초고대역 실리콘 나이트라이드 온칩 레이저: 파란빛부터 근적외선까지

초록

본 논문은 결함·밴드테일 상태를 이용해 실리콘 나이트라이드(SiN)의 초광대역 이득을 구현하고, 450 nm~1000 nm 범위의 연속적인 발광과 1.6 nm 무모드 홉 튜닝을 달성한 온칩 레이저를 제시한다. CMOS 호환성과 저비용을 갖춘 SiN을 수동 소재에서 활성 매체로 전환함으로써 차세대 광통신·AI·양자·정밀계측에 필요한 광원 플랫폼을 제공한다.

상세 분석

이 연구는 SiN의 넓은 밴드갭(~4.6 eV) 내에 존재하는 결함 레벨과 밴드테일 상태를 이득 매커니즘의 핵심으로 활용한다. 결함·밴드테일은 광흡수와 재복사를 동시에 제공하는데, 마이크로공정(PECVD/LPCVD)에서 Si/N 비율, 온도, NH₃ 흐름 등을 정밀 제어함으로써 결함 밀도와 전자·정공 재결합 경로를 조절한다. PL 측정에서 두 개의 수명(τ₁≈1–2.5 ns, τ₂≈8–15 ns)이 관찰되며, 이는 방사형 재결합과 비방사형 재결합이 공존함을 의미한다. 특히, 비방사형 재결합이 강화된 샘플은 405 nm 펌프에서 532 nm 신호 증폭을 3.6배까지 달성한다.

파장 선택성은 SiN 파형가이드와 링 공진기의 기하학적 설계에 의해 구현된다. 1 µm·300 nm(높이) 구조는 450 nm에서 TE₀ 모드의 강한 광구속을 제공하지만 1000 nm에서는 약화된다. 폭을 2 µm로 확대하면 장파장에서도 충분한 구속을 확보하고, 고차 TE₁ 모드가 추가로 활성화되어 전체 스펙트럼에 걸친 Q‑factor(≈600–1300)를 유지한다.

링 공진기의 직경을 12 µm에서 16 µm까지 확대하고, 파형가이드 폭을 300 nm·400 nm으로 변형함으로써 450 nm900 nm 구간에서 연속적인 발광을 얻었다. 특히 12 µm 링(1 µm 폭)에서는 600 nm750 nm 구간에서 이득이 5 dB 이상이며, 16 µm 링(300 nm 폭)에서는 450 nm~650 nm까지 스펙트럼이 확장된다.

이와 같은 초광대역 이득은 기존 Ti:sapphire(650‑1100 nm)와 비교해 450 nm 이하와 650‑900 nm 사이의 ‘갭’을 메우며, SiN의 굴절률(≈2.0‑2.2)이 Ti:sapphire(1.76)보다 높아 파형가이드 내 광구속을 강화한다. 또한, SiN은 CMOS 공정과 완전 호환되므로, 기존 실리콘 포토닉스와의 통합이 용이하고, 비용·공정 복잡도 측면에서 큰 이점을 제공한다.

핵심 혁신은 (1) 결함·밴드테일 기반 초광대역 이득 메커니즘 규명, (2) LPCVD 공정 파라미터 최적화를 통한 결함 밀도 제어, (3) 파형가이드·링 설계 최적화를 통한 Q‑factor 유지 및 파장 선택성 확보, (4) 온칩 레이저 시연(모드 홉 프리 튜닝 1.6 nm, 738 nm)이다. 이 결과는 SiN을 수동 파동전달 매체에서 활성 레이저 매체로 전환시키는 결정적 전환점이 될 것으로 기대된다.