FBH·훔볼트대, 다이아몬드 색심 소자 위탁 가공 플랫폼 개방…선폭 150 MHz 달성

다이아몬드 색심, 양자 소자의 유망 후보

다이아몬드 결정 격자 내 결함 구조인 색심(color center)은 단일 원자처럼 거동하며, 광학 전이를 통해 스핀 상태를 조작할 수 있다. 이 특성은 양자 메모리, 단일 광자 광원, 양자 센서 등에 적합하지만, 다이아몬드 나노 가공 기술은 실리콘 등 주류 반도체 소재 대비 성숙도가 낮아 기능 소자화의 걸림돌이 되어 왔다. FBH는 훔볼트대학교와의 공동연구소를 통해 반도체 공정 기술과 양자 광학·고체 나노시스템 전문성을 결합한 플랫폼을 구축하고, 이를 외부 기관에 개방했다.

세 단계 가공 서비스

플라즈마 에칭(표면 준비): 기계 연마 후 다이아몬드 표면에 잔류하는 변형·손상층은 양자 응용에서 불필요한 노이즈를 유발한다. FBH는 산소·염소 기반 플라즈마 에칭으로 최대 20 µm의 손상층을 제거하면서 표면 조도를 약 0.5 nm rms 수준으로 유지한다.

이온 주입: 고순도 다이아몬드 기판에 탄소·질소·실리콘·게르마늄·주석 등을 선택적으로 주입해 특정 색심을 형성한다. 낮은 노이즈와 높은 결맞음(coherence)이 요구되는 양자 메모리 및 고감도 센싱 응용에 핵심 단계다.

나노필러 제작: 전자빔 리소그래피를 활용해 개별 색심을 포함하는 나노스케일 기둥 구조물을 형성한다. 필러는 색심에서 방출되는 광자의 수집 효율을 높여 단일 광자 광원 성능을 향상시키며, 양자 센싱·통신에도 적용 가능하다. 의뢰 기관은 세 단계를 개별 혹은 조합하여 위탁할 수 있고, 자체 기판 공급과 FBH 기판 사용 모두 지원된다.

Physical Review X 논문으로 성능 입증

FBH 연구팀은 주요 가공 역량을 이미 학술적으로 검증했다. Physical Review X에 게재된 연구에서 다이아몬드 나노필러 내 질소-공공(NV) 색심이 1초 시간 척도에서 수명 한계(lifetime-limited) 선폭을 달성했고, 비균일 선폭(inhomogeneous linewidth)은 150 MHz로 보고됐다. 좁은 광학 선폭은 색심 간 광자 간섭 및 얽힘 연산 구현에 필수 조건이다.

통합 양자 광자 플랫폼으로의 경로와 과제

이 플랫폼의 장기 목표는 재현 가능하고 확장 가능한 가공 공정을 확립한 뒤, 다이아몬드 나노구조물을 광자 집적 회로(PIC)에 결합하는 것이다. 응용 범위는 고휘도 소형 양자 광원, 스핀-광자 인터페이스 기반 양자 정보 처리, 다이아몬드 센서를 망라한다. FBH의 위탁 서비스 개방은 자체 나노 가공 인프라가 없는 연구 기관과 기업도 고품질 색심 소자에 접근할 수 있는 경로를 제공한다는 점에서 의미가 있다. 다만 양산 수준의 수율 확보와 비용 경쟁력은 아직 미해결 과제로 남아 있다.