일본산업뉴스요약

광전융합용 광검출기, 게르마늄인가 화합물인가
TDK는 새로운 원리 2부

-- 일본은 화합물 반도체계에 강점 --
실제로 일본에서는 Ge가 아니라 화합물 반도체계 광검출기 개발이 활발하다. NTT는 InGaAs를 사용하는 광검출기의 고속 동작과 감도 향상에 힘을 쏟고 있다. 2026년 3월에 열린 광통신 기술 국제학회 ‘OFC 2026’​에서는 동작속도 200GHz급 광검출기의 개발 성과를 발표했다.

이 광검출기는 InGaAs 흡수층과 InP 기판을 사용하며, 빛이 소자 표면에 대해 수직으로 입사하는 수직 입사형 구조를 채택한다. 소자 내부의 다층구조에서 발생하는 빛의 간섭을 이용해 광흡수 효율을 높였다. 일반적으로 광검출 감도와 동작속도는 트레이드오프 관계에 있다. 고속화를 위해 광흡수층을 얇게 만들면 흡수량이 줄어 감도가 떨어진다. 이에 NTT는 층 두께를 최적화하고 빛을 소자 내부에 강하게 가둠으로써 얇은 흡수층에서도 높은 수광감도를 얻을 수 있도록 했다.

기판 뒷면에는 볼록렌즈를 설치해 입사하는 빛을 효율적으로 흡수층으로 유도하도록 했다. 볼록렌즈의 효과로 광 조사 위치의 어긋남에 대한 허용범위가 기존의 2배 이상으로 넓어진다. 디바이스 조립 시 위치 정렬이 쉬워져 양산성 향상으로 이어진다.

NTT의 수직 입사형과 다른 접근법으로 고속·고감도화를 목표로 하는 것은 소니(현 소니그룹) 자회사를 전신으로 하는 덱세리얼즈(Dexerials)다.

이 회사는 수직 입사형의 차세대 기술로 도파로형 광검출기를 개발하고 있다. 이 방식에서는 빛의 통로인 도파로에 가늘고 긴 수광소자를 겹쳐 배치한다. 빛은 도파로 내부를 지나가면서 서서히 소자에 흡수된다. 빛이 소자를 통과하는 거리를 길게 확보할 수 있기 때문에 소자를 얇게 유지하면서도 광흡수량을 늘릴 수 있어 고속 동작과 고감도를 양립하기 쉽다. 수직 입사형이 구현성과 양산성을 중시한다면, 도파로형은 성능을 중시하는 방식이라고 할 수 있다.

덱세리얼즈가 개발하는 것은 CPO 및 플러거블용 InGaAs계 광검출기​다. 자회사인 Dexerials Photonics Solutions의 하야시베(林部) 사장은 “신호 품질이 뛰어난 것이 타사와 비교한 우리의 강점이다”라고 말한다.

OFC 2026에서는 제품 양산 로드맵도 공개했다. 2027년에 광검출 속도가 100 및 200Gbps/lane인 수직 입사형과 400Gbps/lane인 도파로형의 양산을 시작한다.

덱세리얼즈가 개발하는 광검출기에서 핵심은 이종 재료 집적이다. InP 기판이나 Si 기판과 InGaAs계 재료를 접합하고, 여기에 Si 도파로와 광검출기의 접합도 필요하다. 고도의 접합 기술 등이 요구되지만, 덱세리얼즈는 이 방식에 기반한 PIC를 2028년부터 양산할 계획이다.

InGaAs계 광검출기의 양산은 2026년 가동하는 미야기현 도메시 공장에서 담당한다. 덱세리얼즈 경영전략본부의 와시모리(鷲森) 총괄부장은 “플러거블용 제품 공급을 생각하고 있지만, CPO도 언제 수요가 확대되더라도 대응할 수 있도록 개발을 진행해 왔다”고 말한다.

덱세리얼즈는 스마트폰 디스플레이용 접합재료 등에 강점을 갖고 있다. 포토닉스(광전융합) 사업을 ‘컨슈머 IT’와 ‘자동차’에 이은 제3의 축​으로 내세우고 있다.

-- TDK는 '광전자 융합' --
지금까지와는 완전히 다른 원리를 사용하는 광검출기 연구도 시작되고 있다. TDK는 자사가 강점을 가진 자성재료를 사용하는 광검출기를 개발 중이다. 반도체의 광흡수가 아니라 빛에 의해 재료의 자기적 상태(스핀)​가 변화하는 현상을 이용한다.

개발한 ‘스핀 포토 디텍터’​는 TDK가 강점을 가진 하드디스크용 자기헤드에 사용하는 자기터널접합(MTJ) 소자​를 응용한다. MTJ 소자에 빛을 조사하면 자성재료 내부 전자의 스핀 상태가 변한다. 이에 따라 발생하는 MTJ 소자의 전기저항 변화를 읽어 빛을 검출하는 원리다. TDK는 이를 ‘광전자 융합’​이라는 조어를 사용해 설명한다. MTJ 소자는 주로 코발트철붕소(CoFeB)로 구성된다.

자화(Magnetization) 변화는 극히 빠르게 일어나기 때문에 기존의 광검출기에 비해 응답속도를 약 10배 높일 수 있다고 한다. 반도체의 결정성장이 필요하지 않아 수광소자를 다양한 종류의 기판 위에 형성할 수 있다는 장점도 있다. 광변조기 위에 수광소자를 적층하는 구조도 제작할 수 있어 광엔진의 소형화로 이어진다.

TDK는 2028~2030년까지 스핀 포토 디텍터를 제품화하는 것을 목표로 한다. 장기적으로는 광변조기와 스핀 포토 디텍터를 일체화한 소형·고속 광엔진의 실현을 목표로 한다.

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