KAIST 조용훈 교수팀… 피라미드 나노구조물 위에 단일 양자점 형성
KAIST 물리학과 조용훈 교수팀은 오벨리스크(피라미드 형태) 모양의 나노 구조물 꼭대기 부분에 반도체 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자를 방출하는데 성공했다고 22일 밝혔다.
반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에서 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특징을 지녀 인공원자라고 불린다. 빠른 광자 방출과 높은 구동온도 등의 장점을 갖고 있어 차세대 양자정보 통신, 양자암호의 핵심 구성요소인 양자광원을 개발할 수 있다.
하지만 기존의 자발 형성 양자점 방식은 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고, 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.
연구팀은 단파장의 빛을 내는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태의 나노 구조물을 만들어 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장시켜 끝부분에 단일 양자점을 위치시키는데 성공했다. 이 같은 독특한 나노구조를 활용하면 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자를 얻기 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있는 장점이 있다.
또한 응력이 크게 감소해 내부 전기장 효과를 상쇄시켜 내부 양자효율을 크게 증가시킬 수 있다. 이 연구결과는 네이처가 발행하는 `사이언티픽 리포트(5일자) 온라인판'에 게재됐다.
조용훈 교수는 "기존 양자점 성장 방식과 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성 제어할 수 있어 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능하다"면서 "향후 양자광원 개발은 물론 오벨리스크 형태의 나노구조 특성 상 다른 기판과의 분리 및 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용할 수 있다"고 말했다.
이번 연구는 조 교수의 지도로 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정이 주도적으로 수행했다.
대전=이준기기자 bongchu@
반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에서 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특징을 지녀 인공원자라고 불린다. 빠른 광자 방출과 높은 구동온도 등의 장점을 갖고 있어 차세대 양자정보 통신, 양자암호의 핵심 구성요소인 양자광원을 개발할 수 있다.
하지만 기존의 자발 형성 양자점 방식은 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고, 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.
연구팀은 단파장의 빛을 내는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태의 나노 구조물을 만들어 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장시켜 끝부분에 단일 양자점을 위치시키는데 성공했다. 이 같은 독특한 나노구조를 활용하면 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자를 얻기 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져 나올 수 있는 장점이 있다.
또한 응력이 크게 감소해 내부 전기장 효과를 상쇄시켜 내부 양자효율을 크게 증가시킬 수 있다. 이 연구결과는 네이처가 발행하는 `사이언티픽 리포트(5일자) 온라인판'에 게재됐다.
조용훈 교수는 "기존 양자점 성장 방식과 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성 제어할 수 있어 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능하다"면서 "향후 양자광원 개발은 물론 오벨리스크 형태의 나노구조 특성 상 다른 기판과의 분리 및 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용할 수 있다"고 말했다.
이번 연구는 조 교수의 지도로 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정이 주도적으로 수행했다.
대전=이준기기자 bongchu@
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