- 속도 한계를 가진 전기회로를 대신할 광집적회로 개발의 가능성 넓혀 -
KAIST(총장 강성모) 물리학과 조용훈(48) 교수 연구팀은 반도체 나노와이어를 이용해 빛을 한쪽 방향으로만 선택적으로 전달할 수 있는 광자 다이오드를 개발했다고 18일 밝혔다.
개발된 광자 다이오드 구조는 직경이 수백 나노미터에 길이가 수 마이크로미터 정도로 크기가 매우 작아 고집적회로에 사용할 수 있으며 입사광의 편광방향에도 덜 민감해 효과적으로 활용가능하다.
집적회로에서 전자의 흐름을 제어하는 다이오드를 전자 대신 빛을 이용해 구동하는 방식으로 만들면 정보를 초고속으로 처리하고, 전송 손실이 작아지기 때문에 에너지 소비를 줄일 수 있어 꼭 필요한 미래기술이다.
그러나 기존에 비대칭메타물질이나 광결정구조 등을 이용한 기존의 광자 다이오드 방식은 크기가 커서 고집적회로에 적용하기 어렵다. 또 입사광의 편광방향과 입사 각도에 민감해 제한된 환경에서만 사용할 수 있었다.
연구팀은 수 마이크로미터 이하의 질화물반도체 나노와이어를 이용해 양 방향으로 빛이 나오는 강도가 크게 다른 높은 효율의 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 반도체 나노와이어는 길이 방향으로 큰 에너지 차이를 보이는데 이는 나노와이어에 형성된 양자 우물의 두께와 양자우물 층의 인듐 함량을 길이 방향으로 연속적으로 제어했기 때문이라고 연구팀은 전했다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 “길이 방향으로 나타나는 에너지의 큰 차이는 비대칭적으로 빛의 진행을 일으켜 광자 다이오드로서 작동하게 되는 것”이라며 “집적회로에서 전자 대신에 광자를 활용하면 정보의 전달속도가 빛의 속도에 근접할 정도로 빨라질 것으로 예상된다”고 말했다.
이번 연구는 나노 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 9월10일자 표지논문으로 게재됐다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수의 지도를 받아 고석민(제1저자)·공수현(제2저자) 박사과정 학생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원 사업과 KAIST EEWS 연구센터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
▶ 용어설명
1. 광자 다이오드
- 광자 다이오드(photonic diode)는 기존의 전자를 사용하는 전자 다이오드를 대신하여 빛(광자)으로만 구동되는 다이오드를 일컫는 말이다. 전자 다이오드가 비대칭적으로 전자의 진행 방향을 제어한다고 하면, 광자 다이오드는 빛의 진행을 비대칭적으로 제어할 수 있다. 즉, 한 쪽 방향으로 진행하는 빛은 투과하고 그 반대 방향으로 진행하는 빛은 흡수하여 그 방향으로 빛의 진행을 막는다. 기존에는 비대칭메타물질(chiral metamaterial)이나 광결정(photonic crystal)을 이용한 광자 다이오드 구조가 주로 연구되어 왔다.
2. 전광집적회로
- 전광집적회로(all-optical integrated circuit 또는 photonic integrated circuit)은 기존의 전자를 사용하는 전자 회로(electronic circuit)을 대신하여 빛(광자)으로만 구동되는 회로를 일컫는 말이다. 광집적회로가 전자회로에 비해서 뛰어난 점은 광자의 속도가 전자의 이동 속도(mobilty)보다 훨씬 빠르기 때문에 회로로서 훨씬 정보 전달 속도가 빠른 점이다. 또한 이동 중 산란이 적기 때문에 손실이 더 적다는 장점을 가진다.
3. 질화물계 반도체 나노와이어
- 질화물계 반도체(group III-nitride semiconductors)는 기술적으로 매우 중요한 직접 천이형 반도체로서, 자외선에서 가시광 영역, 그리고 적외선 영역까지 매우 넓은 에너지 영역의 빛을 발광 또는 흡수할 수 있기 때문에 가시광 영역의 발광다이오드(light emitting diodes)나 레이저 다이오드(laser diodes), 그리고 태양전지(photovoltaics)에 이르는 다양한 분야에서 사용되고 있다. 한편, 반도체 나노 와이어(semiconductor nanowires)는 높은 종횡비를 갖는 1차원적 구조의 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 고유의 열적, 물리적, 광학적, 화학적, 전기적 특성으로 인해 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서 사용된 질화물계 반도체 나노 와이어는 GaN 나노 와이어 표면 위에 InGaN/GaN 다중양자우물(multiple quantum wells)층을 성장하여 코어-쉘 (core-shell) 구조를 형성하고 있다.
▶ 그림설명
