도핑 엔지니어링을 통한 광전자 재료(LiNbO₃, YAG, SOI, Ge)의 재구성

1 소개

오늘날 빠르게 진화하는 광전자 분야에서 재료 과학은 조용한 혁명을 겪고 있습니다. 엔지니어들은 주요 광학 재료를 정밀하게 도핑함으로써 광변환 효율, 레이저 출력 전력 및 집적 밀도의 물리적 한계를 지속적으로 뛰어넘고 있습니다. 순수 결정은 뛰어난 광학적 특성을 지니고 있지만 다른 측면에서는 필연적으로 결함이 있습니다. 이러한 결함을 해결하기 위한 정확한 방법은 다른 이온의 도핑을 통해 결함을 최적화하는 것입니다. 리튬 니오베이트 결정에 희토류 이온을 도핑하면 수동 재료에서 통신 대역 레이저의 이득 매체로 변하고, 네오디뮴 이온을 도핑하면 산업용 레이저의 핵심이 되며, 게르마늄 도핑 기술과 결합된 SOI 플랫폼은 광 검출기의 암전류를 몇 배로 줄입니다. 이러한 변화는 포토닉 칩의 설계 청사진을 조용히 재편하고 있습니다.

그림 1 다양한 도핑된 광학 크리스탈

2 도핑된 리튬 니오베이트

2.1 리튬 니오베이트의 특성 및 도핑 이점

리튬 니오베이트 결정(LN)은 우수한 강유전체 결정, 전기 광학 결정 및 비선형 광학 결정입니다. 순수 LN은 홀로그램 기록 재료로 사용할 때 빛에 의한 손상과 낮은 기록 감도 등의 단점이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도핑 방법을 사용하여 LN의 특성을 수정하거나 향상시킵니다. 주요 도펀트 전이 금속으로는 Fe, Zn, Mn, Cr이 있으며, Tm, Er, Eu, Nd와 같은 희토류 원소도 일반적으로 사용됩니다. 마그네슘도 도펀트로 자주 사용됩니다. 이러한 원소를 LN에 도핑하면 그 특성이 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어, Zn: LN과 Mg: LN은 LN의 빛에 의한 손상 저항성을 몇 배로 향상시킬 수 있으며, Fe: LN은 홀로그램 기록 매체로서 LN의 기록 감도를 향상시킬 수 있으며, MgO: Nd: LN은 레이저 결정으로 사용할 수 있습니다. 때로는 다양한 사용 요구 사항을 충족하기 위해 이중 또는 다중 도핑 방법을 사용하여 MgO와 같은 리튬 니오베이트 성장에 사용됩니다: LN, Fe: MgO: LN, Fe: Nd: LN, Fe: Er: LN, MgO: Nd: LN 및 MgO: Er: LN.

리튬 니오베이트 결정(약칭 LN)은 삼각형 결정계에 속하며 타이타나이트형 구조를 가집니다. 상대 밀도: 4.30; 격자 상수: a = 0.5147 nm, c = 1.3856 nm; 융점: 1240°C; 모스 경도: 5; 굴절률: n₀ = 2.797, ne = 2.208(λ = 600nm); 유전 상수: ε = 44, ε = 29.5, ε = 84, ε = 30; 일차 전기 광학 계수 γ13 = γ23 = 10 × 10m/V, γ33 = 32 × 10m/V. Γ22 = -γ12 = -γ61 = 6.8 × 10m/V, 비선형 계수 d31 = -6.3 × 10m/V, d22 = +3.6 × 10m/V, d33 = -47 × 10m/V. 리튬 니오베이트는 퀴리점이 1140°C이고 자발 분극 강도가 50 × 10 C/cm2인 강유전체 결정입니다. 변형으로 처리된 리튬 니오베이트 결정은 압전성, 강유전성, 광전성, 비선형 광학 및 열전성과 같은 다기능 특성을 나타내며 도핑(예: Fe)을 통해 광변색 효과를 나타낼 수도 있습니다.

그림 2 도핑된 리튬 니오베이트 결정

2.2 도핑 방법

결정 성장 도핑 방법: 풀링법에서 희토류 산화물(예: Er2O3)을 도핑하여 높은 도핑 균일성을 달성하지만, 큰 크기의 결정을 제조하기 어렵습니다. 연구팀은 에르븀 이온 도핑의 농도와 균일성 요건을 고려하여 2년간의 지속적인 실험 끝에 주로 열확산 및 이온 주입 도핑 방법을 채택하고 리튬 니오베이트 결정의 성장 과정에서 에르븀 이온 도핑을 선택했습니다. 에르븀이 도핑된 리튬 니오베이트 웨이퍼는 이온 절단(스마트 컷) 기술을 통해 실리콘 기반 리튬 니오베이트 박막으로 가공되어 향후 온칩 통합 과제를 해결합니다.

열 확산 도핑 방법: 희토류 층을 진공 증착한 후 고온 확산을 적용하여 국소 영역의 선택적 도핑에 적합하지만 농도 균일성이 제한적입니다.

이온 주입 도핑 방법: 주입 에너지와 선량을 정밀하게 제어할 수 있지만 격자 손상이 발생할 수 있어 어닐링 후 수리가 필요합니다.

2.3 적용 분야

마이크로 캐비티 레이저: 에르븀이 도핑된 LNOI 마이크로 디스크 캐비티(반경 75μm)는 온칩 코히어런트 통신 및 양자 광원에 적합한 μW 수준의 낮은 임계 전력으로 974/1460nm 펌핑에서 통신 대역(~1550nm)의 레이저 출력을 달성합니다.

이기종 통합 증폭기: 에르븀이 도핑된 LNOI 도파관은 InP/InGaAs 애벌랜치 다이오드와 통합되어 광 신호의 2단계 증폭을 달성하며 이득이 20dB 이상 증가합니다.

그림 3 이기종 통합 증폭기

3 도핑된 YAG

3.1 YAG의 특성 및 도핑의 장점

이트륨 알루미늄 가넷(약칭 YAG)은 이트륨 이온이 일부 알루미늄 이온을 대체하는 산화 알루미늄의 합성 결정체입니다. 경도, 밀도, 열전도율이 뛰어난 견고한 소재로 고성능 애플리케이션에 이상적입니다. 열적, 광학적, 기계적 특성이 뛰어난 것으로도 유명합니다. 이러한 특성으로 인해 레이저 및 광학 등의 기술 분야에 이상적인 선택입니다. 이 문서에서는 순수 YAG 결정과 희토류가 도핑된 YAG 결정을 심층적으로 비교합니다.

희토류 도핑 YAG 결정은 본질적으로 특정 희토류 원소가 함침된 YAG 결정입니다. 도핑에 가장 일반적으로 사용되는 원소로는 네오디뮴(Nd), 에르븀(Er), 이트륨(Yb)이 있습니다. 이러한 원소는 특정 애플리케이션, 특히 레이저 기술에서 YAG 결정의 성능을 크게 향상시킵니다.

희토류가 도핑된 YAG 결정은 높은 경도, 밀도, 열전도도 등 순수 YAG 결정의 우수한 물리적 특성을 그대로 이어받습니다. 그러나 희토류 원소를 도입하면 이 결정에 고유한 광학적 특성이 부여됩니다. 예를 들어, 효율적이고 강력한 레이저 광선을 생성할 수 있어 다양한 산업 분야에서 높은 가치를 인정받고 있습니다.

도펀트 원소의 선택은 도핑된 YAG 결정의 특성을 정의하는 데 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 네오디뮴이 도핑된 YAG 결정(Nd: YAG) 은 고출력 레이저를 생성하는 데 있어 효율이 높은 것으로 유명합니다. 반면에 에르븀이 도핑된 YAG 결정(Er: YAG)은 물에 흡수되는 파장에서 빛을 방출하므로 의료 및 치과 분야에 이상적입니다.

그림 4 네오디뮴이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(Nd: YAG)

3.2 YAG 결정 준비 및 도핑 방법

순수한 YAG 결정의 제조에는 인공 합성을 위한 고온, 고압 기술이 사용됩니다. 이 과정에는 이트륨, 알루미늄, 산소의 용융 혼합물에 시드 결정을 담그는 조크랄스키 방법이 포함됩니다. 그런 다음 결정을 천천히 제거하여 용융 혼합물이 냉각되고 응고되면서 단결정이 형성되도록 합니다. 이렇게 만들어진 결정은 조심스럽게 절단하고 연마하여 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 순수 결정과 마찬가지로 희토류가 도핑된 YAG 결정은 조크랄스키 방법을 사용하여 합성됩니다. 그러나 이 과정에서 특정 희토류 원소가 용융 혼합물에 도입됩니다. 이 원소들은 결정 구조에서 이트륨 이온의 작은 부분을 대체하여 도핑된 YAG 결정을 형성합니다. 최종 제품은 순수 YAG 결정의 우수한 특성을 유지할 뿐만 아니라 도핑된 원소의 존재로 인해 향상된 특성을 나타냅니다.

그림 5 조크랄스키 방법

3.3 일반적인 도핑 시스템 및 성능

Nd:YAG: 가장 널리 사용되는 레이저 재료로, 출력 파장은 1064nm입니다. Nd³⁺ 농도가 약 1 at.%인 경우, 높은 이득과 낮은 열 효과의 균형을 유지하여 산업용 절단 및 의료용 레이저에 적합합니다.

Yb:YAG: 양자 결함(8%에 불과)이 낮고 열 부하가 적어 평균 출력(킬로와트급)이 높은 레이저에 적합합니다. 흡수 대역은 940nm로 다이오드 펌프 소스와 호환성이 높습니다.

Er:YAG: 물 분자에 강하게 흡수되는 2940nm 중적외선을 방출하여 레이저 의료 분야(예: 치과 및 피부과)에 이상적인 선택입니다.

Ce:YAG: 청색 LED 빛을 황색 빛으로 변환하여 남은 청색 빛과 결합하여 백색 빛을 형성하는 고체 조명의 핵심 형광 물질로 사용됩니다.

4 도핑된 SOI

SOI(실리콘 온 인슐레이터) 기술과 기존 벌크 실리콘 MOS 구조의 주요 차이점은 매몰 산화물 층(BOX)의 도입에 있습니다.

표 1 다양한 유형의 도핑된 SOI 비교

그림 6 SOI 웨이퍼의 구조

도핑 결정의 5가지 프론티어 응용 분야

오늘날 빠르게 진화하는 포토닉스 및 양자 기술 분야에서는 '광학 실리콘'으로 불리는 리튬 니오베이트(LN), 고출력 레이저의 초석인 이트륨 알루미늄 가넷(YAG), 실리콘 기반 기술의 한계를 극복하는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼 등 3가지 핵심 소재 시스템이 파괴적인 혁신으로 업계 판도를 재편하고 있습니다. 이러한 소재에 대한 도핑 기술과 이기종 통합 솔루션은 양자 통신에서 산업용 레이저에 이르는 응용 분야를 아우르는 포괄적인 기술 생태계를 구축하고 있습니다.

5.1 리튬 니오베이트의 응용 분야

가장 높은 비선형 광학 계수를 가진 강유전체 결정으로서 리튬 니오베이트 도핑 기술의 획기적인 발전으로 리튬 니오베이트의 잠재력이 최대한 발휘되고 있습니다. 중국과학원 연구팀이 개발한 Er3+ 도핑 리튬 니오베이트 박막(Er: LNOI) 마이크로디스크 레이저는 1460nm 펌핑에서 μW 수준의 임계 전력과 1kHz 미만의 초협소 선폭을 달성합니다. 이러한 성능 지표는 양자 정밀 측정 시스템에 이상적인 광원입니다. 더욱 놀라운 것은 마이크로 전사 인쇄 기술을 사용하여 InP 재료를 LNOI 플랫폼과 통합한 전기 펌프 하이브리드 레이저 방식으로, 출력 전력이 100mW 수준을 초과하여 5G 기지국 광학 모듈 및 라이더 시스템의 전력 요구 사항을 직접 충족합니다.

변조기 분야에서는 '범용 이온 나이프' 기술로 리튬 니오베이트 박막을 SOI 웨이퍼에 접착하여 뛰어난 저주파 응답 평탄도로 192Gbit/s 고속 전송을 지원하는 전자광학 변조기를 생산합니다. 이 이기종 통합 솔루션은 전기 광학 효과에서 실리콘 기반 소재의 근본적인 약점을 해결할 뿐만 아니라 데이터 센터 광학 인터커넥트 에너지 소비를 30%까지 줄여줍니다. 주기적으로 폴딩된 리튬 니오베이트(PPLN)와 Er³⁺의 시너지 설계를 통해 이중 파장 광원이 탄생했습니다: 홀로그램 디스플레이용 405nm 보라색 광원과 양자 비트 조작 광원으로서의 550nm 녹색 광원으로, 소재 기능화를 위한 새로운 길을 제시합니다.

특히 주목할 만한 것은 펨토초 레이저로 리튬 니오베이트의 흑화를 유도하는 기술입니다. 이 물질은 표면 마이크로 나노 구조화를 통해 초고속 펄스 생성 시 광학 손실을 2배로 줄이고 비선형 응답을 3배로 증가시켜 고감도 검출기 및 양자 감지 시스템의 핵심 구성 요소로 활용되고 있습니다.

5.2 도핑된 YAG의 응용 분야

열 안정성이 뛰어난 이트륨 알루미늄 가넷 결정은 그라데이션 도핑 및 이온 코도핑 기술을 통해 기존 레이저의 출력 한계를 극복하고 있습니다. 중국과학원 허페이 물리과학연구소에서 설계한 축 농도 구배 Nd: YAG 결정(0.17-0.38 at.%)은 도펀트 농도 분포를 정밀하게 제어하여 열 렌즈 초점 거리를 42% 증가시키고 열 스트레스를 기존 구조의 60% 수준으로 줄였습니다. 808nm 펌핑에서 이 시스템은 110W 출력 전력에서 선형 전력 증가를 유지하며, 51.9%의 광대광 효율로 레이저 매체의 이론적 한계에 근접하는 수치를 달성했습니다.

더욱 획기적인 발전은 Q-스위칭 레이저 설계에서 볼 수 있습니다. 최적화된 단일 로드 Nd: YAG 시스템은 2kHz 주파수에서 1064nm 레이저로 12W를 출력하며, 피크 전력 882kW, 빔 품질 M2 < 1.25, 밝기 지표 5.02 × 10^13W/(cm2-Sr)로 유사한 장치에서 새로운 기록을 세웠습니다. 이 고휘도 광원은 펨토초 레이저 미세 가공에서 초점 직경을 5μm 이하로 압축할 수 있고 안과 수술에서 열 손상 없이 정밀한 절단을 가능하게 하는 등 정밀 가공 및 의료 수술의 게임의 규칙을 혁신적으로 바꾸고 있습니다.

발광 소재 분야에서 (Gd, Lu)3Al5O12:Tb3+/Eu3+ 투명 세라믹은 에너지 전달 메커니즘을 통해 녹색에서 적색으로 방출 전환을 달성하여 양자 효율을 30% 향상시켰습니다. 이 조정 가능한 소재는 마이크로 프로젝션에서 95%의 NTSC 색 영역 범위를 달성했으며, Ce3+ 도핑된 YAG 세라믹의 내방사선 특성 덕분에 단일 입자 플립률이 기존 장치에 비해 87.5% 감소하여 우주선 온보드 프로세서의 핵심 구성 요소로 사용되고 있습니다.

5.3 도핑된 SOI 재료의 응용 분야

게르마늄 도핑과 이종 통합을 통해 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기술은 실리콘 소재의 밴드갭 한계를 극복하고 있습니다. 광 검출기 분야에서는 질화규소 장벽층과 결합된 SiGe 구배 도핑 기술을 통해 1310/1550nm 파장 대역의 양자 효율을 90% 이상으로 개선하고 암전류를 0.1nA 수준으로 낮췄습니다. 펨토초 레이저 과포화 도핑을 사용하여 제조된 블랙 실리콘 검출기는 황/셀레늄 도핑 농도가 10¹⁹ cm-3를 초과하고 스펙트럼 응답 범위가 400~1700nm로 확장되었습니다. 이 유연한 소자는 무인 항공기(UAV) 광전자 시스템에서 현장 테스트를 완료했습니다.

통합 포토닉스의 최전선에 있는 웨이퍼 레벨 결합 리튬 니오베이트-SOI 전기 광학 변조기는 기존 솔루션에 비해 전력 소비를 30% 줄이면서 40GHz의 변조 대역폭을 보여주며 5G/6G 밀리미터파 통신 요구 사항에 완벽하게 적합합니다. 특히 주목할 만한 것은 포토닉 통합 이득 검출기로, 에르븀 도핑 LNOI 증폭기(이득 20dB 이상)와 InGaAs 애벌런치 다이오드를 모놀리식으로 통합하여 광통신 수신기 감도를 -30dBm 이상으로 끌어올렸습니다. 이 기술은 해저 케이블 시스템에서 1,000킬로미터의 릴레이 없는 전송을 통해 검증되었습니다.

그림 7 통신 분야에서 실리콘 기반 포토닉 통합의 응용 분야

6 미래 전망: 재료 시너지 및 시스템 통합

이 세 가지 재료 시스템의 획기적인 발전은 개별적인 발전이 아니라 상당한 시너지 효과를 발휘합니다. 리튬 니오베이트의 높은 비선형성과 SOI의 CMOS 호환성이 결합되어 초저손실 광 집적 회로가 탄생하고 있습니다. 한편, 리튬 니오베이트의 전기 광학 변조와 결합된 YAG의 고전력 특성은 차세대 라이더 송신기 모듈의 개발로 이어질 수 있습니다. 웨이퍼 수준의 하이브리드 통합 기술이 성숙함에 따라 포토닉 칩은 개별 부품에서 양자 키 분배에서 인공지능 광학 컴퓨팅, 산업용 레이저 프로세싱에서 생체 의학 이미징에 이르기까지 다기능 시스템으로 진화하고 있습니다. 이러한 소재 혁명은 포토닉 기술의 경계를 재정의하고 있습니다.

이러한 첨단 소재가 연구부터 실제 적용에 이르는 여정은 고품질 기판과 웨이퍼를 위한 견고한 공급망에 달려 있습니다. 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM)는 고순도 리튬 니오베이트 및 YAG 결정과 특수 SOI 웨이퍼를 비롯한 기초 소재를 제공하여 이 기사 전체에서 논의한 레이저, 변조기 및 광자 통합의 혁신을 가능하게 합니다. 우리는 연구자와 엔지니어가 포토닉 칩의 설계 청사진을 상업적 현실로 전환할 수 있도록 지원하기 위해 최선을 다하고 있습니다.