Quantum Cascade Laser

중적외선 영역(약 3–20 μm)은 대부분의 분자가 갖는 기본 진동 흡수 밴드를 포함하고 있어 흔히 ‘분자의 지문’ 영역이라 불립니다. 이 때문에 화학 조성 분석과 분자 검출에 매우 가치 있는 스펙트럼 대역으로 활용됩니다. 이 영역에서 동작하는 대표적인 반도체 레이저가 바로 양자폭포 레이저(QCL)입니다. QCL은 손톱만 한 크기의 소형 구조임에도 불구하고 강력한 중적외선 출력을 발생시킬 수 있어, 기존 광원으로는 어려웠던 다양한 응용을 가능하게 합니다.

Unipolar Cascade Mechanism

일반적인 반도체 레이저가 전자-정공 재결합에 의존하는 것과 달리, QCL은 다중 양자우물 구조 내에서 전자의 준위 간 전이를 활용하는 단일극성 소자입니다. 전자는 정밀하게 설계된 수십 개의 활성 영역을 단계적으로 이동하면서 매 단계마다 광자를 방출합니다. 이러한 계단식 메커니즘 덕분에 하나의 전자가 다수의 광자를 생성할 수 있어, 높은 양자 효율과 강력한 광 출력을 구현할 수 있습니다.

Tunable Mid-IR Emission

QCL의 가장 큰 장점 중 하나는 파장 가변성입니다. 방출 파장이 재료의 밴드갭이 아닌 양자우물 구조에 의해 결정되기 때문에, 특정 분자를 표적으로 한 정밀한 설계가 가능합니다. 실제로 QCL은 2.75 μm에서 최대 161 μm(1.9 THz)에 이르는 광범위한 파장 방출을 입증했으며, 이를 통해 가스 센싱, 분광학, 의료 진단, 국방 기술 등 다양한 분야에서 활용할 수 있는 매우 유연한 중적외선 광원으로 자리매김하고 있습니다.

에피솔루션은 InGaAs, InAlAs, InGaAsP 등의 Ⅲ-Ⅴ 반도체 박막을 InP 기판 위에 적층하여 QCL 에피 웨이퍼를 제작하는 데 전문성을 갖추고 있습니다. 당사의 핵심 성장 기술은 금속유기화학기상증착법(MOCVD)으로, 높은 재현성과 한 번의 성장 과정에서 다수의 웨이퍼를 균일한 품질로 생산할 수 있는 장점을 지니고 있습니다.

Nanometer-Scale Lattice Matching

에피솔루션의 QCL 구조는 일반적으로 In₀.₅₃Ga₀.₄₇As와 In₀.₅₂Al₀.₄₈As로 이루어진 활성층과 배리어층으로 구성되며, InP 기판과 정밀하게 격자 정합되어 있습니다. 수백 개 층이 쌓이는 구조 특성상, 불과 0.1%의 미세한 격자 불일치만으로도 소자 성능이 저하될 수 있습니다. 이에 따라 우리는 나노미터 수준의 정밀도를 유지하는 데 집중하고 있습니다. 반복적인 보정과 in-situ 공정 피드백을 통해 층의 조성과 두께를 정밀하게 제어하여, 소자 전반에 걸친 구조적 안정성을 확보합니다.

성장 후에는 고해상도 X선 회절(HRXRD)로 층 두께와 결정 품질을 확인하고, 포토루미네선스(PL) 맵핑으로 광학적 균일성을 평가합니다. 또한 L-I-V(광–전류–전압) 분석을 통해 소자의 전기적 성능을 검증합니다.

Process Verification & Feedback Loop

TEM 분석을 통해 HRXRD 기반 두께 보정이 목표 값과 ±5% 이내에서 일치함을 확인합니다. 이는 QCL 소자의 성능을 보장하기 위해 정밀한 두께 제어가 필수적임을 보여주며, 동시에 당사의 공정이 높은 재현성과 신뢰성을 갖추고 있음을 입증합니다.

이러한 결과는 공정 피드백에 반영되어, 지속적인 품질 개선과 안정적인 QCL 성장을 가능하게 합니다.

중적외선(Mid-IR) 양자폭포레이저(QCL)는 두 가지 핵심 장점으로 인해 센싱과 이미징 분야에 혁신을 가져왔습니다:
1. 특정 중적외선 파장에서의 대기 투과성(atmospheric transparency)
2. 이 스펙트럼 영역에서의 다양한 분자의 강한 진동 흡수 특성
이러한 특성 덕분에 QCL은 다양한 분야에서 화학 종의 정밀한 검출과 식별에 이상적인 광원으로 활용됩니다.

• 임계 전류 밀도 (Threshold Current Density)
  임계 전류 밀도란 레이저가 유도 방출을 시작하고 발진을 달성하기 위해 필요한 최소 단위 면적당 전류를 의미합니다. 이 값 이하에서는 자발 방출(spontaneous emission)만 발생하며, 임계값 이상에서는 광학 이득(optical gain)이 손실을 초과하여 레이저 발진이 이루어집니다. 낮은 임계 전류 밀도는 전력 소비와 발열을 줄여, 고온 동작, 저전력 소자, 소형·휴대용 레이저 시스템에서 특히 중요합니다.


• 벽플러그 효율 (Wall-Plug Efficiency)
  벽플러그 효율은 레이저가 입력 전력을 방출 광 출력으로 얼마나 효과적으로 변환하는가를 나타냅니다. 이는 전체 시스템 효율을 좌우하는 핵심 지표로, 높은 벽플러그 효율을 가진 레이저는 소비 전력이 낮고 발열이 적어, 전원 공급 및 열 관리 요구를 줄일 수 있습니다.


• 출력 파워 (Output Power)
  출력 파워는 레이저가 동작 중 방출하는 중적외선 광 출력의 총량을 의미하며, 소자 성능의 핵심 지표입니다. 높은 출력 파워는 신호 품질, 검출 거리, 측정 정밀도를 향상시키며, 장거리 가스 센싱, 적외선 대응(IRCM), 분광학, 의료 진단 등 다양한 QCL 응용에서 중요한 역할을 합니다.


• 슬로프 효율 (Slope Efficiency)
  슬로프 효율은 입력 구동 전류 대비 광 출력이 증가하는 비율(dP/dI)을 의미합니다. QCL은 일반 다이오드 레이저와 달리, 양자우물 다중 구조에서 전자의 준위 간 전이에 기반하여 동작하므로, 슬로프 효율은 전자당 생성 광자 수, 내부 광학 손실, Waveguide Confinement에 의해 결정됩니다.


• 방출 파장 (Emission Wavelength)
  QCL의 방출 파장은 일반 다이오드 레이저처럼 재료의 밴드갭이 아니라, 활성 영역 내 양자 준위 간의 에너지 간격에 의해 결정됩니다. 이를 통해 3 µm에서 12 µm 이상, 더 나아가 THz 영역까지, 중적외선 및 THz 스펙트럼 전반에 걸친 정밀한 파장 맞춤 설계가 가능합니다.


• 동작 모드 (Operation Mode)
  QCL은 설계와 응용에 따라 연속파(CW) 모드와 펄스(Pulsed) 모드로 동작할 수 있습니다.
  
  1) 연속파 (CW) 모드
  구동 전류가 임계값 이상 유지되는 동안 안정적이고 지속적인 레이저 빔을 방출합니다.
  
  2) 펄스 (Pulsed) 모드
  주기적인 전류 펄스로 구동되며, 열 부하를 줄이고 평균 전력 소비를 낮출 수 있어 고출력 및 발열 관리가 필요한 응용에 적합합니다.