초록 ▼

GaN계 기반의 청색, 녹색, 자외선 파장의 반도체 레이저는 문턱전류, 고온동작특성, 미분효율에서 GaAs 또는 InP계 레이저에 비해 매우 열악한 성능을 보이고 있다. 이는 주로 GaN계 물질의 성장한계로 인해 좋은 광학적 특성의 레이저 공진기를 구현할 수 없다는 사실과 관련이 있으며, 이에 따라 새로운 물질을 개발하고 결정성장을 통해 최적화 하는데 많은 시간과 노력을 기울여 왔다. 그럼에도 불구하고 아직까지도 AlGaN 이상의 좋은 물질특성을 지닌 신물질을 개발하지 못 하고 있으며, 이 구조는 GaN/AlGaN의 작은 굴절률 차

GaN계 기반의 청색, 녹색, 자외선 파장의 반도체 레이저는 문턱전류, 고온동작특성, 미분효율에서 GaAs 또는 InP계 레이저에 비해 매우 열악한 성능을 보이고 있다. 이는 주로 GaN계 물질의 성장한계로 인해 좋은 광학적 특성의 레이저 공진기를 구현할 수 없다는 사실과 관련이 있으며, 이에 따라 새로운 물질을 개발하고 결정성장을 통해 최적화 하는데 많은 시간과 노력을 기울여 왔다. 그럼에도 불구하고 아직까지도 AlGaN 이상의 좋은 물질특성을 지닌 신물질을 개발하지 못 하고 있으며, 이 구조는 GaN/AlGaN의 작은 굴절률 차이가 공진기 설계에 단점으로 작용하고 있다. 나노포러스 구조는 무수히 많은 기공을 내부에 포함하고 있어, 전자기파의 진행과정에서 물질과 기공의 평균적인 광학특성을 제공한다는 특징이 있다. 이 특성을 바탕으로 기공의 공극률을 변화시켜 나노포러스 구조의 굴절률을 조절하면 매우 넓은 범위에서 굴절률 변화를 얻을 수 있고, 이에 따라 광속박 특성이 우수한 공진기 도파로를 제작할 수 있게 된다. 또한 나노포러스 도파로는 동종접합으로 레이저 도파로를 구성할 수 있기 때문에 이종접합보다 훨씬 용이한 결정성장이 가능하며 결정질도 상대적으로 우수하므로, 소자 제작시 재현성과 수율을 높게 유지하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.
반도체 레이저는 크게 단면방출형 (edge emitting)과 수직방출형 (surface emitting) 레이저로 나눌 수 있다. 단면방출형 레이저는 결정면 절단에 의해 형성된 거울 사이에 도파로를 형성하여 레이저 공진기를 구성한다. 반면 수직방출형 레이저는 기판 위에 적층된 분산브래그형 거울 (distributed Bragg reflector: DBR)을 위, 아래로 제작하고, 그 사이에 한 파장 두께의 활성층을 삽입한 수직공진기형 표면방출형 레이저 (VCSEL)가 연구되고 있다. 나노포러스 구조는 위의 두 가지 형태의 반도체 레이저 제작에 공히 이용될 수 있으며, 반도체 레이저의 성능에 제약을 가하는 성장 가능한 물질계의 제한을 극복할 수 있는 좋은 방법이 된다.
본 과제에서는 단면방출형과 표면방출형 양 구조에 대해 나노포러스 구조에 기반한 굴절률 조절기법을 이용하여 우수한 성능의 레이저 공진기를 설계하고 제작하였다. 구체적으로는 나노포러스 구조의 공극률 조절 전해에칭 공정, 나노포러스 구조의 광학적 특성 분석, 레이저 제작 및 동작특성의 분석을 수행하였다.
먼저 나노포러스 DBR을 이용하여 수직공진기형 VCSEL 레이저 구조를 제작하였다. 제작된 구조는 위, 아래 각각 8, 9 주기의 DBR 층으로 둘러싸인 한 파장 두께의 공진기를 포함하는 구조이다. 에칭 전압에 따라 약간씩 다른 나노포러스 모폴로지가 얻어지는데, 본 연구는 15V, 17V, 19V 세 조건에서 나노포러스 에칭을 하였다. 전압의 증가에 따라 prososity가 증가하는데, 15V는 48%, 17V는 53%, 19V는 63%의 값을 얻을 수 있었다. porosity 증가는 DBR의 반사율을 증가시켜 더 우수한 VCSEL 동작특성을 구현할 수 있도록 하였다.
나노포러스 VCSEL에 대하여 광펌핑에 의한 레이징 특성과 발진 스펙트럼을 확인하였다. 레이징을 위한 문턱 펌핑파워는 15V의 경우 1,000 μW로 매우 크나, 17V, 19V 샘플의 경우 100 μW 이하로 크게 감소함을 보였다. 이는 porosity의 감소에 따른 DBR 반사율의 감소에 의한 것으로 판단된다. 레이징 스펙트럼의 반치폭은 0.8-0.9 nm 정도의 값을 보였고, 레이징 이후 광출력은 아주 우수한 선 형성을 보였다.
단면방출형 레이저 구현을 위해 활성층의 두께 조절, 측면 나노포러스 공정으로 제작가능한 나노 포러스 층의 모양 등을 고려하여 최적화된 도파로를 설계할 수 있었고, 이때의 모드 프로파일을 계산하였다. 제작된 레이저에 대해 전류 주입 및 광방출특성 분석을 수행하였고. 레이저 공진기에서 청색 파장의 방출을 명확히 확인하였고, 레이저 칩에 대한 I-V 특성을 조사하였다. 전류 증가에 따라 레이저 공진기의 광방출은 선형적으로 증가하였으며, 방출된 빛의 광 스펙트럼을 측정한 결과 약 460 nm에서 발광파장의 피크가 존재함을 알 수 있었다.
반도체 레이저는 광소자/광통신 산업의 핵심 요소이므로, 나노포러스 도파로의 개념이 성공적으로 구현된 본 연구결과는 국내의 광산업 경쟁력을 크게 향상시킬 수 있으리라 생각된다. 이를 통해 반도체 레이저 산업에서 파급력 있는 신성장 동력의 기반을 제공할 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 8
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 8
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 18