[테마특강] 화합물 반도체 핵심 광소자기술

한상국

<>연세대 전자공학과 졸업

<>미 플로리다대 전자공학과 석.박사(광전자공학 전공)<>현재 현대전자 시스템IC연구소 광소자 개발실 선임연구원 겸 연세대 전파공학과 조교수

최근 초고속 정보통신 서비스의 필요성이 강조되면서 음성.문자.화상 등복합적인 대용량의 정보를 빠르게 주고받을 수 있는 광통신시스템의 중요성이한층 부각되고 있다. 광통신망의 구현을 위해서는 핵심 기반기술인 고속.

고효율 광소자에 관한 연구개발 및 확보가 매우 시급하다. 광섬유 케이블의고용량에 부응하는 고속 동작 특성을 갖춘 광소자들의 수요가 증가하고 있으며이들은 주로 화합물 반도체로 제작되기 때문이다. 화합물 반도체는 양질의결정 성장이라는 고도의 기술이 요구되지만, 다른 반도체들과는 달리 뛰어난발광 특성과 높은 이동도 특성을 갖추어 광통신 및 광네트워크에 필수적인발광소자 레이저 다이오드.광변조기.광파장 여과기.수광소자인 광다이오드등의 제작에 널리 쓰이고 있다.

광통신망에서 광원으로 쓰이는 반도체 레이저 다이오드는 전기적인 신호를광신호로 바꾸어주는 역할을 하며 생성된 광신호는 송신단에서 광섬유를 통해 전송된다. 광통신에는 일반적으로 단거리 전송(수십km이하)의 경우 파장이 1천3백10nm인 제품이, 장거리 통신망의 경우 1천5백50nm인 제품이 각각사용된다.

파장이 1천3백10nm에서 분산특성이 최소이고 1천5백50nm의 파장에서 전송손실이 가장 적은 광섬유의 특성을 고려한 것이다. 따라서 시스템 응용목적에 따라 레이저 다이오드의 파장 및 동작특성이 결정된다. 제작과정은소자설계.에피텍셜(epita.ial) 결정 성장.공정.테스트 및 패키징으로 이러한과정은다른 광소자들에서도 공통적으로 적용한다. 소자설계 단계에서는 발진파장.

광출력크기.고속변조 특성 등을 고려해 내부구조를 결정하고 이에 맞추어 MOCVD. MBE 등을 사용해 결정층들을 성장한다.

이때 성장된 결정층들의결정상태 및 층간의 계면상태가 매우 중요하여 레이저 다이오드의 동작특성에 많은 영향을 미친다. 제조공정은 기존 실리콘공정과 유사하며, 공정을 마친 후 원하는 소자 크기에 맞추어 절단(cleaving)해 필요한 전기적 본딩을하고 레이저 다이오드의 광학적.전기적 특성을 테스트한다. 또 광학적.전기적 테스트를 마친 소자들은 장시간의 안정적인 동작을 위한 신뢰성 테스트를거/쳐 최종적으로 시스템에서 원하는 형태로 패키징하게 된다.

일반적으로 1천3백10nm 파장의 레이저 다이오드는 1백55Mbps 광통신 시스템이나 광CATV에 많이 사용된다. 따라서 구동전력을 작게해 동작중 발생하는열과 이로 인한 다른 동작특성의 변화 등에 의한 성능저하를 최소로 줄이는것이 소자설계의 주요 목표다.

최근 광CATV 시스템에 사용할 목적으로 1천3백10nm 레이저 다이오드의 수요가 증가하는 추세에 있으며 기존 디지털변조 방식과 달리 아날로그 방식의광CATV 시스템을 겨냥한 1천3백10nm DFB 레이저 다이오드의 개발이 활발하다.

초고속정보통신망의 일환으로 최근 주요 거점도시들을 연결하는 2.5Gbps급(1초에 25억개의 정보를 전송) 광통신망에는 1천5백50nm 파장의 DFB 레이저다이오드가 송신단에서 광원으로 쓰이고 있다. DFB구조의 레이저 다이오드는FP구조에 비해 제조공정이 복잡하고 시스템의 송신단에서 요구되는 동작특성조건도 1백55Mbps급 레이저 다이오드에 비해 다양하고 까다롭다.

제조공정상 수율은 1백55Mbps급 레이저 다이오드에 비해 현저히 낮다. 이는제조공정이 복잡하고 절단된 두 거울면에서 회절격자의 상대적인 위상차이가단일파장 모드 및 중심파장 위치를 결정하는데 예민하기 때문이다. 제작된DFB 레이저 다이오드는 양쪽 거울면에서 비슷한 양의 광출력을 내게 된다.

하지만 실제로 광원으로 사용될 때에는 한쪽 면 광원만 사용하게 되고 다른면의 광출력은 레이저 다이오드의 안정된 동작을 위한 모니터 용도로 쓰인다.

따라서 한쪽 거울면으로 대부분의 광출력을 내게 하고 다른 거울면으로는필요한 최소한의 광출력만을 유지할 수 있도록 하기 위해 거울면에 무반사(AR) 및 고반사(HR)의 기능을 하는 광코팅막을 입혀준다. 레이저 다이오드가2.

5Gbps 전송용 모듈에 패키징되는 방식은 모듈패키징 방식이다. 레이저 다이오드의 뒤쪽 거울면을 통해 레이저 다이오드의 동작특성을 모니터하는 광다이오드, 광섬유 및 광섬유에 광출력을 최대한 입사시켜 주기 위한 렌즈배열,그리고 광섬유 단면에서 반사되어 오는 빛을 차단하기 위한 광아이소레이터등이 포함된다.

모듈패키징에서 가장 중요한 점은 적절한 아이소레이션을 유지하면서 최대한의 광출력을 광섬유에 입사시켜 주는 것으로서 적어도30~40% 이상의 광결합률을 확보해야 한다. 그렇게 함으로써 상대적으로 레이저 다이오드의 동작전류를 낮출 수 있어 원하지 않는 고온.고전류 동작을 피할 수 있게 된다.

2.5Gbps급 레이저 다이오드 모듈은 수년전부터 미국의 AT&T, 캐나다의 노던텔레컴 그리고 일본의 히타치를 비롯한 여러 회사에서 상용제품을 생산하고있다. 국내에서는 대기업 연구소를 중심으로 연구개발이진행되고 있으며 가까운 시일내에 상용화된 제품이 나올 것으로 기대된다.

레이저 다이오드에서 생성되는 광에너지가 전송하고자 하는 정보들을 싣고광섬유를 통해 전달되기 위해서는 광전력의 크기를 정보의 내용에 따라 변화시켜 주는 변조기능이 필요하다. 최근의 광통신 시스템에는 디지털 방식의변조가 주로 사용된다. 변조방법은 Gbps급 이하 전송의 경우 레이저 다이오드의 구동전류를 변화시켜 상응되는 레이저 다이오드의 광출력을 변화시키는직접변조 방식이, 2.5Gbps 이상의 시스템에서는 직접변조 이외에도 레이저다이오드와 외부 광흡수 변조기를 하나의 소자로 단일집적시킨 EML(electroabsorption modulator integrated laser)소자 혹은 레이저 다이오드부터의일정한 광출력을 독립적인 외부 광변조기를 통해 변조시키는 방법 등이 채택되고 있다. 현재의 추세로 보면 향후 2.5Gbps 이상 초고속 광통신 시스템에는 직접변조 방식보다 EML소자나 개별적인 광변조기를 사용해 안정적인 장거리통신 기능을 확보하도록 할 것으로 예상된다.

EML소자는 화합물 반도체를 사용하여 1천5백50nm DFB 레이저 다이오드와광흡수 변조기를 동일한 웨이퍼상에서 연결하여 동작할 수 있도록 단일 집적화한 소자다. 따라서 레이저 다이오드 부분으로부터의 일정한 크기의 광출력이광흡수 변조기 부분을 거치면서 변조기의 동작전압에 따라 변화하게 된다.

EML소자를 설계하는데 있어 가장 중요한 점은 레이저 다이오드의 활성층과광흡수 변조기의 흡수층간 상대적인 에너지 밴드 갭을 조정하는 문제로 적절한 밴드 갭을 통해 원하는 변조효율(약 10dB/V)을 얻을 수 있게 된다.

동일한 웨이퍼상에서 두개의 다른 밴드 갭을 갖는 에피텍셜 층을 형성하는방법에는 산화막 마스크를 이용하는 선택적 결정성장 방법이 널리 쓰이는데이 경우에는 광흡수 변조기의 흡수층과 레이저 다이오드의 활성층이 모두 다중 양자우물(MQW)구조로 구성된다. 다른 접근 방법으로는 먼저 DFB 레이저다이오드 구조를 성장하고 광흡수 변조기가 위치할 영역은 식각한 후에 광흡수 변조기 구조를 재성장하는 방법이다.

EML소자는 소자설계에서부터 마지막 모듈패키징에 이르기까지 기존 레이저다이오드 생산기술보다 한 단계 높은 기술력을 필요로 하기 때문에 오랜 시간동안 DFB 레이저 다이오드와 개별 광변조기에 관한 연구를 수행해온 회사들만이 성공적인 제품기술을 확보할 수 있다. 작년말부터 미국의 AT&T, 일본의 후지쯔.NEC 등이 2.5Gbps급 상용 EML소자를 발표했고 동시에 향후의 10Gbps 광통신 시스템을 겨냥한 연구개발이 현재 진행되고 있다.

개별 광변조기로는 현재 LiNbOⁿ결정을 사용한 간섭계 구조의 광크기 변조기가 10Gbps급 송신단 등에서 쓰이고 있다. 그러나 상대적으로 높은 구동전압, LiNbOⁿ물성의 불안정성 등이 문제점으로 지적되어 화합물 반도체를 사용한 광흡수 변조기로의 대체가 필요하다.

물론 EML소자의 완벽한 동작특성이 보장될 경우에는 광통신 시스템에서의개별 광변조기의 필요성이 상대적으로 줄어들겠지만 다른 광시스템에서 광스위치로서의 기능은 여전히 필요할 것이다.

최근에 미국의 AT&T 벨 연구소를 주축으로 10Gbps 이상의 초고속 전송용으로파장분할 다중(WDM)방식의 전송방식에 대한 관심이 고조되고 있다. 이는단일 파장동작만으로 쓰이는 광소자 등에 의해 안정적인 최대 전송속도에 한계를 느끼게 되므로 상호 간섭없이 여러 파장의 광신호를 동시에 전송함으로써전송용량의 증가효과를 얻게 된다. 또한 비교적 짧은 거리의 LAN시스템에적용할 목적으로 다파장 광네트워크 등 여러 파장의 광신호를 전송하는 시스템에서 가장 중요한 광소자 중의 하나가 협대역 파장 여과기(narrowband wavelength filter)이다.

현재 연구개발이 진행되고 있는 파장 여파기 구조로는 화합물 반도체인 InP를 사용한 1×N형태의 파장 라우터와 광도파로 형태의 방향성 결합기 등이다.

파장 여파기들은 광도파로 형태를 취하므로 사용된 여러층의 화합물 반도체들의 굴절률 및 광도파로 형태가 중심 여과 파장을 결정하는 데에 예민하게영향을 끼치므로 광도파로 이론을 통한 정밀한 특성분석이 필수적이다.

수광소자인 광다이오드는 전송된 광신호를 수신단에서 받아 전기적인 신호로전환해 주는 기능을 수행한다. 광다이오드는 크게 PIN 다이오드와 APD(avalanche photo diode)로 구분할 수 있는데 전송 비트율에 따라 수백 Mbps 이하의 시스템에는 PIN 다이오드가, Gbps급 시스템에는 수신감도가 뛰어난 APD가각각 사용된다.

화합물 반도체를 이용한 주요 광소자들은 초고속정보통신 및 멀티미디어시대에 없어서는 안되는 핵심부품이다. 우리나라는 현재 수요가 많지 않아이러한 핵심 광소자들을 자체개발하기보다 수입에 의존하지만 미래에는 대량의정보를 주고 받기 위하여 광섬유가 각 가정까지 연결되는 정보화 시대가도래해 핵심 광소자들의 수요가 급격히 증가할 것으로 예상되는만큼 자체개발이 필요하다. 광소자 기술 개발은 다른 부품산업에 비해 어렵고 복잡하므로상대적으로 장시간의 연구개발이 필요하지만 이에 상응하는 높은 부가가치를창출할 수 있다. 따라서 국내적으로도 장기적인 안목을 가지고 과감한 기술투자를 통해 세계수준의 광소자 기술을 확보, 늘어나는 광전송 시스템 수요에 능동적으로 대처하는 노력이 절실히 요구된다.