양자 기술 구현을 위한 칩 제작 인프라 기술 동향

Ligentec은 2016년 스위스의 Federal Institute of Technology in Lausane에서 spin-off를 통해 설립되어, Kippenberg 교수의 silicon nitride(Si₃N₄) 기술 기반으로 광집적회로 integrated foundry 서비스를 제공하는 B2B 회사이다. 다양한 응용 분야를 지원하고 있고, 그중 한 분야가 양자 기술 개발이다. 파운드리 서비스 분야에서는 MPW로 7~20칩, 또는 커스텀 프로토타입으로 최소 50칩, 그리고 대량 생산을 위해 최소 10,000칩 제조를 제공하고 있다.

Ligentec은 Mach Zehnder Interferometer(MZI), phase shifters, 튜너블 링 공진기, 또는 모드 일치를 위한 spot size converter 등 다양한 디자인을 제공하고 있다. 표 1[6]에 Ligentec이 제공하는 Si₃N₄칩 성능을 표시하였다.

이 회사는 유럽 연합(EU)의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램을 통해 지원받고 있다. European Space Agency, National Centre of Competence in Research’s Quantum Science and Technology in Switzerland 등 다수의 기관을 통해 펀딩을 받고 있고, X-FAB, VLC PHOTONICS, VPI PHOTONICS, MENTOR, LUDEDA, SYNOPSYS, LUMERICAL 등 다수의 유럽 기반 파운드리 사업자와 파트너십을 맺고 있다.

Lionix는 네덜란드에서 2001년에 설립되어, silicon nitride(Si₃N₄) 기반 광집적회로 및 micro electromechanical systems(MEMS)의 파운드리 서비스를 다양한 응용 분야(통신, 생명과학, metrology, 양자 기술 등)에서 제공하는 회사이다. 파운드리 서비스는 작은 규모인 MPW부터 대용량까지 능력이 있고, MPW는 1,550nm, 850nm, 그리고 가시광선 파장의 Si₃N₄ 광집적회로를 제공하고 있다. 광집적회로 설계, 시뮬레이션, 어셈블리, 그리고 소프트웨어 개발 서비스도 제공하고 있다[7].

QuScale, REAP, SensorChip, 5G-PHOS, i-gene, PICWeld, SpaceBeam, TERAWAY 등 다수의 R&D 과제에도 참여하고 있다.

VLC Photonics는 2011년에 Telecommunications and Multimedia Applications Institute of Universitat Politecnica de Valencia에서 spin-off로 설립된 스페인 회사이다. VLC Photonics는 턴키 광집적회로 솔루션을 제공하는 fabless foundry이다. PIC 컨설팅, 설계, packaging, 측정, foundry process design kits (PDK) 등 서비스를 제공하며, 다른 20개 해외 파운드리와 같이 협력해서 다양한 플랫폼의(Indium Phosphide(InP), Gallium Arsenide(GaAs), Silicon based Platforms, Iithium Niobate(LiNbO₃) 등 포함) 광집적회로를 +20/100/1000 칩 단위, 아니면 MPW로 생성한다. 광집적회로 플랫폼에 대한 진입 장벽을 낮추기 위한 교육 프로그램도 제공하고 있다[8].

VLC Photonics는 현재 EU의 Horizon 2020 프로그램을 통해 다수의 과제를 수행하고 있으며, 과거에 optical code-division multiple-access(OCDMA) (Lionix와 공동연구), frequency discrimination photoreceiver PICs(Fraunhofer HHI, europic과 공동연구), 그리고 통신용 radio frequency(RF) 기기 및 PIC 광섭계를 만든 실적이 있다.

nanoPHAB은 2015년에 네덜란드에서 설립된 회사이며, Eindhoven University of Technology의 COBRA Institute에서 spin-off로 설립된 회사이다. nanoPHAB는 다양한 플랫폼(Si 기반 플랫폼, Ⅲ-V 반도체, 금속, 고분자 등)의 파운드리 서비스를 제공하고, 특히 광학 응용 분야에 활용될 수 있는 소재를 다룬다. 800~1,650nm 파장용 Ⅲ-V nano-heterostructure의 epitaxial growth, thin film deposition, 5nm 이하의 해상도를 다루는 electron beam lithography, plasma etching 등 서비스도 제공한다[9].

Teem Photonics는 1998년에 프랑스에서 설립되었고, glass 기반 광집적회로 파운드리를 운영한다. 레이저, Waveguide array-to-fiber transposers, custom circuits, packaging, assembly 등 서비스 및 제품도 제공한다. 표 2[10]에 Teem Photonics가 제공하는 칩의 성능을 표시하였다.

PHIX는 네덜란드에서 2018년에 설립된 PIC 파운드리 회사이다. 이 파운드리는 특히 packaging과 assembly 파운드리 서비스를 제공하고, 통신, LIDAR, 의료 기기, 그리고 양자 분야를 위한 PIC의 개발에 집중한다. 소규모인 prototype의 packaging부터 대규모인 volume packaging 서비스를 제공하고, PIC 주요 플랫폼(Si, Si₃N₄, InP 등)을 모두 지원한다. 추가적인 서비스로 contract manufacturing이라는 계약을 통해 PIC의 module로 outsourcing을 할 수 있고, dicing, polishing, assembly 등 다양한 서비스를 지원한다[11].

QUIX는 2019년에 네덜란드에 설립된 fabless PIC 파운드리로, Lionix와 PHIX회사 등과 협력해서 양자 컴퓨팅 분야에 특히 활용될 수 있는 PIC solution을 제공한다. 이 회사는 silicon nitride 기반 소재를 이용하고, 양자 칩부터 통합된 양자 컴퓨터까지 판매하며, 양자 통신(양자 키 분배 등) 또는 양자 센싱에 적용될 수 있는 custom solution도 제공하는데, Lionix 회사가 개발한 TriPleX 플랫폼 기반으로 제공한다.

NQFF는 현재 싱가포르에서 성장하고 있는 fabless foundry이다. 50개 연구기관(Institute of Micro Electronics, Institute of Materials Research and Engineering, Centre for Quantum Technologies 등)과 공동연구를 하며 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 그리고 양자 센싱 분야의 양자 기기를 개발하고 있다. 특히, 초전도 큐비트, PIC, 그리고 silicon donor spin qubit을 주로 연구하고 있으며, 싱가포르의 Agency for Science, Technology and Research(또는 A*STAR)와 Quantum Engineering Programme 에서 펀딩을 받고 있다[12].

SEEQC는 HYPRES라는 회사에서 spin-off로 만들어진 미국 회사이고, 초전도 칩 파운드리를 운영한다. 5,000종의 초전도 칩 설계 실적이 있으며, 상업, 학술, 또는 정부 시장을 위한 모든 초전도 칩을 생산하고 지원할 수 있다고 한다. 파운드리의 주요 서비스는 설계, 개발, 시뮬레이션, fabrication, 그리고 측정이다. MPW나 dedicated wafer run 둘 다 가능하다[13].

SEEQC는 Digital quantum management(DQM) System-on-a-chip™이라는 제품도 판매하는데, 이 제품은 양자 칩이며, error correction을 포함해서 큐비트의 모든 제어 기능을 가지고 있다.

Qnami는 2016년에 University of Basel의 Patrick Malentinsky 교수의 연구에 따라 설립된 스위스 회사다. 이 회사는 다이아몬드의 nitrogen vacancy(NV) centers를 사용해서 양자 시스템을 구현하고, NV 다이아몬드를 양자 센싱 분야에 최초로 상업화했다. 양자 센싱 분야를 위해 파운드리도 운영하고 있다. Plasma-assisted chemical deposition이라는 과정을 통해 인공 다이아몬드를 만들고, 다양한 기술을 이용해서 표준 solution이나 custom solution을 소규모 실험이나 대규모 제조까지 양자 센서를 제공한다.

Qnami는 ProteusQ™라는 통합 양자 현미경 시스템도 제공한다. 이 현미경 시스템은 원자 규모(nm 스케일)의 자성체 분석을 위한 NV 다이아몬드 현미경이고, 구동하는 소프트웨어와 함께 제공되어 있다. 작업도 자동화되어 있어 운영자가 양자 전문 지식이 많지 않아도 운영이 가능하게 되어있다. 표 3[14]에 Qnami가 제공하는 칩의 성능을 표시하였다.

Partow Technologies는 2012년에 University of Central Florida에서 spin-out으로 설립된 미국 회사이다. Partow Technologies에서 제공하는 주요 제품은 LNOI thin film이고, 특히 ion slicing(Smart-Cut) 방법을 사용해서 LNOI thin film을 만들어서 판매한다. 다른 wafer bonding 서비스도 제공하며, 반드시 LN만으로 wafer bonding 작업을 할 수 있는 것은 아니고, 다른 물질의 wafer도 서비스를 지원한다. MZ modulator, Micro-ring modulator, Acousto-optic filter, SHG integrated device, Acousto-optic Beam-steering device, Transducer, Lithium Niobate integrated photonics, MEMS resonator and RF filters, Pyroelectric detectors 등 소재도 LNOI를 활용해서 만드는 것을 현재 연구 중이다. 표 4에 Partow Technologies가 제공하는 LNOI의 성능을 표시하였다.

NanoLN은 2010년에 설립된 중국 회사이며, LN thin film wafer와 lithium tantalite thin film wafer(Surface Acoustic Wave 연구용)를 판매한다. Partow Technologies와 비슷하게 Smart-Cut 기술을 활용해서 thin film을 제조하고 판매한다. Ion implantation, wafer bonding, polishing, dicing 등 서비스도 제공하며, 원하면 다른 물체 wafer와도 Smart-Cut 기술을 이용해서 thin-film을 만드는 서비스도 지원한다[19]. 표 5에 Qnami가 제공하는 칩의 성능을 표시하였다.

Project ELENA, 또는 “European electro-optic and nonlinear PIC platform based on lithium niobate”는 유럽에서 2022년 1월 1일에 시작한 프로젝트이며, 3년 동안 500만 유로가 투자된다. 이 과제는 특히 LN 플랫폼으로 PIC를 만드는 것을 연구하고 있고, 유럽에 공급망을 강화하면서 LN PIC 파운드리를 만드는 것이 목적이다. 이 과제도 다른 유럽 기반 PIC 파운드리와 같이 2020 Horizon programme에서 펀딩받고 있다. ELENA를 운영하는 협회의 주요 회사는 CSEM, VPI Photonics, Ⅲ-V Lab, Soitec, ETH Zurich, Vanguard automation, Thales, Rosenberger, L-up SAS, 그리고 CEA-LETI이다[20].