<해외기술동향> 자색 반도체 레이저 실용화 "눈앞"

차세대 디지털다기능디스크(DVD)장치의 핵심디바이스로 기대를 모으고 있는 자색 반도체 레인저의 실용화가 눈앞에 다가왔다. 현재 질화갈륨(GaN)계의 재료를 사용한 자색 반도체 레이저 분야에서는 일본의 니치아화학공업이 가장 먼저 실온에서 1만시간 이상의 수명을 달성, 올초에 발진 파장 400mm급의 반도체 레이저인 "NLHV500"의 샘플을 출하하기 시작한 가운데, 일본의 주요 전자업체들도 자색 반도체 레이저의 개발에 박차를 가하고 있다.

　지난해 후지쯔연구소와 소니가 CaN계 청자색 반도체 레이저의 실온 연속발진과 관련한 성과를 잇따라 발표한 데 이어 이번에는 마쓰시타전기산업이 실온 연속발진에 성공했다. 또 최근 일본에서 개최된 「제46회 응용물리학 관계 연합강연회」에서도 NEC가 CaN계 반도체 레이저의 실온 연속발진에 대해 보고했다.

　특히 마쓰시타의 발표내용 중에서 주목을 끄는 것은 실온 연속발진에 성공한 사실뿐만 아니라 실제로 광학계를 이용해 레이저빔의 집광성능을 확인시킨 점이다.

　실제로 파장 400㎚의 CaN계 반도체 레이저와 NA(Numerical Aperture : 개구수)가 0.5인 대물렌즈를 사용해 직경 440㎚의 빔스폿을 형성한 것이다. 현행 DVD장치와 마찬가지로 NA가 0.6인 대물렌즈를 사용할 경우 단순 계산으로도 면기록밀도를 현행 DVD의 약 2.6배로 늘릴 수 있어 차세대 DVD용으로 사용할 수 있는 수준의 집광성능을 갖췄다는 평가를 받고 있다.

　집광성능의 확인이 필요했던 것은 발진파장이 같은 400㎚라도 발진 스펙트럼의 폭이 넓으면 빔스폿이 흐릿하게 번져버리기 때문이다. 마쓰시타는 외부에서 반도체 레이저 소자에 레이저광을 비췄을 때 방출되는 형광을 사용한 비파괴평가법을 개발해 스펙트럼의 폭을 좁혔다.

　마쓰시타는 발진파장이 385㎚ 이하가 되면 레이저광의 출력이 급격히 저하되기 때문에 반도체 레이저를 만들 때 발생하는 약 ±10㎚의 오차를 감안, 400㎚ 발진파장의 연속발진기술을 개발했다. 레이저소자는 사파이어 기판상에 감압 유기금속화학증착장치(MOCVD)법으로 형성했다. 이때 체임버의 압력은 약 40㎪.

　마쓰시타가 실온 연속발진에 성공한 가장 큰 요인은 원료가스의 흐름을 개선한 점에 있다. 한 예로 니치아화학은 사파이어 기판의 윗면과 측면에서 원료가스를 내뿜는 「Two Flow」법을 채택했다.

　마쓰시타도 여러 방향에서 원료가스를 내뿜는 실험을 추진했지만 뜻대로 되지 않아 유기금속의 반응에 의한 유체해석 프로그램을 개발, 1000도 이상의 사파이어 기판상에서는 예상을 초월하는 강한 대류가 발생한다는 점을 확인했다.

　마쓰시타는 이 해석 프로그램을 사용해 MOCVD법에서 일반적으로 이용하고 있는 가로방향의 원료공급으로 결정결함을 줄이는 데 성공했다.

　하지만 집광성능과 수명연장 문제를 해결했다고 하더라도 자색 반도체 레이저를 차세대 DVD장치에 채택하기 위해서는 풀어야 할 과제가 아직 많다는 게 업계의 지적이다.

　우선 온도변화 등에 따라 발생하는 잡음이나 광디스크에서 반사돼 돌아오는 빛이 반도체 레이저에 재입사돼 생기는 각종 잡음을 줄여야 한다.

　이같은 잡음문제는 고주파 중첩회로를 탑재하면 해결된다. 현행 DVD장치의 적색 반도체 레이저는 350㎒ 정도의 고주파 중첩회로를 채택하고 있다. 차세대 DVD장치의 경우 데이터 전송속도가 빨라야 하기 때문에 고주파 중첩회로의 주파수도 그만큼 높아질 전망이다.

　마쓰시타의 한 관계자는 『차세대 DVD장치에서는 1㎓ 정도의 주파수가 필요할 것』이며 『CaN계 반도체 레이저는 일반적으로 응답속도가 더딘 것이 흠』이라고 지적했다.

　이번 CaN계 반도체 레이저의 실온 연속발진 성공을 계기로 표준 TV영상의 저장용량을 현재의 2시간 정도에서 7시간으로 끌어올릴 수 있는 차세대 DVD의 실현에 한 걸음 다가섰다.

　마쓰시타는 이 CaN계 반도체 레이저의 실용화 시기를 3년 이내로 앞당겨 차세대 DVD를 선보일 계획이다.

<주문정기자 mjjoo@etnews.co.kr>