ETRI, 반도체 레이저 생산단가 "6분의 1로 확 낮춰"

광통신용 양자점 레이저 다이오드 대면적화·대량생산 성공

국내 연구진이 반도체 레이저 생산단가를 기존 대비 6분의 1로 대폭 줄일 수 있는 기술을 처음 개발했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 광통신부품연구실이 유기화학 기상 증착장비(MOCVD) 시스템을 이용해 양자점 레이저를 대량생산하는데 성공했다고 8일 밝혔다.

양자점 레이저는 밀도가 높아야 하는 데이터센터 통신용 광원이나 밀도가 낮은 양자통신 단광자광원 등에 주로 쓰인다. 특히, 데이터센터는 통신 과정에서 열이 많이 발생생하기 때문에 양자점 레이저같은 전력 소모가 적은 설비가 유용하다. 

ETRI 광통신부품연구실 김호성 박사(오른쪽)와 박홍희 박사. 양자점 레이저 다이오드를 테스트 중이다.(사진-ETRI)

연구팀은 MOVID를 이용해 갈륨비소(GaAs) 기판 위에 인듐비소/갈륨비소(InAs/GaAs) 양자점 레이저 다이오드를 구현했다. 이는 광통신용 1.3㎛ 파장대역으로 활용 가능하다. 

기존에는 양자점 레이저 다이오드 제작에 분자선증착장비(MBE)를 이용했다. 그러나 이 장비는 증착 속도가 느리고, 생산 효율이 낮아 양산에 어려움이 컸다.

연구팀은 MOCVD를 활용해 양자점 레이저 생산성을 크게 높였다. 이 레이저는 양자점 밀도가 높고, 균일한 것이 장점이다. 최대 75℃까지 연속 동작한다. 기판 결함이 다소 있더라도 장애가 거의 없다. 기판 대면적화도 가능하다.

이 기술은 또 기존 통신용 소자인 인듐인 기판대비 제조 단가가 3분의1 이하다. 

연구책임자인 김호성 박사는 "6인치 갈륨비소(GaAs) 기판을 사용하기 때문에 통신용 반도체 레이저 제조 비용을 최대 6분의1 이하로 낮출 수 있을 것"으로 내다봤다.

김 박사는 또 "저전력 광원개발로 소비 전력도 획기적으로 줄일 수 있었다"며 "유기화학기상증착법의 결과로는 세계 최고 수준"이라고 설명했다.

한원석 광통신부품연구실장은 "이 기술은 결함이 있는 대면적 기판 활용도 가능해 공정 시간 단축 및 소재 비용 절감에 유리할 것"이라고 말했다.

사진 위 오른쪽부터 시계방향으로 양자점 레이저와 양자점 이미지, 칩바 어레이,공정 완료된 기판, MOCVD, 2인치와 6인치 비교 사진.

ETRI는 이기술을 고도화하고, 신뢰성을 높여 연구에 참여 중인 국내 'O' 광통신 부품 제작업체에 기술이전한다는 계획이다. 이 'O'업체는 ETRI 통신용 반도체 파운드리를 통해 핵심 기술과 인프라를 지원받아 제품 상용화 시기를 단축할 계획이다.

김호성 박사는 "현대사회에서 광통신은 우리 산업의 대동맥과 같다"며 "향후 아파트단지에서 대도시, 해저 광케이블까지 연결하는 광통신용 광원개발에 획기적인 전기가 될 것"으로 전망했다.

이 연구에 참여한 충북대학교 금대명 교수는 “양자점 대량 생산 기술은 향후 고가의 광통신 소자의 생산 단가를 낮출 수 있어 국가 광통신 부품 산업의 경쟁력을 강화뿐만 아니라, 기초과학 연구 분야에도 크게 기여할 것"으로 전망했다.

한원석 실장은 “이 연구 결과는 상업성과 원천성을 동시에 확보한 사례로 향후 광통신용 반도체 레이저 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 중요한 결과”라고 덧붙였다.

이 연구결과는 SCI(국제과학논문색인)에 등재돼 있는 '저널 오브 알로이즈 앤 컴파운즈'에 최근 게재됐다. 

연구 예산은 ETRI 기본사업인 ‘ICT 창의기술 개발'과제로부터 지원 받았다.

ETRI 박홍희 박사가 양자점 레이저 다이오드를 측정 중이다.