Research

미래반도체소자 연구실에 오신 것을 환영합니다. 우리 연구실은 미래 사회에 사용될 수 있는 반도체 광전소자를 연구하고 있습니다. 아래 우리 연구실에서 수행하는 연구과제에 대한 내용이 있습니다.

Ⅰ. 양자폭포레이저 개발 및 Superlattice 구조 기반 원천기술 확보

[과제개요]

세부사업명: 적외선 탐색기 기반 위협체 soft-kill을 위한 대응광원 모듈 개발
사업 기간: 2025.07-2027.12
총 사업비: 9억 6천

[연구목표]

3~5 um 파장대역의 고출력 QCL 광원 모듈 개발
방열 성능 향상을 위한 QCL 소자 공정 기술 개발
절연층 InP 재성장 기반 기술 개발
제작된 QCL 칩의 submount 위 bonding 기술 개발

[연구동기]

최근 전장은 비접촉, 비대칭 전력 중심으로 변화 중임. 고정밀 유도무기, 무인 드론의 전술적 활용이 증가하며 기존의 재래식 무기만으로는 효율적인 방어 한계 존재함.
특히 MANPADS와 같은 적외선 탐색기 기반 유도무기의 보급 확산으로, 기존 섬광탄(flare) 기반 기만 기술로는 영상추적형 신형 유도무기에 대한 효과적인 대응 어려움.

이에 따라 고출력 적외선 레이저를 이용해 적 탐색기를 능동적으로 무력화시키는 DIRCM(Directional Infrared Countermeasure) 기술이 차세대 방어체계의 핵심 기술로 부상함.
특히 중적외선 영역(3.8~4.1 µm)은 대기투과도, 표적 흑체 복사 특성 등에서 DIRCM에 최적화된 파장대역으로 평가됨. 해당 파장에서 고출력·소형 동작이 가능한 양자폭포레이저(QCL)가 DIRCM의 핵심 광원으로 사용됨.

다만 QCL은 미국, 프랑스 등 일부 국가만이 보유한 전략 기술로, 국내는 현재까지 전량 수입에 의존하고 있음.
수출 통제 품목으로 지정되어 안정적 수급이 불가능하며, 무기체계 국산화 및 자주 국방 실현에 있어 심각한 병목 요소로 작용 중임.

국내 QCL 원천 기술 확보는 국방 분야뿐 아니라, 양자센서, 고감도 가스 검출, 환경 모니터링 등 다양한 응용 분야에서도 기술 주권 확보와 경쟁력 강화를 위한 필수 과제로 판단됨.

[연구개발내용]

▢ 연구개발 목표

본 연구의 최종 목표는 3~5 μm 파장대역에서 동작하는 양자폭포레이저(QCL)의 핵심 기술인 InGaAs/InAlAs 기반 초격자 활성층 및 소자 제작 기술 확보임. 이를 위해 구조 설계, 에피 성장, 소자 공정, 절연층 재성장 등 QCL 구현에 필수적인 과정을 연구하고자 함.

▢ 초격자 활성층 설계 및 성장

발진 파장대역 3~5 μm QCL 구현을 위해 strain-compensated InGaAs/InAlAs 초격자 구조를 설계하고, compressive strain과 tensile strain을 상쇄시켜 결정결함을 최소화함.
본 연구실에서는 화학기상증착법(MOCVD)을 활용하여 nm 단위 두께 제어가 가능한 strain-balanced 초격자 성장을 수행하며, AFM, TEM, HRXRD 분석을 통해 계면 균일성, 표면 조도, strain relaxation 여부를 평가함.

▢ 소자 공정 개발

ICP etching 기반 mesa 형성, 절연막 증착, 컨택 금속 증착, wafer cleaving 공정을 통해 QCL 소자를 제작함. 특히 하부 전극 형성을 위해 AuGe/Ni/Au 합금 금속 및 RTA 열처리를 적용하여 접촉저항을 최소화하고 소자의 안정적인 전기적 특성을 확보함.

▢ 절연층 InP 재성장 및 열관리

고출력 구동 시 발생하는 발열 문제를 해결하기 위해 Buried Heterojunction(BH) 구조를 적용함. 이를 위해 Fe- 또는 Ru-doped InP 절연층을 MOCVD로 성장하여 높은 절연성과 우수한 열전도 특성을 확보하고, 안정적인 CW 동작이 가능한 QCL 구조를 구현함.

Ⅱ. 양자 센서용 eye-safety 대역 초고감도·저잡음 단일광자 검출기 개발

[과제개요]

·세부사업명: 양자 센서용 eye-safety 대역 초고감도·저잡음 단일광자 검출기 개발

·사업 기간: 2025.09-2028.08

·총 사업비: 2억

[연구목표]

InGaAs 기반 Avalanche Photodetector(APD) 설계 및 성장
InGaAs APD 단위공정 기술개발(Diffusion 도핑확산 기술, 표면연마 및 무반사 코팅막 제작기술, 누설전류 방지막 제작기술, 메탈-반도체 오믹접합 형성기술 등)
단일광자검출기 소자 특성 분석 및 Geiger모드 특성평가

[연구동기]

단일광자 검출기는 양자 통신과 양자 컴퓨팅 등 핵심 양자 기술 구현에 반드시 필요한 초고감도 광 센서로, 그 성능 확보는 곧 양자 기술 실용화와 직결된다. 현재 InGaAs 기반 단일광자 검출기의 성능 고도화를 위한 연구는 미국, 중국 등 선도국을 중심으로 활발히 진행되고 있으며, 국내에서도 주요 업체가 관련 기술을 개발하고 있다. 그러나 핵심 소재인 InGaAs 단일광자 검출기용 에피 웨이퍼는 전량 해외 수입에 의존하고 있어 기술 자립이 시급한 실정이다.

본 연구는 이러한 기술적·산업적 한계를 극복하고, 국가 아젠다인 “양자 반도체 기술 및 소재”의 방향성에 부합하는 기초·원천 기술 확보를 목표로 한다. 특히 단일광자 검출기용 에피 웨이퍼 및 칩 기술의 국산화를 통해 국내 양자 기술 생태계의 자립 기반을 마련하고, 안보 분야를 포함한 전략적 가치를 창출하고자 한다.

[연구개발내용]

▢ 연구과제의 내용

단일광자 검출기는 InGaAs 기반의 아발란체 효과를 활용하지만, 단일광자 수준의 극히 미세한 신호를 다루기 때문에 초고감도와 저잡음 특성이 필수적으로 요구됨. 이를 구현하기 위해서는 정밀한 소자 구조 설계, 고순도의 에피 성장 기술, 정교한 소자 공정 기술, 그리고 신뢰성 높은 특성 평가 기술 등 전 과정에서 고도의 전문성과 반도체 핵심 기술 역량이 필요함. 본 연구에서는 이러한 요소들을 종합적으로 확보·발전시켜 단일광자 검출기의 성능 한계를 극복하고자 함.

▢ 단일광자 검출기 구조설계

단일광자 검출기 구조는 양자역학적 이해뿐 아니라 축적된 설계 경험이 요구되는 고난이도 기술임. 본 과제에서는 선진 기업의 소자 구조를 분석하고, 상용 TCAD 시뮬레이션 도구를 활용하여 증폭층, Grading 층, 흡수층 등의 구조를 설계함

▢ 단일광자 검출기 에피성장

단일광자 검출기 제작에서 가장 핵심적인 기술은 유기-금속 화학기상증착장치(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)를 이용한 고품질 에피 구조 성장임. 본 연구에서는 실제 양산형 MOCVD 장비를 계약을 통해 활용하고 있으며, 설계된 구조를 기반으로 각 층별 에피 구조를 최적화하여 초고감도·저잡음 특성을 갖는 검출기를 개발하고자함.