빅데이터, 클라우드 컴퓨팅, 인공지능의 폭발적인 성장과 함께 전 세계 데이터 트래픽은 기하급수적으로 증가하며 전송 속도와 대역폭에 대한 요구가 점점 더 커지고 있습니다. 실리콘 광자는 넓은 대역폭, 고속 및 낮은 전력 소비 덕분에 차세대 온칩 인터커넥트의 주류 기술로 평가받고 있습니다. 그러나 실리콘의 간접 밴드갭은 효율적인 빛 방출을 본질적으로 어렵게 만들어, 실리콘 플랫폼에 직접 통합할 수 있는 발광 재료를 찾는 데 어려움을 주고 있습니다.

III-질화물 반도체(예: GaN, InGaN, AlGaN)는 자외선에서 적외선 파장까지 직접 및 조정 가능한 밴드갭을 특징으로 하며, 이미 LED 및 레이저 다이오드(LD)에서 뛰어난 성능을 입증했습니다. 특히, 실리콘 기판 위에서 성장하는 GaN-on-Si LD의 GaN-on-Si 레이저 다이오드, 특히 약 405nm(바이올렛)를 방출하는 것은 실리콘 광자학에 매우 유망한 온칩 광원입니다. 이 파장 대역은 가시광선 통신, 수중 통신, 원자 시계, 고밀도 광학 저장 및 감지 분야의 핵심 응용을 가능하게 하며, 보라색 LD는 차세대 광자 적분의 핵심 장치로 자리 잡고 있습니다.

1. 보라색 LD의 성능 병목 및 초격자 장벽 최적화

GaN 기반 바이올렛 LD에서 상온에서 전기 구동 레이싱이 입증되었음에도 불구하고, 소자 성능은 학계 연구자들이 특히 관심을 끄는 여러 물리적 요인에 의해 제약을 받습니다:

낮은 정공 주입 효율: Mg 도핑된 p형 층에서의 정공 이동도는 전자 이동도보다 훨씬 낮으며, 정공은 유효 질량이 커 활성 영역에서 운반 반송자 분포가 불균일하고 복사 재결합을 제한합니다.

전자 누출: 높은 주입 전류 하에서 전자는 전자 차단층(EBL)을 쉽게 넘어 p-영역으로 누출되어 비방사성 재결합과 임계 전류 증가를 일으킵니다.

편극 유도 밴드 벤딩: GaN 기반 재료에서 강한 자발적 및 압전 편광 효과는 양자정/장벽 계면에서 내장된 전기장을 생성하여 에너지 밴드를 기울이고 전자-정공 파동함수 겹침을 줄여 광도 효율을 저하시킵니다.

이러한 도전 과제를 해결하기 위해 연구자들은 기존 GaN 장벽을 대체할 새로운 장벽 구조를 탐구해 왔습니다. Alahyarizadeh 등(2022)은 GaN 장벽, AlGaN 장벽, AlGaN/InGaN 초격자 장벽 세 가지 방식을 수치적으로 비교했습니다. 주요 연구 결과:

AlGaN 장벽은 유효 전자 장벽을 ~400meV에서 569meV로 높이고, 정공 유효 장벽을 123meV로 낮추어 정공 주입과 전자 가두기를 강화하지만, 임계 전류를 크게 줄이지는 않습니다.

AlGaN/InGaN 초격자 장벽은 초격자 계면에서 감소하는 분극 전하로 인해 내부 전기장을 효과적으로 억제하고 밴드 벤딩을 완화합니다. 시뮬레이션 결과, 이 구조는 임계 전류를 16.6mA에서 12.9mA로 낮추는 동시에 출력 출력, 차동 양자 효율, 기울기 효율을 향상시키는 결과를 보여줍니다.

물리적 메커니즘: 초격자 장벽은 전자 넘침을 차단하는 더 높은 전도대대 장벽을 형성하고, 정공 주입을 용이하게 하기 위해 원가대역 장벽을 낮춰 활성 영역의 복사 재결합 속도를 크게 높입니다. 이 최적화 방향은 에피택셜 웨이퍼 설계에 대한 명확한 실험적 지침을 제공합니다.

2. 바이올렛 레이저 다이오드 에피택셜 웨이퍼 사양

파워 웨이퍼텍 그룹은 405nm의 주요 파장을 가진 GaN 기반 레이저 다이오드 에피웨이퍼를 제공합니다. 두께, 조성, 도핑 프로파일의 다양한 연구 요구사항을 충족하기 위한 맞춤형 에피택시얼 구조 설계를 지원합니다. 주요 제품 매개변수는 아래에 요약되어 있습니다:

3. 연구 고객의 자주 묻는 질문

Q1: 보라색 LD 에피웨이퍼 접촉층의 조성과 특정 Mg 도핑 농도는 어떻게 되나요? MOCVD의 정확한 두께 제어를 고려할 때, 이론적인 설계 두께가 있나요?

A: 조성 및 도핑: LD 에피웨이퍼의 접촉층은 매우 높은 Mg 도핑 농도를 가진 p++층입니다; 정확한 가치는 구체적인 설계에 따라 다르며, 맞춤 설정할 수 있습니다.

두께: 네, 이론적인 설계 두께가 존재합니다. 자세한 가치는 영업팀에 문의해 주시기 바랍니다.

Q2: GaN 레이저 다이오드의 레이저 파장이 정확히 405nm인가요?

A: 405nm는 이 밴드에 대한 저희의 일반적인 명칭입니다. 실제 레이저 파장은 일반적으로 400–415nm 범위에 속하며, 재료 성장 세부사항과 소자 제조 공정에 따라 정확한 값이 약간 달라집니다.

Q3: 현재 GaN-on-Si 재료를 바 스트립으로 절단하는 데 어떤 방법을 사용하고 계신가요? 우리는 이전에 GaAs 재료를 일정 두께로 희석→ 절단 방향을 따라 절단 기계로 스코어링→ 압연 및 파손 처리를 했습니다. 하지만 GaN이 GaAs보다 훨씬 단단하고 실리콘 기판에 명확한 자연 절단면이 없는 것으로 보이는데, 같은 절단 방법이 실리콘 기반 GaN 에피웨이퍼에도 적용될까요? 아니면 다른 방법을 추천하시나요?

A: 이 공정은 실리콘 기반 GaN 에피웨이퍼에도 동일하게 효과적이며, 설명한 대로 수행할 수 있습니다.

Q4: 장치 제작 후 LD 에피택시를 기반으로 레이저 성능 데이터(L-I-V 곡선 등)를 제공할 수 있나요?

A: 특정 레이저 성능 데이터(예: 임계 전류, 출력 전력)는 최종 장치 공정에 따라 다릅니다. 자세한 내용은 영업팀에 직접 문의하시길 권장합니다.

AlGaN/InGaN 초격자 장벽은 GaN 기반 보라색 LD에서 상당한 개선을 보여주었으며, 실리콘 광자학을 위한 고성능 온칩 광원으로 가는 실질적인 길을 제시했습니다. 파워 웨이퍼텍 그룹은 편광 공학, 도핑 프로파일, 밴드 구조를 정밀하게 제어할 수 있는 맞춤형 에피웨이퍼를 제공하여, 학술 및 연구 기관이 재료 성장부터 완전한 소자 제작에 이르기까지 혁신적인 장치 개념을 탐구할 수 있도록 지원합니다.

참고문헌:

알라야리자데, G., 아미르호세이니, M., & 코르산디, M. (2022). 4차 초격자 장벽 구조를 가진 딥 바이올렛 InGaN 이중 양자 우물 레이저 다이오드의 성능 향상. 재생에너지 및 환경 저널, 9(1), 106-111.