차세대근적외선반도체광원소자 오대곤 여운동
머리말 21세기는지식과정보가그국가의경쟁력을좌우하는지식기반산업사회로나아가고있으며, 최고가아니면살아남을수없는무한경쟁시대가되어가고있습니다. 이러한변화속에서각국가에서는미래유망기술 (Emerging Technology) 을선정하여국가역량을집중함으로써차세대국가경쟁력을확보하려는여러가지노력을기울이고있습니다. 최근우리나라에서도미래유망기술에대한관심이어느때보다도증대되고있는가운데, 한국과학기술정보연구원에서는과학계량학적인방법으로미래국가유망기술을예측하기위한일련의연구를수행하고있습니다. 본보고서는과학기술정보데이터베이스 (SCIE) 에서최근 6 년간분야별피인용도가높은핵심논문들을가지고정보계량학적인분석을행하여선정된핵심유망연구영역에대해관련국내전문가들의자문을토대로작성된 R&D 동향보고서입니다. 본보고서가관련과학기술정보를국내에확산시키고, 미래국가유망기술의전략적육성을위한연구개발활동에작으나마도움이되었으면합니다. 마지막으로본보고서를집필한저자들의노고에감사드리며, 본고의내용은한국과학기술정보연구원의공식의견이아님을밝혀둡니다. 2005년 12월한국과학기술정보연구원원장
목차 제 1 장서론 1 1. 연구의배경 1 2. 연구의방법 2 제 2 장기술의개요 3 1. 기술에대한정의 3 2. 개발배경 4 제3장국내외연구개발동향 11 1. 광통신용상용반도체레이저모듈 11 2. 광통신용양자점레이저기술 17 3. 신소재를이용한고성능레이저기술 ; GaInNAs 25 제4장결론및제언 31 1. 사회적 경제적 산업적파급효과및제약요인 31 2. 기술전망 33 3. 시장예측 35 4. 국내기술개발의방향성- R&D 전략, 정책적제언 37 참고문헌 41
ⅲ 표목차 < 표 4-1> 외국주요국가의나노양자점연구추진현황 39 그림목차 < 그림 2-1> 광통신의전달망체계도 5 < 그림 2-2> 실리카광섬유의파장에따른광흡수스펙트럼 5 < 그림 2-3> 화합물반도체소재의격자상수및광밴드갭에너지상관도 7 < 그림 2-4> 이종접합시전도대에너지단차에따른각소재의특성온도 8 < 그림 3-1> 국내 S사의 1.3μm DFB 레이저의칩구조및온도에따른광출력-주입전류, 소신호응답특성 13 < 그림 3-2> 일본 M사의통신용반도체레이저제품군사례 15 < 그림 3-3> 일본 M사의 10Gbps급 1.3μm DFB 레이저구조및특성 16 < 그림 3-4> InP계열특허의국가별지분 : 1996-2000년 17 < 그림 3-5> 양자구조의저처원화에따른상태밀도변화모식도 18 < 그림 3-6> ETRI 에서개발된 1.55μm양자점 DFB-LD 의 2.5Gbps 직접변조특성 20 < 그림 3-7> 미국 Zia 그룹의 1.3μm양자점레이저다이오드특성 22 < 그림 3-8> Alcatel-Thales 그룹의 10Gbps 데이터전송시 (Back to Back) 1.55μm양자점레이저다이오드 BER 특성 23
ⅳ < 그림 3-9> 측면발광 1.55μm GaInNAsSb 레이저의상온연속발진전류-광출력특성및 Wallplug 효율 27 < 그림 3-10> 1.3μm GaInNAs 표면발광레이저의구조및소신호응답특성 28 < 그림 4-1> 40G 모듈의단가및시장규모추이 35 < 그림 4-2> 반도체레이저의지역별세계시장예측 36 < 그림 4-3> 광전소자의분야별세계시장예측 37
1 제 1 장 서 론 1. 연구의배경 21세기지식기반사회에서과학기술경쟁력은국가경쟁력의원천이며, 이에세계각국들은미래의경쟁에살아남기위해핵심기술과제를선정하여연구개발에박차를가하고있음. 우리나라과학기술부도 2005년 6월 미래국가유망기술위원회 를구성하여 과학기술예측조사 (2005-2030) 결과 (2005년 5월, 국가과학기술위원회보고 ) 에서도출된기술후보군을바탕으로 미래국가유망기술 21 을선정하여발표한바있음. 또한한국과학기술정보연구원 (KISTI) 에서는 2005년 SCIE 논문데이터베이스를이용한정보계량학적분석을통해 미래유망연구영역선정연구 를시도하였으며, 본보고서는그결과에기초하여최근 2~3년간논문의인용도가급속히높아지고있는유망연구영역을중심으로기술논평형식으로풀이한심층적 Expert Review 임.
2 차세대근적외선반도체광원소자 2. 연구의방법 한국과학기술정보연구원에서는 SCIE 데이터베이스에등록된논문 (1999~2005 년상반기까지발표된논문 ) 중에서, 각연도및각분야별 ( 저널분류 22분야 ) 로피인용수가상위 1% 인고인용논문 (HCP; Highly cited papers) 을추출하고공인용분석 (Co-citation analysis) 및동시단어분석 (Co-word analysis) 등의과학계량학적방법들과전문가평가 (Expert evaluation) 를통해 미래유망연구영역 을도출하였음. 상기도출된미래유망연구영역중에서통계학적방법으로최근논문의인용도가급격히상승하는연구영역을과학기술분야별로추출하여본테크이슈보고서의주제로삼았음. 본보고서는차세대근적외선반도체광원소자에대한기초지식과함께세계적인연구동향을개괄적으로살펴보고, 미래핵심기술로자리잡기위한연구개발전략을제시하였음.
3 제 2 장 기술의개요 1. 기술에대한정의 광대역통합망광통신시스템용반도체광원 - 본기술은정보화사회의기본인프라로서초고속대용량광통신망구축의핵심광원기술에관한것임 - 최근국가의핵심전략으로광대역통합통신망 (BCN: broadband convergence network) 구축계획이발표되면서정보전달의핵심인광원개발은전체시스템및통신망의규격및성능을좌우할수있으며경제성에크게기여할것으로예측 - 현재 1.3μm및 1.55μm파장대역의광원으로현재상용시장에나와있는 GaInAsP/InP, AlGaInAs/InP 반도체레이저와차세대광원으로 InAs/InP, InAs/GaAs 양자점레이저, 그리고 GaInNAs/GaAs 반도체레이저의세가지로대분하여다루도록함
4 차세대근적외선반도체광원소자 2. 개발배경 광통신시스템 - 정보화사회로일컬어지는 21세기의정보통신분야는더많은정보를, 더빨리처리하기위한방향으로빠르게발전하고있으며, 이러한사회의요구를충족시키기위한기술적수단으로광통신에대한연구 / 개발에역량이모아지고있다. - 대용량의정보를전송해야하는차세대광인터넷은궁극적으로고품질의정보를각개인에게저렴하게제공하는인프라로서지식기반사회의중추적인역할을수행할것이다. - 이러한광통신네트워크의신호표준은 45 Mbps 에서시작하여 90Mbps, 155Mbps, 622Mbps, 2.5Gbps, 그리고 10Gbps 에머물러있으며조만간 40 Gbps로정착될것으로예측되고있다. - 이러한광신호표준은속도에따라사용되는망의종류가다를수있게되는데일반적으로 < 그림 2-1> 에서보듯이장거리 Core 망과 Metropolitan 망그리고 Access 망으로크게나뉘게되는데 2.5Gbps 이상은 Core-Metropolitan 망에서 2.5Gbps 이하는 Metropolitan-Access 망에서사용되고있다. - 광통신망의선로는실리카기반의광섬유로서소재의특성상 1.3μm파장과 1.55μm파장의두개의스펙트럼창을주로활용하게된다.
제 2 장기술의개요 5 < 그림 2-1> 광통신의전달망체계도 < 그림 2-2> 실리카광섬유의파장에따른광흡수스펙트럼
6 차세대근적외선반도체광원소자 - < 그림 2-2> 에서파장에따른광섬유의광흡수특성을그래프로보이고있는데, 첫번째스펙트럼창은광손실은최저치가아니나상대적으로분산이적어 Access 나 Metropoltan 과같은중-단거리통신에주로이용되고있으며광손실이제일적은두번째스펙트럼창은중-장거리광통신에주로이용되고있다. 화합물반도체 - 근적외선파장대역의광원으로서화합물반도체레이저를고려할수있는데, 전형적인 Si 반도체가전도대와부전도대사이의간접천이를가지는데반하여대부분의화합물반도체들이에너지적으로안정된직접천이를하게되므로상대적으로우수한발광특성을보이게된다. - GaAs 나 InP 기판위에격자정합되는화합물소재들을통하여반도체레이저구조를설계할수있게되며 < 그림 2-3> 에격자상수에따른화합물단결정소재의밴드갭에너지를나타내고있다. - 특히전광변환이일어나는레이저의활성층구조로서 InP 위에 GaInAsP 와같은사원계벌크화합물반도체를사용하거나 GaInAs 혹은 GaInAsP 의양자우물구조를통하여근적외선파장대역의빛을발생시킬수있다. - 또한 GaAs 위에는 GaInNAs 화합물반도체를활성층에사용함으로서근적외선영역의빛을발생할수있게된다. - 양자효과를극대화시킬경우기존의벌크화합물반도
제 2 장기술의개요 7 체가가지는밴드갭에너지보다훨씬큰밴드갭에너지를얻을수있게되는데, 그대표적인예가 InAs 양자점구조를활성층에사용하게되는경우로 GaAs 기판위에형성시켰을경우에는 1.3μm파장대역의우수한발광특성을얻게되며 InP 기판위에형성시키면 1.3~1.6 μm영역의발광특성을양자점크게에따라선택적으로얻을수있게된다. < 그림 2-3> 화합물반도체소재의격자상수및광밴드갭에너지상관도 - 양자점구조를사용할경우, 높은미분이득및적은 chirp 특성, 그리고높은온도특성등의잇점이있어기존의양자우물구조를사용하는 InP 계열상용반도체레이저의차세대광원으로각광받고있다.
8 차세대근적외선반도체광원소자 - 반도체레이저의열적특성을나타내는지수로서특성온도를꼽을수있는데활성층의각화합물반도체소재및구조가가지는물성에따라달라질수있게된다. < 그림 2-4> 이종접합시전도대에너지단차에따른각소재의특성온도 - 양자우물구조에서우물층과장벽층사이의에너지수준차이에의하여반도체레이저의열적특성이크게영향을받게되는데, < 그림 2-4> 에서전도대의장벽층과우물층의에너지차이에따른각화합물소재들의특성온도를보여주고있다. - 현재광통신용상용모듈로사용되고있는 GaInAsP /InP 계의경우, 100 mev 정도의전도대에너지단차를가지면서 60 o K 정도의특성온도를가지는데비
제 2 장기술의개요 9 하여 GaInNAs/GaAs 계의경우 350meV 의전도대에너지단차수치와함께 180 o K 정도의높은특성온도를가진다. - 이런이유등으로 GaInNAs 를활성층소재로사용하기위한연구가전세계적으로 2000년대들어활성화되고있으며신뢰성이확보될경우차세대광원으로나노양자점레이저와함께현재의반도체레이저를급속히대체해갈것이다.
11 제 3 장 국내외연구개발동향 1. 광통신용상용반도체레이저모듈 개요 - 2000년대들어서광통신시장의급격한확대와함께광통신용반도체광원의기술적진보와함께가격의하락이지속적으로진행되고있다. - 2002년도 IT 거품이제거된이후에도이러한상황은계속되고있으며현재상용시장에서의주종은 GaInAsP/ InP 계열의반도체레이저로서 1.3μm파장대역의상용모듈은가입자및도시내통신망용으로 10Km 이내의단거리및중거리통신에주로사용되고있으며 1.55μm파장대역의경우도시내 / 도시간통신망및해저케이블용의 40~80Km 수준의중 / 장거리통신에주로이용되고있다. - 특히경제성있는광원개발에촛점을맞추어 TEC (thermo electric cooler) 와같은냉각장치가필요없는비냉각반도체레이저광원의개발이 1.3μm파장대역에서개발이되어있으며또한대량제작의용이성및및광섬유와의결합특성이우수한장파장대표면발광형반도체레이저 (VCSEL; vertical cavity surface
12 차세대근적외선반도체광원소자 emitting laser) 등이최근시장에제품을선보이고있는상황이다. - 이러한기술적진보의내용으로는반도체레이저의전 / 광변환핵심층에기존의 3차원벌크반도체물질에서양자효과를가지는 2차원양자우물구조로의진보가초기에이루어졌으며광자의구속밀도를더한층높이기위하여 strained ( 혹은 strain compensated) 양자우물구조개발등이핵심적으로성능의향상을주도하고있다. - 그밖에도 AlGaInAs 와같이특성온도 (T o ) 값이큰소재를활성층에사용한반도체레이저를새롭게개발하므로서높은온도에서도성능의저하를줄일수있는모듈등이새롭게출시되고있다. 국내동향 - 국내에서는 ETRI 를중심으로일부대학등에서통신용반도체레이저개발에대한소재및소자연구등이 1985 년경부터시작되었으며 1990년대초반부터 ETRI 에서기술전수를통하여현대전자및삼성전자등의대기업으로기술이이전되어초기반도체레이저산업이태동을하게되었다. - 1990년대중반이후기업간의경쟁과함께상용기술의발전이지속적으로이루어졌으며 2003년도에삼성전자광반도체사업부를마지막으로대기업의광통신용반도체레이저개발은막을내렸으며현재는 10여개정도의중소벤처기업등에서반도체레이저모듈을생산하고있다.
제 3 장국내외연구개발동향 13 < 그림 3-1> 국내 S사의 1.3μm DFB 레이저의칩구조및온도에따른광출력-주입전류, 소신호응답특성 - 국내제품의성능은수요처가항시세계최고의수준을요구했던관계로 2~3년전에이미세계시장에서인증을득한바있으며현재도꾸준히세계수준의제품을일부기업등에서선보이고있다. - 그러나신뢰성등의수준에서아직기술적보완이필요하며대부분의기업은핵심소자를외국에서수입하여조립하여판매하고있는실정이다. - 대표적인기술적수준으로 10Gbps 급비냉각 1.3μm GaInAsP/InP 분포궤환반도체레이저 (DFB-LD) 를들
14 차세대근적외선반도체광원소자 수있으며 < 그림 3-1> 에서전형적인칩구조및온도에따른광출력특성을보여주고있다. (1) - 특허는 1990년대이후부터꾸준히증가하여 2000년초반에는미국특허기준으로한국이 3% 대를점유하여세계10대특허보유국에해당되고있으며기업으로는삼성전자가 0.7% 를점유하여 20대기업안으로진입되어있는수준이다. (2) 해외동향 - 세계적인규모의반도체레이저모듈제작업체들이광시장의이상현상이사그러들면서하나둘정리되어가는형상을보이고있는가운데대표적인미국의 Agere 사및유럽의 Alkatel 사가최근 1~2년사이로광소자분야를포기하였으며새롭게대만중국을비롯한후발국가의업체들이저렴한인건비를기반으로저가형페브리페롯 (Fabry-Perot) 구조의다중모드반도체레이저등에서현격히시장지배를늘려가고있다. - 현재세계광소자시장의수요는공급량에비하여매우부족한상태이나 FTTH(fiber to the home) 과같은광대역통합망등의구축과함께서서히늘어날전망이며미국의 JDSU 일본의 Mitsubishi, Hitachi 등이여전히시장지배와함께기술적우위를유지해가고있다. - < 그림 3-2> 에서일본기업의 1.3μm내지 1.55μm반도체레이저의제품군을보여주고있다. - 기업에따라제품전략의차이가다소있기는한데, 예로서 2.5Gbps 급이상의 1.55μm광원을모두 EA 변조
제 3 장국내외연구개발동향 15 기와 DFB 레이저가단일칩집적된형태의제품을출시하는기업이있는반면 2.5Gbps 급에서는직접변조형 DFB 레이저광원을판매하는기업군이있다. < 그림 3-2> 일본 M 사의통신용반도체레이저제품군사례 - 그러나공통적으로 10Gbps 까지 1.3μm파장대역에서는 DFB 레이저로직접변조시키는광원을사용하는것이범례로되어있다. (3) - 기술적수준의현주소는 10Gbps 급의 1.3μm비냉각반도체레이저로대표되어질수있으며최근의시장에나온한제품을예로 < 그림 3-3> 에소개한다. - 소재로는 AlGaInAs 다중양자우물구조 (MQW) 를사용하여 95 o C까지동작범위를넓혔으며 10Gbps 로 10km 전송하는데 1dB 이하의광손실을보장하고있다.
16 차세대근적외선반도체광원소자 - 특히 2004년도의세계적인광통신국제학회인 OFC에서집중적으로 10Gbps 급비냉각 AlGaInAs DFB 레이저에대한발표가지배적으로이루어졌다. < 그림 3-3> 일본 M 사의 10Gbps 급 1.3 μm DFB 레이저구조및특성 - 특허기술에대하여는양자우물구조및 InP계열의소재에대하여이미오래전에공지된기술로그지적재산에대한권리보호는그시효가지난것으로파악되며기업들마다최적화된레이저구조의세세함에대하여독자적인개량특허들을다수보유하고있는관계로독점적위치에서세계시장의급격한확대가발생되지않는한특허분쟁은커다란이슈가될가능성이희박하다. - 1970년대중반부터 Bell Lab 과 Xerox 등에서 DFB 레이저에대한기본특허를내놓은상황으로그역시시효가지난상황이며미국특허를기준으로하였을경우 1990년대이전에는미국이전세계 65% 이상의특허를독점하였던것에비하여 < 그림 3-4> 의도표에서보듯이 1990년대이후에는 1위자리를일본에내주고있는실정이다.
제 3 장국내외연구개발동향 17 < 그림 3-4> InP 계열특허의국가별지분 : 1996-2000 년 - 또한 1975-2001 년사이총 InP계의화합물소자가전체화합물반도체관련특허에대한비중은 20% 정도로 60% 이상을 GaAs 계열의소자가차지하고있음을주지할필요가있다. (2) 2. 광통신용양자점레이저기술 개요 - 기존의광통신용상용반도체레이저모듈의점진적인성능개선과가격하락에도불구하고향후도래할수십테라비트용량의유비쿼터스정보사회의인프라를구축하기위해서새로운개념의정보전송및처리부품의필요성이대두되었고이의대안으로양자점광소
18 차세대근적외선반도체광원소자 자가등장하게되었다. - 최근미래사회를선도할신기술로대두되고있는나노기술은, 나노크기의제작물질, 기능적구조및소자의과학과공학을의미한다. - 과학적용어로는 10-9 m의크기를나노미터 (nm) 라고정의하며원자의크기가대략 0.1-0.4 nm 정도이므로, 나노구조물질은수십또는수백개의원자가모여이루어져있는형태로볼수있다. < 그림 3-5> 양자구조의저처원화에따른상태밀도변화모식도 - 양자점등의구조로대변할수있는나노물질은동일한물질이벌크 (bulk) 나양자우물 (quantum well) 등의상태에있을때와비교하여운반자의속도가빠르고, 광학적비선형성이증가하는등의새로운물리적특성을나타내므로, 고속변조, 고출력, 저구동전류, 광대역폭등을특징으로하는신기능의미래형광소자를구현하기위한새로운가능성을제시하였다. - 양자점구조를이용한광소자의제작방법으로는전자
제 3 장국내외연구개발동향 19 빔과같은초미세리소그래피기술이이용되어왔지만, 양자점의크기가리소그래피기술의해상능력에의하여결정되며, 생산성이매우떨어지는등의단점으로광소자응용에많은제약을가지고있었다. - 하지만, 최근박막성장모드중의하나인 Stranski -Krastanow (S-K) mode 를이용하는자발형성양자점생성기술이개발되어양자점광소자연구의새로운장을열었다. - S-K성장법은전자빔리소그래피기술과같이인공적인묘화기술을이용하는기존의기술과달리, 격자불일치물질계의이종접합구조에서진행되는응력이완과정에서양자점이자발적으로형성되는자연현상을이용하는기술로써결정결함이없으며, 생산성이높은등의장점으로인하여광소자제작에매우적합한기술이다. - 예를들어 GaAs 기판위에 InAs를성장하게되면약 7 % 의격자상수차이로인하여, 수십나노미터크기의 3차원 InAs 양자점을형성할수있다. - 또한, 물질의종류에따라다양한크기및에너지구조를가지는양자점을형성하여소자응용의목적에따라서선택할수있는다양성을가지고있다. 국내기술현황 - 국내의양자점레이저다이오드소자에대한연구는최근정부의나노기술에대한정책적투자와맞물려괄목할만한성과를내고있다. - 서울대학교, 한양대학교, 성균관대학교, KAIST 등의
20 차세대근적외선반도체광원소자 대학과 KIST, KRISS, ETRI 등의연구기관에서양자점형성에관한연구를하였으며 2000년대초기에만해도아직은양자점성장및이에대한특성평가에대한연구만이진행되었던반면최근에는소자응용등에대한연구가활발히수행되고있는상태이다. < 그림 3-6> ETRI에서개발된 1.55μm양자점 DFB-LD의 2.5Gbps 직접변조특성 - 현재 ETRI 에서는광통신소자전문연구그룹을통하여 1.55μm양자점레이저를성공적으로개발하고있으며최근 5Gbps 급의직접변조속도를보이는우수한성능의 DFB 양자점레이저를보고한바있으며이는세계최고수준의결과로평가된다. - 이와함께 KIST에서다년간 1.3μm양자점레이저에대한연구를통하여최근조금씩향상된연구결과를보고하고있으며그외에도성균관대학교, 충남대학교등에서양자점레이저다이오드의연구개발을매우효
제 3 장국내외연구개발동향 21 율적으로수행하고있다. 세계기술동향 - 양자점레이저다이오드기술은 2000년대초까지도세계적으로성숙되지않은연구단계의기술로서, 일부대학및연구기관에서양자점이가지는우수한물리적특성을실제소자로써규명해보려는노력과결과들이보고되고있을뿐, 세계적인반도체기업들은양자점광소자의잠재력을인정하면서도직접적인투자를유보하고있었다. - 그러나최근미국의 Zia Laser Co. 를비롯하여세계적인벤처기업들을통하여비냉각 10Gbps 급 1.3μm파장대역의양자점레이저가상용단계에와있음을발표하면서급속히기술적발전을거듭하고있다. - 특히, 1.55 μm대역의양자점레이저에대한연구는상대적으로미성숙단계에있는실정으로중국 Chinese Academy of Science에서 InP 기판위에 InAs 양자점을 AlInAs 나 AlGaInAs 층에 MBE 방법으로성장하여 1.55 μm영역에서 PL을관측한결과를보고하고있으며, 이때양자점밀도는약 10 10 cm -2 정도이다. - 일본에서도 Tohoku 및 Tokyo 대학교에서 1.55 μm대역에서 PL 특성을보이는 InAs 및 GaInAs 양자점에대한결과를보고하였으며, 이때 PL 피크의 FWHM 이약 22 mev로기존의양자우물등에비교하여매우우수한광학적특성을보이는것을알수있다.
22 차세대근적외선반도체광원소자 < 그림 3-7> 미국 Zia 그룹의 1.3 μm양자점레이저다이오드특성 - 일본의 NEC에서는 InAs 양자점과 AlGaInAs 장벽층을 InP 기판위에 MBE 방법으로성장하여 9 x 10 10 cm -2 의면밀도를얻었으며, 레이저다이오드소자를 제작하여그특성을보고하였는데레이징시의임계전류밀도가약 380 Acm -2 으로보고하였다. (4) - 미국 Southern California 대학교의연구진들은 MO- CVD 성장법을이용하여 InAs 양자점을 InGaAsP 장벽층위에 5 층적층하여 1.5 μm대역에서광특성이향상되는결과를얻기도하였다. - 최근에는한국의 ETRI 를비롯하여유럽의 Alcatel, Thales 등의다국적대기업들이이에대한개선된결과들을속속보고하고있다. (5-10)
제 3 장국내외연구개발동향 23 < 그림 3-8> Alcatel-Thales 그룹의 10Gbps 데이터전송시 (Back to Back) 1.55μm양자점레이저다이오드 BER 특성 표준화및특허동향 - 양자점레이저다이오드기술, 특히, S-K 성장법을이용하는양자점형성기술은자연현상을이용하기때문에가지는장점이있지만, 동시에리소그래피라는인위적인패텬형성법을사용하지않는데서오는단점도같이지니고있다. - 대표적인것이평면상에서양자점형성의위치를제어할수없다는것이며, 또한표면에서의응력이완과정을이용하므로양자점의크기분포가자연현상의통계법칙을따른다는것이다. - 따라서향후양자점성장기술은양자점의크기분포를줄이고, 크기및위치를조절할수있는기술에많은관심이모아질것이며, 이러한과정을통하여양자점
24 차세대근적외선반도체광원소자 소자기술이성숙되어갈것으로판단된다. - 따라서집중적인연구개발을통하여이에대한체계적제어가가능한시점에서양자점광소자의표준화작업이가능할수있을것으로판단된다. - 특허향은자발형성에의거한양자점형성에대한기본특허를 1994년미국특허로제안하여 1997년등록되었다. - 2000년대들어서 GaAs 기판위에성장하는 1.3μm양자점레이저특허가등록되었으며그내용으로자발형성법에의한양자점성장기술이활용되었으며면밀도및크기분포를조절하기위한성장변수를선택적으로사용하였다. - 이득포화된기저상태의에너지가 1260nm 이상을가지도록광이득이선택되었으며응용소자로서파장가변레이저및단일집적다파장레이저어레이등이있다. - 2004년경등록된특허로양자대시를이용한 InAs/ AlGaInAs 소재의양자점레이저가있으며아울러양자점을 VCSEL 구조에활용한양자점 VCSEL 은매우적은임계이득을가질수있다. - 상부와하부거울층은적은광손실을가지도록하며그중적어도한쪽은반도체 / 산화체거울짝을형성토록측면으로부터산화되도록한다. - 또한모드조절층은중간콘택층에서광필드크기를줄이므로서전체적으로광흡수를줄일수있게한응용특허등이제안되고있다. (11-13)
제 3 장국내외연구개발동향 25 3. 신소재를이용한고성능레이저기술 ; GaInNAs 개요 - 앞서소개한양자점레이저와동일한목적으로기존광통신용광소자의단점을보완하고경제성확보를위하여양자점기술의태동보다는다소늦었지만 2000년을전후하여그동안다루어왔던 III-V족화합물반도체에질소 (N) 를첨가한새로운소재가등장하게되었다. - 질화물신소재의대표적인장점으로우선상대적으로가격경쟁력이큰 GaAs 기판을사용할수있다는점과질화물첨가된화합물반도체특성상이종접합시전도대에너지단차가크고이로인해특성온도가상대적으로높아고온동작에서유리한점, 그리고 1.0~1.6 μm파장대역을질소함량에따라자유로이구현할수있다는이점이있다. - 이러한장점으로최근짧은기간중에수많은연구결과들이발표되고있으며 1.3μm파장대역의경우양자점레이저와치열한경합중에있다. 국내동향 - 국내의 GaInNAs 관련연구는 2005년현재전무하다고보아도무방할것이다. - 2000년대초에삼성종합기술원, ETRI, 등에서박막성장및광학적특성평가수준의연구결과가일부수행되었고그이후성균관대학교에서논문을통하여개선된박막특성을보고한정도가전부이다.
26 차세대근적외선반도체광원소자 - 아직까지이러한소재를레이저등의소자에응용한시도는없으며향후에도긍정적인전망을하기힘든실정이다. - 특히국내에서이렇게 GaInNAs 계레이저에대한연구가미진한이유로는첫째 IT 버블의붕괴로전반적인광시장이침체되었고이로인해광원기술의연구. 개발수요가줄었으며, 둘째기술적인입장에서기존의 GaInAsP 혹은 AlGaInAs 계열의광소자가현재의광통신시장을충분히만족시키는입장에서새로운성능의레이저에대한모험을감행할분위기가성숙치못했던것으로판단된다. 국외동향 - 국외의동향은국내에비해월등히활발하게연구가진행되고있는데, 최근의유수한국제학회에서발표된논문에의거하면, 미량의 Sb를첨가하므로써 N의함량을증가시켜야하는어려움없이 1.55μm의장파장발광특성을얻음이보고되고있다. - 그러나 GaNAs 의장벽층을쓰게되는경우우물층과의전도대밴드갭에너지단차가상대적으로작아반송자누설의원인이되고있으며소재자체가가지는열적특성을극대화시키기어려운문제가있다. - < 그림 3-9> 에서 2004년도말에발표된 GaInNAsSb 양자우물구조를이용한측면발광레이저의연속발진전류-광출력특성을보여주고있다. - 양쪽면합하여외부양자효율 53%, 임계전류밀도 580A/ cm 2 를보고된중에서는최고의데이터로확인
제 3 장국내외연구개발동향 27 되고있다. (14) - 이와함께가장최근에발표된보고로서일본의 NEC사에서 40Gbps 급 CWDM 에사용할광원으로 1.3μm GaInNAs 표면발광레이저를 LEOS-2005에발표하였다. - 표면발광레이저 (VCSEL: vertical cavity surface emitting laser) 의경우 1.0μm이상의장파장대역광원은 GaAs 기판에적절한활성층에너지밴드갭을가지는소재가없어 InP 계열의화합물반도체를사용하며이로인해위. 아래거울층으로서적절한소재를찾기어려운부분과상대적으로비경제적인가격의두가지단점이있다. < 그림 3-9> 측면발광 1.55μm GaInNAsSb 레이저의상온연속발진전류-광출력특성및 Wallplug 효율 - 그러한관점에서 GaAs 기판에성장가능하며 1.3μm의밴드갭파장을가지는 GaInNAs 의채택은 VCSEL 입장에서매우고무적인선택이라할수있다. - 더욱이직접변조광원으로수 ma의아주적은소비
28 차세대근적외선반도체광원소자 전력을가지면서 10 Gbps급전송이가능한 3dB 대역폭을보여주게됨으로서, 차세대통신시스템에응용가능한소자임을입증하는중요한계기가되고있다. (15) < 그림 3-10> 1.3 μm GaInNAs 표면발광레이저의구조및소신호응답특성 특허동향 - 특허동향은 2000년대들어서갑자기근적외선광원의새로운대안으로서급격히출원수가증가하였으며그이전에는고효율태양전지응용을위한새로운소재로서 GaInNAs 특허를득하기도하였다. - 미국특허를중심으로대표적인특허들을년도별로몇가지소개하면, 2000년도에미국컬롬비아대학에서 GaInNAs 양자우물구조와 Sb 원소의첨가효과에대한초기특허를출원하였으며이종접합다이오드레이저구조의반도체양자우물소자로우물층에 Sb가매우소량포함된 GaInNAs 물질의사용을주요특징으로한다.
제 3 장국내외연구개발동향 29 - GaInNAs 성장시소량의 Sb 첨가는성장중의아일랜드형성을억제하므로양질의우물층형성이가능하다. - 또한이종접합시전도대의에너지우물깊이가깊어져높은전자이동도를가지는트랜지스터로도활용이가능하다. - 2002년도들어서장벽층에초격자구조등을사용한제안이 Infineon 사등에서출원하였으며활성층의우물층과장벽층에 3족과 5족그리고 N 원소를포함토록하며우물층은 4원소계화합물장벽층은 3원소계화합물로이루어지도록한다. 아울러우물층이 GaInNAs 로이루어진것과장벽층은좀더큰 N 함유량내지 GaNAs 된구조, 그리고초격자구조가장벽층에존재할수있도록한구조를주요내용으로하고있다. - 이와함께이소재를이용한 VCSEL 구조의제안이 2002년 Cielo Comm. 사와 2003년 Sandia 사에의해특허로등록되었는데 Cielo Comm. 사의주요지적재산권은 1300nm 파장대역에서연속발진하는 GaInNAs 양자우물을포함하는선택적산화구조 VCSEL 에관한특허로특히정전용량감소를위하여반절연 GaAs 기판을사용하고낮은저항의 AlGaAs DBR 거울층을채택하였다. - 활성층에격자왜곡된 GaInNAs 층을사용하고특히 1300nm 광의정상파근원부위에높은 p형불순물도핑을통하여자유반송자흡수를감소시켰다. - 이에반하여 Sandia 사의특허내용은선택적으로산화시킨 VCSEL 에관한것으로 GaInNAs 양자우물층을사용하면서 1300nm 에서상온연속발진하는구조는
30 차세대근적외선반도체광원소자 처음으로제안되었다. - 두개의 n-algaas/gaas DBR 구조가양쪽거울층으로구성되고활성층양주변으로선택적산화시킨열린부위가있으며상부거울층에는 tunnel junction 을통해활성층으로정공을주입할수있게된다. 연속발진단일모드가 55 o C 까지관찰되었다. - 2004년도에는 VCSEL 분야에강점을가졌던 Honeywell 사에서 GaAs 기판위의장파장 VCSEL 구조를위하여 N, Al, Sb, P, 그리고, In 물질이활성층물질로사용되며특히우물층으로 GaInNAs 혹은 Sb를추가로포함한물질및장벽층으로 AlGaAs, GaNAs 층을사용하며우물층두께가 5nm에에너지차이가 40meV 까지도달할수있는구조를제안하였다. - 이상과같이특허의동향을간략히분석해보면현재연구되고있는대부분의구조들을언급해놓은상태로우선적으로상용화가가능한분야는 1300nm 파장대역의 VCSEL 구조로판단이된다. (16-18)
31 제 4 장 결론및제언 1. 사회적 경제적 산업적파급효과및제약요인 파급효과 - 최근의유비쿼터스열풍은 U-Korea, U-Health, U-City, U-Building 등모든곳에서만능으로미래지향적의미를가지고통용되고있다. - 이러한분위기는이미세계에서유일하게대한민국에서그실현을목전에두고있는듯하다. 바로 IT839 정책이구심체적역할을담당하고있으며사용자중심의서비스에서시작하여역으로기술적필요성및통신네트웤의대용량처리환경의요구를통해새로운시스템 / 부품수요를창출할수있는상황이다. - 이러한사회적환경에부응하여적기에우수한성능규격과경제적인가격의부품기술이완성도를가지고뒷받침할수있다면미래형정보화사회의새로운모델로서국제사회의국가신인도수직상승및국가경쟁력을동시에갖추게될것이다. - 이러한예상의성패여부는시간에관계된것으로모든주변요소들이적기에활용될수있어야한다. - 가장구체적인예는모든사회적인식을포함하여준
32 차세대근적외선반도체광원소자 비된시점, 즉광대역통신인프라의수요와서비스욕구가정점에다다랐을때자국의산업계에의해신뢰성높은관련부품의출하가이루어져야한다는것이다. - 그경우에관련부품산업계는물론이고시스템업계, 네트웍운용및콘텐츠를포함한서비스업계까지총망라하여동반성장을구가하게되며내수및수출에서동시에국가산업경쟁력을확보하게되며궁극에는경제대국으로발돋움하게될것이다. - 만약에그러한시점에서관련핵심부품을선진외국으로부터수입에의존해야할경우라면아무리사회적환경이준비된시점이라도각산업계간의명암이극심하게불균형을이룰수있고급기야는산업의도태와함께국가경쟁력을급격히하락시키게되며정보화국제사회에서의존성강한 3류국으로전락할위험마저있다. 제약요인 - 이러한여건에서기술적완성도를높이는데방해가되는사회적제약요인을구체적으로아래에개조식으로열거한다. - 현재경제환경하에서단기적상품화위주의산업정책으로중장기적국가연구비지원의감소와그에따른첨단기반연구의경쟁력약화 - 기업등의연구비투자및국가출연기관연구비지원, 시설, 인적투자감소 - 단기적경제지수에비중을둔중장기적인국가전략기술개발투자축소및단기적상품화개발요구로인한
제 4 장결론및제언 33 우수한연구인력확보어려움 - 연구개발기술의난이도, 수행기관의성공가능성, 전문성등의기술적, 인적측면및개발기술의국가적중요성등을고려하지않은입찰식연구개발비설정으로인한연구내용의부실화 2. 기술전망 나노양자화기술 - 기술의전망이라면커다란축에서두가지를들수있다. 이미앞장의기술동향에서피력했듯이신소재의개발과저차원나노양자구조화이다. - 전자가 0차원으로구속되어있는양자점구조에서는, 전자가 2차원으로구속되어있는양자우물구조와는다른새로운밴드구조를가지므로, 이러한물리적현상을이용한다양한광소자응용이가능할것이다. - 표면발광레이저의경우, 1.3 μm대역의표면발광은 GaAs 기판위에양자점활성층을이용하여설계제작함으로써실온연속발진이가능하여졌으며, 1.5 μm대역소자의경우에도온도특성이좋고, 초고속으로변조시 chirping 이거의없는직접변조구현이가능할것으로판단되고있다. - 또한, 양자점구조는레이저다이오드소자제작시온도에따른문턱전류치및파장변화가적어우수한온도특성을가지고있다. 이러한광통신용소자응용외에도양자점적외선검출기및광저장장치등다양
34 차세대근적외선반도체광원소자 한분야의소자응용이가능할것으로평가된다. - 따라서, 양자점형성기술은산업전반에걸쳐광범위하게응용될수있는기반기술로써국가적인기술경쟁력을견인하게될것이다. 신소재기술 - 마찬가지로 GaInNAs계의신소재를이용한레이저개발또한기본적인열적특성과같은물리적성능향상외에소재형성시의다양한화합물반도체구성가능및기술축적으로응용부품의광대함과동시에새로운영역의창출을기대할수있게될것이다. 기술적효과 - 기술적효과를근적외선광원분야를기점으로아래에개괄적으로기술하였다. - 초고속광통신을위한고효율, 저비용의광송신기모듈기술구현 - 저소모전력고집적광원기술의개발 - 대용량광통신및데이터통신구현을위한광송신소자기술개발을통하여차세대핵심부품기술의선도적우위및지적재산권확보 - 고부가가치의초고속, 다기능성의광송신소자및신소자군창출 - 초고속직접변조광원소자창출에의한광교환및프로세서용광집적모듈의간소화, 경량화및저비용화
제 4 장결론및제언 35 3. 시장예측 세계시장 - 차세대근적외선레이저는초고속광통신망구축을위한핵심부품기술로이를이용한광링크부품의상용화에선도적기여및핵심광모듈의국산화에크게이지할것으로예상되는바, 시장예측에앞서 < 그림 4-1> 에서년도에따른 40 Gbps 급광원모듈의단가변동및세계시장규모를보여주고있다. - 기술의발전과함께모듈단가는급격히하락하지만전체시장규모는 2000년약 9 백만불에서 2004년도에는 8 억불의시장이예견됨으로서기술의진보는경제성과함께새로운시장의창출을기대할수있는예라할수있다. < 그림 4-1> 40G 모듈의단가및시장규모추이 30000 1000 25000 800 모듈단가 ($US) 20000 15000 10000 600 400 200 세계시장 ($M) 5000 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 년도
36 차세대근적외선반도체광원소자 - 구체적으로통신용반도체레이저시장은그림 16 에서처럼점진적증가세로있으며 2006년경세계모든지역에서고루게성장하여전체시장규모가 8억불수준에이를것으로전망된다. (2) - 차세대반도체레이저는기술의선점을통하여수입대체효과뿐만이아니라, 수출증대에따른경제적파급효과도기대할수있을것으로보며, 2010년경에는전체광송신소자시장공략에크게기여할수있을것이다. - 아울러기술의원천적성격을감안하면모든광부품에적용가능성이매우크며이를아래의 GIA-2004 에서예측한전망치를기준으로보면 2010년경 100억불이상의세계시장예측이가능함을알수있다. < 그림 4-2> 반도체레이저의지역별세계시장예측
제 4 장결론및제언 37 4. 국내기술개발의방향성 - R&D 전략, 정책적제언 국내기술개발의방향 - 이미 GaInAsP, AlGaInAs 계열의현재상용화되어있는분야는세계광산업거품의제거와함께경쟁력이큰세계적기업만이살아남았고, 세계적인상용기술과국내자체기술간의사소한차이조차도극복하기어려운게현실이며후발주자로서의전반적추격내지역전의기회는없을것으로판단된다. - 향후국가유선통신인프라를구성하게될핵심근적외선반도체레이저를지속적으로수입에의존해서는안되며오히려차세대레이저광원인양자점레이저내지 GaInNAs 계레이저연구에집중투자하므로서아직세계적으로기술의난이도가크고완성도가아직미흡한면을호기로삼아새로운시장의강자로서도약할기회를가져야할것이다. < 그림 4-3> 광전소자의분야별세계시장예측
38 차세대근적외선반도체광원소자 R&D 전략 - 국내근적외선반도체광원의전반적인기술개발전략을논하기앞서세계기술강국들의동향을간략히보자. 양자점레이저의경우, 최근에는성장메커니즘규명의단계를넘어양자점구조가가지는물리적특성을이용한신기능소자개발에많은노력이기울여지고있는실정이다. - 세계적인기술강국들은양자점구조를이용한신기능소자구현을위하여정부차원에서연구를진행하고있으며, 예로미국의경우 NSF의국가연구기금으로 QUEST 에서양자점성장에관한연구를진행하고있고, 일본과유럽그리고대만등에서도활발한정부주도의연구프로젝트가범콘소시움형태를통하여진행중에있다. - 이러한내용을 < 표 4-1> 에간단히요약하여보았다. - 따라서정부차원의정책적투자를상용기술의완성도를구비할수있도록지속적이고융통성있게추진해야하며, 흩어져있는연구역량을콘소시움과형태를통하여집결될수있도록제도적보완을서둘러야할것이다. - 다행스럽게국내에서도뒤늦게차세대나노기술에대한투자를시작하면서양자점레이저에대한연구. 개발이어느정도활기를띄고있지만빠른시간내에선진연구그룹과의차별화를선언하기에는전반적으로역부족이다.
제 4 장결론및제언 39 < 표 4-1> 외국주요국가의나노양자점연구추진현황 국가 미국 유럽 대만 연구기관 Center for Quantized Electronic Structure (QUEST) Alcatel-Thales, Wurzburg Univ. (BigBand) Industrial Technology Research Institute (ITRI) 지원체계 정부 범유럽연합 정부 지원형태 연구개발비 연구개발비 연구개발비 지원규모 40억원 / 년 50억원 / 년 60억원 / 년 지원기관 NSF EU NSC - 아울러이러한연구결과들이주로 MBE 성장방법을이용하여진행되고있는데, 이는 MBE 성장방법이반도체박막을단원자층수준으로제어할수있으며, 저온성장이가능하다는특징등이있고양자점성장에적합하기때문이다. - 하지만, 소자제작시의생산성등을고려하여 MO -CVD등을이용한생산성있는연구. 개발을필히병행하여산업화로의일정을단축해야할것이다. - 또한연구여건이전혀마련되지않은 GaInNAs 계신소재개발도조속한시일안에연구역량을결집하여국책과제화작업을진행하고동시에기존의특허를극복하고새롭게기술을선도할수있는방향을선택하여계획적이고전략적인기획과함께양자점레이저와경쟁적관계로서적자생존의치열한기술개발의장을국내에서펼치도록함으로써경쟁력확보와함께국내기술개발의새로운모델로제시되어야할것이다.
40 차세대근적외선반도체광원소자 정책적제언 - 이미미국, 일본, 및유럽등의기술선진국들은나노소재를이용한신기능소자연구개발을국가최우선전략과제로선정하고, 2000년대과학기술산업을주도하기위한치열한기술전쟁을선포하고있는실정이므로, 이러한맥락에서볼때, 양자점레이저및 GaInNAs 계신소재등을이용한부품개발에대한기초기반및요소핵심기술을확립하지못하면, 선진국과의기술격차는점점더커질것이명백하므로, 국가적차원의지원및육성이요구된다.
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저자소개 오대곤 이학박사 현, 한국전자통신연구원책임연구원 여운동 현, 한국과학기술정보연구원연구원 저서 : 블루투스기술개발동향등 BB105 오대곤 여운동 차세대근적외선반도체광원소자 2005 년 12 월 19 일인쇄 2005 년 12 월 23 일발행 발행처 서울특별시동대문구청량리동 206-9 ꂕ 130-742 전화 : 3299-6114 등록 : 1991 년 2 월 12 일제 5-258 호 발행인조영화 인쇄처영신기획