KAIST 양자점 기반 단파장 초고속 양자광원 개발
KAIST 양자점 기반 단파장 초고속 양자광원 개발
물리학과 조용훈 교수팀... 나노 오벨리스크 구조 위에 양자점 형성
  • 최재근 기자
  • 승인 2013.07.22 09:40
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▲ 프랑스 파리에 위치한 오벨리스크<사진 왼쪽>. 제작된 오벨리스크형 나노 구조의 전자현미경 이미지.<사진 오른쪽>
▲ 조용훈 교수.
국내 연구진이 양자점에 기반한 단파장 초고속 양자광원을 개발했다.

KAIST(총장 강성모)는 물리학과 조용훈 교수팀이 오벨리스크 모양의 나노 구조물을 만들고 꼭대기 부분에 높은 신뢰도를 갖는 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자 방출을 구현하는데 성공했다고 22일 밝혔다.

연구결과는 네이처(Nature)가 발행하는 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 5일자 온라인판에 게재됐다.

반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에 3차원적으로 구속해 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타낸다. 이 성질을 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다.

특히, 반도체 양자점의 경우 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 많은 장점을 가지고 있어 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.

그러나 기존의 자발 형성 양자점의 경우, 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있는 한계를 보여왔다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.

조 교수 연구팀은 단파장의 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태(뾰족한 팁 모양)의 나노 구조를 제작했다. 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는데 성공해 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.

이 같은 독특한 나노 구조를 활용하면, 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 얻기가 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있다는 장점이 있다.

또 연구팀은 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조의 경우 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상도 밝혔다.

이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광(400nm) 대역이기 때문에 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 광자 검출 효율이 높은 가시광 대역의 검출기를 사용할 수 있다.

조용훈 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성해 제어할 수 있고, 이를 통해 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “오벨리스크 형태 나노구조의 특성 상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용될 수 있다”고 말했다.

KAIST 물리학과 조용훈 교수 지도아래 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원으로 수행됐다.

※용어설명

▲오벨리스크
위로 올라갈수록 가늘어져 피라미드 모양의 끝을 갖는 기둥 형태의 구조물. 고대 이집트에서 기념비 목적으로 많이 건립되었다.

▲양자점
나노미터 크기의 반도체 결정체. 전자가 양자점과 같은 작은 구조 안에 구속되면 불연속적인 에너지 준위 등 원자와 같은 특징을 나타내어 인공원자라고도 불리운다.

▲단광자
(아래 단일 광자원과 동일)

▲에너지 준위
원자 속의 전자와 같이 속박된 양자 다체계의 에너지 상태를 양자 역학적으로 기술하게 되면 임의의 에너지를 가질 수 없고 불연속적인 에너지 값을 나타내는데 이러한 양자역학계 가질 수 있는 정상상태의 에너지 값

▲양자정보 통신
양자역학의 기본성질 (중첩성, 얽힘, 복사불가능성)을 활용하면 현재의 정보처리 능력의 한계를 뛰어넘는 정보통신기술 개발이 가능해진다. 기존 0과 1로 정의되는 비트와 달리 양자 비트의 경우 0과 1을 동시에 취할 수 있고(중첩성) 2개 이상의 양자비트가 서로 상관관계를 가지고 있어 한쪽의 상태가 결정되는 것과 동시에 다른 한쪽의 상태가 결정되어 버리는 현상(얽힘)을 보이기도 한다. 이러한 중첩과 얽힘의 성질을 활용하게 되면 일반 컴퓨터에서 오랜 연산 시간을 요구하는 작업을 단시간 내에 처리하는 것이 가능하다. 또한 외부에서 양자정보를 측정 시 정보의 내용이 변경되기 때문에 (복사불가능성) 제3자의 접근을 원천차단 할 수 있는 안전한 암호체계(양자암호)에도 활용될 수 있다.

▲전자
자연계를 구성하는 기본 소립자의 하나로 음전하를 나타낸다.

▲정공
반도체에서 전자가 빠진 빈자리를 나타내기 위한 가전자. 양전하를 띄며 전자와 같은 거동을 한다.

▲나노미터 (Nano meter)
10억분의 1 미터를 나타내는 단위로 1 나노미터는 대략 성인 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당된다.

▲자발 형성 양자점 (Self-assembled quantum dot)
격자상수가 큰 물질을 격자상수가 작은 기판 위에 얇게 성장시키면, 격자상수 차이에 의해 응력을 받게 되고, 응력을 줄이기 위해 3차원적 양자점 구조가 자발적으로 생성되게 된다. 고품질의 양자점 성장이 가능하고 양자점 성장에 많이 사용되는 기법이나 위치 조절이 어렵고 평면 구조 안에 내재되어 있는 형태여서 단일 양자점 획득 및 분석이 어렵다는 한계가 있다.

▲단일 광자원 (Single photon source)
단일 광자원의 경우 고전 전자기학으로는 설명할 수 없는 양자화 된 광자 특성을 잘 보여주는 양자광원으로써, 광자의 시간적인 분포가 [열광원 (광자 뭉침), 레이저 (랜덤한 광자 분포)와는 달리] 한 번에 하나의 광자만 존재하게 된다. 이를 이용하면 양자광학 분야 연구 뿐만 아니라 차세대 양자정보통신 분야에 활용될 수 있다.

 


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