGaAs 클래딩층을 습식 식각으로 추가 식각해 QD 활성 영역 위 ~280 nm에서 정지시켰습니다. 이후 PMMA 레지스트(분자량 950 K, 두께 75 nm)를 스핀 코팅하고 180°C에서 90초 베이킹했습니다. 1차 그레이팅을 리지 도파관 옆에 EBL로 정의하고, 레지스트 이미지를 ICP 건식 식각으로 AlGaAs에 전사했습니다. PMMA 레지스트와 AlGaAs 식각 속도는 각각 약 5 nm/s, 10 nm/s였습니다. 제작된 LC-DFB 구조 SEM 이미지는 그림 1b에 나와 있습니다. 신중한 EBL 노광량 선택과 얇은 레지스트로 인한 포토레지스트 적층 현상 완화로 그레이팅이 레이저 리지 도파관에 단단히 연결됨을 그림 1b 삽입에서 확인할 수 있습니다. 그레이팅 식각 깊이는 135 nm, 주기는 194 nm입니다. 정밀하고 광범위하게 조절 가능한 이중 파장 레이징을 위해 리지 도파관 양쪽 측면 그레이팅에 두 개의 다른 브래그 주기를 제작했습니다. 리지 도파관 상부 옴 접촉층은 75-nm 두께 SiO₂ 보호층으로 완전히 보호되어 ICP 식각 중 옴 접촉이 유지되도록 했습니다. 얕은 식각 그레이팅은 QD 활성 영역 위 150 nm로 제어해 빛과 좋은 결합을 형성했습니다. 절연과 평탄화를 위해 그레이팅 식각 후 PECVD로 또 다른 SiO₂ 층을 증착했습니다. 마지막으로 반응성 이온 식각(RIE) 건식 식각으로 SiO₂에 콘택트 윈도우를 열었습니다. Ti/Au와 Au/Ge/Ni/Au를 각각 상부와 하부 옴 접촉으로 증착했습니다. 기판을 약 80 µm까지 얇게 연마해 자기 발열 효과를 최소화했습니다. 1 mm와 0.45 mm 길이의 레이저 공동을 제작했고, 방출 면은 코팅하지 않았습니다. 레이저 바를 구리 히트싱크에 p-사이드 업으로 장착하고 모든 측정은 CW 동작 하에서 수행했습니다.

결과 및 논의

그림 2a는 다중 변조 p-도핑 QD 구조 기반 제작된 LC-DFB 레이저의 전형적인 전력-전류-전압(P-I-V) 특성을 보여줍니다. 레이저는 0.20 W/A의 명백한 높은 슬로프 효율과 33 mA의 낮은 임계값을 보이며, 이는 QD 구조의 높은 물질 품질과 높은 광 이득을 입증합니다. 언도핑과 p-도핑 QD LC-DFB 레이저의 임계 전류 밀도와 슬로프 효율의 온도 의존성은 그림 2b, c에 각각 나와 있습니다. 그림 2b에서 언도핑 QD LC-DFB 레이저의 임계 전류 밀도 특성 온도(T₀)는 52.3 K로 계산되었으나, p-도핑 QD LC-DFB 레이저의 T₀는 특히 15~50°C 온도 범위에서 무한대 T₀가 관측될 정도로 크게 증가합니다. 또한 이 온도 범위에서 슬로프 효율은 거의 저하되지 않음(언도핑 QD LC-DFB 레이저는 2.6% 저하)으로 p-도핑 LC-DFB 레이저의 슬로프 효율 특성 온도(T₁)도 무한대임을 나타냅니다. 언도핑과 p-도핑 LC-DFB 레이저 간 T₀와 T₁의 큰 차이는 변조 p-도핑으로 인한 내재된 과잉 정공이 인접 에너지 준위에서 정공의 열적 확장을 크게 억제하기 때문입니다[21,22]. 위 결과를 바탕으로 p-도핑 QD LC-DFB 레이저를 추가 레이징 스펙트럼 특성 분석용으로 선택했습니다.

LC-DFB 레이저의 P-I-V 및 온도 의존 특성. a 실온에서 p-도핑 LC-DFB 레이저 P-I-V 특성. b 언도핑과 p-도핑 LC-DFB 레이저의 임계 전류 밀도 온도 의존성. c 언도핑과 p-도핑 LC-DFB 레이저의 슬로프 효율 온도 의존성

그림 3 삽입은 실온(RT)에서 I = 2I_th 주입 레벨로 측정한 1 mm 공동 길이 p-도핑 LC-DFB 레이저 방출 스펙트럼을 보여주며, 1292.4 nm에서 단일 종단 모드 레이징과 47 dB의 매우 큰 SMSR을 관찰할 수 있습니다. 그림 3은 p-도핑 LC-DFB 레이저의 동작 온도에 따른 방출 파장 변화를 보여주며, 0.092 nm/K의 변화율만 나타냅니다. 레이징 파장의 높은 온도 안정성은 굴절률 온도 계수와 잘 일치하며, 이는 물질 이득 이동 온도 계수의 약 5배 낮습니다.

방출 파장의 온도 의존성. 삽입: 2I_th에서 측정한 p-도핑 LC-DFB 레이저 방출 스펙트럼

최근 Goshima 등[10]은 리지 도파관 구조에 수직으로 깊게 식각한 그레이팅으로 제작된 1.3-µm InAs/GaAs QD LC-DFB 레이저를 보고했으며, 깊은 식각 공정의 큰 파도관 손실로 인해 0.03 W/A 미만의 낮은 슬로프 효율과 20 dB의 작은 SMSR을 보였습니다. Briggs 등[23]은 얕은 식각 그레이팅 구조로 GaSb 기반 LC-DFB 레이저를 성공적으로 제작해 25 dB의 더 큰 SMSR을 달성했으나, 그레이팅과 리지 도파관 간 큰 거리로 인한 낮은 결합 계수로 추가 개선이 제한되었습니다. 이는 LC-DFB 레이저 성능에 결정적입니다. 본 연구에서는 좁은 리지 도파관과 그레이팅 구조를 별도 제작해 리지 도파관의 매우 날카롭고 매끄러운 측벽을 얻어 파도관 손실이 적습니다. 본 실험에 사용된 그레이팅 제작용 얕은 식각 방법은 식각 그레이팅의 종횡비를 급격히 줄이고 빛과 좋은 결합을 보장하는 고품질 1차 그레이팅 구조 제작을 가능하게 합니다. PMMA 레지스트 두께와 EBL 리소그래피 매개변수를 신중히 제어해 리지 측벽 옆 포토레지스트 적층 현상을 효과적으로 완화하여 그레이팅이 레이저 리지 도파관에 인접하게 형성되도록 했습니다. 또한 MBE 에피택시 성장 매개변수 최적화로 얻은 ~4.3×10¹⁰ cm⁻²의 높은 양자점 밀도와 변조 p-도핑 및 후성장 어닐링 처리로 실현된 QD 어셈블리의 높은 이득이 우리 LC-DFB 레이저의 큰 47 dB SMSR을 설명할 수 있습니다.

이미 입증된 장거리 광전송과 파장 분할 다중화(WDM) 시스템에서의 광범위한 응용(좁은 방출 스펙트럼과 높은 열 안정성이라는 우수한 특징 덕분) 외에도, LC-DFB 레이저는 CW THz 복사 생성에도 이점을 보입니다. 두 독립적인 다이오드 레이저를 이용한 전통적인 THz 복사 생성 방법[24-26]과 달리, 두 모드의 동시 방출이 가능한 LC-DFB 레이저는 비용 효율성, 콤팩트함, 높은 안정성, 높은 분광 품질로 THz 복사 소스 제작에 매우 매력적입니다. 양자우물(QW) 레이저와 달리 QD 기반 방출기는 QD 구조의 두 독특한 특징 덕분에 광대역 조절 가능 소스에 적합합니다. 첫째, 낮은 상태 밀도의 특성으로 바닥 상태(GS) 준위가 쉽게 포화되어 여기 상태(ES)로 추가 인구가 분포합니다. 둘째, 자가 조립 QD 앙상블의 넓은 크기 분포가 양자 크기 효과에 의해 지배되는 넓은 발광 스펙트럼을 유도하므로 양자점 크기 변이를 조절 범위 확장에 활용할 수 있습니다.

독립적으로 제작된 측면 그레이팅으로 구성된 LC-DFB 구조는 설계된 브래그 파장의 정의에 높은 유연성을 허용합니다. 이중 파장 레이징은 두 개의 다른 브래그 주기 Λ₁과 Λ₂를 가진 두 세트 그레이팅 제작으로 달성 가능하며, 이는 두 개의 다른 파장 λ₁과 λ₂를 가능하게 합니다. 본 보고 방법은 리지 양쪽 그레이팅에 두 개의 다른 그레이팅 주기를 정의하는 것입니다. 이중 파장 레이징 측정은 CW 조건에서 수행되었습니다. 약 40 dB SMSR의 안정적인 이중 파장 레이징이 관찰되었습니다. 그림 4a에서 짙은 청록, 파랑, 빨강, 검정 선은 두 개의 다른 레이징 파장을 가진 레이징 스펙트럼을 보여줍니다. 그레이팅 주기 차이 Λ₁ - Λ₂ = 0.10 nm인 1-mm LC-DFB 레이저에서 두 레이징 파장은 각각 1292.40 nm와 1292.90 nm로, 0.50 nm 파장 간격에 해당하며 ~0.10 THz의 비트 주파수입니다. 그레이팅 주기 차이를 0.64 nm로 조절하면 이중 파장 간격을 4.1 nm까지 확장할 수 있으며, 이는 0.74 THz의 비트 주파수에 해당합니다.

이중 모드 LC-DFB 레이저 스펙트럼. a 다른 그레이팅 주기를 가진 이중 파장 LC-DFB 레이저 방출 스펙트럼. b 450 µm 초단 공동 길이 LC-DFB 레이저의 광대역 이중 모드 레이징 스펙트럼

이중 모드 레이징의 더 큰 조절 범위를 얻기 위해 LC-DFB 레이저 공동 길이를 450 µm로 신중히 단축했습니다. 이는 GS 이득 포화와 ES 인구 증가 효과로 GS와 ES 동시 레이징을 유도합니다. LC-DFB 레이저 구조는 이전 보고[27,28]와 유사하게 각각 182 nm와 194 nm의 두 다른 브래그 주기로 구성됩니다. 그림 4b에서 두 종단 모드는 73.4 nm의 큰 파장 분리를 보이며, 이는 14 THz의 주파수 차이에 해당합니다. 리지 도파관에 측면으로 두 다른 주기 그레이팅을 구현하고 공동 길이를 섬세하게 단축해 ES 레이징을 허용함으로써, InAs/GaAs QD 기반 레이저 다이오드는 0.5~73.4 nm의 매우 넓은 조절 가능 파장 간격(0.10~14 THz 주파수 차이)에 해당하는 이중 레이징 라인을 방출할 수 있습니다. THz 포토믹싱을 위한 두 개별 레이저 기반 타입 제안 방식과 비교할 때, 우리 소자는 단순한 구조, 콤팩트한 크기, 낮은 제작 비용, 매우 넓은 조절 범위의 장점을 제공합니다.

결론

얕은 식각 그레이팅을 가진 1.3-µm QD LC-DFB 레이저를 제작했으며, 일반적인 DFB 레이저 제작 공정에서 오버그로스 복잡성과 깊은 식각 공정의 어려움을 성공적으로 회피했습니다. 변조 p-도핑, RTA 처리, 최적화된 LC-DFB 레이저 도파관 구조로 준비된 QD 시료의 높은 물질 이득 덕분에 소자는 47 dB의 큰 SMSR과 0.092 nm/K의 높은 열적 안정성 dλ/dT를 보입니다. 좁은 리지 도파관 양쪽 그레이팅에 두 개의 다른 주기를 정의하거나 레이저 공동 길이를 단축하는 방법으로 두 레이징 라인을 동시에 얻을 수 있으며, 두 레이징 파장 간 간격을 0.5~73.4 nm(0.10~14 THz 주파수 차이)로 유연하고 광범위하게 조절할 수 있습니다. 주목할 점은 이 넓은 조절 범위가 단일 레이저 소자에서 실현되었다는 점으로, 지금까지 보고된 바 없습니다. 이러한 결과는 LC-DFB 레이저가 CW THz 복사 생성에 유망한 응용 가능성을 가짐을 입증합니다.

약어

CW:

연속파

DFB:

분산 피드백

EBL:

전자빔 리소그래피

ES:

여기 상태

GS:

바닥 상태

ICP:

유도 결합 플라즈마

LC-DFB:

측면 결합 분산 피드백

MOCVD:

금속유기 화학기상증착

PECVD:

플라즈마 강화 화학기상증착

P-I-V:

전력-전류-전압

PMMA:

폴리메틸메타크릴레이트

QD:

양자점

QW:

양자우물

RT:

실온

RTA:

급속 열 어닐링

SEM:

주사 전자 현미경

SMSR:

측면 모드 억제비

TEM:

투과 전자 현미경

WDM:

파장 분할 다중화