Opto & NanoElectronics Laboratory (ONE Lab.)

Introduction

■ THz Wireless Communications (테라헤르츠 무선 통신)

5G 무선통신 시스템은, 국내에서는 2019년 4월 세계 최초로 상용화되었으며 세계 각국에서 기술 선점을 위한 숨가뿐 경쟁을 하고 있다. 미국과 일본 등 주요 IT 선진국에서는 5G 상용화가 완전히 이루어지지 않은 상황이지만 6G 기술의 주도권을 갖기 위해 이미 6G 기술 개발을 위한 노력을 하고 있다. 미국은 국방부 산하 연구기관인 DARPA에서 2017년 7월에 6G 연구 프로젝트에 나섰다고 발표한 바 있다. 6G는 100Gbps 이상의 전송속도가 실현되며 5G의 핵심 사항인 사물인터넷의 광범위한 적용을 뛰어 넘어 만물지능 인터넷 생활 환경의 구현을 가능케 한다. 이러한 6G 무선 통신을 위해서는 테라헤르츠(THz) 대역(0.1~10THz) 시스템이 요구되고 있으며 저면적의 THz 신호원은 가장 중요한 구성 요소중 하나이다. 전세계적으로 전자소자, 광소자, 진공소자 등 다양한 방법으로 THz 신호원을 구현하기위한 노력을 하고 있다. 이중 양자효과터널링 다이오드인 RTD(Resonant Tunneling Diode)는 전자소자로서 상온에서 동작하며 낮은 인가전압에서 고유의 음저항(NDR, Negative Differential Resistance) 특성을 가지고 있으며, 2017년에 RTD 기반 1.98THz 발진기가 제작되는 등 THz 신호원으로써 매우 각광을 받고 있다.

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■ Nano-quantum Devices (나노 양자소자)

RTD(공명 터널링 다이오드, Resonant Tunneling Diode)는 나노 크기에서 일어나는 양자 효과 중 하나인 공명 터널링 현상을 이용한 반도체 소자로서 매우 빠른 스위칭 속도, 부성 미분 저항(음저항) 특성, 그리고 상온에서 동작이 가능하여 post-CMOS 시대를 열어갈 나노/양자 반도체 소자로 기대 받고 있다. 공명 터널링 다이오드는 이중 장벽에 둘러싸인 양자 우물(quantum well) 안에서 에너지 양자화로 인하여 불연속적인 에너지 준위가 발생되는데, 이러한 양자화된 전자의 에너지 준위들이 서로 일치할 때 전자의 흐름이 급격히 증가하게 되어 전류가 증가하며 어떤 전압 영역에서는 에너지 준위들의 불일치에 의해 전압을 가할수록 전류가 감소하는 부성 미분 저항(음저항)이 존재한다.

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■ Optical Devices (광전자 소자)

최근 3차원 이미징(3D-imaging)과 양자암호통신, 양자 컴퓨터 등 다양한 분야에서 매우 약한 신호인 단일 광자까지 검출 할 수 있는 단일광자검출기에 대한 많은 요구가 있다. 대표적인 단일광자검출기(single photon detector)인 애벌랜치 포토다이오드(Avalanche PhotoDiode, APD)는 빛이 입사되면 입사된 포톤(photon)의 흡수에 의해 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 발생한다. 이때 발생된 electron(hole)은 강한 전계에 의해 가속되고 충분한 에너지를 얻어 crystal lattice와 충돌하게 된다. 이러한 과정을 거치면 또 다른 electron-hole pair들이 발생하게 되며 이를 충격 이온화(impact ionization)라 한다. 즉, APD는 높은 전압을 인가함으로써 원하는 영역에 고 전계를 걸어주어 impact ionization의 애벌랜치(avalanche)에 의한 매우 큰 내부이득을 얻는 광전자 소자이다.