양자 변형과 질화 3 질화물 가시 스펙트럼

고성능 가시 스펙트럼 레이저 다이오드의 개발은 고체 물리학에서 가장 중요한 업적 중 하나입니다. OEM 통합업체의 경우, 다음 중 하나를 선택합니다. 520nm 레이저 다이오드, a 488nm 레이저, 또는 UV 레이저 다이오드 는 단순한 색상 선택이 아니라 뚜렷한 에피택셜 과제를 해결해야 하는 선택입니다. 반도체 업계에서는 이러한 소자를 주로 소재 시스템에 따라 분류하는데, 일반적으로 자외선부터 녹색 범위의 경우 질화인듐갈륨(InGaN), 적색 범위의 경우 알루미늄갈륨인듐인화물(AlGaInP)로 분류합니다.

핵심은 520nm 문제는 InGaN 활성층과 GaN 기판 사이의 격자 불일치입니다. GaN의 “자연스러운” 파란색에서 녹색으로 방출을 밀어내기 위해서는 레이저 520nm, 의 경우, 인듐 몰 분획을 약 20%에서 25%로 늘려야 합니다. 이렇게 높은 인듐 농도는 상당한 압축 변형을 유발합니다. 이 변형은 우르츠자이트 GaN의 비중심 대칭 결정 구조와 결합하여 막대한 편광 유발 내부 필드. 이러한 필드는 전자와 정공 파동 함수의 공간적 분리, 즉 양자 제한 스타크 효과(QCSE)를 유발하여 복사 재결합 속도를 극적으로 줄이고 임계 전류 밀도($J_{th}$)를 증가시킵니다.

488nm 레이저: 청색광 격차 해소

그 488nm 레이저 는 고효율 450nm 청색 다이오드와 더 어려운 520nm 녹색 다이오드 사이의 중요한 가교 역할을 합니다. 수십 년 동안 488nm는 아르곤 이온 가스 레이저의 독점 영역으로, 빔 품질은 뛰어나지만 0.01%의 월 플러그 효율과 막대한 냉각 요구 사항으로 인해 혐오감을 불러일으켰습니다. 반도체로의 전환 488nm 레이저 는 QCSE가 존재하지만 관리 가능한 중간 농도의 인듐을 마스터해야 합니다.

제조업체의 경우 488nm 파장은 특히 “인듐 변동”에 민감합니다. 이 특정 인듐 농도에서 합금은 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD) 성장 공정 중에 상 분리를 겪는 경향이 있습니다. 인듐 원자가 클러스터링되면 국부적인 전위 우물을 생성하여 방출 스펙트럼을 넓히고 오거 재결합 계수. 전자-정공 재결합의 에너지가 광자가 아닌 제3의 캐리어로 전달되는 이 비방사 손실 메커니즘은 고전력 시안 다이오드에 안정적인 종방향 모드를 유지하기 위해 우수한 열 관리가 필요한 주된 이유입니다.

UV 레이저 다이오드: 패싯 물리학 및 AlGaN의 도전 과제

자외선(UV) 영역으로 이동하면 일반적으로 375nm에서 405nm, 를 사용하면 물리학이 변형률 관리에서 광자 에너지 관리로 전환됩니다. A UV 레이저 다이오드 는 GaN의 기본 밴드갭 근처에서 작동합니다. 여기서 가장 큰 엔지니어링 장애물은 p형 도핑입니다. 더 짧은 파장(405nm에서 375nm로 이동)을 얻기 위해 알루미늄(Al) 함량이 증가하면 마그네슘(Mg) 도펀트의 활성화 에너지가 증가합니다. 이는 낮은 정공 농도, 높은 직렬 저항 및 과도한 줄 가열로 이어집니다.

또한, 출력 패싯의 UV 레이저 다이오드 는 극한의 조건에 노출됩니다. 자외선 광자는 주변 수증기와 탄화수소의 해리를 촉진하기에 충분한 에너지를 가지고 있어 면에 탄소성 물질이 침착됩니다. 이 “광학 그을음”은 흡수를 증가시켜 국부적인 온도 상승을 유발하고 반도체 결정의 산화를 더욱 가속화합니다. 하이엔드 UV 다이오드는 치명적인 광학 손상(COD)을 방지하기 위해 “UHV(초고진공) 패싯 코팅”과 특수 유전체 스택(일반적으로 $Al_2O_3$ 또는 $SiO_2$)을 사용해야 합니다.

650nm 레이저: AlGaInP 및 캐리어 누설

그 650nm 레이저 는 GaAs 기판에서 AlGaInP 재료 시스템의 정점을 나타냅니다. GaN 기반 녹색 및 UV 레이저와 달리 빨간색 650nm 레이저 는 “캐리어 감금”에 의해 제한됩니다. AlGaInP의 양자 우물과 클래딩 층 사이의 밴드 오프셋은 상대적으로 작습니다. 소자가 가열되면 전자가 활성 영역에서 쉽게 “오버플로”되어 p-클래딩 층으로 빠져나갈 수 있습니다.

이러한 캐리어 누설이 적색 다이오드가 청색 또는 녹색 다이오드보다 훨씬 낮은 특성 온도($T_0$)를 보이는 이유입니다. 산업 구매자에게 이는 곧 650nm 레이저 모듈은 매우 효율적인 열 경로로 설계되어야 합니다. 접합부 온도가 5°C만 상승해도 경사 효율이 15% 떨어질 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 정밀 제조업체는 전자를 위한 간섭 필터를 생성하는 일련의 얇은 층인 “다중 양자 장벽(MQB)” 구조를 사용하여 재료 구성을 변경하지 않고도 효과적인 장벽 높이를 효과적으로 높입니다.

횡방향 전기(TE) 모드 우위를 위한 엔지니어링

이러한 모든 가시 스펙트럼 다이오드에서 높은 횡방향 전기(TE) 모드 우위 은 홀로그램 디스플레이나 간섭계와 같이 편광에 민감한 광학과 관련된 애플리케이션에 필수적입니다. InGaN 양자 우물의 압축 변형으로 인해 전도대와 “중공” 원자가 밴드 사이의 전이가 선호되어 자연스럽게 TE 편광을 촉진합니다.

그러나 인듐 함량이 증가하면 520nm 레이저 다이오드, 가 증가하면 원자가 밴드 구조가 복잡해집니다. 변형이 완벽하게 균형을 이루지 못하면 “라이트 홀” 또는 “크리스탈 필드 스플릿 오프” 밴드가 간섭하여 편광 소멸 비율(PER)이 저하될 수 있습니다. 세계 최고 수준의 중국 레이저 다이오드 공장 는 TE/TM 비율이 100:1을 초과하도록 엄격한 편광 매핑을 수행하여 부품이 고정밀 광학 트레인과의 호환성을 보장해야 합니다.

가시 스펙트럼 파라미터의 기술적 비교

아래 표에는 다양한 파장 다이오드에 대한 구동 전자 장치 및 냉각 요구 사항을 결정하는 성능 특성이 자세히 나와 있습니다.

사례 연구: DNA 시퀀싱을 위한 매우 안정적인 다중 파장 모듈

고객 배경:

차세대 염기서열 분석(NGS)을 전문으로 하는 한 생명공학 회사는 고출력, 다중 파장 광 엔진이 필요했습니다. 이 장치는 488nm 레이저(FAM 염료용)와 520nm(HEX/VIC 염료용)에서 여기를 제공해야 했습니다. 중요한 요구 사항은 “저주파 전력 안정성”(1시간 동안 0.1% 미만의 변동)과 플로우 셀의 처리량을 최대화하기 위해 완벽하게 원형화된 빔이었습니다.

기술적 과제:

가장 큰 문제는 “열 누화”였습니다. 효율이 가장 낮은 520nm 다이오드는 상당한 열을 발생시켰습니다. 이 열로 인해 488nm 채널에서 파장 이동이 발생하여 여기 피크가 염료의 흡수 최대치에서 멀어져 형광 신호가 손실되었습니다. 또한 플로우 셀 면을 주기적으로 “청소”하는 데 사용되는 자외선 레이저 다이오드는 내부 광학 접착제의 오존 열화를 일으켰습니다.

기술 매개변수 및 설정:

• 채널 1: 488nm(150mW CW).
• 채널 2: 520nm(80mW CW).
• 채널 3: 375nm(50mW 펄스).
• 빔 코리니어리티: < 0.5 mrad.
• RMS 노이즈: < 0.2%(10Hz~10MHz).

QC 및 엔지니어링 솔루션:

엔지니어링 팀은 “열 절연 광학 벤치”를 개발했습니다. 520nm 레이저 다이오드는 전용 서브-TEC(열전 냉각기)에 장착되어 나머지 매니폴드에서 열 부하를 분리했습니다. 488nm 레이저의 경우 고속 피드백 루프가 있는 음향 광학 변조기(AOM)인 “노이즈 이터” 회로를 구현하여 고출력 InGaN 다이오드에 내재된 1/f 노이즈를 억제했습니다.

UV로 인한 성능 저하를 해결하기 위해 내부 광학 장치를 에폭시 기반 마운팅에서 “금 흐름 납땜” 및 “레이저 용접”으로 전환했습니다. 전체 모듈은 Ar/N2 분위기로 밀폐되어 “그을음 효과”를 방지했습니다. UV 레이저 다이오드 면.

결론:

맞춤형으로 설계된 이 모듈은 장시간 읽은 게놈 데이터의 시퀀싱 정확도를 5배 향상시켰습니다. 이 고객은 레이저 520nm 소스를 능동적으로 안정화된 플랫폼으로 이동함으로써 소프트웨어 기반 “신호 정규화'의 필요성을 제거하여 데이터 처리 오버헤드를 크게 줄였습니다. 이 사례 연구는 중요도가 높은 의료 애플리케이션에서 레이저 다이오드 가격 는 데이터 무결성 비용과 비교하면 무의미합니다.

가시 스펙트럼에서의 제조 무결성 평가

조달 담당자의 경우, “소비자 등급'과 ”산업 등급'을 구분하는 것이 중요합니다.“ 중국 레이저 다이오드 공장 는 “근거리 필드 강도”(NFI)의 특성을 살펴보는 것을 포함합니다. 고품질 가시 다이오드는 매끄러운 가우시안 NFI 프로파일을 가져야 합니다. NFI에 “필라멘트” 또는 어두운 점이 있으면 인듐 분포가 균일하지 않거나 국부적인 결정 결함이 있음을 나타냅니다. 이러한 필라멘트는 과열되어 패싯 용융을 유발하는 국부적인 “전류 호그” 역할을 하기 때문에 조기 고장의 원인이 되는 경우가 많습니다.

가시 스펙트럼의 신뢰성은 “번인” 깊이에 따라 달라집니다. 표준 다이오드는 24시간 번인 과정을 거칠 수 있습니다. 그러나 UV 레이저 다이오드 또는 고출력 520nm 장치의 경우, 168시간의 “고온 작동 수명”(HTOL) 테스트가 업계 표준입니다. 이를 통해 고온과 높은 광자 밀도의 복합적인 스트레스 하에서야 움직이기 시작하는 잠재적 전위를 가진 “유아 사망률” 유닛을 식별합니다.

전문가 FAQ

Q: 520nm 레이저 다이오드의 임계 전류($I_{th}$)가 450nm 청색 다이오드보다 훨씬 높은 이유는 무엇인가요?

A: 이는 주로 양자 갇힘 스타크 효과(QCSE) 때문입니다. 520nm에서 인듐 함량이 높을수록 더 강한 내부 전기장이 생성되어 전자와 정공을 양자 우물의 반대편으로 끌어당깁니다. 이러한 물리적 분리는 “오버랩 적분”을 감소시켜 레이저에 필요한 이득을 얻기 위해 더 많은 전류가 필요함을 의미합니다.

Q: 액티브 쿨링 없이 650nm 레이저 다이오드를 사용할 수 있나요?

A: 저전력(5~10mW) 포인터 애플리케이션의 경우 패시브 냉각으로도 충분합니다. 그러나 다이오드가 100mW 이상에서 작동하는 산업용 감지 또는 의료용 치료의 경우 능동 냉각 또는 매우 큰 방열판이 필수입니다. 높은 파장 편이(0.23nm/K)는 온도 제어가 없으면 빔이 필요한 스펙트럼 창을 빠르게 벗어나게 된다는 것을 의미합니다.

Q: 473nm DPSS 레이저에 비해 488nm 레이저 다이오드의 장점은 무엇인가요?

A: 이 다이오드는 훨씬 더 콤팩트하고 변조 속도(최대 수 GHz)가 훨씬 빠르며 전력 소비가 90% 더 적습니다. 또한 488nm 다이오드는 “직접 방출기'로서 DPSS 레이저의 복잡한 비선형 결정과 정렬에 민감한 캐비티가 없어 휴대용 진단에 훨씬 더 견고합니다.

Q: “패싯 패시베이션”은 UV 및 레드 다이오드에서 동일하게 적용되나요?

A: 아니요. 적색 다이오드(AlGaInP)는 주로 표면의 산화 및 캐리어 누출에 대한 보호가 필요합니다. UV 다이오드는 어두워지거나 광화학적 변화를 겪지 않고 높은 광자 에너지를 견딜 수 있는 “태양 광화 방지” 코팅이 필요합니다.