낮은 문턱 전류를 위한 Vertical Cavity Laser - Depleted Optical Thyristor 의 레이징 특성에 관한 연구 Optical Properties of Vertical Cavity Laser - Depleted Optical Thyristor for Low Threshold Current원문보기
본 연구에서는 광 논리 및 광 접속에 응용할 수 있는 GaAs/AlGaAs 구조의 완전 공핍 광 싸이리스터(depleted optical thyristor, DOT)에 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser diode)을 응용하여, 활성층 위, 아래에 1/4 파장 거울층(quarter wavelength reflector stacks)을 제작함으로서 본 구조에서 최초의 레이징 특성을 구현하였고, 그 특성을 측정, 분석하였다. 스위칭 특성을 알아보기 위하여 순방향 전압에서는 비선형 s-자형의 전류-전압 특성을, 역방향 전압에서는 완전 공핍 전압을 모의실험으로 알아보았다. 모의실험을 바탕으로 설계, 제작한 VCL-DOT(Vertical Cavity Laser - Depleted Optical Thyristor)의 스위칭 전압과 전류는 5.24 V, $5{\mu}A$ 이고, 홀딩 전압과 전류는 각각 1.50 V, $100{\mu}A$가 나왔다. 측정된 레이징 문턱 전류는 0.65 mA 이고, 출력 파장은 854.5 nm의 레이징 특성을 확인하였다.
본 연구에서는 광 논리 및 광 접속에 응용할 수 있는 GaAs/AlGaAs 구조의 완전 공핍 광 싸이리스터(depleted optical thyristor, DOT)에 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser diode)을 응용하여, 활성층 위, 아래에 1/4 파장 거울층(quarter wavelength reflector stacks)을 제작함으로서 본 구조에서 최초의 레이징 특성을 구현하였고, 그 특성을 측정, 분석하였다. 스위칭 특성을 알아보기 위하여 순방향 전압에서는 비선형 s-자형의 전류-전압 특성을, 역방향 전압에서는 완전 공핍 전압을 모의실험으로 알아보았다. 모의실험을 바탕으로 설계, 제작한 VCL-DOT(Vertical Cavity Laser - Depleted Optical Thyristor)의 스위칭 전압과 전류는 5.24 V, $5{\mu}A$ 이고, 홀딩 전압과 전류는 각각 1.50 V, $100{\mu}A$가 나왔다. 측정된 레이징 문턱 전류는 0.65 mA 이고, 출력 파장은 854.5 nm의 레이징 특성을 확인하였다.
We show for the first time the optical properties of the selectively oxidized vertical cavity laser (VCL) - depleted optical thyristor (DOT), which has not only a low threshold current, but also a high sensitivity to the optical input light. In order to analyze their switching characteristics, nonli...
We show for the first time the optical properties of the selectively oxidized vertical cavity laser (VCL) - depleted optical thyristor (DOT), which has not only a low threshold current, but also a high sensitivity to the optical input light. In order to analyze their switching characteristics, nonlinear s-shaped current-voltage characteristics are calculated and the reverse full-depletion voltages (Vneg's) are obtained as function of semiconductor parameters by using a finite difference method (FDM). The selectively oxidized PnpN VCL-DOT clearly shows the nonlinear s-shaped current-voltage and lasing characteristics. A switching voltage of 5.24 V, a holding voltage of 1.50 V, a spectral response at 854.5 nm, and a very low threshold current of 0.65 mA is measured, making these devices attractive for optical processing applications.
We show for the first time the optical properties of the selectively oxidized vertical cavity laser (VCL) - depleted optical thyristor (DOT), which has not only a low threshold current, but also a high sensitivity to the optical input light. In order to analyze their switching characteristics, nonlinear s-shaped current-voltage characteristics are calculated and the reverse full-depletion voltages (Vneg's) are obtained as function of semiconductor parameters by using a finite difference method (FDM). The selectively oxidized PnpN VCL-DOT clearly shows the nonlinear s-shaped current-voltage and lasing characteristics. A switching voltage of 5.24 V, a holding voltage of 1.50 V, a spectral response at 854.5 nm, and a very low threshold current of 0.65 mA is measured, making these devices attractive for optical processing applications.
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문제 정의
자유공간광 접속 시스템에서 보다 좋은 성능을 보이기 위해서는 광 방출과 흡수 효율이 계선되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 이러한 특성을 개선하기 위하여 선택적 산화 공정을 이용하고, VCSEL 의 DBR 을 응용한 GaAs/AlGaAs 다중 양자 우물 완전 공핍 광 싸이리스터를 제안하고, 이를 제작, 측정, 분석하였다. 제작된 VCL-DOT는 매우 낮은 문턱 전류에서 레이징 특성을 얻을 수 있었고, 보다 빠른 속도와 작은 스위칭 전력을 기대할 수 있으며, 이를 바탕으로 VCL-DOT는 앞으로의 자유공간 광접속 시스템 및 광논리 시스템에 응용될 훌륭한 광스위칭 소자로써 큰 기여를 하리라 기대한다.
제안 방법
p-type 전극은 Ti/Au를 lift-off 과정으로 각각 20 nm, 150 nm 증착하였고, n-type 전극은 AuGjNi/Au 를 각각 40 nm, 20 nm, 200 nm 증착하였다. Mesa 패턴 형성을 위하여, ICP-RIE를 이용하여 활성층 바닥 부분, 하부거울층 윗부분까지 충분히 식각을 한 후, wet-oxidation 방식을 이용하여, mesa의 크기가 32X32 um2 이 pinch-off 가 되도록 산화공정을 진행하였다. wet-oxidation 조건으로는 퍼니스의 온도는 425 °C를유지하고, 질소의 흐름을 1 seem의 상태에서, 98 °C의 压0를 함께 흘려주며, 27분간 산화공정을 진행하였다.
65 mA로 지금까지 발표된 어떤 결과보다 낮은 문턱 전류 값이다. 내부 그래프는 상온에서 (25 °C) 입력 전류를 4 mA로 하였을 때, 출력되는 광신호를 광스팩트럼 분석기 (OSA) 를 통하여 파장스펙트럼을 분석하였다. 출력 파장은 854.
비록 활성층의 두께는 얇지만, 활성층위, 아래에 성장되어 있는 거울층은 레이징 특성의 문턱전류를 낮춤과 동시에 입력 광 신호의 민감도를 증가시켜주는 역할을 한다. 다음과 같은 조건 하에서 순방향 전압에서는 적절한 스위칭 전압을 찾고, 역방향 전압에서의 완전공핍을 이루기 위한 공핍전압을 찾기 위하여, PnpN 각층의 두께와 도핑 농도를 최적화 작업을 통하여 설계하였다. 최적화 작업은 유한차분 방법 (finite difference method)을 이용한 모의실험을 통하여 각 층의 최적화된 도핑 농도와 층의 두께를 구하였다.
산화공정 이후 패드 전극을 증착하기 위하여 평탄화 작업으로 Polyimide를 이용하였고, 패드 전극으로는 Ti/Au를 각각 40/1500 nm를 증착하였다. 마지막으로 RIE를 이용하여, threshold current 가 최소가 되도록 측정과 식각공정을 반복하였다.
on 상태에서의 DOT는 낮은 저항을 가지며 빛이 방출된다. 방출되는 빛의 효율을 증가시키기 위하여 도핑이 되지 않은 3개의 층을 갖는 다중양자 우물층을 활성층 가운데 삽입 하였다. 비록 활성층의 두께는 얇지만, 활성층위, 아래에 성장되어 있는 거울층은 레이징 특성의 문턱전류를 낮춤과 동시에 입력 광 신호의 민감도를 증가시켜주는 역할을 한다.
이에 VCL-DOT는 최근 각광받는 광 컴퓨터, 광 메모리, 광로직 등의 다양한 분야의 광시스템에 응용될 수 있는 광스위칭 소자로의 많은 잠재력을 갖는다. 본 논문에서는 'DOT의 상하에 1/4파장 거울 층 (QWRS)을 설계하였고, 보다 낮은 역방향 전압에서 완전 공핍을 형성하면서도 낮은 문턱전류에서 레이징 동작을 구현함으로서 입력 신호의 민감도를 향상시킬 뿐만 아니라, 빛의 방출에 있어서도 효율을 증가시킬 수 있는 구조를 설계하고, 제작하여 측정 , 분석하였다.
다시 말해 脂丁는 두 개의 노드를 갖는 단순하면서도 고속 스위칭 속도를 갖는 소자이다. 뿐만 아니라, 기존의 광도파로형 소자의 높은 문턱 전류에 대한 문제점을 해결하기 위하여, VCSEL을 응용한 DOT 가운데 영역의 위, 아래에 1/4 파장 거울층 (quarter wavelength reflector stacks, QMRS) 을 설계하였으며, 뿐만 아니라, 활성층과 p-type의 거울층 사이에 산화공정을 위한 Alo.98Gao.o2As의 층을 형성하고, 선택적 산화공정과정을 통하여, 입력 광신호에 대한 민감도는 높여줌과 동시에, 매우 낮은 문턱전류를 얻을 수 있었다.”刀 이는 GaAs/AlGaAs 물질 시스템에서 다른 이종접합 구조의 PNPN 소자들과 구분되는 점이다.
wet-oxidation 조건으로는 퍼니스의 온도는 425 °C를유지하고, 질소의 흐름을 1 seem의 상태에서, 98 °C의 压0를 함께 흘려주며, 27분간 산화공정을 진행하였다. 패턴 크기는 최소 30X30 um2의 정사각형에서부터, 한 변의 길이가 0.5 um의 단위로 증가시켜, 최대 패턴 크기를 60X60 um2 이 되도록 설계하였다. 산화공정 이후 패드 전극을 증착하기 위하여 평탄화 작업으로 Polyimide를 이용하였고, 패드 전극으로는 Ti/Au를 각각 40/1500 nm를 증착하였다.
대상 데이터
p-type 전극은 Ti/Au를 lift-off 과정으로 각각 20 nm, 150 nm 증착하였고, n-type 전극은 AuGjNi/Au 를 각각 40 nm, 20 nm, 200 nm 증착하였다. Mesa 패턴 형성을 위하여, ICP-RIE를 이용하여 활성층 바닥 부분, 하부거울층 윗부분까지 충분히 식각을 한 후, wet-oxidation 방식을 이용하여, mesa의 크기가 32X32 um2 이 pinch-off 가 되도록 산화공정을 진행하였다.
5 um의 단위로 증가시켜, 최대 패턴 크기를 60X60 um2 이 되도록 설계하였다. 산화공정 이후 패드 전극을 증착하기 위하여 평탄화 작업으로 Polyimide를 이용하였고, 패드 전극으로는 Ti/Au를 각각 40/1500 nm를 증착하였다. 마지막으로 RIE를 이용하여, threshold current 가 최소가 되도록 측정과 식각공정을 반복하였다.
이론/모형
84As의 DBR을 갖는다. DBR의 성장은 직렬 저항값을 줄이고 보다 우수한 반사율 특성을 얻기 위하여 graded index 성장 방법을 이용하였다.
다음과 같은 조건 하에서 순방향 전압에서는 적절한 스위칭 전압을 찾고, 역방향 전압에서의 완전공핍을 이루기 위한 공핍전압을 찾기 위하여, PnpN 각층의 두께와 도핑 농도를 최적화 작업을 통하여 설계하였다. 최적화 작업은 유한차분 방법 (finite difference method)을 이용한 모의실험을 통하여 각 층의 최적화된 도핑 농도와 층의 두께를 구하였다. 위의 유한 차분 방법을 이용한 최적화 작업은 본 연구실에서 이미 발표된 바 있다.
성능/효과
여기에서 입력 광신호를 인가하여 주면, 스위칭 전압이 낮아지다가 순간 낮은 저항 상태를 유지하는 on 상태로의 스위칭이 가능하다. 본 실험 결과는 제작된 완전공핍 광싸이리스터는 자유공간 광접속 시스템에 있어서 광스위칭, 광정보처리 등의 기능을 수행할 수 있음을 보여준다.
광파워-전류-전압특성 곡선을 나타낸다.본 실험에서 얻을 수 있는 최소 문턱 전류는 0.65 mA로 지금까지 발표된 어떤 결과보다 낮은 문턱 전류 값이다. 내부 그래프는 상온에서 (25 °C) 입력 전류를 4 mA로 하였을 때, 출력되는 광신호를 광스팩트럼 분석기 (OSA) 를 통하여 파장스펙트럼을 분석하였다.
측정된 결과에 따르면 oxide aperture가 10 um 일 때, 최소 threshold current density는 252 A/cm2으로 기존에 발표된 결과에 비해 매우 우수한 특성을 얻었다.
이는 보호막을 입히지 않은 소자에 비해 상당히 낮은 홀딩파워를 요구한다는 내용이다. 하지만, 본 논문에서 제안한 선택적 산화막 공정을 이용한 VCL- D0T는 위와 같이 복잡한 재성장의 과정이 없이도, 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이는 선택적 산화막 공정을 이용하면, 이와 같은 소자의 2차원 집적화 과정을 할 때, 저전력의 높은 집적화를 얻을 수 있는 잠재력을 갖는다.
후속연구
따라서 본 논문에서는 이러한 특성을 개선하기 위하여 선택적 산화 공정을 이용하고, VCSEL 의 DBR 을 응용한 GaAs/AlGaAs 다중 양자 우물 완전 공핍 광 싸이리스터를 제안하고, 이를 제작, 측정, 분석하였다. 제작된 VCL-DOT는 매우 낮은 문턱 전류에서 레이징 특성을 얻을 수 있었고, 보다 빠른 속도와 작은 스위칭 전력을 기대할 수 있으며, 이를 바탕으로 VCL-DOT는 앞으로의 자유공간 광접속 시스템 및 광논리 시스템에 응용될 훌륭한 광스위칭 소자로써 큰 기여를 하리라 기대한다.
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