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나노 와이어를 사용, 육각형 구조로 실리콘 합금을 만들어 반도체를 발광시킨한다.
올해 말 최초의 실리콘 레이저 가능.
“칩과 칩사이 전자 통신을 할 수 있다면 속도를 최대 1천 배까지 높일 수 있다”
자율 주행 자동차용 레이저 기반 레이더, 의료 진단용 화학 센서 또는 공기 및 식품 품질 측정용 레이저 기반 레이더로 사용할 수 있는 새로운 유형의 칩을 구현할 수 있다.

실리콘에 빛을 만들다.
실제 광자 칩으로 가는 돌파구 마련

광기술에 이정표 :
연구원들이 중요한 반도체 재료 실리콘에 빛을 내는 데 성공했다.
실리콘 자체가 광 펄스를 생성하는 순수한 광전자 컴퓨터 칩을 향한 결정적인 진일보다. 이것은 특수 실리콘-게르마늄 합금으로 가능한데, 금년에 첫 번째 실리콘 레이저가 준비될 수 있을 것이다. Nature 저널에 게재된 내용이다.

▲ 연구원들은 나노 와이어를 사용, 육각형 구조로 실리콘 합금을 만들어 반도체를 발광시킨한다. © Elham Fadaly / TU 아인트호벤

광케이블의 도움으로 일상에서 바른 데이터 전송이 가능하다.
마이크로 칩도 전자들 대신 빛으로 훨씬 빠르고 효율적으로 작동 할 수 있다. 복잡한 냉각 없이도 가능하다. 그러나 이러한 광자 칩에는 칩에서 데이터 신호를 생성해 도파관을 통해 전송하는 레이저인 집적된 통합 광원이 필요하다.

실리콘이 그렇게 "빛을 내기 어려운" 이유는

문제는 지구상 어디에나 흔하게 존재하는 반도체 재료 실리콘이 좋은 발광체가 아니라는 점이다. "이유는 소위 밴드 갭(band gap)"이라고 에릭 바커스(Erik Bakkers, 아인트호벤 기술 대학)는 설명한다. 들뜬 반도체의 전자가 소위 컨덕션 밴드(conduction band)라고 하는 더 높은 에너지 상태에서 에너지적으로 더 낮은 원자가 밴드(valence band)로 바뀌면 광자가 방출되고 빛이 발생한다.

일반적으로 입방체 결정 구조를 갖는 실리콘의 경우, 전도 및 원자가 대역이 상쇄되어 이러한 점프가 방해받고 반도체는 거의 발광할 수 없다. 이 문제를 피하기 위해 연구자들은 인듐-비소 및 갈륨-비소와 같은 다른 반도체의 미니 레이저를 칩이나 광전자 하이브리드 칩에 통합 개발을 했다. 지금까지는 순수한 광전자 실리콘 칩인 마이크로 일렉트로닉스의 성배(聖杯, (Granic Grail)는 달성할 수 없는 것처럼 보였다.

육각형 결정 구조

최근 바커스Bakkers와 그의 팀은 이 ‘성배’를 발견 할 수 있었다.
돌파구의 기초는 실리콘 결정 격자를 수정하는 아이디어다.
Bakkers는 “50년 된 이론은, 게르마늄을 함유한 실리콘 합금은 직접 밴드 갭을 갖는 육각형 구조를 가지고 있다”고 설명했다. "그렇다면 실리콘은 빛을 방출 할 수 있을 것이다.”

첫 단계에서 Bakkers와 그의 팀은 2015년 6각형 실리콘 생산에 성공했다.
이를 위해 먼저 다른 재료로 육각형 나노 와이어를 성장시킨 다음 게르마늄과 실리콘으로 코팅했다. 이 실리콘 합금이 육각형 결정 구조를 받아들이도록 만든다. 그러나 이러한 구조조차도 처음에는 빛을 발하지 못했다.

▲ 이 시스템에서, 나노 와이어는 실리콘 게르마늄 합금으로 만들어진다. © Nando Harmsen / TU 아인트호벤

금년 말 최초의 실리콘 레이저

연구원들은 결과적으로 실리콘 합금을 결정 결함과 불순물을 줄이고 효과적인 발광체가 되도록 공정을 최적화했다. 바커스 박사는 “인듐 인화물 또는 갈륨 비소와 비교할 수 있는 광학적 특성을 달성했다”고 말했다. 이론적 값을 사용한 실험과 비교를 통해 실리콘 합금에 실제로 직접 밴드 갭이 있음을 확인 했다.

이것은 통합된 실리콘 레이저가를 지닌 실리콘 칩이 손에 잡힐 정도로 개발됐다는 의미다. Bakkers는 “시간 문제일 뿐 이다. 모든 것이 순조롭게 진행된다면 올해 실리콘 기반 레이저를 설계 할 수 있다" 설명한다. 이러한 발광기를 기존의 마이크로 칩에 통합하여 실리콘에서 실제 광자 칩을 생산할 수 있다.

"실리콘 기술의 두 번째 혁명"

마이크로 일렉트로닉스의 "성배"가 마침내 발견될 수 있었다.
로잔 폴리 테크닉 대학교(University of Lausanne)의 안나 퐁트꾸베르타 모랄(Anna Fontcuberta i Morral)은 이 사실을 획기적인 것으로 보고 있다.

뮌헨 공대의 공동저자 요나단 핀레이 Jonathan Finley는 “칩과 칩간 전자 통신을 할 수 있다면 속도를 최대 1천 배까지 높일 수 있다”고 설명했다. 이를 통해 자율 주행 자동차용 레이저 기반 레이더, 의료 진단용 화학 센서 또는 공기 및 식품 품질 측정용 레이저 기반 레이더로 사용할 수 있는 새로운 유형의 칩을 구현할 수 있다.
(2020년 Nature; doi : 10.1038 / s41586-020-2150-y)

출처 : Eindhoven University of Technology, Technische Universität München

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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