고출력 반도체 광원 개발을 위한 양자 우물, 양자점 레이저 다이오드의 성장과 공정 및 특성 연구

Abstract

고출력 레이저 다이오드는 발진 파장 및 광출력에 따라 다양한 분야에서 응용되고 있으며 고출력 레이저 다이오드의 경우 펌핑용 광원, 레이저 다이오드 디스플레이 등에 사용되고 있다. 또한 낮은 문턱전류 밀도, 높은 특성온도와 온도에 따른 발진 파장 변화가 적은 특성 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 펌핑용 광원으로 사용 될 레이저 다이오드에 관한 연구를 진행하였다. 양자우물 레이저 다이오드를 공정하여 특성을 측정해보았다. 먼저 AlGaAs 양자우물 레이저 다이오드의 Cavity 길이에 따른 문턱전류밀도와 광출력 차이에 대해 측정결과를 설명하였다. Cavity 길이가 길어질수록 문턱전류밀도와 Slope efficiency는 감소하였다. Cavity 길이가 1.5mm일 때 문턱전류밀도는 2.89 KA⁄ cm^2 , Slope efficiency는 0.71W/A이다. 2.5mm일 때는 각각 2.59 KA⁄ cm^2 , 0.62 W/A이다. 마지막으로 3mm일 때 문턱전류밀도는 2.33 KA⁄ cm^2 , Slope efficiency는 0.57 W/A로 측정되었다. 그리고 AlGaAs 레이저 다이오드 외부양자효율을 측정하여 Cavity 길이가 증가할수록 외부양자효율도 증가한다는 사실을 알 수 있었다. 다음으로 레이저 다이오드에 전류 인가 시 방출되는 빛의 출력 파장을 측정하였다. 전류가 증가하면 출력 파장도 장파장으로 이동하였고 발진이 일어난 후는 파장이동이 미비한 수준에서 이동하였다. 발진이 일어났을 때의 파장 픽(peak)은 900nm로 측정되었다. 2번째 양자우물 레이저 다이오드인 AlGaInAs 양자우물 레이저 다이오드에 대해 성장구조에 대해 설명하였다. 출력 파장 분석에서는 발진이 일어났을 때 파장의 픽이 826nm 근처라는 것을 확인할 수 있었다. 문턱전류밀도는 213.3 A⁄ cm^2 이고 전류가 1.88A일 때 측정된 광출력은 1W이다. Slope efficiency는 0.62 W/A으로 측정되었다. 마지막으로 InP/InGaP 양자구조 레이저 다이오드에 대한 성장조건과 공정 조건에 대해 기술하고 그 다음으로 출력 파장을 측정하여 발진이 일어났을 때 740nm 근처에서 파장 픽(peak)이 존재한다는 것을 확인하였다. 양자구조 레이저 다이오드는 대면적을 갖는 구조이다. 레이저 다이오드를 Ridge 형태와 대면적 형태로 공정하여 광출력 특성을 측정해보았다. 10um aperture 크기 레이저 다이오드는 문턱 전류가 120mA이고 15um aperture 크기의 레이저 다이오드는 문턱전류가 150mA로 측정되었다. 문턱전류밀도는 각각 1.2 KA⁄ cm^2 , 1 KA⁄ cm^2 이다. 대면적 레이저 다이오드의 측정된 최고 광 출력은 600mW이다. 이때의 전류밀도는 1.3 KA⁄ cm^2 이고 출력 곡선이 완만해지는 현상은 없었다. Slope efficiency는 17%이고 문턱전류밀도는 0.5 KA⁄ cm^2 로 측정되었다. 600mW의 광출력은 InP/InGaP 양자구조를 갖는 다른 레이저 다이오드 연구에서도 매우 높은 결과를 나타낸 것이다.